Dans cette thèse expérimentale, nous nous intéressons à la réponse non-linéaire d’un miroir plasma sous l’influence d’un laser d’intensité sous-relativiste (~10^18 W/cm^2), et de très courte durée (~30fs). Nous avons en particulier étudié la génération d’impulsions attosecondes (1as=10^(-18) s) et de faisceaux d’électrons en effectuant des expériences dites de « pompe-sonde » contrôlées. Un premier résultat important est l’observation d’une anti-corrélation entre l’émission X-UV attoseconde et l’accélération d’électron lorsque l’on change la longueur caractéristique du plasma, résultats confirmés par des simulations numériques. Un second résultat important concerne le diagnostique de l’expansion du plasma sous vide par « interférométrie en domaine spatial » (SDI), technique élaborée dans le cadre de cette thèse. Enfin nous discutons à deux reprises l’utilisation d’algorithmes de reconstruction de phase dans le domaine spatiale ou temporel.De manière plus générale, nous avons cherché à replacer ce travail de thèse dans un contexte scientifique plus général. En particulier, nous tentons de convaincre le lecteur qu’à travers l’intéraction laser-miroir plasma, il devient concevable de fournir un jour aux utilisateurs des sources peu onéreuses d’impulsions X-UV et de faisceaux d’électrons de résolutions temporelles inégalées. / The experimental work presented in this manuscript focuses on the non-linear response of plasma mirrors when driven by a sub-relativistic (~10^18 W/cm^2) ultra-short (~30fs) laser pulse. In particular, we studied the generation of attosecond pulses (1as=10^(-18) s) and electron beams from plasma mirror generated in controlled pump-probe experiment. One first important result exposed in this manuscript is the experimental observation of the anticorrelated emission behavior between high-order harmonics and electron beams with respect to plasma scale length. The second important result is the presentation of the « spatial domain interferometry » (SDI) diagnostic, developed during this PhD to measure the plasma expansion in vacuum. Finally, we will discuss the implementation of phase retrieval algorithms for both spatial and temporal phase reconstructions.From a more general point of view, we replace this PhD in its historical context. We hope to convince the reader that through laser-plasma mirror interaction schemes, we could tomorrow conceive cost-efficient X-UV and energetic electron sources with unprecedented temporal resolutions.

