Les descriptions des interactions faibles et notamment de la dispersion représentent un problème majeur pour la théorie de la fonctionnelle de la densité. En effet, le caractère fortement local des fonctionnelles rend problématique la description des interactions à longue-portée. Aussi, plusieurs stratégies sont envisagées: des corrections des fonctionnelles existantes ou une introduction de méthodes post-Hartree-Fock par séparation de portée. Des résultats dans les deux cas sont exposés. Tout d'abord, la méthodologie hybride est appliquée à des dimères de métaux de transition (Cr2, Mn2 et Zn2). Ensuite, le calcul de coefficients de corrections pour la dispersion dans un cadre relativiste est présenté. Enfin, les interactions faibles peuvent également résulter de l'interaction d'une molécule avec un champ magnétique. Dans ce cadre, une modélisation de la modification de la densité électronique dans les systèmes aromatiques sous l'influence d'un champ magnétique extérieur est présentée. / In quantum chemistry description of weak interactions, and particularly dispersion forces, are major problems for density functional theory. The strongly local character of functional does not allow to describe properly the long range interactions. Thus, two different strategies have been considered. Correcting the available functional or introduce post-Hartree-Fock methods by mean of range separation.Results in the two cases are discussed. First, the range separated hybrid methodology is applied to transition metal dimers (Cr2, Mn2 and Zn2). Then, correction coefficients for dispersion are calculated within the relativistic framework. Within this relativistic framework, a modelling of the electronic density in aromatic system under the influence of an external magnetic field is also presented.

Cette thèse expérimentale est consacrée à l’optimisation d’une source de rayons X Kalpha générée par interaction laser femtoseconde à fort contraste temporel avec une cible épaisse en molybdène. Ce travail vise à explorer l’effet du contraste temporel sur l’émission Kalpha sur une gamme d’intensité combinant les deux régimes relativiste et non-relativiste. La première étude est consacrée à l’évolution de l’émission Kalpha en fonction du contraste temporel et de l’intensité. L’étude a révélé différents comportements de l’émission Kalpha suivant la valeur du contraste et d’intensité. L’étude a aussi montré une émission Kalpha indépendante du contraste dans le régime relativiste. Au regard des travaux de la littérature, nous avons proposé une première interprétation des résultats obtenus. Il s’agit d’établir un lien entre l’émission Kalpha et les mécanismes d’absorption de l’énergie laser. Certains mécanismes sont dépendants de l’angle d’incidence. Afin d’appuyer notre interprétation, une deuxième étude du rendement de la source Kalpha en fonction de l’angle d’incidence a été réalisée. Ainsi les résultats obtenus sont en accord avec certaines de nos conclusions. En outre, Nous nous sommes intéressés à l’effet de l’étirement temporel de l’impulsion. Nous avons observé une sensibilité de l’émission suivant le signe du chirp. Enfin, nous avons étudié l’effet du contraste et de l’intensité sur la taille de la source X. Celle-ci est d’autant plus réduite que le contraste est plus fort et devient très proche de la tache focale laser à faible intensité laser. Le rendement de production en photon Kalpha atteint est de 2 × 10^−4, similaire au meilleur rendement reporté à ce jour. / This thesis is focused on the optimization of a Kalpha x-ray source induced by high contrast femtosecond laser molybdenum thick target interaction. The objective of this work is to explore the effect of the temporal contrast ratio on Kalpha emission in an intensity range including the non relativistic and relativistic regimes. The first study consists of the measurement of Kalpha emission as a function of contrast ratio and intensity. The study shows different behaviors of the emission depending on the contrast ratio and intensity range. Furthermore, it was found that in the relativistic regime Kalpha production is independant of the contrast ratio. According to published work in litterature, we proposed a first intepretation of the obtained results. In particular, we discuss the absorption mechanism of laser pulse energy for each contrast ratio and intensity condition. Some of the mechanisms are dependant on the angle of incidence of the pulse on target. Thus, to verify the validity of our interpretation, we study the Kalpha effciency as a function of the angle of incidence. Most of the results agree with our first conclusions. Furthermore, we investigate the effect of the chirped pulse of the Kalpha emission. It is shown that Kalpha emission is sensitive to the sign of the chirp. Finally, we performed a study on the effect of contrast ratio and intensity on the x-ray source size. It was observed that high contrast ratio decreases strongly the x-ray source size which aproaches the focal spot size at low laser intensity. High Kalpha efficiency is reached 2 × 10^−4 which is similar to the highest effciency reported to date in litterature for a thick molybdenum target.

