Le travail de cette thèse s'inscrit dans le vaste domaine de l'astrophysique de laboratoire, avec la création et la caractérisation d'un régime dans lequel la matière et le rayonnement sont étroitement couplés. Cela met en jeu des techniques de génération de chocs très rapides et très chauds conduisant à ce que l'on appelle les chocs radiatifs. L'objectif de cette thèse est d'une part de recréer en laboratoire les conditions d'un choc radiatif, d'autre part de l'étudier en mesurant un grand nombre de paramètres simultanément pour donner une cohérence la plus haute possible. On présentera aussi pour chaque mesure, la comparaison avec les codes de simulation de l'hydrodynamique radiative. Au cours de cette thèse, nous avons effectué au sein du laboratoire LULI deux campagnes expérimentales sur deux installations laser différentes (l'ancienne chaîne 6F et le tout nouveau LULI2000). La première campagne s'est déroulée en 2002 et la seconde au début 2005. Ces expériences ont fait l'objet de nombreuses collaborations. Outre l'apport important des équipes techniques du LULI (équipe laser, équipe d'exploitation, équipe mécanique, ...), les équipes extérieures (le CEA-DAM, le LUTH et le GEPI de l'observatoire de Paris Meudon et l'université de Rome «La Sapienza» en Italie) ont notamment participé à la définition des expériences, la conception et fabrication des cibles et au calcul numérique.

Cette thèse de doctorat s'intègre dans le cadre des études tant expérimentales que théoriques sur la production et l'accélération de faisceaux de particules par interaction laser plasma en régime relativiste. Dans la première partie de ce mémoire, les différents mécanismes physiques à l'origine de la production de neutrons, d'électrons et de protons sont passés en revue et discutés. La deuxième partie s'intéresse à la production de neutrons par la réaction D(d,n)3He utilisée comme diagnostic de la température ionique d'un plasma sous dense. Lors de la production de faisceaux d'électrons à partir d'un faisceau laser ultra-court focalisé sur un jet de gaz, un nouveau régime d'accélération, le "sillage forcé", a été mis en évidence. Cette étude fait l'objet de la troisième partie. Il a été montré expérimentalement et théoriquement que l'utilisation d'un laser compact peut produire un faisceau d'électrons très énergétiques et de bonne qualité. La dernière partie est consacrée à la génération de faisceaux de protons avec une cible solide et mince à partir de la même chaîne laser. Pour chaque type de sources de particules, plusieurs applications sont discutées dans les domaines de la physique des accélérateurs, pour la physique médicale et pour la génération de rayonnement X par des processus secondaires.

Face au développement actuel des nanotechnologies, l'étude et la caractérisation des propriétés thermiques des couches minces et des nanomatériaux devient nécessaire pour le développement et la qualité des nouvelles technologies. Notre système expérimental a été conçu et mis en oeuvre dans le but d'étudier les différents phénomènes qui régissent l'interaction matière/laser nanoseconde en temps réel. Ce système est composé de deux méthodes optiques complémentaires : la réflectivité résolue en temps RRT et la pyrométrie infrarouge rapide PIR. Nous avons montré dans un premier temps la possibilité d'étudier en temps réel les modifications de l'état de surface d'une couche mince métallique déposée sur un substrat isolant, le phénomène de photoluminescence ainsi que la cinétique de fusion/resolidification et celle de l'ablation. De plus, nous présenterons une méthode originale afin de déterminer les propriétés thermiques (la capacité calorifique volumique et la conductivité thermique) des surfaces nanostructurées. L'analyse nécessite une préparation de l'échantillon ainsi que l'utilisation d'un modèle théorique éprouvé que l'on ajuste avec un algorithme d'optimisation sur nos relevés expérimentaux.

