Le rayonnement X est un outil vieux de plus d'un siècle qui a magnifiquement participé au développement de nombreuses thématiques. Il se produit actuellement une petite « révolution » scientifique qui va avoir un impact fort sur la vision dont la matière peut être analysée. Le travail présenté dans le cadre de cette HDR insiste sur le développement de sources X innovantes obtenues par interaction entre un laser femtoseconde intense avec la matière, et sur leurs rôles dans la réalisation d'applications pionnières dans cette thématique de la « science X ultrarapide ».

L'endommagement laser est le résultat d'une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d'effets transitoires, capables d'affecter le seuil d'endommagement, lorsque la densité d'électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l'évolution du seuil d'endommagement en fonction de la durée de l'impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d'endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d'endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d'endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l'Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé par focalisation d'impulsions laser femtosecondes et intenses dans des gaz permet d'obtenir des trains d'impulsions attosecondes dans l'XUV. Dans cette thèse, nous présentons une technique destinée à optimiser l'efficacité de génération, puis nous montrons comment la caractérisation du rayonnement permet l'étude de la dynamique des molécules en champ fort. Dans une première partie, par une manipulation de sa phase spatiale, nous transformons le profil du faisceau laser infrarouge au foyer afin d'agrandir le volume de génération. Nous mettons en évidence la possibilité de créer un profil carré, élargi d'un facteur 2.5 par rapport au profil gaussien. Nous étudions ensuite la génération d'harmoniques dans les gaz rares par un tel faisceau, à la fois expérimentalement et numériquement. Bien que nous n'ayons pu observer d'augmentation significative du signal harmonique, les simulations effectuées à plus forte énergie indiquent un gain d'efficacité. Dans une seconde partie, nous montrons que le spectre et la phase spectrale du rayonnement harmonique issu d'un ensemble de molécules linéaires alignées présentent des structures liées aux caractéristiques des molécules. Nous mettons en évidence la présence d'un saut de phase lié à un phénomène d'interférences quantiques lors de l'étape de recombinaison. Nous étudions la dépendance de ce saut de phase en fonction de différents paramètres, tels que l'orientation des molécules ou l'éclairement de génération. Ces mesures permettent l'étude de la dynamique électronique lors de la recombinaison du paquet d'ondes électroniques. De plus, elles devront servir de support pour les nouvelles modélisations du comportement des molécules en champ intense.

Ce travail porte sur la modélisation et la simulation d'écoulements compressibles. Par une démarche d'homogénéisation, on commence par dériver un modéle d'écoulements diphasiques à sept équations. Les termes de fluctuation restants sont modélisés par des termes de relaxation. Dans le cas où ces coefficients de relaxation tendent vers l'infini, ce qui correspond à des écoulements très bien mélangés, on obtient par un développement asymptotique un modèle à cinq équations qui est strictement hyperbolique, mais non-conservatif. La discrétisation de ce modèle est obtenue par un développement asymptotique d'un schéma numérique pour le système à sept équations. Le schéma obtenu est implémenté, validé sur des cas analytiques, et comparé dans le cas de chocs multiphasiques à des résultats expérimentaux. <br /><br />On s'intéresse ensuite à la modélisation du changement de phase avec deux équations d'état. Un principe d'optimisation de l'entropie de mélange mène à distinguer trois zones: une zone où le liquide pur est le plus stable, une autre zone où le gaz pur est le plus stable, et, enfin, une zone où un mélange à l'équilibre des pressions, températures et potentiels thermodynamiques est stable. On donne alors des conditions sur le couplage des deux équations d'état pour que l'équation d'état de mélange soit convexe, et pour que le système soit hyperbolique. Afin de prendre en compte le changement de phase, on introduit dans la solution du problème de Riemann une onde de vaporisation modélisée comme une onde de déflagration. On montre ensuite que la fermeture habituelle, la fermeture de Chapman-Jouguet, est inadéquate en général, et on donne une fermeture correcte dans le cas où les deux phases sont des gaz parfaits. Enfin, la solution du problème de Riemann est implémentée dans un code multiphasique, et validée sur des cas analytiques. Dans ce même code, on met en place un modèle de dépôt laser et de conduction thermique non linéaire afin de modéliser les phénomènes physiques intervenant dans l'ablation laser. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus avec des lois d'échelle. <br /><br />Le dernier chapitre, complètement indépendant, porte sur la recherche de correcteurs en homogénéisation stochastique dans le cas de processus à queue lourde.

