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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 results derived in this thesis are part of a long-term research activity on the kinetic description of nonlinear electron electron plasma waves (EPW) growing at a rate much smaller than the plasma frequency. EPW's resulting from stimulated Raman scattering (SRS) in laser fusion experiments are such slowly growing waves, and laser-plasma interaction in such experiments are one of the main motivation of the work presented in this dissertation. Thanks to the results derived in this thesis, the EPW's nonlinear properties may be now described from the moment when theses waves grow from thermal noise up to the time when they break. Indeed, we provided a self-consistent derivation of the nonlinear electron distribution function, the nonlinear frequency shift of the wave, and of its scalar and vector potentials. From the knowledge of the latter quantity we could derive the magnetic generated by the nonlinear EPW, which is therefore not electrostatic. Moreover, we showed that no solution to the nonlinear dispersion relation could exist beyond a maximum amplitude, which allowed us to derive an upper for the wave breaking limit. This result, together with that on the nonlinear frequency shift, were used in a code based on a nonlinear ray tracing to simulate SRS. This allowed us to derive very accurately, and about 10⁷ times faster than with a Particle In Cell code, the EPW transverse spectrum, when this wave resulted from the SRS of laser wave focused inside the plasma. Finally, we addressed the stability of the wave we described theoretically. We first solved, for the first time, the exact theory for the trapped particles instability. For a smooth enough distribution function, we showed that the spectrum of unstable modes derived theoretically was in very good agreement with that derived from kinetic simulations using a Vlasov code. Moreover, we pointed out the difficulty to address, both theoretically and numerically, the stability of a very slowly growing wave, because of the abrupt variations of the distribution function close to the separatrix. This let conclude on the future research activity to pursue in order to overcome this difficulty.; Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans un effort à long terme sur la description cinétique des ondes plasma électroniques (EPW), croissant à un taux beaucoup plus petit que la fréquence plasma. C'est le cas des ondes créées par diffusion Raman stimulée (SRS) dans les expériences de fusion par confinement inertiel, l'étude de l'interaction laser-plasma dans de telles expériences étant une des motivations premières de la thèse. Grâce aux résultats que nous avons obtenus, couplés à ceux de précédents travaux, nous pouvons désormais décrire complètement, et de manière très précise, les propriétés d'une onde plasma électronique créée par SRS, depuis le moment où elle croît à partir du bruit thermique jusqu'au moment où elle se brise. Nous avons ainsi calculé de manière auto-cohérente la fonction de distribution électronique, le décalage non linéaire en fréquence de l'onde plasma, ainsi que ses potentiel scalaire et vecteur. La connaissance de cette dernière quantité nous a permis de déduire le champ magnétique créé par une onde plasma non linéaire, qui n'est donc pas purement électrostatique. De plus, en montrant que la relation de dispersion non linéaire n'admettait pas de solution au-delà d'une certaine amplitude, nous avons pu donner une borne supérieure à la limite de wave breaking pour une onde plasma électronique. Les résultats obtenus sur le décalage en fréquence non linéaire et sur la limite de wave breaking ont été utilisés pour simuler la SRS à l'aide d'un code basé sur un tracé de rayons non linéaire. Cela nous a permis de calculer très précisément, et environ 10⁷ fois plus vite qu'avec un code Particle In Cell, le spectre des modes transverses de l'EPW, dans le cas où elle résultait de la SRS d'une onde laser focalisée dans le plasma. Enfin, dans un dernier temps, nous avons étudié la stabilité des ondes plasma que nous avons décrites. Nous avons tout d'abord résolu, pour la première fois, la théorie exacte de l'instabilité des particules piégées. Nous avons montré que, dans le cas d'une fonction de distribution lisse, le spectre des modes instables calculé théoriquement était en excellent accord avec celui déduit de simulations cinétiques de type Vlasov. De plus, nous avons mis en évidence la difficulté de traiter, à la fois théoriquement et numériquement, le cas d'ondes croissant très lentement, à cause de la variation abrupte de la fonction de distribution électronique près de la séparatrice. Nous indiquons alors les pistes de recherche à poursuivre pour surmonter cette difficulté.

The aim of inertial confinement fusion is the production of energy by the fusion of thermonuclear fuel (deuterium-tritium) enclosed in a spherical target due to its implosion. In the direct-drive approach, the energy needed to spark fusion reactions is delivered by the irradiation of laser beams that leads to the ablation of the outer shell of the target (the so-called ablator). As a reaction to this ablation process, the target is accelerated inwards, and, provided that this implosion is sufficiently strong a symmetric, the requirements of temperature and pressure in the center of the target are achieved leading to the ignition of the target (fusion). One of the obstacles capable to prevent appropriate target implosions takes place in the ablation region where any perturbation can grow even causing the ablator shell break, due to the ablative Rayleigh-Taylor instability. The ablative Rayleigh-Taylor instability has been extensively studied throughout the last 40 years in the case where the density/temperature profiles in the ablation region present a single front (the ablation front). Single ablation fronts appear when the ablator material has a low atomic number (deuterium/tritium ice, plastic). In this case, the main mechanism of energy transport from the laser energy absorption region (low density plasma) to the ablation region is the electron thermal conduction. However, recently, the use of materials with a moderate atomic number (silica, doped plastic) as ablators, with the aim of reducing the target pre-heating caused by suprathermal electrons generated by the laser-plasma interaction, has demonstrated an ablation region composed of two ablation fronts. This fact appears due to increasing importance of radiative effects in the energy transport. The linear theory describing the Rayleigh-Taylor instability for single ablation fronts cannot be applied for the stability analysis of double ablation front structures. Therefore, the aim of this thesis is to develop, for the first time, a linear stability theory for this type of hydrodynamic structures.

Laser direct-drive inertial confinement fusion (ICF) aims at imploding a deuterium-tritium target with a large number of laser beams in order to create nuclear fusion reactions. To minimize the fuel ablation, the target is coated with a plastic layer (usually polystyrene which is a dielectric material), named ablator, which its thickness is about several tens of micrometers. The implosion is optimized with the spatial and temporal shaping of the laser pulse, in particular with a pre-pulse which the duration is about one hundred of picoseconds. However, the interaction between this pre-pulse and the ablator can create spatial inhomogeneities of density and pressure at the surface of the ablator (this is the so-called laser imprint process) leading to Rayleigh-Taylor instabilities lowering the efficiency of the target implosion. In particular, it has been shown experimentally that the initial solid state of the ablator can amplify these inhomogeneities. In addition, the hydrodynamic radiative codes dedicated to ICF simulation assume that the target, including the ablator, is in a plasma state initially.The goal of this thesis is thus to model the transition from the solid state to the plasma state of a polystyrene ablator induced by a laser pre-pulse caracteristic of ICF. To do so, the variations of the free electron density and the variations of electron and lattice/ion temperatures are described, including the polystyrene fragmentation. The evolution of the electron density is mainly based on photo-ionisation, impact ionisation and electron recombination. The evolution of the temperatures is driven by the laser absorption and the energy transfer from the electrons to the lattice or the ions depending on the solid or plasma state of the ablator. These two processes are due to electron collisions which are desbribed in detail. This modeling of the solid-to-plasma transition is then coupled to the Helmholtz equation through the dielectric permittivity of the ablator in order to add one spatial dimension and described the laser propagation. The cases of homogeneous ablator and foam (enabling to mitigate the laser imprint) have been studied. The results show that the caracteristic timescale of the solid-to-plasma transition is about one hundred of picoseconds which is not negligible compared the timescales of ICF. We also show that the laser energy that is transmitted at the early time could modify the internal state of the target.; La fusion par confinement inertiel (FCI) par laser en attaque directe a pour but d'imploser une cible de deutérium-tritium avec un ensemble de faisceaux laser afin de générer des réactions de fusion nucléaire. Pour minimiser l’ablation du combustible lors de l’implosion, la cible est recouverte d’une couche de plastique (généralement du polystyrène qui est un matériau diélectrique), appelée ablateur, d’une dizaine de micromètres d’épaisseur. L’implosion est optimisée par la mise en forme spatiale et temporelle de l’impulsion laser, notamment grâce à une pré-impulsion, d’une centaine de picosecondes. Cependant, l’interaction entre cette pré-impulsion et l’ablateur peut donner lieu à des inhomogénéités spatiales de densité et de pression à la surface de l’ablateur (phénomène d’empreinte laser), menant à des instabilités de Rayleigh-Taylor réduisant l’efficacité d'implosion de la cible. En particulier, il a été montré expérimentalement que l’état initial solide de l’ablateur peut amplifier ces inhomogénéités. Par ailleurs, les codes d’hydrodynamiques radiatifs dédiés à la simulation de la FCI supposent que la cible, et notamment l'ablateur, est dans un état plasma initialement.L’objectif de cette thèse est ainsi de modéliser la transition de l’état solide vers l’état plasma d’un ablateur en polystyrène induite par une pré-impulsion laser caractéristique de la FCI. Pour cela, les variations de la densité d’électrons libres, et des températures électronique et des réseau/ions lors de l’évolution de l’état de la matière ont été décrites, incluant la fragmentation du polystyrène. L’évolution de la densité électronique repose principalement sur la photo-ionisation, l’ionisation par impact, et la relaxation électronique. L’évolution des températures est régi par l’absorption laser et le transfert d’énergie des électrons vers le réseau ou les ions selon l’état solide ou plasma de l'ablateur. Ces deux processus étant dus aux collisions électroniques, elles ont été décrites en détail. Ce modèle de transition solide-plasma a ensuite été couplé à l’équation d’Helmholtz via la permittivité diélectrique de l'ablateur afin d’introduire une dimension d’espace et de décrire la propagation laser. Les cas d’un ablateur homogène et d’une mousse (permettant de minimiser l’effet d’empreinte laser) ont été étudiés. Les résultats montrent que l’échelle temporelle caractéristique de transition du solide au plasma est de l'ordre de la centaine de picosecondes, ce qui n’est pas négligeable vis-à-vis des échelles de temps de la FCI. On montre également que l’énergie laser transmise dans ces premiers instants pourrait modifier l’état interne de la cible.

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.

