Les lasers femtoseconde amplifiés permettent grâce à leur très grande puissance d'étudier de nouveaux phénomènes physiques tels que la filamentation laser, le faisceau laser se propagent alors sur de grandes distances tout en maintenant une intensité crête élevée. Un filament laser résulte d'une compétition dynamique entre l'effet Kerr (qui focalise le faisceau) et la défocalisation due au plasma généré par l'impulsion laser. Dans ce travail de thèse la filamentation d'un faisceau laser femtoseconde IR a été étudiée aussi bien en terme de processus non-linéaire, que du point de vue d'une source de rayonnements secondaires à grande distance. Lors d'une propagation sur très grande distance (kilomètre) la formation de plusieurs filaments est inévitable. L'interaction entre deux filaments a donc été étudiée méthodiquement dans un premier temps, ainsi que l'effet de cette interaction sur les rayonnements secondaires générés par filamentation. Puis la génération de continuum de lumière blanche et d'émission conique par filamentation laser et la possibilité de générer un continuum de lumière blanche à grande distance ont été étudiées. Finalement, une étude en plein air permettant une propagation sur 2 km a été réalisée. Nous avons démontré qu'il était possible d'obtenir de la filamentation jusqu'à une distance de 1 km avec un laser femtoseconde de 200 mJ se propageant horizontalement à l'air libre. Il s'agit, à ce jour, du record mondial en matière de filamentation laser à longue distance.

Dans les plasmas chauds et denses, la contribution des phénomènes radiatifs au transfert d'énergie est souvent prédominante. L'opacité de ces plasmas a donc une incidence majeure sur leur structure et leur évolution. En principe, le calcul raie par raie de l'opacité spectrale permet d'obtenir les résultats les plus précis, mais il nécessite souvent une grande quantité de ressources. À l'inverse, les méthodes statistiques de calcul d'opacité sont capables de prendre en compte un très grand nombre d'états excités, mais elles ne restituent pas les raies détaillées et ne sont pas toujours adaptées à des calculs destinés à la spectroscopie. L'objectif de la thèse est de calculer l'opacité de plasmas chauds en combinant ces deux approches. La méthode présentée a rendu possible le couplage d'un code de calcul d'opacités avec un code de structure atomique. Le modèle développé a été utilisé pour l'interprétation de spectres expérimentaux (laser, Z-pinch) et des pistes d'optimisation sont envisagées.

Lors de l'interaction relativiste entre une impulsion laser brève et intense et un plasma sous-dense, des électrons peuvent être injectés et accélérés jusqu'à plusieurs centaines de MeV dans une structure accélératrice se formant dans le sillage de l'impulsion laser : c'est l'accélérateur laser-plasma. Une des applications majeures de ces accélérateurs réside dans le développement de sources compactes de faisceaux de rayonnement X femtoseconde. Au cours de cette thèse, deux sources de rayonnement X ont été étudiées et développées. Le rayonnement bétatron, intrinsèque à l'accélérateur laser-plasma, provient des oscillations transverses des électrons au cours de leur accélération. Sa caractérisation par comptage de photons a montré que le faisceau X contenait un total de 10^9 photons, avec des énergies pouvant être supérieures à 10 keV. Nous avons également développé une source Compton tout optique produisant des photons de quelques centaines de keV, basée sur la collision entre un faisceau de photons et un faisceau d'électrons. Le potentiel de ces sources de rayonnement a été mis en évidence en réalisant l'imagerie par contraste de phase mono-coup d'un échantillon biologique. Nous avons ensuite montré que l'émission X bétatron est un outil expérimental très puissant pour étudier la physique sous-jacente à l'accélération laser-plasma. On peut tout d'abord réaliser la cartographie de la région d'émission, ce qui donne des informations inédites, permettant par exemple de localiser l'endroit où sont injectés les électrons. Les propriétés angulaires et spectrales du rayonnement X permettent également d'avoir des informations sur la dynamique transverse des électrons au cours de leur accélération.

Nous présentons une étude numérique des dents de scie dans un plasma de tokamak ohmique avec le code XTOR-2F. Cette étude est à notre connaissance la première à explorer la dynamique au long terme du kink interne. La MHD résistive prévoit deux régimes distincts : oscillations stables ou régime saturé hélicoïdal. Les dérives diamagnétiques stabilisantes permettent de retrouver des dents de scie pour des paramètres expérimentaux pertinents. On détaille aussi les contributions faites à la transition du code vers le code hybride MHD-cinétique XTOR-K, pour coupler effets cinétiques et fluides. On a choisi un modèle cinétique full-f, full-orbit couplé à la partie fluide par un algorithme Newton-Krylov/Picard stable vis-à-vis des modes MHD fondamentaux. L'avancée des particules est faite par l'algorithme de Boris, adapté en géométrie torique. Les invariants du mouvement ne dérivent pas numériquement. Différentes méthodes, entre autres un filtrage temporel numérique, sont envisagées pour réduire le bruit sur le tenseur de pression particulaire.

