Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions).

Ce travail de thèse expérimental traite de la caractérisation et de l'optimisation de sources d'électrons et de photons (gamme en énergie keV- MeV) produites lors de l'interaction d'un laser à impulsion courte et intense avec une cible à l'état de plasma. La caractérisation en énergie et angulaire de ces sources est un enjeu d'importance, notamment dans la perspective de les utiliser pour des expériences de physiques nucléaires dans les plasmas. Une partie de ce travail est consacrée à l'étude des écrans photostimulables (IPs), détecteurs couramment utilisés pour la mesure des distributions en énergie et angulaire des faisceaux de particules accélérées par laser. Les caractéristiques des écrans de type MS, SR et TR de la marque Fuji ont été étudiés et leurs fonctions de réponse aux électrons, photons, protons et particules alpha sont établies dans une gamme en énergie de quelques kev à plusieurs MeV. Enfin un protocole est proposé pour réaliser des mesures quantitatives avec ces détecteurs dans différentes configurations expérimentales.Dans une seconde partie, une source d'électrons produite avec l'installation ELFIE du LULI dans la gamme en énergie de l'ordre du MeV a été caractérisée et optimisée en faisant varier l'extension spatiale du pré-plasma dans lequel interagi le laser intense. En particulier nous montrons que plus de 1011 électrons de plus de 10 MeV sont accélérés lors de l'interaction laser- plasma pour des conditions particulières d'extension longitudinale du pré-plasma en amont, mais aussi en aval de la cible.Dans une dernière partie, une source de photons produite à haute cadence avec le laser AURORE du CELIA est étudiée dans une gamme en énergie d'une dizaine de keV. L'originalité de la source réside dans la nature de la cible qui est du gallium à l'état liquide. Nous montrons en particulier que l'énergie moyenne et le nombre des photons peuvent être optimisés en créant des jets de gallium à la surface de la cible au moyen d'une pré-impulsion laser. Une interprétation physique du phénomène est proposée s'appuyant sur des simulations numériques.

This study deals with unconventional materials cutting technology with a fo-cus on abrasive water jet cutting and CO2 laser. The thesis is divided into theoretical and experimental section. The theoretical part describes principles and functions of nonconventional technologies, the basic division and practical applications. The practical part is focused on choosing the best technology with the production of samples and their subsequent comparison. The thesis recommends producer and type of the machine which best meets requirements on basis of the test results.

In laser wakefield acceleration, an ultra-short high-intensity laser pulse excites a plasma wave, which can sustain accelerating electric fields of several hundred GV/m. This scheme advances a novel concept for compact and less expensive electron accelerators, which can be hosted in a typical university size laboratory. Furthermore, laser wakefield accelerators (LWFA) feature unique electron bunch characteristics, namely micrometer size with duration ranging from several fs to tens of fs. Precise knowledge of the longitudinal profile of such ultra-short electron bunches is essential for the design of future table-top X-ray light-sources and remains a big challenge due to the resolution limit of existing diagnostic techniques. Spectral measurement of broadband coherent and incoherent transition radiation (TR) produced when electron bunches passing through a metal foil is a promising way to analyze longitudinal characteristics of these bunches. Due to the limited reproducibility of the electron source this measurement highly requires single-shot capability. An ultra-broadband spectrometer combines the TR spectrum in UV/NIR (200-1000 nm), NIR (0.9-1.7 µm) and mid-IR (1.6-12 µm). A high spectral sensitivity, dynamic bandwidth and spectral resolution are realized by three optimized dispersion and detection systems integrated into a single-shot spectrometer. A complete characterization and calibration of the spectrometer have been done concerning wavelengths, relative spectral sensitivities, and absolute photometric sensitivities, also taking into account for the light polarization. The TR spectrometer is able to characterize electron bunches with charges as low as 1pC and can resolve time-scales of 0.4 fs. Electron bunches up to 16 fs (rms width) can be reconstructed from their TR spectrum. In the presented work, the self-truncated ionization induced injection (STII) scheme has been explored to study the relevant beam parameters especially its longitudinal bunch profile and the resulting peak current.

GeV electron bunches accelerated on a centimeter scale device exemplify the extraordinary advances of laser-plasma acceleration. The combination of high charges from optimized injection schemes and intrinsic femtosecond short bunch duration yields kiloampere peak currents. Further enhancing the current while reducing the energy spread will pave the way for future application, e.g. the driver for compact secondary radiation sources such as high-field THz, high-brightness x-ray or gamma-ray sources. One essential key for beam transport to a specific application is an electron bunch with high quality beam parameters such as low energy spread as well as small divergence and spot size. The inherent micrometer size at the plasma exit is typically sufficient for an efficient coupling into a conventional beamline. However, energy spread and beam divergence require optimization before the beam can be transported efficiently. Induced by the high peak current, the beam loading regime can be used in order to achieve optimized beam parameters for beam transport. / In this thesis, the impact of beam loading on the transverse electron dynamic is systematically studied by investigating betatron radiation and electron beam divergence. For this reason, the bubble regime with self-truncated ionization injection (STII) is applied to set up a nanocoulomb-class laser wakefield accelerator. The accelerator is driven by 150TW laser pulses from the DRACO high power laser system. A supersonic gas jet provides a 3mm long acceleration medium with electron densities from 3 × 10^18 cm^−3 to 5 × 10^18 cm^−3. The STII scheme together with the employed setup yields highly reproducible injections with bunch charges of up to 0.5 nC. The recorded betatron radius at the accelerator exit is about one micron and reveals that the beam size stays at the same value. The optimal beam loading, which is observed at around 250 pC to 300 pC, leads to the minimum energy spread of ~40MeV and a 20% smaller divergence. It is demonstrated that an incomplete betatron phase mixing due to the small energy spread can explain the experimentally observed minimum beam divergence.

