Beam and plasma diagnostics for high-repetition rate laser-driven particle accelerators

Abstract

[EN] This thesis focuses on the Physics of intense laser-driven particle accelerators, which has proven as a valuable alternative to conventional accelerator technology in several aspects, presenting improved bunch duration and transversal beam quality. The advent of a new generation of compact particle accelerators based on laser-plasma interaction and the interest of its potential applications has implied the consequent development of novel diagnostics techniques, capable to resolve the fine temporal and spatial scales of these experiments. In addition, these dedicated diagnostics are required to operate at the high repetition rate of the new class of fs-long table-top petawatt laser systems. This manuscript presents the development and the experimental application of several diagnostics designed for the three different main laser-plasma interaction regimes. • An extensive study of several characterization techniques of gaseous targets for lasermatter interaction experiments is presented, including interferometry, wavefront measurement and Schlieren imaging. A parametric study of different classes of gaseous targets with diverse geometries, compositions and operation principles is elaborated. The application of underdense gas targets for laser wakefield electron acceleration and high harmonics generation experiments in the sub-petawatt level is shown. • An international collaborative research project in laser-driven ion acceleration in nearcritical plasmas generated by high-density gas jets is presented. A summary of the campaigns carried out in petawatt laser facilities is given, as well as the corresponding experimental outcomes. A detailed description of the targetry and ultra-fast plasma diagnostics elaborated for such campaigns is provided, yielding relevant findings for the experimental optimization. • The angular-resolved tomography of a laser-driven ion source has been achieved in a overdense plasma experiment with a concept modification of a Thomson Parabola spectrometer. The same instrument has also been successfully adapted into a novel approach for pepper-pot spectrally-resolved measurements of the proton beam lateral trace-space. This newly developed method have demonstrated to be capable to perform a thorough characterization of the spatial features and laminarity regime of the very complex ion beams generated by laser-plasma interaction, recognizing several operational and resolution improvements when comparing with previous techniques. [ES] El trabajo descrito en esta tesis se centra en la Física de los aceleradores de partículas basados en la interacción de láseres intensos y plasmas, los cuales han demostrado ser una alternativa considerable a los aceleradores de partículas convencionales en muchos aspectos, presentando mejor duración y calidad transversal de los haces. La aparición de una nueva generación de aceleradores de partículas compactos basados en la interacción láser-plasma y el interés en sus potenciales aplicaciones ha supuesto el desarrollo de nuevas técnicas de diagnóstico, capaces de resolver las pequeñas escalas espaciales y temporales de dichos experimentos. Además, estos diagnósticos deben ser capaces de operar a la alta tasa de repetición de los nuevos sistemas láser compactos de petavatio de duración de femtosegundo. Esta tesis presenta el desarrollo y la aplicación experimental de una serie de diagnósticos diseñados para los tres principales regímenes de la interacción laser-plasma. • Se presenta un extenso estudio de varias técnicas de caracterización de blancos gaseosos para experimentos de interacción láser-materia, incluyendo interferometría, medida de frente de onda y estrioscopía. La investigación paramétrica de distintos tipos de blancos gaseosos, con diversos principios de funcionamiento, geometrías y composiciones es elaborada. Así mismo, se muestra el uso de estos blancos subdensos para la aceleración de electrones en estela láser y para la generación de altos armónicos con potencias láser por debajo de petavatio. • Se presenta un proyecto de investigación colaborativo internacional centrado en la aceleración de iones basada en láser en plasma de densidad crítica creados a partir de un sistema de gas de alta presión. Se elabora un resumen de las campañas experimentales llevadas acabo en instalaciones láser de potencia de petavatio y de los resultados experimentales correspondientes. Los diagnósticos elaborados para la inspección del blanco y del plasma son detallados, habiendo arrojado resultados relevantes para la optimización experimental. • Se ha realizado la tomografía resuelta en ángulo de una fuente de iones generada por láser en un plasma sobre-denso gracias a la modificación de un espectrómetro tipo Thomson Parabola. El mismo instrumento también ha sido exitosamente adaptado en un diagnóstico tipo "pepper-pot" para medidas del espacio de fases de un haz de protones resuelto en energía. Este nuevo método ha demostrado ser capaz de realizar una detallada caracterización de las propiedades espaciales y del régimen de laminaridad de los complejos haces de iones generados por interacción láser-plasma, reconociendo además diversas mejoras operacionales y de resolución de medida frente a técnicas anteriores.