La spectroscopie ro-vibrationelle de haute résolution de l’ion moleculaire H2+ par REMPD requiert une source sélective en état interne. Dans cette thèse nous présentons notre travail de conception et de réalisation d’une telle source utilisant la photo-ionisation multiphotonique résonante (REMPI) de H2 à l’aide d’un laser pulsé à 303 nm.Dans un deuxième temps nous présentons nos simulations numériques de refroidissement sympathique dans un piège de Paul linéaire, avec pour application principale le projet GBAR qui implique le refroidissement sympathique d’un ion d’antimatière H̄+ par des ions Be+ refroidis par laser. Nous avons dévelopé un code GPU utilisant un pas de temps variable permettant de décrire les interactions coulombiennes de façon efficace. Nous discutons de l’influence du chauffage RF et de lois d’échelles entre le temps de capture, l’énergie initiale et le nombre d’ions dans le cristal. Nous montrons que le refroidissement sympathique de H̄ requis pour GBAR pourrait fonctionner avec un cristal dissymétrique de Be+/HD+ qui semble plus efficace que le Be+ seul. Nous montrons qu’avec un tel cristal la capture du H̄+ pourrait être détectée expérimentalement par analyse de Fourier des données de fluorescence. / The high-resolution ro-vibrational spectroscopy of the H2+ molecular ion by resonance-enhanced multiphoton dissociation (REMPD) requires a state-selective source of H2+. In this thesis we present work on a functional state selective H2+ ion source using resonance enhanced multiphoton ionisation (REMPI) with a 303 nm pulsed laser.The second part of the thesis presents numerical simulations of sympathetic cooling in linear RF traps, whose main application is the GBAR project (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) which involves sympathetic cooling of an antimatter H̄+ ion by laser-cooled Be+ ions. We developed a GPU code using a variable timestep technique enabling a fast description of Coulomb interactions. We discuss the influence of RF heating and scaling laws between cooling times, initial energy and ion numbers in the cooling crystal. We show that the H̄ sympathetic cooling step of GBAR could be feasible using a rotationally asymmetric two-component Be+/HD+ crystal which appears more effective than a single-component Be+ crystal. We find that the H̄+ ion’s capture by this crystal could be detected experimentally by Fourier analysis of the fluorescence data.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Cette thèse constitue le fruit de plusieurs années de travaux principalement expérimentaux dans les domaines de la physique atomique et des champs laser intenses. Les premiers chapitres présentent les principes physiques pertinents à ce travail, les systèmes laser et les techniques de spectroscopie employées dans les expériences. Le travail comporte ensuite deux principaux volets. Le premier volet du travail scientifique original traite d'abord de l'étude des processus d'ionisation de l'atome de xénon par des impulsions laser ultra-brèves (7 fs) (chapitre 4) et dont la polarisation est modulée temporellement (chapitre 5). Au chapitre 2 est expliquée la technique de porte temporelle de polarisation ajustable permettant de raccourcir graduellement la durée effective d'une interaction lumière-matière. La spectroscopie ionique à temps de vol et la spectroscopie à imagerie photoélectronique sont employées respectivement pour étudier l'ionisation non séquentielle et les interactions multiphotoniques. Le chapitre 4 met d'abord en évidence la superposition de processus résonants et non résonants lors de l'ionisation multiphotonique du xénon par des impulsions ultra-brèves. Les probabilités pour l'ionisation multiple sont également obtenues et permettent de faire la distinction entre les domaines d'ionisation séquentielle et non séquentielle. Les résultats sont comparés avec un modèle d'ionisation non séquentielle développé au chapitre 3. Le chapitre 5 présente deux expériences dans lesquelles la durée d'interaction est réduite de façon continue jusqu'à l'ordre d'un cycle optique. D'abord, nous montrons la contribution d'un cycle optique du laser sur le processus de redifusion électronique vers son ion parent. Ensuite, en tirant avantage des règles de sélection, nous montrons la possibilité de confiner temporellement une transition multiphotonique résonante. Le deuxième volet du travail (chapitre 6) s'articule autour de la création et la caractérisation d'un système expérimental pour la production d'impulsions laser EUV ("Extreme UltraViolet") de durées attosecondes ([symbol]) selon le processus de génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un milieu gazeux. Nous expliquons la démarche scientifique employée dans l'élaboration du projet et présentons un nouveau type de cellule gazeuse pour la production du rayonnement EUV. Nous abordons la caractérisation spectrale et présentons les procédures d'optimisation de l'émission EUV. Finalement, nous effectuons un bilan récapitulatif du dispositif en indiquant les améliorations et les cheminements possibles pour le travail futur. / This thesis is the result of several years of experimental work mainly in the fields of atomic physics and intense laser fields. The first chapters present the relevant physical principles for this work, the laser systems and the spectroscopic techniques used in our experiments. The work has then two main parts. The first part of the original scientific work, deals with the study of ionization processes of the xenon atom with few-cycle laser pulses (7 fs) (chapter 4) as well as with polarizationgated pulses (chapter 5). We begin in chapter 2, where we explain an experimental technique called continuously adjustable polarization gating technique developed to shorten the effective duration of an interaction. The time-of-flight mass spectroscopy and the photoelectron imaging spectroscopy are used to study the non sequential ionization processes and the multiphoton interactions respectively. The