The focused laser beam delivered by the high-power laser system PALS was used for laboratory simulation of high-energy-density events in a planetary atmosphere. Several model gas mixtures were prepared to mimic the mildly reducing early Earth's atmosphere (CO-N2-H2O) as well as the atmosphere of Saturn's moon Titan and the strongly reducing early Earth's atmosphere (CH4-N2-H2O). In situ investigation of transient species generated by the laser-induced dielectric breakdown in the gaseous mixtures was performed by optical emission spectroscopy (OES). Final products of laser-plasma initiated chemical reactions were identified and determined by advanced mass-spectrometry (SIFT-MS) and absorption FT-IR spectroscopy. High-power laser system SOFIA was utilized to simulate in our laboratory a high-velocity impact into the icy satellites of the outer planets of the Solar system. OES was engaged in probing the plasmas produced by the SOFIA beam focused on ice surfaces (water, methanol, formamide), while final products were analyzed by means of gas chromatography (GC/MS) and mass-spectrometry (SIFT-MS).

Le plus fréquemment, l’interaction laser-matière est étudiée avec des lasers ayant des longueurs d’onde dans l’infrarouge proche (PIR), car ce sont les lasers qui peuvent générer les impulsions les plus intenses. Pour ces lasers, des cibles de densité allant de 0,05 à 2,5 fois la densité critique sont difficiles à créer mais elles offrent des perspectives intéressantes. Dans cette thèse, des jets d’hydrogène ayant de densité dans ce domaine sont utilisées dans le contexte de deux applications :Premièrement, des ions sont accélérées par choc non-collisionnel (collisionless shock acceleration, CSA). Lors de l’interaction d’une impulsion laser PIR avec une cible légè- rement sur-critique, un faisceau de protons est généré. Il est collimé, dirigé vers l’avant et quasiment monoénergetique. Des simulations indiquent que cela est lié à la formation d’un choc non-collisionnel et à l’accélération des protons par ce choc, en sus de leur accélération par le processus standard dit ”target normal sheath acceleration (TNSA)” qui est effectif en face arrière de la cible. Pour beaucoup d’applications, ces faisceaux de particules quasi-monoénergetiques sont plus appropriés que ceux à spectre large qui sont générés de façon routinière par TNSA.Deuxièmement, de l’énergie est transférée d’une impulsion laser (pump) vers une autre en contrepropagation (seed), par rétrodiffusion Brillouin stimulée, dans le régime de couplage fort (strong coupling-SBS), à des densités entre 0,05 et 0,2 fois la densité critique. Pour des impulsions à large bande (60 nanomètres), le rôle de la pré-ionisation sur la propagation et la rétrodiffusion Brillouin spontanée et stimulée est étudié, en incluant l’influence du chirp. Pour des lasers à bande plus étroite, il est démontré que l’impulsion seed peut être amplifiée par des dizaines de milliJoules, et des signatures d’amplification efficace et d’affaiblissement de l’impulsion laser pompe sont trouvées. Ce concept vise à l’amplification des impulsions laser à des puissances au-delà du seuil de dommage des amplificateurs laser basés sur des matériaux solides. / Laser-matter interaction is studied mostly with near-infrared (NIR) lasers as they can generate the most intense pulses. For these lasers, targets between 0.05 to 2.5 times the critical density are challenging to create but offer interesting prospects. In this thesis, novel high-density Hydrogen gas jet targets with densities in this range are used in view of two applications:First, ions are accelerated by collisionless shock acceleration (CSA). Upon interaction of a NIR laser with a slightly overcritical gas jet target, a collimated, quasi-monoenergetic proton beam is generated in forward direction. Simulations indicate the formation of a collisionless shock and acceleration of protons both by the shock and target normal sheath acceleration (TNSA) on the target rear surface under these conditions. These directed, monoenergetic particle bunches are more suitable for many applications than the broadband particle beams already generated routinely.Second, at densities between 0.05 and 0.2 times the critical density, energy is transferred from one laser pulse (pump) to a counterpropagating pulse (seed), via Stimulated Brillouin Backscattering in the strongly-coupled regime (sc-SBS). For the case of broad- band (60 nanometers) pulses, the role of the preionization for pulse propagation and both spontaneous and stimulated Brillouin backscattering are studied, including the influence of the chirp. It is shown that for narrower bandwidths, the seed pulse is ampli- fied by tens of millijoules, and signatures of efficient amplification and pump depletion are found. This concept aims at amplifying laser pulses to powers above the damage thresholds of solid state amplifiers.

