Etude th'eorique de l'interaction entre un atome à deux ou trois électrons actifs et un champ laser de fort éclairement (10^13 à 10^15 W.cm−2) et de durée d'impulsion ultra-brève (femto à attoseconde) dans le domaine spectral XUV. Notre approche est basée sur la résolution de l' équation de Schrödinger dépendante du temps (ESDT). Nous utilisons une méthode spec- trale pour résoudre l'ESDT avec des fonctions d'onde construites sur des B- splines. Nous étudions particulièrement la double ionisation à deux photons (TPDI) de l'hélium dans l'état fondamental ainsi que dans l' état excité 1s2s. Plusieurs modèles sont d'eveloppés pour traiter le cas des impulsions ultra- brèves. Enfin nous abordons la TPDI du Lithium, système à trois électrons actifs. Nous comparons la double ionisation à deux photons dans le régime séquentiel pour Li et He(1s2s) ; le régime direct est également abordé

Nous présentons une approche théorique fondée sur des états de « Coulomb-Volkov » bien adaptée à l'étude des processus multiphotoniques atomiques induits par un laser XUV femtoseconde intense. Elle prédit les spectres d'ionisation de l'hydrogène quand l'impulsion incidente reste en conditions de perturbation. Trois voies sont explorées dans ce manuscrit. L'extension à des champs intenses quand ħω > Ip : il est nécessaire de prendre en compte la population de l'état initial de l'hydrogène, en l'introduisant dans une amplitude Coulomb-Volkov standard, on décrit l'ionisation multiphotonique quasi-saturée. L'extension aux transitions multiphotoniques avec ħω < Ip : de nouveaux chemins quantiques sont ouverts par l'excitation des états liés de l'hydrogène. Une approche Coulomb-Volkov de l'excitation multiphotonique de ces états est développée. L'extension à l'hélium: l'étude de la double ionisation directe à deux photons permet d'exhiber l'influence des corrélations électroniques dans l'état initial et dans l'état final. De nombreuses informations, comme les distributions angulaires et énergétiques mais aussi les sections efficaces sont accessibles.

Une étude théorique et expérimentale sur la simple et double ionisation de petites molécules par impact électronique a été effectuée dans le présent travail. Des expériences de simple ionisation des trois orbitales de valence de l'ammoniac pour une énergie incidente de l'ordre de 600 eV ont été réalisées à Orsay (ISMO). Ces expériences, notées (e,2e), consistent à détecter les électrons diffusé et éjecté en coïncidence. Nous avons comparé les expériences correspondantes à des théories perturbatrices telles que la première approximation de Born : 1CW (One Coulomb Wave) et 1DW (One Distorted Wave). Ainsi que le modèle BBK (pour l'acronyme Brauner, Briggs and Klar). Nos résultats ont montré un accord raisonnable entre l'expérience et la théorie en ce qui concerne la distribution du lobe binaire. Par contre, le lobe de recul est largement sous-estimé. L'application du modèle BBK incluant la prise en compte des déphasages à courte portée est une intéressante perspective pour la description de l'ionisation simple de la molécule d'ammoniac. De même, nous avons étudié les processus d'ionisation du méthane par impact d'électrons. Pour la simple ionisation du méthane, nous avons fourni des approches théoriques pour décrire la distribution angulaire des sections efficaces doublement et triplement différentielle. Nos résultats ont été comparés aux expériences réalisées à Afyon en Turquie. Pour la double ionisation du méthane, nous avons réalisé des expériences (e,3-1e) (dans laquelle l'électron diffusé et un des éjectés sont détectés en coïncidence) pour la couche externe 1t2 à Orsay (ISMO). La théorie que nous avons appliquée est du premier ordre et ne peut pas décrire complétement les deux lobes. Par conséquent, le développement d'un modèle dans le cadre de la deuxième approximation de Born s'avère nécessaire. / A theoretical and experimental study on simple and double ionization of small molecules by electron impact is reported in the present work. Experiments of simple ionization of the three valence orbitals of ammonia with an incident energy of about 600 eV were performed in Orsay (ISMO). These experiments, named (e,2e), consist in the detection of the scattered and ejected electrons in coincidence. We compared the correspondent experiments to perturbative theories such as first Born approximation: 1CW (One Coulomb Wave) and 1DW (One Distorted Wave). In addition to the BBK model (for the acronym Brauner, Briggs and Klar). Our results show a reasonable agreement between the experiment and the theory concerning the distribution of the binary lobe. On the contrary, the recoil lobe was largely under-estimated. The application of the BBK model by taking into account the short range phases will be an interesting perspective for the description of simple ionization of ammonia molecule. In addition, we studied the ionization process of methane by electron impact. For the simple ionization of methane, we developed theoretical approaches in order to describe the angular distribution of double and triple differential cross sections. Our results were compared to experimental data performed in Afyon in Turkey. For the double ionization of methane, we performed experiments for the external shell 1t2 in Orsay (ISMO) by using the (e,3-1e), during which the scattered and one of the two ejected electrons are detected in coincidence. The theory which we applied is of first order and it could not describe completely the two lobes. Consequently, the development of a second order model sounds necessary.

