Les ondes térahertz (THz), situées entre l'infrarouge et les micro-ondes dans le spectre électromagnétique, correspondent aux fréquences caractéristiques de nombreux mouvements moléculaires et permettent ainsi de caractériser des molécules complexes par spectroscopie dans le domaine temporel. Cette thèse a pour objectif d'étudier les champs THz émis par une source constituée d'une impulsion laser à deux couleurs générant un plasma par ionisation de l'air. En raison de l'asymétrie temporelle du champ laser, un courant électronique présentant une composante basse-fréquence dans la gamme THz est formé dans le plasma par conversion non linéaire et produit un champ secondaire comprenant une composante THz. Les effets non linéaires intervenant dans la génération du rayonnement THz sont l'effet Kerr à basse intensité (< 10¹³ W/cm²) et les photocourants à plus haute intensité (> 10¹³ W/cm²), au-dessus du seuil d'ionisation. Ce dernier mécanisme, qui génère le plus de rayonnement THz, est principalement étudié dans ce manuscrit. Si la puissance crête de l'impulsion laser est suffisamment élevée, des filaments de lumière peuvent être formés par combinaison de l'effet Kerr focalisant et de la formation d'un plasma défocalisant. Le phénomène de filamentation laser permet ainsi de créer des ondes THz à distance. En modulant l'impulsion laser, il est aussi possible de modifier les champs et spectres THz associés. En particulier, nous étudions les effets d'une dérive de fréquence et de la combinaison de multi-impulsions sur l'efficacité de conversion laser-THz. Nous consacrons en outre une large part de nos études à l'influence de l'augmentation de la longueur d'onde laser sur le rendement en énergie de l'émission THz. / The terahertz waves (THz), located between the infrared and the microwaves in the electromagnetic spectrum, correspond to the characteristic frequencies of numerous molecular motions and thus make it possible to characterize complex molecules by time-domain spectroscopy. This thesis aims to study the THz fields emitted by a source formed by a two-color laser pulse generating a plasma by air ionization. Due to the time asymmetry of the laser field, an electric current having a low-frequency component in the THz range is formed in the plasma by nonlinear conversion, generating a secondary field including a THz component. The nonlinear effects involved in the generation of THz radiation are the Kerr effect at low intensity (< 10¹³ W/cm²) and the photocurrents at higher intensity (> 10¹³ W/cm²), above the ionization threshold. This latter mechanism, which generates the most THz radiation, is mainly studied in this manuscript. If the peak power of the laser pulse is sufficiently high, light filaments can be created by combining the focusing Kerr effect and the defocusing action of the plasma. So, the filamentation process can produce THz waves remotely. By modulating the laser pulse, it is possible to modify the associated THz fields and spectra. In particular, we study the effects of pulse chirping and multi-pulse combination. We also devote a large part of our studies to the influence of increasing the laser wavelength on the THz energy yield.

Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliqués. / Femtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved.

Le spectre électromagnétique possède une zone étroite, localisée entre les micro-ondes et l'infrarouge, appelée région des ondes térahertz (THz), qui est comprise entre 0.1 et 30 THz. Ces ondes, longtemps inaccessibles car situées à la frontière entre l'électronique et l'optique, connaissent aujourd'hui un intérêt grandissant et possèdent des applications prometteuses dans divers secteurs de la science comme l'imagerie médicale et l'identification des explosifs à distance. Cependant, la production de rayonnement THz intense, d'amplitude proche du GV/m, qui devrait permettre de sonder efficacement des matériaux à distance, reste encore une question en suspens. Cette thèse a précisément pour but d'étudier la génération d'un tel rayonnement THz par couplage de deux impulsions laser ultracourtes -une onde fondamentale et son harmonique deux- capables d'ioniser un gaz (par exemple, l'air ou l'argon). Le plasma ainsi créé joue le rôle de convertisseur nonlinéaire de fréquence, transformant une partie de l'énergie du champ laser dans la bande THz via une gamme riche de mécanismes physiques, notamment l'effet Kerr, la photoionization et les forces pondéromotrices induites dans le plasma. Grâce à un travail de modélisation analytique et numérique de ces principaux mécanismes, nous avons examiné de manière complète la génération d'impulsions THz pour des intensités allant de celles rencontrées en filamentation laser (10¹²-10¹⁴ W cm⁻²) jusqu'aux intensités relativistes (10¹⁵-10¹⁸ W cm⁻²), une fourchette d'intensités peu étudiée jusqu'à présent dans ce domaine. Il est déjà connu qu'à basses intensités la photoionization induite par le champ laser domine l'émission térahertz, laquelle dépend fortement de la configuration des couleurs (ou harmoniques) laser. Nous démontrons ici que, au-delà de la configuration laser ''classique'' à deux couleurs, coupler plusieurs fréquences laser suivant les harmoniques d'une forme d'onde en dents de scie est optimal pour renforcer la production de rayonnement. Les simulations prévoient une efficacité de conversion d'énergie THz de 2% avec quatre couleurs, valeur record inégalée à ce jour. De plus, en nous aidant d'une expérience faite dans l'air, nous identifions la signature de l'effet Kerr dans le spectre THz émis, qui, plus faible, se révèle complémentaire de la signature plasma. Quand l'intensité de l'impulsion laser est augmentée au-delà de 10¹⁵ W cm⁻², nous démontrons que le rayonnement térahertz émis croît de manière non-monotone, dû au fait qu'il existe une valeur d'intensité maximisant l'énergie THz produite par chaque couche électronique. Finalement, nous avons étudié en géométrie 2D l'effet combiné de la photoionization et des forces pondéromotrices plasma à des intensités proches de 10¹⁸ W cm⁻², nous permettant d'obtenir des champs THz excédant le GV/m dans l'argon. Ces dernières forces