La microscopie électronique et la diffraction d’électrons ont permis de comprendre l’organisation des atomes au sein de la matière. En utilisant une source courte temporellement, il devient possible de mesurer les déplacements atomiques ou les modifications de la distribution électronique dans des matériaux. A ce jour, les sources ultra-brèves pour les expériences de diffraction d’électrons ne permettent pas d’atteindre une résolution temporelle inférieure à la centaine de femtosecondes (fs). Les accélérateurs laser-plasma sont de bons candidats pour atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. De plus, ces accélérateurs peuvent fonctionner à haut taux de répétition, permettant d’accumuler un grand nombre de données.Dans cette thèse, un accélérateur laser-plasma fonctionnant au kHz a été développé et construit. Cette source accélère des électrons à une énergie de 100 keV environ à partir d’impulsions laser d’énergie 3 mJ et de durée 25 fs. La physique de l’accélération a été étudiée, démontrant entre autres l’effet du front d’onde laser sur la distribution transverse des électrons.Les premières expériences de diffraction avec ce type de sources ont été réalisées. Une expérience de preuve de principe a montré que la qualité de la source est suffisante pour obtenir de belles images de diffraction sur des feuilles d’or et de silicium. Dans un second temps, la dynamique structurelle d’un échantillon de Silicium a été étudiée avec une résolution temporelle de quelques picosecondes, démontrant le potentiel de ce type de sources.Pour augmenter la résolution temporelle à sub-10 fs, il est nécessaire d’accélérer les électrons à des énergies relativistes de quelques MeV. Une étude numérique a montré que l’on peut accélérer des paquets d’électrons ultra-courts grâce à des impulsions laser de 5 mJ et 5 fs. Il serait alors possible d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. Finalement, une expérience de post-compression des impulsions laser due à l’ionisation d’un gaz a été réalisée. La durée du laser a pu être réduite d’un facteur deux, et l’homogénéité de ce processus a été étudiée expérimentalement et numériquement. / Electronic microscopy and electron diffraction allowed the understanding of the organization of atoms in matter. Using a temporally short source, one can measure atomic displacements or modifications of the electronic distribution in matter. To date, the best temporal resolution for time resolved diffraction experiments is of the order of a hundred femtoseconds (fs). Laser-plasma accelerators are good candidates to reach the femtosecond temporal resolution in electron diffraction experiments. Moreover, these accelerators can operate at a high repetition rate, allowing the accumulation of a large amount of data.In this thesis, a laser-plasma accelerator operating at the kHz repetition rate was developed and built. This source generate electron bunches at 100 keV from 3 mJ and 25 fs laser pulses. The physics of the acceleration has been studied, and the effect of the laser wavefront on the electron transverse distribution has been demonstrated.The first electron diffraction experiments with such a source have been realized. An experiment, which was a proof of concept, showed that the quality of the source permits to record nice diffraction patterns on gold and silicium foils. In a second experiment, the structural dynamics of a silicium sample has been studied with a temporal resolution of the order of a few picoseconds.The electron bunches must be accelerated to relativistic energies, at a few MeV, to reach a sub-10 fs temporal resolution. A numerical study showed that ultra-short electron bunches can be accelerated using 5 fs and 5 mJ laser pulses. A temporal resolution of the order of the femtosecond could be reached using such bunches for electron diffraction experiments. Finally, an experiment of the ionization-induced compression of the laser pulses has been realized. The pulse duration was shorten by a factor of 2, and the homogeneity of the process has been studied experimentally and numerically.

