Les développements récents dans le domaine des technologies laser ont ouvert d'intéressantes perspectives en ce qui concerne l'étude de molécules en champ électromagnétique intense. Du point de vue de la théorie, seule la molécule la plus simple H₂ et son ion H₂⁺ ont été abondamment étudiés. Expérimentalement, il est cependant malaisé d'exposer un ion moléculaire à un champ laser intense et en particulier, d'en connaître et d'en contrôler l'état vibrationnel de départ. Un montage expérimental nous a permis de déterminer l'excitation vibrationnelle accompagnant l'ionisation de H₂ par impulsions brèves et intenses. Les résultats montrent une excitation beaucoup plus faible que celle supposée pendant plus de dix ans. Cette étude a démontré qu'il est possible de produire en abondance des ions moléculaires dans un état d'excitation vibrationnelle et rotationnelle bien précis grâce à une résonance avec un état intermédiaire à fort caractère de Rydberg. Des expériences nécessitant la sélection du niveau vibrationnel initial de l'ion sont alors réalisables. Nous avons ainsi pu mesurer, en injectant dans l'anneau de stockage TSR de Heidelberg les paquets d'ions produits par notre laser nanoseconde accordable, la section efficace de recombinaison dissociative et d'excitation dissociative de H₂⁺, dans les états quantiques v⁺=0 et 1, N⁺=1, 2 et 3, et d'en observer la désexcitation vibrationnelle par collision avec des électrons lents. Ces données sont du plus grand intérêt car elles peuvent être directement comparées à la théorie sans faire intervenir de moyenne thermodynamique. Nous pouvons aussi nous intéresser au comportement d'ions parfaitement caractérisés du point de vue de leur état quantique en présence d'un champ laser bref et intense, voire d'une séquence d'impulsions. Les expériences réalisées jusqu'ici ne concernent que des ions préparés par impact électronique dans une distribution vibrationnelle de type Franck-Condon. Seuls les effets dus aux niveaux élevés ont pu être mis en évidence, ce qui pourra être évité en produisant sélectivement H₂⁺ dans les niveaux de vibration v⁺=0 ou 1. Des résultats préliminaires ont été obtenus, et une technique de piégeage a été élaborée pour pouvoir réaliser de telles expériences dans l'avenir, combinant des lasers dont le taux de répétition diffère de plusieurs ordres de grandeur.

Nous présentons dans cette thèse deux études liées à la dynamique de sources sur accélérateur. La première étude concerne le contrôle de structures turbulentes apparaissant dans des lasers à électrons libres (LEL), et plus généralement dans les systèmes spatio-temporels soumis à une dérive. Dans ces systèmes, lorsque la dérive devient trop importante, des structures induites par du bruit apparaissent, et rendent le système instable. Nous montrons qu'une simple rétroaction avec un décalage spatial permet de rendre le régime régulier. Un fait remarquable est que le gain nécessaire à la ``stabilisation'' est extrêmement faible, 10 puissance - 8 pour l'expérience sur le LEL de UVSOR au Japon.La deuxième étude traite du rayonnement synchrotron cohérent (CSR) induit par laser dans un anneau de stockage. Nous montrons dans un premier temps qu'en imprimant un motif périodique dans l'espace des phases du paquet d'électrons avec une impulsion laser externe, il est possible d'obtenir un rayonnement synchrotron cohérent, étroit spectralement, et accordable dans le domaine térahertz. Un rayonnement crête jusqu'à 10 000 fois supérieur au rayonnement classique (incohérent) a été mesuré à UVSOR. Dans un deuxième temps, nous montrons que cette interaction laser/électrons permet d'obtenir des informations sur l'instabilité CSR, instabilité qui apparaît lorsque la densité du paquet d'électrons dépasse une valeur seuil. En particulier, nous montrons expérimentalement, par l'observation de précurseurs, que l'instabilité naît à partir de l'amplification de certaines longueurs d'ondes. / In this thesis, we present two studies on the dynamics of accelerator-based sources.The first study concerns the control of ``turbulent patterns'' which appear in some free electron lasers (FEL), and more generally in spatio-temporal systems submitted to a permanent drift. Large drift velocities typically lead to a particular type of instability, characterized by the appearance of noise sustained structures. We show that this type of turbulent behavior can be suppressed by adding a non-local additive feedback. As a remarkable fact, the gain needed for the ``stabilization'' can be extremely small, 10 power -8 for the experiments performed on the UVSOR-II FEL in Japan.The second study is devoted to laser-induced coherent synchrotron radiation (CSR) in a storage ring. In a first step, we show that it is possible to imprint a periodic pattern in the electron bunch phase-space using an external laser. This allow to obtain a tunable coherent emission (CSR) in the terahertz range. Terahertz pulse energy larger by a factor 1000-10 000 with respect to normal (incoherent) synchrotron radiation were thus measured at UVSOR-II. In a second step, we show that this laser-electron beam interaction allows to obtain new information on the CSR instability, which appears when the electron bunch density exceeds a threshold value. In particular, we show experimentally, with the observation of instability precursors, that the instability arises from the amplification of some characteristic wavenumbers.

