Thèse Transfert d'Énergie Entre Faisceaux Laser Incohérents Large Bande 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 : 2026-11-16 Date limite de candidature : 2026-11-02T23:59:59 La fusion par confinement inertiel (Inertial Confinement Fusion, ICF) constitue une voie prometteuse pour la production d'énergie thermonucléaire. Elle repose sur la compression et le chauffage d'une capsule contenant un mélange de deutérium et de tritium à l'aide de lasers de haute puissance, afin d'atteindre les conditions nécessaires aux réactions de fusion. L'ignition obtenue au National Ignition Facility (NIF) en 2022 a marqué une avancée majeure, mais de nombreux défis scientifiques et technologiques demeurent avant d'envisager une production d'énergie à grande échelle. Parmi ces défis, la compréhension des interactions laser-plasma est essentielle. Lors de leur propagation vers la cible, les faisceaux laser traversent un plasma sous-dense dans lequel différents mécanismes peuvent modifier leur propagation et redistribuer leur énergie, affectant ainsi les performances de l'implosion. Le transfert d'énergie entre faisceaux (Cross-Beam Energy Transfer, CBET) constitue l'un de ces mécanismes clés. Il résulte du couplage entre deux faisceaux laser qui se croisent dans le plasma, par l'intermédiaire d'une onde acoustique ionique. Ce processus peut modifier la répartition de la puissance laser sur la cible et compromettre la symétrie de l'implosion, un paramètre déterminant pour atteindre l'ignition. Jusqu'à présent, les études théoriques et numériques du CBET ont principalement considéré des faisceaux laser présentant une forte cohérence temporelle et spatiale. Cependant, le développement de nouvelles architectures laser produisant des faisceaux incohérents à large bande spectrale ouvre de nouvelles perspectives pour réduire certaines instabilités paramétriques, notamment les diffusions Brillouin et Raman stimulées. Ces propriétés spectrales et temporelles pourraient également modifier les conditions de résonance et l'efficacité du transfert d'énergie entre faisceaux.L'influence de l'incohérence et de la largeur spectrale sur le CBET reste toutefois mal comprise. L'objectif est donc de développer des modèles théoriques et numériques adaptés à ces nouveaux régimes afin de caractériser les mécanismes du transfert d'énergie et d'améliorer la modélisation des interactions laser-plasma. Ces travaux contribueront à optimiser les stratégies d'irradiation et la conception des futures cibles de fusion par confinement inertiel.
La fusion par confinement inertiel constitue une voie prometteuse pour la production d'énergie par fusion thermonucléaire, mais sa mise en oeuvre repose sur une maîtrise précise des interactions entre les faisceaux laser et le plasma. Parmi ces interactions, le transfert d'énergie entre faisceaux (CBET) joue un rôle important dans la redistribution de l'énergie laser et peut affecter la symétrie de l'implosion. Alors que les études classiques portent principalement sur des faisceaux laser cohérents, le développement de sources à large bande spectrale et à faible cohérence temporelle soulève de nouvelles questions quant à leur influence sur les mécanismes de transfert d'énergie. La compréhension de ces effets constitue ainsi un enjeu scientifique majeur pour améliorer la modélisation des interactions laser-plasma et optimiser les stratégies d'irradiation des futures expériences de fusion inertielle. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le transfert d'énergie entre faisceaux laser (Cross-Beam Energy Transfer, CBET) dans le régime de faisceaux à faible cohérence temporelle et à large bande spectrale. Ce phénomène, qui repose sur le couplage entre des faisceaux laser se croisant dans un plasma sous-dense par l'intermédiaire d'ondes acoustiques ioniques, joue un rôle important dans la redistribution de l'énergie laser lors des expériences de fusion par confinement inertiel. Comprendre son comportement en présence de faisceaux incohérents constitue ainsi un enjeu important pour améliorer la modélisation des interactions laser-plasma. Une première étape consistera à modéliser les nouvelles sources laser à large bande spectrale actuellement développées, notamment sur les installations du LULI. Il s'agira de représenter fidèlement leurs propriétés spectrales et temporelles, en tenant compte de la largeur de