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Inertial confinement fusion experiments on large laser facilities such as the LMJ in Bordeaux or the NIF in the United States, involve the propagation of lasers through large plasmas (several millimeters). A large number of instabilities called wave coupling are likely to appear, and scatter the light in a different direction from the incident electromagnetic wave. In particular, Raman and Brillouin backscattering, as well as energy exchange between laser beams result from these wave couplings. Techniques called optical smoothing are used in large facilities to try to reduce these phenomena. The beams, once smoothed, are composed of many micrometric hot spots called speckles. During these experiments, the beams, focused around a target, are going to cross each other. The coupling of two coherent electromagnetic waves in a non-linear medium (the plasma), can induce an energy exchange between the two beams. The crossing of the lasers creates an interference grating, where the ponderomotive force expels the electrons. The ions follow the electrons due to the electrostatic spring force, generating a density modulation, or acoustic wave, which diffracts the electromagnetic waves from one beam to the other. This exchange, called Cross-beam Energy Transfer (CBET) takes place if the lasers have slightly different frequencies, or if the latter are equal but the plasma is moving in the direction of the acoustic wave. We have shown that, although these two situations are often considered equivalent in hydrodynamic models, they are in fact different. This is due to the fact that the exchange is commonly calculated by considering the laser beams as plane waves, i.e. neglecting the laser smoothing. In order to demonstrate this non-equivalence, we first studied an academic situation, considering the crossing of two laser beams each constituted of 4 Gaussian speckles. Different simulations have been performed with a particle-in-cell kinetic code, solving the Vlasov and Maxwell equations. The simulations showed that when the interaction is induced by a moving plasma, plane wave models are able to predict the exchange between the Gaussian beams. By contrast, when the exchange is induced by different laser frequencies, plane wave models overestimate the energy transfer. Moreover, we were able to distinguish two different configurations for the case where the laser frequencies are different. In the first case, the acoustic waves from different speckle crossings are in phase, and a constructive interference results from their interaction. In the other case, the waves are out of phase resulting in a destructive interference. It has been shown that although the exchange is greater in the in-phase case, the exchange remains lower than in the plasma flow case. The phase shift is therefore not the only source of difference between the two situations in which CBET appears. These results were obtained by considering a weakly Landau-damped plasma, i.e. a situation where the acoustic wave propagates and may encounter several speckle crossings before being damped. In a second step, a more realistic modeling of the smoothed beams has been adopted. For this purpose, the fields of a smoothed laser beam have been computed in an exact way, allowing to perform more accurate simulations and to build a model taking into account the real structure of the speckles. The previous results concerning the non-equivalence between the plasma flow and wavelength shift cases have been confirmed, even in the case of a strongly Landau-damped plasma. We were then able to show that the resonance conditions allowing the energy transfer to take place are also affected by the laser smoothing. In particular, the resonance width is broadened by the spatial smoothing.; Les expériences de fusion par confinement inertiel sur les grandes installations laser, telles que le LMJ à Bordeaux ou le NIF aux États-Unis, nécessitent la propagation des lasers à travers des plasmas de grandes tailles (plusieurs millimètres). Un grand nombre d'instabilités dites de couplages d'ondes peuvent apparaître, et diffusent la lumière dans une direction différente de l'onde électromagnétique incidente. En particulier, les diffusions arrières Raman et Brillouin, ainsi que l'échange d'énergie entre faisceaux laser en résultent. Des techniques dites de lissage optique sont utilisées pour tenter de réduire ces phénomènes. Les faisceaux, une fois lissés, sont constitués de nombreux points chauds micrométriques nommés speckles. Lors de ces expériences, les faisceaux, focalisés autour d'une cible, vont être amenés à se croiser.Le couplage de deux ondes électromagnétiques cohérentes dans un milieu non-linéaire (le plasma), peut induire un échange d'énergie entre les faisceaux. Le croisement des lasers crée un réseau d'interférences, où la force pondéromotrice expulse les électrons. Les ions suivent les électrons à cause de la force de rappel électrostatique. Cela crée une modulation de densité, ou onde acoustique, qui diffracte les ondes électromagnétiques d'un faisceau vers l'autre. Cet échange, nommé Cross-beam Energy Transfer (CBET) a lieu si les lasers ont des fréquences différentes, ou si ces dernières sont égales mais que le plasma est en mouvement dans la direction de l'onde acoustique. Nous avons montré que, bien que ces deux situations soient souvent considérées comme équivalentes dans les modèles hydrodynamiques, elles sont en réalité différentes. Ceci est dû au fait que l'échange est communément calculé en considérant les faisceaux laser comme des ondes planes, c'est-à-dire en négligeant le lissage laser. Afin de démontrer cette non-équivalence, nous avons, dans un premier temps, étudié une situation académique, en considérant le croisement de deux faisceaux lasers constitués chacun de 4 speckles Gaussiens. Différentes simulations ont été effectuées grâce à un code cinétique "particle-in-cell", résolvant les équations de Vlasov et de Maxwell. Les simulations ont montré que lorsque l'interaction est induite par un plasma en mouvement, les modèles du type onde plane sont en mesure de prédire l'échange entre les faisceaux Gaussiens. Au contraire, lorsque l'échange est induit par des fréquences laser différentes, ces modèles surestiment le transfert d'énergie. Nous avons aussi mis en évidence deux configurations distinctes dans le cas où les fréquences laser sont différentes. Dans la première situation, les ondes acoustiques issues de différents croisements de speckles sont en phase, et une interférence constructive résulte de leur interaction. Dans l'autre situation, les ondes sont déphasées ce qui donne une interférence destructive. Nous avons montré que, bien que l'échange soit plus important dans la situation en phase, il demeure inférieur au cas flot de plasma. Le déphasage n'est donc pas la seule cause de la différence entre une interaction avec ou sans flot. Nos résultats ont été obtenus en considérant un plasma faiblement amorti, où l'onde acoustique se propage et peut rencontrer plusieurs croisements de speckles avant que son amplitude n'ait significativement décru. Dans un second temps, nous avons considéré une situation plus proche de celle d'un croisement de faisceaux lissés. Nous avons calculé exactement le champ d'un faisceau laser lissé, ce qui a permis d'effectuer des simulations plus précises et de construire un modèle tenant compte de la structure réelle des speckles. Les résultats précédents ont été confirmés, même dans le cas d'un plasma fortement amorti. Nous avons également pu montrer que les conditions de résonance permettant au transfert d'énergie d'avoir lieu sont elles aussi affectées par le lissage laser. En particulier, le lissage spatial augmente la largeur de résonance.

The huge progress made over the last decades in the development of high-power lasers has allowed the access, in the laboratory, to extreme physical conditions of astrophysical relevance. The so-called “laboratory astrophysics” is the field of study that focuses on the experimental investigation of astrophysical phenomena which, through the use of scaling laws, can be emulated in the laboratory. In particular, such experimental effort aims at filling the inevitable gaps in the measurements of remote astrophysical events, which are limited by the enormous time and space scales at play. Indeed, the in situ study of certain objects remains impossible due to the enormous distances that separate them from the Earth, while the characteristic time scales of many phenomena are very large with respect to the typical time scales of our observation capabilities, making it difficult to have a dynamical study on those systems.Thanks to the more recent big advancement of computational science, the domain of numerical simulations has been developing. These can represent an important tool, thanks to their controllability and reproducibility (in spite of high costs in terms of computational hours), as they can describe a system in details. Nevertheless, they need precise analytical models to be based on and hence to validate, which cannot be provided by limited and incomplete observations. Laboratory astrophysics plays then a crucial role in the effort to understand astrophysical systems out of reach and to fully interpret astronomical observations, as they allow for their (scaled) reproduction in a controlled and well-characterized way.This PhD work is focused on the study of collisionless shock waves, which are phenomena taking place in many astrophysical contexts, such as supernova explosions and bow shocks. They are held responsible for the production of energetic particles (cosmic rays), whose energization mechanisms are nowadays not fully understood. A shock can be seen as an abrupt change in some physical quantities describing the physical system, which in hydrodynamics is mediated by collisional effects that dissipate in heat the kinetic energy of the fluid crossing the shock. When such a transition occurs on length scales much smaller than a particle mean free path, we are dealing with a “collisionless shock wave”. In this case, such discontinuities can form through the emission and absorption of collective excitations of the plasma.Experiments performed at high-power laser facilities have been the main investigation tool. In particular, two scenarios have been explored: a single supercritical shock and the interpenetration of two subcritical shocks. Our data analysis has also been supported by PIC simulations, which, together with MHD simulations run in collaboration with CELIA, made us better understand the microphysics taking place in our experiments. Finally, our results are viewed in the astrophysical context, allowing us to determine the relevant astrophysical scenarios to which our laboratory laser-driven shocks can apply.; Les énormes progrès réalisés au cours des dernières décennies dans le développement des lasers de haute puissance ont permis d'accéder, en laboratoire, à des conditions physiques extrêmes d'intérêt astrophysique. L'astrophysique dite "de laboratoire" est le domaine d'étude qui se concentre sur l'investigation expérimentale des phénomènes astrophysiques qui, grâce à l'utilisation de lois d'échelle, peuvent être émulés en laboratoire. En particulier, cet effort expérimental vise à combler les lacunes inévitables dans les mesures des événements astrophysiques lointains, qui sont limitées par les énormes échelles de temps et d'espace en jeu. En effet, l'étude in situ de certains objets reste impossible en raison des énormes distances qui les séparent de la Terre, tandis que les échelles de temps caractéristiques de nombreux phénomènes sont très grandes par rapport aux échelles de temps typiques de nos capacités d'observation, rendant difficile une étude dynamique de ces systèmes.Grâce aux progrès récents de la science informatique, le domaine des simulations numériques s'est développé. Celles-ci peuvent représenter un outil important, grâce à leur contrôlabilité et leur reproductibilité (malgré des coûts élevés en termes d'heures de calcul), car elles peuvent décrire un système en détail. Néanmoins, ils ont besoin de modèles analytiques précis sur lesquels se baser et donc à valider, ce qui ne peut être fourni par des observations limitées et incomplètes. L'astrophysique de laboratoire joue donc un rôle crucial dans l'effort de compréhension des systèmes astrophysiques hors de portée et dans l'interprétation complète des observations astronomiques, car elle permet de les reproduire (à l'échelle) de manière contrôlée et bien caractérisée.Ce travail de thèse est axé sur l'étude des ondes de choc sans collisions, qui sont des phénomènes se produisant dans de nombreux contextes astrophysiques, tels que les explosions de supernova et les arcs de choc. Elles sont tenues pour responsables de la production de particules énergétiques (rayons cosmiques), dont les mécanismes d'énergisation ne sont aujourd'hui pas entièrement compris. Un choc peut être considéré comme un changement abrupt de certaines quantités physiques décrivant le système physique, qui, en hydrodynamique, est médié par des effets de collision qui dissipent en chaleur l'énergie cinétique du fluide traversant le choc. Lorsqu'une telle transition se produit sur des échelles de longueur beaucoup plus petites que le libre parcours moyen d'une particule, nous avons affaire à une "onde de choc sans collisions". Dans ce cas, de telles discontinuités peuvent se former par l'émission et l'absorption d'excitations collectives du plasma.Les expériences réalisées dans des installations laser de haute puissance ont été le principal outil d'investigation. En particulier, deux scénarios ont été explorés : un seul choc supercritique et l'interpénétration de deux chocs sous-critiques. L'analyse de nos données a également été soutenue par des simulations PIC, qui, avec les simulations MHD réalisées en collaboration avec le CELIA, nous ont permis de mieux comprendre la microphysique qui se déroule dans nos expériences. Enfin, nos résultats sont considérés dans le contexte astrophysique, ce qui nous permet de déterminer les scénarios astrophysiques pertinents auxquels les chocs créés par laser de notre laboratoire peuvent s'appliquer.

The production of radioisotopes in relevance with the nuclear medecine community is nowadays warranted by cyclotrons. These radioisotopes, once produced, are injectedin the patient body for curative or diagnostics purpose. For β + emitters, the positron, reactingwith matter electrons, annihilates in two gamma photons. These two photons, emittedat 180_ are detected by coincidence and allow to know the exact position of the emissionpoint and to map the patient organ. For β - or α emitters, the ionizing radiation emitted isused to kill the cancer cells. The radioisotopes related to nuclear medecine have to present a short lifetime so as not to not drive collateral damages for the patient. Thus, a production closed to the nuclear medecine department is compulsory. This is the case for the Fluor-18 for example that is produced inside the hospitals by little cyclotrons. Other radioisotopes require more important means of production (cyclortron as ARRONAX in Nantes, nuclear power plants for the Tc-99) and have to be delivered every week to the nuclear medecine department. The delivery times, the hardware installation and maintenance costs added to the aging of nuclear reactors drive scientists to consider other facilities for radioisotopes production. The actual laser systems are known to accelerate ions from laser-plasma interaction. Actually, laser-driven ion acceleration is an attractive way to realize compact and affordable ion sources for many exciting applications, including to produce radioisotopes in relevance with the nuclear medecine community. We propose to use ion beams to produce radioisotopes in a secondary target. At first, we explore and optimize laser-driven ion acceleration, especially by collisionless electrostatic shocks in a gas jet. The solid targets are also considered in this work. This ion beam requires particular characteristics on its energy spectrum and its flux to produce radioisotopes in a secondary target. The ion energy distribution has to match the higher cross section values for the nuclear reaction producing the desired radioisotope. So the first part of this work consists of optimizing the production of an ion beam with a high flux and with a high energy. The use of gas jet targets is the best way to take advantage of high repetition rates laser systems since the final goal is to replace cyclotrons by a more flexible device: laser beam. A maximum of laser energy has to be transfered to the solid target or to the gas jet target in order to make the laser ion acceleration process more efficient. The acceleration efficiency depends on the target density profile (presence of a pre plasma in the solid target case or the gas jet wings) and on the acceleration mechanism. All these questions are studied in the first part of this manuscript. We propose to strongly improve the ion acceleration with maximum ion energy of tens of MeV thanks to the interaction of a relativistic laser pulse with a tailored gas jet target. The production of a beam of energetic alpha particles is studied in this work, from an helium jet target and also from the proton-boron fusion reaction. We present the numerical chain, that we developed at CELIA during this three-year research process, formed by an hydrodynamic code (TROLL [1] or CHIC [2]) that allows to simulate the interaction between the target and the laser pre-pulse, the Particle-In-Cell (PIC) code Smilei [3] for the interaction between the main pulse and the plasma, and the MONTE-CARLO code FLUKA [4] for the propagation of the ion beam in the secondary target and nuclear reactions that allow to produce radioisotopes. The results of radiosiotope production are analysed, in terms of ion acceleration mechanisms and of targets properties., La production de radioisotopes, notamment d’intérêt médical, est aujourd’huiprincipalement assurée par des accélérateurs conventionnels circulaires: les cyclotrons. Cesisotopes radioactifs, une fois produits, sont injectés dans le corps du patient à des fins diag-nostique ou curative. Pour des radioisotopes émetteurs Beta+, les positrons émis s’annihilenten deux gammas de façon instantannée par réaction avec les électrons de la matière. Cesdeux gammas émis à 180° sont détectés en coincidence et permettent de remonter au pointd’émission du positron et ainsi de cartographier l’organe du patient. Pour des radioisotopesémetteurs Beta-, alpha et gamma, les rayonnements ionisants émis permettent quant à eux de traiter le patient en irradiant les cellules cancéreuses.Les radioisotopes utilisés en médecine nucléaire doivent présenter une courte durée de vieafin de ne pas engendrer de dommages collatéraux chez le patient. Cette courte durée de vieimpose de les produire directement dans les servives de médecine nucléaire pour les plus cou-rants (Fluor-18 en diagnostic) grâce à des cyclotrons conséquents en termes d’encombrementet d’investissement. D’autres radioisotopes utilisés nécessitent des moyens de production en-core plus importants (cyclotron de type ARRONAX, réacteurs nucléaires pour le Technicium99) et doivent être livrés dans les hopitaux de façon régulière. Les délais d’acheminement,les coûts de production et de maintenance des cyclotrons, le vieillissement des réacteursnucléaires, parallèlement au développement continu des systèmes laser de haute puissanceet de haute intensité, ont amené à envisager la production de radioisotopes par laser. Eneffet, l’accélération d’ions par laser permettrait d’abaisser les coûts de production mais aussid’obtenir un système beaucoup plus flexible qu’un accélérateur conventionnel: en choisissantles cibles irradiées selon la gamme d’énergie du faisceau d’ions obtenu par accélération laser,la création de nombreux radioisotopes deviendrait possible avec un unique et même système:l’accélérateur laser.L’objectif de cette thèse est, dans un premier temps, d’optimiser l’accélération d’ionspar laser ultra haute intensité, notamment par choc électrostatique dans les jets de gaz etd’explorer la production de radioisotopes à l’aide de ce faisceau d’ions dit primaire. L’ob-tention d’un faisceau d’ions accélérés avec un nombre important d’ions dans une certainegamme d’énergie est une étape cruciale dans le but de produire d’un radioisotope afin defaire correspondre le spectre énergétique de ce faisceau d’ions avec les maxima des sectionsefficaces de production du radioisotope souhaité. La première partie de cette thèse s’inscritdonc dans la production de ce type de faisceau d’ions et son optimisation en termes denombre et d’énergie (avec un maximum d’ions accélérés dans des structures de type quasimono-énergétiques). L’utilisation de cibles gazeuses est privilégiée dans ce travail puisqueces dernières permettent de profiter des lasers à hauts taux de répétition qui, eux seuls, per-mettront de concurrencer les cyclotrons en terme de courant pour le faisceau d’ions primaire.Cette étude s’appuie sur des simulations numériques permettant de modéliser l’accélé-ration d’ions lors de l’interaction du laser avec des cibles solides ou gazeuses (via un codeParticle-In-Cell) et la génération des radioisotopes lors de la propagation de ces ions dansune cible secondaire (via un code Monte Carlo). La production in situ de radioisotopes paréclairement direct d’une cible est aussi étudiée à l’aide de ces deux types de codes. Cesdéveloppements numériques ont permis de dimensionner et d’analyser des expériences surdes installations laser actuelles mais aussi de servir de base pour de futures expériences.