This thesis is dedicated to the study of turbulent mixing in flows with variable density and non-uniform transport coefficients. We use a new direct numerical simulation (DNS) code based on a two-dimensional domain decomposition, capable of taking into account variable density and diffusive contributions. At first, we consider the case of turbulence in weakly-coupled plasmas under isotropic compression, which can experience a sudden dissipation of kinetic energy due to the growth of the viscosity coefficient due to temperature increase. In this case, in addition to DNS we use a spectral model based on the Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian closure. We evidence the sensitivity of the flow dynamics to initial conditions for homogeneous isotropic turbulence and an inhomogeneous spherical turbulent layer. In the latter case, we find, also, the first hint of a sudden diffusion effect. The importance of initial conditions is also shown in the study of the variable density unstably stratified homogeneous turbulence. If the initial density contrasts are sufficiently strong, the large scales of the flow are modified with the consequent modification of the self-similar scaling laws. Finally, we consider an idealized configuration of inertial confinement fusion implosion, with both variable density and transport coefficients effects. During the compression, we evidence the competition between the plasma molecular diffusion, which is enhanced by the temperature increase, and the turbulent diffusion, which on the contrary decreases due to the increased viscous dissipation. In the last phase of the implosion, we highlight a sudden diffusion process, where compressed spherical mixing layers are quickly diffused., Cette thèse est consacrée à l’étude du mélange turbulent dans des écoulements à densité variable et à coefficients de transport non uniformes. Nous utilisons un nouveau code de simulation numérique directe (DNS) basé sur une décomposition bidimensionnelle du domaine, capable de prendre en compte la densité variable et les contributions diffusives. Dans un premier temps, nous considérons le cas de la turbulence dans les plasmas faiblement couplés en compression isotrope, qui peuvent subir une dissipation soudaine d’énergie cinétique due à la croissance du coefficient de viscosité par une augmentation de la température. Dans ce cas, en plus des DNS, nous utilisons un modèle spectral basé sur la fermeture Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian. On démontre la sensibilité de l’écoulement aux conditions initiales pour une turbulence homogène isotrope et une couche sphérique turbulente. Dans ce dernier cas, nous trouvons aussi la première indication d’un effet de diffusion soudain. L’importance des conditions initiales est également mise en évidence par l’étude de la turbulence homogène stratifiée instable à densité variable. Si les contrastes de densité initiale sont suffisamment forts, les grandes échelles de l’écoulement sont modifiées avec pour conséquence la modification des lois d’échelle des états autosemblables. Enfin, nous considérons une configuration idéalisée d’implosion de fusion par confinement inertiel, avec des effets de densité variable et des coefficients de transport. Pendant la compression, nous mettons en évidence la compétition entre la diffusion moléculaire du plasma, qui est renforcée par l’augmentation de la température, et la diffusion turbulente, qui au contraire diminue en raison de la croissance de la dissipation visqueuse. Dans la dernière phase de l’implosion, nous mettons en évidence un processus de diffusion soudaine, où les couches de mélange sphériques en compression sont rapidement diffusées.

Experimental and numerical study of the non-linear stage of the ablative Rayleigh-Taylor instability in direct drive; Le développement des instabilités hydrodynamiques lors d'une expérience de fusion par confinement inertiel représente un sévère obstacle à l'obtention des conditions nécessaires à l'allumage et l'auto-entretien des réactions thermonucléaires. Il est ainsi crucial de comprendre, modéliser et éventuellement contrôler ces instabilités. L'instabilité se développant au front d'ablation est particulièrement étudiée dans le cadre du schéma d'attaque directe, à cause notamment du phénomène d'empreinte laser. Cependant le stade fortement non-linéaire de l'instabilité de Rayleigh-Taylor au front d'ablation reste peu explore. Cette étude vise donc à analyser ce régime.Dans un premier temps, une nouvelle plateforme expérimentale est développée sur le laser National Ignition Facility (NIF) permettant l'étude de phénomènes hydrodynamiques avec plusieurs dizaines de nanosecondes d'impulsion laser. Cette plateforme est ensuite calibrée avec l'étude de la croissance d'une perturbation 2D sous l'effet de l'instabilité de Rayleigh-Taylor. Une plateforme de simulations numériques 2D est également développée sur le code hydrodynamique CHIC capable de modéliser les expériences réalisées.L'étude du régime fortement non-linéaire de l'instabilité de Rayleigh-Taylor est réalisée a partir d'une perturbation multimode 3D imprimée par laser.L'impact de la condition initiale est étudiée en utilisant un faisceau d'empreinte lisse d'une part et non lisse d'autre part. L'analyse des données de radiographie dans l'espace de Fourier et dans l'espace réel permet d'évaluer tous les différents paramètres de l'instabilité (taux de croissance linéaire, vitesses de saturation, taux de coalescence de bulles et paramètre de croissance auto-semblable ) et de comparer les mesures aux modèles existants.L'importance de la condition initiale au stade fortement non-linéaire de la perturbation est ainsi démontrée dans les résultats obtenus.

The problem of strong quasi-static magnetic field generation is a challenge in laser-plasma interaction physics. Proposed 30 years ago, the use of the laser-driven capacitor-coil scheme, which stands out for its compact design while not needing any additional pulsed power source besides the laser power, only recently demonstrated its potential.This thesis work aims at characterizing the underlying physics and at developing this scheme. We demonstrated the generation of strong quasi-static magnetic fields by laser (500 J, 1 ns-duration and ~10^17 W/cm^2 intensity) of several hundreds of Teslas and duration of 2-3 ns. The B-field space- and time-evolutions were characterized using three independent diagnostics: B-dot probes, Faraday rotation and proton-deflectometry). The characterization of the underlying physical processes involved also X-ray diagnostics of the laser-irradiated zone and optical shadowgraphy of the coil rod expansion.A novel application of externally applied magnetic fields to guide relativistic electron beam in dense matter has been carried out and the obtained results set the ground for improved high-energy-density transport in matter. Indeed, allowing sufficient time for the dense target magnetization, a factor 5 improvement of the electron energy-density flux at 50µm-depth was evidenced.Besides, the generation of high discharge currents consecutive to short laser pulse irradiation (50 J

This PhD thesis enters the field of inertial confinement fusion studies. In particular, it focuses on the equation of state tables of ablator materials synthetized on LMJ capsules. This work is indeed aims at improving the theoretical models introduced into the equation of state tables. We focused in the Mbar-eV pressure-temperature range because it can be access on kJ-scale laser facilities.In order to achieve this, we used the QEOS model, which is simple to use, configurable, and easily modifiable.First, quantum molecular dynamics (QMD) simulations were performed to generate cold compression curve as well as shock compression curves along the principal Hugoniot. Simulations were compared to QEOS model and showed that atomic bond dissociation has an effect on the compressibility. Results from these simulations are then used to parametrize the Grüneisen parameter in order to generate a tabulated equation of state that includes dissociation. It allowed us to show its influence on shock timing in a hydrodynamic simulation.Second, thermodynamic states along the Hugoniot were measured during three experimental campaigns upon the LULI2000 and GEKKO XII laser facilities. Experimental data confirm QMD simulations.This study was performed on two ablator materials which are an undoped polymer CHO, and a silicon-doped polymer CHOSi. Results showed universal shock compression properties.; Cette thèse s’inscrit dans le cadre de recherches menées sur la fusion par confinement inertiel (FCI). En particulier, l’étude proposée ici s’est concentrée sur les équations d’état tabulées de deux matériaux ablateurs synthétisés sur les capsules du Laser Mégajoule. Le but est alors de tester la modélisation théorique implémentée dans ces tables. Nous avons concentré notre étude sur un domaine restreint du diagramme de phase caractérisé par des pressions de quelques mégabars et de températures de quelques électronvolts qui peut être atteint sur des installations laser de tailles moyennes.Pour ce faire, nous nous sommes basés sur le modèle QEOS, car il est simple d’utilisation, paramétrable et donc facilement modifiable.Nous avons ensuite appliqué les méthodes de la dynamique moléculaire quantique pour générer la courbe froide et les courbes d’Hugoniot des deux matériaux étudiés. Ces calculs ont notamment mis en avant l’influence de la dissociation chimique sur la forme de ces courbes. Une comparaison avec le modèle QEOS a montré un écart important sur l’Hugoniot. Une modification de ce modèle, à travers le coefficient de Grüneisen, nous a ensuite permis de restituer les effets observés et d’étudier leurs impacts sur la chronométrie des chocs dans une capsule de FCI.Parallèlement à cette étude numérique, nous avons mesuré des états thermodynamiques le long de l’Hugoniot lors de trois campagnes sur les installations laser LULI2000 et GEKKO XII. L’utilisation de diagnostics VISAR et d’un diagnostic d’émission propre, nous a alors permis de sonder la matière sous choc. En outre, les données expérimentales ont confirmé les précédents résultats.En outre, cette étude a été réalisée sur deux matériaux ablateurs différents parmi lesquels on distingue le polymère non dopé CHO et le polymère dopé au silicium CHOSi. Elle montre un comportement universel de ces matériaux le long de l’Hugoniot.

The understanding and the control of high-power laser propagation into under-dense plasma is important to achieve inertial confinement fusion. During this process, the interaction of the laser with the plasma filling the hohlraum can lead to significant losses of laser energy which prevent ignition. Self-focusing or filamentation of the laser light is one of these phenomena which are desired to be mitigated since they also affect the uniformity of the laser illumination on the hohlraum wall.In order to improve our understanding of the laser-plasma interaction phenomena at play, we describe an experimental and numerical study involving an intense laser pulse between 1014 W.cm-2 and 1016 W.cm-2 , and which interacts with millimetric and under-dense plasma (having density of few % of the critical density). This work presents two experiments fielding a series of diagnostics aimed at well characterizing the laser propagation (Hisac camera) together with heat deposition in plasmas using Thomson scattering. Experimental results will be presented and discussed in the light of detailed simulations performed with the 3D laser propagation code Hera. In order to take into account the temperature gradients within the plasma during the laser propagation, Hera (laser propagation code) and FCI2 (radiation-hydrodynamic code) have been coupled. Besides, proton radiography has been used in order to access to electric fields. The measurements led to the implementation of a new and promising numerical tool using the Hera and Diane codes (Diane is a Monte Carlo particle tracing code). 3D proton radiography modelling opens new possibilities for users of this temporally and spatially resolved diagnostic., Dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel, la maîtrise de la propagation des faisceaux laser intenses, qui se propagent dans le plasma sous-dense d'une cavité d'ignition, reste un enjeu majeur. En effet, durant leur propagation, les faisceaux vont modifier les paramètres du plasma, ces paramètres contrôlant eux-mêmes la propagation. Cette rétroaction entre le plasma et le laser est potentiellement instable et produit de l'autofocalisation, de la filamentation, etc. Ces mécanismes peuvent alors dégrader fortement la propagation et in fine l'uniformité du dépôt d'énergie recherché.Dans cette étude, expérimentale et numérique, nous nous intéressons à la propagation d'un filament laser (tache focale d'une dizaine de micromètres, impulsion de 1,5 ns et d'intensité variant de 1014 W.cm-2 à 1016 W.cm-2) dans un milieu très sous dense (quelques pour-cents de la densité électronique critique). Deux expériences ont été réalisées sur l'installation de puissance LULI2000 et ont permis à la fois d'observer la transmission laser et de caractériser les gradients de température. Ces gradients sont produits par le transport électronique et influencent la réponse du plasma au laser. Afin de modéliser le rôle des gradients de température dans les instabilités d'auto-focalisation et de filamentation, nous avons associé un code d'hydrodynamique-radiative (FCI2) à un code détaillé de propagation (Héra). Pour compléter les observables précédentes, nous avons aussi mis en œuvre un diagnostic de déflectométrie protonique. Ce diagnostic permet de mesurer les champs électriques présents dans le plasma, ces champs étant issus du chauffage et de l'interaction laser. Un nouvel outil, associant le code de propagation laser et un code Monte-Carlo de transport de protons, a donc été mis en place pour modéliser les déflexions des protons. Cet outil ouvre en plus de nouvelles perspectives pour discuter de l'influence des effets 3D dans l'exploitation de ce diagnostic. Les résultats obtenus confirment l'intérêt à sonder les champs électriques au cœur même du plasma pendant la propagation laser.