Face au développement actuel des nanotechnologies, l'étude et la caractérisation des propriétés thermiques des couches minces et des nanomatériaux devient nécessaire pour le développement et la qualité des nouvelles technologies. Notre système expérimental a été conçu et mis en oeuvre dans le but d'étudier les différents phénomènes qui régissent l'interaction matière/laser nanoseconde en temps réel. Ce système est composé de deux méthodes optiques complémentaires : la réflectivité résolue en temps RRT et la pyrométrie infrarouge rapide PIR. Nous avons montré dans un premier temps la possibilité d'étudier en temps réel les modifications de l'état de surface d'une couche mince métallique déposée sur un substrat isolant, le phénomène de photoluminescence ainsi que la cinétique de fusion/resolidification et celle de l'ablation. De plus, nous présenterons une méthode originale afin de déterminer les propriétés thermiques (la capacité calorifique volumique et la conductivité thermique) des surfaces nanostructurées. L'analyse nécessite une préparation de l'échantillon ainsi que l'utilisation d'un modèle théorique éprouvé que l'on ajuste avec un algorithme d'optimisation sur nos relevés expérimentaux. / The recent development of nanotechnology has made the study and the characterisation of thermal properties of thin films and nanomaterials very important for the development and the quality of new technologies. Our experimental setup is designed and built in order to study different phenomena, in real time, that arise while the interaction of a laser with materials at the nanosecond scale. This system is composed of two complementary optical diagnostics, the time resolved reflectivity and the fast infrared pyrometry. First, we have shown the ability to study in real time the surface structural changes in the case of a thin metal layer deposited on an insulating substrate, the phenomenon of photoluminescence and the kinetics of melting/resolidification and also the ablation. In addition, we present a novel method in order to determine the thermal properties (volumetric heat capacity and thermal conductivity) of nanostructured surfaces. The analysis is based on the use of a proven theoretical model that is adjusted with an optimisation algorithm on our experimental measurements.

Le moment angulaire est une quantité essentielle pour l'étude d'objets en interaction. Tout comme la matière, un rayonnement porte du moment angulaire. Il se décompose en deux composantes, moment angulaire de spin (MAS) et moment angulaire orbital (MAO). Chacune de ces composantes a des propriétés spécifiques et ont donné lieu à de nombreuses applications en utilisant de la lumière dans le domaine visible et infrarouge. Dans cette thèse, nous nous proposons d'étudier le comportement des deux types de moment angulaire de la lumière dans un processus très non-linéaire appelé génération d'harmoniques d'ordre élevé (GHOE). Dans ce processus physique connu depuis 1987, un laser infrarouge intense est focalisé dans un jet d'atomes ou de molécules, ce qui dans le bon régime d'intensité permet de générer un rayonnement à courte longueur d'onde (domaine extrême ultraviolet) et extrêmement bref (attoseconde, 1 as = 10⁻¹⁸ s). Nous commençons par décrire théoriquement ce processus, ainsi que définir de manière approfondie la notion de moment angulaire de la lumière. Nous étudions ensuite la GHOE à partir d'un faisceau infrarouge portant du MAO, ce qui nous permet d'obtenir une source unique, générant des impulsions lumineuses ultrabrève de moment angulaire orbital contrôlé et de longueur d'onde de l'ordre de 10nm. Nous étudions étudions la GHOE à partir de faisceaux portant du MAS. En utilisant une résonance du gaz de génération, nous parvenons à transmettre ce moment angulaire au rayonnement extrême ultraviolet. Ce rayonnement est ensuite utilisé pour mesurer des dichroïsmes circulaires de photoionisation dans des molécules chirales, mesures auparavant réservées aux sources synchrotrons. Ceci ouvre la voie à des mesures chirotpiques résolues en temps à l'échelle femto/attoseconde. / Angular momentum is an ubiquitous quantity in all areas of physics. Just like matter, radiation carries angular momentum. It can be decomposed in two parts, namely the spin angular momentum (SAM) and the orbital angular momentum (OAM). Each one of these components has very specific properties and lead to numerous applications using visible and infrared light. In this thesis, we study the behavior of these two types of light angular momentum in a very non-linear process called high harmonic generation (HHG). In this physical process known since 1987, an intense infrared laser is focused into an atomic or molecular gas jet, which in the right intensity regime allows to generate a radiation which has a short wavelength (extreme ultraviolet domain) and is extremely brief (attosecond, 1 as = 10⁻¹⁸ s).We begin by describing theoretically this process, as well as defining in depth the notion of light angular momentum. We then study HHG from an infrared laser carrying OAM. This allows to obtain an unique light source, generating ultrashort light pulses of controlled orbital angular momentum with a wavelength of the order of 10 nm. We then study GHOE from beams carrying MAS. Using a resonance from the generation gas, we manage to transfer this angular momentum to the emitted extreme ultraviolet radiation. This radiation is finally used to measure photoionisation circular dichroisms in chiral molecules, measurements previously restricted to synchrotron sources. This paves the way towards chiroptic time resolved measurement on a femto/attosecond timescale.