This work aims at both, the experimental benchmark of laser-driven ion acceleration from targets in the near-critical density regime and the exploration of laser-driven open-geometry platforms for spatial and spectral ion beam tailoring. Theoretically described mechanisms and dynamics predicted by numerical simulations are compared to novel experimental findings that are supported by new particle in cell simulations and heuristic models. Results comprise (i) demonstration of Helium ion acceleration from ultra-relativistic laser-driven near-critical density gas jet targets employing shock nozzles, (ii) further investigation of the driving mechanisms of charged particle beam lensing platforms in the quasi-static regime driven by ns-laser and in the transient regime driven by sub-ps laser, and (iii) studies of transport and tailoring of laser accelerated particle beams by electromagnetic and magnetic fields.The Helium ion source shows cut-off energies above 55MeV and peaked particle number densities of several 1e8/MeV for 22(2)MeV projectiles, a regime suitable for isotope production in alpha-therapy. Hence, the destruction of nozzles in the violent experimental environment and the perspective to high-repetition-rate operation underlines the need of mass producible nozzles with automatized nozzle exchange and vacuum systems able to maintain good vacuum levels.Ns-laser driven magnetic lenses show comparable current amplitudes in the spontaneous magnetic fields of the plasma and the consumer loop, which favors the theoretical modeling of the platform as a plasma-diode power source. During the laser drive, space charge effects arise with the arrival of the laser-plasma in vicinity of the magnetic lens, representing a possible threat to efficient lensing of ion beams. A modified target geometry is presented that decreases space charge effects.Short laser-pulse driven solid target discharge gives rise to a surficial pulsed potential dynamics guided by the target geometry. This work shows that electromagnetic discharge pulses emanating the interaction region are followed by a pulse discharge current from the ground, both transporting kA-range currents through the target rod. The observed pulsed current dynamics on timescales of tens of ps indicates the presence of a hot surface plasma. The temperature and electron density of the surface plasma are promising control parameters of the discharge pulse dispersion. The high branch of the dispersion relation is responsible for a group velocity different from the speed of light. Solutions on the low branch of the dispersion relation agree with modulations of the target potential in their spatial dimensions and temporal growth rate.Experimental and numerical studies of short laser pulse driven platforms show their applicability to spectral shaping of ion beams, with a perspective to temporal compression of beams for cases where low energy parts of the spectrum get efficiently post-accelerated. Presented are the experimental study of a simple double-coil geometry and a numerical study of a helical coil target.This work motivates junction of presented approaches for future experiments aiming at high repetition rate laser accelerated high energy density ion beams for applications, notably medical isotope production, or fundamental research, ranging from studies on collective stopping effects, warm dense matter generation to an optimized fast ignition particle injector.; Ce travail comprend à la fois une étude de faisabilité expérimentale sur l'accélération des ions par laser, ainsi que l'étude de la source, des limites et de l'utilité des courants électriques générés par laser pour la mise en forme spatiale et spectrale des faiseaux d'ions. Les prédictions théoriques conceptuelles et numériques existantes sont comparées à des découvertes expérimentales, et soutenues par de nouvelles simulations PIC et des modèles heuristiques. Les résultats comprennent (I) une démonstration de l'accélération des ions hélium par un laser ultrarelativiste à partir des cibles gazeuses proches de la densité critique à l'aide de buses de choc, (II) une exploration plus approfondie des mécanismes générateurs de champ dans les lentilles électromagnétiques applicable aux faisceaux de particules chargées, à la fois dans un régime quasi-statique piloté par des lasers ns et également en régime transitoire piloté par des lasers sub-ps, et (III) études sur le transport de faisceaux d'ions accélérés par laser dans des champs électromagnétiques et magnétiques.La source d'ions hélium génère des énergies maximales de 55MeV à une densité de particules de plusieurs 1e8/MeV pour les ions avec 22(2)MeV. Cette gamme d'énergie est adaptée à la production d'isotopes dans le cadre de la thérapie alpha. La destruction des buses de choc dans l'environnement experimentale violente et la perspective d'un fonctionnement avec un taux de répétition élevé soulignent le besoin de buses fabriqué par une production de masse avec échange de buses automatisé et de puissants systèmes de vide.Les plates-formes de lentilles electromagnetiques pilotées par des lasers ns montrent une intensité de courant comparable dans le plasma et la boucle consommateur, ce que la modélisation théorique de la plate-forme en tant que diode plasma peut le mieux interpréter. Pendant l'irradiation avec le laser, le plasma en expansion crée de forts effets de charge d'espace au voisinage de la lentille magnétique, qui font obstacle à un guidage efficace des faisceaux d'ions par une telle lentille. Une géométrie de la plate-forme est présentée qui réduit ces effets.La décharge de solides par de courtes impulsions laser conduit à une propagation pulsée du potentiel électrique le long de la surface. Ce travail montre qu'un courant de décharge pulsé originaire de la terre suit cette impulsion de décharge électromagnétique. Les deux transportent des courants dans la gamme de kA. Des observations expérimentales de la dynamique d'impulsion de décharge pendant plusieurs dizaines de ps indiquent la présence d'un plasma de surface chaude. La température et la densité électronique du plasma de surface sont des paramètres de contrôle prometteurs pour la dispersion des impulsions de décharge. La branche supérieure de la relation de dispersion est responsable d'une vitesse de groupe différente de la vitesse de la lumière. Les solutions sur la branche inférieure correspondent à des modulations observées du potentiel en dimension spatiale et en taux de croissance temporelle.Des études expérimentales et numériques des plates-formes pilotées par de courtes impulsions laser montrent leur applicabilité à la mise en forme spectrale des faisceaux ioniques, en particulier la faisabilité de la compression temporelle grâce à la post-accélération efficace des parties à faible énergie du spectre. L'étude expérimentale d'une géométrie à double bobine et l'étude numérique d'une bobine hélicoïdale sont présentées.Les expériences futures qui nécessitent des faisceaux d'ions accélérés par laser avec un taux de répétition élevé motivent la connexion des approches présentées. Une application possible est la production d'isotopes et les recherches fondamentales possibles vont des études sur les effets collectifs de la perte d'énergie des particules dans la matière et la génération de matière chaude et dense à une source de particules optimisée pour d'allumage dans des expériences de fusion.

Electron-positron pair creation by the mean of two real photon collision (linear Breit-Wheeler process) is one of the most basic quantum electrodynamics process, and is believed to underlie a large amount of high energy astrophysical phenomena, such as the Universe opacity to TeV photons or the production of pair plasmas near compact objects (AGN, pulsars). However, this process has never been directly observed in the laboratory since its prediction in 1934, mainly because of the absence of high flux MeV-range photon sources. Due to the continuous development of high-power and high-intensity laser systems, the production of such photon sources become however conceivable. Despite the diversity of methods to produce energetic photons by lasers, previous estimates seems to show that the radiation sources produced whether by the slowing-down of electrons in matter (Bremsstrahlung), by the linear inverse Compton scattering process, or by the multi-photon inverse Compton scattering process (sometimes called synchrotron-like) are among the most credible sources for the electron-positron pair production by two real photon collisions. The interaction of such multi-MeV photons with matter could however creates other electron-positron pairs, which could constitute a background noise for the detection of this process. The goal of this thesis is to optimize the production of MeV-range gamma photons by the mean of the interaction of a laser with various kind of targets (simple or structured solid targets) in order to prepare photon-photon collision experiments on existing or currently building laser systems. A semi-analytical model allow firstly to optimize linear Breit-Wheeler pair production in term of the photons sources parameters. Particularly it is shown that, concerning Bremsstrahlung photon sources, the current laser systems already permit to reach the optimum photon energy distributions, opening the possibility to design such experiments at high repetition rate. This study is completed with numerical simulations modeling the electron acceleration in the laser-target interaction (via a Particle-In-Cell code), the gamma photon generation by the electron propagation in matter (via a Monte Carlo code) and the electron-positron pair production in photon-photon collisions (via the TrILEns code). These findings could then be used as a basis to design such experiments on existing or currently building laser systems.; La création de paires électron-positron par collision de deux photons réels (processus Breit-Wheeler linéaire) est un des processus de base de l’électrodynamique quantique, et est supposé sous-tendre un large éventail de phénomènes astrophysiques des hautes énergies, tels que l’opacité de l’Univers aux photons TeV ou la production de plasmas de paires au voisinage d’objets compacts (AGN, pulsars). Cependant, ce processus n’a jusqu’à présent jamais été directement observé en laboratoire depuis sa prédiction en 1934, et ce principalement à cause de l’absence de sources de photons d’énergie autour du MeV de suffisamment haut flux. Grâce au développement continu des systèmes laser de haute puissance et de haute intensité, la production de telles sources de photons devient toutefois désormais envisageable. Malgré la diversité des approches possibles pour la génération de photons énergétiques par laser, de précédentes estimations semblent indiquer que les sources produites : par rayonnement de freinage d’électrons dans la matière (Bremsstrahlung), ou via les processus Compton inverse linéaire ou Compton inverse multiphoton (parfois appelé synchrotron-like), soient des candidates parmi les plus crédibles pour la production de paires électron-positron par collision de deux photons réels. L’interaction de ces photons multi-MeV avec de la matière peut toutefois aussi créer d’autres paires électronpositrons, qui pourraient constituer une source de bruit pour la détection de ce processus. L’objectif de cette thèse est d’optimiser la production de photons d’énergies autour du MeV générés lors de l’interaction d’un laser avec différent types de cibles (cibles solides simples ou structurées) afin de préparer des expériences de collision de photons sur des installations laser existantes ou en cours de construction. Un modèle semi-analytique permet tout d’abord d’optimiser la production de paires électron-positron par le processus Breit- Wheeler linéaire en fonction des paramètres des sources de photons. En particulier il est montré que, pour des sources de photons produits par Bremsstrahlung, les installations laser existantes permettent d’ores et déjà d’atteindre les distributions en énergies optimales, permettant ainsi d’envisager de telles expériences à haut taux de répétition. Cette étude est complétée par des simulations numériques permettant de modéliser l’accélération d’électrons lors de l’interaction du laser avec des cibles structurées (via un code Particle-In-Cell), la génération des photons gamma lors de la propagation d’électrons dans la matière (via un code Monte Carlo) ainsi que la création de paires électron-positron lors de la collision de ces photons gamma (via le code TrILEns). Ces développements pourraient alors servir de base à la préparation de futures expériences sur des installations laser actuelles.

When an ultra-short ultra-intense laser impulsion propagates through a low density gas jet, a plasma is created and a bunch of electrons can be accelerated through laser wakefield acceleration to Gev energies in only a few centimetres. Those accelerated electrons then emit what is called Betatron radiation: a highly focused X-ray source with extremely good spatial and temporal properties, which has a lot of possible applications including ultra-high resolution imaging.In this thesis, we investigate possible improvements to one of the main numerical tools used to simulate those phenomenons: the Particle-In-Cell codes (CALDER). We have especially studied a numerical artefact called the numerical Cherenkov radiation, that occurs when relativistic particles move at speeds aproaching the speed of light in a vaccuum.We show that this artefact has a negative impact on the behaviour of the accelerated electron beam, especially on its transverse motion, which leads to important errors on the betatron radiation calculated using PIC simulations.We then introduce a new approach to mitigate the impact of this numerical Cherenkov radiation on laser wakefield acceleration simulation with a simple modification of the electromagnetic field interpolation method used in PIC codes. The results obtained with this new technique show a meaningful improvement on the electron motion wich becomes close to the theoretically expected behaviour.We then explore other possible applications for this new technique, notably improving the modelization of betatron sources, vacuum laser acceleration or direct laser acceleration.The improvement of the computation of the particles transverse motion thanks to this new method leads to more accurate results but also enables us to study physical phenomenon with subtle effects that would otherwise be hidden among the numerical noise of the simulation.; Lors de la propagation d'une impulsion laser ultra courte, ultra intense dans un gaz de faible densité, un plasma est créé et une partie des électrons vont pouvoir être accélérés grâce à la technique de sillage laser à des énergies de plusieurs GeV en quelques centimètres.Ces électrons, lors de leur accélération, émettent un rayonnement X appelé bêtatron, qui est fortement collimaté et possède de très bonnes propriétés spatiales et temporelles, lui donnant de nombreuses applications dont l'imagerie ultra-haute résolution.Dans cette thèse, on étudie comment améliorer les outils numériques utilisés pour simuler ces phénomènes physiques : les codes Particle-In-Cell (CALDER). On s'intéresse notamment à un artefact numérique appelé rayonnement Cherenkov numérique, qui survient lorsque les particules accélérés se déplacent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière dans le vide.On démontre que cet artefact a un effet néfaste sur le comportement du faisceau d'électrons accélérés, en particulier sur son mouvement transverse, ce qui conduit à des erreurs importantes sur le calcul du rayonnement bêtatron à partir des simulations PIC. On propose alors une nouvelle approche pour limiter l'impact de ce rayonnement Cherenkov numérique sur les simulations d'accélération par sillage laser en modifiant la méthode d'interpolation des champs habituellement utilisée dans un code PIC. Les résultats obtenus avec cette nouvelle technique mettent en évidence une nette amélioration de la modélisation du mouvement des électrons, qui se rapproche du comportement attendu théoriquement. Fort de ces premiers résultats, d'autres applications de cette technique sont ensuite explorées, pour améliorer la modélisation des sources bêtatron, de l'accélération par laser dans le vide ou de l'accélération directe par laser.La plus grande précision sur le calcul du mouvement transverse des particules qu'apporte cette nouvelle méthode permet d'améliorer les résultats mais aussi d'étudier des phénomènes physiques aux effets subtils qui sont autrement cachés par le bruit numérique des simulations.

