Thèse Étude Théorique et Numérique de la Diffusion Raman Latérale Stimulée en Régime Cinétique et Faiblement Collisionnel Sous Éclairement Laser Lissé H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM Direction de la thèse : Paul-Edouard MASSON-LABORDE ORCID 0000000327869382 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-10-31T23:59:59 La fusion par confinement inertiel (FCI) utilise des lasers de très haute puissance pour comprimer
une cible de combustible et générer de l'énergie. Lors de la traversée du plasma entourant la cible,
le laser déclenche des instabilités néfastes comme la diffusion Raman latérale stimulée (SRSS),
où la lumière est dispersée à des angles obliques. Si la diffusion vers l'arrière est bien
documentée, la SRSS reste mal comprise dans le régime cinétique, où l'onde plasma piège les
électrons, annule l'amortissement Landau et amplifie anormalement la réflectivité (inflation
cinétique). Dans les conditions réelles des cibles, ce phénomène interagit avec deux éléments
majeurs : d'une part, les collisions entre particules exercent une friction qui tend à dépiéger les
électrons, modérant l'instabilité ; d'autre part, le profil réel du laser est structuré par des techniques
de lissage spatial (lames de phase générant des travelures) et temporel. Le travail proposé dans
cette thèse consiste à modéliser cette dynamique par une double approche théorique et
numérique. Le candidat développera des modèles analytiques obliques, puis réalisera des
simulations à l'aide du code Particle-in-Cell (PIC) Smilei. Il exploitera les modules de collision de
Monte Carlo ainsi que les fonctionnalités de lissage spatial et temporel déjà implémentées dans le
code pour modéliser un couplage laser-plasma réaliste. Les résultats attendus incluent la
cartographie des seuils de la SRSS, la compréhension de sa saturation, et l'établissement de lois
d'échelle sur les électrons chauds générés afin d'optimiser les futures cibles de fusion. Dans le contexte de la fusion par confinement inertiel, l'interaction entre un faisceau laser intense et le plasma sous-dense qui entoure la cible peut donner naissance à plusieurs instabilités paramétriques. Ces instabilités jouent un rôle important dans le couplage de l'énergie laser à la cible, puisqu'elles peuvent détourner une partie de l'énergie incidente et produire des électrons suprathermiques. Ces derniers sont particulièrement problématiques lorsqu'ils déposent leur énergie en profondeur dans la cible et contribuent au préchauffage du combustible.
Parmi ces instabilités, la diffusion Raman stimulée occupe une place importante. Les études se sont longtemps concentrées sur la diffusion Raman arrière, pour laquelle la lumière diffusée se propage dans une direction proche de celle opposée au faisceau incident. Dans les plasmas de grande dimension et présentant des gradients de densité, des configurations obliques ou presque latérales peuvent cependant devenir importantes. Dans ce cas, l'onde électromagnétique diffusée peut se propager sur une distance importante au voisinage de la région où la condition de résonance est satisfaite. Cette géométrie peut également favoriser les interactions entre différentes zones de forte intensité du faisceau laser et permettre à une instabilité développée dans un speckle d'influencer les régions voisines.
La situation se complique lorsque l'onde plasma électronique associée à la diffusion Raman se trouve dans un régime cinétique. Lorsque sa vitesse de phase n'est plus très éloignée des vitesses électroniques thermiques, une partie des électrons résonants peut être piégée dans le potentiel électrostatique de l'onde. La fonction de distribution électronique est alors modifiée au voisinage de la vitesse de phase, ce qui peut réduire fortement l'amortissement de Landau. Ce mécanisme est à l'origine de l'inflation cinétique, caractérisée par une augmentation non linéaire parfois importante du niveau de diffusion Raman.
Dans les conditions d'intérêt pour la fusion, cette dynamique ne peut toutefois pas être considérée indépendamment des collisions. Même lorsque leur fréquence reste faible, les collisions électron-ion et électron-électron peuvent modifier les orbites des électrons piégés et provoquer leur dépiégeage. Elles entrent alors directement en compétition avec les mécanismes cinétiques responsables de la réduction de l'amortissement de Landau et peuvent limiter le développement de l'inflation.
Il est également nécessaire de tenir compte de la structure réelle du faisceau laser. Les faisceaux utilisés sur les grandes installations sont lissés spatialement et, dans de nombreux cas, temporellement. Le lissage spatial produit une distribution de points chauds dont les intensités et les dimensions varient dans l'espace. Le lissage temporel fait évoluer cette structure sur une durée caractéristique liée au temps de cohérence du laser. La croissance de la SRSS dépend alors non seulement des paramètres du plasma et de l'intensité laser moyenne, mais aussi du temps pendant lequel une région de forte intensité reste cohérente et de la manière dont les différents speckles sont corrélés entre eux.
L'étude proposée porte donc sur une situation où plusieurs mécanismes sont simultanément en jeu : croissance paramétrique, effets cinétiques liés au piégeage des électrons, dépiégeage collisionnel et décohérence imposée par le lissage laser. Leur interaction reste encore difficile à décrire de manière complète, en particulier pour des géométries multidimensionnelles et des faisceaux présentant des statistiques réalistes. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, qui s'appuiera sur une combinaison de modélisation théorique et de simulations cinétiques de grande dimension.
