Les ondes de surface ont été observées pour la première fois par Wood en 1902 qui note des anomalies dans le spectre de diffraction d'une lumière continue sur un réseau métallique. Pour certaines longueurs d'onde, le spectre diffracté présente des lignes noires que Fano interprète quelques années plus tard (1941) comme dues à l'excitation d'ondes de surface. De façon analogue, on peut exciter par laser de façon résonante une onde plasma de surface à la surface d'un plasma sur-dense créé par interaction laser-solide, si les conditions d'excitation de l'onde sont satisfaites. L'onde de surface se propage le long de l'interface plasma-vide et se caractérise par un champ électrique résonant haute-fréquence localisé. Dans ce travail, la dynamique du plasma et les champs associés à l'excitation par laser de l'onde de surface sont décrits numériquement avec des simulations bidimensionnelles Particule-In-Cell dans lesquelles la surface du plasma est initialement pré-structurée de sorte à satisfaire les conditions d'excitation de l'onde de surface. L'intensité laser a été variée entre Iλ2 =10^15 et 10^20 μm^2/Wcm^2 afin d'étudier la transition entre un régime d'excitation non-relativiste et relativiste. Les simulations dans lesquelles l'onde de surface est excitée sont comparées à celles où elle ne l'est pas et le couplage du laser avec la cible est analysé. Pour différents paramètres du laser et de la cible, nous avons considéré les quatre aspects suivants de l'interaction laser plasma : i) l'absorption laser et le champ électrique à la surface du plasma, ii) le champ magnétique quasi-statique généré, iii) le chauffage électronique et iiii) l'accélération des ions. Nous avons démontré la possibilité d'exciter une onde plasma de surface pour une large gamme d'intensité laser. Lorsque l'onde de surface est excitée, la composante perpendiculaire à la surface du plasma du champ électrique est amplifiée par rapport au champ laser sur la surface plasma-vide d'un facteur allant de 3.2 à 7.2 selon les cas. L'absorption augmente également fortement de 27% lorsque l'onde de surface n'est pas excitée à 73% lorsqu'elle l'est pour Iλ2=10^19 μm^2/Wcm^2 par exemple. Cette étude nous a permis de définir les conditions optimales pour lesquelles le couplage entre le laser et l'onde de surface est le plus efficace. Elles correspondent au régime d'intensité laser relativiste dans lequel le mécanisme d'absorption principale est le " vacuum heating " : les particules gagnent de l'énergie en oscillant dans le champ électrique perpendiculaire à la cible. En présence de l'onde de surface, cette oscillation est fortement augmentée par la présence du champ localisé de l'onde de surface plus intense que le celui du laser. La possibilité de créer des champs magnétiques quasi-statiques auto-générés en présence d'une onde de surface a de plus été étudiée analytiquement et les résultats ont été comparés à ceux des simulations. Les structures de champ obtenues suggèrent que l'intensité du champ magnétique généré induit un confinement partiel des particules sur la surface de la cible lorsque l'onde de surface est excitée. Enfin, nous avons observé un effet induit par l'excitation de l'onde de surface encore plus fort dans des cibles minces dans lesquelles les électrons peuvent circuler d'un bord à l'autre de la cible et interagir plusieurs fois avec le champ de l'onde. Le champ de charge d'espace ainsi créé au cours de l'interaction induit une augmentation importante de l'énergie des ions émis sur les deux faces de la cible mince. L'ensemble de ce travail nous a permis de montrer que l'excitation d'une onde de surface par interaction laser-plasma structuré est un mécanisme physique prometteur pour augmenter l'énergie des particules émises. C'est un point particulièrement intéressant pour les applications liées à la production de protons énergétiques telles que la thérapie hadronique ou à celle d'électrons de hautes énergies indispensables dans le processus de fusion inertiel dans lequel le schéma de l'allumeur rapide est utilisée.

Cette thèse constitue une étude théorique et numérique sur l'accélération d'ions à haute énergie dans l'expansion d'un plasma créé par laser. Les faisceaux d'ions émis en face arrière d'une cible irradiée présentent des caractéristiques (laminarité, faible divergence, largeur des spectres) qui les distinguent de ceux provenant de la face avant. Ces caractéristiques ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que la protonthérapie ou la radiographie de protons. L'accélération des ions s'effectue via un champ électrostatique auto-consistant résultant de la séparation de charges entre les ions et les électrons chauds. La première partie du mémoire présente le modèle théorique fluide ainsi que le code de simulation hybride décrivant l'expansion du plasma. La modélisation numérique d'une récente expérience de sondage du champ d'expansion par faisceaux de protons permet de valider le modèle exposé. L'influence d'un gradient initial de densité sur l'efficacité de l'accélération est abordée dans le seconde partie. Nous établissons un modèle qui retrace la dynamique du plasma et plus particulièrement le déferlement du flot ionique. Les réseaux de courbes qui prévoient une nette dégradation de l'énergie maximale des protons pour de grandes longueurs de gradient sont en accord avec les résultats expérimentaux. L'hypothèse d'un équilibre de Boltzmann électronique, supposé dans le modèle guide, est remise en cause dans la troisième partie où les électrons suivent une description cinétique. La nouvelle version du code permet d'évaluer l'écart à la loi de Boltzmann, qui ne modifie pas cependant de manière significative l'énergie maximale acquise par les ions.

Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions).