Des impulsions laser très intenses focalisées sur une cible solide libèrent des électrons de grande énergie. Ils sont accélérés par le champ électromagnétique du laser qui est par nature oscillant. Il faut donc optimiser avec soin les conditions de l'interaction pour que l'accélération soit efficace et puisse durer au-delà d'un demi-cycle optique.
Des modélisations et des expériences récentes ont montré qu'il est possible d'augmenter le couplage entre le laser et les électrons du plasma en utilisant une cible à la surface nanostructurée à la manière d'un réseau de diffraction. Une « onde plasma » de surface peut alors produire des paquets d'électrons d'énergie relativiste avec un fort courant.
Les chercheurs ajoutent aujourd'hui une autre condition : une rotation bien choisie du front d'onde laser au point focal permet de renforcer l'onde plasma de surface. Celle-ci participe alors plus efficacement à l'accélération des paquets d'électrons, ce qui conduit à un gain significatif (65 %) en énergie des électrons.
Des simulations Particle-in-Cell révèlent que l'optimum est obtenu quand la vitesse de glissement du centre du front d'onde par rapport au point de focalisation du faisceau laser est confondue avec la vitesse de propagation de l'onde plasma de surface. Dans ce cas, il serait possible de créer – avec des impulsions laser de 25 femtosecondes (10-15 s) et de 4,7 x 1019 W/cm2 et un front d'onde en rotation jusqu'à 67 mrad – des paquets d'électrons d'une durée de 8 fs, avec une énergie de 70 MeV et une charge totale de 50 pC (1 picocoulomb = 10-12 C).
Cette étude ouvre la voie à des mesures qui pourront être réalisées sur des installations laser de très haute intensité (UHI) aujourd'hui disponibles en France, et en particulier à l'Iramis.
Ces travaux du Laboratoire des solides irradiés (École polytechnique, CNRS, CEA) ont été réalisés en collaboration avec le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (École polytechnique, CNRS, CEA, Sorbonne Université) et l'Université de Pise (Italie).