Continuing advances in laser and photonic technology has seen the development of lasers with increasing power and increasingly short pulsewidths, which have become available over an increasing range of wavelengths. As the availability of laser sources grow, so do their applications. To make better use of this improving technology, understanding and controlling laser propagation in free space is critical, as is understanding the interaction between laser light and matter. The need to better control the light obtained from increasingly advanced laser sources leads to the emergence of beam engineering, the systematic understanding and control of light through refractive media and free space. Beam engineering enables control over the beam shape, energy and spectral composition during propagation, which can be achieved through a variety of means. In this dissertation, several methods of beam engineering are investigated. These methods enable improved control over the shape and propagation of laser light. Laser-matter interaction is also investigated, as it provides both a means to control the propagation of pulsed laser light through the atmosphere, and provides a means to generation remote sources of radiation.

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Lorsqu’un faisceau laser femtoseconde est fortement focalisé sur des matériaux transparents, une ionisation en cascade peut se produire suite à l’intense ionisation du champ induit par celui-ci. Une fraction de l’énergie laser est absorbée et transférée dans le support produisant un échauffement local. La température à l’intérieur de la zone d’irradiation s’élèvera au point de fusion ou d’ébullition, selon la fluence de l’impulsion incidente et les propriétés du matériau. En conséquence, une légère modification du matériau, la formation de nano-réseaux ou des dommages complexes peuvent se produire. L’explosion de Coulomb peut participer au processus d’enlèvement de matière lorsque le faisceau laser est fortement focalisé sur la surface. Dans cette thèse, nous allons nous concentrer sur la formation de nano-réseaux sur la surface de la silice fondue. Nous mesurons la fluence de l’impulsion nécessaire pour induire des nano-réseaux de surface pour différents espacements entre des impulsions consécutives, pour découvrir et quantifier l’effet d’incubation dans le processus de formation de nano-réseaux. Nous proposons également une équation d’incubation modifiée (seuil d’ablation en fonction de l’espacement entre les impulsions). À l’aide d’un SEM, nous examinons le changement structurel de la morphologie sur la surface induite par la combinaison de différents paramètres d’écriture tels que : l’énergie par impulsion/fluence, l’espacement entre les impulsions et la profondeur de la lumière focalisée sous la surface. Nous montrons ainsi l’évolution des nano-fentes dans le cas statique et pour une petite gamme de fluence d’impulsion et démontrons que des nano-réseaux uniformes peuvent être obtenus lorsque la fluence de l’impulsion est légèrement au-dessus du seuil d’ablation et que la largeur et l’espacement des nano-réseaux dépendent de l’espacement entre les impulsions et de leur fluence. Nous proposons également un nouveau modèle qui inclut les effets de répartition de l’intensité locale et d’incubation. L’évolution progressive de maxima locaux et la formation de nouvelle paires de nanogrooves (cas statique) ou de son autoréplication (cas de numérisation) sur des emplacements spécifiques est en fait la physique derrière le processus de formation qui est fidèlement reproduit dans l’expérience. Jusqu’à maintenant, aucun modèle n’a réussi à bien représenter les phénomènes observés. Finalement, nous présentons les applications potentielles de l’écriture directe d’un certain nombre contrôlable de nanocanaux et nano-réseaux à grande surface. / When a femtosecond laser beam is tightly focused onto transparent materials, strong field ionization followed by avalanche ionization may occur, and a fraction of laser energy is absorbed and transferred into the lattice resulting in local heating. The temperature within the irradiation zone will rise up to the melting or boiling point depending on the incident pulse fluence and material properties. As a result, either smooth modification, or well-shaped nanogratings or complex damage may occur. Coulomb explosion may also participate in the material removal process. In this thesis, we focus on the nanograting inscription on the surface of fused silica. We measure the pulse fluence which is required to induce surface nanogratings for different pulse-to-pulse spacing, uncover and quantify the incubation effect in the nanograting inscription process, and propose a modified incubation equation (ablation threshold as a function of pulse-topulse spacing). Using a scanning electron microscope, we examine the structural change on the surface induced by the combination of different writing parameters such as the pulse energy/fluence, pulse-to-pulse spacing and the depth of the focused light below the surface. We show the shot-to-shot evolution of nanogrooves in the static case for a small range of pulse fluence, and demonstrate that well-shaped nanogratings can be obtained with pulse fluence slightly above the reduced ablation threshold, and that the width and spacing of the nanogratings depend on the pulse-to-pulse spacing and pulse fluence. In particular, we propose a new model which consists of local intensity distribution and incubation effect. The progressive evolution of new local maxima and in turn the formation of new nanogrooves in pairs (static case) or in a self-replicating way (scanning case) at specific locations is in fact the physical focus behind the nanograting inscription, as is faithfully reproduced by the experiment. No previously reported model has ever been successful in that respect. Finally, we discuss and demonstrate the potential applications in direct writing of a controllable number of nanochannels and large-area nanogratings.