Commençons par rappeler que l'objectif de la thèse était double : - numérique : il s'agissait de développer un code capable de simuler la saturation de l'instabilité de diffusion Raman stimulée (SRS) via le couplage avec les ondes acoustiques ioniques dans une description fluide, en plasma homogène et inhomogène et en géométrie multidimensionnelle. La modélisation choisie est basée sur un système composé d'équations de type paraxiales pour les équations électromagnétiques et de type Zakharov pour les équations des ondes de Langmuir et des ondes sonores. Le problème a été traité dans un milieu ouvert où, contrairement à un milieu périodique, la définition des conditions aux limites se doit d'être robuste sans que les artefacts numériques introduits ne faussent les résultats physiques, notamment en plasma inhomogène où la présence de points paraboliques est en mesure de déstabiliser les instabilités absolues, ce qui ajoute une "difficulté" supplémentaire non négligeable. - physique : il s'agissait d'analyser les mécanismes de saturation non-linéaire de l'instabilité Raman et d'établir, dans la mesure du possible, des lois d'échelle. De façon à tester les potentialités et les limites de notre code, nous avons choisi de nous concentrer plus particulièrement sur le régime kLλDe ∼ 0.2 (où kL est le nombre d'onde fondamental de l'onde de Langmuir générée par l'instabilité Raman et λDe la longueur de Debye électronique). Ce régime est certainement le régime le plus difficile à étudier dans le sens où il est intermédiaire entre les régimes extrêmes (i) kLλDe = 0.1 avec la présence de la cavitation et (ii) kLλDe = 0.3 qui donne un amortissement Landau électronique fort et des effets cinétiques, et pour cette raison tous les processus sont suceptibles de se développer, comme nous l'avons effectivement observé.

Les travaux de cette thèse ont eu pour but la conception de guides d'onde dans des verres de chalcogénure, par une technique de photo-inscription. Celle-ci consiste à focaliser un laser femtoseconde dans le matériau et de l'interaction lumière-matière, il en résulte une variation d'indice de réfraction (Δn) permanente. Cette technique est rapide, en une seule étape et ne nécéssite pas l'intervention de processus chimique. De plus, elle permet la réelle conception de dispositifs en trois dimensions. Deux verres ont été étudiés, le GeGaS et l'As₂S₃. Les phénomènes responsables de ces modifications ont été étudiés et décrits pour chacun des verres. Dans le premier verre, la propagation d'un faisceau sous la forme de filament a été mise en évidence. Du déplacement des charges, il découle une modification de la structure du réseau vitreux qui conduit à une variation d'indice positive. Cette As₂S₃ a été étudiée et il a été montré que son amplitude est contrôlable au travers du taux de répétition du laser ou de la vitesse de déplacement de l'échantillon, alors que son diamètre reste constant indépendamment des conditions expérimentales. Dans le deuxième verre, des effets d'origine thermique ont été mis en évidence. Pour ce verre d'As₂S₃, alors que les Δn obtenues classiquement sont négatives, l'utilisation d'une trajectoire hélicoïdale innovante a mené à la réalisation de guides d'onde. Après une analyse systématique des différents paramètres expérimentaux, une maîtrise de l'amplitude de Δn et du diamètre du guide a été obtenue. Ainsi, des guides d'ondes monomodes, avec des propriétés équivalentes à l'état de l'art, ont été réalisé en une seule étape. / This thesis aimed at the waveguide conception in chalcogenide glass, with a photo-writing technique. This one consists on a laser focus into the material, from the light-matter interaction it results a permanent refractive index variation (Δn). This technique is fast, single step and it doesn't require any chemical process intervention. Furthermore it really enables the three dimensional devices design. Two glasses were studied, one is the GeGaS and the other the As₂S₃. The responsible phenomena of these modifications was studied and described for each of the glasses. In the first one, the beam propagation on a filament form was highlighting. From the charge displacement, it ensues a modification of the glassy network structure which leads to a positive index variation. This Δn was studied and it was shown that its amplitude is controllable trhough the laser repetition rate or with the sample displacement velocity while its diameter remains constant independently of the experimental conditions. Into the second glass, effects of thermal origin were highlighted. For this As₂S₃ glass, while classical photo-writing Δn are negative, the use of an innovative helical trajectory led to the waveguide conception. After a systematic analysis of the experimental parameter influence, a control of the Δn amplitude and of the waveguide diameter was obtaines. So, monomode waveguides, with equivalent properties to the state-of-the-art, were realized in a single step.