L'utilisation de lasers est largement répandue dans le domaine de la microanalyse directe des solides. La matière vaporisée, en focalisant un faisceau laser de forte puissance sur la cible, peut être analysée soit par spectrométrie d'émission optique sur plasma induit (LIBS, acronyme anglais pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy), soit par une source à plasma induit par haute fréquence couplée à la spectrométrie d'émission optique (ICP-AES) ou à la spectrométrie de masse (ICP-MS). Avec une résolution spatiale à l'échelle microscopique, les techniques d'ablation laser permettent ainsi d'accéder à la composition élémentaire locale de la surface d'un matériau. Néanmoins, les performances analytiques de ces techniques pourraient être améliorées par l'utilisation combinée des informations LIBS et ICP afin également de comprendre et maîtriser davantage l'interaction laser/matière. Dans ce but, ce travail a consisté à développer une technique de microanalyse par ablation laser couplée avec une détection en simultané par ICP et par LIBS afin d'étudier les potentialités analytiques de cet instrument pour cartographier la surface des matériaux. Les performances et les limitations de ce système ont été évaluées d'une part, en caractérisant les aérosols produits par ablation laser et d'autre part, en étudiant les signaux LIBS et ICP obtenus à partir d'un même prélèvement de matière. Le phénomène de fractionnement élémentaire rencontré sur des matrices critiques telles que le laiton a été mis en évidence en microablation malgré des caractéristiques de l'interaction laser/matière différente de la macroablation. Une méthode de correction, a posteriori, par l'efficacité d'extraction de la cellule d'ablation a été proposée afin de pallier ces effets limitatifs pour l'analyse quantitative. Une cellule d'ablation, optimisée à partir d'une étude de simulation numérique, a été développée afin de s'adapter aux applications de cartographies de surface. Les performances analytiques du système ont été évaluées en termes de stabilité (8-10%), de résolution spatiale (5 µm) et de limites de détection (de l'ordre de la ppm dans le solide avec un détecteur de masse). La complémentarité des mesures LIBS et ICP représente à la fois un outil de diagnostic de l'interaction laser/matière et un instrument d'analyse très complet grâce à la double détection qui permet de suivre simultanément des traces et des majeurs sur une large gamme d'éléments de la classification périodique

Le choc laser est un procédé de plus en plus répandu qui utilise l’énergie laser pour générer des ondes de choc et inclure des effets mécaniques dans les matériaux ciblés. Lorsque l’énergie laser est absorbée par la cible, un plasma d’interaction est créé à la surface du matériau. Ce plasma, lors de sa détente, génère une onde de choc qui se propage. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’inscrivent donc dans une démarche globale de compréhension des phénomènes liés à l’interaction laser-matière. Dans le domaine des ondes de choc générées par laser, on peut distinguer deux procédés : Le traitement de surface par choc laser (LSP - Laser Shock Peening) et le test d’adhérence par choc laser (LASAT - LASer Adhesion Technique). Aujourd’hui la question se pose sur les limitations des procédés de choc par laser et sur les solutions à mettre en place pour pallier à ces limitations. Des idées sur l’amélioration des confinements, comme substitution à l’eau, ou encore l’optimisation des revêtements protecteurs ont été proposées. Par ailleurs, au cours de ces travaux de thèse, l’utilisation de deux impulsions laser a permis, dans le cas du procédé LASAT, l’optimisation de la traction générée aux interfaces des multimatériaux et ainsi de rendre le procédé plus robuste. De plus, dans le cas du procédé LSP, les aspects de rentabilité liés à la cadence de traitement ont été étudiés. Finalement, que ce soit pour les décalages en temps faibles (entre 0 et 1000 ns) ou bien les décalages importants (entre 200µs à 200ms), l’étude des phénomènes liés à l’interaction laser-matière a permis de franchir certaines limitations pour les deux procédés. / The laser shock wave generation is a novel process becoming more and more common. The shock waves are used to generate mechanicals effects in the sample. The laser absorption results in the creation of a plasma at the surface. This plasma during its expansion creates a shock wave propagating through the sample. This work aims to study the various phenomena involved in the laser-matter interaction. In the field of laser generated shock waves, two different processes exist: the Laser Shock Peening (LSP) and the LASer Adhesion Technique (LASAT). The new challenge deals with the limitations of those processes and the solutions to be setting up to improve them. Some ideas concerning the confinement improvement as water substitution or thermal coatings optimization are suggested in this work. Moreover, the use of double delayed laser pulses allows, for LASAT, the location of main tensile stresses near interfaces. However, for LSP, some aspects dealing with the profitability linked to the peening rate are investigated here. Last but not least, whether the very short (0 to 1000 ns) or very long delays (from 200µs to 200ms), the study of the laser-matter interaction phenomena allows to overcome some limitations for both laser shock processes.