When an ultra-short ultra-intense laser impulsion propagates through a low density gas jet, a plasma is created and a bunch of electrons can be accelerated through laser wakefield acceleration to Gev energies in only a few centimetres. Those accelerated electrons then emit what is called Betatron radiation: a highly focused X-ray source with extremely good spatial and temporal properties, which has a lot of possible applications including ultra-high resolution imaging.In this thesis, we investigate possible improvements to one of the main numerical tools used to simulate those phenomenons: the Particle-In-Cell codes (CALDER). We have especially studied a numerical artefact called the numerical Cherenkov radiation, that occurs when relativistic particles move at speeds aproaching the speed of light in a vaccuum.We show that this artefact has a negative impact on the behaviour of the accelerated electron beam, especially on its transverse motion, which leads to important errors on the betatron radiation calculated using PIC simulations.We then introduce a new approach to mitigate the impact of this numerical Cherenkov radiation on laser wakefield acceleration simulation with a simple modification of the electromagnetic field interpolation method used in PIC codes. The results obtained with this new technique show a meaningful improvement on the electron motion wich becomes close to the theoretically expected behaviour.We then explore other possible applications for this new technique, notably improving the modelization of betatron sources, vacuum laser acceleration or direct laser acceleration.The improvement of the computation of the particles transverse motion thanks to this new method leads to more accurate results but also enables us to study physical phenomenon with subtle effects that would otherwise be hidden among the numerical noise of the simulation., Lors de la propagation d'une impulsion laser ultra courte, ultra intense dans un gaz de faible densité, un plasma est créé et une partie des électrons vont pouvoir être accélérés grâce à la technique de sillage laser à des énergies de plusieurs GeV en quelques centimètres.Ces électrons, lors de leur accélération, émettent un rayonnement X appelé bêtatron, qui est fortement collimaté et possède de très bonnes propriétés spatiales et temporelles, lui donnant de nombreuses applications dont l'imagerie ultra-haute résolution.Dans cette thèse, on étudie comment améliorer les outils numériques utilisés pour simuler ces phénomènes physiques : les codes Particle-In-Cell (CALDER). On s'intéresse notamment à un artefact numérique appelé rayonnement Cherenkov numérique, qui survient lorsque les particules accélérés se déplacent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière dans le vide.On démontre que cet artefact a un effet néfaste sur le comportement du faisceau d'électrons accélérés, en particulier sur son mouvement transverse, ce qui conduit à des erreurs importantes sur le calcul du rayonnement bêtatron à partir des simulations PIC. On propose alors une nouvelle approche pour limiter l'impact de ce rayonnement Cherenkov numérique sur les simulations d'accélération par sillage laser en modifiant la méthode d'interpolation des champs habituellement utilisée dans un code PIC. Les résultats obtenus avec cette nouvelle technique mettent en évidence une nette amélioration de la modélisation du mouvement des électrons, qui se rapproche du comportement attendu théoriquement. Fort de ces premiers résultats, d'autres applications de cette technique sont ensuite explorées, pour améliorer la modélisation des sources bêtatron, de l'accélération par laser dans le vide ou de l'accélération directe par laser.La plus grande précision sur le calcul du mouvement transverse des particules qu'apporte cette nouvelle méthode permet d'améliorer les résultats mais aussi d'étudier des phénomènes physiques aux effets subtils qui sont autrement cachés par le bruit numérique des simulations.

The use of ultrashort pulses for laser ablation allows for a precise energy deposition thanks to a highly confined laser-matter interaction. The non-linear effects causing this confinement are also usually responsible of beam profile distorsions along propagation and intensity instabilities. High cone angle Bessel beams have shown to be excellent candidates for dielectrics processing since they are robust to non-linear effects. In femtosecond regime, they are able to generate in single shot high aspect ratio nanochannels in transparent media. However the ablation dynamics and the coupling with the laser-induced plasma remain partially unclear in this case. The current model describing such interaction is uncompatible with experimental observations. This thesis investigates the laser-plasma interaction and follows two axes of work. First part is focused on the laser-plasma interaction characterization in transparent media and in the case of femtosecond Bessel beam, by developping and exploiting an interferometric pump-probe experiment. We measure the plasma dynamics through the plasma-related complex refraction index modifications, which we resolve in space and time. Preliminary results show a confined plasma (radius < 1 µm) in the transverse direction and whose density approaches the critical density for a pulse energy approaching the nanochannel formation threshold. In a second part, we investigate the effect of aligned nanochannels on the fracture ability of glass samples and its application to glass cleaving. Here we solve two limiting problems to high quality cleaving by spatial beam shape engineering: we demonstrate a signification improvement of 150 µm-thin glass cleaving by the use of elliptical-core Bessel beams; and we establish a proof of principle of 10 mm-thick glass single-pass cleaving thanks to a 3 axicons-based setup.; L'utilisation d'impulsions ultrabrèves pour l'usinage laser permet une grande précision du dépôt d'énergie grâce à un fort confinement de l'interaction laser-matière. Les effets non-linéaires liés à ce confinement sont aussi usuellement responsables de distorsions et d'instabilités dans le profil d'intensité lors de la propagation. Les faisceaux de Bessel à hauts angles coniques ont démontré être très performants pour l'usinage des diélectriques grâce à leur robustesse aux effets non-linéaires. En régime femtoseconde, ils permettent alors de générer dans les milieux transparents des nanocanaux à haut rapport de forme par tirs uniques dans les milieux transparents. Cependant la dynamique d'ablation et le couplage de l'impulsion avec le plasma induit sont encore peu compris dans ce cadre, et le modèle courant les décrivant reste incompatible avec les observations expérimentales. Cette thèse a pour objectif d'étudier cette interaction et se divise en deux axes de travail. Le premier axe porte sur la caractérisation de l'interaction laser-matière dans les milieux transparents pour le cas des faisceaux de Bessel femtoseconde grâce au développement et à l'exploitation d'une expérience pompe-sonde interférométrique. Nous mesurons la dynamique du plasma via les modifications d'indice de réfraction qu'il induit, résolues dans le temps et l'espace. Les résultats préliminaires obtenus montrent que le plasma est confiné dans un rayon inférieur à un micron et que la densité du plasma approche de la densité critique pour une énergie proche du seuil de formation de nanocanaux. Dans un second axe, nous travaillons sur l'effet d'un alignement de nanocanaux sur la fracture d'échantillons de verre et les applications des faisceaux de Bessel pour le clivage du verre. Nous levons ici deux limites principales concernant la qualité de fracture, en optimisant le profil spatial du faisceau. Nous montrons que l'utilisation de faisceaux de Bessel elliptiques améliore considérablement la qualité de clivage pour les plaques de verre minces (150 µm), et nous établissons une preuve de principe de clivage du verre de grande épaisseur (10 mm) en un seul passage sous le laser grâce à l'utilisation d'un dispositif composé de 3 axicons.

The use of ultrashort pulses for laser ablation allows for a precise energy deposition thanks to a highly confined laser-matter interaction. The non-linear effects causing this confinement are also usually responsible of beam profile distorsions along propagation and intensity instabilities. High cone angle Bessel beams have shown to be excellent candidates for dielectrics processing since they are robust to non-linear effects. In femtosecond regime, they are able to generate in single shot high aspect ratio nanochannels in transparent media. However the ablation dynamics and the coupling with the laser-induced plasma remain partially unclear in this case. The current model describing such interaction is uncompatible with experimental observations. This thesis investigates the laser-plasma interaction and follows two axes of work. First part is focused on the laser-plasma interaction characterization in transparent media and in the case of femtosecond Bessel beam, by developping and exploiting an interferometric pump-probe experiment. We measure the plasma dynamics through the plasma-related complex refraction index modifications, which we resolve in space and time. Preliminary results show a confined plasma (radius < 1 µm) in the transverse direction and whose density approaches the critical density for a pulse energy approaching the nanochannel formation threshold. In a second part, we investigate the effect of aligned nanochannels on the fracture ability of glass samples and its application to glass cleaving. Here we solve two limiting problems to high quality cleaving by spatial beam shape engineering: we demonstrate a signification improvement of 150 µm-thin glass cleaving by the use of elliptical-core Bessel beams; and we establish a proof of principle of 10 mm-thick glass single-pass cleaving thanks to a 3 axicons-based setup.; L'utilisation d'impulsions ultrabrèves pour l'usinage laser permet une grande précision du dépôt d'énergie grâce à un fort confinement de l'interaction laser-matière. Les effets non-linéaires liés à ce confinement sont aussi usuellement responsables de distorsions et d'instabilités dans le profil d'intensité lors de la propagation. Les faisceaux de Bessel à hauts angles coniques ont démontré être très performants pour l'usinage des diélectriques grâce à leur robustesse aux effets non-linéaires. En régime femtoseconde, ils permettent alors de générer dans les milieux transparents des nanocanaux à haut rapport de forme par tirs uniques dans les milieux transparents. Cependant la dynamique d'ablation et le couplage de l'impulsion avec le plasma induit sont encore peu compris dans ce cadre, et le modèle courant les décrivant reste incompatible avec les observations expérimentales. Cette thèse a pour objectif d'étudier cette interaction et se divise en deux axes de travail. Le premier axe porte sur la caractérisation de l'interaction laser-matière dans les milieux transparents pour le cas des faisceaux de Bessel femtoseconde grâce au développement et à l'exploitation d'une expérience pompe-sonde interférométrique. Nous mesurons la dynamique du plasma via les modifications d'indice de réfraction qu'il induit, résolues dans le temps et l'espace. Les résultats préliminaires obtenus montrent que le plasma est confiné dans un rayon inférieur à un micron et que la densité du plasma approche de la densité critique pour une énergie proche du seuil de formation de nanocanaux. Dans un second axe, nous travaillons sur l'effet d'un alignement de nanocanaux sur la fracture d'échantillons de verre et les applications des faisceaux de Bessel pour le clivage du verre. Nous levons ici deux limites principales concernant la qualité de fracture, en optimisant le profil spatial du faisceau. Nous montrons que l'utilisation de faisceaux de Bessel elliptiques améliore considérablement la qualité de clivage pour les plaques de verre minces (150 µm), et nous établissons une preuve de principe de clivage du verre de grande épaisseur (10 mm) en un seul passage sous le laser grâce à l'utilisation d'un dispositif composé de 3 axicons.

In the context of inertial confinement fusion (ICF), optical smoothing is a technique used to obtain the most homogeneous laser irradiation possible, by modifying the temporal and spatial coherence properties of the laser beams. The use of optical smoothing is a necessity on high-power lasers such as the Laser Mégajoule (LMJ) to limit the development of parametric instabilities resulting from laser-plasma interaction, and among them, stimulated Brillouin backscattering (SBS). These instabilities lead to target irradiation defects and can also be a source of damage in the optical lines. However, these techniques can lead to other problems in the laser lines, such as the conversion of phase modulation to amplitude modulation (FM-to-AM), which is harmful to the proper conduct of the experiments and can also damage the laser optics.It is therefore a necessity to find a compromise around optical smoothing. The evolution of the smoothing compromise is however complicated because the quantification of gains and losses is very difficult to establish. Thus, as long as quantification is not done, the compromise does not evolve: the laserist always wants less smoothing and the experimentalist always more smoothing, but neither of them can bring enough quantitative elements to tip the balance. This thesis therefore proposes to lay the first groundwork for reaching this compromise for the LMJ, using theoretical and numerical studies.We carefully compare longitudinal (LSSD) and transverse (TSSD) smoothing by spectral dispersion in an ideal smoothing configuration for each case. With 3D codes, we simulated SBS in a gold plasma, typical of ICF experiments and favourable to the development of SBS. We show that, contrary to popular belief, the temporal evolution of SBS shows some differences between the two smoothing schemes. First, the asymptotic values of saturation levels are not quite the same. With a simple description using light rays and the calculation of the SBS gain for each ray, we were able to explain this difference. In addition, the dynamics of SBS are also somewhat different. We have shown that the SBS dynamics is determined by the temporal evolution of the properties of the hot-spots and in particular by the effective interaction length between the Brillouin backscattered light and the hot-spots. This effective interaction length depends on both the longitudinal velocity and the length of the hot-spots. Indeed, the synchronization of the effective interaction lengths of the two smoothing schemes also synchronizes the growth of the backscatter curves before saturation.We also show that it is possible to change the smoothing parameters of the LMJ by illustrating a new way to reduce the FM-to-AM conversion inevitably present in high-power lasers. By splitting the total spectrum usually used by a quadruplet (grouping of 4 beams) into two parts of smaller identical spectra on the left and right beams, the FM-to-AM conversion is significantly reduced from 30% to 5% while maintaining the smoothing performance for SBS. We have also shown that the resulting coherence time of the laser has no effect on the maximum level of SBS achieved. Similarly, the impact of these developments on other instabilities such as stimulated Raman scattering or crossed beam energy transfer will also need to be investigated.; Dans le contexte de la fusion par confinement inertiel (FCI), le lissage optique est une technique utilisée pour obtenir une irradiation laser aussi homogène que possible, en modifiant les propriétés de cohérence temporelle et spatiale des faisceaux laser. L'utilisation du lissage optique est une nécessité sur les lasers de puissance comme le Laser MégaJoule (LMJ) pour limiter le développement des instabilités paramétriques issues de l'intéraction laser-plasma, et parmi elles, la rétrodiffusion Brillouin stimulée (RBS). Ces instabilités entraînent des défauts d'irradiation sur cible et peuvent aussi être une source d'endommagement dans la chaîne optique. Cependant ces techniques peuvent entraîner d'autres problèmes au niveau de la chaîne laser, tels que la conversion de modulation de phase en modulation d'amplitude (FM-AM), néfastes au bon déroulement des expériences et pouvant également endommager les chaînes laser.On comprend donc qu'il est nécessaire de trouver un compromis autour du lissage optique. L’évolution du compromis du lissage est cependant compliquée car la quantification des gains et des pertes est très difficile à établir. Ainsi, tant que la quantification n’est pas faite, le compromis n’évolue pas : le lasériste souhaite toujours moins de lissage et « l’expérimentateur » toujours plus de lissage mais aucun des deux ne peut apporter suffisamment d’éléments quantitatifs pour faire pencher la balance. Cette thèse propose donc de poser les premières briques permettant d'arriver à ce compromis pour le LMJ, à l'aide d'études théoriques et numériques.Nous comparons soigneusement le lissage longitudinal (LSSD) et transversal (TSSD) par dispersion spectrale dans une configuration de lissage idéale pour chaque cas. Avec des codes 3D, nous avons simulé la RBS dans un plasma d'or, typique des expériences de FCI et favorable au développement de la RBS. Nous montrons que, contrairement aux idées reçues, l'évolution temporelle de la RBS présente certaines différences entre les deux systèmes de lissage. Premièrement, les valeurs asymptotiques des niveaux de saturation ne sont pas tout à fait les mêmes. Avec une simple description des rayons et le calcul du gain RBS pour chaque rayon, nous avons pu expliquer cette différence. En outre, la dynamique de la RBS est également quelque peu différente. Nous avons montré que la dynamique RBS est déterminée par l'évolution temporelle des propriétés des surintensités et en particulier par la longueur d'interaction effective entre la lumière rétrodiffusée Brillouin et les points chauds. Cette longueur d'interaction effective dépend à la fois de la vitesse longitudinale et de la longueur des points chauds. En effet, la synchronisation des longueurs d'interaction effectives des deux schémas de lissage synchronise également la croissance des courbes de rétrodiffusion avant saturation.Nous montrons, également qu'il est possible de faire évoluer les paramètres de lissage du LMJ en illustrant une nouvelle façon de réduire la conversion FM-AM inévitablement présente dans les lasers de forte puissance. En répartissant le spectre total habituellement utilisé par un quadruplet (regroupement de 4 faisceaux), en deux parties de spectres identiques plus petits sur les faisceaux de gauche et de droite, la conversion FM en AM est considérablement réduite de 30% à 5% tout en maintenant la performance de lissage pour la RBS. Nous avons également montré que le temps de cohérence qui en résulte n'a aucun effet sur le niveau maximal de RBS atteint. De la même façon, il faudra étudier l'impact de ces évolutions sur d'autres instabilités telles que le diffusion Raman stimulée ou le transfert d'énergie par croisement de faisceaux.

Femtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved., Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliqués.