La diffusion Thomson linéaire – qui correspond à la diffusion d'une onde - électromagnétique de faible intensité par des électrons – est un processus radiatif qui émet du rayonnement à la même fréquence que celle du rayonnement incident. Cependant, lorsque l'intensité de l'onde électromagnétique incidente devient très importante (intensité laser supérieure à 1018 W/cm2), les électrons oscillant dans l'impulsion laser atteignent des vitesses relativistes et ont un mouvement fortement non linéaire. L'onde électromagnétique qu'ils diffusent est alors constituée d'harmoniques pouvant atteindre le domaine spectral des rayons X et la distribution spatiale du rayonnement est anisotrope. La diffusion Thomson est alors dite nonlinéaire et a été proposée à plusieurs reprises comme une source de rayonnement X femtoseconde. Ce n'est qu'aujourd'hui, grâce au développement des lasers intenses, que ce processus radiatif peut être étudié dans le domaine spectral X. Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la démonstration expérimentale et à l'étude numérique du rayonnement de diffusion Thomson nonlinéaire X-UV produit lors de l'interaction Laser-Plasma.

La généralisation du procédé d’assemblage par collage au sein des structures aérospatiales, aéronautiques et automobiles est confrontée au besoin d’évaluation non destructive quantitative des assemblages. Le procédé de test d’adhérence par choc laser (LASAT) répond à cette problématique par la sollicitation calibrée des joints collés et l’utilisation de diagnostics non-destructifs pour déterminer l’état résiduel des joints suite à cette sollicitation qui doit décoller les joints faibles et préserver l’intégrité structurelle des assemblages corrects. La détermination des paramètres laser optimaux pour mettre en œuvre ce test d’épreuve non-destructif (ND-LASAT) est réalisée par l’application d’une méthodologie bien définie. Cette dernière implique la caractérisation par une approche expérimentale et numérique de l’assemblage considéré, suivie d’une phase d’optimisation. La diversification des configurations d’interaction-laser matière impliquées dans ces configurations optimisées nécessite de disposer d’outils numériques pour prédire les chargements appliqués aux joints collés. Dans cette étude, le développement et la validation de modèles intégrés dans un code multi-physique répond à ce besoin. Un effort particulier a été porté sur l’évaluation de la précision des chargements simulés. Enfin, la démonstration du procédé ND-LASAT sur trois différents assemblages collés a été réalisée, validant ainsi la méthodologie et la chaine numérique développées dans cette étude. / Bonding process generalization within aerospace, aeronautical and automotive structures faces the need of quantitative non-destructive evaluation of assemblies. Laser shock adhesion test (LASAT) meets this requirement by applying a calibrated stress to bonded joints and using non-destructive diagnostics to determine the post-shock state of the joint. The calibrated stress must disbond weak joints and keep correct assemblies intact. Optimal laser parameters determination aims at implementing this non-destructive proof test (ND-LASAT). It is achieved through application of a well-defined methodology, which implies the concerned assembly characterization by an experimental and numerical approach, followed by an optimization step. Optimization implies diversification of laser-matter configurations. Use of numerical tools for predicting loadings applied to bonded joints is then required. Models development within a multi-physics code is proposed and validated here to respond to this need. A significant effort has been made for evaluating models’ precision. Experimental demonstration of ND-LASAT process is achieved on three different bonded assemblies, and thus validating both methodology and numerical chain developed in this study.

