Experimental study of the interaction of a terawatt laser with an underdense plasma: production of a bright and short source of relativistic electrons

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