Continuing progress in laser technology has enabled dramatic advances in laser wakefield acceleration (LWFA), a technique that permits driving particles by electric fields three orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators. Due to significantly reduced space charge and velocity dispersion effects, the resultant relativistic electron bunches have also been identified as a candidate tool to achieve unprecedented sub-10 fs temporal resolution in ultrafast electron diffraction (UED) experiments. High repetition rate operation is desirable to improve data collection statistics and thus washout shot-to-shot charge fluctuations inherent to plasma accelerators. It is well known that high-quality electron beams can be achieved in the blowout, or "bubble" regime, which is at present regularly accessed with ≈ 30 fs Joule-class lasers that can perform up to few shots per second. Our group on the contraryutilized a cutting edge laser system producing few-mJ pulses compressed nearly to a single optical cycle (3.4 fs) to demonstrate for the first time an MeV-grade particle accelerator with properties characteristic to the blowout regime operating at 1 kHz repetition rate. We further investigate the plasma density profile and exact laser pulse waveform effects on the source output, and show that using special gas microjets a charge of tens of pC/shot can be achieved. We expect this technique to lead to a generation of highly accessible and robust instruments for the scientific community to conduct UED experiments or to be used for other applications. This work also serves to expand our knowledge on the scalability of laser-plasma acceleration.; Le progrès continu de la technologie laser a récemment permis l’avancement spectaculaire d’accélérateurs de particules par onde de sillage. Cette technique permet la génération de champs électriques très forts, pouvant dépasser de trois ordres de grandeurs ceux présents dans les accélérateurs conventionnels. L’accélération résultante a lieu sur une distance très courte, par conséquent les effets de la charge d’espace et de la dispersion de vitesse sont considérablement réduits. Les paquets de particules ainsi générés peuvent alors atteindre des durées de l’ordre de la femtoseconde, qui en fait un outil prometteur pour la réalisation d’expériences de diffraction ultra-rapide avec une résolution inégalée de l’ordre de quelques femtosecondes. La génération de tels paquets d’électrons avec des lasers de 1 J et d’une durée de 30 fs est à présent bien établie. Ces paramètres permettent de produire des faisceaux d’électrons de quelques centaines de MeV, et sont donc inadaptés aux expériences de diffraction. De plus, le taux de répétition de ces lasers de haute puissance est limité à quelques Hz, ce qui est insuffisant pour des expériences exigeant une bonne statistique de mesure. Notre groupe a utilisé un laser de pointe développé au laboratoire par le groupe PCO générant des impulsions de quelques millijoules, d’une durée de 3.4 fs - à peine 1.3 cycle optique - à une cadence de 1 kHz, pour accélérer des électrons par onde de sillage. Ce travail de thèse présente d’une part la première démonstration d’un accélérateur des particules relativistes opéré dans le régime de la bulle à haute cadence. L’utilisation de buses microscopiques a permis l’obtention de charges de dizaines de pC par tir. De plus, cette thèse vise à l’élargissement de notre compréhension des lois d’échelle d’accélération laser-plasma. Nous espérons que notre travail visant à la fiabilisation et l’optimisation de cette source permettra à terme de proposer un instrument accessible et fiable à la communauté scientifique, que ce soit pour la diffraction d’électrons, l’irradiation ultra-brève d’échantillons ou la génération de rayons X.

Continuing progress in laser technology has enabled dramatic advances in laser wakefield acceleration (LWFA), a technique that permits driving particles by electric fields three orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators. Due to significantly reduced space charge and velocity dispersion effects, the resultant relativistic electron bunches have also been identified as a candidate tool to achieve unprecedented sub-10 fs temporal resolution in ultrafast electron diffraction (UED) experiments. High repetition rate operation is desirable to improve data collection statistics and thus washout shot-to-shot charge fluctuations inherent to plasma accelerators. It is well known that high-quality electron beams can be achieved in the blowout, or "bubble" regime, which is at present regularly accessed with ≈ 30 fs Joule-class lasers that can perform up to few shots per second. Our group on the contraryutilized a cutting edge laser system producing few-mJ pulses compressed nearly to a single optical cycle (3.4 fs) to demonstrate for the first time an MeV-grade particle accelerator with properties characteristic to the blowout regime operating at 1 kHz repetition rate. We further investigate the plasma density profile and exact laser pulse waveform effects on the source output, and show that using special gas microjets a charge of tens of pC/shot can be achieved. We expect this technique to lead to a generation of highly accessible and robust instruments for the scientific community to conduct UED experiments or to be used for other applications. This work also serves to expand our knowledge on the scalability of laser-plasma acceleration., Le progrès continu de la technologie laser a récemment permis l’avancement spectaculaire d’accélérateurs de particules par onde de sillage. Cette technique permet la génération de champs électriques très forts, pouvant dépasser de trois ordres de grandeurs ceux présents dans les accélérateurs conventionnels. L’accélération résultante a lieu sur une distance très courte, par conséquent les effets de la charge d’espace et de la dispersion de vitesse sont considérablement réduits. Les paquets de particules ainsi générés peuvent alors atteindre des durées de l’ordre de la femtoseconde, qui en fait un outil prometteur pour la réalisation d’expériences de diffraction ultra-rapide avec une résolution inégalée de l’ordre de quelques femtosecondes. La génération de tels paquets d’électrons avec des lasers de 1 J et d’une durée de 30 fs est à présent bien établie. Ces paramètres permettent de produire des faisceaux d’électrons de quelques centaines de MeV, et sont donc inadaptés aux expériences de diffraction. De plus, le taux de répétition de ces lasers de haute puissance est limité à quelques Hz, ce qui est insuffisant pour des expériences exigeant une bonne statistique de mesure. Notre groupe a utilisé un laser de pointe développé au laboratoire par le groupe PCO générant des impulsions de quelques millijoules, d’une durée de 3.4 fs - à peine 1.3 cycle optique - à une cadence de 1 kHz, pour accélérer des électrons par onde de sillage. Ce travail de thèse présente d’une part la première démonstration d’un accélérateur des particules relativistes opéré dans le régime de la bulle à haute cadence. L’utilisation de buses microscopiques a permis l’obtention de charges de dizaines de pC par tir. De plus, cette thèse vise à l’élargissement de notre compréhension des lois d’échelle d’accélération laser-plasma. Nous espérons que notre travail visant à la fiabilisation et l’optimisation de cette source permettra à terme de proposer un instrument accessible et fiable à la communauté scientifique, que ce soit pour la diffraction d’électrons, l’irradiation ultra-brève d’échantillons ou la génération de rayons X.

The laser-accelerated ions draw an increasing interest due to their potential applications and to their unique properties. This manuscript presents a study of the interaction between a relativistic intense laser pulse and a low density plasma. In this regime, the plasma is transparent to the laser pulse and electrons oscillate with relativistic velocities in the field of the incident wave. These conditions make the transfer of the laser pulse energy to the plasma efficient, and therefore are interesting for the ion acceleration. This regime generates also electromagnetic and acoustic solitons whose formation mechanisms and properties need to be better understood. We carry out a detailed analysis of Particle-In-Cell simulations (performed with the code OCEAN) of interaction of an intense laser pulse with a low density plasma.We show that the stimulated Raman scattering (SRS) is the main mechanism responsible for the absorption of laser energy in plasma. This process is very efficient : it leads to the transfer of 70 % of the laser pulse energy to electrons. This instability occurs in plasmas with a density larger than the quarter critical one due to the decrease of the electron plasma frequency and develops in a very short time scale. It leads to an homogeneous electron heating all along the distance of propagation of the laser pulse through the plasma. The ions are efficiently accelerated at the plasma edges and can get nearly 30%of the initial laser energy. This study is accompanied by a simple analytical model which is able to predict and so optimize the laser backscattering fraction due to the development of the SRS instability. We also present a sequence of stages which lead to the formation of electromagnetic cavities. This analysis highlights the role of the modulationnal or Benjamin-Feir instability in the front of the laser pulse, which is split in a train of electromagnetic solitons. Our detailed study shows that these solitons excite plasmas waves in their wake, lose energy and are finally trapped in the plasma. They lead to the formation of density depressions (cavities) which may trap the electromagnetic fields produced in the plasma (by the SRS instability, for example). These structures may survive for a long time thanks to an equilibrium of the trapped field radiation pressure and the electronic kinetic pressure at their borders. These cavities absorb an significant part of the laser energy but only a part of it is trapped inside. The remaining part is invested in the cavity expansion, generation of acoustic solitons and acceleration of charged particles.; De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l’accélération d’ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et présente une étude de l’interaction d’une impulsion laser d’intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l’onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l’onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l’énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l’accélération d’ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l’interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l’absorption de l’énergie laser par le plasma et qu’il est, en outre, très efficace puisqu’il permet de transférer près de 70 % de l’énergie de l’impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l’impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l’accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l’énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d’optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l’instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l’instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l’impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l’aide d’une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l’énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l’instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l’énergie laser mais elles n’en conservent qu’une partie sous forme d’énergie électromagnétique piégée. Le reste de l’énergie permet l’expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l’accélération de particules.

Plasmonics studies how the electromagnetic radiation couples with the collective oscillations of the electrons within a medium. Surface plasmons (SPs), in particular, have a well-established role in the development of forefront photonic devices, as they allow for strong enhancement of the local EM field over sub-micrometric dimensions. Promoting the SP excitation to the high-field regime, where the electrons quiver at relativistic velocities, would open stimulating perspectives for the both the manipulation of ultra-intense laser light and the development of energetic, short radiation sources. Indeed, the excitation of resonant plasma modes is a possible strategy to efficiently deliver the energy of a high-power laser to a solid target, this being among the current challenges in the physics of highly-intense laser-matter interaction. Gathering these topics, this thesis demonstrates the opportunity of resonant surface plasmon excitation at ultra-high laser intensities by studying how such waves accelerate bunches of relativistic electrons along the target surface and how they enhance the generation of high-order harmonics of the laser frequency. Both these processes have been investigated with numerous experiments and extensive numerical simulations. Adopting a standard configuration from classical plasmonics, SPs are excited on solid, wavelength-scale grating targets. In their presence, both electron and harmonic emissions exhibit remarkable features that support the conception of practical applications. Putting aside some major technical and conceptual issues discouraging the applicability of plasmonic effects in the high-field regime, these results are expected to mark new promises to the exploration of Relativistic Plasmonics., La plasmonique étudie le couplage entre le rayonnement électromagnétique et les oscillations collectives des électrons dans un matériel. Les plasmons de surface (SPs), notamment, ont la capacité de concentrer le champ électromagnétique sur des distances micrométriques, ce qui les rend intéressants pour le développement des dispositifs photoniques les plus novateurs. 'Etendre l'excitation de SPs au régime de champs élevés, où les électrons oscillent à des vitesses relativistes, ouvre des perspectives stimulantes pour la manipulation de la lumière laser ultra-intense et le développement de sources de rayonnement énergétiques et à courte durée. En fait, l'excitation de modes résonnants du plasma est l'une des stratégies possibles pour transférer efficacement l'énergie d'une impulsion laser ultra-puissante à une cible solide, cela étant parmi les défis actuels dans la physique de l’interaction laser-matière à haute intensité. Dans le cadre de ces deux sujets, ce travail de thèse démontre la possibilité d'exciter de façon résonnante des plasmons de surface avec des impulsions laser ultra-intenses. Elle étudie comment ces ondes peuvent à la fois accélérer de paquets d'électrons relativistes le long de la surface de la cible mais aussi augmenter la génération d'harmoniques d'ordre élevé de la fréquence laser. Ces deux processus ont été caractérisés avec de nombreuses expériences et simulations numériques. En utilisant un schéma d’interaction standard de la plasmonique classique, les SPs sont excités sur des cibles dont la surface présente une modulation périodique régulière à l'échelle micrométrique (cibles réseau). Dans ce cas, les propriétés de l'émission d'électrons tout comme celles des harmoniques permettent d’envisager leur utilisation dans des application pratiques. En réussissant à dépasser les principaux problèmes conceptuels et techniques qui jusqu'au présent avaient empêché l'application d'effets plasmoniques dans le régime de champs élevés, ces résultats apportent un intérêt nouveau à l'exploration de la Plasmonique Relativiste.

The work presented in this thesis belongs to the general framework of Laboratory Astrophysics. We address various aspects of the physics of collisionless shocks developing in the presence of relativistic plasma flows, in configurations of interest for the astrophysical and the laser-plasma interaction (LPI) communities. The approach used throughout this thesis relied on both analytical modeling and high-performance kinetic simulations, a central tool to describe LPI processes as well as the non-linear physics behind shock formation. The PIC code SMILEI has been widely used and developed during this work. Three physical configurations are studied. First we consider the Weibel instability driven by two counter-streaming electron beams aligned with an external magnetic field. The linear and non-linear phases are explained using theoretical models confirmed by simulations.Then the generation of non-collisional shocks during the interaction of two relativistic plasma pairs is studied in the presence of a perpendicular magnetic field. We focus on the comparison of theoretical predictions for macroscopic variables with the simulation results, as well as on the definition and measurement of the shock formation time, all of which are of great importance for future experiments.Finally, we proposed a scheme to produce, in the laboratory, the ion-Weibel-instability with the use of an ultra-high-intensity laser. The produced flows are faster and denser than in current experiments, leading to a larger growth rate and stronger magnetic fields. These results are important for the LPI at very high intensity., Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire. Nous abordons divers aspects de la physique des chocs non-collisionels en présence de flots de plasma relativistes dans des configurations d'intérêt pour les communautés astrophysique et de l’interaction laser-plasma (ILP). Notre approche repose sur la modélisation analytique et la simulation cinétique haute-performance, outil central pour décrire les processus d'ILP et la physique non linéaire à l'origine des chocs étudiés. Le code Particle-in-Cell SMILEI a été largement utilisé et développé au cours ce travail. Trois configurations physiques sont étudiées. L’instabilité Weibel en présence de faisceaux d'électrons contre-propagatifs alignés avec un champ magnétique externe est décrite. Les phases linéaires et non linéaires sont expliquées à l’aide de modèles théoriques confirmés par des simulations. La génération de chocs non-collisionels lors de l’interaction de deux plasmas relativistes de paires est étudiée en présence d’un champ magnétique perpendiculaire. L’accent est mis sur la comparaison des prédictions théoriques sur les grandeurs macroscopiques avec les simulations, ainsi que sur la définition du temps de formation du choc, l’ensemble de ces grandeurs étant d’une grande importance pour de futures expériences. Enfin, nous proposons un schéma permettant de recréer, en laboratoire, l’instabilité Weibel ionique par l'utilisation d'un laser intense. Les flots de plasmas produits ici sont plus rapides et denses que dans les expériences actuelles, conduisant à un taux de croissance et des champs magnétiques plus élevés. Ces résultats sont également important pour l’ILP à très haute intensité.

