Observation of induced compton scattering in laser created plasma

Volume 32A. number 4

PHYSICS

OBSERVATION IN

LETTERS

27 July 1970

OF INDUCED COMPTON SCATTERING LASER CREATED PLASMA

M. D E C R O I S E T T E .

G. P I A R and F. F L O U X

C o m m i s s a r i a t ~ l ' E n e r g i e A t o r n i q u e , C e n t r e d ' E t u d e s de L i r n e i l , B . P . 27, 94 - V i l l e n e u v e - S a i n t - G e o r g e s , F~'ance

Received 12 June 1970

The induced Compton scattering of an electromagnetic wave in a plasma is experimentally observed. The inverse form of this experiment had been suggested in 1933 by Kapitza and Dirac.

I1 a 8t8 m o n t r 8 q u e l e s c o l l i s i o n s p h o t o n s 8 1 e c t r o n s [2-4] donnent l i e u ~1 d e s t r a n s f e r t s d ' S n e r g i e e n t r a i n a n t une m o d i f i c a t i o n d e s f o n c t i o n s de d i s t r i b u t i o n ~ l e c t r o n i q u e et p h o t o nique. D a n s l e c a s d ' u n flux d ' S n e r g i e 81ev8 i n t e r a g i s s a n t a v e c un p l a s m a , d e s c h o c s C o m p t o n p e u v e n t d o n n e r l i e u fi une d i f f u s i o n i n d u i t e p a r la p o p u l a t i o n i m p o r t a n t e d e p h o t o n s [5], done o b s e r v a b l e s u i v a n t la d i r e c t i o n du f a i s c e a u i n c i d e n t . L ' ~ n e r g i e p e r d u e p a r l e s p h o t o n s et cSdSe aux 8 1 e c t r o n s e n t r a i n e un g l i s s e m e n t en f r S q u e n c e du r a y o n n e m e n t i n c i d e n t p r o p o r t i o n n e l au flux d ' S n e r g i e , a la d e n s i t 8 8 1 e c t r o n i q u e , fi l ' ~ p a i s s e u r du p l a s m a , et i n v e r s e m e n t p r o p o r t i o n n e l la r a c i n e c a r r i e de la t e m p S r a t u r e 8 1 e c t r o n i q u e :

¢i

[W[]

;" [RI.]

~L

,.rlo,

~L,

F

~v •

~.h~

l

q

PM~

~

z

fig 1

- K ( x n e l o / { T e ) J2 ) .

Fig. 1.

N o u s a v o n s tent8 de m e t t r e en 8 v i d e n c e c e t e f f e t s u r une e x p S r i e n c e d ' i n t e r a c t i o n l a s e r m a t i ~ r e [6-8], off le p l a s m a e s t obtenu p a r f o c a l i s a t i o n d ' u n f a i s c e a u l a s e r (~'o = 1.0~ /~) s u r une c i b l e de d e u t e r i u m s o l i d e (T). Le dispositif expSrimental est represent8 sur la fig. 1. I1 p e r m e t l ' S t u d e du p h ~ n o m ~ n e p a r l ' e n r e g i s t r e m e n t s i m u l t a n 8 de cinq i n f o r m a t i o n s par tir: a) D e u x s i g n a u x c o n s a c r S s ~ la r S s o l u t i o n en t e m p s d e s i m p u l s i o n s i n c i d e n t e (PI) et t r a n s m i s e (PT) i n t S g r S e s en l o n g u e u r d ' o n d e et dSe a l S e s 8 1 e c t r i q u e m e n t de 300 n s ; b) Un s i g n a l (EP) f o u r n i p a r un p h o t o m u l t i p l i c a t e u r p l a c 8 d e r r i e r e la f e n t e de s o r t i e d ' u n m o n o c h r o m a t e u r , c o r r e s p o n d a n t ~t l ' a n a l y s e en t e m p s e t a une l o n g u e u r d ' o n d e donn~e de l ' S m i s s i o n du p l a s m a ~t 90 ° de l ' a x e du f a i s c e a u laser; c) Deux signaux, ~galement d~livr~s par le

