Thèse Modélisation de la Transition Solide-Plasma dans les Matériaux Diélectriques pour la Génération de Chocs Laser en Régime Confiné H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM Direction de la thèse : Laurent VIDEAU Début de la thèse : 2026-10-05 Date limite de candidature : 2026-08-31T23:59:59 Lorsqu'un laser intense (plusieurs dizaines de joules, pour des durées d'impulsion de l'ordre de la dizaine
de nanosecondes) est focalisé sur la surface d'un métal, la matière solide irradiée est ionisée et se transforme
en plasma. La détente rapide de ce plasma génère une pression de plusieurs gigapascals sur cette surface
et produit une onde de choc qui se propage dans le matériau. La capacité à maîtriser précisément le dépôt
d'énergie laser, et donc l'amplitude et la forme temporelle du choc, est essentielle aussi bien pour des ap-
plications industrielles que pour des objectifs académiques (caractérisation dynamique des propriétés thermo-mécaniques, équations d'état sous choc).
Dans les configurations de choc laser confiné, un matériau diélectrique transparent est placé sur la face avant du métal irradié. Au début de l'interaction, ce diélectrique étant transparent au laser, il confine la détente du plasma formé sur le métal ce qui augmente fortement la pression de choc générée dans la cible. Cependant, au-delà d'un seuil d'intensité ou de durée d'impulsion, le diélectrique peut claquer : il passe brutalement d'un état isolant transparent à un état conducteur et absorbant, limitant l'énergie laser transmise à la surface métallique. Ce phénomène modifie l'efficacité du dépôt d'énergie, réduisant la pression générée et pouvant également compromettre la reproductibilité du chargement. Par ailleurs, les effets d'inhomogénéité 2D liés à la distribution spatiale de l'intensité au sein de la tache
focale sont encore insuffisamment documentés. Or, la présence éventuelle de points chauds issus de ces modulations spatiales peut jouer un rôle déterminant dans l'initiation du claquage.
La capacité à prédire de manière fiable ce phénomène de claquage optique reste donc ainsi aujourd'hui limitée.
Ce problème de la transition solide diélectrique / plasma intervient également en fusion par confinement
inertiel en attaque directe, où la transition solide-plasma dans les ablateurs diélectriques conditionne l'initia-
lisation et l'efficacité du processus de fusion nucléaire. Ces trois situations reposent sur des mécanismes d'ionisation d'un milieu initialement transparent et la formation d'un plasma absorbant, selon une dynamique pilotée par l'évolution de la densité électronique de la matière. Dans ce contexte, le CEA/DAM-DIF développe ESTHER, un code d'hydrodynamique radiative unidimensionnel open-source. Si ESTHER est capable de simuler avec précision le chargement par choc laser dans les matériaux métalliques, il ne traite pas aujourd'hui la dynamique électronique dans les matériaux diélectriques.
Le premier objectif de la thèse est de développer et intégrer dans ESTHER un premier modèle de l'ionisation électronique dans les diélectriques, pour des matériaux de référence tels que l'eau ou le verre. Un point
central du travail sera de décrire de manière continue l'évolution de la permittivité optique dans l'intégralité
du domaine thermodynamique traversé, du solide isolant jusqu'à l'état plasma absorbant. L'originalité du
travail réside dans le couplage direct de ce modèle de claquage optique avec un code d'hydrodynamique-
radiative. Une telle approche est rare, la plupart des modèles traitant séparément la dynamique électronique
et l'hydrodynamique, ou supposant le plasma déjà formé.
Le second objectif de la thèse consistera à valider expérimentalement les modèles développés via l'élaboration et la participation à des campagnes de tirs laser sur la plateforme GCLT. Ces campagnes expérimentales permettront également d'étudier l'influence de la modulation spatiale de l'intensité au sein de la tache focale sur les processus d'initiation et de développement du claquage.