Etude théorique de l'interaction entre un atome à deux ou trois électrons actifs et un champ laser de fort éclairement (10^13 à 10^15 W.cm-2) et de durée d'impulsion ultra-brève (femto à attoseconde) dans le domaine spectral XUV. Notre approche est basée sur la résolution de l'équation de Schrödinger dépendante du temps. L'impulsion laser est définie par un modèle semi-classique. Les fonctions d'onde sont construites en utilisant des B-splines. Nous étudions particulièrement la double ionisation à deux photons de l'hélium dans l'état fondamental ainsi que dans l'état excité 1s2s. Nous testons une méthode d'approximation pour traiter certains ions héliumoÏdes. Enfin nous abordons le Lithium, système à trois électrons actifs. Nous comparons la double ionisation à deux photons par voie séquentielle et directe avec He(1s2s) dont la structure asymétrique est proche de celle du lithium. / Theoretical study of the interaction between an atom and a two or three electron system with an ultra short (10^-15 to 10^-18 s) high intensity (10^13 à 10^15 W.cm-2) pulse in the XUV domain. Our approach is based on the solving of th time dependent Schrödinger equation. Laser pulse is defined by a semi classical model. Wave functions are built with B-splines.We study particularly helium two photons double ionization in fundamental and excited state 1s2s. Then we test an approximative method to treat helium-like ions.At last, we investigate lithium, a three active electrons system. We compare TPDI in sequential and direct channel with He(1s2s) which asymmetric structure looks like Li's one.

Nous présentons une étude théorique de l'interaction entre un atome à deux électrons actifs et un champ laser de fort éclairement (10e14 à 10e15 W/cm²) et de durée d'impulsion ultra-brève (quelques 10e-15 à quelques 10e-18 s). Nous décrivons dans un premier temps les techniques expérimentales actuelles capables de produire un rayonnement cohérent de haute puissance dans le domaine spectral UV-XUV, et de durée d'impulsion de l'ordre de la femtoseconde ou subfemtoseconde. Un modèle semi-classique d'une impulsion laser avec de telles caractéristiques est alors défini. Puis, nous développons une méthode numérique basée sur l'utilisation des fonctions B-splines pour décrire la structure électronique d'un atome à deux électrons actifs. Un traitement non perturbatif de type spectral est alors proposé pour représenter la propagation dans le temps de la fonction d'onde du système irradié, où le point important est de définir le plus précisément possible la région du double continuum atomique. Nous exposons finalement des résultats sur la double ionisation des atomes d'hélium et de béryllium en présence d'un champ laser intense et bref, issus de notre approche numérique. Ils concernent en particulier des calculs de sections efficaces totales d'ionisation, et de distributions énergétiques entre les électrons éjectés dans le double continuum après absorption d'un photon et de deux photons.

In this thesis, multiple ionisation processes of free atoms and molecules upon single photon absorption are studied by means of a versatile multi-electron-ion coincidence spectroscopy method based on a magnetic bottle, primarily in combination with synchrotron radiation. The latter offered the possibility to access not only valence but also core levels, revealing processes, which promote the target systems into different charge states. One study focuses on double and triple ionisation processes of acetaldehyde (ethanal) in the valence region as well as single and double Auger decay of initial 1s core vacancies. The latter are investigated site-selectively for the two chemically different carbon atoms of acetaldehyde, scrutinising theoretical predictions specifically made for that system. A related study concentrates on core-valence double ionisation spectra of acetaldehyde, which have been investigated in the light of a previously established empirical model, and which have been used as test cases for analysing this kind of spectra by means of quantum chemical electronic structure methods of increasing sophistication. A third study investigates site-specific fragmentation upon 1s photoionisation of acetaldehyde using a magnetic bottle augmented with an in-line ion time-of-flight mass spectrometer. Experimental evidence is presented that bond rupture occurs with highest probability in the vicinity of the initial charge localisation and possible mechanisms are discussed. A site-specificity parameter P∆ is introduced to show that differences in fragmentation behavior between initial ionisations at chemically different carbon atoms probably persist even for identical internal energy contents in the nascent dications. In another study where both electrons and ions from Auger decay of core-excited and core-ionised states of CO2 are detected in coincidence, it is confirmed that O2+ is formed specifically in Auger decay from the C1s → π* and O1s → π* resonances, suggesting a decisive role of the π* orbital in the molecular rearrangement. Also, the molecular rearrangement is found to occur by bending in the resonant states, and O2+ is produced by both single and double Auger decay. A new version of the multi-electron-ion coincidence method, where the ion time-of-flight spectrometer is mounted perpendicularly to the electron flight tube, which affects less the electron resolution and which allows for position sensitive detection of the ions, is employed in combination with tunable soft X-rays to reveal the branching ratios to final Xen+ states with 2 &lt; n &lt; 9 from pure 4d-1, 4p-1, 4s-1, 3d-1 and 3p-1 Xe+ hole states. The coincident electron spectra give information on the Auger cascade pathways. / <p>Byte av lokal vid disputation till Polhemssalen.</p>