Le progrès continu de la technologie laser a récemment permis l’avancement spectaculaire d’accélérateurs de particules par onde de sillage. Cette technique permet la génération de champs électriques très forts, pouvant dépasser de trois ordres de grandeurs ceux présents dans les accélérateurs conventionnels. L’accélération résultante a lieu sur une distance très courte, par conséquent les effets de la charge d’espace et de la dispersion de vitesse sont considérablement réduits. Les paquets de particules ainsi générés peuvent alors atteindre des durées de l’ordre de la femtoseconde, qui en fait un outil prometteur pour la réalisation d’expériences de diffraction ultra-rapide avec une résolution inégalée de l’ordre de quelques femtosecondes. La génération de tels paquets d’électrons avec des lasers de 1 J et d’une durée de 30 fs est à présent bien établie. Ces paramètres permettent de produire des faisceaux d’électrons de quelques centaines de MeV, et sont donc inadaptés aux expériences de diffraction. De plus, le taux de répétition de ces lasers de haute puissance est limité à quelques Hz, ce qui est insuffisant pour des expériences exigeant une bonne statistique de mesure. Notre groupe a utilisé un laser de pointe développé au laboratoire par le groupe PCO générant des impulsions de quelques millijoules, d’une durée de 3.4 fs - à peine 1.3 cycle optique - à une cadence de 1 kHz, pour accélérer des électrons par onde de sillage. Ce travail de thèse présente d’une part la première démonstration d’un accélérateur des particules relativistes opéré dans le régime de la bulle à haute cadence. L’utilisation de buses microscopiques a permis l’obtention de charges de dizaines de pC par tir. De plus, cette thèse vise à l’élargissement de notre compréhension des lois d’échelle d’accélération laser-plasma. Nous espérons que notre travail visant à la fiabilisation et l’optimisation de cette source permettra à terme de proposer un instrument accessible et fiable à la communauté scientifique, que ce soit pour la diffraction d’électrons, l’irradiation ultra-brève d’échantillons ou la génération de rayons X. / Continuing progress in laser technology has enabled dramatic advances in laser wakefield acceleration (LWFA), a technique that permits driving particles by electric fields three orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators. Due to significantly reduced space charge and velocity dispersion effects, the resultant relativistic electron bunches have also been identified as a candidate tool to achieve unprecedented sub-10 fs temporal resolution in ultrafast electron diffraction (UED) experiments. High repetition rate operation is desirable to improve data collection statistics and thus washout shot-to-shot charge fluctuations inherent to plasma accelerators. It is well known that high-quality electron beams can be achieved in the blowout, or "bubble" regime, which is at present regularly accessed with ≈ 30 fs Joule-class lasers that can perform up to few shots per second. Our group on the contraryutilized a cutting edge laser system producing few-mJ pulses compressed nearly to a single optical cycle (3.4 fs) to demonstrate for the first time an MeV-grade particle accelerator with properties characteristic to the blowout regime operating at 1 kHz repetition rate. We further investigate the plasma density profile and exact laser pulse waveform effects on the source output, and show that using special gas microjets a charge of tens of pC/shot can be achieved. We expect this technique to lead to a generation of highly accessible and robust instruments for the scientific community to conduct UED experiments or to be used for other applications. This work also serves to expand our knowledge on the scalability of laser-plasma acceleration.

This thesis considers the problem of calculating and observing the mixing of modes of positive and negative frequency in inhomogeneous, dispersive media. Scattering of vacuum modes of the electromagnetic field at a moving interface in the refractive index of a dielectric medium is discussed. Kinematics arguments are used to demonstrate that this interface may, in a regime of linear dispersion, act as the analogue of the event horizon of a black hole to modes of the field. Furthermore, a study of the dispersion of the dielectric shows that five distinct configurations of modes of the inhomogeneous medium at the interface exist as a function of frequency. Thus it is shown that the interface is simultaneously a black- and white-hole horizon-like and horizonless emitter. The role, and importance, of negative-frequency modes of the field in mode conversion at the horizon is established and yields a calculation of the spontaneous photonic flux at the interface. An algorithm to calculate the scattering of