When an intense femtosecond laser pulse propagates in a gas, it undergoes filamentation, a spectacular process where the pulse spatial, spectral and temporal characteristics change considerably. A thin short-lived plasma column is formed in the wake of the propagating pulse. My PhD work has been dedicated to the further understanding of the filamentation process. In a first part, I compare the properties of a usual filament with those of a filament formed by a femtosecond laser pulse with a Bessel beam profile. Using a laser pulse of same intensity and duration, I show that a Bessel beam can form a longer and more uniform plasma column in air, but that the plasma density is significantly lower. In a second part, I show that it is possible to increase considerably the lifetime of the plasma column, using a dual femtosecond/nanosecond laser pulse technique. To obtain an increased lifetime over a significant segment of a plasma column, I rely on the properties of Bessel beams in the nonlinear regime developed in the first chapter. In a third part, I study the dynamics of free electrons that are produced in the filamentation process. To do this, I have developed a specially designed current probe. Experiments reveal a very rich behaviour. The longitudinal displacements of electrons in the plasma column depend sensitively on the nature of the gas and its pressure as well as on the laser polarization of the laser. I propose a model to explain this behaviour. The direction of electron flow results from the competition between pure laser forces and a Coulomb wake field force. In the last chapter, I study filamentation in a Helium gas. This required improving the laser characteristics in order to reach the necessary power for filamentation. Improved characteristics have been achieved by implementing a planar compression stage which shortened the laser pulse from 50 fs to 10 fs without appreciable energy loss. The first experimental evidence for filamentation in He is presented at the end of the thesis. Agreement is found with a numerical simulation.

Dans le domaine de la fusion par confinement inertiel (FCI), l'équation d'état (EoS) de l'hydrogène et de ses isotopes est très certainement une des propriétés les plus importantes à connaître. Les EoS basées sur des modèles chimiques peinent à donner une description univoque de l'hydrogène dans le domaine de couplage et de dégénérescence partiels, appelé matière dense et tiède, ou Warm Dense Matter (WDM). En effets, ces modèles utilisent des potentiels ad hoc pour décrire les interactions à N corps dont les effets sont importants dans la WDM. Au contraire, les méthodes de calcul ab initio s'affranchissent de ces approximations en résolvant de manière exacte (ou presque) le problème quantique à N corps et sont donc particulièrement pertinentes dans ce domaine. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons comment nous avons construit une table d'EoS multi-phase de l'hydrogène, à partir de méthodes de calcul ab initio dans le domaine de la WDM. Nous montrons notamment que cette EoS est en très bon accord avec la plupart des données expérimentales disponibles (Hugoniot principale, vitesse du son dans le fluide moléculaire, courbe de fusion à basse pression, mesures de chocs multiples). Dans la deuxième partie, nous présentons une application directe de notre EoS en montrant son influence sur les critères d'allumage et de combustion de deux types de cibles pour la FCI : une cible auto-allumante qui sera utilisée sur le Laser MegaJoule (LMJ), et une cible destinée à l'allumage par choc. Nous montrons notamment que l'optimisation de l'impulsion laser permettant de maximiser l'énergie thermonucléaire dégagée par les cibles est fortement dépendante de la précision de l'EoS dans le domaine de couplage et de dégénérescence forts.

<p>The Neutral Particle Detector (NPD) is a new type of instrumentation for energetic neutral atom (ENA) diagnostics. This thesis deals with development of the NPD sensor designed as a part of the plasma and neutral particle packages ASPERA-3 and ASPERA-4 on board Mars Express and Venus Express, the European Space Agency (ESA) satellites to Mars and Venus, respectively. It describes how the NPD sensors were designed, developed, tested and calibrated. </p><p>It also presents the first scientific results obtained with NPD during its operation at Mars. </p><p>The NPD package consists of two identical detectors, NPD1 and NPD2. Each detector has a 9^o x 90^o intrinsic field-of-view divided into three sectors. The ENA detection principle is based on the surface interaction technique. NPD detects ENA differential fluxes within the energy range of 100 eV to 10 keV and is capable of resolving hydrogen and oxygen atoms by time-of-flight (TOF) measurements or pulse height analysis.</p><p>During the calibration process the detailed response of the sensor was defined, including properties such as an angular response function and energy dependent efficiency of each of the sensor sectors for different ENA species. </p><p>Based on the NPD measurements at Mars the main scientific results reported so far are:</p><p>- observation of the Martian H-ENA jet / cone and its dynamics, </p><p>- observations of ENA emissions from the Martian upper atmosphere, </p><p>- measurements of the hydrogen exosphere density profile at Mars, </p><p>- observations of the response of the Martian plasma environment to an interplanetary shock, </p><p>- observations of the H-ENA fluxes in the interplanetary medium.</p>

