The focus of this dissertation is to study the keV X-ray emission from different Z material to develop compact, quasi-continuous tabletop K sources for the application of in-line phase contrast imaging, X-ray diffraction experiments and X-ray microscopy. The emission occurs from plasma produced by focusing 120 fs, 800 nm and 300 J Ti:Sapphire laser pulses up to an intensity of few times 1016 W/cm2 on Cu, Fe and Ag metal targets. The main interest of these experiments is to characterize the fast electrons and X-ray emission from the laser plasma interaction. The investigation of X-ray emission energy and spectral characteristics is carried out by employing three detector systems which include filtered pin-diode, Charge Coupled Device and CdTe pulse height detectors. Scaling of photon flux as a function of incident laser energy is measured and related to the dynamics and absorption mechanisms involved in laser matter interaction. Specifically the construction and evaluation of K X-ray sources operated at 1 kHz repetition rate is reported with a photon flux of ~ 7109 photon/s, 3109 photon/s and 1.4107 photon/s around the K line for Cu, Fe and Ag respectively. These K fluences correspond to energy conversion efficiencies of around Cu = 310-5, Fe = 1.0610-5 and Ag = 210-7. The Cu and Fe K X-ray sources are applied to thin biological specimens and low atomic number (Z) materials to record in-line phase contrast images. It is demonstrated that the laser based K sources can serve as alternative sources for conventional X-ray radiography of biological samples in clinical applications. / Photonics and Plasmas

In this thesis electron generation is studied via laser plasma interaction known as laser wakefield acceleration in two regimes of weakly relativistic and highly relativistic laser intensity regimes. The plasma targets consisted of gas jets photonionized by rising edge of the laser pulse to densities as high as 10^20cm3. In the weakly relativistic regime, 210 mJ at 33 fs were focused to intensities of up to 310^18 Wcm2 on the gas targets of 2.4 mm length. In the highly relativistic regime, 3 J of energy compressed in 30 fs were delivered at intensity as high as 6.5 10^18 Wcm2 on targets of 2.4, 5, and 10 mm. Monoenergetic electrons in tens of MeV were observed in weakly relativistic regime, while electron energies as high as 300 MeV were observed in highly relativistic regime. Higher input laser intensity and prepulse levels were found to enhance electron production. Scaling of energy and stability of electron generation were also studied. / Photonics and Plasmas

Ce travail s'est attaché à démontrer théoriquement et expérimentalement l'intérêt d'une analyse spectrale de l'émission ionique radiale, croisée à l'observation quantitative des structures plasma excitées, pour cerner plus clairement les phénomènes en jeu au cours de l'interaction d'un laser avec un plasma. Le réglage fin des paramètres laser et plasma ont permis une étude paramétrique détaillée de l'interaction sur une large gamme de densité plasma. Lorsque l'on fait varier la densité plasma pic de très sous-dense à quasi-surdense, les distributions ioniques passent de piquées à maxwelliennes, et présentent de fortes modulations quand la durée de l'impulsion laser est proche de la demi-période plasma, i.e. proche de la résonance du sillage laser. Dans ce cas, le mécanisme d'accélération est différent de celui de l'explosion Coulombienne par l'intervention des effets du champ de sillage laser et du champ de la gaine plasma au bord du canal creusé par le laser. Par ailleurs, pour une densité plasma pic donnée et plus élevée que celle de la résonance, lorsque la longueur du gradient plasma est augmentée, l'accélération ionique est supprimée au profit de structures électromagnétiques fondamentales (soliton/vortex) clairement identifiées optiquement pour la première fois. Grâce à un protocole expérimental innovant, l'étude optique des champs magnétiques au sein de ces structures est à présent rendue possible. Enfin, proche de la densité critique, l'autofocalisation efficace du laser conduit à un dépôt très localisé de l'énergie laser, donnant naissance à une expansion électronique ultra-rapide (moins d'une picoseconde) et à la naissance d'un dipôle magnétique intense qui participe au chauffage des électrons. Pour ces études, des techniques et diagnostics ont été développés et testés simultanément avec succès. Il s'agit, d'une part, de jets de gaz submillimétriques à haute densité permettant une exploration localisée, stable et reproductible sur une large gamme de densités et de profils plasma, et d'autre part, d'interféromètre et polarimètre à hautes résolutions spatiales et temporelles afin d'observer la propagation laser et l'évolution des densités et champs au sein du plasma.

