Parmi les douzaines d’expériences qui visent à découvrir la matière sombre, l’expérience de détection directe PICO utilise des détecteurs à liquide surchauffé comme moyen pour s’y prendre. La chambre à bulle PICO-40L remplie de C3F8, présentement située dans le laboratoire sous-terrain SNOLAB, est en cours de test en vue d’une recherche aveugle de WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) d’une durée de 1 an. Pour assurer la stabilité du détecteur pendant les périodes de préparation et pendant l’acquisition de données, un logiciel de surveillance a été écrit. Un moyen fiable de surveiller les paramètres importants du détecteur et d’envoyer des alarmes en cas d’urgence joue un rôle important à non seulement au succès de PICO-40L, mais aussi au développement du futur détecteur PICO-500. Située à l’Université de Montréal, la chambre à bulle PICO-0.1 a été conçue afin de calibrer les nombreux événements de fond qui se présentent dans ce type de détecteur. De plus, cette chambre à bulle a été utilisée comme première tentative au monde de mesurer la diffusion Thomson sur un noyau d’atome en exposant le détecteur rempli de C3F8 à une source de gamma produite par la réaction 19F proton à alpha et gamma 16O à l’aide d’un faisceau de protons crée par l’accélérateur de particules de l’Université de Montréal. Ce type d’interaction s’avérera à un événement de fond important pour les expériences de détection directe de matière sombre à bas seuil. / Amongst the dozens of experiments aiming to be the first to claim a dark matter signal, PICO is a direct dark matter detection experiment that utilizes superheated liquid detectors as a means of doing so. The latest C3F8 filled PICO-40L bubble chamber currently located in the SNOLAB underground laboratory is under testing to prepare for a 1 live-year blinded WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) search. To ensure the stability of the detector during both the testing and the data acquisition phases, a monitoring software was coded. A reliable way to monitor all the parameters and to send alerts accordingly plays an important role in not only the success of PICO-40L, but also the development of the future larger-scale PICO-500 detector. PICO-0.1 is a test bubble chamber located at the University of Montreal that was built to calibrate for the numerous background events that can occur in this kind of technology. This test chamber was also used as a world’s first attempt to measure the coherent (Thomson) photon scattering onto a nucleus by exposing the C3F8 filled detector to a gamma source produced by the 19F proton to alpha and gamma 16O reaction using a proton beam created by the University of Montreal particle accelerator. This kind of interaction will prove to be a significant background for future sub-keV direct dark matter detection experiments.

L’imagerie effectuée avec des rayons X est largement utilisée de nos jours dans de nombreuses disciplines telles que la physique du solide, les sciences du vivant et la médecine. Les sources de rayons X basées sur la diffusion Thomson d’un faisceau laser par des paquets d’électrons permettent d’obtenir des faisceaux de bonnes qualités pour un faible coût et un faible encombrement. Plusieurs instituts de recherche académiques se sont récemment lancés dans la construction de telles sources qui sont constituées d’un anneau des stockage d’électrons et d’un résonateur optique. Le résonateur optique permet de stocker des impulsions laser focalisées au point d’interaction laser-électron à des fréquences de plusieurs dizaines de méga Hertz. Des flux de rayons X dépassants 10^{11} ph/s peuvent ainsi être obtenus. Dans ce travail de thèse un modèle de stockage d’impulsion a été développé. Ce modèle prend en compte les effets de la phase CEP (carrier-envelope phase) et des décalages temporels permettant d’obtenir des résonances secondaires. Ces résonances sont observées couramment et nous avons pu calculer les gains et finesses équivalentes. Nous avons aussi calculé les corrections non-paraxiales des modes propres d’une cavité non-planaires. Nous avons résolu les équations perturbatives de Lax pour des faisceaux gaussiens elliptiques généralisés. Nous avons pu ainsi décrire qualitativement des résultats expérimentaux obtenus avec une cavité non-planaire constituée de quatre miroirs. Nous avons aussi modélisé l’effet des déformations thermoélastiques des miroirs de cavité en utilisant le modèle simplifié de Winkler. Sur le plan expérimental, nous avons effectué des études sur le résonateur optique prototype du projet EQUIPEX THOMX. Nous avons tout d’abord proposé une nouvelle méthode d’asservissement laser-cavité basée sur l’utilisation d’une possible différence de phase induite par la réflexion des ondes s et p. Comparée à la méthode de Pound-Drever-Hall, notre méthode ne nécessite pas de modulation et démodulation de fréquence. Nous avons effectué les calculs de modélisation ainsi qu’une démonstration expérimentale. En parallèle, nous avons effectué des expériences de stockage de puissance dans la cavité prototype de finesse 26000 et nous avons obtenu une puissance moyenne de 383 kW correspondant à un gain de 10000. Nous avons atteint un niveau de puissance pour laquelle des instabilités modales induites par les déformations thermoélastiques des miroirs de notre cavité deviennent dominantes et perturbent l’asservissement laser-cavité. Une machine à rayon X Thomson, TTX, existe aussi à l’université de Tsinghua. Celle-ci est basée sur un accélérateur linéaire et une source laser femtoseconde terawatt. Un nouveau projet basé sur un anneau de stockage compact d’électrons, TTX2, voit actuellement le jour à l’université de Tsinghua. Nous présentons le design du système optique de ce futur projet. / At present, X-rays imaging is widely applied in solid-state physics, in the life sciences, in medical applications and in other disciplines. An X-ray source based on laser-electron interaction, that is, a Thomson scattering X-ray source, can be used to produce high-quality