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ONDES DE SURFACE DANS L’INTERACTION
LASER ULTRA COURT ET INTENSE - METAL
Michèle Raynaud
Laboratoire des Solides Irradiés,
CEA-CNRS-Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau, France
En collaboration avec:
J. C. Adam et A. Héron, CPHT, Ecole Polytechnique
G. Geoffroy et M. Perdrix, CEA-SACLAY, DSM/IRAMIS/SPAM,
P. Martin, CELIA, Université Bordeaux 1,
C. Riconda, PAPD/LULI, Université Paris 6,
Ondes de surface dans un métal:
♦ Oscillations collectives haute-fréquence du gaz d’électrons
qui se propagent le long de l’interface métal-vide
y
métal
Exsp
♦ Se caractérisent par un champ électrique intense,
x
évanescent et localisé à l’interface métal-vide
♦ Modes propres d’oscillation du gaz d’électrons à la fréquence sp:
2
 2sp2  pe2  avec pe2  4 ne e2 m
ksp2 c2 sp2  sp2  pe
k
Peuvent être excitées par une onde laser en polar p à
condition d’introduire un terme d’impulsion supplémentaire qui
permette de conserver l’impulsion: par exemple en utilisant
une surface modulée périodiquement (de période a) :
/c
ksp

ksp= k0sin + 2/a
a,  choisi  un seul angle pour lequel la condition de
résonance est satisfaite
♦ Mécanisme efficace d’absorption : jusqu’à 90% d’absorption de la lumière
♦ Augmentation importante du rendement photoélectrique
Courant total photoémis en présence d’une onde de surface:
Magnetically-shielded
high vacuum (10-8
mbar) chamber
Incident p-polarized
Laser Pulse 0=800 nm
Polarisation s
ko
Metallic
Grating Target
x
EL
e-
Electron
e- Multiplier
e-
Eo
Polarisation p

k0
EL
k0
n
Seule polarisation qui
permet d’exciter
l’onde de surface
Au (150
grooves/mm)
Signal électronique en fonction de l’angle
d’incidence du laser: FIG. 1
massive gold target
9
2
50 fs, 1.2 10 W/cm
5
10
50 fs
polar p
polar s
2
80
Electron Current Density (mA/cm )
2
Electron current density (mA/cm )
100
60
40
20
0
50
Signal électronique en fonction de l’intensité
laser, i=65°:
(slope 4)
4
10
3
10
 Pente 4, en accord
avec le bilan
photoélectrique:
Ws=5.1eV, hν =1.55 eV
2
10
1
10
0
10
-1
55
60
65
70
75
Angle (degree)
• il existe un maximum d’émission à
65° d’incidence en polarisation p
• 40% d’aborption en p (20% en s)
10
0,1
1
10
2
Laser Intensity (GW/cm )
le processus d’émission reste de nature
photoélectrique en présence de l’onde
de surface
Photoémission en présence d’une onde de surface, ce qui change…
y
Laser, incidence oblique  et polar p :
h=1.55 eV (=800nm, =2.3 1015 rad/s)
Métal
Effet Photo-électrique multiphotonique (4 photons) :
E = nh - W s = 4 x 1.55 – 5.1  1 eV
Or
Ws=5.1eV
pe~ 4x1015 rad/s
VIDE
x
Ext. Spatiale  600nm
Esp = Chp
inhomogène HF // x
Force Pondéromotrice // à x:
Fp = -x (Usp)= - x (e2 Esp2 / 4mω2 )
Accélération des électrons photo-émis: Ec,final= Usp + 2Usp(vi/vosc-cosφ )2
 Le gain en énergie dépend du temps passé par l’électron dans le champ du SP:
 Courte durée d’impulsion  accélération faible
 Grande durée d’impulsion  forte accélération
ex: Ilaser = 109W/cm2 , Esp = 200EL , Usp = 2.4 eV
Pour un temps d’interaction suffisamment long de l’e-, ~ 600 fs à 109W/cm2
Ec,final min = Usp et Ec,final min = 3 Usp + 23/2 ( E Usp )1/2 ~ 12 eV !
