Cette thèse porte sur le rayonnement X bêtatron généré par des électrons accélérés par sillage laser plasma dans des tubes capillaires diélectriques. En l’état actuel de la technologie des impulsions laser multi-térawatts, on peut produire des faisceaux ayant une intensité crête élevée, de l’ordre de 1018 W/cm2 dans le plan focal. Une telle impulsion laser se propageant au sein d’un gaz sous-dense conduit à des phénomènes d’interaction laser-plasma non-linéaires, tels que la création d’une bulle de plasma, i.e. une bulle ne contenant aucun électron, suivant le laser. La séparation spatiale des charges en résultant crée des champs électriques très élevés au sein de la bulle, de l'ordre de 100 GV/m, ce qui offre la possibilité d'accélérer des électrons jusqu'au GeV après seulement quelques centimètres d’interaction. En outre, un rayonnement synchrotron ultra-bref, appelé rayonnement bêtatron, est produit lors de l’accélération des électrons puisque ces derniers, soumis au champ électrique radial de la bulle plasma, ont une trajectoire oscillante. Cette thèse présente des résultats expérimentaux sur la génération et l'optimisation de faisceaux d'électrons et de leur rayonnement X, en particulier lorsque le tube capillaire est utilisé pour recueillir l'énergie du halo laser dans le plan focal facilitant l’autofocalisation du laser sur de longues distances. Des faisceaux d’électrons de quelques dizaines de picocoulomb, avec une énergie maximale allant jusqu’à 300 MeV, et dont le spectre est soit piqué à haute énergie soit exponentiellement décroissant, ont été produits dans des tubes capillaires de 10 mm de long avec l’installation laser du Lund Laser Center (LLC, en Suède) par une impulsion laser de 40 fs d’un 16 TW Ti: Saphir. Un rayonnement bêtatron a également été mesuré, il se compose de de photons X dont l’énergie est comprise entre 1 et 10 keV et atteint une luminosité maximale d’environ 1021 photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW. Cela équivaut à environ 30 fois l’intensité des faisceaux générés dans le cas des jets de gaz de longueur 2 mm ne disposant pas de guidage optique externe. La compensation des fluctuations de pointé laser permet de minimiser les fluctuations des propriétés du faisceau d’électrons. On obtient des faisceaux d'électrons dont les fluctuations tir-a-tir sont de 1 mrad en pointé, de quelques pourcents en énergie et d’environ 20% RMS en charge. La fluctuation en charge du faisceau, qui peut être considérée comme relativement grande, s’avère être principalement corrélée à la fluctuation en puissance du laser. De plus, il a été montré que le rayonnement bêtatron pouvait être utilisé pour caractériser le processus d'accélération des électrons en caractérisant le nombre moyen d'oscillations bêtatron effectuées par les électrons à l'intérieur de la bulle plasma. La taille typique des sources de rayonnement X (dimension pour laquelle l’intensité gaussienne est égale à 1/e² de la valeur crête) est estimée à ~ 2.5 µm en utilisant un modèle de diffraction de Fresnel induite par une lame de rasoir. Cela correspond à une émittance RMS normalisée pour le faisceau d'électrons d’environ 0,83π mm.mrad. Des simulations tridimensionnelles particle-in-cell (PIC) ont été effectuées et confirment les résultats expérimentaux. Elles indiquent également que les paquets d'électrons générés ainsi que les flashs X directionnels sont ultra-brefs : ~ 10 fs. / This dissertation addresses electron acceleration and the associated betatron X-ray radiation generated by laser wakefield inside dielectric capillary tubes. Focusing the state-of-the-art multi-terawatt laser pulses, high peak intensity, of the order of 1018 W/cm2, can be achieved in the focal plane, where a plasma bubble free of electron is formed just behind the laser. Owing to space charge separation ultrahigh electric fields, of the order of 100 GV/m, occur inside the plasma bubble, providing the possibility to accelerate electrons up to GeV-class over merely a centimetre-scale distance. Furthermore, ultra-short synchrotron-like X-ray radiation, known as betatron radiation, is produced simultaneously when the accelerated electrons are transversely wiggled by the radial electric field inside the plasma bubble. This thesis reports experimental results on the generation and optimization of electron and X-ray beams, particularly when a capillary tube is used to collect the energy of laser halos in the focal plane to facilitate the laser keeping self-focused over a long distance. Employing the 40 fs, 16 TW Ti:sapphire laser at the Lund Laser Centre (LLC) in Sweden, either peaked or widely-spread accelerated electron spectra with a typical beam charge of tens of pC were measured with a maximum energy up to 300 MeV in 10 mm long capillary tubes. Meanwhile, betatron X-ray radiation consisting of 1-10 keV photons was measured with a peak brightness of the order of 1021 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW, which is around 30 times higher than that in the case of a 2 mm gas jet without external optical guiding. When the laser pointing fluctuation is compensated, exceptionally reproducible electron beams are obtained with fluctuations of only 1 mrad RMS in beam pointing, a few percent in electron energy, and around 20% RMS in beam charge. The relatively large instability of beam charge is found to be essentially correlated to laser power fluctuation. Moreover, betatron radiation is able to provide the diagnostics about electron acceleration process and average number of betatron oscillations fulfilled by electrons inside the plasma bubble. The typical X-ray source size (waist of Gaussian distribution at 1/e2 intensity) is quantified to be ~2.5 μm using Fresnel diffraction induced by a razor blade, which furthermore yields the corresponding normalized RMS emittance of electron beam 0.83π mm mrad. Three dimensional particle-in-cell (PIC) modelings are in good agreement with the experimental findings. The PIC simulations also reveal the generated electron bunches (or X-ray bursts) have pulse durations as short as 10 fs.