Les impulsions laser ultrabrèves nous permettent de suivre en temps réel les phénomènes ultrarapides au sein de la matière à l’échelle microscopique. C’est précisément pour l’invention de la chimie à l’échelle femtoseconde, ou femtochimie, qu’Ahmed Zewail se vit décerner le prix Nobel de chimie en 1999. Depuis les utilisateurs du laser cherchent à augmenter la résolution temporelle, c’est-à-dire réduire la durée des impulsions laser. Aujourd’hui, nous savons générer des flashs lumineux à l’échelle attoseconde dans le domaine spectral de l’extrême ultraviolet (XUV) mais l’efficacité de génération reste faible et le développement de sources laser attosecondes intenses constitue un sujet de recherche très actif sur le plan international.Notre groupe au LOA se concentre sur la génération d’impulsions attoseconde sur miroir plasma en régime relativiste. Pour cela, il cherche à développer une source d’impulsions femtosecondes à forte cadence et fort contraste et suffisamment énergétiques pour atteindre des intensités relativistes (>> 10^18W/cm2) lorsqu’elles sont fortement focalisées sur un plasma surdense. Un plasma surdense réfléchit la lumière incidente et par conséquent agit comme un miroir qui se déplaçant à vitesse relativiste et qui comprime l’impulsion incidente, produisant ainsi un flash attoseconde par cycle optique. En utilisant des impulsions proches d’un cycle optique, il est donc envisageable de générer une seule impulsion attoseconde intense pendant l’interaction.Dans la première partie de mon travail de thèse, j’ai réalisé un compresseur nonlinéaire pour réduire la durée des impulsions issues d’une chaîne à double dérive de fréquence (10mJ, 25fs, 1kHz) à phase enveloppe-porteuse (CEP) stabilisée. En propageant les impulsions du laser à haute intensité dans une fibre creuse remplie de gaz rare, j’ai réussi à générer des impulsions de 1.3 cycle optique avec une puissance crête autour de 1TW avec une CEP stabilisée. Dans un deuxième temps, j’ai mis en forme spatialement et temporellement les impulsions issues du compresseur à fibre pour générer à la fois des impulsions attosecondes intenses et des faisceaux d’électrons énergétiques sur un miroir plasma à gradient de densité contrôlé. Ces expériences nous permis, pour la première fois, de mettre en évidence la production d’impulsions attosecondes isolées dans l’XUV, l’émission corrélée de faisceaux d’électrons énergétiques en régime relativiste ainsi qu’un nouveau régime d’accélération d’électrons à très long gradient plasma. / Very short light pulses allow us to resolve ultrafast processes in molecules, atoms and condensed matter. This started with the advent of Femtochemistry, for which Ahmed Zewail received the Novel Prize in Chemistry in 1999. Ever since, researcher have been trying to push the temporal resolution further and we have now reached attosecond pulse durations. Their generation, however, remains very challenging and various different generation mechanisms are the topic of heated research around the world.Our group focuses on attosecond pulse generation and ultrashort electron bunch acceleration on solid targets. In particular, this thesis deals with the upgrade of a high intensity, high contrast, kHz, femtosecond laser chain to reach the relativistic interaction regime on solid targets. Few cycle driving laser pulses should allow the generation of intense isolated attosecond pulses. A requirement to perform true attosecond pump-probe exeriments.To achive this, a HCF postcompression scheme has been conceived and implemented to shorten the duration of a traditional laser amplifier. With this a peak intensity of 1TW was achieved with near-single-cycle pulse duration. For controlled experiments, a vacuum beamline was developed and implemented to accurately control the laser and plasma conditions on target.During the second part of this thesis, this laser chain was put in action to drive relativistic harmonic generation on solid targets. It was the first time ever that this has been achieved at 1 kHz. By CEP gating the few-cycle-pulses, single attosecond pulses were generated. This conclusion has been supported by numerical simulations. Additionally a new regime to accelerate electron bunches on soft gradients has been detected.

Les progrès continus des installations laser ont permis l'obtention d'impulsions ultra-brèves atteignant des intensités focalisées très élevées (I>1018 W/cm²). A ces intensités, la matière présente des comportements non-linéaires nouveaux, les électrons atteignant des vitesses relativistes. L'accès expérimental à ce régime d'interaction sur des cibles solides a longtemps été interdit en raison de la présence autour de l'impulsion femtoseconde d'un piédestal (dû notamment à l'émission spontanée amplifiée (ASE) présente dans la chaîne laser) suffisamment intense pour modifier l'état de la cible.<br />Dans cette thèse, nous avons tout d'abord caractérisé, expérimentalement et théoriquement, un dispositif améliorant le contraste temporel de l'impulsion : le Miroir Plasma. Celui-ci consiste à focaliser l'impulsion sur une cible diélectrique de sorte que le piédestal est transmis, alors que l'impulsion principale est réfléchie par le plasma surcritique formé à la surface. Son installation sur le laser UHI 10 (CEA Saclay –10 TW– 60 fs) nous a alors permis d'étudier l'interaction d'impulsions ultra-intenses à fort contraste temporel avec des cibles solides. <br />Dans un premier temps, nous avons réussi à générer des plasmas denses résultant de l'interaction directe de l'impulsion principale avec des cibles minces (100 nm). Leur caractérisation a été réalisée au moyen d'une source XUV obtenue par génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un jet de gaz rare. <br />Dans un second temps, nous avons étudié expérimentalement le phénomène de génération d'harmoniques d'ordre élevé sur cible solide, encore mal compris, mais qui potentiellement fournira une nouvelle source XUV ultra-courte et intense.