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第20018号 / エネ博第341号 / 新制||エネ||68(附属図書館) / 33114 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 岸本 泰明, 教授 中村 祐司, 准教授 田中 仁 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

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Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliqués. / Femtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved.

Dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel, la maîtrise de la propagation des faisceaux laser intenses, qui se propagent dans le plasma sous-dense d'une cavité d'ignition, reste un enjeu majeur. En effet, durant leur propagation, les faisceaux vont modifier les paramètres du plasma, ces paramètres contrôlant eux-mêmes la propagation. Cette rétroaction entre le plasma et le laser est potentiellement instable et produit de l'autofocalisation, de la filamentation, etc. Ces mécanismes peuvent alors dégrader fortement la propagation et in fine l'uniformité du dépôt d'énergie recherché.Dans cette étude, expérimentale et numérique, nous nous intéressons à la propagation d'un filament laser (tache focale d'une dizaine de micromètres, impulsion de 1,5 ns et d'intensité variant de 1014 W.cm-2 à 1016 W.cm-2) dans un milieu très sous dense (quelques pour-cents de la densité électronique critique). Deux expériences ont été réalisées sur l'installation de puissance LULI2000 et ont permis à la fois d'observer la transmission laser et de caractériser les gradients de température. Ces gradients sont produits par le transport électronique et influencent la réponse du plasma au laser. Afin de modéliser le rôle des gradients de température dans les instabilités d'auto-focalisation et de filamentation, nous avons associé un code d'hydrodynamique-radiative (FCI2) à un code détaillé de propagation (Héra). Pour compléter les observables précédentes, nous avons aussi mis en œuvre un diagnostic de déflectométrie protonique. Ce diagnostic permet de mesurer les champs électriques présents dans le plasma, ces champs étant issus du chauffage et de l'interaction laser. Un nouvel outil, associant le code de propagation laser et un code Monte-Carlo de transport de protons, a donc été mis en place pour modéliser les déflexions des protons. Cet outil ouvre en plus de nouvelles perspectives pour discuter de l'influence des effets 3D dans l'exploitation de ce diagnostic. Les résultats obtenus confirment l'intérêt à sonder les champs électriques au cœur même du plasma pendant la propagation laser. / The understanding and the control of high-power laser propagation into under-dense plasma is important to achieve inertial confinement fusion. During this process, the interaction of the laser with the plasma filling the hohlraum can lead to significant losses of laser energy which prevent ignition. Self-focusing or filamentation of the laser light is one of these phenomena which are desired to be mitigated since they also affect the uniformity of the laser illumination on the hohlraum wall.In order to improve our understanding of the laser-plasma interaction phenomena at play, we describe an experimental and numerical study involving an intense laser pulse between 1014 W.cm-2 and 1016 W.cm-2 , and which interacts with millimetric and under-dense plasma (having density of few % of the critical density). This work presents two experiments fielding a series of diagnostics aimed at well characterizing the laser propagation (Hisac camera) together with heat deposition in plasmas using Thomson scattering. Experimental results will be presented and discussed in the light of detailed simulations performed with the 3D laser propagation code Hera. In order to take into account the temperature gradients within the plasma during the laser propagation, Hera (laser propagation code) and FCI2 (radiation-hydrodynamic code) have been coupled. Besides, proton radiography has been used in order to access to electric fields. The measurements led to the implementation of a new and promising numerical tool using the Hera and Diane codes (Diane is a Monte Carlo particle tracing code). 3D proton radiography modelling opens new possibilities for users of this temporally and spatially resolved diagnostic.