This dissertation addresses electron acceleration and the associated betatron X-ray radiation generated by laser wakefield inside dielectric capillary tubes. Focusing the state-of-the-art multi-terawatt laser pulses, high peak intensity, of the order of 1018 W/cm2, can be achieved in the focal plane, where a plasma bubble free of electron is formed just behind the laser. Owing to space charge separation ultrahigh electric fields, of the order of 100 GV/m, occur inside the plasma bubble, providing the possibility to accelerate electrons up to GeV-class over merely a centimetre-scale distance. Furthermore, ultra-short synchrotron-like X-ray radiation, known as betatron radiation, is produced simultaneously when the accelerated electrons are transversely wiggled by the radial electric field inside the plasma bubble. This thesis reports experimental results on the generation and optimization of electron and X-ray beams, particularly when a capillary tube is used to collect the energy of laser halos in the focal plane to facilitate the laser keeping self-focused over a long distance. Employing the 40 fs, 16 TW Ti:sapphire laser at the Lund Laser Centre (LLC) in Sweden, either peaked or widely-spread accelerated electron spectra with a typical beam charge of tens of pC were measured with a maximum energy up to 300 MeV in 10 mm long capillary tubes. Meanwhile, betatron X-ray radiation consisting of 1-10 keV photons was measured with a peak brightness of the order of 1021 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW, which is around 30 times higher than that in the case of a 2 mm gas jet without external optical guiding. When the laser pointing fluctuation is compensated, exceptionally reproducible electron beams are obtained with fluctuations of only 1 mrad RMS in beam pointing, a few percent in electron energy, and around 20% RMS in beam charge. The relatively large instability of beam charge is found to be essentially correlated to laser power fluctuation. Moreover, betatron radiation is able to provide the diagnostics about electron acceleration process and average number of betatron oscillations fulfilled by electrons inside the plasma bubble. The typical X-ray source size (waist of Gaussian distribution at 1/e2 intensity) is quantified to be ~2.5 μm using Fresnel diffraction induced by a razor blade, which furthermore yields the corresponding normalized RMS emittance of electron beam 0.83π mm mrad. Three dimensional particle-in-cell (PIC) modelings are in good agreement with the experimental findings. The PIC simulations also reveal the generated electron bunches (or X-ray bursts) have pulse durations as short as 10 fs.

L’interaction d’une impulsion laser, courte (~ 10 - 100 fs) et ultra-intense (> 10^18 W/cm²), avec un plasma sous-dense (< 10^19 cm^-3) peut accélérer, de manière compacte, une fraction des électrons du plasma jusqu’à des énergies relativistes (~ 100 - 300MeV). Ce phénomène, nommé accélération plasma par sillage laser (APSL), pourrait avoir de nombreuses applications telles que le futur collisionneur d’électrons a ultra-hautes énergies. Cependant, cela requiert au préalable des développements supplémentaires afin que l’APSL produise des paquets d’électrons stables et reproductibles avec une excellente qualité, c’est-à-dire de faibles émittances longitudinale et transverses.Au cours de cette thèse, une étude expérimentale de la stabilité et de la reproductibilité des paquets d’électrons auto-injectes a été réalisée dans des tubes capillaires diélectriques, de longueur 8-20mm et de rayon interne 76-89 µm, contenant du H2 pur a une densité électronique de (10 +/- 1, 5)x10^18 cm^-3. Des paquets d’électrons auto-injectes ont été produits, a une cadence de deux tirs par minute, avec une charge accélérée au-delà de 40 MeV de (66+/-7) pC, une énergie moyenne de (65+/-6) MeV, une divergence de (9+/-1) mrad et une fluctuation de pointe de 2,3 mrad. Trois sources de fluctuations et de dérives des propriétés des paquets d’électrons ont été discutées : dérive d’énergie laser, modification du gradient montant de densité électronique et fluctuations du pointé laser. Des contraintes sur le régime de fonctionnement ont été proposées afin d’améliorer la stabilité et la reproductibilité de la source laser-plasma d’électrons.Un mécanisme alternatif d’injection d’électrons dans l’onde de plasma a également été examiné : l’injection induite par ionisation. Une étude expérimentale a montré que les paquets d’électrons accélérés dans un mélange de 99%H2 + 1%N2 ont une charge deux fois plus importante qu’en présence de H2 pur. De plus, une injection plus précoce a été observée pour le mélange de 99%H2 + 1%N2, indiquant que les premiers électrons sont captures selon le mécanisme d’injection induite par ionisation. Une étude complémentaire, utilisant des simulations Particle-In-Cell avec le code WARP, confirment les résultats expérimentaux et suggèrent que l’auto-injection est supprimée par l’injection induite par ionisation. / The interaction of a short (~ 10 - 100 fs) and ultra-intense (> 10^18 W/cm²) laser pulse