Les chocs radiatifs sont des chocs très violents qui sont caractérisés par des températures très élevées. Dans ce type de structure, une grande partie de l’énergie est convertie en rayonnement. Ces chocs sont présents dans de nombreux plasmas astrophysiques, notamment dans le cadre des jets et de l’accrétion stellaires, des restes de supernova etc. Ils peuvent être désormais générés sur terre en utilisant des lasers de grande puissance ce qui permet leur étude à l’interface entre l’astrophysique et la physique des plasmas.Cette thèse présente et discute les résultats d’une expérience réalisées sur l’installation Prague Asterix Laser System. Le choc est généré en focalisant le laser Infrarouge sur une cible de quelques millimètres de long, remplie de xénon à basse pression. Le choc ainsi généré se propage dans le gaz à une vitesse élevée, permettant d’atteindre le régime des chocs dom- inés par le flux radiatif. Nous avons utilisé différents diagnostics pour caractériser le choc, notamment une radiographie éclair, à l’aide d’un laser (Zinc) à 21.2 nm, capable de pénétrer les parties denses du plasma. Un autre important diagnostique consiste à analyser l’émission propre du plasma à l’aide d’une diode rapide.Les résultats expérimentaux montrent pour la première fois, et sans ambiguïté, une structure de choc complète, comprenant le post-choc et le précurseur. Nous avons aussi réalisé différentes mesures de la vitesse des chocs. Les résultats ont été comparés à ceux de simulations numériques, montrant un bon accord avec ces dernières. / Radiative shocks are strong shocks which are characterized by a plasma at high temperatures emitting an important fraction of its energy as radiation. Radiative shocks are found in many astrophysical systems, including stellar accretion shocks, supernovae remnants, jet driven shocks, etc. Recently, radiative shocks have also been produced experimentally using high energy lasers. Thus opening the way to laboratory astrophysics studies of these universal phenomena.In this thesis we discuss the results of an experiment performed on the Prague Asterix Laser System facility. Shocks are generated by focusing the PALS Infrared laser beam on millimetre-scale targets filled with xenon gas at low pressure. The shock that is generated then propagates in the gas with a sufficiently high velocity such that the shock is in a radiative flux dominated regime. We used different diagnostics to characterize these shocks. The two main ones include a radiography of the whole shock structure using sub-nanosecond Zn X-ray laser at 21.2 nm, which is able to penetrate the dense post-shock layer, and a space-and-time resolved plasma self-emission using high speed diodes.The experimental results show, for the first time, an unambiguous shock structure which includes both the post-shock and the precursor, and we also obtained multiple shock velocity measurements from the different diagnostics. The experimental results are compared to simulations, and show good agreement with the numerical results.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial. Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises. Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit.