Les ondes térahertz (THz), situées entre l'infrarouge et les micro-ondes dans le spectre électromagnétique, correspondent aux fréquences caractéristiques de nombreux mouvements moléculaires et permettent ainsi de caractériser des molécules complexes par spectroscopie dans le domaine temporel. Cette thèse a pour objectif d'étudier les champs THz émis par une source constituée d'une impulsion laser à deux couleurs générant un plasma par ionisation de l'air. En raison de l'asymétrie temporelle du champ laser, un courant électronique présentant une composante basse-fréquence dans la gamme THz est formé dans le plasma par conversion non linéaire et produit un champ secondaire comprenant une composante THz. Les effets non linéaires intervenant dans la génération du rayonnement THz sont l'effet Kerr à basse intensité (< 10¹³ W/cm²) et les photocourants à plus haute intensité (> 10¹³ W/cm²), au-dessus du seuil d'ionisation. Ce dernier mécanisme, qui génère le plus de rayonnement THz, est principalement étudié dans ce manuscrit. Si la puissance crête de l'impulsion laser est suffisamment élevée, des filaments de lumière peuvent être formés par combinaison de l'effet Kerr focalisant et de la formation d'un plasma défocalisant. Le phénomène de filamentation laser permet ainsi de créer des ondes THz à distance. En modulant l'impulsion laser, il est aussi possible de modifier les champs et spectres THz associés. En particulier, nous étudions les effets d'une dérive de fréquence et de la combinaison de multi-impulsions sur l'efficacité de conversion laser-THz. Nous consacrons en outre une large part de nos études à l'influence de l'augmentation de la longueur d'onde laser sur le rendement en énergie de l'émission THz. / The terahertz waves (THz), located between the infrared and the microwaves in the electromagnetic spectrum, correspond to the characteristic frequencies of numerous molecular motions and thus make it possible to characterize complex molecules by time-domain spectroscopy. This thesis aims to study the THz fields emitted by a source formed by a two-color laser pulse generating a plasma by air ionization. Due to the time asymmetry of the laser field, an electric current having a low-frequency component in the THz range is formed in the plasma by nonlinear conversion, generating a secondary field including a THz component. The nonlinear effects involved in the generation of THz radiation are the Kerr effect at low intensity (< 10¹³ W/cm²) and the photocurrents at higher intensity (> 10¹³ W/cm²), above the ionization threshold. This latter mechanism, which generates the most THz radiation, is mainly studied in this manuscript. If the peak power of the laser pulse is sufficiently high, light filaments can be created by combining the focusing Kerr effect and the defocusing action of the plasma. So, the filamentation process can produce THz waves remotely. By modulating the laser pulse, it is possible to modify the associated THz fields and spectra. In particular, we study the effects of pulse chirping and multi-pulse combination. We also devote a large part of our studies to the influence of increasing the laser wavelength on the THz energy yield.