In the framework of the inertial confinement fusion, a pellet filled with the deuterium-tritium fuel is imploded, either through laser irradiation (direct drive, laser – low atomic number target interaction) or by the black body radiation from a cavity converting the laser radiation (indirect drive, laser – high atomic number target interaction).In both cases, a correct modeling of the electron transport is of first importance in order to have predictive hydro-radiative simulations. Nonetheless, it has been shown early on that the hypothesis of the linear transport are not valid in the framework of a solid target irradiated by a high power laser (I~1014 W/cm²). This is due in part to very steep temperature gradients (kinetic effects, so-called « non-local ») and because of a magnetic field self-generated through the thermo-electric effect. Finally, the heat flux and the magnetic field are strongly coupled through two mecanisms: the advection of the field with the heat flux (Nernst effect) and the rotation and inhibition of the heat flux by the plasma's magnetization (Righi-Leduc effect).In this manuscript, we will first present the various electron transport models, particularly the non-local with magnetic field model included in the hydro-radiative code FCI2. Following, in order to validate this model, we will compare it first against a kinetic code, and then with an experiment during which the magnetic field has been probed through proton radiography. Once the model validated, we will use FCI2 simulations to explain the source and transport of the field, as well as its effect on the interaction.Finally, the reconnection of the magnetic field, during the irradiation of a solid target by two laser beams, will be studied., Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, une capsule contenant le combustible de deutérium-tritium est implosée soit par irradiation laser (attaque directe, interaction laser – cible de numéro atomique faible), soit par un rayonnement de corps noir émis par une cavité convertissant le rayonnement laser (attaque indirecte, interaction laser – cible de numéro atomique élevé).Dans les deux cas, une modélisation correcte du transport électronique est cruciale pour avoir des simulations hydro-radiatives prédictives. Cependant, il a été montré très tôt que les hypothèses d'un mécanisme de transport linéaire ne sont pas applicables dans le cadre de l'irradiation d'une cible solide par un laser de puissance (I~10^14 W/cm²). Cela est dû d'une part à des gradients de température très importants (effets cinétiques dits « non-locaux ») ainsi qu'à la présence d'un champ magnétique auto-généré par effet thermo-électrique. Enfin, le flux de chaleur et le champ magnétique sont fortement couplés au travers de deux mécanismes : le transport du champ magnétique par le flux de chaleur (effet Nernst) et la rotation et inhibition du flux de chaleur par la magnétisation du plasma (effet Righi-Leduc).Dans le présent manuscrit, nous commencerons par exposer les différents modèles de transport électronique, et en particulier le modèle non-local avec champ magnétique, implémenté dans le code hydro-radiatif FCI2. Par la suite, nous chercherons à valider ce modèle par des comparaisons avec un code cinétique, puis avec une expérience lors de laquelle le champ magnétique a été mesuré par radiographie proton. Cela fait, nous utiliserons le code FCI2 pour expliquer la source et le transport du champ, ainsi que son effet sur l'interaction.Enfin, nous étudierons la reconnexion du champ magnétique, lors de l'irradiation d'une cible par deux faisceaux lasers.

Hydrodynamic simulations in high-energy-density physics and inertial con nement fusion require a detailed description of energy uxes. The leading mechanism is the electron transport, which can be a nonlocal phenomenon that needs to be described with quasistationary and simplified Fokker-Planck models in large scale hydrodynamic codes. My thesis is dedicated to the development of a new nonlocal transport model based on a fast-moving-particles collision operator and on a first moment Fokker-Planck equation, simplified with an entropic closure relation. Such a closure enables a better description of the electron distribution function in the limit of high anisotropies, where small scale electrostatic instabilities could be excited. This new model, so called M1, is successfully compared with the well known nonlocal electron transport model proposed by Schurtz, Nicolaï and Busquet, using different collision operators, and with the reduced Fokker-Planck model, based on a small-anisotropies polynomial closure relation (P1). Several typical configurations of heat transport are considered. We show that the M1 entropic model may operate in two and three dimensions and is able to account for electron transport modifications in external magnetic fields. Moreover, our model enables to compute realistic electron distribution functions, which can be used for kinetic studies, as for the plasma stability in the transport zone. It is demonstrated that the electron energy transport may strongly modify damping of Langmuir and ion acoustic waves, while the simplified nonlocal transport models are not able to describe accurately the modifications of the distribution function and plasma wave damping. The structure of the M1 model allows to naturally take into account self-generated magnetic fields, which play a crucial role in multidimensional simulations. Moreover, magnetic fields could also be used for the focusing of energetic particles in alternative ignition schemes. The M1 model reproduces the results of the local transport theory in plasma, developed by Braginskii, in a broad range of degrees of magnetization and predicts new results in the nonlocal regime. This work constitutes a first validation of the entropic closure assumption in the weakly-anisotropic regime. It can be added to the existing tests, in the strongly-anisotropic regimes.; Les simulations hydrodynamiques pour la physique de haute densité d'énergie ainsi que pour la fusion par confinement inertiel exigent une description détaillée de flux d'énergie. Le mécanisme principal est le transport électronique, qui peut être un phénoméne non local qui doit être décrit avec des modèles de Fokker-Planck, stationnaires et simplifiés dans les codes hydrodynamiques à grande échelle. Mon travail thèse est consacré au développement d'un nouveau modèle de transport non local basé sur l'utilisation d'une méthode de fermeture entropique pour la résolution des premiers moments de l'équation de Fokker-Planck agrémentée d'un opérateur de collision dédié. Une telle fermeture permet une bonne résolution des fortes anisotropies de la fonction de distribution électronique dans les régimes où le développement d'instabilités électrostatiques à petite échelle le requiert. Ce modèle aux moments (M1) est comparé avec succès au modèle de Schurtz, Nicolaï et Busquet (SNB), référent dans le domaine du transport électronique non local. Ce modèle, basé sur l'hypothèse d'une faible anisotropie de la fonction de distribution sous-jacente induisant une relation de fermeture polynomiale (P1), utilise un opérateur de collision simplifié dont nous avons proposé une amélioration. Après avoir considéré plusieurs configurations typiques de transport de chaleur, nous avons montré que le modèle M1 ultidimensionnel peut prendre naturellement en compte des effets d'un plasmas magnétisés sur le transport électronique. De plus, ce modèle permet de calculer des fonctions de distribution utiles aux études cinétiques comme la stabilité du plasma dans la zone de transport. Nous confirmons avec notre modèle que le transport d'énergie électronique peut fortement modifier l'amortissement des ondes de Langmuir et des ondes acoustiques ; contrairement aux modèles non locaux simplifiés, M1 décrit les modifications de la fonction de distribution et l'amortissement des ondes du plasma. La structure du modèle permet également de prendre en compte naturellement des champs magnétiques autogénérés, qui jouent un rôle crucial dans des simulations multidimensionnelles. Ces champs magnétiques pourraient également être étudiés pour concentrer l'énergie dans les schémas d'ignition. Enfin, nous montrons que le modèle M1 reproduit les résultats de la théorie locale élaborée par Braginskii pour tous les niveau de magnétisation et propose de nouveaux résultats pour le régime non local. Ce travail constitue une première validation de l'utilisation des fermetures entropiques, dans les régimes de faibles anisotropies, qui va s'ajouter aux tests dans les régimes fortement anisotropes.

Laser-plasma instabilities which occur in millimetric hot plasma, typical in ICF experiments, are still a preoccupying topic because they lead to reflectivity levels higher than predicted. In this context, this work focuses on stimulated Raman scattering (SRS) through a multi-scale analysis: mono, bi and multi speckle scales. This picosecond experimental study highlights the difference between isolated and collective speckle behaviors in SRS development. A weak speckle, stable if isolated, may become unstable under the influence of SRS driven local plasma modifications generated by an intense nearby speckle: kinetic perturbations with suprathermal electrons and/or wave coupling with electromagnetic and electrostatic seeds. From set of experimental campaigns, featuring a highly spatially- and temporally-resolved Thomson-scattering diagnostic and backward Raman imaging, we evidenced and characterized this collective behavior. An experimental difference between these two kinds of perturbations was observed which lead to differentiate their contributions. In parallel, 2D PIC simulations using CALDER were performed to interpret bispeckle experimental results and in particular to understand the influence from both kinds of perturbations.; Les instabilités paramétriques qui se développent dans l’interaction laser-plasma à haute intensité dans les plasmas chauds de plusieurs millimètres typiques des expériences de FCI, entrainent des taux de rétrodiffusion importants, ce qui en fait un sujet toujours préoccupant. Les travaux de cette thèse se concentrent sur l’étude d’une des instabilités paramétriques, la diffusion Raman stimulée, dans les cas mono-, bi- et multi-speckles ou points chauds que l’on retrouve dans les taches focales des gros lasers de puissance. Cette étude expérimentale, effectuée en régime picoseconde, a établi la différence des comportements en régime isolé ou collectif de la rétrodiffusion Raman : la modification des propriétés locales du plasma induite par un point chaud intense peut rendre instable un point chaud voisin, stable vis-à-vis de l’instabilité s'il était isolé, par l'intermédiaire d’un couplage cinétique et/ou d'un couplage d'ondes. Une série d’expériences utilisant des diagnostics de diffusion Thomson à hautes résolutions spatiale et temporelle couplées avec une imagerie de la rétrodiffusion Raman a permis de mettre en évidence l'existence de ce comportement collectif, de saisir sa dynamique puis de caractériser à l’échelle picoseconde son influence dans le développement global de l'instabilité Raman en discriminant l’aspect cinétique (électrons suprathermiques) de l’aspect ondulatoire (couplage par l’intermédiaire des ondes excitées par l’instabilité).Les mesures expérimentales bispeckle ont été interprétées à l’aide de simulations particulaires 2D du code CALDER qui reproduit cette discrimination entre ces deux types de perturbations.