When focusing an ultra-intense femtosecond laser pulse [I>10¹⁶W/cm²] onto a solid target, this target is ionized at the very beginning of the laser pulse. The resulting dense plasma then reflects the laser in the specular direction: it is a plasma mirror. The ultra-intense laser field can accelerate electrons within the plasma at relativistic speeds. Some are ejected towards the vacuum and these plasma mirrors are therefore sources of relativistic electron beams. Moreover, at each optical cycle they radiate in the form of extreme ultraviolet light, resulting in the generation of high-order harmonics of the laser frequency (HHG). The objective of this PhD is to understand laser-plasma interaction though the characterization of high-order harmonics and relativistic electron beams generated from plasma mirrors. The first part deals with harmonic beam measurement. Due to the extreme physical conditions during the interaction, detection can only be performed at macroscopic distance from target. Thus, the characterization of the harmonic beams’ angular properties (carried out as a function of interaction conditions in previous works) only provides partial information on the interaction itself. A technique of coherent diffraction imaging, named ptychography, which consists of diffracting a probe onto an object, is transposed to HHG on plasma mirrors by optically micro-structuring the plasma on a target surface. Harmonic fields are then reconstructed spatially in amplitude and phase directly in the target plane. Thanks to this measurement in different interaction conditions, previously developed theoretical analytical models in non-relativistic regime [I10¹⁸W/cm²] are experimentally validated. The second part of the PhD is dedicated to the experimental characterization of angular and spectral properties of relativistic electron beams. A theoretical and numerical study shows that this constitutes the first clear observation of vacuum laser acceleration (VLA). Finally, a simultaneous study of harmonic and electron signals highlights a strong correlation between both processes in the relativistic regime.; Lors de la focalisation d’un laser femtoseconde ultra-intense [I>10¹⁶W/cm²] sur une cible solide, dès le début de l’impulsion le champ laser est suffisant pour totalement ioniser la surface de la cible. Le reste de l’impulsion est ensuite réfléchi dans la direction spéculaire par le plasma dense ainsi créé : c’est un miroir plasma. Le champ laser ultra-intense peut accélérer les électrons au sein du plasma à des vitesses relativistes. Certains sont éjectés vers le vide et ces miroirs plasmas sont ainsi des sources de faisceaux d’électrons énergétiques. De plus, ils rayonnent dans l’extrême ultra-violet (XUV) à chaque période laser, ce qui se traduit par de la génération d’harmoniques d’ordre élevé de la pulsation laser. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’interaction laser-plasma sur miroirs plasmas à l’aide de la caractérisation de ces deux observables physiques qui en sont issues : les faisceaux d’électrons relativistes et les faisceaux d’harmoniques d’ordre élevé. Une première partie traite de la mesure des faisceaux harmoniques. Du fait des conditions physiques extrêmes d’interaction, la détection ne peut se faire qu’à une distance macroscopique de la cible. Ainsi la caractérisation des propriétés angulaires de ces faisceaux (réalisée en fonction des conditions d’interaction au cours de travaux précédents) ne fournit que des informations partielles sur l’interaction en elle-même. La ptychographie, une technique de mesure par diffraction cohérente où une sonde est diffractée par un objet, est ici transposée à la génération d’harmoniques sur miroirs plasmas grâce à la micro-structuration optique du plasma à la surface de la cible. Les champs sources harmoniques sont ainsi reconstruits en amplitude et en phase spatiales directement dans le plan cible. Grâce à ces mesures dans différentes conditions d’interaction, des modèles théoriques analytiques d’interaction en régime non relativiste [I10¹⁸W/cm²] développés précédemment sont validés expérimentalement. Une seconde partie de cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale des propriétés angulaires et en énergie des faisceaux d’électrons relativistes issus des miroirs plasmas. Une étude théorique et numérique, permet de prouver que ces mesures sont la première observation claire de l’accélération d’électrons relativistes par laser dans le vide (VLA). Enfin, l’étude simultanée des efficacités de génération des faisceaux d’électrons et d’harmoniques montre une corrélation nette entre les deux processus en régime relativiste.

The use of plasma as an amplification medium is currently discussed because it can overcome current solid-state technology limitations in terms of maximum achievable intensity. Via parametric scattering off a plasma oscillation the energy from a long pump pulse can be transferred into a short seed pulse. Brillouin scattering has the potential to become a robust amplification process. In this thesis we present theoretical and numerical (PIC) studies aimed at better understanding the role of each plasma parameter on the amplification mechanism: the interaction length, the shape of the density profile, the duration of the long pump signal, the relative delay between the seed and pump signals, the chirp of the long pump laser pulse. For the first time we show complete description of the time and space evolution of the phases of the pump, seed and plasma density perturbation that dictate the energy flow transfer between the pump and seed laser beams and the efficiency of amplification. In order to propose and improve nowadays experimental set-ups, a comparison with recent experiments is performed., L'utilisation de plasmas comme milieu amplificateur d'impulsions laser intenses pourrait permettre de surmonter les limites de la technologie actuelle en termes de l'intensité maximum réalisable. Par l'intermédiaire d'une oscillation de plasma, l'énergie d'une longue impulsion laser de pompe peut être transférée à une impulsion courte (« seed »). La rétrodiffusion Brillouin a le potentiel pour devenir un processus d'amplification robuste. Dans cette thèse, nous présentons des études théoriques et numériques visant à mieux comprendre le rôle de chaque paramètre du plasma et de la pompe sur le mécanisme d'amplification: forme et longueur du profil de densité, durée de la pompe, retard relatif entre la pompe et le seed, et chirp (dérive en fréquence) de la pompe. Nous montrons une première description complète de l'évolution dans le temps et dans l'espace des phases de la pompe, du seed et de la perturbation de densité plasma, qui déterminent le sens du transfert d'énergie entre les faisceaux laser et l'efficacité de l'amplification. Afin de proposer et d'améliorer les schémas expérimentaux actuels, une comparaison est effectuée avec les expériences récentes.

This manuscript presents a novel formulation of the Laser-Plasma Interaction (LPI) at hydrodynamical scales, that couples the plasma dynamics with linear and nonlinear LPI processes. The standard Ray Tracing model, based on Geometrical Optics, is not well suited for that purpose because it does not readily describe the laser intensity distribution in plasma. We propose an alternative model formulated for a Lagrangian hydrodynamic code. It is based on the ray-based Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) that describes Gaussian optical beamlets. A method for modeling non-Gaussian laser beams smoothed by Phase Plates is presented, that allows to create intensity variations that reproduce the beam envelope, contrast and high-intensity statistics predicted by paraxial laser propagation codes. We propose inline reduced models for the non-linear laser-plasma interaction, in the case of the Cross-Beam Energy Transfer (CBET) and the generation of Hot Electrons (HE). The inline CBET model is validated against a time-dependent conventional paraxial electromagnetic wave propagation code, in a well-defined plasma configuration with density and velocity profiles corresponding to an inhomogeneous plasma. Good agreement is found past a transient period on the picosecond time scale, notably for the spatial distribution of density perturbations and laser intensities in the interaction region. Application of the model to a direct-drive Inertial Confinement Fusion (ICF) configuration shows that CBET significantly degrades the irradiation symmetry by amplifying low frequency modes and reducing the laser-capsule coupling efficiency, ultimately leading to large modulations of the shell areal density and lower convergence ratios. The LPI/HE model predicts the HE fluxes, temperatures, angular dispersion and direction from the laser intensity of PCGO beamlets from simplified expressions based on theoretical models and scaling laws obtained in kinetic simulations. The HE beams propagation and energy deposition in plasma is described in the angular scattering approximation, adapted to two-dimensional, transversally Gaussian, multigroup HE beams of arbitrary angular distribution. This model accounts for (i) competition for the laser energy between the various instabilities and with the linear collisional absorption, (ii) coupling between nonlinear LPIs and plasma dynamics via the high energy electron beams and(iii) loss of coupling due to backscattered Raman light. Its performance is confirmed by comparison with measurements of shock timing, laser absorption, HE fluxes and temperatures in experiments conducted on Omega and Pals laser facilities. This multiscale inline LPI-HE model is used to interpret several Shock Ignition experiments. It is found that HEs from parametric instabilities significantly increase the shock pressure and velocity in the target, while decreasing its strength and the overall ablation pressure. Applications to the high-intensity regime of shock ignition ICF suggest that HEs generated by the nonlinear LPI are nefarious to the capsule implosion in conventional target designs, as they lead to a dramatic increase in the hotspot mass and losses by Bremsstrahlung radiation. This model is readily applicable to hydrodynamic description of laser-target experiments of High Energy Density Physics, in the interaction regimes involving the above-mentioned non-linear LPI processes.; Ce manuscrit présente une nouvelle formulation de l’Interaction Laser-Plasma (ILP) à l’échelle hydrodynamique, qui couple la dynamique du plasma avec les processus d’ILP linéaires et non-linéaires. Le modèle standard du tracé de rayon (Ray-Tracing), basé sur l’Optique Géométrique, est peu adapté pour modéliser l’ILP non-linéaire car la distribution de l’intensité laser dans le plasma n’est pas directement disponible. Nous proposons un modèle alternatif spécifiquement formulé pour un code hydrodynamique Lagrangien, basé sur l’Optique Géométrique Complexe Paraxiale qui décrit la propagation de faisceaux Gaussiens. Cette méthode est ensuite adaptée à la description de faisceaux laser non Gaussiens, et permet de reproduire la statistique d’intensité, l’enveloppe et le contraste de faisceaux lissés par une Lame de Phase. Nous proposons des modèles en ligne pour décrire l’échange d’énergie entre faisceaux croisés (CBET) et la génération d’électrons rapides par l’ILP non-linéaire, en utilisant PCGO. Le modèle en ligne de CBET est validé par comparaison avec un code de propagation d’une onde électromagnétique paraxial conventionnel dans le cas d’un plasma inhomogène en vitesse. Un bon accord est trouvé après une période transitoire de l’ordre de la picoseconde, notamment en ce qui concerne la distribution spatiale de l’intensité laser et des perturbations de densité du plasma. Ce modèle appliqué à une configuration d’attaque directe de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) montre que le CBET réduit le couplage laser-cible, réduit le facteur de convergence, et amplifie les modes basse fréquence de déformation de la capsule. Le modèle de génération d’électrons rapides par l’ILP non-linéaire modélise les propriétés des faisceaux d’électrons rapides, i.e. leur flux, énergie moyenne, dispersions angulaire et direction, à partir de l’intensité laser prédite par PCGO et à partir d’expressions simplifiées, basées sur des modèles théoriques et des lois d’échelles obtenues à l’aide de simulations cinétiques. La propagation et le dépôt d’énergie par les électrons rapides est décrite à partir d’une approximation de diffusion angulaire adaptée en deux dimensions, pour des faisceaux de profil transverse d’intensité Gaussien, de distribution d’énergie exponentielle et d’ouverture angulaire arbitraire. Ce modèle couplé rend compte de (i) la compétition pour l’énergie laser entre les différentes instabilités et avec l’absorption collisionnelle, (ii) le couplage entre l’ILP non-linéaire et la dynamique du plasma à travers les faisceaux d’électrons rapides, et(iii) la perte de couplage laser-plasma due à la diffusion Raman arrière. Les performances de ce modèle sont évaluées par comparaisons avec des expériences d’allumage par choc conduites sur les installations laser Omega et Pals. Ce modèle multi-échelle est ensuite utilisé pour interpréter plusieurs expériences. On trouve notamment que les électrons générés par l’ILP non-linéaire augmentent la vitesse du choc et la pression en aval de ce dernier, tout en réduisant sa force et la pression d’ablation. Une application à la phase fortement non-linéaire de l’allumage par choc en FCI suggère que ces électrons sont néfastes pour l’implosion de la capsule en ce qui concerne les cibles conventionnelles : ceux-ci causent une augmentation de la masse du point chaud et des pertes radiatives. Ce modèle peut être appliqué à la modélisation hydrodynamique des expériences laser-cible de physique des hautes densités d’énergie pour les régimes d’interaction pertinents pour les instabilités évoquées ci dessus.

Collisionally-pumped “OFI” plasma-based soft X-ray lasers are achieved by focusing an ultra-intense infrared laser pulse into a gas. The resulting laser-plasma interaction allows the generation of a plasma column in population inversion, made of multi-charged ions and energetic electrons. We are interested in the emission from the 3d94dJ=0 → 3d94pJ=1 atomic transition of krypton IX (Nickel-like) at 32.8 nm. When this plasma is seeded by an external high-harmonic source, the resulting emission exhibits excellent spatial properties, while demonstrating a significantly higher photon yield at the relevant wavelength.Although being compact and exhibiting numerous attractive characteristics, collisional plasma-based X-ray lasers face limitations intrinsic to their pumping scheme. Indeed, they used to deliver quite long pulses (a few picosecond), thus limiting the scope of applications. The main focus of this thesis has been associated with the implementation of an original technique aimed at achieving 100 fs-range duration of emission by quenching the plasma amplifier gain lifetime through collisional over-ionization (Collisional Ionization Gating). This required operating at very high electron densities (about 1020 cm-3), which involved the implementation of optical waveguiding techniques. The “seeded regime” has been used to sample the ultrafast gain lifetime of such a plasma amplifier. A time-dependent Maxwell-Bloch code allowed describing the ultrashort amplification dynamics and deriving a final soft X-ray pulse duration. The method additionally allows a larger photon yield per shot (14 µJ), thus promising a nearly three orders of magnitude surge in soft X-ray pulse intensity compared to previous performances. Another important focus of this thesis dealt with the implementation of a circularly polarized plasma-based X-ray laser. Such source allows the study of dichroism, magnetization dynamics in matter or chiral domains in biology. The source has been demonstrated by seeding a krypton IX plasma amplifier with a resonant circularly polarized high-harmonic signal. In agreement with experimental measurements, our Maxwell-Bloch numerical model confirms the conservation of the high-harmonic polarization over amplification in the plasma and the efficiency of the scheme, which paves the way for prospective single-shot measurements., Les lasers XUV collisionnels dit « OFI » sont réalisés en focalisant une impulsion laser infrarouge ultra-intense dans un milieu gazeux. L’interaction qui en résulte permet la génération d’une colonne de plasma en inversion de population, constituée d’ions multi-chargés et d’électrons énergétiques. Nous nous intéressons à l’emission de la transition 3d94dJ=0 → 3d94pJ=1 du krypton IX (nickeloïde) à 32,8 nm. Lorsque ce plasma amplificateur est injecté par une source harmonique externe, l’émission résultante montre d’excellentes propriétés spatiales tout en offrant, à la longueur d’onde considérée, un nombre de photons bien supérieur. Bien que compacts et démontrant d’excellentes propriétés spatiales, les lasers XUV collisionnels font face à des limites inhérentes à leur schéma de pompage. En effet, ceux-ci produisaient jusqu’ici des impulsions relativement longues (quelques picosecondes), limitant ainsi le champ d’applications. L’axe majeur de cette thèse a consisté à repousser cette limite afin d’atteindre une durée d’émission de l’ordre de la centaine de femtosecondes, en mettant en œuvre une « fenêtre temporelle sur le gain » de l’amplificateur plasma par sur-ionisation collisionnelle (Collisional Ionization Gating). Ceci est rendu possible en opérant à des densités électroniques très élevées (autour de 1020 cm-3), ce qui nécessite l’utilisation de techniques de guidage optique. Le régime d’injection d’harmoniques a été utilisé pour sonder la dynamique temporelle du gain d’un tel amplificateur plasma. Un modèle numérique Maxwell-Bloch à dépendance temporelle nous a permis de décrire cette dynamique d’amplification et d’en extraire une durée d’émission XUV. D’autre part, la méthode permet également la génération d’un plus grand nombre de photons par tir (jusqu’à 14 µJ), offrant ainsi une augmentation de l’intensité des impulsions XUV émises de près de trois ordres de grandeurs par rapport aux performances précédentes.Un autre axe important de la thèse a consisté en la réalisation d’un laser XUV polarisé circulairement. De telles sources permettent l’étude des propriétés dichroïques de la matière, de la dynamique de domaines magnétiques de matériaux ou de la structure chirale d’échantillons biologiques. La source a été réalisée avec succès en amplifiant une source harmonique résonante et polarisée circulairement par un plasma de Krypton IX. Conformément aux mesures expérimentales, notre modèle numérique Maxwell-Bloch confirme la conservation de l’état de polarisation des harmoniques au cours de l’amplification ainsi que l’efficacité du schéma de génération, ce qui ouvre ainsi la voie vers l’acquisition de mesures en un seul tir.

