Cette thèse porte sur le rayonnement X bêtatron généré par des électrons accélérés par sillage laser plasma dans des tubes capillaires diélectriques. En l'état actuel de la technologie des impulsions laser multi-térawatts, on peut produire des faisceaux ayant une intensité crête élevée, de l'ordre de 1018 W/cm2 dans le plan focal. Une telle impulsion laser se propageant au sein d'un gaz sous-dense conduit à des phénomènes d'interaction laser-plasma non-linéaires, tels que la création d'une bulle de plasma, i.e. une bulle ne contenant aucun électron, suivant le laser. La séparation spatiale des charges en résultant crée des champs électriques très élevés au sein de la bulle, de l'ordre de 100 GV/m, ce qui offre la possibilité d'accélérer des électrons jusqu'au GeV après seulement quelques centimètres d'interaction. En outre, un rayonnement synchrotron ultra-bref, appelé rayonnement bêtatron, est produit lors de l'accélération des électrons puisque ces derniers, soumis au champ électrique radial de la bulle plasma, ont une trajectoire oscillante. Cette thèse présente des résultats expérimentaux sur la génération et l'optimisation de faisceaux d'électrons et de leur rayonnement X, en particulier lorsque le tube capillaire est utilisé pour recueillir l'énergie du halo laser dans le plan focal facilitant l'autofocalisation du laser sur de longues distances. Des faisceaux d'électrons de quelques dizaines de picocoulomb, avec une énergie maximale allant jusqu'à 300 MeV, et dont le spectre est soit piqué à haute énergie soit exponentiellement décroissant, ont été produits dans des tubes capillaires de 10 mm de long avec l'installation laser du Lund Laser Center (LLC, en Suède) par une impulsion laser de 40 fs d'un 16 TW Ti: Saphir. Un rayonnement bêtatron a également été mesuré, il se compose de de photons X dont l'énergie est comprise entre 1 et 10 keV et atteint une luminosité maximale d'environ 1021 photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW. Cela équivaut à environ 30 fois l'intensité des faisceaux générés dans le cas des jets de gaz de longueur 2 mm ne disposant pas de guidage optique externe. La compensation des fluctuations de pointé laser permet de minimiser les fluctuations des propriétés du faisceau d'électrons. On obtient des faisceaux d'électrons dont les fluctuations tir-a-tir sont de 1 mrad en pointé, de quelques pourcents en énergie et d'environ 20% RMS en charge. La fluctuation en charge du faisceau, qui peut être considérée comme relativement grande, s'avère être principalement corrélée à la fluctuation en puissance du laser. De plus, il a été montré que le rayonnement bêtatron pouvait être utilisé pour caractériser le processus d'accélération des électrons en caractérisant le nombre moyen d'oscillations bêtatron effectuées par les électrons à l'intérieur de la bulle plasma. La taille typique des sources de rayonnement X (dimension pour laquelle l'intensité gaussienne est égale à 1/e² de la valeur crête) est estimée à ~ 2.5 µm en utilisant un modèle de diffraction de Fresnel induite par une lame de rasoir. Cela correspond à une émittance RMS normalisée pour le faisceau d'électrons d'environ 0,83π mm.mrad. Des simulations tridimensionnelles particle-in-cell (PIC) ont été effectuées et confirment les résultats expérimentaux. Elles indiquent également que les paquets d'électrons générés ainsi que les flashs X directionnels sont ultra-brefs : ~ 10 fs.