L'avènement d'une nouvelle génération de lasers ultra-relativistes (d'éclairement supérieur à 10^22 W/cm2), tels le laser APOLLON sur le plateau de Saclay, donnera lieu à un régime d'interaction laser-matière sans précédent, couplant physique des plasmas relativistes et effets électrodynamiques quantiques. Sources de particules et de rayonnements aux propriétés énergétiques et spatio-temporelles inédites, ces lasers serviront, entre autres applications, à la mise au point de nouveaux concepts d'accélérateurs et de diagnostics radiographiques, au chauffage de plasmas denses, comme à la reproduction de configurations astrophysiques en laboratoire. En prévision des futures expériences, les codes particle-in-cell (PIC), qui constituent les outils de référence pour la simulation de l'interaction laser-plasma, doivent être enrichis des processus radiatifs et quantiques propres à ce nouveau régime d'interaction. C'est le cas du code CALDER développé au CEA/DAM, qui modélise désormais l'émission de photons énergétiques et la conversion de ceux-ci en paires électron-positron ; autant d'effets susceptibles d'affecter le bilan d'énergie de l'interaction laser-cible et, plus précisément, le rendement du laser en particules et rayonnements énergétiques. L'objet de ce stage théorique est d'étudier, à l'aide du code CALDER, l'influence de ces processus dans un certain nombre de scénarios physiques en champ extrême (accélération électronique et ionique dans un plasma surcritique, production de rayonnement, génération de choc non-collisionnel…). / Forthcoming multi-petawatt laser systems, such as the French Apollon and European Extreme Light Infrastructure facilities, are expected to deliver on-target laser intensities exceeding 10^22 W/cm^2. A novel regime of laser-matter interaction will ensue, where ultra-relativistic plasma effects are coupled with copious generation of high-energy photons and electron-positron pairs. This will pave the way for many transdisciplinary applications in fundamental and applied research, including the development of unprecedentedly intense, compact particle and radiation sources, the experimental investigation of relativistic astrophysical scenarios and tests of quantum electrodynamics theory.In recent years, most theoretical studies performed in this research field have focused on the impact of synchrotron photon emission and Breit-Wheeler pair generation, both directly induced by the laser field and believed to be dominant at intensities >10^22 W/cm^2. At the lower intensities (≲10^21 Wcm^(-2)) currently attainable, by contrast, photon and pair production mainly originate from, respectively, Bremsstrahlung and Bethe-Heitler/Trident processes, all triggered by atomic Coulomb fields. The conditions for a transition between these two regimes have, as yet, hardly been investigated, particularly by means of integrated kinetic numerical simulations. The purpose of this PhD is precisely to study the aforementioned processes under various physical scenarios involving extreme laser-plasma interactions. This work is carried out using the particle-in-cell CALDER code developed at CEA/DAM which, over the past few years, had been enriched with modules describing the synchrotron and Breit-Wheeler processes.Our first study aimed at extending the simulation capabilities of CALDER to the whole range of photon and positron generation mechanisms arising during relativistic laser-plasma interactions. To this purpose, we have implemented modules for the Coulomb-field-mediated Bremsstrahlung, Bethe-Heitler and Trident processes. Refined Bremsstrahlung and Bethe-Heitler cross sections have been obtained which account for electronic shielding effects in arbitrarily ionized plasmas. Following validation tests of the Monte Carlo numerical method, we have examined the competition between Bremsstrahlung/Bethe-Heitler and Trident pair generations by relativistic electrons propagating through micrometer copper foils. Our self-consistent simulations qualitatively agree with a 0-D theoretical model, yet they show that the deceleration of the fast electrons due to target expansion significantly impacts pair production.We then address the competition between Bremsstrahlung and synchrotron emission from copper foils irradiated at 10^22 Wcm^(-2). We show that the maximum radiation yield (into >10 keV photons) is achieved through synchrotron emission in relativistically transparent targets of a few 10 nm thick. The efficiency of Bremsstrahlung increases with the target thickness, and takes over synchrotron for >2μm thicknesses. The spectral properties of the two radiation processes are analyzed in detail and correlated with the ultrafast target dynamics.Finally, we investigate the potential of nanowire-array targets to enhance the synchrotron yield of a 10^22 Wcm^(-2) femtosecond laser pulse. Several radiation mechanisms are identified depending on the target parameters and as a function of time. A simulation scan allows us to identify the optimal target geometry in terms of nanowire width and interspacing, yielding a ∼10% radiation efficiency. In this configuration, the laser-driven nanowire array rapidly expands to form a quasi-uniform, relativistically transparent plasma. Furthermore, we demonstrate that uniform sub-solid targets can achieve synchrotron yields as high as in nanowire arrays, but that the latter enable a strong emission level to be sustained over a broader range of average plasma density.