bande et des caractéristiques de cohérence des faisceaux. Cette description permettra d'étudier leur influence sur les conditions d'interaction avec le plasma. La deuxième étape portera sur l'analyse des mécanismes physiques gouvernant le CBET en présence de ces faisceaux. L'objectif sera notamment de déterminer comment la largeur de bande spectrale et la réduction de la cohérence temporelle modifient les conditions de résonance, le couplage avec les ondes acoustiques ioniques et l'efficacité du transfert d'énergie. Des études paramétriques permettront d'identifier les facteurs déterminants et de caractériser leur influence sur la dynamique du CBET. Ces travaux s'appuieront sur le code tridimensionnel Hera, dédié à la simulation des interactions laser-plasma. Celui-ci permettra d'étudier la propagation des faisceaux dans un plasma inhomogène et leur couplage avec les ondes acoustiques ioniques. Selon l'avancement du projet, des développements numériques pourront également être envisagés afin d'étendre ses capacités à des configurations de croisement à très grand angle, jusqu'à 170°. À terme, cette étude contribuera à améliorer la compréhension et la modélisation du CBET avec des faisceaux incohérents à large bande, afin d'affiner la description des interactions laser-plasma et d'optimiser les stratégies d'irradiation pour la fusion par confinement inertiel. Le travail s'appuiera sur une approche combinant modélisation théorique et simulations numériques tridimensionnelles afin d'étudier le transfert d'énergie entre faisceaux laser (Cross-Beam Energy Transfer, CBET) dans le régime des lasers à faible cohérence temporelle et à large bande spectrale. Une démarche progressive sera adoptée, en partant de configurations simples permettant d'isoler les mécanismes physiques, puis en introduisant progressivement les propriétés spectrales et temporelles des sources laser ainsi que des conditions de plasma plus réalistes. Une première étape sera consacrée à l'étude des modèles théoriques décrivant le CBET. L'objectif sera de comprendre les conditions de résonance entre les faisceaux laser et les ondes acoustiques ioniques, ainsi que les mécanismes responsables du transfert d'énergie. Une attention particulière sera portée à l'influence de la largeur de bande spectrale et du temps de cohérence sur la croissance des ondes acoustiques et sur l'efficacité du couplage entre faisceaux. Ces travaux permettront d'établir des modèles de référence et de définir les paramètres pertinents pour l'étude numérique. La majeure partie du travail reposera sur des simulations réalisées avec le code tridimensionnel Hera, dédié à la modélisation des interactions laser-plasma. Les premières simulations porteront sur des configurations de croisement simples, avec des faisceaux monochromatiques et cohérents, afin de reproduire des résultats de référence issus de la littérature et de valider les outils numériques. Des faisceaux présentant progressivement une largeur de bande spectrale finie et une cohérence temporelle réduite seront ensuite introduits pour étudier leur influence sur la dynamique du CBET. Des campagnes de simulations paramétriques permettront d'explorer l'influence de la largeur spectrale, de l'intensité des faisceaux, de la densité et de la température du plasma, ainsi que de l'angle de croisement. Une attention particulière sera accordée aux caractéristiques des nouvelles sources laser développées au LULI, afin de reproduire leurs propriétés spectrales et temporelles dans les simulations. Les résultats seront analysés à partir de l'évolution temporelle des champs laser et des ondes acoustiques ioniques, des spectres en fréquence et en nombre d'onde, ainsi que de la répartition de l'énergie entre les faisceaux incidents et transférés. Enfin, les résultats numériques seront comparés aux modèles théoriques et, lorsque cela sera possible, aux données expérimentales disponibles. Selon l'avancement du projet, des développements numériques pourront être envisagés pour étendre les capacités de Hera aux configurations de croisement à très grand angle, jusqu'à 170°. L'ensemble de cette démarche permettra de préciser les mécanismes physiques qui gouvernent le CBET avec des faisceaux incohérents à large bande et d'identifier les conditions dans lesquelles leurs propriétés spectrales et temporelles modifient significativement le transfert d'énergie.