The presence of several plasmas along the path of an energetic laser beam is likely to produce noticeable changes in the behaviour of parametric instabilities compared to the case of interaction with single plasma. In order to identify the different effects that can come into play in this kind of situation, a tunable double target system has been designed, allowing controlled variation in the distance betwwen the two targets. The first target was low density foam while the second one was a thin plastic foil. Part of this thesis is devoted to characterization of laser-plasma interaction into the foams since this subject has been not much explored yet for such low densities. In the cas of interaction with two plasmas, three effects have been identified and analysed: hydrodynamic coupling, the effect of laser-induced incoherence and electromagnetic coupling of the plasmas. For the first time it has been evidenced that laser-induced incoherence can lead to the suppression of the stimulated Brillouin backscattering generated into separate plasma. On the other hand, laser -induced incoherence benefits are lost when hydrodynamic effects occur due to the collision of the two plasmas if not enough distance is put between the targets. Stimulated Raman scattering is more sensitive to the electromagnetic coupling between the plasmas. The latter occurs when the backscattered light from the foil target propagates through the foam plasma. In this case, a reamplification of the scattered light can be observed leading to an increasing in relfectivity levels. This phenomenon is particularly desired for plasma amplification of short pulses. It at also been observed that in the low density region of the foam, bacskattered light from the foil leads to Raman amplification in the kinetic regime., La présence simultanée de plusieurs plasmas le long de la trajectoire d'un faisceau laser énergétique est susceptible de modifier de manière importante le comportement des instabilités paramétriques par rapport au cas où un seul plasma est présent. Afin d'identifier les différents effets pouvant intervenir dans ce type de situation, un système de cible double dont l'écartement est ajustable a été développé, la première cible étant une mousse de faible densité et la seconde une feuille de plastique. Une partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation de l'interaction dans les mousses seules, cette dernière étant encore peu connue à l'heure actuelle pour de si faibles densités. Dans le cas d'interaction en présence de deux plasmas, nous analysons successivement trois effets : celui du mélange hydrodynamique des deux plasmas, celui de l'incohérence induite par plasma et enfin celui du couplage électromagnétique entre les deux plasmas. Pour la première fois, il a été mis en évidence que l'incohérence induite par plasma sur un faisceau conduisait à la réduction de la rétrodiffusion Brillouin dans un plasma séparé. En revanche, cette incohérence ne parvient plus à compenser les effets hydrodynamiques se produisant par collision des plasmas lorsque ceux-ci sont suffisamment proches. Le couplage électromagnétique entre les plasmas affecte plus particulièrement la rétrodiffusion Raman, lorsque la rétrodiffusion du plasma de feuille traverse le plasma de mousse. Outre une réamplification du signal rétrodiffusé qui est un phénomène recherché dans l'amplification d'impulsions laser en milieu plasma, nous avons observé le développement de l'instabilité Raman dans une zone de plasma dominée par l'amortissement Landau ce qui est la signature d'effets cinétiques importants.

A comprehensive theory is developed to describe the expansion of a plasma into vacuum with a two-temperature electron distribution function (a " cold " and a " hot " electron population). In the first part, the characteristics (amplitude, position, microscopic structure, etc.) of the rarefaction shock which occurs in the plasma when the hot- to the cold-electron temperature ratio is larger than 9.9 are investigated with a semi-infinite plasma; i.e., an infinite source of particles and energy. Asymptotic expressions of the quantities of the flow are established in the limit of large temperature ratios. The behavior of the plasma structure is specified for different regimes of flow. The effects of the rarefaction shock on the ion acceleration are briefly discussed. The numerical simulations performed with a 1-D hybrid code are compared to the results of the analytical model. In the second part, we study the expansion into a vacuum of a thin-foil with a 1-D kinetic code. Conversely to the semi-infinite model, the electron distribution function does no stay bi-Maxwellian in time, but its dynamic is governed by Vlasov equation. The results of this code are used to explain the heating of the cold electrons, for a sufficiently large hot- to cold-electron density ratio. An expression of the cold temperature, during the acceleration of the rarefaction wave towards the center of the foil, is established. The maximum temperature gain is estimated in terms of the initial plasma parameters. For low values of the hot- to cold-electron density ratio, we evidence a global cooling of electrons over different time scales and then a reduction of the effective amplitude of the rarefaction shock., Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions).

This dissertation summarizes the last ten years of research at Laboratoire d'Optique Appliquée on laser-plasma based electron acceleration. The main result consists of the development and study of a relativistic electron source with unique properties: high energy (100-300 MeV) in short distances (few millimeters), mono-energetic, ultra-short (few fs), stable and tunable. The manuscript describes the steps that led to understanding the physics, and then mastering it in order to produce this new electron source. Non linear propagation of the laser pulse in the plasma is first presented, with phenomena such as non linear wakefield excitation, relativistic and ponderomotive self-focusing in the short pulse regime, self-compression. Acceleration and injection of electrons are then reviewed from a theoretical perspective. Experimental demonstrations of self-injection in the bubble regime and then colliding pulse injection are then presented. These experiments were among the first to produce monoenergetic, high quality, stable and tunable electron beams from a laser-plasma accelerator. The last two chapters are dedicated to the characterization of the electron beam using transition radiation and to its applications to gamma radiography and radiotherapy. Finally, the perspectives of this research are presented in the conclusion. Scaling laws are used to determine the parameters that the electron beams will reach using petawatt laser systems currently under construction.; Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

This dissertation summarizes the last ten years of research at Laboratoire d'Optique Appliquée on laser-plasma based electron acceleration. The main result consists of the development and study of a relativistic electron source with unique properties: high energy (100-300 MeV) in short distances (few millimeters), mono-energetic, ultra-short (few fs), stable and tunable. The manuscript describes the steps that led to understanding the physics, and then mastering it in order to produce this new electron source. Non linear propagation of the laser pulse in the plasma is first presented, with phenomena such as non linear wakefield excitation, relativistic and ponderomotive self-focusing in the short pulse regime, self-compression. Acceleration and injection of electrons are then reviewed from a theoretical perspective. Experimental demonstrations of self-injection in the bubble regime and then colliding pulse injection are then presented. These experiments were among the first to produce monoenergetic, high quality, stable and tunable electron beams from a laser-plasma accelerator. The last two chapters are dedicated to the characterization of the electron beam using transition radiation and to its applications to gamma radiography and radiotherapy. Finally, the perspectives of this research are presented in the conclusion. Scaling laws are used to determine the parameters that the electron beams will reach using petawatt laser systems currently under construction., Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

When an intense laser beam is focused on a solid target, its surface is rapidly ionized and forms a dense plasma that reflects the incident field. For laser intensities above few $10^{15}Wcm^{-2}$, high order harmonics of the laser frequency, associated in the time domain to a train of attosecond pulses ($1as = 10-^{18}s$), can be generated upon this reflection. Because such a plasma mirror can be used with arbitrarily high laser intensities, this process should eventually lead to the production of very intense pulses in the X-ray domain.In this thesis, we demonstrate that for laser intensities about $10^{19}Wcm^{-2}$, two mechanisms can contribute to the generation of high order harmonics: the coherent wake emission and the relativistic emission. These two mechanisms are studied both theoretically and experimentally. In particular, we show that, thanks to very different properties, the harmonics generated by these two processes can be unambiguously distinguished experimentally. We then investigate the phase properties of the harmonic, in the spectral and in the spatial domain. Finally, we illustrate how to exploit the coherence of the generation mechanisms to get information on the dynamics of the plasma electrons., Lorsqu'un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques $10^{15}Wcm^{-2}$, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes ($1as=10-^{18}s$). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X.Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l'éclairement laser est de l'ordre de $10^{19}Wcm^{-2}$, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma : l'émission cohérente de sillage et l'émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement.Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambiguïté. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma.

Laser induced proton generation knew an exponential development these last few years, mainly du to powerfull laser improvments associated to a clear decrease of dimension and cost of such facilities. Applications of such proton beam take place in different topics, either in medical purposes (protontherapy, isotope generation for PET...) than civilian topics (inertiel fusion, fast ignitor...). Interaction of a 1019 W=cm2 short pulse laser beam with a solid target permit to accelerate or generate different kind of particles, such as electrons, protons, ions or x rays. The main interest of my thesis is to characterize proton beam generated by the laser (in term of divergence, spectrum, energy, reproducibility,...) with regards to laser parameters, in order to optimize the laser energy 3 conversion into energetic protons, for, in longer term purpose, an eventually use in protontherapy cancer treatments. This topics drove us, as a first step, to develop diagnostic well adapted to real time proton detection. Moreover, as a second step, to open a discussion on laser parameters of interest involved in proton beam generation. Maximum energy reached with short pulse interaction is up to 10 MeV (LOA), using longer pulses (and more laser energy), record is up to 58 MeV (LNL). These results are very promising for future, but still far from the range 70 - 200 MeV needed for protontherapy cancer treatment purposes.; L'accélération de protons par laser a connu une expansion exponentielle ces dernières années principalement grâce à une amélioration des lasers de puissance associée à une diminution de la taille et du coût de telles installations. Les applications envisagées de ces faisceaux sont nombreuses, tant dans le domaine médical (proton thérapie, création d'isotopes pour la TEP...) que dans le domaine énergétique (fusion inertielle, allumeur rapide...). L'interaction entre un faisceau laser intense et une cible solide permet de générer différents types de rayonnement ionisant, notamment des électrons, ions, neutrons, rayons X et protons. L'intérêt de ma thèse est de caractériser les faisceaux de protons produits par laser (divergence, energie, spectre, stabilité...) en fonction des différents paramètres laser, afin d'optimiser la conversion de l'énergie laser en protons énergétiques, pour, à plus long terme, une utilisation éventuelle de ce faisceau lors de traitements en proton thérapie. Ceci nous a amené, dans un premier temps, à développer des diagnostics adaptés pour une détection en temps réel du faisceau de protons puis, dans un deuxième temps, à ouvrir une discussion sur les paramètres laser d'intérêt intervenant dans la génération du faisceau de protons. L'énergie maximale des protons atteinte avec des impulsions courtes est de 10 MeV (LOA), en utilisant des impulsions plus longues (et plus d'énergie laser), le record est de 58 MeV (LNL). Ces résultats sont prometteurs et encourageants pour l'avenir, mais encore bien loin de la gamme 70 - 200 MeV nécessaire pour des traitements en proton thérapie.

Inertial confinement fusion by laser requires smoothed laser beam with well-controlled coherenceproperties. Such beams are made of many randomly distributed intensity maxima: the so-called speckles.As the laser beam propagates through a plasma its temporal and spatial coherence can be reduced.This phenomenon is called plasma induced smoothing. For high laser intensities, instabilities developpingindependently inside the speckles are responsible for the coherence loss. At lower intensities, onlycollective effects, involving many speckles, can lead to induced smoothing. This thesis is a theoretical,numerical and experimental study of these mecanisms.Accounting for the partially incoherent behavior of the laser beams requires the use of statisticaldescription of the laser-plasma interaction. A model is developped for the multiple scattering of thelaser light on the self-induced density perturbations that is responsible for a spreading of the temporaland spatial spectra of the transmitted light. It also serves as a strong seed for the instability of forwardstimulated Brillouin scattering that induces both, angular spreading and red-shift of the transmittedlight. A statistical model is developped for this instability. A criterium is obtained that gives a laserpower (below the critical power for lamentation) above which the instability growth is important.Numerical simulations with the interaction code PARAX and an experiment performed on the ALISElaser facility conrm the importance of these forward scattering mecanisms in the modication of thelaser coherence properties.; La fusion inertielle par laser requiert l'utilisation de faisceaux lissés aux propriétés de cohérence contrôlables. Ces faisceaux contiennent une multitude de surintensités : les speckles. Lors de leur propagation dans un plasma, les propriétés de cohérence de ces faisceaux peuvent être modifiées, on parle de lissage par plasma. A haute intensité, des instabilités se développant au sein même des speckles induisent la perte de cohérence. A plus basse intensité, des mécanismes collectifs mettant en jeu plusieurs speckles sont responsable du lissage induit. Cette thèse constitue une étude théorique, numérique et expérimentale de ces mécanismes. La prise en compte du caractère incohérent des faisceaux laser requiert l'utilisation d'outils statistiques pour décrire l'interaction laser-plasma. Un modèle est développé pour la diffusion multiple de l'onde laser sur les fluctuations de densité induites par l'ensemble des speckles. Cette diffusion est responsable d'un élargissement du spectre spatial et temporel de l'onde laser. Elle sert de germe à l'instabilité de diffusion Brillouin stimulée vers l'avant, laquelle induit à la fois un élargissement spectral et un décalage vers le rouge de la lumière transmise. Un modèle analytique est développé pour cette instabilité. Un nouveau critère est établi qui détermine une puissance (sous la puissance critique pour la filamentation) au delà de laquelle cette instabilité croît fortement. Des simulations numériques réalisées avec le code PARAX est une expérience réalisée sur le laser ALISE confirment la présence importante de ces mécanismes de diffusion vers l'avant à basse intensité et leur rôle dans le lissage induit par plasma.

Let us begin by recalling that the objective of the thesis was twofold: - Digital: it was to develop a code capable of simulating the saturation of the instability of stimulated Raman scattering (SRS) through the coupling with the ion acoustic waves in a fluid description, homogeneous and inhomogeneous plasma and multidimensional geometry. The model chosen is based on a system composed of equations like the equations for paraxial electromagnetic type for Zakharov equation of Langmuir waves and sound waves. The problem was addressed in an open environment where, unlike a periodic medium, the definition of boundary conditions has to be robust without the digital artifacts introduced distorting the physical results, including inhomogeneous plasma where the presence of points Dish is able to destabilize the absolute instability, which adds a "difficulty" additional significant. - Physical: it was to analyze the mechanisms of nonlinear saturation of the Raman instability and establish the extent possible, scaling laws. In order to test the potential and limitations of our code, we chose to focus specifically on the regime kLλDe ~ 0.2 (where kL is the wave number of the fundamental wave generated by the Langmuir instability and Raman λDe the electronic Debye length). This regime is the regime most certainly difficult to study in the sense that it is intermediate between the extreme regimes (i) = 0.1 kLλDe with the presence of cavitation and (ii) kLλDe = 0.3 which gives a strong Landau damping and electronic kinetic effects, and therefore all processes are suceptible to grow, as we have actually observed., Commençons par rappeler que l'objectif de la thèse était double : - numérique : il s'agissait de développer un code capable de simuler la saturation de l'instabilité de diffusion Raman stimulée (SRS) via le couplage avec les ondes acoustiques ioniques dans une description fluide, en plasma homogène et inhomogène et en géométrie multidimensionnelle. La modélisation choisie est basée sur un système composé d'équations de type paraxiales pour les équations électromagnétiques et de type Zakharov pour les équations des ondes de Langmuir et des ondes sonores. Le problème a été traité dans un milieu ouvert où, contrairement à un milieu périodique, la définition des conditions aux limites se doit d'être robuste sans que les artefacts numériques introduits ne faussent les résultats physiques, notamment en plasma inhomogène où la présence de points paraboliques est en mesure de déstabiliser les instabilités absolues, ce qui ajoute une "difficulté" supplémentaire non négligeable. - physique : il s'agissait d'analyser les mécanismes de saturation non-linéaire de l'instabilité Raman et d'établir, dans la mesure du possible, des lois d'échelle. De façon à tester les potentialités et les limites de notre code, nous avons choisi de nous concentrer plus particulièrement sur le régime kLλDe ∼ 0.2 (où kL est le nombre d'onde fondamental de l'onde de Langmuir générée par l'instabilité Raman et λDe la longueur de Debye électronique). Ce régime est certainement le régime le plus difficile à étudier dans le sens où il est intermédiaire entre les régimes extrêmes (i) kLλDe = 0.1 avec la présence de la cavitation et (ii) kLλDe = 0.3 qui donne un amortissement Landau électronique fort et des effets cinétiques, et pour cette raison tous les processus sont suceptibles de se développer, comme nous l'avons effectivement observé.

Laser induced proton generation knew an exponential development these last few years, mainly du to powerfull laser improvments associated to a clear decrease of dimension and cost of such facilities. Applications of such proton beam take place in different topics, either in medical purposes (protontherapy, isotope generation for PET...) than civilian topics (inertiel fusion, fast ignitor...). Interaction of a 1019 W=cm2 short pulse laser beam with a solid target permit to accelerate or generate different kind of particles, such as electrons, protons, ions or x rays. The main interest of my thesis is to characterize proton beam generated by the laser (in term of divergence, spectrum, energy, reproducibility,...) with regards to laser parameters, in order to optimize the laser energy 3 conversion into energetic protons, for, in longer term purpose, an eventually use in protontherapy cancer treatments. This topics drove us, as a first step, to develop diagnostic well adapted to real time proton detection. Moreover, as a second step, to open a discussion on laser parameters of interest involved in proton beam generation. Maximum energy reached with short pulse interaction is up to 10 MeV (LOA), using longer pulses (and more laser energy), record is up to 58 MeV (LNL). These results are very promising for future, but still far from the range 70 - 200 MeV needed for protontherapy cancer treatment purposes., L'accélération de protons par laser a connu une expansion exponentielle ces dernières années principalement grâce à une amélioration des lasers de puissance associée à une diminution de la taille et du coût de telles installations. Les applications envisagées de ces faisceaux sont nombreuses, tant dans le domaine médical (proton thérapie, création d'isotopes pour la TEP...) que dans le domaine énergétique (fusion inertielle, allumeur rapide...). L'interaction entre un faisceau laser intense et une cible solide permet de générer différents types de rayonnement ionisant, notamment des électrons, ions, neutrons, rayons X et protons. L'intérêt de ma thèse est de caractériser les faisceaux de protons produits par laser (divergence, energie, spectre, stabilité...) en fonction des différents paramètres laser, afin d'optimiser la conversion de l'énergie laser en protons énergétiques, pour, à plus long terme, une utilisation éventuelle de ce faisceau lors de traitements en proton thérapie. Ceci nous a amené, dans un premier temps, à développer des diagnostics adaptés pour une détection en temps réel du faisceau de protons puis, dans un deuxième temps, à ouvrir une discussion sur les paramètres laser d'intérêt intervenant dans la génération du faisceau de protons. L'énergie maximale des protons atteinte avec des impulsions courtes est de 10 MeV (LOA), en utilisant des impulsions plus longues (et plus d'énergie laser), le record est de 58 MeV (LNL). Ces résultats sont prometteurs et encourageants pour l'avenir, mais encore bien loin de la gamme 70 - 200 MeV nécessaire pour des traitements en proton thérapie.