La focalisation d'un laser intense sur une surface solide entraine l'ionisation presque complète du milieu, donnant lieu à la formation d'un plasma de densité plusieurs centaines de fois supérieure à la densité critique. La dynamique collective des électrons du plasma est alors dictée par l'action du champ laser, et peut donner lieu à l'émission d'un train d'impulsions XUV de durée attoseconde. Les motivations de ce travail de thèse sont les suivantes : démontrer que l'on peut, en contrôlant tir à tir la forme exacte du champ électrique du laser, guider de façon reproductible la dynamique des électrons du plasma avec une précision attoseconde, et par conséquent la structure temporelle du train d'impulsions attosecondes généré. Pour réaliser cette expérience, nous avons tout d'abord mis en place un dispositif expérimental d'interaction laser-solide au kHz, dimensionné pour assurer des conditions d'interaction parfaitement reproductible tir à tir. Une fois ce dispositif éprouvé et les premières harmoniques détectées, nous avons ensuite démontré, en observant le spectre de l'émission XUV, le contrôle attoseconde de la dynamique des électrons du plasma en utilisant la source laser de deux cycles optiques stabilisée en phase. Enfin, nous avons observé expérimentalement, par la technique du phare attoseconde, le contrôle spatio-temporel par le champ laser du train d'impulsions attosecondes, donnant notamment lieu à la génération d'un groupe d'impulsions attosecondes isolées spatialement.

Lorsqu'un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques $10^{15}Wcm^{-2}$, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes ($1as=10-^{18}s$). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X.<br />Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l'éclairement laser est de l'ordre de $10^{19}Wcm^{-2}$, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma : l'émission cohérente de sillage et l'émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement.<br />Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambiguïté. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma.

Lorsqu'on focalise un laser femtoseconde ultraintense [$I>10^{16}W.cm^{-2}$] à très haut contraste sur une cible solide, le champ laser au foyer est suffisant pour ioniser complètement la surface de la cible durant le front montant de l'impulsion et former un plasma. Ce plasma est très dense [densité supérieure à la densité critique pour la fréquence laser] et réfléchit le faisceau laser dans la direction spéculaire: c'est ce que l'on appelle un "miroir plasma". Lorsque l'intensité laser est suffisamment élevée, la réponse de ce miroir plasma devient non-linéaire, ce qui conduit à la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans le faisceau réfléchi. Dans le domaine temporel, ce spectre d'harmoniques est associé à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient d'arriver à une meilleure compréhension des propriétés des faisceaux harmoniques produits sur miroir plasma, et de mettre au point de nouvelles méthodes pour contrôler ces propriétés, notamment en vue de générer des impulsions attosecondes isolées au lieu de trains. Ainsi, nous avons tout d'abord imaginé et analysé, la première technique réaliste de génération d'impulsions attosecondes isolées sur miroir plasma. Cette approche entièrement nouvelle repose sur un tout nouvel effet physique: "l'effet phare attoseconde". Son principe consiste à envoyer les impulsions attosecondes du train dans des directions différentes, puis à sélectionner une seule de ces impulsions en champ lointain à l'aide d'une fente. En plus de sa simplicité d'implémentation sur une chaîne laser de type CPA, cette technique est très générale et s'applique non seulement aux miroirs plasma, mais plus généralement à n'importe quel mécanisme de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Au delà de la génération d'impulsions attosecondes isolées, cet effet a plusieurs autres applications que nous discutons en détail. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés spatiales de ces harmoniques, dont la caractérisation et le contrôle sont cruciaux pour pouvoir utiliser cette source dans de futures expériences d'application. Par exemple, la réalisation de l'effet phare attoseconde nécessite de contrôler précisément la divergence des impulsions attosecondes. Ces propriétés spatiales sont imposées par la courbure du miroir plasma sous l'effet de la pression inhomogène du laser sur la cible. Nous avons développé un modéle complet de cette déformation du miroir plasma, qui permet de calculer analytiquement les propriétés spatiales du faisceau harmonique. Ce modèle a été validé par des simulations numériques approfondies.