Dans tout accélérateur de particules, l'injecteur est d'une importance cruciale car il détermine la plupart des caractéristiques du faisceau accéléré. Les accélérateurs laser plasma, basés sur l'interaction d'une impulsion laser ultra brève et ultra intense avec un plasma sous dense, ne dérogent pas à cette règle. Cependant, pour ces accélérateurs ultra compacts, l'injection est un véritable défi : pour obtenir une source de bonne qualité, il faut injecter un faisceau d'électrons ultra court synchronisé très précisément avec le laser. Dans cette thèse, la pertinence d'un injecteur optique, utilisant une deuxième impulsion laser, est démontrée expérimentalement. Cet injecteur permet d'obtenir des faisceaux d'électrons mono-énergétiques de façon stable. De plus, cet injecteur permet de régler les paramètres du faisceau produit. Ainsi l'énergie, la charge et la dispersion en énergie du faisceau sont ajustables simplement, en changeant les paramètres de la deuxième impulsion laser. Ces contrôles supplémentaires permettent d'étudier précisément les phénomènes physiques ayant lieu lors de l'accélération du faisceau d'électrons. Ainsi, les effets de beam loading, liés à l'interaction du faisceau d'électrons avec le plasma, ont pu être mis en évidence et étudiés. L'optimisation de l'injecteur a permis d'obtenir les faisceaux d'électrons les plus fins spectralement mesurés à ce jour dans l'interaction laser plasma, avec des dispersions en énergie de l'ordre du pourcent.

L'interaction d'une impulsion laser intense et de courte durée avec un plasma permet de produire une onde de plasma de grande amplitude dans son sillage, auquel est associé un champ électrique longitudinal. Celui-ci peut être utilisé pour accélérer des électrons relativistes injectés dans l'onde jusqu'à de grandes énergies - de l'ordre du GeV - sur de courtes distances - quelques centimètres - au regard des distances dans les accélérateurs conventionnels. Le contrôle des caractéristiques du faisceau d'électrons lors du processus d'accélération est fondamental pour réaliser un étage d'accélération laser-plasma utilisable. Le travail de thèse a porté sur la création et la caractérisation d'une onde de plasma en régime faiblement non linéaire sur une longueur de plusieurs centimètres. Des tubes capillaires sont utilisés pour guider le faisceau laser sur ces distances tout en maintenant une intensité susante (~ 1E17 W/cm²). Le faisceau laser guidé ionise le gaz contenu dans le tube et crée l'onde de plasma. Un diagnostic optique reposant sur la modification du spectre de l'impulsion laser a été utilisé pour déterminer l'amplitude de l'onde de plasma le long du tube. Sa dépendance en fonction de la pression de remplissage du gaz, de la longueur du capillaire et de l'énergie laser, a été étudiée. Les résultats expérimentaux comparés aux résultats analytiques et de modélisation sont en excellent accord, et montrent que le champ électrique associé à l'onde de plasma est compris entre 1 et 10 GV/m sur une longueur allant jusqu'à 8 cm. Ce travail a permis de montrer la possibilité de créer de façon contrôlée une onde de plasma en régime faiblement non linéaire.

Cette étude expérimentale concerne la génération de faisceaux d'électrons aux propriétés inédites. Ces faisceaux d'électrons sont issus de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense et brève avec un jet de gaz. Jusqu'à récemment, les faisceaux d'électrons ainsi produits avaient une divergence importante et un spectre très large. Un tournant important de cette discipline a été franchi lorsqu'un faisceau d'électrons faiblement divergent (10 mrad) et, par dessus tout, dont le spectre est piqué à haute énergie (170 MeV) a été observé en utilisant un nouveau spectromètre monotir à électrons. Une étude paramétriquede l'interaction a permis de suivre l'évolution des propriétés du faisceau d'électrons. Des expériences ont ensuite été menées pour approfondir la caractérisation de ce faisceau. L'observation du spectre de rayonnement de transition généré par les électrons à une interface montre que le faisceau d'électrons interagit avec l'impulsion laser pendant l'accélération. Des oscillations radiales du faisceau d'électrons autour de l'axe laser, qualifiées d'oscillations bêtatroniques, ont aussi été visualisées sur les spectres électroniques. Un tel spectre quasi-monoénergétique est essentiel pour de nombreuses applications. Afin de justifier l'intérêt d'un tel faisceau, plusieurs expériences d'applications sont présentées: la radiographie γ submillimétrique d'objets denses, un profil de dose du faisceau d'électron comparable aux performances actuelles des sources de photons pour la radiothérapie, un profil temporel très bref utile en radiolyse de l'eau et la génération d'une source de rayons X faiblement divergente.