chapter 4 first highlights the superposition of resonant and non resonant ionization processes obtained with a few-cycle laser pulse. The probabilities for multiple ionization are experimentally obtained and allow the distinction between sequential and non sequential ionization processes. The results are compared with a model developed in chapter 3. The chapter 5 presents two experiments where the duration of interaction is reduced continuously up to the order of an optical cycle. First, we show the contribution to non sequential double ionization of an optical cycle by the rescattering process of an electron toward its parent ion. Then, taking advantage of the selection rules we show the possibility of confining a multiphoton resonant transition in the time domain. The second part of the work is presented in chapter 6 and revolves around the creation and characterization of a device for the production of extreme-ultraviolet (EUV) attosecond ([symbol]) pulses by using the high-order harmonic generation process in a gaseous medium. We explain the scientific approach used in developing the project and we present a new type of gas cell for the production of EUV radiation. We discuss the spectral characterization and we present procedures for optimizing the EUV emission. Finally, we conduct a summary assessment of the device by showing the improvements and possible paths for future work.

La filamentation du laser femtoseconde provient d'un équilibre dynamique entre l’autofocalisation Kerr et la défocalisation par le plasma autogénéré produit de l’ionisation multiphotonique/tunnel des molécules dans l'air. Ce phénomène a attiré beaucoup d’attention des scientifiques telles que la télédétection de polluants atmosphériques et l'identification moléculaire par l'alignement des molécules. Cependant, il y a une multitude de processus non linéaires lors de la filamentation. Quant à l'application, il est important d'avoir une compréhension des mécanismes physiques présents lors de la filamentation induite par l’optique non linéaire. Étant donné de nombreux de phénomènes et d’applications de la filamentation, cette thèse se concentre sur une partie de ces aspects. Ceux-ci sont la rotation de la polarisation laser dans les gaz atomiques/moléculaires, le processus d’émission laser des molécules d'eau dans l'étalonnage air, lde l'humidité à travers la spectroscopie induite par un filament, ainsi que le renforcement de la fluorescence par un réseau de diffraction de plasma. La rotation de la polarisation laser d'une sonde polarisée initialement linéaire a été étudié dans les gaz atomiques/moléculaires. Dans les gaz atomiques, la biréfringence ultrarapide induite par l’effet Kerr a été mesurée quantitativement. Dans les gaz moléculaires, la biréfringence et les états de polarisation de la production de la sonde ont été modulés à la renaissance rotationnelle de la molécule. Également, nous avons étudié expérimentalement la fluorescence induite par filament à partir des fragments dissociés dans l'air. Les émissions de fluorescence des radicaux libres OH à 308.9 nm et NH à 336.0 nm ont été observés dans l'air. La fluorescence rétrodiffusée par le groupement OH et le groupement NH présentait une augmentation exponentielle accompagnant l'augmentation de la longueur du filament qui indique l’existence de l'émission spontanée amplifiée (ASE). En plus, on étudie la spectroscopie de fluorescence induite par filament à partir du réseau de diffraction pour le plasma. Le réseau de diffraction pour le plasma a été généré par des filaments non colinéaires qui se superposés et synchronisés temporellement dans l'air. Une série de spectres des fragments excités du CN a été observée. L’intensité de fluorescence du radical CN en utilisant un réseau de diffraction par le plasma est beaucoup plus forte que celle utilisant des filaments séparés temporellement. / Femtosecond laser filamentation, which originates from a dynamic equilibrium between Kerr self-focusing and defocusing by the self-generated plasma produced by multiphoton/tunnel ionization of air molecules, has attracted a lot of scientific applications such as remote sensing of atmospheric pollutants, molecular identification by the alignment of molecules, etc. However, there are many nonlinear processes taking place during filamentation. From the application point of view, it is important to have a good understanding of the detailed physics behind filamentation induced nonlinear optics. Since there are many nonlinear phenomena and applications for filamentation, the thesis only focuses on few aspects of filamentation. Those are: the polarization rotation in atomic/molecular gases, the lasing action of water molecules in air, the humidity calibration through the filament-induced spectroscopy, as well as the fluorescence enhancement by plasma grating. The polarization rotation of an initially linearly polarized probe pulse was studied in atomic/molecular gases. In atomic gases, the ultrafast birefringence induced by Kerr effect was quantitatively measured. In molecular gases, the birefringence and the polarization states of the output probe were modulated at the rotational revival of molecule. We also experimentally investigate the filament-induced fluorescence from the dissociated fragments in air. Fluorescence emissions from OH free radicals at 308.9 nm and NH free radicals at 336.0 nm were observed in air. The backscattered fluorescence from both OH and NH exhibited an exponential increase with increasing filament length, indicating amplified spontaneous emission. We have further investigated the filament-induced fluorescence spectroscopy from a plasma grating. The plasma grating was generated by non-collinearly overlapping temporally synchronized filaments in air. A series of spectral lines from the excited fragments of CN was observed. The fluorescence intensity from CN radicals in plasma grating was much stronger as compared to the case of temporally separated filaments.