Résumé : La plupart des plasmas créés en laboratoire dans des expériences relevant, par exemple, de la fusion à confinement inertiel sont des plasmas Hors Equilibre Thermodynamique Local (ETL). La modélisation de la cinétique atomique de ces plasmas est cruciale pour comprendre et diagnostiquer les propriétés radiatives de ces milieux. Il y a une forte demande pour la réalisation d’expériences de spectroscopie X dans lesquelles le plasma est caractérisé par des diagnostics indépendants. Et donc le développement de nouveaux diagnostics pour ces expériences est aussi un enjeu majeur.Dans la continuité d’une série d’expériences précédentes, on a réalisé l’étude spectroscopique de la couche K d’aluminium (Al, ZAl = 13) et de la couche L du bromure de potassium (KBr, ZK = 19, ZBr = 35). Le but est d’obtenir simultanément la mesure de l’émission X du plasma et une caractérisation la plus complète possible des paramètres hydrodynamiques du plasma émetteur. Cependant il a été difficile de reproduire ces résultats expérimentaux par les codes de simulations car les gradients de densité électronique et de température électronique étaient trop importants.Une nouvelle expérience préliminaire a été réalisée sur l’installation ELFIE sur des cibles de Z moins élevé, d’Al et de C pour montrer qu’il était possible de mieux contrôler les paramètres hydrodynamiques du plasma afin que ce dernier soit plus homogène et donc plus facile à modéliser. Suite aux résultats de cette expérience, on a pu ajuster les différentes géométries (diagnostics et cibles) afin de la reproduire sur un plasma de KBr.Dans le cadre du projet Laser MégaJoule (LMJ) des imageurs X devront observer la surface de microballons. Les résolutions à atteindre seront de l’ordre de quelques microns.On a réalisé une étude préliminaire des Lentilles à Zone de Fresnel (LZF) comme composant optique d’un nouveau microscope X à très haute résolution spatiale. On a dans un premier temps réalisé la métrologie des LZF sur des installations synchrotrons (SOLEIL, BESSY II) et laser (EQUINOX) et mesuré des résolutions inférieure à 3 µm pour un faisceau monochromatique. En ajoutant un miroir multicouche (MMC) à la LZF, on réalise une sélection spectrale de 100 eV centré sur la raie Heβ de l’aluminium (1860 eV). Ce système constitue le diagnostic Fresnel Ultra High Resolution Imager (FUHRI) a été utilisé sur l’installation LULI2000 : sa résolution a été mesurée à 3,8 µm en janvier 2015. Le diagnostic a été amélioré en 2016 par l’ajout d’une seconde voie de mesure, appelé FUHRIx2 qui permet de mesurer simultanément la taille de la zone d’émissions de deux longueurs d’onde différentes. Cette expérience est un premier pas pour montrer qu’il est possible de remonter aux paramètres hydrodynamiques grâce à la mesure à haute résolution des tailles de zones émissives des différentes raies d’un plasma.En parallèle, on a aussi testé les LZF sur le LMJ afin d’étudier leur potentiel et définir leurs conditions d’utilisation avec les restrictions d’une telle installation. / Most of plasmas created in laboratories for experiments in domains such as inertial confinement fusion are non-LTE plasmas. The modeling of the atomic kinetics of these plasmas is crucial to understand the radiative properties of these environments. There is a strong demand for experiments in which the plasma is characterized by independent X-ray spectroscopy diagnostics. Thus the development of new diagnostics for these experiments is also a major stake.In line with previous experiments, we studied L-shell X-ray mission of aluminum (Al Zal = 13) and potassium bromide (KBr, ZK = 19, ZBr = 35). The goal here is to simultaneously obtain the measurement of the plasma’s X-ray emission and the most accurate characterization possible of the hydrodynamic parameters of this emitting plasma. However it has been difficult to reproduce these experimental results with simulation codes because the electron density and temperature spatial gradients were too important. A new preliminary experiment was performed on ELFIE installation for lower Z targets, Al (Z = 12) and C (Z = 6). Its aim is to show that we were able to better control the plasma’s hydrodynamic parameters in order for it to be more homogeneous and thus easier to model.Following the results of this experiment, we could adjust the various geometries (diagnostics and targets) to reproduce it on a KBr plasma.For the Laser MegaJoule project (LMJ) X-ray imagers will observe the target surfaces. The resolutions requirements will reach the order of a few microns.We conducted a preliminary study of Fresnel zone plate (FZP) as new X-ray microscope with very high spatial resolution. Metrology measurements of FZP were performed on synchrotron facilities (SOLEIL, BESSY II) and laser (EQUINOX): its resolution was measured to be less than 3 microns for a monochromatic beam. Adding a multilayer mirror (MMC) to the FZP provides a spectral selection of 100 eV centered on Heβ line of aluminum (1860 eV). This diagnostic was named Fresnel Ultra High Resolution Imager (FUHRI) and was used on luli2000 installation: we measured a 3.8 microns total resolution in January 2015. The diagnostic was upgraded in 2016 by adding a second measurement channel, so called FUHRIx2, which provides the simultaneous measurement of the size of the emission zone of two different wavelengths. This experiment is a first step to show that it is possible to measure the hydrodynamic parameters of a laser-created plasma with high-resolution measurement of this size for multiple lines.In parallel, LZF the LMJ is also tested to investigate their potential and define their terms of use with the restriction of such a facility.