Un nouveau mod`ele r´eduit pour le transport de faisceaux d’´electrons relativistes dans des solide ou des plasma denses est propos´e. Il est bas´e sur la r´esolution des deux premiers moments angulaires de l’´equation cin´etique relativiste, compl´et´es par une relation de fermeture d´eduite du principe de maximisation de l’entropie angulaire de Minerbo. Le mod`ele prend en compte aussi bien les effets collectifs du transport avec les champs ´electromagn´etiques auto g´en´er´es que les effets collisionnels li´es au ralentissement des ´electrons par collision sur les plasmons, les ´electrons li´es et les ´electrons libres du milieu ainsi que leur diffusion angulaire par collisions sur les ´electrons et les ions. Le mod`ele permet une r´esolution num´erique rapide des ´equations du transport de faisceau d’´electrons rapides tout en d´ecrivant l’´evolution cin´etique de leur fonction de distribution. Malgr´e le fait de travailler avec les grandeurs angulaires moyennes, le mod`ele a ´et´e valid´e par comparaison avec des solutions analytiques d´eriv´ees dans un cas acad´emique de transport de faisceau mono ´energ´etique et collimat´e dans un plasma dense et chaud d’Hydrog`ene ainsi qu’avec une simulation PIC hybride dans un cas r´ealiste de transport d’´electrons acc´el´er´es par laser dans une cible solide. Le mod`ele est appliqu´e `a l’´etude de l’´emission de photons Kα lors d’exp´eriences laser-plasma ainsi qu’a` la g´en´eration d’ondes de choc. / A new hybrid reduced model for relativistic electron beam transport in solids and dense plasmas is presented. It is based on the two first angular moments of the relativistic kinetic equation completed with the Minerbo maximum angular entropy closure. It takes into account collective effects with the self-generated electromagnetic fields as well as collisional effects with the slowing down of the elec- trons in collisions with plasmons, bound and free electrons and their angular scattering on both ions and electrons. This model allows for fast computations of relativistic electron beam transport while describing the kinetic distribution function evolution. Despite the loss of information concerning the angular distribution of the electron beam, the model reproduces analytical estimates in the academic case of a collimated and monoenergetic electron beam propagating through a warm and dense Hydro- gen plasma and hybrid PIC simulation results in a realistic laser-generated electron beam transport in a solid target. The model is applied to the study of the emission of Kα photons in laser-solid experiments and to the generation of shock waves.

Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

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.

Cette thèse porte sur l'étude de différents aspects de la physique nucléaire depuis les basses énergies jusqu'aux énergies intermédiaires. Pour les basses énergies, où la matière nucléaire est essentiellement constituée de nucléons en interaction, la partie I traite de la fusion-fission des noyaux super-lourds, et la partie II des règles de somme associées aux interactions de type Skyrme. Pour les énergies intermédiaires, la matière nucléaire étant alors considérée comme une phase hadronique principalement constituée de pions, la partie III se focalise sur l'hydrodynamique relativiste de la matière nucléaire avec brisure spontanée de symétrie chirale. Dans la partie I, on s'intéresse à la formation puis à la désexcitation des noyaux super-lourds. On étudie donc la formation du noyau composé avec effets de mémoire. Pour la désexcitation d'un noyau super-lourd, l'existence d'un puits isomérique dans la barrière de potentiel change la dynamique de désexcitation et augmente les temps de fission. Cette dernière étude pourrait être utile à l'étude de la dynamique de la fission des actinides. Dans la partie II, les règles de somme M1 et M3 associées aux potentiels phénoménologiques de type Skyrme sont calculées à partir de leurs définitions intrinsèques. On détermine alors M1 jusqu'au niveau tensoriel et M3 avec potentiel central. Dans la partie III, pour le traitement hydrodynamique de la matière hadronique appliqué aux collisions d'ions lourds on peut, en première approximation, écarter les modifications induites par la brisure spontanée de symétrie chirale mais pas celles dues à l'aspect dissipatif.

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.

Les satellites artificiels baignent dans un environnement radiatif hostile qui conditionne en partie leur fiabilité et leur durée de vie en opération : les ceintures de Van Allen. Afin de les protéger, il est nécessaire de caractériser la dynamique des électrons énergétiques piégés dans les ceintures radiatives. Elle est déterminée essentiellement par les interactions entre les électrons énergétiques et les ondes électromagnétiques existantes. <br /><br />Le travail de cette thèse a consisté à concevoir un schéma numérique original pour la résolution du système d'équations modélisant ces interactions : les équations de Vlasov-Maxwell relativistes. Notre choix s'est orienté vers des méthodes d'intégration directe. Nous proposons trois nouvelles méthodes spectrales pour discrétiser en impulsion les équations : une méthode de Galerkin et deux méthodes de type collocation. Ces approches sont basées sur des fonctions de Hermite qui ont la particularité de dépendre d'un facteur d'échelle permettant d'obtenir une bonne résolution en vitesse. <br /><br />Nous présentons dans ce manuscript les calculs conduisant à la discrétisation et à la résolution du problème de Vlasov-Poisson monodimensionnel ainsi que les résultats numériques obtenus. Puis nous étudions les extensions possibles des méthodes au problème complet relativiste. Afin de réduire les temps de calcul, une parallélisation et une optimisation des algorithmes ont été mises en \oe uvre. Enfin, les calculs de validation du code 1Dx-3Dv, à partir d'instabilités de types Weibel et whistlers, à une ou deux espèces d'électrons, sont détaillés.

