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'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. / The interaction of ultra-high intensity, ultra-short laser pulses with matter is an interesting source of energetic ions. During this work, we studied the production of energetic protons and their application to isochoric heating using kinetics and hydrodynamics code. We first considered the behavior of the maximum proton kinetic energy with the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism, in the sub-ps interaction regime, as a function of different parameters, especially the laser pulse duration. We showed that stretching the pulse duration, with a constant laser energy, led to the preheating and the expansion of the plasma slab. This expansion can be beneficial or detrimental regarding the maximum proton kinetic energy. The results we obtained helped to explain an experimental study carried out at the Laboratoire d'Optique Appliquée. We then developed a semi-analytical model trying to describe the maximum proton kinetic energy that can be produced in the TNSA regime. The results we obtained can retrieve the minimum intensity, of the order of 6x1021 W/cm², that is required to reach proton energies of 150 MeV with femtosecond, few joules laser pulses. As a final step, we were interested in the use of these proton beams for isochoric heating. We first characterized the proton distribution function produced by targets consisting in an heavy substrate with an hydrogen is deposited at the rear side. By the mean of hydrodynamics simulations, we studied the characteristic expansion time of the heated target by varying several parameters such as the heated sample distance from the proton source, the intensity and focal spot size of the laser, and the areal density of the dot. Finally, we extended the previous study to cylindrical targets and we demonstrated that it is possible to counterbalance the natural divergence of the proton beam and hence, to reach higher temperatures.