Sur la base des résultats expérimentaux obtenus et des simulations numériques associées, une analyse détaillée des mécanismes physiques de l'interaction laser-matière sera effectuée. Elle pourra notamment donner lieu à l'élaboration de modèles d'interaction plus avancés. Lorsqu'un laser intense (plusieurs dizaines de joules, pour des durées d'impulsion de l'ordre de la dizaine
de nanosecondes) est focalisé sur la surface d'un métal, la matière solide irradiée est ionisée et se transforme
en plasma. La détente rapide de ce plasma génère une pression de plusieurs gigapascals sur cette surface
et produit une onde de choc qui se propage dans le matériau. La capacité à maîtriser précisément le dépôt
d'énergie laser, et donc l'amplitude et la forme temporelle du choc, est essentielle aussi bien pour des ap-
plications industrielles que pour des objectifs académiques (caractérisation dynamique des propriétés thermo-mécaniques, équations d'état sous choc).
Dans les configurations de choc laser confiné, un matériau diélectrique transparent est placé sur la face avant du métal irradié. Au début de l'interaction, ce diélectrique étant transparent au laser, il confine la détente du plasma formé sur le métal ce qui augmente fortement la pression de choc générée dans la cible. Cependant, au-delà d'un seuil d'intensité ou de durée d'impulsion, le diélectrique peut claquer : il passe brutalement d'un état isolant transparent à un état conducteur et absorbant, limitant l'énergie laser transmise à la surface métallique. Ce phénomène modifie l'efficacité du dépôt d'énergie, réduisant la pression générée et pouvant également compromettre la reproductibilité du chargement. Par ailleurs, les effets d'inhomogénéité 2D liés à la distribution spatiale de l'intensité au sein de la tache
focale sont encore insuffisamment documentés. Or, la présence éventuelle de points chauds issus de ces modulations spatiales peut jouer un rôle déterminant dans l'initiation du claquage.
La capacité à prédire de manière fiable ce phénomène de claquage optique reste donc ainsi aujourd'hui limitée.
Ce problème de la transition solide diélectrique / plasma intervient également en fusion par confinement
inertiel en attaque directe, où la transition solide-plasma dans les ablateurs diélectriques conditionne l'initia-
lisation et l'efficacité du processus de fusion nucléaire. Ces trois situations reposent sur des mécanismes d'ionisation d'un milieu initialement transparent et la formation d'un plasma absorbant, selon une dynamique pilotée par l'évolution de la densité électronique de la matière. Dans ce contexte, le CEA/DAM-DIF développe ESTHER, un code d'hydrodynamique radiative unidimensionnel open-source. Si ESTHER est capable de simuler avec précision le chargement par choc laser dans les matériaux métalliques, il ne traite pas aujourd'hui la dynamique électronique dans les matériaux diélectriques. Le premier objectif de la thèse est de développer et intégrer dans ESTHER un premier modèle de l'ioni-
sation électronique dans les diélectriques, pour des matériaux de référence tels que l'eau ou le verre. Un point
central du travail sera de décrire de manière continue l'évolution de la permittivité optique dans l'intégralité
du domaine thermodynamique traversé, du solide isolant jusqu'à l'état plasma absorbant. L'originalité du
travail réside dans le couplage direct de ce modèle de claquage optique avec un code d'hydrodynamique-
radiative. Une telle approche est rare, la plupart des modèles traitant séparément la dynamique électronique
et l'hydrodynamique, ou supposant le plasma déjà formé.
Le second objectif de la thèse consistera à valider expérimentalement les modèles développés via l'élabo-
ration et la participation à des campagnes de tirs laser sur la plateforme GCLT (laser CEA/DAM-DIF) où
les matériaux de référence seront considérés. Ces campagnes expérimentales permettront également d'étudier
l'influence de la modulation spatiale de l'intensité au sein de la tache focale sur les processus d'initiation et
de développement du claquage.
Enfin, sur la base des résultats expérimentaux obtenus et des simulations numériques associées, une
analyse détaillée des mécanismes physiques de l'interaction laser-matière sera effectuée. Elle pourra notam-
ment donner lieu à l'élaboration de modèles d'interaction plus avancés. L'ensemble de ces développements
permettront alors d'optimiser les conditions de confinement pour la production de chocs intenses dans la
matière.

Vous êtes en dernière année d'école d'ingénieurs ou universitaire (Bac +5), dans un cursus physique
avec une dominante mécanique/matériaux ou plasma, avec une appétence pour la simulation numérique,
les mathématiques appliquées et la recherche académique. Des connaissances en électromagnétisme et en
hydrodynamique sont souhaitables. Vous maitrisez le langage de programmation Python et FORTRAN.