Lorsqu'ils sont soumis à des pulses laser courts et intenses, des atomes peuvent perdre des électrons. Plusieurs canaux sont impliqués dans la double ionisation, comme la NSDI et le scénario associé de la recollision. La recollision est maintenant vue comme la “pierre d'angle de la physique en champ fort” pour les éclairages qu'elle donne dans l'organisation de la matière et en ce qu'elle constitue l'une des manifestations les plus flagrantes de la corrélation électron-électron dans la nature. Dans ce manuscrit, une analyse théorique des mécanismes de double ionisation est menée en utilisant la mécanique classique. Cette description complémente les modèles quantiques en observant la dynamique depuis un cadre de travail différent et avec l'éclairage de la dynamique nonlinéaire. L'analyse, menée dans l'espace des phases, permet l'identification des structures organisatrices qui régulent les différents mécanismes d'ionisation. Pour des champs laser polarisés linéairement, le mécanisme de la recollision est complété par l'image de l'électron interne. L'électron interne donne accès à une description fine de la dynamique de recollision et explique les différentes routes pour la double ionisation. Il permet également de faire des prédictions telles que l'intensité du coude dans la probabilité de double ionisation et explique complètement la RESI. En polarisation circulaire, il est communément cru que la recollision n'est pas possible, en dépit de résultats expérimentaux contradictoires. En fait, l'analyse de l'espace des phases montre que la recollision est possible mais pas accessible à tous les atomes, réconciliant par conséquent les contradictions expérimentales précédentes. / When subjected to strong and short laser pulses, atoms may lose electrons. Several ionization channels are involved in such double ionization events, like nonsequential double ionization (NSDI) and its associated recollision scenario. Recollision is now seen as the “keystone of strong field physics”, for its insights into the organization of matter, and is one of the most dramatic manifestations of electron-electron correlation in nature. In this manuscript a theoretical analysis of the double ionization mechanisms is carried out using classical mechanics. This description complements quantum treatments by observing the dynamics from a different framework, with the light of nonlinear dynamics, as both frameworks exhibit the main ingredient, i.e., strong electron-electron correlation. The analysis, carried out in phase space (e.g., through reduced models) enables the identification of the organizing structures that regulate the ionization channels. For linearly polarized lasers, the recollision mechanism is completed by the picture of the “inner” electron. The inner electron gives access to a fine description of the recollision dynamics and explains the routes to double ionization. It also enables verifiable predictions such as the location of the characteristic knee shape in the double ionization yield versus laser intensity and fully explains delayed ionizations like RESI. For circular polarization, it is commonly believed that recollision is not possible, despite apparently contradictory experimental results. In fact, the phase space analysis shows that recollision is possible but not accessible to all atoms, thus reconciling the previous experimental results.