The Laser Mégajoule (LMJ), which should achieve energy gain in an indirect drive inertial confinement fusion configuration, is being built in France by the CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives). To achieve thermonuclear ignition, the compression of a spherical target will have to be controlled by a series of accurately timed centripetal shocks, with a finely tuned level. A first experiment, performed in 2010 on the LIL (Ligne d'Intégration Laser) facility at CEA, has allowed us to study the coalescence of two planar shocks in an indirectly-driven sample of polystyrene, within the framework of shock timing. The main objectives were to validate the experimental concept and the numerical simulations, as a proof-of-principle for future shock-timing campaigns. The main diagnostics used for this study are VISAR (Velocity Interferometer System for Any Reflection) and an optical shock breakout diagnostic, taking into account optical perturbations caused by X-rays. In another experiment, conducted on the LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses) laser facility in 2010, we studied the timing of two planar directly-driven shocks using the same diagnostics. This latter study is related to the shock ignition concept, with the long-term perspective of energy production. This thesis presents these two experiments and their results., Le Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) construit actuellement en France le Laser Mégajoule (LMJ) qui devrait permettre d'obtenir la fusion par confinement inertiel avec gain, en attaque indirecte. Afin d'atteindre l'ignition thermonucléaire, la compression d'une cible sphérique devra être contrôlée par une série de chocs centripètes dont la chronométrie et le niveau seront précisément maîtrisés. Une première expérience, menée en 2010 sur la Ligne d'Intégration Laser (LIL) au CEA, dans le cadre de la campagne de chronométrie de chocs, nous a permis d'étudier la coalescence de deux chocs plans dans une cible de polystyrène en attaque indirecte. L'objectif était de valider le concept expérimental et les simulations numériques, démontrant le principe de campagnes futures qui devront à terme permettre d'atteindre les précisions souhaitées sur les temps et les vitesses. A cette fin, nous avons mis en oeuvre des diagnostics vélocimétriques (Velocity Interferometer System for Any Reflection - VISAR) et de visualization de débouché de choc, en prenant en compte les problèmes optiques liés au rayonnement X. En parallèle une expérience menée au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) en 2010, nous a donné l'occasion d'étudier la chronométrie de deux chocs plans en attaque directe grâce aux mêmes diagnostics. Cette dernière étude se rattache au concept d'allumage par choc, dans un but, à terme, de production d'énergie. Cette thèse présente ces deux expériences, avec leurs résultats.

In the context of inertial confinement fusion we investigate effects of magnetic fields on the development in the linear regime of two hydrodynamic instabilities: Richtmyer-Meshkov instability using ideal magnetohydrodynamics and ablative Rayleigh-Taylor instability in both acceleration and deceleration stages.Direct numerical simulations with a linear perturbation code enable us to confirm the stabilizing effect of the component of the magnetic field along the perturbations wave vector. The amplitude doesn’t grow linearly in time but experiences oscillations instead. The compressibility taken into account in the code does not affect predictions given by an already existing impulsive and incompressible model.As far as Rayleigh-Taylor instability is concerned we study the effects of self-generated magnetic fields that arise from the development of the instability itself. In the acceleration stage we perform two dimensional simulations in planar geometry. We show that magnetic fields of about 1T can be generated and that the instability growth transits more rapidly into nonlinear growth with the enhancement of the development of the third harmonic. We also propose an adaptation of an existing model that aims at studying thermal conductivity anisotropy effects, to take into account the effects of the self-generated magnetic fields on the Rayleigh-Taylor instability growth rate.Finally, in the deceleration stage, we perform two dimensional simulations in cylindrical geometry that take into account self-generation of magnetic fields due to the instability development. It reveals magnetic fields of about several thousands of teslas that are not strong enough though to affect the instability behavior., Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, nous présentons une analyse des effets du champ magnétique sur le développement linéaire des instabilités de Richtmyer-Meshkov, en magnétohydrodynamique idéale d’une part, et de Rayleigh-Taylor au front d’ablation, dans les phases d’accélération et de décélération d’autre part.A l’aide d’un code linéaire de perturbation, nos simulations mono mode nous permettent de confirmer, pour l’instabilité de Richtmyer-Meshkov, la stabilisation apportée par la composante du champ magnétique parallèle au vecteur d’onde des perturbations de l’interface, dont l’amplitude oscille au cours du temps. Nous montrons que la prise en compte de la compressibilité n’apporte pas de changements significatifs par rapport au modèle impulsionnel incompressible existant dans la littérature. Dans nos simulations numériques bidimensionnelles, en géométrie plane, de l’instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase d’accélération, nous prenons en compte le phénomène d’auto-génération de champ magnétique induite par cette instabilité. Nous montrons qu’il est possible d’atteindre des valeurs de champ de l’ordre de quelques teslas et que la croissance de l’amplitude des perturbations transite plus rapidement vers un régime de croissance non-linéaire avec, notamment, un développement accru de la troisième harmonique. Nous proposons également une adaptation d’un modèle existant, étudiant l’effet d’anisotropie de conductivité thermique sur le taux de croissance de l’instabilité de Rayleigh-Taylor au front d’ablation, pour tenter de prendre en compte les effets des champs magnétiques auto-générés sur le taux de croissance de l’instabilité de Rayleigh-Taylor. Enfin, dans une étude numérique à deux dimensions, en géométrie cylindrique, nous analysons les effets des champs magnétiques auto-générés par l’instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase de décélération. Cette dernière étude révèle l’apparition de champs magnétiques pouvant atteindre plusieurs milliers de teslas sans pour autant affecter le comportement de l’instabilité de Rayleigh-Taylor.

The Laser Mégajoule (LMJ), which should achieve energy gain in an indirect drive inertial confinement fusion configuration, is being built in France by the CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives). To achieve thermonuclear ignition, the compression of a spherical target will have to be controlled by a series of accurately timed centripetal shocks, with a finely tuned level. A first experiment, performed in 2010 on the LIL (Ligne d'Intégration Laser) facility at CEA, has allowed us to study the coalescence of two planar shocks in an indirectly-driven sample of polystyrene, within the framework of shock timing. The main objectives were to validate the experimental concept and the numerical simulations, as a proof-of-principle for future shock-timing campaigns. The main diagnostics used for this study are VISAR (Velocity Interferometer System for Any Reflection) and an optical shock breakout diagnostic, taking into account optical perturbations caused by X-rays. In another experiment, conducted on the LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses) laser facility in 2010, we studied the timing of two planar directly-driven shocks using the same diagnostics. This latter study is related to the shock ignition concept, with the long-term perspective of energy production. This thesis presents these two experiments and their results., Le Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) construit actuellement en France le Laser Mégajoule (LMJ) qui devrait permettre d'obtenir la fusion par confinement inertiel avec gain, en attaque indirecte. Afin d'atteindre l'ignition thermonucléaire, la compression d'une cible sphérique devra être contrôlée par une série de chocs centripètes dont la chronométrie et le niveau seront précisément maîtrisés. Une première expérience, menée en 2010 sur la Ligne d'Intégration Laser (LIL) au CEA, dans le cadre de la campagne de chronométrie de chocs, nous a permis d'étudier la coalescence de deux chocs plans dans une cible de polystyrène en attaque indirecte. L'objectif était de valider le concept expérimental et les simulations numériques, démontrant le principe de campagnes futures qui devront à terme permettre d'atteindre les précisions souhaitées sur les temps et les vitesses. A cette fin, nous avons mis en oeuvre des diagnostics vélocimétriques (Velocity Interferometer System for Any Reflection - VISAR) et de visualization de débouché de choc, en prenant en compte les problèmes optiques liés au rayonnement X. En parallèle une expérience menée au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) en 2010, nous a donné l'occasion d'étudier la chronométrie de deux chocs plans en attaque directe grâce aux mêmes diagnostics. Cette dernière étude se rattache au concept d'allumage par choc, dans un but, à terme, de production d'énergie. Cette thèse présente ces deux expériences, avec leurs résultats.

In the field of the inertial confinement fusion ( ICF), the equation of state ( EoS) of the hydrogen and its isotopes is one of the most important properties to know. The EoS based on chemical models have difficulty in giving an unambiguous description of the hydrogen in the strong coupled and partial degenerate regime, called Warm Dense Matter ( WDM). Indeed, these models use potential with adjustable parameters to describe the many body interactions which are important in the WDM. On the other hand, the ab initio methods resolve almost exactly the quantum many body problem and are thus particularly relevant in this domain. In the first part of this thesis, we describe how we built a table of a multi-phase EoS of the hydrogen, using ab initio methods in the field of the WDM. We show in particular that this EoS is in very good agreement with most of the available experimental data (principal Hugoniot, sound velocity in the molecular fluid, melting curve at low pressure, measurements of multiple shocks). In the second part, we present a direct application of our EoS by showing its influence on the criteria of ignition and combustion of two target designs for ICF: a self-ignited target which will be used on the Laser MegaJoule ( LMJ), and a shock-ignited target. We show in particular that the optimization of the laser pulse allowing maximizing the thermonuclear energy is strongly dependent on the precision of the EoS in the strong coupled and degenerate domain., Dans le domaine de la fusion par confinement inertiel (FCI), l'équation d'état (EoS) de l'hydrogène et de ses isotopes est très certainement une des propriétés les plus importantes à connaître. Les EoS basées sur des modèles chimiques peinent à donner une description univoque de l'hydrogène dans le domaine de couplage et de dégénérescence partiels, appelé matière dense et tiède, ou Warm Dense Matter (WDM). En effets, ces modèles utilisent des potentiels ad hoc pour décrire les interactions à N corps dont les effets sont importants dans la WDM. Au contraire, les méthodes de calcul ab initio s'affranchissent de ces approximations en résolvant de manière exacte (ou presque) le problème quantique à N corps et sont donc particulièrement pertinentes dans ce domaine. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons comment nous avons construit une table d'EoS multi-phase de l'hydrogène, à partir de méthodes de calcul ab initio dans le domaine de la WDM. Nous montrons notamment que cette EoS est en très bon accord avec la plupart des données expérimentales disponibles (Hugoniot principale, vitesse du son dans le fluide moléculaire, courbe de fusion à basse pression, mesures de chocs multiples). Dans la deuxième partie, nous présentons une application directe de notre EoS en montrant son influence sur les critères d'allumage et de combustion de deux types de cibles pour la FCI : une cible auto-allumante qui sera utilisée sur le Laser MegaJoule (LMJ), et une cible destinée à l'allumage par choc. Nous montrons notamment que l'optimisation de l'impulsion laser permettant de maximiser l'énergie thermonucléaire dégagée par les cibles est fortement dépendante de la précision de l'EoS dans le domaine de couplage et de dégénérescence forts.