The progress made as well on the Ti:Sa laser system, as in the control and the knowledge of laser produced XUV sources allowed the construction of a XUV laser station dedicated to the applications in the Université Paris XI. My thesis work falls under the development of this station and more particularly on the characterization of a XUV laser plasma amplifier. The experimental study relates to the coupling improvement of the pump infra-red laser with plasma within the framework of the transient collisional XUV laser generation. These XUV lasers are generated in a plasma formed by the interaction of a solid target and a laser pulse of approximately 500 ps duration, followed by a second infra-red laser pulse known as of pump (~5 ps) impinging on the target in grazing incidence. For the first time, a complete parametric study was undertaken on the influence of the grazing angle on the pumping of the amplifying medium. One of the results was to reach very high peak brightness about 1 x 10^{28} ph/s/mm²/mrad²/(0.1% bandwidth), which compares well with the free electron laser brightness. Moreover, we modified then used a new two-dimensional hydrodynamic code with adaptive mesh refinement in order to understand the influence of the space-time properties of the infra-red laser on the formation and the evolution of the amplifying plasma. Our modelings highlighted the interest to use a super Gaussian transverse profile for the line focus leading to an increase in a factor two of the gain region size and a reduction of the electron density gradient by three orders of magnitude. These improvements should strongly increase the energy contained in XUV laser beam. The knowledge improvement of materials physic or biomolecules behaviour will benefit from the tool that the XUV laser radiation field is on the way to become. We thus used XUV laser to study the appearance of transient defects produced by a laser IR on a beam-splitter rear side. We also began research on the mechanisms of DNA damage induced by a very intense XUV radiation., Les progrès réalisés tant sur les chaînes laser infrarouges, que dans la maîtrise et la compréhension des sources X-UV pompées par laser ont permis la construction d'une station laser X-UV dédiée aux applications à l'Université Paris XI. Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de cette station et plus particulièrement sur la caractérisation d'un amplificateur plasma laser X-UV.L'étude expérimentale concerne l'amélioration du couplage du laser infrarouge de pompe avec le plasma dans le cadre de la génération d'un laser X-UV en régime collisionnel transitoire. Ces lasers X-UV sont générés dans un plasma formé par l'interaction d'une cible solide et d'une impulsion laser d'environ 500 ps de durée, suivie d'une seconde impulsion laser infrarouge dite de pompe (~5ps) arrivant sur la cible en incidence rasante. Pour la première fois, une étude paramétrique complète a été entreprise sur l'influence de l'angle de rasance sur la création du milieu amplificateur. Un des résultats de cette étude a été d'atteindre des brillances pics très élevées de l'ordre de 1 x 10^{28} photons/s/mm²/mrad²/(0.1%bandwidth), comparables aux brillances des lasers à électron libres. De plus, nous avons modifié puis utilisé un nouveau code hydrodynamique bidimensionnel eulérien à mailles raffinées dynamiquement au cours du temps (AMR) afin de comprendre l'influence des propriétés spatio-temporelles du laser infrarouge sur la formation et l'évolution du plasma amplificateur. Nos modélisations ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser un profil super gaussien pour la ligne focale produisant une augmentation d'un facteur deux de la dimension de la zone de gain et une réduction des gradients de densité detrois ordres de grandeur. Ces améliorations devraient accroître fortement l'énergie contenue dans le faisceau laser X-UV.L'amélioration de la connaissance de la physique des matériaux ou des biomolécules tirera profit de l'outil que le rayonnement laser dans le domaine X-UV est en passe de devenir. Nous avons ainsi utilisé le laser X-UV pour étudier l'apparition de défauts transitoires produits par un laser IR en face arrière d'un miroir. Nous avons aussi débuté des recherches sur les mécanismes d'endommagement de l'ADN lors de son irradiation par un rayonnement X-UV très intense.

The progress made as well on the Ti:Sa laser system, as in the control and the knowledge of laser produced XUV sources allowed the construction of a XUV laser station dedicated to the applications in the Université Paris XI. My thesis work falls under the development of this station and more particularly on the characterization of a XUV laser plasma amplifier. The experimental study relates to the coupling improvement of the pump infra-red laser with plasma within the framework of the transient collisional XUV laser generation. These XUV lasers are generated in a plasma formed by the interaction of a solid target and a laser pulse of approximately 500 ps duration, followed by a second infra-red laser pulse known as of pump (~5 ps) impinging on the target in grazing incidence. For the first time, a complete parametric study was undertaken on the influence of the grazing angle on the pumping of the amplifying medium. One of the results was to reach very high peak brightness about 1 x 10^{28} ph/s/mm²/mrad²/(0.1% bandwidth), which compares well with the free electron laser brightness. Moreover, we modified then used a new two-dimensional hydrodynamic code with adaptive mesh refinement in order to understand the influence of the space-time properties of the infra-red laser on the formation and the evolution of the amplifying plasma. Our modelings highlighted the interest to use a super Gaussian transverse profile for the line focus leading to an increase in a factor two of the gain region size and a reduction of the electron density gradient by three orders of magnitude. These improvements should strongly increase the energy contained in XUV laser beam. The knowledge improvement of materials physic or biomolecules behaviour will benefit from the tool that the XUV laser radiation field is on the way to become. We thus used XUV laser to study the appearance of transient defects produced by a laser IR on a beam-splitter rear side. We also began research on the mechanisms of DNA damage induced by a very intense XUV radiation.; Les progrès réalisés tant sur les chaînes laser infrarouges, que dans la maîtrise et la compréhension des sources X-UV pompées par laser ont permis la construction d'une station laser X-UV dédiée aux applications à l'Université Paris XI. Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de cette station et plus particulièrement sur la caractérisation d'un amplificateur plasma laser X-UV.L'étude expérimentale concerne l'amélioration du couplage du laser infrarouge de pompe avec le plasma dans le cadre de la génération d'un laser X-UV en régime collisionnel transitoire. Ces lasers X-UV sont générés dans un plasma formé par l'interaction d'une cible solide et d'une impulsion laser d'environ 500 ps de durée, suivie d'une seconde impulsion laser infrarouge dite de pompe (~5ps) arrivant sur la cible en incidence rasante. Pour la première fois, une étude paramétrique complète a été entreprise sur l'influence de l'angle de rasance sur la création du milieu amplificateur. Un des résultats de cette étude a été d'atteindre des brillances pics très élevées de l'ordre de 1 x 10^{28} photons/s/mm²/mrad²/(0.1%bandwidth), comparables aux brillances des lasers à électron libres. De plus, nous avons modifié puis utilisé un nouveau code hydrodynamique bidimensionnel eulérien à mailles raffinées dynamiquement au cours du temps (AMR) afin de comprendre l'influence des propriétés spatio-temporelles du laser infrarouge sur la formation et l'évolution du plasma amplificateur. Nos modélisations ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser un profil super gaussien pour la ligne focale produisant une augmentation d'un facteur deux de la dimension de la zone de gain et une réduction des gradients de densité detrois ordres de grandeur. Ces améliorations devraient accroître fortement l'énergie contenue dans le faisceau laser X-UV.L'amélioration de la connaissance de la physique des matériaux ou des biomolécules tirera profit de l'outil que le rayonnement laser dans le domaine X-UV est en passe de devenir. Nous avons ainsi utilisé le laser X-UV pour étudier l'apparition de défauts transitoires produits par un laser IR en face arrière d'un miroir. Nous avons aussi débuté des recherches sur les mécanismes d'endommagement de l'ADN lors de son irradiation par un rayonnement X-UV très intense.

This PhD dissertation is a theoretical and numerical study on the high energy ion acceleration in laser created plasma expansion. The ion beams produced on the rear side of an irradied foil reveal some characteristics (laminarity, low divergence, wide spectra) which distinguinsh them from the ones coming from the front side. The discovery of these beams has renewed speculation for applications such as protontherapy or proton radiography. The ion acceleration is performed via a self-consistent electrostatic field due to the charge separation between ions and hot electrons. In the first part of this dissertation, we present the fluid theoretical model and the hybrid code which simulates the plasma expansion. The numerical simulation of a recent experience on the dynamic of the electric field by proton radiography validates the theoritical model. The second part deals with the inuence of an initial ion density gradient on the acceleration efficiency. We establish a model which relates the plasma dynamic and more precisely the wavebreaking of the ion flow. The numerical results which predict a strong decrease of the ion maximum energy for large gradient length are in agreement with the experimental data. The Botzmann equilibrium for the electron assumed in the first part has been thrown back into doubt in the third part. We adopt a kinetic description for the electron. The new version of the code can mesure the Boltzmann law deviation which does not strongly modify the maximum energy that can reach the ions., Cette thèse constitue une étude théorique et numérique sur l'accélération d'ions à haute énergie dans l'expansion d'un plasma créé par laser. Les faisceaux d'ions émis en face arrière d'une cible irradiée présentent des caractéristiques (laminarité, faible divergence, largeur des spectres) qui les distinguent de ceux provenant de la face avant. Ces caractéristiques ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que la protonthérapie ou la radiographie de protons. L'accélération des ions s'effectue via un champ électrostatique auto-consistant résultant de la séparation de charges entre les ions et les électrons chauds. La première partie du mémoire présente le modèle théorique fluide ainsi que le code de simulation hybride décrivant l'expansion du plasma. La modélisation numérique d'une récente expérience de sondage du champ d'expansion par faisceaux de protons permet de valider le modèle exposé. L'influence d'un gradient initial de densité sur l'efficacité de l'accélération est abordée dans le seconde partie. Nous établissons un modèle qui retrace la dynamique du plasma et plus particulièrement le déferlement du flot ionique. Les réseaux de courbes qui prévoient une nette dégradation de l'énergie maximale des protons pour de grandes longueurs de gradient sont en accord avec les résultats expérimentaux. L'hypothèse d'un équilibre de Boltzmann électronique, supposé dans le modèle guide, est remise en cause dans la troisième partie où les électrons suivent une description cinétique. La nouvelle version du code permet d'évaluer l'écart à la loi de Boltzmann, qui ne modifie pas cependant de manière significative l'énergie maximale acquise par les ions.

This PhD. dissertation is an experimental study in the context of laser-plasma interaction in the relativistic regime. The coupling of the laser to the plasma causes numerous nonlinear phenomena such as relativistic self-focusing, Raman instabilities, wakefield generation and the breaking of plasma waves. In this self-modulated laser wakefield regime, these effects combine and accelerate background plasma electrons to relativistic velocities. In the first part of the dissertation, nonlinear effects are studied. A new method based on chirped laser pulses allowed us to measure the dynamics of Raman instabilities. The results show that backward Raman scattering occurs at the front of the pulse while forward Raman scattering occurs at the back. In addition, laser self-focusing was studied using shadowgraphy. The results show that the laser power is not the only important parameter for self-focusing: the laser pulse duration must be compared to plasma particle motion times: $\omega_p^{-1}$ for electrons and $\omega_{pi}^{-1}$ for ions. In particular, when the pulse duration is too short, relativistic self-focusing does not occur. The second part of the dissertation discusses the production of a relativistic electron source (0 à 70 MeV) using a 10 Hz laser (35 fs, 600 mJ). This bright ($10^{10}$ electrons) electron source was characterized experimentally: it has a Maxwell-like velocity distribution and is potentially short(, Cette thèse constitue une étude experimentale qui s'inscrit dans le cadre de l'interaction laser-plasma en régime relativiste. Le couplage du laser au plasma provoque l'apparition de nombreux phénomènes nonlinéaires tels que l'autofocalisation relativiste, les instabilités Raman, l'excitation et le déferlement d'ondes plasma. Dans ce régime dit du ``sillage automodulé'', ces effets se combinent et aboutissent à l'accélération des électrons du plasma à des vitesses relativistes. Dans une première partie, les effets nonlinéaires ont d'abord été étudiés. Une méthode originale utilisant des impulsions laser à dérive de fréquence a permis de mesurer la dynamique temporelle des instabilités Raman. Les résultats ont montré que l'instabilité Raman arrière a lieu sur le front montant de l'impulsion et que le Raman avant est plutôt situé en queue d'impulsion. L'autofocalisation a également été étudiée à l'aide d'un diagnostic d'ombroscopie. Les résultats ont montré que la puissance n'est pas le seul paramètre régissant l'autofocalisation: la durée de l'impulsion laser doit être comparée au temps de mouvement des particules dans le plasma: $\omega_p^{-1}$ pour les électrons et $\omega_{pi}^{-1}$ pour les ions. En particulier, lorsque la durée d'impulsion est trop courte, l'autofocalisation relativiste n'a pas lieu. Dans une deuxième partie, on discute de la production d'une source d'électrons relativistes (0 à 70 MeV) à partir d'un laser à 10 Hz (35 fs, 600 mJ). Cette source d'électrons brillante ($10^{10}$ électrons), à spectre Maxwellien et potentiellement courte (

This PhD. dissertation is an experimental study in the context of laser-plasma interaction in the relativistic regime. The coupling of the laser to the plasma causes numerous nonlinear phenomena such as relativistic self-focusing, Raman instabilities, wakefield generation and the breaking of plasma waves. In this self-modulated laser wakefield regime, these effects combine and accelerate background plasma electrons to relativistic velocities. In the first part of the dissertation, nonlinear effects are studied. A new method based on chirped laser pulses allowed us to measure the dynamics of Raman instabilities. The results show that backward Raman scattering occurs at the front of the pulse while forward Raman scattering occurs at the back. In addition, laser self-focusing was studied using shadowgraphy. The results show that the laser power is not the only important parameter for self-focusing: the laser pulse duration must be compared to plasma particle motion times: $\omega_p^{-1}$ for electrons and $\omega_{pi}^{-1}$ for ions. In particular, when the pulse duration is too short, relativistic self-focusing does not occur. The second part of the dissertation discusses the production of a relativistic electron source (0 à 70 MeV) using a 10 Hz laser (35 fs, 600 mJ). This bright ($10^{10}$ electrons) electron source was characterized experimentally: it has a Maxwell-like velocity distribution and is potentially short(