Cette thèse se concentre sur l'étude numérique de l'interaction laser ultrabref avec les diélectriques transparents. En particulier, le phénomène d'auto-organisation des nanoréseaux dans la silice est discuté et un modèle multiphysique est proposé pour expliquer le mécanisme de leur formation. Les nanoréseaux en volume sont des nanostructures périodiques de périodicité sub-longueur d'onde, qui consistent en un matériau moins dense et sont générés par une irradiation laser multi-impulsionnelle femtoseconde dans certains verres, cristaux et semiconducteurs. Leur origine physique ainsi que les conditions d'irradiation laser pour leur formation et leur effacement sont investiguées dans ce travail théorique. Pour simuler la propagation nonlinéaire dans les verres, les équations de Maxwell sont couplées avec l'équation d'évolution de la densité électronique. Il est démontré que les nanoplasmas périodiques 3D sont formés pendant l'interaction laser ultrabref avec les inhomogénéités de la silice fondue. Les nanopores induits par laser sont supposés jouer le rôle de centres inhomogènes de diffusion. La périodicité sub-longueur d'onde et l'orientation des nanoplasmas dépendante de la polarisation, révélées dans cette thèse, font d'eux un excellent candidat pour expliquer la formation des nanoréseaux en volume. En plus, il est demontré que les nano-ripples sur la surface de silice fondue et les nanoréseaux en volume ont des mécanismes de formation similaires. Pour justifier la présence de nanopores dans la silice fondue irradiée par laser, les processus de décomposition du verre sont étudiés. Premièrement, les profils de température sont calculés sur la base d'un modèle électron-ion. Ensuite, à partir des températures calculées, des critères de cavitation et de nucléation dans le verre ainsi que des équations hydrodynamiques de Rayleigh-Plesset, les conditions pour la formation des nanopores et la survie des nanoréseaux en volume sont élucidées. Pour établir les dépendances des paramètres du laser de formation et d'effacement des nanoréseaux en volume, l'approche multiphysique est développée comprenant la propagation du laser ultrabref dans le verre, les processus d'excitation/relaxation électroniques et le modèle à deux températures. Les résultats numériques fournissent les paramètres du laser en fonction de l'énergie de l'impulsion, sa durée et le taux de répétition pour induire des nanoréseaux en volume, en bon accord avec les expériences nombreuses et indépendantes de la littérature. Le travail réalisé a non seulement permis de déterminer les mécanismes de formation des nanostructures périodiques mais améliore également notre connaissance du contrôle optimal des paramètres du laser sur la réponse ultrarapide d matériau, en ouvrant des nouvelles opportunités de traitement des diélectriques par laser ultrabref / This thesis is focused on the numerical modeling of ultrashort laser interaction with transparent dielectrics. More particularly, the phenomenon of self-organized volume nanogratings in fused silica bulk is discussed and a multiphysical model is proposed to explain the mechanism of their formation. Volume nanogratings are sub-wavelength periodic nanostructures, consisting of less dense material, which are commonly induced by multipulse femtosecond laser irradiation in some glasses, crystals and indirect semiconductors. Their physical origin as well as the laser irradiation conditions for theirformation and erasure are investigated in this theoretical work. To model the nonlinear propagation inside glass, Maxwell's equations are coupled with rate equation. It is shown that three-dimensional periodic nanoplasmas are formed during ultrashort laser interaction with fused silica inhomogeneities. Laser-induced nanopores are proposed to play the role of inhomogeneous scattering centers. Subwavelength periodicity and polarization dependent orientation of the nanoplasmas, revealed in this thesis, make them a strong