Cette thèse porte sur l'étude de modèles non linéaires issus de la mécanique quantique relativiste.Dans la première partie, nous démontrons à l'aide d'une méthode de tir l'existence d'une infinité de solutions d'équations de Dirac non linéaires provenant d'un modèle de hadrons et d'un modèle de la physique des noyaux.Dans la seconde partie, nous prouvons par des méthodes variationnelles l'existence d'un état fondamental et d'états excités pour deux modèles de la physique des hadrons. Par la suite, nous étudions la transition de phase reliant les deux modèles grâce à la Gamma-convergence.La dernière partie est consacrée à l'étude d'un autre modèle de hadrons dans lequel les fonctions d'onde des quarks sont parfaitement localisées. Nous énonçons quelques résultats préliminaires que nous avons obtenus.

Ce travail de thèse s’intéresse aux corrections relativistes induites par une impulsion lumineuse ultra-brève et intense dans la matière condensée. Il s’inscrit dans la thématique nouvelle de la désaimantation ultra-rapide cohérente de systèmes ferromagnétiques induite par une impulsion laser femto-seconde [Nature 5, 515 (2009)] [1]. Un couplage de nature relativiste entre les spins et les photons a été proposé pour expliquer les résultats expérimentaux observés dans [1]. La première partie de ce travail étudie la limite non relativiste du formalisme de Dirac en présence d’un champ électromagnétique dépendant du temps. En utilisant la transformation de Foldy-Wouthuysen , le hamiltonien électronique de Dirac en présence d’un champ électromagnétique dépendant du temps est développé au cinquième ordre en 1/m. Les résultats obtenus ont permis de postuler une expression générale de l’interaction directe entre le spin et le champ électromagnétique sous la forme d’un développement en série entière. Un travail similaire est réalisé dans le cadre du problème relativiste à deux électrons en interaction coulombienne. La diagonalisation du hamiltonien de Breit au troisième ordre en 1/m fait apparaître une interaction singulière entre le spin, le champ coulombien et le champ électromagnétique externe dépendant du temps. Dans la deuxième partie, on propose un modèle classique pour modéliser une expérience de magnéto-optique non-linéaire réalisée sur des échantillons ferromagnétiques. Les prédictions théoriques des angles de rotation Faraday sont comparées aux résultats expérimentaux de la référence [1] et permettent d’ouvrir une discussion à propos des mécanismes physiques gouvernant les phénomènes magnéto-optiques observés. Le rôle joué par l’interaction spin-orbite entre les spins et le champ électrique du laser est discuté. / This thesis focuses on the relativistic corrections induced by an ultra-short and intense light pulse in condensed matter. It is part of the new theme of the coherent ultra-fast demagnetization of ferromagnetic systems induced by a femtosecond laser pulse [ Nature, 5, 515 (2009)] [1]. A relativistic coupling between spins and photons has been proposed to explain the experimental results obtained in [1]. The first part of this work focuses on the nonrelativistic limit of the Dirac’s formalism. By means of the Foldy–Wouthuysen transformation the nonrelativistic approximation of the external-electromagnetic-field Dirac equation to fifth order in powers of 1/m is obtained. Generalizing this result we postulate a general expression of the direct spin–field electronic hamiltonian valid at any order in 1/m. A similar work is performed on a two-interacting electrons system described with the Breit hamiltonian, whose the diagonalization at third order in 1/m illustrates an original coupling between the spin, the coulombian interaction and the time-dependent external electromagnetic field. In a second part, a classical model is developed for modeling ultrafast nonlinear coherent magneto-optical experiments performed on ferromagnetic thin films. Theoretical predictions of the Faraday rotation angles are compared to available experimental values and give meaningful insights about the physical mechanisms underlying the observed coherent magneto-optical phenomena. The crucial role played by the spin-orbit mechanism resulting from the direct interaction between the external electric field of the laser and the electron spins of the sample is underlined.