Nous développons un formalisme théorique qui fournit un outil puissant pour l'analyse numérique détaillée de l'interaction d'un atome d'hydrogène tridimensionnel avec un champ de rayonnement intense. L'application de cette approche à l'ionisation des états de Rydberg de l'atome d'hydrogène par une micro-onde constitue l'expérience numérique la plus réaliste jamais réalisée dans ce domaine. Pour un modèle unidimensionnel de l'atome, nous effectuons une analyse approfondie des signaux et des seuils d'ionisation, de la dynamique des niveaux et des projections des fonctions d'onde associées sur l'espace des phases. Une comparaison avec l'ionisation de l'atome réel tridmensionnel confirme la validité du modèle unidimensionnel et ainsi de la théorie de la localisation dynamique pour les états initiaux étendus, tant que le seuil d'ionisation est concerné. Trois classes d'états initiaux tridimensionels sont identifiés, avec des symétries distinctes, s'adaptant plus ou moins bien aux symétries des états propres du problème microonde. Nous montrons quelques "cicatrices" de fonctions d'onde de l'hydrogène exposé à un champ micro-onde. Finalement, la dynamique d'un état circulaire dans un champ micro-onde et celle dans un champ laser ultra-intense sont comparées.

Nous présentons une étude théorique de l'interaction entre un atome à deux électrons actifs et un champ laser de fort éclairement (10e14 à 10e15 W/cm²) et de durée d'impulsion ultra-brève (quelques 10e-15 à quelques 10e-18 s). Nous décrivons dans un premier temps les techniques expérimentales actuelles capables de produire un rayonnement cohérent de haute puissance dans le domaine spectral UV-XUV, et de durée d'impulsion de l'ordre de la femtoseconde ou subfemtoseconde. Un modèle semi-classique d'une impulsion laser avec de telles caractéristiques est alors défini. Puis, nous développons une méthode numérique basée sur l'utilisation des fonctions B-splines pour décrire la structure électronique d'un atome à deux électrons actifs. Un traitement non perturbatif de type spectral est alors proposé pour représenter la propagation dans le temps de la fonction d'onde du système irradié, où le point important est de définir le plus précisément possible la région du double continuum atomique. Nous exposons finalement des résultats sur la double ionisation des atomes d'hélium et de béryllium en présence d'un champ laser intense et bref, issus de notre approche numérique. Ils concernent en particulier des calculs de sections efficaces totales d'ionisation, et de distributions énergétiques entre les électrons éjectés dans le double continuum après absorption d'un photon et de deux photons.

Calcul, dans le cadre de la théorie des champs gaussiens d'intensité stationnaire, de l'effet de groupement absolu d'ordre quelconque d'un champ gaussien généralisé, ainsi que celui d'une classe plus générale. Etude dans le cadre de la théorie des fonctions aléatoires de plusieurs effets de groupements des champs périodiques. Réalisation du premier laser déclenché a cohérence variable (a nombre de modes axiaux variables). Concept de surintensité. Influence de la cohérence du champ laser sur la section efficace apparente d'ionisation multi photonique. Mesure, en optique statistique appliquée, des moments d'ordre élevé du champ émis par un laser déclenché multi mode. Modèle statistique du champ multi mode.