Numerical investigations of laser-driven photon and particle sources with nanostructured materials and their applications

Laser-driven sources of photons, ions, and positrons are achievable by exploiting the interaction of high-intensity femtosecond laser pulses with appropriate targets. This interaction accelerates electrons to relativistic velocities, enabling subsequent proton acceleration through target normal sheath acceleration in solid foils. High-energy photons are generated either via bremsstrahlung when electrons pass through dense, high-Z foils or through non-linear inverse Compton scattering when they interact with the laser pulse. The production of high-energy photons, in turn, can initiate the two relevant processes of pair production in laser-plasma interactions: non-linear Breit-Wheeler and Bethe-Heitler pair production. A Double-Layer Target (DLT), consisting of a low-density nanostructured layer (foam) produced via pulsed laser deposition on top of a solid substrate, has the potential to trigger all these processes simultaneously. However, the study and application of these targets remain limited. Therefore, DLTs deserve a thorough investigation to fully explore and exploit their potential for the design of multi-radiation sources. This thesis investigates ion acceleration, photon generation, and pair production processes in laser-DLT interactions using particle-in-cell simulations coupled with Monte Carlo approaches. The exploration covers intensity regimes ranging from 10^(18) up to 10^(22) W/cm^2, revealing the impact of direct laser acceleration of electrons, self-focusing, and laser reflection within the DLT on these phenomena. The results reveal that the properties of both layers in the DLT significantly influence the simulated processes; particularly, homogeneous, low-density, long foams are advantageous for high-energy particle acceleration and generation. Nanostructured morphology reduces high-energy outputs but enhances laser absorption. Dense, high-Z, and high-mass solid layers prove beneficial for photon and pair production due to improved reflectivity and the density and atomic number dependencies inherent in these processes. Ultimately, this study deepens the understanding of the coexistence of these phenomena. Potential applications in imaging and elemental analysis are discussed, and preparatory work for two experimental campaigns is presented. Through theoretical and numerical analysis, this research confirms that the DLT is a viable and versatile option for tunable laser-driven particle sources.

Le sorgenti laser di fotoni, ioni e positroni possono essere realizzate sfruttando l'interazione di impulsi laser a femtosecondi ad alta intensità con bersagli appropriati. Questa interazione accelera gli elettroni a velocità relativistiche, permettendo la successiva accelerazione dei protoni tramite il meccanismo di Target Normal Sheath Acceleration nei bersagli solidi. I fotoni ad alta energia vengono generati tramite bremsstrahlung quando gli elettroni attraversano bersagli densi ad alto Z, oppure attraverso lo scattering Compton inverso non lineare quando interagiscono con l'impulso laser. La produzione di fotoni ad alta energia può, a sua volta, innescare due processi rilevanti di produzione di coppie elettrone-positrone nelle interazioni laser-plasma: la produzione di coppie Breit-Wheeler non lineare e il processo Bethe-Heitler. Un bersaglio a doppio strato (DLT), costituito da uno strato nanostrutturato a bassa densità (schiuma) prodotto tramite deposizione laser pulsata su un substrato solido, può innescare tutti questi processi simultaneamente. Tuttavia, lo studio e l'applicazione di questi bersagli rimangono limitati. Pertanto, i DLT meritano un'indagine approfondita per esplorare e sfruttare appieno il loro potenziale nella progettazione di sorgenti multi-radiazione. Questa tesi esamina l'accelerazione di ioni, la generazione di fotoni e i processi di produzione di coppie nelle interazioni laser-DLT utilizzando simulazioni particle-in-cell, combinate con approcci Monte Carlo. L'esplorazione copre regimi di intensità che vanno da 10^(18) fino a 10^(22) W/cm^2, rivelando l'impatto dell'accelerazione laser diretta degli elettroni, della focalizzazione automatica e della riflessione del laser all'interno del DLT su questi fenomeni. I risultati mostrano che le proprietà di entrambi gli strati nel DLT influenzano significativamente i processi simulati. In particolare, le schiume omogenee, lunghe e a bassa densità risultano vantaggiose per l'accelerazione e la generazione di particelle ad alta energia. La morfologia nanostrutturata riduce l'emissione di particelle ad alta energia, ma migliora l'assorbimento del laser. Gli strati solidi densi, ad alto Z e ad alta massa, si dimostrano vantaggiosi per la produzione di fotoni e coppie grazie alla migliore riflettività e alle dipendenze di densità e numero atomico insite in questi processi. In definitiva, questo studio approfondisce la comprensione della coesistenza di questi fenomeni. Vengono discusse potenziali applicazioni nell'imaging e nell'analisi elementare, e viene presentato il lavoro preparatorio per due campagne sperimentali. Attraverso analisi teoriche e numeriche, questa ricerca conferma che il DLT è un'opzione praticabile e versatile per sorgenti di particelle guidate da laser.