vacuum modes at the interface is introduced. Spectra of the photonic flux in the moving and laboratory frame, for all modes and all realisable increase in the refractive index at the interface are computed. As a result of the various mode configurations, the spectra are highly structured in intervals with black-hole, white-hole and no horizon. The spectra are dominated by a negative-frequency mode, which is the partner in any Hawking-type emission. An experiment in which an incoming positive-frequency wave is populated with photons is assembled to observe the transfer of energy to outgoing waves of positive and negative frequency at the horizon. The effect of mode conversion at the interface is clearly shown to be a feature of horizon physics. This is a classical version of the quantum experiment that aims at validating the mechanism of Hawking radiation.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Konzept der radial nicht-oszillierenden, zeitlich stabilen ultrakurzen Bessel ähnlichen Strahlen oder "Nadelstrahlen" ("needle beams"), die zu einer Klasse von optischen hochlokalisierten Wellenpaketen generalisiert werden. Hierbei wird die Theorie über das räumlich-zeitlichen Ausbreitungsverhaltens von nicht auseinanderdriftenden Nadelstrahlen mit Pulsdauern von kleiner als 10 fs näher diskutiert. Dies wird durch eine systematische Darstellung der Methoden zur Generierung und Detektierung von lokalisierten Wellen komplettiert, die ein optischen Drehmoment tragen. Für die Erzeugung von HLWs kommen räumliche Lichtmodulatoren zum Einsatz, die ein flexibles Zuschneiden von Wellenpaketen mit der Dauer weniger Zyklen des EM-Feldes erlauben. Es wird gezeigt, dass solche optischen Pulse sich über beträchtliche Entfernungen ausbreiten, ohne dass sich dabei signifikant der Strahldurchmesser vergrößert oder der Puls zeitlich verbreitert. In variabler Weise werden verschiedene geometrische (z.B. ringförmige) Lichtverteilungen erzeugt. Anwendungspotential findet sich insbesondere in den Techniken der räumlichen Pulsformung und Diagnostik. Als besonders wichtiger Ansatz ist der Zeit-Wellenfront-Sensor zu erwähnen, welcher die nichtlineare, mehrkanalige Autokorrelation, die Wellenfrontdetektion mittels nichtdiffraktiver Teilstrahlen nach dem Shack-Hartmann-Prinzip und eine adaptive Funktionalität miteinander vorteilhaft verbindet. Das enorme Potential solcher Ansätze wird durch die hohe Genauigkeit orts-, winkel- und zeitabhängiger Rekonstruktionen der Wellenpakete nachgewiesen. Darüber hinaus ermöglicht das räumliche Kodieren und anschließende Verfolgen der Teilstrahlen eine wesentliche Verbesserung der Identifikation relevanter Parameter von Verteilungsfunktionen. Schließlich werden erste Schritte zur experimentellen Generation von optischen "light bullets" mit ganzzahligen und fraktalen orbitalen Drehmomenten präsentiert. / This thesis deals with the concept of radially non-oscillating, temporally stable ultrashort-pulsed Bessel-like beams or "needle pulses", which are an example of a highly localized wave packet (HLW). HLWs are the closest approximation of linear-optical light bullets and provide specific benefits compared to conventional Gaussian-like light bullets. The spatio-temporally nonspreading propagation behavior of few-cycle needle beams of less than 10 fs duration will be theoretically discussed in detail. An overview of the generation and detection of localized waves carrying an orbital angular momentum is also given. High fidelity spatial light modulators are used for the generation of HLWs. The flexible tailoring of few-cycle wave packets at near-infrared wavelengths is reported. It is shown that such pulses propagate over a huge depth of focus, neither significantly changing their spot size or nor the pulse duration. Variable geometrical distributions like circular disks, rings, or bars of light are shaped and exploited as building blocks for structures of higher complexity. Another section of the thesis emphasizes the numerous potential applications of related techniques for an optimized two-dimensional spatial pulse shaping and diagnostics (reduce ambiguities) based on localized waves. As a particularly important example, time-wavefront sensing is used to combine nonlinear multichannel autocorrelation with Shack-Hartmann wavefront sensing by means of localized sub-beams and adaptive functionality. The capabilities of such devices are illustrated by the results of angular and temporal mapping of few-cycle wave packets. Moreover, spatial encoding and subsequent tracking of individual sub-beams, even at incident angles of up to 50°, enables to significantly improve the spot recognition. Finally, first steps towards the generation of optical light bullets carrying integer or non-integer orbital angular momenta are presented.