L'interaction d'impulsions lasers brèves et intenses avec un plasma est une source intéressante d'ions énergétiques. Les travaux effectués au cours de cette thèse s'articulent autour de deux grandes thématiques : la production de protons par laser, et leur utilisation pour le chauffage isochore, avec, pour principal outil d'étude, la simulation à l'aide de codes numériques (cinétique particulaire et hydrodynamique). Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement de l'énergie cinétique maximale des protons qu'il est possible d'accélérer avec le mécanisme du Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), en régime sub-ps, en fonction de différents paramètres, notamment de la durée d'impulsion laser. Nous avons montré que l'allongement de la durée d'impulsion, à énergie laser constante, est responsable du préchauffage et de la détente du plasma avant l'arrivé du pic d'intensité. Les gradients de densité ainsi produits (face avant et face arrière) peuvent favoriser, ou au contraire pénaliser, le gain en énergie cinétique des protons. Les résultats obtenus ont servi à l'interprétation d'une étude expérimentale réalisée au Laboratoire d'Optique Appliquée. Nos efforts se sont ensuite concentrés sur l'élaboration d'un modèle semi-analytique rendant compte de l'énergie cinétique maximale des protons accélérés par le biais du TNSA. Ce modèle permet de retrouver l'ordre de grandeur des intensités nécessaires, de l'ordre de 6x1021 W/cm², pour atteindre des énergies de proton supérieures à 150 MeV avec des impulsions laser de quelques joules et plusieurs dizaines de fs. Dans la dernière partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'utilisation de ces faisceaux de protons pour le chauffage isochore. Nous avons caractérisé, dans un premier temps, les fonctions de distribution produites par des cibles composées d'un substrat lourd (A >> 1) sur la face arrière duquel est déposé un plot d'hydrogène (schéma d'Esirkepov). Ensuite, à partir de simulations hydrodynamiques, nous avons étudié le temps caractéristique de détente de la cible chauffée en modifiant des paramètres tels que la distance à la source de protons, l'intensité et la tache focale du laser, et la densité surfacique du plot. Nous avons enfin étendu cette étude aux cibles cylindriques et nous avons montré qu'il est possible de réduire les effets liés à la divergence naturelle du faisceau de protons et ainsi d'obtenir des températures plus élevées. / The interaction of ultra-high intensity, ultra-short laser pulses with matter is an interesting source of energetic ions. During this work, we studied the production of energetic protons and their application to isochoric heating using kinetics and hydrodynamics code. We first considered the behavior of the maximum proton kinetic energy with the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism, in the sub-ps interaction regime, as a function of different parameters, especially the laser pulse duration. We showed that stretching the pulse duration, with a constant laser energy, led to the preheating and the expansion of the plasma slab. This expansion can be beneficial or detrimental regarding the maximum proton kinetic energy. The results we obtained helped to explain an experimental study carried out at the Laboratoire d'Optique Appliquée. We then developed a semi-analytical model trying to describe the maximum proton kinetic energy that can be produced in the TNSA regime. The results we obtained can retrieve the minimum intensity, of the order of 6x1021 W/cm², that is required to reach proton energies of 150 MeV with femtosecond, few joules laser pulses. As a final step, we were interested in the use of these proton beams for isochoric heating. We first characterized the proton distribution function produced by targets consisting in an heavy substrate with an hydrogen is deposited at the rear side. By the mean of hydrodynamics simulations, we studied the characteristic expansion time of the heated target by varying several parameters such as the heated sample distance from the proton source, the intensity and focal spot size of the laser, and the areal density of the dot. Finally, we extended the previous study to cylindrical targets and we demonstrated that it is possible to counterbalance the natural divergence of the proton beam and hence, to reach higher temperatures.

Dans le cadre des études sur l'endommagement laser liées au projet Mégajoule, nous analysons le couplage entre l'auto-focalisation induite par effet Kerr et la rétrodiffusion Brillouin stimulée pour des impulsions de durée nanoseconde se propageant dans des échantillons de silice. L'influence de la puissance d'entrée, des modulations de phase ou d'amplitude ainsi que la forme spatiale du faisceau sur la dynamique de filamentation est discutée. Nous montrons qu'une modulation d'amplitude appropriée divisant l'impulsion incidente en train d'impulsions de l'ordre de la dizaine de picosecondes supprime l'effet Brillouin pour toute puissance incidente mais réduit notablement la puissance laser disponible. A l'inverse, des impulsions modulées en phase avec une largeur spectrale comparable peuvent subir de la filamentation multiple et une auto-focalisation à distance plus courte causées par des instabilités modulationnelles. Nous démontrons cependant l'existence d'une largeur spectrale critique à partir de laquelle la rétrodiffusion peut être radicalement inhibée par une modulation de phase, même pour des fortes puissances. Cette observation reste valide pour des faisceaux de forme carrée avec des profils spatiaux plus larges, qui s'auto-focalisent beaucoup plus rapidement et se brisent en filaments multiples sur de courtes distances. L'inclusion de la génération de plasma pour limiter la croissance des ondes pompe et Stokes est finalement abordée.