L'objet de ce travail était étudier l'influence des collisions électron-électron sur la dynamique électronique et ionique d'un agrégat de sodium lors d'une excitation laser femtoseconde. Dans ce but, nous avons utilisé une approche semi-classique qui substitue à la fonction d'onde à N corps quantique représentant les électrons de valence de l'agrégat, une fonction de distribution dans l'espace des phases. L'avantage formel d'une représentation semi-classique est qu'elle permet d'inclure facilement, via les équations cinétiques, le terme de collision d'Ühling-Uhlenbeck (UU), pour aller au-delà du champ moyen. L'évolution en temps de la fonction de distribution est ainsi régie par l'équation de Vlasov-Ühling-Uhlenbeck (VUU), qui est résolue numériquement, à l'aide de la méthode des particules test.

Ce travail de thèse développe un modèle physique de découpe de métaux par laser. Le procédé complet est divisé en une série de processus élémentaires qui s'étend de la propagation de faisceaux laser gaussiens jusqu'à l'évacuation du métal fondu sous l'action de cisaillement du gaz de découpe. L'ensemble des processus élémentaires est alors unifié au sein d'un modèle stationnaire 2D, « auto-consistant », fournissant la géométrie du front avant de la saignée de découpe. Les comparaisons entre résultats de simulation et expériences de « découpe pure » fournissent de très bonnes corrélations. Par ailleurs, des expériences complémentaires semblent indiquer que l'absorptivité réelle est d'environ 20% supérieure à celle prédite par le modèle de Drude et les équations de Fresnel. La non-planéité et la non-stationnarité du front d'absorption peuvent justifier une telle augmentation. Finalement, nous ouvrons les perspectives en présentant un modèle 3D de la géométrie de la saignée de découpe. Nous abordons la découpe laser sous oxygène et finissons par une approche des stries de découpe.

L'interaction d'impulsions lasers brèves et intenses avec un plasma est une source intéressante d'ions énergétiques. Les travaux effectués au cours de cette thèse s'articulent autour de deux grandes thématiques : la production de protons par laser, et leur utilisation pour le chauffage isochore, avec, pour principal outil d'étude, la simulation à l'aide de codes numériques (cinétique particulaire et hydrodynamique). Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement de l'énergie cinétique maximale des protons qu'il est possible d'accélérer avec le mécanisme du Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), en régime sub-ps, en fonction de différents paramètres, notamment de la durée d'impulsion laser. Nous avons montré que l'allongement de la durée d'impulsion, à énergie laser constante, est responsable du préchauffage et de la détente du plasma avant l'arrivé du pic d'intensité. Les gradients de densité ainsi produits (face avant et face arrière) peuvent favoriser, ou au contraire pénaliser, le gain en énergie cinétique des protons. Les résultats obtenus ont servi à l'interprétation d'une étude expérimentale réalisée au Laboratoire d'Optique Appliquée. Nos efforts se sont ensuite concentrés sur l'élaboration d'un modèle semi-analytique rendant compte de l'énergie cinétique maximale des protons accélérés par le biais du TNSA. Ce modèle permet de retrouver l'ordre de grandeur des intensités nécessaires, de l'ordre de 6x1021 W/cm², pour atteindre des énergies de proton supérieures à 150 MeV avec des impulsions laser de quelques joules et plusieurs dizaines de fs. Dans la dernière partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'utilisation de ces faisceaux de protons pour le chauffage isochore. Nous avons caractérisé, dans un premier temps, les fonctions de distribution produites par des cibles composées d'un substrat lourd (A >> 1) sur la face arrière duquel est déposé un plot d'hydrogène (schéma d'Esirkepov). Ensuite, à partir de simulations hydrodynamiques, nous avons étudié le temps caractéristique de détente de la cible chauffée en modifiant des paramètres tels que la distance à la source de protons, l'intensité et la tache focale du laser, et la densité surfacique du plot. Nous avons enfin étendu cette étude aux cibles cylindriques et nous avons montré qu'il est possible de réduire les effets liés à la divergence naturelle du faisceau de protons et ainsi d'obtenir des températures plus élevées.