Il s'agit de dépôt de silice utilisant le silane et l'oxygène dans un système plasma haute densité. L'influence des paramètres du procédé et du système d'injection du silane sur les propriétés des matériaux sont étudiés par ellipsométrie spectroscopique, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, spectroscopie de transmission et microscopie à force atomique. On étudie la phase gazeuse par spectroscopie d'émission optique et spectrométrie de masse quadripolaire avec pompage différentiel. La création de l'eau dans le système et son incorporation dans les couches pendant le dépôt sont étudiées utilisant l'injection du silane par jet capillaire. L'absorption du Si-OH dans les couches est mesurée en différentes positions sur le substrat. Les simulations de flux de gaz par la technique simulation directe Monte-Carlo sont utilisées pour étudier le flux des espèces sur le porte substrat. On a trouvé que le flux de l'eau est uniforme tandis que le flux de silane varie sur le porte substrat, ce qui explique la faible quantité de silanol dans la couche dans les régions déposées à grande vitesse. Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les simulations montre que les systèmes plasma haute densité peuvent seulement être considérés comme bien mélangés quand il n'y a pas une élimination rapide des espèces en phase gazeuse.

<p>Broadband extremely low-frequency wave emissions below the ion plasma frequency have been observed by a number of spacecraft and rockets on auroral field lines. The importance of these broadband emissions for transverse ion heating and electron acceleration in the auroral regions is now reasonably well established. However, the exact mechanism(s) for mediating this energy transfer and the wave mode(s) involved are not well known. In this thesis we focus on the identification of broadband waves by different methods. </p><p>Two wave analysis methods, involving different approximations and assumptions, give consistent results concerning the wave mode identification. We find that much of the broadband emissions can be identified as a mixture of ion acoustic, electrostatic ion cyclotron and, ion Bernstein waves, which all can be described as different parts of the same dispersion surface in the linear theory of waves in homogeneous plasma. </p><p>A new result is that ion acoustic waves occur on auroral magnetic field lines. These are found in relatively small regions interpreted as acceleration regions without cold (tens of eV) electrons.</p><p>From interferometry we also determine the phase velocity and k vector for parallel and oblique ion acoustic waves. The retrieved characteristic phase velocity is of the order of the ion acoustic speed and larger than the thermal velocity of the protons. The typical wavelength is around the proton gyro radius and always larger than the Debye length which is consistent with ion acoustic waves. </p><p>We have observed quasi-static parallel electric fields associated with the ion acoustic waves in regions with large-scale currents. Waves, in particular ion acoustic waves, can create an anomalous resistivity due to wave-particle interaction when electrons are retarded or trapped by the electric wave-field. To maintain the large-scale current, a parallel electric field is set up, which then can accelerate a second electron population to high velocities.</p>

<p>This thesis is dedicated to the theory of solar radar experiments. The Sun exhibits a variety of interesting and complicated physical phenomena, examined mainly through analysis of its radiation. Active solar probing by radar provides an alternative possibility to study the Sun. This concept was tested originally in the 1960's by solar radar experiments at El Campo, Texas, but due to an insufficient level of technology at that time the experimental results were of a poor quality and thus difficult to interpret. Recently, the space weather program has stimulated interest in this topic. New experimental proposals require further development of the theory of solar radar experiments to meet the current knowledge about the Sun and the modern level of technology.</p><p>Three important elements of solar radar experiments are addressed in this thesis: i) generation of wave turbulence and radiation in the solar corona, ii) propagation of the radar signal to the reflection point, and iii) reflection (scattering) of the incident radar signal from the Sun.</p><p>It is believed that the radio emission of solar type II and III bursts occurs due to conversion of Langmuir waves, generated by electron beams, into electromagnetic radiation (plasma emission mechanism). The radar signal propagating through the emission source region can get scattered by the Langmuir turbulence and finally deliver the observer insights of the physics of this turbulence. Such process of scattering is considered in this thesis in the weak turbulence limit by means of the wave-kinetic theory. Scattering frequency shifts, scattering cross-sections, efficiency of scattering (the coefficient of absorption due to scattering), optical depths, and the spectra of the scattered signal are estimated.</p><p>Type II solar radio bursts are known to be associated with the electron beams accelerated by interplanetary shocks. From their dynamic spectra the properties of the shocks and regions in the vicinity of the shock are usually inferred by assuming a plasma emission mechanism. <i>In situ </i>observations of the source region of type II burst, presented in this thesis, suggest that an additional emission mechanism may be present. This mechanism is related to energetic particles crossing the shock front, known in electrodynamics as transition radiation.</p><p>Plasma density fluctuations are known to scatter radio waves and thus broadening their angular dispersion. In the thesis this process is studied in the solar wind and terrestrial electron and ion foreshocks on the basis of <i>in situ</i> observations of density fluctuations. It is shown that the angular broadening of the radar signal is negligible in this regions.</p><p>The results of this thesis can be applied for the preparation of future solar radar experiments and interpretation of experimental data.</p>