 Le spectre se déplace et s’élargit
Effet d’accélération des photoélectrons émis en présence d’une onde de
surface: cas d’un réseau d’or (laser LUCA, 2 109W/cm2, 800nm, = R= 66°)
60 fs
200 fs
400 fs
600 fs
800 fs
0,25
0,20
0,15
laser  à intensité laser constante:
le spectre se déplace: effet pondéromoteur
et s’élargit: effet de phase initiale
0,10
0,05
0,30
0,00
-0,05
0
10
20
30
40
50
énergie (eV)
laser > 800fs, les collisions électronsphonons commencent à amortir le
plasmon de surface, l’énergie 
signal électronique (unité arbitaire)
signal électronique (unité arbitraire)
0,30
800 fs
1000 fs
1200 fs
1600 fs
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
-0,05
0
10
20
30
40
50
énergie (eV)
J. Kupersztych, P. Monchicourt and M. Raynaud, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 5180; J. Kupersztych and M. Raynaud, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 147401
Les effets pondéromoteurs qui accélèrent les électrons photoémis sont-ils les seuls
effets auxquels on peut s’attendre en présence d’une onde de surface ?
Excitation d’une onde de surface avec un laser ultra court et intense  modification
transitoire de la distribution de Fermi du métal
Etude de la dynamique de relaxation du gaz d’électrons en présence
d’une onde de surface  mesures pompe-sonde à 2 couleurs:
1ère étude: 800nm + 266nm, 50fs  Laser LUCA CEA/Saclay
266 nm
3ω
λ/2
800 nm
Time delay line
Compressor
Gold grating
target
Lens
Magnetically-shielded
high vacuum
(10-8 mbar) chamber
λ/2
Lens
Time-of-flight
spectrometer
 le laser « pompe » excite l’onde de
surface à 800 nm (i= 65°) et crée une
population d’électrons chauds hors
d’équilibre
 le laser à 266 nm sonde cette population
d’électrons en fonction du délai temporel
entre les deux impulsions
Excitation de l’onde de surface avec le 800nm (~1010W/cm2):
 forte accélération des électrons
-0.02
 Estimation du potentiel pondéromoteur:
Ecmin = Usp + E ~ 14.5eV  Usp = 13.4eV
800 V
800 H
-0.015
-0.01
J (mV)
ECmin
 Energie cinétique maximale attendue:
Ecmax = 3Usp + 22/3 (E Usp)1/2 = 51eV
Ecmax
-0.005
 Valeur expérimentale ~48eV
0
0.005
0
10
20
30
40
50
60
70
Ec (eV)
Emission électronique en présence de l’onde de surface à 800 et 266nm:
-0.02
800nm
-0.015
800 +-0.01
266nm,
delay=123fs
j (mV)
800 + 266nm, delay=0
E’cmax
-0.005
266nm
0
0.005
0
20
40
60
Ec (eV)
80
100
∆t=0, les électrons photo-ionisés avec le 266nm
ont une énergie cinétique de 4.2 ev (Ws-2hν).
Durant leur interaction avec le champ de l’onde
de surface excitée par le 800nm, ils devraient
acquérir une énergie cinétique maximale de:
3Usp + 22/3 (E Usp)1/2 = 61eV
On observe des électrons de 68eV  électrons
qui avaient une énergie cinétique initiale plus
grande  l’excitation d’un SP modifie la
fonction de distribution du gaz d’électron dans
le solide
Emission électronique en présence d’une onde de surface en fonction du
délai entre les 2 impulsions laser :
-0.01
-0.008
-0.006
-0.004
 En présence de l’onde de
surface, temps de relaxation long
~60 à 100fs
 à comparer aux temps de
relaxation obtenus dans l’Or
polycristallin ~35 à 10fs /1/
Ec=40eV
-0.002
Ec=50eV
0
0.002
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
delay (fs)
Résultats préliminaires
1200
1000
electron signal (arb. units)
 Expériences en cours.. Se poursuivent ..