Dans ce travail, différents mécanismes conduisant à la double ionisation de plusieurs cibles atomiques ou moléculaires par impact d’électrons d’énergie incidente moyenne (600-700 eV) sont étudiés par des expériences de coïncidence dites (e, 3-1e) et (e, 3e). Dans ces expériences, les sections efficaces quadruplement et quintuplement différentielles en angles et en énergies ont été mesurées et analysées dans une géométrie coplanaire. Les résultats expérimentaux sont comparés à ceux obtenus par des calculs théoriques utilisant des modèles aussi bien du premier ordre que du second ordre. La comparaison montre que les théories incluant les mécanismes de second ordre (tel que Two Step 2, TS2) sont en meilleur accord avec l’expérience que ceux incluant uniquement les mécanismes de premier ordre (tels que Shake Off et Two Step 1). Ceci démontre que, dans nos conditions cinématiques, les mécanismes de second ordre jouent un rôle important, voire même dominant par rapport aux mécanismes de premier ordre. Par ailleurs, l’ensemble de nos résultats de double ionisation sont compares aux prédictions d’un modèle ‘TS2-cinématique’ développé par Lahmam-Bennani et al (2010), et qui consiste à considérer le processus de double ionisation comme deux événements successifs de simple ionisation (e,2e). La plupart des structures observées dans les distributions angulaires des électrons éjectés ont pu être interprétées et expliquées par ce modèle ‘TS2-cinématique’. Nous avons également étendu ce modèle en tenant compte de la contribution de la diffusion de recul dans chacune des étapes (e,2e). Certaines structures qui étaient restées inexpliquées par « l’ancien » modèle le sont maintenant par le modèle ‘TS2-cinématique’ étendu. L’influence de la structure atomique versus moléculaire de la cible dans le processus de double ionisation a fait l’objet d’une étude préliminaire. Les résultats (e, 3-1e) des cibles iso électroniques Ne et CH₄ montrent certaines différences pour les mêmes conditions cinématiques. L’analyse plus approfondie de ces données est en cours. / In this work, different double ionization (DI) mechanisms of various atomic and molecular targets by electron impact at different intermediate incident energies have been studied by so-called (e, 3-1e) and (e, 3e) experiments. Four and five fold differential cross sections in angle and in energy have been measured and analyzed in a coplanar geometry. The experimental measurements are compared with both first order and second order theoretical model calculations. The results shows that the theories including second order mechanism (such as Two Step 2, TS2) are generally in better agreement with the experimental data than these only including first order mechanisms (such as Shake Off and Two Step 1). This demonstrates that under present kinematics, second order mechanism plays an important role or even dominates over first order mechanisms. Besides, all DI results are compared with the predictions of TS2 kinematical analysis developed by Lahmam-Bennani et al (2010). Most of the structures shown in the measured angular distribution can be correctly explained by the TS2 kinematical analysis predictions. Besides, we extend this model by including the recoil contribution in each step. Some structures which cannot be explained by the previous model are well explained by the extended TS2 kinematical model. The isoelectronic target structure influence in DI is investigated preliminarily. The (e, 3-1e) results on Ne and CH₄ indicate the differences under same kinematics. The data analysis is underway.

Les méthodes perturbatives, telle que l’approximation de Born, sont nécessaires pour résoudre les problèmes inhérents à l’ionisation d’atomes et de molécules par impact d’électrons ou de positrons. Afin d’optimiser les calculs nécessaires pour le second terme de l’approximation de Born, nous avons commencé par étudier l’ionisation de l’atome le plus simple : celui d’hydrogène. Nous avons utilisé une base contenant un grand nombre d’états (294) nous permettant d’éviter la relation de fermeture qui nécessite l’introduction d’un paramètre qui représente la valeur moyenne d’excitation. Nos résultats ont montré un bon accord avec l’expérience surtout pour les faibles énergies des électrons éjectés. Nous avons ainsi pu montrer l’importance de la contribution des états du continuum (représentés par des pseudo-états), en particulier pour les transitions de type dipolaire. Pour la double ionisation de l’atome d’hélium, nous avons appliqué la même méthodologie de calcul numérique complet tout en incluant 20 états et pseudo-états intermédiaires et en utilisant une fonction d’onde corrélée d’interaction de configuration, on a trouvé pour les grandes énergies d’incidence (5 keV) que l’effet du terme Born 2 est presque nul. Par contre l’application de « SBA » avec la relation de fermeture pour l’état fondamental et les premiers états excités montre une petite différence avec « FBA » en particulier en dehors de la région du transfert. Dans le cas des faibles énergies d’incidence (601 eV) il était attendu d’obtenir un effet important de « SBA » surtout que des études sur les (e,3-1e) de l’hélium montrent un déplacement du pic principal par rapport à « FBA ». Donc on peut dire que les 20 états intermédiaires contribuent de façon insuffisante et qu’il faudra considérer beaucoup plus d’états / The perturbative methods, such as Born approximation, are necessary to solve the problems concerning the ionization of atoms and molecules by electrons or positrons impacts. In order to use Born approximation in an optimized way, we tested it on the simplest atom « Hydrogen » by using a basis of large amount of intermediate states (294) and complete numerical calculation without using the closure approximation whose application needs the introduction of a parameter which is the excitation mean value. Our results proved a significant agreement with the experiment particularly for small energies of the ejected electrons. We also proved an important contribution of the continuum (represented by the pseudo-states), and particularly the dipolar transition. For the double ionization of Helium atom, we applied the same methodology of complete calculation by including 20 intermediate states and pseudo-states and by using a configuration interaction wave function, we found that for high incident energy (5 keV) the effect of the second term of Born is almost zero. However, the application of the « SBA » with the closure approximation by using the fundamental state and the first excited states show a slight difference relative to the « FBA » particularly outside the transfer region. In case of low incident energy (601 eV), it was expected a crucial effect of the « SBA » especially that previous studies of (e, 3-1e) of Helium show a significant shift of the main peak relative to the « FBA ». So we can say that 20 intermediate states are not enough and the application of the « SBA » needs more states