This thesis aims at developing an x-ray imaging system intended for the Laser Méga Joule, within the framework of Inertial Confinement Fusion (ICF) experiments. ICF aims at yielding thermonuclear energy through laser-driven fusion of a deuterium-tritium mix. The operational function of our system is to acquire an image of the 10-30 keV x-rays emitted by the maximally compressed microballoon, with spatial resolution better than 10 µm. The presented system is only a part of a complete diagnostic system, which normally includes an x-ray optical subsystem. Our system conception largely takes vulnerability into account. The ignition phase of ICF yields 1016 neutrons, with energies scaling up to 14 MeV. The neutrons generate such a hard surrounding with effects scaling down from image degradation up to instrumentation destruction. The presented system consists in a scintillator which is focused on a CCD camera through a catadioptric image transport system. An innovation work has been lead on scintillators to provide an answer to specifications greatly influenced by vulnerability. Those thesis works lead to an imaging system allowing to deport the CCD camera by 4 meters from the scintillator, with 100 µm spatial resolution in the scintillator plane. Those works have paved the way to outlooks such as enhancement of organic loaded scintillators compositions and improvement of optical relay system., L'objet de cette thèse est le développement d'un système d'imagerie X destiné à être employé sur le Laser Méga Joule, dans le cadre des expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI). La FCI consiste en la fusion par laser d'un mélange de deutérium et de tritium, afin de produire un gain d'énergie thermonucléaire. La fonction du système d'imagerie est d'imager entre 10 et 30 keV le rayonnement émis par le microballon ayant atteint sa compression maximale, avec une résolution spatiale meilleure que 10 µm. Le système proposé n'est qu'une partie d'un diagnostic complet, comprenant notamment un dispositif d'optique X. La conception de ce système tient en grande partie compte de la vulnérabilité en milieu radiatif. En phase d'allumage, la fusion du DT génère 1016 neutrons, dont la distribution d'énergie va jusqu'à 14 MeV. Ces neutrons sont à l'origine de l'ambiance radiative hostile à laquelle sera soumise le diagnostic, pouvant dégrader l'image acquise et endommager les dispositifs d'instrumentation. Le système proposé consiste en un scintillateur, imagé sur une caméra CCD par un relais catadioptrique. Un travail d'innovation a été effectué sur les scintillateurs, pour répondre aux spécifications influencées par la vulnérabilité. Les travaux de cette thèse ont abouti à un système imageur permettant un déport de la caméra CCD de 4 mètres, avec une résolution spatiale de 100 µm dans le plan du scintillateur. Des perspectives sont ouvertes, comme le développement de compositions de scintillateurs organiques chargés, ainsi que l'optimisation du relais optique.

The purpose of this work is to present some of the works undertaken at CELIA laboratory (CEA, CNRS, Université Bordeaux I) in the field of numerical modeling of highly compressible fluid flows. This activity within the team Interaction-Inertial Confinement Fusion-Astrophysics, had as main objective the development of robust numerical schemes devoted to the numerical simulation of high energy density plasma physics. This work was realized by writing the CHIC code, which is a software for designing and restoring experience in the field of Inertial Confinement Fusion (ICF). The theoretical model describing the implosion of a laser target is a system of partial differential equations in the center of which is the Euler equations written in Lagrangian formalism, coupled with diffusion equations modeling the nonlinear transport of energy by electrons and photons. In this talk, after a brief review of the physical context, we describe two novel methods which constitute the backbone of the CHIC code. These are two high-order finite volume schemes respectively dedicated to solving the equations of Lagrangian hydrodynamics and the anisotropic diffusion equations on bi-dimensional unstructured grids. The first scheme, called EUCCLHYD (Explicit Unstructured Lagrangian Hydrodynamics), solves the equations of gas dynamics on a moving mesh that moves at the speed of the fluid\cite{phm7,phm7bis}. It is obtained from a general formalism based on the concept of sub-cell forces. In this context, the numerical fluxes are expressed in terms of the sub-cell force and the nodal velocity. Their determination is based on three basic principles: geometric compatibility between the movement of nodes and the volume change of mesh (Geometric Conservation Law), compatibility with the second law of thermodynamics and conservation of total energy and momentum. The high-order extension is performed using a method based on solving a generalized Riemann problem in the acoustic approximation. The second scheme, called CCLAD (Cell-Centered Lagrangian Diffusion), solves the anisotropic heat equation. The corresponding discretization relies on a discrete variational formulation based on the sub-cell that allows to build a multi-point approximation of heat flux. This high-order discretization makes possible the resolution of the equations of anisotropic diffusion with satisfactory accuracy on highly distorted Lagrangian meshes. The accuracy and robustness of these numerical methods are demonstrated on representative test cases.; L'objet de ce travail est de présenter une partie des travaux entrepris au laboratoire CELIA (CEA, CNRS, Université Bordeaux I) dans le domaine de la modélisation numérique des écoulements fortement compressibles. Cette activité au sein de l'équipe Interaction-Fusion par Confinement Inertiel-Astrophysique, a eu pour objectif principal la mise au point et le développement de schémas numériques robustes dédiés à la simulation numérique des plasmas à haute densité d'énergie appliquée à la production d'énergie par fusion. Ces travaux se sont concrétisés par l'écriture du code CHIC (Code d'Hydrodynamique et d'Implosion du CELIA), logiciel permettant de concevoir et de restituer des expériences dans le domaine de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Le modèle théorique numérique décrivant l'implosion d'une cible laser est un système d'équations aux dérivées partielles au centre duquel on trouve les équations d'Euler écrites dans le formalisme lagrangien, couplées à des équations de diffusion non linéaires modélisant le transport de l'énergie par les électrons et les photons. Dans cet exposé, après un bref rappel du contexte physique, nous décrirons les deux méthodes originales qui constituent l'ossature numérique du code CHIC. Il s'agit de deux schémas numériques d'ordre élevé du type volumes finis dédiés respectivement à la résolution des équations de l'hydrodynamique lagrangienne et à la résolution d'équations de diffusion anisotrope sur des maillages bi-dimensionnels non-structurés. Le premier schéma, dénommé EUCCLHYD (Explicit Unstructured Lagrangian HYDrodynamics), permet de résoudre les équations de la dynamique des gaz sur un maillage mobile qui se déplace à la vitesse du fluide. Il est obtenu à partir d'un formalisme général basé sur le concept de forces de sous-mailles. Dans ce cadre, les flux numériques sont exprimés en fonction des forces de sous-mailles et de la vitesse des noeuds. Leur détermination repose sur les trois principes fondamentaux suivants : compatibilité géométrique entre le mouvement des noeuds et la variation de volume des mailles (loi de conservation géométrique), compatibilité avec le second principe de la thermodynamique et conservation de l'énergie totale et de la quantité de mouvement. L'extension de ce schéma à l'ordre deux est mise en place à l'aide d'une méthode basée sur la résolution d'un problème de Riemann généralisé dans l'approximation acoustique. Le second schéma, appelé CCLAD (Cell-Centered LAgrangian Diffusion), concerne la résolution de l'équation de la chaleur anisotrope non-linéaire. La discrétisation correspondante s'appuye sur une formulation variationnelle locale au niveau des sous-mailles qui permet de construire une approximation multi-points du flux de chaleur. Cette discrétisation d'ordre élevé rend possible la résolution des équations de la diffusion anisotrope avec une précision satisfaisante sur des maillages lagrangiens fortement déformés. La précision et la robustesse de ces méthodes numériques sont démontrées sur des cas-tests représentatifs.

In the field of the inertial confinement fusion ( ICF), the equation of state ( EoS) of the hydrogen and its isotopes is one of the most important properties to know. The EoS based on chemical models have difficulty in giving an unambiguous description of the hydrogen in the strong coupled and partial degenerate regime, called Warm Dense Matter ( WDM). Indeed, these models use potential with adjustable parameters to describe the many body interactions which are important in the WDM. On the other hand, the ab initio methods resolve almost exactly the quantum many body problem and are thus particularly relevant in this domain. In the first part of this thesis, we describe how we built a table of a multi-phase EoS of the hydrogen, using ab initio methods in the field of the WDM. We show in particular that this EoS is in very good agreement with most of the available experimental data (principal Hugoniot, sound velocity in the molecular fluid, melting curve at low pressure, measurements of multiple shocks). In the second part, we present a direct application of our EoS by showing its influence on the criteria of ignition and combustion of two target designs for ICF: a self-ignited target which will be used on the Laser MegaJoule ( LMJ), and a shock-ignited target. We show in particular that the optimization of the laser pulse allowing maximizing the thermonuclear energy is strongly dependent on the precision of the EoS in the strong coupled and degenerate domain., Dans le domaine de la fusion par confinement inertiel (FCI), l'équation d'état (EoS) de l'hydrogène et de ses isotopes est très certainement une des propriétés les plus importantes à connaître. Les EoS basées sur des modèles chimiques peinent à donner une description univoque de l'hydrogène dans le domaine de couplage et de dégénérescence partiels, appelé matière dense et tiède, ou Warm Dense Matter (WDM). En effets, ces modèles utilisent des potentiels ad hoc pour décrire les interactions à N corps dont les effets sont importants dans la WDM. Au contraire, les méthodes de calcul ab initio s'affranchissent de ces approximations en résolvant de manière exacte (ou presque) le problème quantique à N corps et sont donc particulièrement pertinentes dans ce domaine. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons comment nous avons construit une table d'EoS multi-phase de l'hydrogène, à partir de méthodes de calcul ab initio dans le domaine de la WDM. Nous montrons notamment que cette EoS est en très bon accord avec la plupart des données expérimentales disponibles (Hugoniot principale, vitesse du son dans le fluide moléculaire, courbe de fusion à basse pression, mesures de chocs multiples). Dans la deuxième partie, nous présentons une application directe de notre EoS en montrant son influence sur les critères d'allumage et de combustion de deux types de cibles pour la FCI : une cible auto-allumante qui sera utilisée sur le Laser MegaJoule (LMJ), et une cible destinée à l'allumage par choc. Nous montrons notamment que l'optimisation de l'impulsion laser permettant de maximiser l'énergie thermonucléaire dégagée par les cibles est fortement dépendante de la précision de l'EoS dans le domaine de couplage et de dégénérescence forts.

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 work concerns the study of ytterbium doped laser systems for the generation of high energy pulses with high average power, within the pint of a laser for the inertial fusion energy. Ytterbium ion have a lot of advantages for high average power applications - low quatum defect, high fluorescence lifetime, no energy transfert phenomena between electronics levels. Thus, ytterbium doped laser media are able to store highs amount of energy with a low thermal load. About the choice of the laser media, we have proposed a thermomecanical figure of merits which shows that garnets and rare earth sesquioxydes are very well suited ti high average power applications. As far as the laser amplifiers architecture is concerned, we have concluded that longitudinaly diode-pumped thin disk amplifiers cooled by the rear face are an excellent solution to achieve a good management of thermal effects. Thanks to a numeric modeling of ytterbium doped laser amplifiers, we have optimized several parameters of the laser architecture and compared differents ytterbium doped laser media. We have shown that ytterbium doped rare earth sesquioxides appears to be excellent laser media for high average power applications. Moreover, we have shown that low temperatures are a very seducing solution ti improve both thermomecanical properties of amplifiers and spectroscopic properties of ytterbium ion. Thank to a gain switched cryigenic laser cavity, we have experimentaly demonstrated that energetic performances of yttrebium doped rare earth sesquioxides are far better at low temperatures., Ces travaux de thèse concernent l'étude de systèmes laser dopés à l'ion ytterbium pour la génération d'impulsions de forte énergie et de haute puissance moyenne, dans la perspective d'un laser permettant d'envisager la production d'énergie par fusion par confinement inertiel. En ce qui concerne le choix d'une matrice hôte, nous avons établi une figure de mérite thermomécanique et montré que les grenats et surtout les sesquioxydes de terres rares apparaissent comme les matrices les plus adaptées à la haute puissance moyenne. Quant à l'architecture des amplificateurs, nous sommes arrivés à la conclusion que des amplificateurs à disques minces pompés longitudinalement et refroidis par la face arrière constituent une excellente solution pour permettre une bonne gestion des effets thermiques. La réalisation d'un modèle numérique d'amplificateur laser dopé à l'ytterbium nous à permis d'optimiser divers paramètres de l'architecture du laser et de comparer différentes matrices dopées à l'ytterbium. Il est alors apparu que les sesquioxydes de de terres rares dopés à l'ion ytterbium constituent d'excellents matériaux amplificateurs pour la réalisation de laser de haute puissance moyenne. Il a par ailleurs été montré que les basses températures constituent une solution séduisante pour améliorer à la fois les propriétés thermomécaniques des amplificateurs laser et les propriétés spectroscopiques de l'ion ytterbium. A l'aide d'une cavité laser cryogénique, en mode relaxé, nous avons vérifié expérimentalement que les performances énergétiques des sesquioxydes d! e terres rares dopés à l'ytterbium se voient améliorées de manière très significative aux basses températures.

