Plasma guiding of non-ideal laser profiles with the novel simulation tool LAURENTO

This thesis project is in collaboration with the National Institute of Nuclear Physics (INFN), Milan section, and it is about the scarcely investigated guiding of non-ideal laser profiles in plasma channels, through the development of a routine able to solve the time evolution of laser pulse, under envelope, paraxial and quasi-static approximation. The simulated laser pulse propagates in an underdense preformed plasma channel, assuming cylindrical approximation. Thanks to this routine the code LAURENTO (pLAsma gUiding foR lasEr acceleratioN simulaTion cOde) has been written in order to perform numerical simulations of the aforementioned physical system. Furthermore, the underlying motivation of this thesis is the interest of studying such physical systems via numerical simulations, in order to lay the groundwork necessary to a deeper understanding of the results obtained from the External Injection (ExIn) experiment, which is under way at the National Laboratories of Frascati (LNF). Moreover, in order to develop the aforementioned code, the routine employs recently published numerical methods inferno, which have been proven to be effective for the modeling of laser-plasma accelerators. Thereafter, the code has been benchmarked using analytical cases (i.e., the vacuum diffraction of a laser pulse) and the code "Qfluid", for what concerns the plasma guiding of Gaussian pulses. Once we have proven the validity of LAURENTO's results, we were able to investigate the guiding and matching conditions of "doughnut-like" laser pulses, which are indeed common in external injection experiments. These results have proven that it is possible to guide such pulses employing the well-known guiding condition of Gaussian pulses, despite a large degree of mismatch.

Questo lavoro di tesi è in collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), sezione di Milano, ed affronta il poco studiato guiding di profili laser non ideali in canali di plasma, tramite lo sviluppo di una routine in grado di risolvere l'evoluzione temporale di un impulso laser, sotto le ipotesi di inviluppo parassiale e approssimazione quasistatica. L'impulso simulato propaga in un canale di plasma preformato, assumendo la simmetria cilindrica. Grazie a questa routine è stato possibile scrivere il codice LAURENTO (pLAsma gUiding foR lasEr acceleratioN simulaTion cOde) per realizzare simulazioni numeriche del sistema sopracitato. Inoltre, la motivazione di fondo di questa tesi è l'interesse nello studio di tale sistema fisico tramite simulazioni numeriche, in modo tale da gettare le basi per una più profonda comprensione dei risultati ottenuti dall'esperimento External Injection (ExIn), che è attualmente in corso ai Laboratori Nazionali di Frascati (LNF). Per poter sviluppare il sopracitato codice, inoltre, la routine utilizza metodi numerici di recente pubblicazione, che si sono dimostrati efficaci nella modellazione di acceleratori laser-plasma. Successivamente, è stato realizzato il benchmark del codice usando casi analitici (cioè la diffrazione nel vuoto di impulsi laser) ed il codice "Qfluid", per quanto concerne il guiding di impulsi Gaussiani. Una volta dimostrata la validità dei risultati di LAURENTO, è stato possibile investigare le condizioni di matching e guiding di impulsi a "doughnut", che sono comuni in esperimenti di external injection. Questi risultati hanno dimostrato che il guiding di questi impulsi è possibile, impiegando le note condizioni di guiding di impulsi Gaussiani, nonostante un elevato grado di mismatch.