L'objectif de cette thèse est d'étudier la diffusion Raman latérale stimulée (SRSS) dans des plasmas où les effets cinétiques électroniques deviennent importants et où les collisions, bien que faibles, peuvent encore jouer un rôle sur la dynamique de l'instabilité. Une attention particulière sera portée aux conditions d'éclairement représentatives des installations laser de forte puissance, pour lesquelles le faisceau est soumis à un lissage spatial et temporel.
Le travail cherchera tout d'abord à caractériser les différents régimes de la SRSS, depuis sa phase de croissance linéaire jusqu'aux régimes non linéaires où le piégeage des électrons par l'onde plasma peut profondément modifier l'évolution de l'instabilité. Il s'agira notamment de préciser dans quelles conditions apparaît l'inflation cinétique et comment celle-ci affecte le seuil, la croissance puis la saturation de la diffusion Raman.
Le rôle des collisions sera étudié en parallèle. Même lorsqu'elles restent relativement faibles, celles-ci peuvent perturber les trajectoires des électrons piégés et favoriser leur dépiégeage. Elles sont donc susceptibles de limiter les effets cinétiques et de modifier la saturation de l'onde plasma électronique. L'objectif sera d'évaluer quantitativement cette compétition entre piégeage et dépiégeage collisionnel.
Une autre partie importante du travail concernera l'influence du lissage du faisceau laser. Le lissage spatial conduit à une structure en points chauds, ou speckles, tandis que le lissage temporel impose une durée de cohérence finie aux fluctuations du champ laser. On cherchera à déterminer comment ces propriétés modifient le seuil et le taux de croissance de la SRSS, mais aussi sa distribution angulaire et son développement d'un speckle à l'autre.
Enfin, l'étude portera sur la phase non linéaire de l'interaction et sur la génération d'électrons suprathermiques. Leur spectre en énergie ainsi que leur distribution angulaire seront caractérisés afin de préciser leur lien avec le développement de la SRSS. À terme, l'objectif sera de dégager des lois d'échelle et, lorsque cela est possible, des modèles réduits permettant de restituer les principaux résultats dans des simulations laser-plasma réalisées à des échelles plus grandes.
Un des fils conducteurs de la thèse sera ainsi d'identifier les régimes résultant de la compétition entre le temps de croissance de l'instabilité, le piégeage cinétique des électrons, leur dépiégeage sous l'effet des collisions et le temps de cohérence imposé par le lissage laser.
Le travail s'appuiera sur une approche mêlant développements théoriques et simulations numériques cinétiques. L'idée sera de partir de configurations suffisamment simples pour isoler les mécanismes physiques en jeu, puis d'introduire progressivement les différents ingrédients nécessaires pour se rapprocher de conditions d'éclairement plus réalistes.
Un premier volet sera consacré à l'analyse théorique de la diffusion Raman latérale. Les modèles existants de SRS cinétique seront adaptés à des géométries bidimensionnelles permettant de décrire la diffusion oblique. On cherchera en particulier à préciser le rôle respectif de l'amortissement de Landau, du piégeage électronique et des collisions sur les conditions de déclenchement et la croissance de l'instabilité. Selon les régimes étudiés, des descriptions simplifiées des collisions, de type BGK, ou des approches plus complètes fondées sur une description Fokker-Planck pourront être utilisées. Ces développements fourniront des éléments de comparaison et d'interprétation pour les simulations numériques.
La majeure partie du travail numérique reposera sur des simulations Particle-In-Cell bidimensionnelles réalisées avec le code SMILEI. Une démarche progressive sera privilégiée. Les premières simulations pourront considérer des plasmas homogènes et des configurations simples, par exemple un point chaud isolé, afin d'identifier clairement les mécanismes associés à la croissance et à la saturation de la SRSS. Des profils de densité inhomogènes et des configurations comportant plusieurs speckles seront ensuite introduits.
Le rôle du lissage laser constituera une part importante de cette étude. Le lissage spatial par lame de phase permettra de travailler avec des distributions réalistes de speckles, tandis que l'introduction d'une largeur spectrale finie permettra d'étudier l'effet du lissage temporel et du temps de cohérence du faisceau. Des comparaisons entre différentes conditions de lissage permettront notamment de déterminer dans quelle mesure l'évolution temporelle du champ laser limite la durée disponible pour la croissance de l'instabilité et modifie le couplage entre speckles voisins.
L'influence des collisions sera étudiée en comparant des simulations collisionnelles et non collisionnelles sur une même base. Plusieurs paramètres physiques pourront être explorés, en particulier la densité et la température électroniques, l'intensité laser, la fréquence de collision ainsi que les caractéristiques spatiales et temporelles du lissage. Cette démarche devrait permettre d'identifier les domaines dans lesquels les collisions restent suffisamment faibles pour conserver une dynamique cinétique, tout en étant capables de modifier le piégeage des électrons.
Enfin, une attention particulière sera portée à la phase non linéaire de la SRSS et aux mécanismes conduisant à sa saturation. L'analyse s'appuiera notamment sur les espaces de phase électroniques, les fonctions de distribution, les spectres des champs en fréquence et en nombre d'onde, ainsi que sur la distribution angulaire de la lumière diffusée. Le spectre et la directionnalité des électrons suprathermiques seront également suivis. Ces diagnostics permettront de rechercher les signatures du piégeage électronique et d'étudier, selon les régimes rencontrés, l'apparition éventuelle de mécanismes tels que le déferlement de l'onde plasma ou les couplages non linéaires entre ondes de Langmuir.

Physique des plasmas, Simulations numériques cinétiques