Numerical investigation of high-energy photon emission in laser-plasma interaction with double-layer targets

High-energy photon emission can occur during the interaction of ultra-intense lasers with plasmas.Such emission of electromagnetic radiation follows upon the generation of relativistic electrons through the direct conversion of laser energy into plasma kinetic energy. The two main phenomena capable of producing photons in the keV-MeV range are non-linear inverse Compton scattering (NICS), due to multiphoton scattering of laser photons by electrons, and Bremsstrahlung emission occurring when an electron scatters in the Coulomb field of a nucleus. The study of these phenomena is of great interest in vision of the future development of laser-based high-energy photon sources. However, the rich and complex underlying scenario of laser-plasma interaction poses significant challenges that can most effectively be addressed by means of numerical simulations. To this scope, particle-in-cell methods are well established tools for the simulation of kinetic plasmas which can be coupled with a Monte Carlo approach to simulate photon emission. In this thesis, this kind of simulations are used to investigate the two emission processes – NICS and Bremsstrahlung - in the case of laser interaction with double-layer targets (DLTs) made of a low-density carbon foam deposited on a thin solid substrate. DLTs are capable of enhancing the production of fast electrons in laser-plasma interaction and, because of this, are interesting for boosting the consequent photon emission processes. Two-dimensional numerical campaigns are performed with the scope of studying the physical processes at play and assess the role of the target. These simulations show the relevant role of the DLT and its properties in enhancing NICS emission with respect to other conventional targets, i.e. simple solid foils. Moreover, a preliminary study of Bremsstrahlung emission in the laser-DLT interaction is performed together with a critical discussion of the rationale of the adopted numerical method, which constitutes a new emerging tool in particle-in-cell codes.

L'emissione di fotoni ad alta energia può verificarsi durante l'interazione di laser ultra-intensi con i plasmi. Tale emissione di radiazioni elettromagnetiche segue la generazione di elettroni relativistici attraverso la conversione diretta dell'energia laser in energia cinetica del plasma. I due principali fenomeni in grado di produrre fotoni nell'intervallo keV-MeV sono lo scattering Compton inverso non lineare (NICS), dovuto allo scattering multifotonico dei fotoni laser da parte degli elettroni, e l'emissione di Bremsstrahlung che si verifica quando un elettrone interagisce con il campo di Coulomb di un nucleo. Lo studio di questi fenomeni è di grande interesse in visione del futuro sviluppo di sorgenti di fotoni ad alta energia basate su laser. Tuttavia, il ricco e complesso scenario sottostante dell'interazione laser-plasma pone sfide significative che possono essere affrontate in modo più efficace mediante simulazioni numeriche. A questo scopo, i metodi particle-in-cell sono strumenti ben consolidati per la simulazione di plasmi cinetici che possono essere accoppiati con un approccio Monte Carlo per simulare l'emissione di fotoni. In questa tesi, questo tipo di simulazioni vengono utilizzate per indagare i due processi di emissione - NICS e Bremsstrahlung - nel caso di interazione laser con bersagli a doppio strato (DLT) costituiti da una schiuma di carbonio a bassa densità depositata su un sottile substrato solido. I DLT sono in grado di potenziare la produzione di elettroni veloci nell'interazione laser-plasma e, per questo, sono interessanti per potenziare i conseguenti processi di emissione di fotoni. Vengono eseguite campagne numeriche bidimensionali con lo scopo di studiare i processi fisici in gioco e valutare il ruolo del target. Queste simulazioni mostrano il ruolo rilevante della DLT e delle sue proprietà nell'aumentare le emissioni NICS rispetto ad altri target convenzionali, cioè semplici fogli solidi. Inoltre, uno studio preliminare dell'emissione di Bremsstrahlung nell'interazione laser-DLT viene eseguito insieme a una discussione critica della logica del metodo numerico adottato, che costituisce un nuovo strumento emergente nei codici particle-in-cell.