Génération d'impulsions térahertz à partir de microplasmas créés par laser femtoseconde (théorie) // terahertz generation from femtosecond laser-induced micro-plasmas (theory)

Topic description

Contexte : Le domaine d'application du rayonnement térahertz (THz), situé entre les micro-ondes et l'infrarouge, englobe historiquement l'astronomie, l'imagerie, la télédétection, la spectroscopie moléculaire, ainsi que les études de la matière condensée. Pour toutes ces applications, les sources THz large bande à taux de répétition élevés sont primordiales. Les microplasmas induits par laser apparaissent comme des candidats prometteurs pour de telles sources THz, en termes de qualité de rayonnement, d'économie et de compacité.

L'objectif du projet MicroTera, financé par l'Agence nationale de la recherche (ANR), est le développement et la caractérisation de la génération d'impulsions THz à partir de microplasmas induits par laser femtoseconde et produits dans des gaz sous des conditions de focalisation forte. Les expériences seront réalisées par le partenaire du projet au Laboratoire de Physique de l'École Normale Supérieure (LPENS) à Paris, tandis que la théorie et la modélisation numérique seront assurées par le CELIA et l'ILM. Les ressources de calcul haute performance (HPC) nécessaires seront mises à disposition dans le cadre du projet CNARO, financé par le Grand équipement national de calcul intensif (GENCI).

Objectif de la thèse : L'objectif de cette thèse est d'étudier la physique des microplasmas générés par laser et d'améliorer notre compréhension de leurs émissions basse fréquence. Le problème sera abordé de trois manières : par une modélisation analytique simplifiée de la source THz locale, par des simulations numériques complètes de la génération du microplasma et de ses émissions secondaires, et enfin par la comparaison des résultats théoriques avec les données expérimentales correspondantes. Le travail proposé est donc principalement orienté vers la modélisation analytique et la simulation numérique. Les principaux outils numériques, un propagateur d'impulsions unidirectionnel et un code Maxwell-fluide, sont développés à l'ILM et au CELIA. Le (le) doctorant(e) effectuera des séjours prolongés dans les deux laboratoires afin d'acquérir une formation approfondie et de contribuer au développement ultérieur de ces codes. Au moins une visite prolongée au laboratoire LPENS est prévue afin que le doctorant puisse se familiariser avec les expériences.

Le cadre thématique de la thèse est assez large, allant de la recherche fondamentale en physique des plasmas et de la modélisation théorique de l'interaction lumière-matière, le développement de codes HPC, jusqu'au développement et à l'optimisation de sources THz pour des applications spécifiques. Le poids respectif de ces différents aspects peut être ajusté en fonction du profil du (de la) candidat(e).

Le (la) candidat(e) doit posséder une formation avancée en physique fondamentale et/ou en calcul scientifique, et être capable de manipuler des codes de simulation massivement parallèles et de contribuer à leur développement. Une expérience avec Python, Fortran, C ou C++ et MPI ou OpenMP sera appréciée.
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Context: The application range of terahertz (THz) radiation, which lies between the microwave and infrared, historically encompasses astronomy, imaging, remote sensing, chemical spectroscopy, as well as linear and nonlinear condensed matter studies. For all these applications, broadband THz sources at high repetition rates are primordial. Laser-induced micro-plasmas are promising candidates for such THz sources, which can also be cheap and compact.

The goal of the project MicroTera funded by the French Agence nationale de la recherche (ANR) is the development and characterization of THz pulse generation from femtosecond laser-induced micro-plasmas produced in gases under tight focusing conditions. Experiments will be performed by the project partner at Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure (LPENS) in Paris, while theory and numerical modeling will be carried out by CELIA and ILM. The necessary high-performance computing (HPC) resources will be made available as part of the project CNARO granted by the Grand équipement national de calcul intensif (GENCI).

Thesis objective: The objective of this thesis is to investigate the physics of laser-generated micro-plasmas and to improve our understanding of their low-frequency emissions. The problem will be approached in three ways: by simplified analytical modeling of the local THz source, rigorous numerical simulations of the generation of the micro-plasma and its secondary emissions, and finally comparison of the theoretical results with corresponding experimental data. The proposed work is thus mainly oriented towards analytical modeling and numerical simulation. The principal numerical tools, a unidirectional pulse propagator and a Maxwell fluid code, are developed at ILM and CELIA. The PhD student will have extended stays in both laboratories, in order to get in-depth training and contribute to the further development of these codes. At least one extended visit of the LPENS lab is foreseen, so the student can get some hands-on experience with the experiments.

The thematical framework of the thesis is rather broad, ranging from fundamental research in plasma physics and theoretical modeling of light matter interaction over HPC code development to very applied THz source development and optimization. The respective weights of these different aspects can be, to some extent, adjusted according to the profile of the candidate.

The candidate must have advanced training in fundamental physics and/or scientific computing, with an ability to handle massively parallel simulation codes and to contribute to their development. Experience with Python, Fortran, C, or C++ and MPI or OpenMP is welcome.
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Début de la thèse : 01/10/
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ANR