This work estimates Z-pinch driven hohlraums capabilities to obtain high temperatures (>200eV). Simple models are proposed to calculate the performances offered by currents of 5 to 100 MA in 100 ns. The one dimensional physics of the Z-pinch at the length scale of its thickness and the hydrodynamics instabilities are studied. Then the enhancement of hohlraums performances with double nested Z-pinches or the use of an axial magnetic field is analysed. Z-pinch direct drive approach for inertial confinement fusion is finally considered. All the presented results are based on theoretical and 2D numerical approach and on the analysis of n., Ce travail estime le potentiel des plasmas de striction magnétique (Z-pinches) pour le chauffage de cavités radiatives à haute température (>200eV). Des modèles simples sont fournis pour calculer les performances atteignables avec des courants de 5 à 100 MA en 100 ns. La physique monodimensionnelle à l'échelle de l'épaisseur du plasma et les instabilités hydrodynamiques sont étudiées. Puis l'amélioration des performances des cavités avec une double coquille ou l'installation d'un champ magnétique axial est analysée. L'attaque directe par un Z-pinch d'une cible de fusion par confinement inertiel est enfin considérée. Tous les résultats présentés reposent sur une approche théorique et numérique (bidimensionnelle) et sur l'exploitation de résultats expérimentaux obtenus sur le générateur américain "Z". Les annexes rappellent les équations de la MHD radiative et vérifient leur validité pour les plasmas de striction magnétique.

In the fast ignitor scheme, a recent approach proposed for the inertial confinement fusion, the idea is to dissociate the fuel ignition phase from its compression. The ignition phase would be then achieved by means of an external energy source : a fast electron beam generated by the interaction with an ultra-intense laser. The main goal of this work is to study the mechanisms of the hot electron energy transfer to the compressed fuel. We intent in particular to study the role of the electric and collisionnal effects involved in the hot electron propagation in a medium with properties similar to the compressed fuel. We carried out two experiments, one at the VULCAN laser facility (England) and the second one at the new LULI 100 TW laser (France). During the first experiment, we obtained the first results on the hot electron propagation in a dense and hot plasma. The innovating aspect of this work was in particular the use of the laser-shock technique to generate high pressures, allowing the strongly correlated and degenerated plasma to be created. The role of the electric and magnetic effects due to the space charge associated with the fast electron beam has been investigated in the second experiment. Here we studied the propagation in materials with different electrical characteristics: an insulator and a conductor. The analysis of the results showed that only by taking into account simultaneously the two propagation mechanisms (collisions and electric effects) a correct treatment of the energy deposition is possible. We also showed the importance of taking into account the induced modifications due to the electrons beam crossing the target, especially the induced heating., Dans le schéma de l'allumeur rapide, dernière avancée dans le domaine de la fusion par confinement inertiel, on envisage de découpler la phase de compression de la phase de chauffage du combustible nucléaire. Cette dernière serait atteinte à l'aide d'une source extérieure constituée par un faisceau d'électrons très énergétiques créé avec un laser ultra-intense. L'étude des mécanismes de transfert d'énergie de ces électrons au combustible comprimé représente le but principal de ce travail de thèse. Nous nous proposons en particulier de mettre en évidence et d'étudier le rôle joué par les effets électriques et collisionnels de la propagation du faisceau d'électrons rapides dans un milieu aux propriétés proches du combustible comprimé. Nous avons pour cela effectué deux campagnes d'expériences, l'une avec l'installation laser VULCAN du RAL (Angleterre) et l'autre sur la nouvelle installation laser 100 TW du laboratoire LULI (France). Lors de la première expérience, nous avons obtenu les premiers résultats sur la propagation d'électrons rapides dans un matériau dense et chaud. Le caractère novateur de ce travail expérimental tient en particulier à l'utilisation de la technique de génération de hautes pressions par choc laser, ce qui a permis la création d'un plasma fortement corrélé et dégénéré. Le rôle des effets électriques et magnétiques, liés à la charge d'espace créée par le faisceau d'électrons rapides, a été approfondi lors de la deuxième campagne d'expérience, au cours de laquelle nous avons étudié la propagation des électrons dans des matériaux ayant des caractéristiques électriques différentes (isolant ou conducteur). L'analyse des résultats montre que seule la prise en compte simultanée des deux mécanismes de la propagation (collisionnels et électriques) permet un traitement correct et complet du dépôt d'énergie. La nécessité de prendre en compte les modifications apportées à la matière par le passage même des électrons, et notamment le chauffage induit, a été également mise en évidence.

At the birth of the hot point in an Inertial Confinement Fusion experiment, the plasma at the center of the deuterium-tritium sphere can be far from the local thermodynamical equilibrium. In the first part, we then propose a kinetic model of the Vlasov-Fokker-Planck type which describes these non-equilibrium states. After having recalled the general ideas used to solve this model numerically, we introduce the definition of the entropic average to define a new numerical scheme solving the ion-electron collision operator spatially homogeneous. The explicit version of this scheme is conservative, stable and entropic under a CFL criteria. The semi-implicit version of this scheme is conservative too and conserves the thermodynamical equilibrium when it is reached. Numerical tests show that this scheme is more precise compared to the classical Chang and Cooper's scheme. The CPU time needed to solve these kinetic equations being very important, it is necessary to study the possibility of solving these equations only where the non-equilibrium effects are important i.e. at the center of the deuterium-tritium sphere. In the second part, we then describe a numerical technique to couple a kinetic area with a fluid area, the birth of the hot point being solved with the kinetic equations and the rest of the domain with the bi-temperature Euler equations (ionic and electronic temperatures). With numerical tests and a simplified model, we show that a kinetic treatment of the hot point seems to be much more precise and that the technique proposed to couple the kinetic area with the fluid area allows to diminish the CPU time. Since the deuterium and tritium ions are not at the thermodynamical equilibrium at the birth of the hot point, the analytical formula giving the nuclear reaction rate could not be valid. In the third part, we propose a Monte-Carlo method to solve the kinetic equations of Boltzmann type which describe the thermonuclear reactions and we show that, effectively, at the birth of the hot point, the classical formula could give bad results., Lors de la formation du point chaud dans une expérience de Fusion par Confinement Inertiel, le plasma au centre de la sphère de deutérium-tritium peut être loin de l'équilibre thermodynamique local. Dans la première partie, on décrit donc un modèle cinétique ionique de type Vlasov-Fokker-Planck susceptible de prendre en compte ces déséquilibres. Après avoir rappelé les grandes étapes pour résoudre numériquement le système obtenu, on introduit la notion de moyenne entropique pour définir un nouveau schéma numérique traitant les collisions ion-électron homogènes en espace. Ce schéma est conservatif, stable et entropique sous un critère de type CFL dans sa version explicite. Dans sa version semi-implicite, on établit que ce schéma conserve l'équilibre thermodynamique. Le temps de calcul pour résoudre les équations cinétiques étant très important, il est nécessaire d'étudier la possibilité de ne résoudre ces équations que là où c'est nécessaire c'est à dire principalement au centre de la sphère de deutérium-tritium. Dans la seconde partie, on propose donc une technique de couplage cinétique-fluide, la formation du point chaud étant traitée avec le modèle cinétique, le reste avec les équations d'Euler à deux températures (températures ionique et électronique). Les ions deutérium et tritium pouvant ne pas être à l'équilibre thermodynamique, on s'est ensuite posé la question de la validité des formules analytiques donnant le taux de réaction nucléaire, formules établies en supposant que le plasma est à l'équilibre thermodynamique. Dans la troisième partie, on propose donc une méthode de type Monte-Carlo pour résoudre numériquement les équations cinétiques de type Boltzmann qui décrivent les réactions de fusion thermonucléaire et on montre qu'effectivement, les déséquilibres thermodynamiques rencontrés lors de la formation du point chaud peuvent invalider les formules usuelles.

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.