 bati de Photoémission du CELIA:
à 266nm
+ avec la génération d’harmonique  VUV
IR + HHG at zero
delay
800
HHG probe
600
400
200
IR pump
0
0
5
10
15
20
25
Energy (eV)
/1/ M. Aeschilimann, M. Bauer and S. Pawlik, Chem. Phys. 205 (1996) 127
Autres Perspectives :
Dans ces expériences, par excitation de l’onde de surface:  production
d’électrons de 50 eV
au lieu des 1 eV qui résultent du bilan photoélectrique multiphotonique:
E = nh - Ws = 4 x 1.55 – 5.1
Idée: augmenter l’énergie des photoélectrons en augmentant IL tout en
diminuant L
Travaux ultérieurs sur l’or et l’argent en présence d’onde de surface:
 Electrons de 400 eV à 1013W/cm2
J. Zawadzka, D. Jaroszynski, J. Carey and K. Wynne, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 2130
S. E. Irvine, A. Dechant and A. Y. Elezzabi, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 184801
S.E. Irvine and Y. Elezzabi, Phys. Rev. A 73 (2006) 13815
Augmenter encore l’énergie des électrons émis?
A plus haute intensité laser… 1018W/cm2
et pour des durées d’impulsion ultra courtes < 100fs
Création d’un plasma chaud, surdense et à gradient raide
Mécanismes d’absorption connus : absorption résonnante ou instabilités
paramétriques  peu efficaces ici
Bremsstrahlung inverse, JxB, Vacuum heating, Effet de peau anormal
 accélération d’électrons peu importante à 1018W/cm2
 créer des électrons chauds dans un plasma surdense par excitation
d’une onde plasma de surface
Simulations PIC 2D (code EMI2D J.C. Adam A. Héron)
ne/nc=25 , vthe =1KeV, I02=1018Wµm2/cm2, 60 fs
Pour exciter l’onde plasma de surface  introduction d’une modulation
sinusoïdale initiale de la surface du plasma
d=0/2
y
Eo
plasma
La relation de dispersion et les conditions
de résonance sont satisfaites par le
choix du pas de la modulation a~0 et de
l’angle d’incidence  ~31°
70
60
 ~31°
ko
Alors : ksp= (24/23)1/2 k0 et ysp~ 0=
y0sin = y0/2
400
x
Fonction de distribution de l’énergie des électrons:
t=4380-1
sp
Sans onde plasma de surface  absorption en fin de run = 18%
En présence de l’onde plasma de surface  absorption en fin de run = 68%
Ecmax=2.3 MeV
alors que Emax~ mc2(osc-1) ~ 0.16 MeV pour I02=1018Wµm2/cm2
Espace des vitesses  des électrons (px/mec, x0/c) à t=4380-1
En présence de l’onde de surface:
En présence de l’onde de surface
 paquets d’électrons à 0
sans onde de surface:
:
Pour conclure :
Comme dans l’interaction laser-solide, on peut exciter une onde de
surface dans l’interaction laser ultra-court et intense - plasma
 très forte augmentation de l’absorption : 18%  68%
 chauffage important des électrons : 2.3 MeV à 1018 Wµm2/cm2
Etudes futures:
- Augmenter le chauffage des électrons et l’absorption en augmentant IL
1er résultats à 1019 W/cm2  absorption = 76% + e- de 5 MeV
- Mettre à profit le phénomène de l’augmentation de l’absorption afin
d’augmenter l’efficacité de l’accélération des ions
- Étude de la génération de champs magnétiques intenses
en présence d’ondes plasmas de surface