augmentent avec l'intensité laser et ouvrent des perspectives intéressantes pour la génération de champs térahertz très intenses dans le régime relativiste de l'interaction laser-matière. / The electromagnetic spectrum has a narrow frequency band, lying between microwaves and infrared, known as terahertz (THz) waves and extending from 0.1 to 30 THz. These waves, inaccessible until a recent past because they are situated at the boundary between electronics and optics, are raising interest because of their promising applications in several areas such as medical imaging and remote identification of explosives. However, producing intense THz radiation with amplitude belonging to the GV/m range should allow us to probe efficiently remote materials, which still remains an open issue. The goal of this thesis is precisely to study the generation of such intense THz radiation by coupling two ultrashort laser pulses -the fundamental and its second harmonic- able to ionize a gas target (for example, air or argon). The plasma created by photoionization then acts as a nonlinear frequency converter, transforming part of the laser energy into the THz band via a wide range of physical mechanisms including the Kerr effect, the photoionization and ponderomotive forces induced inside the plasma. By means of an analytical and numerical modeling of these key mechanisms, we have comprehensively examined the generation of THz pulses at laser intensities ranging from characteristic intensities met in laser filamentation (10¹²-10¹⁴ W cm⁻²) to sub-relativistic intensities (10¹⁵-10¹⁸ W cm⁻²), this latter intensity range having been little investigated so far in this domain. It is already known that at low intensities laser-induced photionization dominates in terahertzgeneration, which strongly depends on the configuration of the laser colours (or harmonics). We demonstrate here that, beyond the classical two-colour laser setup, coupling several laser frequencies following the harmonics of a sawtooth waveform is optimal to enhance THz production. Simulations predict a laser-to-THz energy conversion efficiency of 2% with four colours, a record value unequalled so far. Moreover, with an experiment realized in air, we identify the Kerr signature in the emitted THz spectrum, which, even weaker, looks complentary to the plasma signature. When the intensity of the laser pulse is increased beyond 10¹⁵ W cm⁻², we prove that the growth of the emitted terahertz radiation is nonmonotonic, due to the fact that that there exists an optimal intensity value that maximizes the THz energy produced by each electronic shell of the irradiated atom. Finally, we have studied in 2D geometry the combined effect of photoionization and ponderomotive forces at intensities close to 10¹⁸ W cm⁻², allowing us to obtain THz fields exceeding the GV/m threshold in argon. These latter forces increase with the laser intensity and thus open interesting perspectives for the generation of very intense terahertz fields in the relativistic regime of laser-matter interaction. / El espectro electromagnético posee una zona estrecha, localizada entre las microondas y la radiación infrarroja, llamada región de las ondas Terahertz (THz), que está comprendida entre 0.1 et 30 THz. Estas ondas, durante mucho tiempo inaccesibles debido a que se encuentran situadas en la frontera entre la electrónica y la óptica, están despertando un interés creciente por la gran cantidad de aplicaciones prometedoras que poseen en diversos sectores científicos, como la imagen médica y la identificación de explosivos a distancia. No obstante, la producción de radiación THz intensa, de amplitud cercana al GV/m, la cual debería permitir sondar materiales energéticos a distancia, sigue siendo una cuestión abierta. Esta tesis tiene precisamente como objetivo el estudio de la generación de dicha radiación THz intensa acoplando dos pulsos láser —una onda fundamental y su segundo armónico— capaces de ionizar un gas (por ejemplo, aire o argón). El plasma creado de este modo desempeña el papel de convertidor no lineal de frecuencia, transformando una parte de la energía del láser en la banda THz mediante una rica gama de mecanismos físicos, entre los que destacan el efecto Kerr, la fotoionización y las fuerzas ponderomotrices inducidas dentro del plasma. Gracias a un trabajo de modelización tanto numérico como analítico de estos mecanismos clave, hemos examinado de forma integral la generación de pulsos THz a intensidades láser yendo desde las encontradas en la filamentación láser (10¹²-10¹⁴ W cm⁻²) hasta las cercanas al límite relativista (10¹⁵-10¹⁸ W cm⁻²), habiendo sido este último rango de intensidades poco estudiado en este campo hasta el presente. Ya es sabido que a bajas intensidades la fotoionización inducida por el láser domina la emisión Terahertz, la cual depende enormemente de la configuración de los colores (o armónicos) del láser. Demostramos aquí que, más allá de la “clásica” configuración del láser en dos colores, acoplar varias fréquencias láser siguiendo los armónicos de una forma de onda en diente de sierra es óptimo para incrementar la producción THz. Las simulaciones predicen una eficacia de conversión de energía THz de 2% empleando cuatro colores, un valor récord inigualado hasta hoy. Además, ayudándonos de un experimento realizado en aire, identificamos la firma del effecto Kerr en el espectro THz emitido, la cual, pese a ser más débil, resulta complementaria a la firma del plasma. Cuando se aumenta la intensidad del láser más allá de 10¹⁵ W cm⁻², demostramos que la radiación Terahertz emitida crece de manera no monotóna, debido a que existe un valor de intensidad que maximiza la energía THz producida por cada capa electrónica. Finalmente, hemos estudiado en geometría 2D el efecto conjunto de la fotoionización y de las fuerzas ponderomotrices a intensidades próximas a 10¹⁸ W cm⁻², lo que nos permite obtenter campos THz cuyas amplitudes exceden el GV/m en argon. Estas últimas fuerzas aumentan con la intensidad láser y, por tanto, ofrecen perspectivas interesantes para la generación de campos Terahertz muy intensos en un régimen de interacción láser-materia relativista.