The framework of this PhD thesis is the inertial confinement fusion for energy production, in the context of the electron fast ignition scheme. The work consists in a characterization of the transport mechanisms of fast electrons, driven by intense laser pulses (1019 ≠ 1020 W/cm2) inboth cold-solid and warm-dense matter.The first goal was to study the propagation of a fast electron beam, characterized by a current density > 1011 A/cm2, in aluminum targets initially heated close to the Fermi temperature by a counter-propagative planar shock. The planar compression geometry allowed us to discriminate the energy losses due to the resistive mechanisms from collisional ones by comparing solid and compressed targets of the same initial areal densities. We observed for the first time a significant increase of resistive energy losses in heated aluminum samples. The confrontation of the experimental data with the simulations, including a complete characterization of the electron source, of the target compression and of the fast electron transport, allowed us to study the time-evolution of the material resistivity. The estimated resistive electron stopping power in a warm-compressed target is of the same order as the collisional one.We studied the transport of the fast electrons generated in the interaction of a high-contrast laser pulse with a hollow copper cone, buried into a carbon layer, compressed by a counterpropagative planar shock. A X-ray imaging system allowed us to visualize the coupling of thelaser pulse with the cone at different moments of the compression. This diagnostic, giving access to the fast electron spatial distribution, showed a fast electron generation in the entire volume of the cone for late times of compression, after shock breakout from the inner cone tip. For earlier times, the interaction at a high-contrast ensured that the source was contained within the cone tip, and the fast electron beam was collimated into the target depth by self-generated magnetic fields. These conclusions were obtained by a confrontation of experimental data to simulation results.The hydrodynamic characterization of the shock-induced target compression was performed using a X-ray point projection radiography technique, allowing to visualize a propagation of the shock front into the target, its collision with the cone tip and its subsequent sliding along the cone walls. The measurements are in agreement with hydrodynamic simulations.; Cette thèse se place dans le contexte de la fusion thermonucléaire pour la production d’énergie, dans le cadre de l’allumage rapide par faisceaux d’électrons chauds. Le travail présenté a pour but de caractériser la source de faisceaux d’électrons rapides, accélérés par lasers intenses (1019≠1020 W/cm2), et leur propagation dans des plasmas denses aussi bien à l’état solide quecomprimé.La première étude présentée avait pour but d’étudier la propagation d’électrons rapides, caractérisés par une densité de courant > 1011 A/cm2, dans des cibles d’aluminium chauffées à la température de Fermi par un choc plan contra-propagatif, qui les comprimait à deux fois la densité du solide. La géométrie de compression plane nous a permis de dissocier les pertesd’énergie dues aux effets résistifs et collisionnels, en comparant des cibles solides et comprimées de masses surfaciques identiques. Nous avons observé pour la première fois une augmentation des pertes d’énergie d’origine résistive dans les échantillons chauffés. La confrontation des données expérimentales avec les simulations, incluant une caractérisation complète de la source électronique, de l’état de compression des cibles et du transport d’électrons, a permis d’étudier l’évolution temporelle de la résistivité du matériau. Elle a notamment permis d’estimer que le pouvoir d’arrêt résistif dans les cibles tièdes et denses est d’amplitude comparable au pouvoir d’arrêt collisionnel.Dans la deuxième étude, nous avons analysé l’accélération et le transport d’électrons rapides produits lors de l’interaction d’un laser à haut contraste avec un cône de cuivre, enchâssé dans un bloc de carbone, et comprimé par un choc plan contra-propagatif. Un système d’imagerie X a permis de visualiser le couplage entre le faisceau laser intense et le cône à différents instants de la compression. Ce diagnostic, donnant accès à la distribution spatiale du faisceau d’électrons chauds, a montré une génération d’électrons dans tout le volume du cône pour des temps supérieurs au temps de débouché de choc au niveau de la pointe. Pour des temps antérieurs, l’interaction se produit à haut contraste, la source est restreinte au niveau de la pointe du cône, et la propagation collimatée des électrons vers l’intérieur de la cible est assurée par les champs magnétiques auto-générés. Ces conclusions ont été obtenues en confrontant les données expérimentales aux simulations.Une caractérisation hydrodynamique de la compression par choc de la cible a été effectuée à l’aide d’une technique de radiographie X, permettant de visualiser la propagation du front de choc dans la cible, sa collision avec la pointe du cône et son glissement le long des parois. Les mesures sont en accord avec des simulations hydrodynamiques.

Experiments have been performed in the multikilojoule regime with the two French laser facilities, the LULI 2000 (2kJ) and the “Ligne d’Integration Laser” (LIL, 12kJ). High electronic temperature plasmas with large dimensions were studied. I present in the thesis some of the results on laser-plasma interaction physics and parametric instabilities.First, we have designed experiments to compare the saturation level of the Stimulated Brillouin Scattering (SBS) reflectivities between the 2ω (526 nm) and 3ω (351 nm) in the LULI 2000 in preformed CH thick foil plasmas. [1]. By choosing accurately the creation beam characteristics, we managed to create similar plasmas at the two wavelengths which have allowed making a pertinent comparison. Similar saturated SBS reflectivities were obtained which have shown that, concerning the Brillouin instability in the saturation regime, the 2ω does not present more problems that the 3ω in large plasmas. Second, we have realized experiments in the LULI 2000 to analyze the saturated Stimulated Raman Scattering (SRS) reflectivities in preformed ethylene (C2H4) gas jet plasmas at different pressures laser beams smoothed by random phase plates [2]. The jet has been characterized using an interferometer and the characterization has shown that we could reach a maximal initial electronic density of ~10 percent of the critical density at 2ω. Results have permitted to realize the first experimental validation of a scaling law established in the 90’s concerning the saturated SRS reflectivities as a function of laser/plasma parameters.A third series of experiments was conducted with the LIL laser facility where we have used a 12 kJ laser beam at 3ω in a 2.7 ns pulse to study the imprint reduction of the laser pulse with a low-density foam (7-10mg/cc) at relatively high electronic temperature (Te = 2 keV) [3]. An experimental demonstration of the supersonic ionization of the foam and of the imprint reduction of the laser pulse after propagating through low-density foam plasma has been obtained.[1] S. Depierreux, D.T. Michel et al., Phys. Rev. Lett., 103, 115001, (2009)[2] D.T. Michel et al., Phys. Rev. Lett., 104, 255001, (2010)[3] S. Depierreux, C. Labaune, D.T. Michel et al., Phys. Rev. Lett., 102, 195005, (2009); Cette thèse présente et analyse les résultats de 3 expériences d'interaction laser-plasma réalisées sur les 2 installations laser multikilojoule françaises que sont le LULI 2000 (2kJ) et la Ligne d'Intégration Laser (12 kJ): (i)Comparaison de l'instabilité Brillouin en régime de saturation à 526 nm (2ω) et 351 nm (3ω) dans les plasmas de feuille épaisse de CH. Les paramètres plasma/laser ont été choisis afin de réaliser la comparaison dans des conditions équivalentes avec les deux longueurs d’onde. Des taux de rétrodiffusion Brillouin similaires ont été mesurés, ce qui montre que le 2ω ne présente pas plus de problème que le 3ω dans des grands plasmas [1]. Des simulations hydrodynamiques ont permis d’avoir une bonne compréhension du développement du Brillouin dans la zone d’interaction. (ii)Etude de l'instabilité Raman en régime de saturation à 526 nm dans des plasmas de jet d'éthylène préformés créés à différentes pressions. La caractérisation interférométrique du jet de gaz à montré que l'on pouvait atteindre une densité électronique initiale maximale de ~0,1x la densité critique à 526 nm. Le plasma a été caractérisé à l'aide de simulations hydrodynamiques, et en utilisant les spectres Raman et Brillouin rétrodiffusés. Les résultats ont permis de réaliser la première validation expérimentale d’une loi d'échelle théorique établie dans les années 90 concernant le taux de rétrodiffusion Raman en régime de saturation en fonction des paramètres laser/plasma [2]. (iii)Etude de la réduction de l'imprint par mousse sous dense (7-10mg/cc). La démonstration expérimentale de l’ionisation supersonique de la mousse et de la réduction de l’imprint a été obtenue dans des expériences LIL. Un bilan d’énergie de ce processus a aussi été réalisé [3].[1] S. Depierreux, D.T. Michel et al., Phys. Rev. Lett., 103, 115001, (2009)[2] D.T. Michel et al., Phys. Rev. Lett., 104, 255001, (2010)[3] S. Depierreux, C. Labaune, D.T. Michel et al., Phys. Rev. Lett., 102, 195005, (2009)

The aim of this work is to propose new laser architectures based on optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA). Common goals of OPCPA pre-amplifiers are to reach high energy level while maintaining the spectrum width and to adapt geometry of the amplified beam to the high power laser chain optics. In this work, we consider OPCPA as a way to control and to sculpt ultrashort laser pulses. Our first set-up aims to compensate for the weak time recovery default between pump and signal pulses, which lowers the energy extraction. We demonstrate that a regenerative OPCPA, resonant on the idler wave, satisfy this requirement but also produce a high-intensity and high-repetition rate train of amplified signal replicas. Our second laser system pre-compensates the spectral gain narrowing by sculpting pulses directly within the OPCPA section, where a temporal shaping of the pump beam permits a spatio-spectral shaping of the amplified signal. Finally, we propose an OPCPA based on spatial coding and uniform amplification of different spectral components of the signal wave. This is achieved using a fan-out periodically poled crystal inserted in a zero dispersion line., Dans le cadre d'études menées autour du programme PETAL, nous avons développé de nouvelles architectures pour la pré-amplification d'impulsions par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA). Dans ce travail, nous considérons l'OPCPA comme un moyen de contrôle et de mise en forme des impulsions. Nous suggérons trois architectures lasers qui aspirent chacune à répondre à des défauts de la technique OPCPA ou des chaînes dédiées à la FCI. Ainsi, nous pallions un possible défaut de recouvrement temporel entre les impulsions pompe et signal, lequel induit une mauvaise extraction d'énergie lors du processus paramétrique. Dans ce cadre, nous avons démontré qu'une cavité régénérative OPCPA, résonnante sur l'onde complémentaire, permet d'optimiser l'amplification. Au-delà ce système permet de produire un train de répliques amplifiées de l'onde signal. Notre second montage vise à pré-compenser le rétrécissement spectral par le gain en façonnant les impulsions signal au niveau de l'étage OPCPA dans les domaines spatial et spectral. Nous avons démontré que ceci pouvait être réalisé en mettant en forme temporellement et spatialement le faisceau pompe. Enfin, nous proposons un OPCPA basé sur l'adressage spatial et l'amplification uniforme des composantes spectrales dans un cristal à polarisation périodique de type éventail.

Numerous designs and experiments in the domain of Inertial Confinement Fusion (ICF) show that, in both direct and indirect drive approaches, one of the main limitations to reach the ignition is the Rayleigh-Taylor instability (RTI). It may lead to shell disruption and performance degradation of spherically imploding targets. Thus, the understanding and the control of the initial conditions of the RTI is of crucial importance for the ICF program. In this thesis, we present an experimental and theoretical study of the initial conditions of the ablative RTI in direct drive, by means of two experimental campaigns performed on the OMEGA laser facility (LLE, Rochester). The first campaign consisted in studying the laser-imprinted ablative Richtmyer-Meshkov instability (RMI) which starts at the beginning of the interaction and seeds the ablative RTI.We set up an experimental configuration that allowed to measure for the first time the temporal evolution of the laser-imprinted ablative RMI. The experimental results have been interpreted by a theoretical model and numerical simulations performed with the hydrodynamic code CHIC. We show that the best way to control the ablative RMI is to reduce the laser intensity inhomogeneities. This can be achieved with targets covered by a layer of a low density foam. Thus, in the second campaign, we studied for the first time the effect of underdense foams on the growth of the ablative RTI. A layer of low density foam was placed in front of a plastic foil, and the perturbation was imprinted by an intensity modulated laser beam. Experimental data are presented : backscattered laser energy, target dynamic obtained by side-on selfemission measurement, and face-on radiographs showing the effect of the foams on the target areal density modulations. These data were interpreted using the CHIC code and the laser-plasma interaction code PARAX. We show that the foams noticeably reduce the amplitude of the laser intensity inhomogeneities and the level of the subsequent imprinted ablation front modulations. In conclusion, this thesis allowed us to develop an experimental platform and a suite of numerical tools for future, more detailed studies of hydrodynamic instabilities for ICFapplications.; Les différents dimensionnements et expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) en attaque directe comme indirecte montrent qu'une des principales limites à l'atteinte de l'ignition est l'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) qui cause la rupture de la coquille de la cible en vol et potentiellement le mélange du combustible chaud du coeur avec celui, froid, de la coquille. La connaissance, la compréhension et la maîtrise des conditions initiales de ce mécanisme sont donc d'un grand intérêt. Nous présentons ainsi une étude expérimentale et théorique des conditions initiales de l'IRT ablative en attaque directe au travers de deux campagnes expérimentales réalisées sur le laser OMEGA (LLE, Rochester). La première campagne concerne l'étude de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM) ablative imprimée par laser ; cette instabilité commence à se développer au début de l'irradiation laser et fixe l'ensemencement de l'IRT. Nous avons mis en place une configuration expérimentale qui a permis de mesurer l'évolution temporelle de l'IRM ablative imprimée par laser pour la première fois. Nous présentons ensuite une interprétation des résultats de cette expérience par des simulations hydrodynamiques réalisées avec le code CHIC, ainsi que par un modèle théorique de l'IRM ablative imprimée par laser. Nous montrons que le moyen le plus direct de contrôler cette instabilité est de réduire l'amplitude des défauts d'intensité laser. Ceci peut être accompli en utilisant des cibles couvertes par une couche de mousse de basse densité. Ainsi, lors de la deuxième campagne, nous avons étudié pour la première fois l'effet de mousses sous-denses sur la croissance de l'IRT ablative. Au cours de ces expériences, des feuilles de plastique recouvertes d'une couche de mousse ont été irradiées par un faisceau laser portant une perturbation d'intensité destinée à imprimer des modulations sur la cible. Différentes données expérimentales sont présentes : rétrodiffusion de l'énergie laser, dynamique de la cible obtenue par mesure de côté d'auto-émission et radiographies de face faisant apparaître l'effet des mousses sur les modulations de densité surfacique des cibles. Ces données ont ensuite été interprétées à l'aide de simulations CHIC et du code d'interaction laser-plasma PARAX. Nous montrons qu'une des mousses réduit l'amplitude des modulations de l'intensité laser d'un facteur 2. Par conséquent, cette thèse a donné lieu au développement de configurations expérimentales et d'un ensemble d'outils de dépouillement numériques pour l'étude approfondie des instabilités hydrodynamiques en FCI.