In the context of inertial confinement fusion (ICF), optical smoothing is a technique used to obtain the most homogeneous laser irradiation possible, by modifying the temporal and spatial coherence properties of the laser beams. The use of optical smoothing is a necessity on high-power lasers such as the Laser Mégajoule (LMJ) to limit the development of parametric instabilities resulting from laser-plasma interaction, and among them, stimulated Brillouin backscattering (SBS). These instabilities lead to target irradiation defects and can also be a source of damage in the optical lines. However, these techniques can lead to other problems in the laser lines, such as the conversion of phase modulation to amplitude modulation (FM-to-AM), which is harmful to the proper conduct of the experiments and can also damage the laser optics.It is therefore a necessity to find a compromise around optical smoothing. The evolution of the smoothing compromise is however complicated because the quantification of gains and losses is very difficult to establish. Thus, as long as quantification is not done, the compromise does not evolve: the laserist always wants less smoothing and the experimentalist always more smoothing, but neither of them can bring enough quantitative elements to tip the balance. This thesis therefore proposes to lay the first groundwork for reaching this compromise for the LMJ, using theoretical and numerical studies.We carefully compare longitudinal (LSSD) and transverse (TSSD) smoothing by spectral dispersion in an ideal smoothing configuration for each case. With 3D codes, we simulated SBS in a gold plasma, typical of ICF experiments and favourable to the development of SBS. We show that, contrary to popular belief, the temporal evolution of SBS shows some differences between the two smoothing schemes. First, the asymptotic values of saturation levels are not quite the same. With a simple description using light rays and the calculation of the SBS gain for each ray, we were able to explain this difference. In addition, the dynamics of SBS are also somewhat different. We have shown that the SBS dynamics is determined by the temporal evolution of the properties of the hot-spots and in particular by the effective interaction length between the Brillouin backscattered light and the hot-spots. This effective interaction length depends on both the longitudinal velocity and the length of the hot-spots. Indeed, the synchronization of the effective interaction lengths of the two smoothing schemes also synchronizes the growth of the backscatter curves before saturation.We also show that it is possible to change the smoothing parameters of the LMJ by illustrating a new way to reduce the FM-to-AM conversion inevitably present in high-power lasers. By splitting the total spectrum usually used by a quadruplet (grouping of 4 beams) into two parts of smaller identical spectra on the left and right beams, the FM-to-AM conversion is significantly reduced from 30% to 5% while maintaining the smoothing performance for SBS. We have also shown that the resulting coherence time of the laser has no effect on the maximum level of SBS achieved. Similarly, the impact of these developments on other instabilities such as stimulated Raman scattering or crossed beam energy transfer will also need to be investigated.; Dans le contexte de la fusion par confinement inertiel (FCI), le lissage optique est une technique utilisée pour obtenir une irradiation laser aussi homogène que possible, en modifiant les propriétés de cohérence temporelle et spatiale des faisceaux laser. L'utilisation du lissage optique est une nécessité sur les lasers de puissance comme le Laser MégaJoule (LMJ) pour limiter le développement des instabilités paramétriques issues de l'intéraction laser-plasma, et parmi elles, la rétrodiffusion Brillouin stimulée (RBS). Ces instabilités entraînent des défauts d'irradiation sur cible et peuvent aussi être une source d'endommagement dans la chaîne optique. Cependant ces techniques peuvent entraîner d'autres problèmes au niveau de la chaîne laser, tels que la conversion de modulation de phase en modulation d'amplitude (FM-AM), néfastes au bon déroulement des expériences et pouvant également endommager les chaînes laser.On comprend donc qu'il est nécessaire de trouver un compromis autour du lissage optique. L’évolution du compromis du lissage est cependant compliquée car la quantification des gains et des pertes est très difficile à établir. Ainsi, tant que la quantification n’est pas faite, le compromis n’évolue pas : le lasériste souhaite toujours moins de lissage et « l’expérimentateur » toujours plus de lissage mais aucun des deux ne peut apporter suffisamment d’éléments quantitatifs pour faire pencher la balance. Cette thèse propose donc de poser les premières briques permettant d'arriver à ce compromis pour le LMJ, à l'aide d'études théoriques et numériques.Nous comparons soigneusement le lissage longitudinal (LSSD) et transversal (TSSD) par dispersion spectrale dans une configuration de lissage idéale pour chaque cas. Avec des codes 3D, nous avons simulé la RBS dans un plasma d'or, typique des expériences de FCI et favorable au développement de la RBS. Nous montrons que, contrairement aux idées reçues, l'évolution temporelle de la RBS présente certaines différences entre les deux systèmes de lissage. Premièrement, les valeurs asymptotiques des niveaux de saturation ne sont pas tout à fait les mêmes. Avec une simple description des rayons et le calcul du gain RBS pour chaque rayon, nous avons pu expliquer cette différence. En outre, la dynamique de la RBS est également quelque peu différente. Nous avons montré que la dynamique RBS est déterminée par l'évolution temporelle des propriétés des surintensités et en particulier par la longueur d'interaction effective entre la lumière rétrodiffusée Brillouin et les points chauds. Cette longueur d'interaction effective dépend à la fois de la vitesse longitudinale et de la longueur des points chauds. En effet, la synchronisation des longueurs d'interaction effectives des deux schémas de lissage synchronise également la croissance des courbes de rétrodiffusion avant saturation.Nous montrons, également qu'il est possible de faire évoluer les paramètres de lissage du LMJ en illustrant une nouvelle façon de réduire la conversion FM-AM inévitablement présente dans les lasers de forte puissance. En répartissant le spectre total habituellement utilisé par un quadruplet (regroupement de 4 faisceaux), en deux parties de spectres identiques plus petits sur les faisceaux de gauche et de droite, la conversion FM en AM est considérablement réduite de 30% à 5% tout en maintenant la performance de lissage pour la RBS. Nous avons également montré que le temps de cohérence qui en résulte n'a aucun effet sur le niveau maximal de RBS atteint. De la même façon, il faudra étudier l'impact de ces évolutions sur d'autres instabilités telles que le diffusion Raman stimulée ou le transfert d'énergie par croisement de faisceaux.

Inertial confinement fusion by laser requires smoothed laser beam with well-controlled coherenceproperties. Such beams are made of many randomly distributed intensity maxima: the so-called speckles.As the laser beam propagates through a plasma its temporal and spatial coherence can be reduced.This phenomenon is called plasma induced smoothing. For high laser intensities, instabilities developpingindependently inside the speckles are responsible for the coherence loss. At lower intensities, onlycollective effects, involving many speckles, can lead to induced smoothing. This thesis is a theoretical,numerical and experimental study of these mecanisms.Accounting for the partially incoherent behavior of the laser beams requires the use of statisticaldescription of the laser-plasma interaction. A model is developped for the multiple scattering of thelaser light on the self-induced density perturbations that is responsible for a spreading of the temporaland spatial spectra of the transmitted light. It also serves as a strong seed for the instability of forwardstimulated Brillouin scattering that induces both, angular spreading and red-shift of the transmittedlight. A statistical model is developped for this instability. A criterium is obtained that gives a laserpower (below the critical power for lamentation) above which the instability growth is important.Numerical simulations with the interaction code PARAX and an experiment performed on the ALISElaser facility conrm the importance of these forward scattering mecanisms in the modication of thelaser coherence properties.; La fusion inertielle par laser requiert l'utilisation de faisceaux lissés aux propriétés de cohérence contrôlables. Ces faisceaux contiennent une multitude de surintensités : les speckles. Lors de leur propagation dans un plasma, les propriétés de cohérence de ces faisceaux peuvent être modifiées, on parle de lissage par plasma. A haute intensité, des instabilités se développant au sein même des speckles induisent la perte de cohérence. A plus basse intensité, des mécanismes collectifs mettant en jeu plusieurs speckles sont responsable du lissage induit. Cette thèse constitue une étude théorique, numérique et expérimentale de ces mécanismes. La prise en compte du caractère incohérent des faisceaux laser requiert l'utilisation d'outils statistiques pour décrire l'interaction laser-plasma. Un modèle est développé pour la diffusion multiple de l'onde laser sur les fluctuations de densité induites par l'ensemble des speckles. Cette diffusion est responsable d'un élargissement du spectre spatial et temporel de l'onde laser. Elle sert de germe à l'instabilité de diffusion Brillouin stimulée vers l'avant, laquelle induit à la fois un élargissement spectral et un décalage vers le rouge de la lumière transmise. Un modèle analytique est développé pour cette instabilité. Un nouveau critère est établi qui détermine une puissance (sous la puissance critique pour la filamentation) au delà de laquelle cette instabilité croît fortement. Des simulations numériques réalisées avec le code PARAX est une expérience réalisée sur le laser ALISE confirment la présence importante de ces mécanismes de diffusion vers l'avant à basse intensité et leur rôle dans le lissage induit par plasma.

This thesis concerns magnetic fields, generated by the interaction between strong laser pulse (intensity up to1018 W/cm2) and solid target, and their effects on the fast electron beam. Indeed, the various magnetic fields created during this interaction can inuence the divergence of the fast electron beam. The magnetic field createdduring this interaction have a fundamental role on the fast electron beam characteristics : its source and its transportin the material. Diagnotics of polarimetry and crossed interferometry were developed during this thesis to observethe on-surface magnetic field of the target, and in particular, their spatial and temporal evolutions. Two types oftemporal evolution of the magnetic field were observed according to the contrast in intensity of the laser pulse : afast rise of magnetic field followed by a slower decrease created by the travel of the fast electrons in the material,and a slower growth of logarithmic form created by the pre-pulse of the laser by thermoelectric effect. The interpretation of our results obtained by these diagnotics allowed us to estimate the resistivity of the plasma.This resistivity named "anomalously high resistivity" in the literature can be explained by taking into account theinuence of the magnetic field on the electrons transport (creation of an anisotropy) and thus on the resitivity.The last diagnotic allowing the estimation of the magnetic field detailed in this thesis is the proton deectometry. itallows to observe the deviation of a proton beam during its propagation under the inuence of electric and magneticfields. Other experiments were focused on the fast electron beam divergence. Two main diagnotics were used : the K α imaging and the coherent transition radiation (C.T.R) imaging at the rear side of solid targets. These diagnoticsallowed to estimate the fast electron beam divergence for two distinct energetic electron populations. The differenceof divergence coming from characteristics of both diagnotics (electrons in charge of the emissions in different energies). The diagnotics of on-surface magnetic fields of target irradiated by intense laser, such as the technics of polarimetry and crossed interferometry developed in this thesis, are dedicated to be combined with diagnotics determining the evolution of the radial size of the fast electron beam generated by the laser-matter interaction. Their simultaneous use, and the correlation between their respective data, should allow to establish experimentally, in the short term, the inuence of the on-surface magnetic fields on the fast electron beam initial characteristics, in particular the angular and energy distributions. Our results of polarimetry on the spatio-temporal evolution of the magnetic fields of surface establish the state of the art for this type of measures. There are possible improvements, in particular as regards their use in conditions of irradiation by lasers of intensities > 1018 W/cm2. These perspectives are also the object of discussions in this manuscript.; Cette thèse porte sur la caractérisation des champs magnétiques générés par l'interaction entre un laser d'intensité de 1017 W/cm2 à 1018 W/cm2 et de cibles solides, et leurs effets sur le faisceau d'électrons chauds. En effet, les différents champs magnétiques créés lors de cette interaction ont un rôle fondamental sur les caractéristiques du faisceau d'électrons chauds : sa source et son transport dans la matière. Des diagnostics de polarimétrie et d'interférométrie croisée ont été développés lors de cette thèse pour observer le champ magnétique en surface de la cible irradiée par laser et en particulier leurs évolutions spatiale et temporelle. Deux différents régimes ont été observés selon le contraste en intensité de l'impulsion laser : un possédant une montée rapide de champ magnétique suivie d'une décroissance plus lente créées par le déplacement des électrons chauds dans la matière, et un possédant une croissance plus lente de forme logarithmique créée par la pré-impulsion du laser par effet thermoélectrique. L'interprétation de nos résultats obtenues par ces diagnostics ont permis d'évaluer la résistivité du plasma. Cette résistivité nommée anormale dans la littérature se comprend en estimant l'influence du champ magnétique sur l'anisotropie du transport des électrons et donc sur la résistivité. Le dernier diagnostic permettant l'estimation du champ magnétique détaillé dans cette thèse est la déflectométrie protonique. Elle permet d'observer la déviation d'un faisceau de protons lors de sa propagation sous l'effet de champs électrique et magnétique. D'autres expériences se sont focalisées sur la divergence de ce faisceau d'électrons. Deux diagnostics principaux ont été utilisés : l'imagerie K α et l'imagerie du rayonnement de transition cohérente (C.T.R.) en face arrière de cibles.

Since the last ten years, the Ultra High Intensity Lasers o er the opportunity to produce accelerated particle beams which contain more than 1012 electrons, protons accelerated into a few ps. We have simulated and developed some diagnostics based on nuclear activation to characterize both the angular and the energy distributions of the particle beams produced with intense lasers. The characterization methods which are presented are illustrated by means of results obtained in di erent experiments. We would use the particle beams produced to excite nuclear state in a plasma environment. It can modify intrinsic characteristics of the nuclei such as the half-life of some isomeric states. To prepare this kind of experiments, we have measured the nuclear reaction cross section (°,n) to produce the isomeric state of the 84Rb, which has an excitation energy of 463 keV, with the electron accelerator ELSA of CEA/DIF in Bruyères-le-Châtel., Les lasers de puissance permettent depuis une dizaine d'années de produire des faisceaux de particules accélérées dans lesquels quelques 1012 électrons, protons sont accélérés en quelques ps. Nous avons simulé et développé des diagnostiques, utilisant l'activation nucléaire, pour qualifier les distributions angulaire et en énergie des faisceaux de particules générés. Les techniques de caractérisation sont présentées et illustrées à l'aide des résultats obtenus dans différentes expériences réalisées auprès des lasers de puissance. Nous envisageons d'utiliser ces faisceaux pour exciter des états nucléaires dans des environnements plasma. Celui-ci peut en effet influencer des caractéristiques intrinsèques du noyau comme la durée de vie de certains états isomériques. Dans le cadre de la préparation de telles expériences, nous avons mesuré la section efficace de la réaction (g,n) permettant de produire l'état isomérique du 84Rb à 463 keV d'énergie d'excitation, à l'aide de l'accélérateur ELSA du CEA/DIF de Bruyères-le-Châtel.

The Shock Ignition (SI) scheme is a promising approach to obtaining energy on alarge scale. However, this scheme needs ablation pressures in the range of 300-400Mbar to reach ignition. The objective of this thesis is therefore to better understandthe underlying physics of high pressure generation by energetic electrons in a regimeof intensity between one and ten petawatt per cm2. In this thesis, a model hasbeen established for calculating the shock pressure generated by hot electrons andthe time of its formation for an arbitrary electron energy distribution and plasmadensity profile. It is shown that a broader electron energy distribution leads to amore homogeneous energy deposition which implies a longer shock time formationand a reduction of the shock strength. These consequences should be taken intoaccount in shock ignition target design. The extension of this model to the case ofa inhomogeneous plasma shows that the low density corona decreases fast electrons energy and then the amount of energy deposited in the compressed target. This leads to a reduction of the time needed for the shock formation, of the shock pressure and the energy invested in the shock. This theoretical model allows us to interpret the experiment performed in spherical geometry on the OMEGA laser facility. The comparison between numerical simulations and experimental results allow us to characterize the electron source as well as shock pressure and dynamic. Finally, we propose a preliminary design of an experiment to explore the hot electron role in shock generation in planar geometry on the LMJ-PETAL laser facility.; Le schéma d'allumage par choc est une approche prometteuse pour obtenir de l'énergie à grande échelle. Cependant, ce schéma requière des pressions d'ablation laser de l'ordre de 300-400 Mbar pour atteindre l'allumage. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la physique sous-jacente de la génération de ces pressions très élevées par les mécanismes du transport de l'énergie par les électrons énergétiques dans un régime d'intensité laser entre un et dix petawatt par cm2. Au cours de cette thèse il a été établi un modèle permettant de calculer la pression du choc induit par les électrons chauds et le temps de sa formation pour une distribution en énergie d'électrons et un profil de densité de plasma arbitraire. Nous montrons que la distribution en énergie d'électrons plus étendue conduit à un dépôt en énergie plus homogène ce qui implique un temps de formation du choc plus long et une diminution de la force du choc. Ces conséquences sont à prendre en compte pour le design des cibles pour l'allumage par choc. L'extension de ce modèle au cas d'un plasma inhomogène montre que la couronne de faible densité diminue l'énergie des électrons rapides et donc la quantité d'énergie déposée dans la cible comprimée. Ceci conduit à une réduction du temps nécessaire à la formation du choc, de la pression du choc et de l'efficacité de la conversion de l'énergie des électrons vers l'onde de choc. Ce modèle théorique nous permet d'interpréter l'expérience de la génération d'un choc sphérique sur l'installation laser OMEGA. Grâce à la comparaison des simulations numériques d'un tir représentatif aux résultats expérimentaux nous avons caractérisé la source d'électrons ainsi que la pression et la dynamique du choc. Enfin, nous proposons un design préliminaire de l'expérience sur le rôle des électrons chauds dans la création d'un choc plan sur l'installation LMJ-PETAL.