p h o t o m u l t i p l i c a t e u r , c o n s a c r ~ s aux r a y o n n e m e n t s t r a n s m i s (RT) et i n c i d e n t (RI), a n a l y s ~ s en t e m p s a une l o n g u e u r d ' o n d e donn~e. L e s t r a j e t s o p t i q u e s i m p o s ~ s p e r m e t t e n t un d ~ c a l a g e p a r r a p p o r t ~t E P de 60 ns et 120 ns r e s p e c t i v e m e n t . Un o s c i l l o g r a m m e t y p e e s t s c h ~ m a t i s ~ s u r la fig. 1. Nous a v o n s r e p r ~ s e n t ~ s u r la fig. 2 un c o u p l e c a r a c t ~ r i s t i q u e de p r o f i l s , c e l u i de la r a i e l a s e r ~I l ' e n t r ~ e de la c h a m b r e , et c e l u i de la r a i e t r a n s m i s e 6 ns a p r ~ s le d~but de l ' i m p u l s i o n l a s e r . L ' e n r e g i s t r e m e n t s i m u l t a n ~ de c e s c o u r b e s a ~t~ e f f e c t u ~ p o u r une ~ n e r g i e m o y e n n e de 14.7 J e t une p u i s s a n c e de 1.2 GW. la f o c a l i s a tion du l a s e r s e f a i s a n t ~I 1.6 m m fi l ' i n t ~ r i e u r du gla~on de d e u t e r i u m . L e d o m a i n e s p e c t r a l r ~ s o l u e s t de 7.5 A. Nous c o n s t a t o n s s u r le p r o f i l de la r a i e t r a n s m i s e une m o d i f i c a t i o n i m p o r t a n t e : une s e c o n d e

5u/ u :

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/:

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F{ole me,dent e F~o~e ~ronsmlse

~nepgie Pu~ssonee

10550

1060O

o ÷

14 7 12

~ 05 J : 02 C ~

10650

A '~

Fig. 2. r a i e e s t a p p a r u e , d ~ c a l ~ e d e AX = 4 5 A p a r r a p p o r t fi ~o ~ 1.06 p , a l o r s q u e l e p r o f i l s ' e s t c r e u s ~ a u x e n v i r o n s d e AX = 2 5 A . N o u s a v o n s v ~ r i f i ~ , fi l ' a i d e d ' u n p o l a r i s a t e u r G fi p r i s m e d e glan, que la polarisation initiale ~tait conserv~e. L ' ~ n e r g i e t r a n s m i s e e s t d e l ' o r d r e d e 15 m J , c o r r e s p o n d a n t fi u n e p u i s s a n c e d e 1 MW. L ' ~ m i s s i o n ~I 90 ° darts le m ~ m e d o m a i n e d e longueur d'onde est ~galement polaris~e; elle p r ~ s e n t e un p r o f i l s e m b l a b l e ~I c e l u i d e la r a i e laser transmise, mais l'~nergie correspondante e s t f a i b l e . On p e u t l ' a t t r i b u e r a u x r ~ f l e x i o n s d e F r e s n e l l i ~ e s fi l a p r o p a g a t i o n du I a i s c e a u d a n s un m i l i e u d ' i n d i c e v a r i a b l e [9]. Ces considerations permettent d'affirmer que l e p h ~ n o m ~ n e o b s e r v ~ c o r r e s p o n d fi un e f f e t s t i muli. N o u s a v o n s d ' a u t r e p a r t c o n s t a t ~ , g r f i c e ~I u n e

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c h r o n o l o g i e p l u s d ~ t a i l l ~ e , q u e la r a i e s e c o n d a i r e p e u t s e s c i n d e r en p l u s i e u r s r a i e s d o n t l e s p o s i t i o n s v a r i e n t en f o n c t i o n du t e m p s . C e c i e s t c a r a c t ~ r i s t i q u e d ' u n e p r o p a g a t i o n non l i n ~ a i r e d a n s le p l a s m a . L e p h ~ n o m ~ n e o b s e r v ~ n e p e u t ~ t r e dfi ni a u n e r a i e d ' ~ m i s s i o n (qui n e s e r a i t p a s p o l a r i s ~ e ) , ni fi un e f f e t D o p p l e r ( i n v i s i b l e d a n s l ' a x e du l a s e r ) , ni a d e l a d i f f u s i o n T h o m s o n (qui s e r a i t beaucoup moins intense). En introduisant les caract~ristiques ~lectron i q u e s d u p l a s m a e s t i m ~ e s p a r a i l l e u r s [7] (n e ~ q u e l q u e 1020 c m - 3 , T e ~ q u e l q u e 10 eV) et du rayonnement ~lectromagn~tique incident I o ~ 1012 W / c m 2) d a n s l a t h ~ o r i e d e l ' e f f e t C o m p t o n i n d u i t d ~ v e l o p p ~ e p a r P e y r a u d [5], on rend compte de mani~re satisfaisante des r~sultats exp~rimentaux d~crits ci-dessus. N o u s r e m e r c i o n s MM. J . L. B o c h e r et J . O s m a l i n p o u r l e u r c o l l a b o r a t i o n ~I l ' e x p ~ r i e n c e , et M M . J . P e y r a u d , P. G u i l l a n e u x , J . P . B a b u e l P e y r i s s a c , J. L. B o b i n et F. F l o u x p o u r l e s f r u c tueuses discussions sur l'interpr~tation th~orique des r~sultats.

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