The shock ignition concept in inertial confinement fusion uses an intense power spike at the end of an assembly laser pulse. the key feature of shock ignition are the generation of a high ablation pressure, the shock pressure amplification by at least a factor of a hundred in the cold fuel shell and the shock coupling to the hot-spot. in this theses, new semi-analytical hydrodynamic models are developed to describe the ignitor shock from its generation up to the moment of fuel ignition. A model is developed to describe a spherical concerging shock wave in a pre-heated hotspot. The self-similar solution developed by Guderley is perturbed over the shock Mach number Ms >>1. The first order correction accounts for the effects of the shock strength. An analytical ignition criterion is defined in terms of the shock strength ans th hot-spot areal density. The ignition threshold is higher when the initial Mach number of the shock is lower. A minimal shock pressure of 20 Gbar is needed when it enters the hot-spot. The shock dynamics in the imploding shell is the analyzed. The shock is propagating into a non inertial medium with a high radial pressure gradient and an averall pressure increase with time. The collision with a returning shock coming from the assembly phase enhances further the ignitor shock pressure. The analytica theory allows to des cribe the shock pressure and strength evolution in a typical shock ignition implosion. It is demonstrated that, in the case of the HiPER target design, a generation shock pressure near the ablation zone on the order of 300-400 Mbar is needed. An analysis of experiments on the strong shock generation performed on the OMEGA laser facility is presented. It is sown that a shock presssure close to 300 Mbar near the ablation zone has been reached with an absorbed laser intensity up to 2 x 10(15) W:cm-2 and a laser wavelength of 351 nm. This value is two times higher than the one expected from collisional laser absorption only. That significant pressure enhancement is explained by contribution of hot-electrons generated by non-linear laser/plasma interaction in the corona. The proposed analytical models allow to optimize the shock ignition scheme, including the inuence of the implosion parameters. Analytical, numerical and experimental results are mutualy consistent.; Le schéma d'allumage par choc pour la fusion par confinement inertiel utilise une impulsion laser intense à la fin d'une phase d'assemblage de combustible. Les paramètres clefs de ce schéma sont la génération d'une haute pression d'ablation, l'amplification de la pression du choc généré par un facteur supérieur à cent et le couplage du choc avec le point chaud de la cible. Dans cette thèse, de nouveaux modèles semi-analytiques sont développés afin de décrire le choc d'allumage depuis sa génération jusqu'à l'allumage du combustible. Tout d'abord, un choc sphérique convergent dans le coeur pré-chauffé de la cible est décrit. Le modèle est obtenu par perturbation de la solution auto-semblable de Guderley en tenant compte du nombre de Mach du choc élevé mais fini. La correction d'ordre un tient compte de l'effet de la force du choc. Un critère d'allumage analytique est exprimé en fonction de la densité surfacique du point chaud et de la pression du choc d'allumage. Le seuil d'allumage est plus élevé pour un nombre de Mach faible. Il est montré que la pression minimale du choc, lorsqu'il entre dans le coeur de la cible, est de 20Gbar. La dynamique du choc dans la coquille en implosion est ensuite analysée. Le choc se propage dans un milieu non inertiel avec un fort gradient de pression et une augmentation temporelle générale de la pression. La pression du choc est amplifiée plus encore durant la collision avec une onde de choc divergente provenant de la phase d'assemblage. Les modèles analytiques développés permettent une description de la pression et de la force du choc dans une simulation typique de l'allumage par choc. Il est démontré que, dans le cas d'une cible HiPER, une pression initiale du choc de l'ordre de 300 Mbar dans la zone d'ablation est nécessaire. Il est proposé une analyse des expériences sur la génération de chocs forts avec l'installation laser OMEGA. Il est montré qu'une pression du choc proche de 300Mbar est atteinte près de la zone d'ablation avec une intensité laser absorbée de l'ordre de 2 X 10(15) W.cm-2 et une longueur d'onde de 351 nm. Cette valeur de la pression est deux fois plus importante que la valeur attendue en considérant une absorption collisionnelle de l'énergie laser. Cette importante différence est expliquée par la contribution d'électrons supra-thermiques générés durant l'interaction laser/plasma dans la couronne. Les modèles analytiques proposés permettent une optimisation de l'allumage par choc lorsque les paramètres de la phase d'assemblage, sont pris en compte. Les diverses approches analytiques, numériques et expérimentales sont cohérentes entre-elles.

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.

Shock ignition is a novel approach for inertial confinement fusion where the compression and the ignition phases by a strong shock are separated. The scheme is promising to the extent that it can generate very high gains and can be tested on already existing lasers systems. In addition, this concept requires lower implosion velocities that allows for compressing more massive targets which limits the impact of hydrodynamic instabilities. However, the physic issues related to shock ignition are still largely unexplored especially experimentally. Indeed, even if the compression phase takes place in the well-known collisional regime (I

This manuscript presents three experiments conducted as part of a nuclear fusion byinertial confinement. The first experiment is the study of the fast electron beam propagationin a pre-compressed plasma in the fast ignition scheme. Two other experiments about theshock wave generation in plasmas were conducted in the ignition shock pattern.The first experiment was devoted to the study of the fast electron beam transport in a compressed target. The implosion of the target with a cylindrical geometry was carriedout with the GEKKO XII laser facility (ILE Osaka, Japan). The fast electron beam wasgenerated by the LFEX laser ( 1019W/cm2) and its propagation through the compressedcylinder was observed with several X-ray diagnostics. This experiment showed the guidingeffect of the electron beam resulting from self-generated magnetic fields. Furthermore, theresults of this experiment were in good agreement with numerical simulations. This studywas the subject of the publication Approach to the study of fast electron transport incylindrically imploded targets, Laser and Particle Beams, 33,525-534,(2015). Two other experiments were performed to study the propagation of strong shockscreated by lasers in a plasma. These were carried out with different laser systems. In the firstexperiment with the Gekko XII laser, we observed the creation and the propagation of twosuccessive shock waves in an ablation plasma in CH and Be. The objective to characterizethe amplification of a transmitted shock by the collision of two counter propagatingshocks has been partially realized. The comparison of the experimental results with thehydrodynamic simulations enabled us to confirm an amplification of the shock by a factor2 in pressure in the condition of this experiment. The shot with a Be target allowed todevelop and to validate the diagnostic method of X-ray radiography for shock propagation.The second experiment was performed with laser PHELIX GSI (Darmstadt, Germany).The purpose of this experiment was to study the generation of strong shocks. They wereapplied to study the equation of state of carbone in WDM state for the planetology. Thecondition of pressure and density for the carbon were obtained by deducting the pressureand the velocity of the shock wave chronometric diagnostics employed in this experiment.In this experiment, diamond was at the metallic liquid phase with the pressure of 7 Mbarand the temperature of 15,000 degrees; Ce manuscrit présente trois expériences menées dans le cadre de la fusion nucléaire par confinement inertiel. La première expérience porte sur l'étude la propagation d'un faisceau d'électrons rapides dans un plasma pré-comprimé dans le cadre du schémas d'allumage rapide. Deux expériences sur la génération d'onde de choc dans des plasmas ont été menées dans le cadre du schéma d'allumage par choc. La première expérience a été consacre à l'étude le la propagation d'un faisceau d'électrons rapides dans une cible comprimée. L'implosion de la cible avec une géométrie cylindrique a été menée avec l'installation laser GEKKO XII (ILE Osaka, Japon). Le faisceau d'électrons rapides a été injecté en utilisant l'installation laser LFEX (_1019W/cm2). et sa propagation à travers le cylindre comprimé a été observée avec plusieurs diagnostics X. Cette expérience a démontré l'effet d'un guidage du faisceau d'électrons rapides résultant du champ magnétique auto-généré. Par ailleurs, les résultats de cette expérience ont été en bon accord avec deux des simulation numériques. Cette étude a fait l'objet de la publication Approach to the study of fast electron transport in cylindrically imploded targets, Laser and particle Beams, 33, 525-534, (2015). Deux autres expériences ont été réalisées pour l’étude de la propagation de chocs forts créés par laser dans un plasma. Celles-ci ont été réalisées avec différentes installations laser.Dans la première expérience avec le laser Gekko Xll, nous avons observé la création et la propagation de deux ondes de choc successives dans des plasmas d’ablation de CH et de Be. L’objectif de caractériser l’amplification d’un choc transmis par la collision des deux chocscontre propagatifs a été partiellement réalisé. La comparaison des résultats expérimentauxà des simulations hydrodynamiques a permis d’établir une amplification du choc d’unfacteur 2 en pression pour les conditions expérimentales réalisées. Les tirs sur une cible deBe a permis de développer et valider les outils d’exploitation de la propagation de deuxchocs par radiographie X. La deuxième expérience a été réalisée avec laser PHELIX de GSI(Darmstadt, Allemagne). Le but de cette expérience était d’étudier la génération de chocsforts qui ont été utilisés pour étudier l’équations d’état du carbone dans le domaine WDMpertinent pour le planétologie. Les conditions de pression et de densité pour le carboneont été obtenues en déduisant la pression et la vitesse de l’onde de choc des diagnosticschronométriques employés dans cette expérience. Des états du diamant en phase liquidemétallique pour des pressions de l’ordre de 7 Mbar et des températures de 15,000 degrésont été obtenus.