L'interaction d'un laser ultra-intense et ultra-court avec la matière donne naissance à une grande variété de processus issus du couplage des ondes électromagnétiques associées au laser avec les modes du plasma. Ce couplage hautement non-linéaire excite des phénomènes plasmas collectifs capables de produire des champs intenses pouvant atteindre le TV/m. Ces champs ouvrent la possibilité de réaliser des accélérateurs de particules compacts, aussi bien d'électrons que d'ions. Des sources laser-plasma d'ions de plusieurs dizaines de MeV ont été démontré au début des années 2000 et de nombreux mécanismes ont été suggérés depuis afin d'en améliorer les propriétés. Historiquement, les sources d'ions par laser ont été obtenues à partir de cibles solides dîtes sur-denses. L’innovation sur les cibles a été un moteur majeur de l’amélioration de ces sources. Dans la continuité de cette dynamique, l’utilisation de cibles gazeuses a été proposé afin d’alléger les contraintes de contraste laser et de taux de répétition. De récentes démonstrations expérimentales sont venus renforcer l’intérêt pour ces cibles, dîtes sous-denses ou proche critiques, dont la valeur est propice à la propagation, à l’absorption du laser et à la création de structures accélératrices que sont les chocs plasmas et les vortex magnétiques. Les travaux présentés dans cette thèse constituent une exploration expérimentale des paramètres plasmas nécessaires à l’accélération d’ions dans des cibles gazeuses de densité proche-critique. Pour la première fois ces régimes sont explorés avec un laser ultra-intense femtoseconde de 150TW. Une partie des travaux a été consacrée à la réalisation d’une cible innovante, adaptée aux contraintes de densité et de gradients plasma requises par ces régimes. Suivent, les travaux expérimentaux décrivant la propagation du laser et l’accélération d’électrons dans des cibles proche-critiques. Enfin une dernière partie décrit la production d’un faisceau d’atome issue d’une source d’ion laser. / Interaction of ultra-intense, ultra-short laser with matter gives rise to a wealth of phenomena, due to the coupling between the electromagnetic field and the plasma. The non-linear coupling excites collective plasma processes able to sustain intense electric fields up to 1TV/m. This property spurred early interest in laser accelerator as compact, next-generation source of accelerated electrons and ions. Laser-driven ion source of several MeV was demonstrated in early 2000 an various mechanisms had been suggest to improve the their properties. These first ion sources have been obtained on solid targets, called “overdense”. Target innovation has driven the improvement of these sources. In the continuity of this dynamic, new gaseous targets had been proposed in order to relax the constraints that solid targets impose on laser contrast and repetition rate. Recent experimental demonstrations of monoenergetic ion acceleration in gas renew the interest in such targets, called under-dense or near-critical because of their intermediate densities. At near-critical density the laser can propagate, but undergoes significant absorbtion, giving rise to the accelerating structures of plasma shocks and magnetic vortex.The work presented in this thesis is an experimental exploration of the plasma conditions required to drive ion acceleration in gaseous near-critical target. For the first time, these regimes are explored with an ultra-intense, femtosecond laser of 150TW. A part of this work has been dedicated to the design of an innovative gas target, suited for plasma density and gradient constraints set by these regimes. Then the experimental works describe laser propagation and electron acceleration in near-critical targets. Finally the last part report the efficient production of an atomic beam from a laser-driven ion source.

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.

Nous étudions l’accélération d’un faisceau d’électrons provenant d’un photoinjecteur RF lorsque celui-ci est injecté dans le champ électrique à très fort gradient crée par un laser de forte puissance dans un plasma. Dans cette thèse la configuration d’une telle expérience est étudiée et des simulations du début à la fin sont présentées. Étant donné qu’un faisceau ultra-court d’électrons (quelques femto secondes) est nécessaire pour atteindre une faible dispersion en énergie dans le plasma, le faisceau d’électrons de 10 MeV provenant du photoinjecteur est comprimé en deux étapes. Le premier étage utilise une chicane coudée qui comprime le paquet d’électrons jusqu’à une durée de 69 fs, puis un deuxième étage qui utilise la méthode de regroupement par différence de célérité dans le plasma et qui comprime le paquet jusqu’à 4 fs avant qu’il ne soit accéléré. Le paquet d’électrons est comprimé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Le paquet d’électrons est focalisé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Une longue cellule plasma est utilisée pour créer le plasma en commençant plusieurs longueurs de Rayleigh avant le plan focal du laser, ce qui permet un regroupement par différence de célérité dans la première partie du plasma avec des contraintes relâchées sur la taille transverse du paquet d’électrons. La cellule plasma s’étend plusieurs longueurs de Rayleigh après le plan focal du laser pour supprimer la divergence angulaire du paquet d’électrons. Nous démontrons que le paquet d’électrons à la sortie du plasma a une énergie de plus d’une centaine de MeV avec une émittance plus petite que 1 µm, une charge plus grande que 7pC et une dispersion en énergie plus petite que 1,5% (largeur à mi-hauteur). Pour étendre la longueur d’accélération nous avons étudié le guidage du laser par un capillaire diélectrique creux et les résultats montrent que même dans le cas optimal le profile Gaussien usuel d’un laser n’est pas optimal, principalement à cause de la diffraction du laser sur les bords à l’entrée du capillaire. Un profile Gaussien aplatit est donc suggéré pour supprimer cette diffraction et il est montré que dans ce cas les électrons peuvent être accélérés sur plus de 10 longueurs de Rayleigh. / The acceleration of an externally injected 10MeV electron bunch coming from a RF photoinjector in a high gradient electric field excited in a plasma by a high power laser is studied. In this thesis, the configuration of such an experiment is studied and start to end simulations are presented. As an ultrashort electron bunch (several femtoseconds) is required to maintain a low energy spread beam in the plasma, the 10MeV electron bunch coming from the photoinjector is compressed in two stages. The first stage is realized using a dogleg chicane which compresses the electron bunch to 69fs, the second stage is realized with velocity bunching in the plasma that further compresses the electron bunch to 3fs before efficient acceleration. The electron bunch is transversely focused with a solenoid before being injected into the plasma. A long cell is used to create a plasma starting several Rayleigh lengths before the laser focal plane, allowing the velocity bunching in the first part of the plasma and relaxing constraints on the transverse bunch size. The cell extends several Rayleigh lengths after the laser focal plane to suppress the angular divergence of the electron bunch. We demonstrate that the electron bunch at the exit of the plasma has an energy of more than one hundred MeV, with an emittance smaller than 1 µm, a charge greater than 7pC and a FWHM energy spread smaller than 1.5%. To extend the acceleration section, the guiding of the laser beam with a hollow dielectric capillary is studied, the results show that even in the best matching conditions, the usual laser Gaussian transverse profile is not optimum, mainly because of the diffraction of the laser on the edges at the entrance of the capillary, a flattened Gaussian laser profile is then suggested to suppress this diffraction and the electrons can be accelerated over more than ten Rayleigh lengths.