with an underdense (< 10^19 cm^-3) plasma can accelerate, in a compact way, a fraction of the electrons of the plasma toward relativistic energies (~ 100 - 300MeV). This mechanism, called laser wakefield acceleration (LWFA), might have various applications such as the future ultra-high energy electron collider. Prior to this, additional investigations are needed to ensure, through LWFA, a stable and reproducible generation of electron bunches of high quality, i.e. low transverse and longitudinal emittances.In this thesis, the stability and the reproducibility of the electron self-injection were experimentally investigated in 8-20mm long, dielectric capillary tubes, with an internal radius of 76-89 µm, and filled with pure H2 at an electronic density of de (10 +/- 1.5)x10^18 cm^-3. Electron bunches were produced, at a rate of two shots per minute, with an accelerated charge above 40 MeV of (66+/-7) pC, a mean energy of (65+/-6) MeV, a divergence of (9+/-1) mrad, and a pointing fluctuation of 2.3 mrad. Three sources were identified for the fluctuations and drifts of the electron bunch properties: laser energy drift, change of the electron number density upramp, and laser pointing fluctuations. Restrictions on the operating regime were proposed in order to improve the stability and the reproducibility of the laser-plasma electron source.An alternative mechanism of electron injection into the plasma wave was also investigated: the ionization-induced injection. An experimental study demonstrated that electron bunches generated in a mixture of 99%H2 + 1%N2 have twice more accelerated charge than in the case of pure H2. Moreover, the earlier onset of electron injection was observed for the mixture 99%H2 + 1%N2, indicating that the first electrons were trapped under the mechanism of ionization-induced injection. Particle-In-Cell simulations performed with the code WARP confirm the experimental results and suggest that the self-injection was inhibited by the ionization-induced injection.

L’obtention d’un Laser à Électrons Libres X (LEL-X) compact est un objectif majeur pour le développement des lasers. Plusieurs schémas prometteurs de LEL-X ont été proposés en utilisant à la fois l’accélération d’électrons dans les plasmas et des onduleurs optiques en régime Compton ou Compton inverse. Nous avons proposé un nouveau concept de LEL-X compact baptisé Raman XFEL, en combinant la physique des LEL en régime Compton, des lasers XUV conventionnels basés sur l’interaction laser plasma, et de l’optique non-linéaire. Nous étudions dans cette thèse les étapes préalables pour déclencher un effet laser à rayons X lors de l’interaction entre un paquet d’électrons libres relativistes et un réseau optique créé par l’interférence transverse de deux impulsions laser intenses. Dans cet objectif j’ai développé un code particulaire baptisé RELIC. Les études menées avec le code RELIC nous ont permis d’étudier la dynamique d’électrons relativistes et les processus d’injection du paquet d’électrons dans le réseau optique. Grâce à RELIC, nous avons distingué de nouveaux régimes d’interaction en fonction des paramètres du paquet d’électrons, ainsi que de la géométrie du réseau optique. Ces études ont été appliquées à l’amplification du rayonnement X et appuyées par des simulations PIC. RELIC a également permis de modéliser et d’analyser la première expérience réalisée en octobre 2015 sur l’installation laser ’Salle Jaune’ au Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA). Cette première expérience a été une étape très importante pour la validation des modèles théoriques, et pour la réalisation future d’un laser à électrons libre X Raman. / The quest for a compact X-ray laser has long been a major objective of laser science. Several schemes using optical undulators are currently considered, in order to trigger the amplification of back scattered radiation, in Compton or inverse Compton regime. We have proposed a new concept of compact XFEL based on a combination between the physics of free electron lasers, of laser-plasma interactions, and of nonlinear optics. In this thesis, we study the necessary steps to trigger a X-ray laser during the interaction between a free relativistic electron bunch and an optical lattice created by the interference of two intense transverse laser pulses. For this purpose I developed a particular tracking code dubbed RELIC. RELIC allowed us to study the dynamics and injection process of a bunch of relativistic electrons into the optical lattice. Thanks to RELIC, we distinguished several interaction regimes depending on the relativistic electron bunch parameters, and on those of the optical lattice and its geometry. These studies are applied to the X ray amplification and supported by PIC simulations. RELIC also allowed us to model and analyze the first experiment conducted in october 2015 on the ”Salle Jaune” laser facility at LOA. This first experiment was very important to validate our theoretical models, and should prove to be an essential milestone for the development of a Raman X-ray free electron laser.