candidate for explaining volume nanogratings formation. Additionally, it is demonstrated that the nanoripples on fused silica surface and volume nanogratings have similar formation mechanisms. To justify the presence of nanopores in laser-irradiated fused silica bulk, glass decomposition processes are investigated. Firstly, the temperature profiles are found by incorporating the electron-ion temperature model. Then, based on the calculated temperatures, criteria for cavitation and nucleation in glass and also hydrodynamic Rayleigh-Plesset equation, the conditions for nanopores formation and for volume nanogratings survival are elucidated. To define the laser parameter dependencies on the volume nanogratings formation/erasure, a selfconsistent multiphysical approach is developed including ultrafast laser propagation in glass, multiple rate equation to take into account excitation/relaxation processes and two-temperature model. The numerical results provide a laser parameter window as a function of laser pulse energy, laser pulse duration and repetition rate for volume nanogratings consistent with numerous independent experiments. The performed work not only provides new insights into the formation mechanisms of periodic nanostructures but also improves our knowledge of the optimal laser parameter control over ultrafast material response, opening new opportunities in ultrashort laser processing of dielectrics

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse ont pour principal objectif d’aider à comprendre les différents mécanismes et phénomènes qui interviennent lors de l’interaction d’un laser avec un semiconducteur dans une analyse de circuits intégrés submicroniques. Le but étant de maitriser et améliorer les techniques d’analyse par laser en mode sonde. La miniaturisation et la densification des composants électroniques fait que les techniques d’analyse par laser atteignent leurs limites. Connaitre l’impact des différents paramètres physiques, optiques et électriques sur une analyse sonde est un facteur clé pour pouvoir améliorer la compréhension des signaux sonde mesuré. Ces travaux montrent également l’effet non négligeable de la température sur les techniques d’analyse par laser en mode sonde. / The main objective of the presented research work in this PhD thesis is to help to understand the different mechanisms and phenomena involved in the interaction of a laser with a semiconductor in the analysis of a submicron integrated circuit. The aim is to master and improve the Electro Optical Probing techniques. Miniaturization and densification of electronic components lead the failure analysis techniques using Laser to their limits. Knowing the impact of different physical, optical and electrical parameters on a probing analysis is a key to improve the understanding the measured EOP signals. These studies also show the significant effect of temperature on the EOP techniques.

L'étude de la propagation d'un faisceau laser intense dans un plasma chaud est très importante pour la fusion thermonucléaire par confinement inertiel. Nous présentons dans ce travail de thèse des expériences réalisées à l'aide d'un faisceau laser focalisé au plus proche de la limite de diffraction, afin de simplifier la géométrie de l'interaction laser plasma, et de comparer les résultats obtenus avec ceux de simulations numériques adaptées aux conditions de l'expérience. <br>Nous étudions la modification de la distribution d'intensité laser au cours du temps, et en différents plans de propagation, à partir de l'imagerie résolue en temps et en espace de cette distribution d'intensité, en champ proche et en champ lointain. <br>Nous présentons notamment la première observation expérimentale de l'instabilité de filament, l'éclatement du faisceau fonction du temps, de l'espace, du gradient de vitesse.<br>Nous donnons enfin la première et unique observation d'images de la localisation transverse de la rétrodiffusion Brillouin stimulée.