Development of nanostructured materials for high intensity laser-plasma applications

Laser-matter interaction applications have gathered significant attention in recent years, due to their high scientific, technological and societal relevance: from clean energy production through inertial confinement fusion, to laser-driven particle accelerators for medical or security applications. Toward the aim to fulfill their potential, the coupling between laser and matter is a fundamental aspect. Nanostructured low-density materials are particularly promising candidates in this regard, with the ability to enhance laser-matter interaction and energy absorption. This PhD thesis work investigates their production through the versatile nanosecond and femtosecond pulsed laser deposition techniques (ns-PLD and fs-PLD), finding the relationship between process parameters and material properties. The insight gained are exploited for the design and production of nanostructured targets for high-intensity laser-matter interaction experiments: entirely produced double-layer targets (DLTs) for laser-driven particle acceleration, carbon nanofoams and nanostructured materials as ablators for inertial confinement fusion (ICF), and hydrogen-enriched boron-based nanofoams for proton-boron fusion. The results of the laser-matter interaction experiments performed on three laser facilities with significantly different properties confirm the potential of nanostructured materials and nanofoams as laser-matter interaction enhancers, and provide indications on the dependence of the ideal target characteristics on the laser properties. This consolidates the need for a versatile material production technique such as pulsed laser deposition, able to produce nanostructured materials with a wide variety of densities, morphologies and compositions.

L’interazione laser-materia e in particolare le sue applicazioni hanno attirato notevole attenzione negli ultimi anni, grazie alla loro alta rilevanza in campo scientifico, tecnologico e sociale: dalla produzione di energia pulita tramite fusione a confinamento inerziale, agli acceleratori di particelle tramite laser alle applicazioni mediche o di sicurezza. Per raggiungere il loro pieno potenziale, l'accoppiamento tra laser e materia è un aspetto fondamentale. I materiali nanostrutturati a bassa densità sono candidati particolarmente promettenti in questo senso, con la capacità di migliorare l’interazione laser-materia e l’assorbimento di energia. La tesi di dottorato si focalizza sulla loro produzione tramite Pulsed Laser Deposition (PLD), versatile tecnica di deposizione basata su laser pulsati della durata di nano e femtosecondi, trovando la relazione tra i parametri di processo e le proprietà del materiale. Le conoscenze acquisite sono quindi sfruttate per il design e la produzione di bersagli nanostrutturati per esperimenti di interazione laser-materia ad alta intensità: bersagli a doppio strato (DLT) per l’accelerazione di particelle tramite laser, nanoschiume di carbonio e materiali nanostrutturati come ablatori per la fusione a confinamento inerziale (ICF), e nanoschiume a base di boro arricchito di idrogeno per la fusione protone-boro. I risultati degli esperimenti di interazione laser-materia eseguiti su tre sistemi laser con proprietà significativamente diverse hanno confermato il potenziale dei materiali nanostrutturati e delle nanoschiume nel migliorare l’interazione laser-materia, e sono stati utili a fornire indicazioni sulla dipendenza delle caratteristiche ideali del bersaglio dalle proprietà del laser. Questo conferma l’utilità di una tecnica di produzione di materiali versatile come la PLD, in grado di produrre materiali nanostrutturati con una vasta gamma di densità, morfologie e composizioni.