X-rays at a low cost and small footprint. The construction of compact laser electron sources, consisting of an electron storage ring and an optical enhancement cavity, has recently attracted the interest of many institutions. The optical enhancement cavity is mainly used to amplify the injected power, circulate the pulses at a high repetition frequency (tens of megahertz) and produce a beam with a small waist at the interaction point. When introduced into the electron storage ring, the laser pulses produced in the high-average-power cavity scatter off high-energy electrons at a high repetition frequency. Thus, a high X-ray flux of more than 10^{11} ph/s can be obtained.In order to study the physical process inside a high-power resonator a model has been developed. As a first step, we establish a precise transient model of the laser pulse stacking technique considering the CEP (carrier-envelope phase) effect and time detuning leading to secondary resonances. The results of this model in the time and frequency domains match very well. A cavity with a given finesse and no detuning has a narrower linewidth than a detuned cavity with a higher finesse if both cavities have the same gain; consequently, it is easier to lock a laser to the latter cavity. Next, for the first time, we derived the non-paraxial corrections for general astigmatic beams so as to explain the S-shaped cavity mode observed in a non-planar four-mirror cavity. We solved Lax perturbation series of the wave equation for general elliptic Gaussian beams and S-shaped beam modes appear as the beam propagates away from the cavity symmetry point. This feature agrees qualitatively with observations made on a highly divergent non-planar four-mirror cavity. In addition, we study the thermal effect by using Winkler’s deformation model. The cavity gain is very sensitive to the mirror deformation in open loop. A strong feedback and ultra-low expansion mirrors are indispensable to reach a high power stored in the cavity.Several significant experiments were performed on a prototype cavity of the EQUIPEX project THOMX. Firstly, we proposed a new frequency stabilization method based on the polarization of a folded cavity and tuning of the cavity mirror reflectivity. Sufficient s- and p-wave phase detuning can be obtained by special design of the cavity mirrors’ coatings, which gives rise to an error signal that can be used for locking. Compared to the traditional Pound-Drever-Hall method, this technique is simpler without need for frequency modulation and demodulation. Theoretical calculations and experimental results demonstrate the feasibility of the proposed method. Meanwhile, high-power experiments on the prototype cavity for ThomX were demonstrated. A cavity finesse of approximately 26,000 is measured using four different methods, and the deposition of dust on the cavity mirrors is found to have an enormous effect on the finesse. We achieved a stable average power as high as 383 kW with a cavity gain of 10,000. In addition, modal instabilities which limit this power were observed. We believe that this effect originates from cavity modal frequency degeneracy induced by thermal effect.Tsinghua University hosts a compact, low-repetition-frequency X-ray source knownas TTX, which is based on a linac system and a terawatt femtosecond laser system. The next step is to upgrade TTX to a high-repetition-frequency X-ray machine called TTX2, consisting of an optical cavity and an electron storage ring. We present the complete design of a prototype optical cavity for TTX2.

Les plasmas induits par laser (PIL) ont depuis leurs apparitions dans les années soixante suscité un très grand intérêt notamment comme source de données spectroscopiques. Ils ont également acquis des nombreuses applications, comme sources des rayons X pour la lithographie, l’allumage plasma, la déposition par laser pulsé, ou sont devenues la base d’une technique d’analyse très populaire – la LIBS (laser induced breakdown spectroscopy). Cette dernière peut s’appliquer in situe à tout type d’échantillon et sans préparation. Toutefois, les mesures faites par cette méthode sont latéralement intégrées nécessitant des techniques d’inversion, mais dépendent également des conditions d’équilibre thermodynamiques local (ETL) dans le plasma. Afin de valider les mesures effectuées par LIBS, la diffusion Thomson qui est une méthode spatialement résolue et indépendante des hypothèses d’équilibre thermodynamique a été appliquée pour caractériser les PIL. Des plasmas d’ablation et de claquage ont donc été caractérisés à la fois par spectroscopie d’émission et par diffusion Thomson. La comparaison des paramètres température et densité électronique obtenues par les deux méthodes d’une part, et le critère de McWhirter ainsi que les temps de relaxation et les longueurs de diffusions des espèces contenues dans le plasma d’autre part, ont permis de statuer sur l’ETL. / Laser induced plasma (LIP) which was first reported in the beginning of sixties, has achieved a great interest as a source of spectroscopic data. It has also many applications like X-ray sources for lithography, plasma igniters, pulsed laser deposition or it has become a basis of a very popular analytical technique – LIBS (laser induced breakdown spectroscopy). The latter is mainly due to its applicability to different kinds of samples, no sample preparation or in-situ and remote sensing capability. However, LIBS measurements are laterally integrated and Abel inversion must be performed. Also the method assumes the plasma to be in local thermodynamic equilibrium (LTE). In order to validate LIBS measurements, Thomson scattering (TS) method which is spatially resolved and free from equilibrium assumption was applied. Thus, ablation and breakdown plasmas were characterized by both two methods. Comparison between plasma parameters (temperature and electron density) obtained by the two methods and McWhirter criterion as well as relaxation times and diffusion lengths of species in the plasma allowed to estimate LTE.