A CO₂ laser system delivering a 12 J pulse with a FWHM of 2 ns on target was developed to serve as a driver for studies of laser plasma interactions within a cylindrical cavity. The system consisted of a hybrid oscillator, followed by an amplifier chain, and it achieved its design goals of delivering an intense CO₂ pulse, Gaussian in time and space, with a high contrast ratio on a reliable basis. The targets in which the plasma was produced consisted of small rectangular plates of lucite, with holes drilled through one of the long axes. The holes were 350 μm to 600 μm in diameter, and 10 mm in length. These dimensions allowed the laser beam, focused at the entrance of the hole, to produce sufficient intensity on the inner walls of the cylindrical cavity for plasma formation, while allowing the beam, with a waist diameter of 100 μm at the focus to deliver most of its energy within the cavity. The beam propagated via multiple reflections from the plasma through the cavity. Diagnostics were performed on the beam transmitted through the target. Streak camera images were collected of the intensity of visible emission from the plasma along the axis of the target. Anomalous results were obtained with respect to the reproducible observation of maximum visible light emission from regions at the far end cavity from where the laser beam is injected. Another unforseen but interesting result was the small divergence of the beam transmitted through the cavity. Preliminary models were developed to attempt to explain the observations. / Science, Faculty of / Physics and Astronomy, Department of / Graduate

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22244号 / 理博第4558号 / 新制||理||1655(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 阪部 周二, 准教授 橋田 昌樹, 教授 鶴 剛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

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This thesis presents results from two strands of work towards realizing a free-electron laser (FEL) driven by electron bunches generated by a laser-wakefield accelerator (LWFA). The first strand focuses on selecting operating parameters for such a light source, on the basis of currently achievable bunch parameters as well as near-term projections. The viability of LWFA-driven incoherent undulator sources producing nanojoule-level pulses of femtosecond duration at wavelengths of 5 nm and 0.5 nm is demonstrated. A study on the prospective operation of an FEL at 32 nm is carried out, on the basis of scaling laws and full 3-D time-dependent simulations. A working point is selected, based on realistic bunch parameters. At that working point saturation is expected to occur within a length of 1.6 m with peak power at the 0.1 GW-level. This level, as well as the stability of the amplification process, can be improved significantly by seeding the FEL with an external radiation source. In the context of FEL seeding, we study the ability of conventional simulation codes to correctly handle seeds from high-harmonic generation (HHG) sources, which have a broad bandwidth and temporal structure on the attosecond scale. Namely, they violate the slowly-varying envelope approximation (SVEA) that underpins the governing equations in conventional codes. For this purpose we develop a 1-D simulation code that works outside the SVEA. We carry out a set of benchmarks that lead us to conclude that conventional codes are adequately capable of simulating seeding with broadband radiation, which is in line with an analytical treatment of the interaction. The second strand of work is experimental, and focuses on on the use of coherent transition radiation (CTR) as an electron bunch diagnostic. The thesis presents results from two experimental campaigns at the MPI für Quantenoptik in Garching, Germany. We present the first set of single-shot measurements of CTR over a continuous wavelength range from 420 nm to 7 μm. Data over such a broad spectral range allows for the first reconstruction of the longitudinal profiles of electron bunches from a laser-wakefield accelerator, indicating full-width at half-maximum bunch lengths around 1.4 μm (4.7 fs), corresponding to peak currents of several kiloampères. The bunch profiles are reconstructed through the application of phase reconstruction algorithms that were initially developed for studying x-ray diffraction data, and are adapted here for the first time to the analysis of CTR data. The measurements allow for an analysis of acceleration dynamics, and suggest that upon depletion of the driving laser the accelerated bunch can itself drive a wake in which electrons are injected. High levels of coherence at optical wavelengths indicate the presence of an interaction between the bunch and the driving laser pulse.

Ce manuscrit de thèse décrit le développement d'un faisceau d'électrons intense et bref qui s'insère dans le cadre de la recherche sur les propriétés nucléaires de la matière au sein des plasmas chauds et denses. Afin d'obtenir un tel faisceau, une nouvelle source a été imaginée, dont le principe est basé sur l'extraction des électrons d'un plasma produit par une impulsion laser intense. La caractérisation du plasma produit par laser lors de son expansion fait l'objet d'une première partie expérimentale de ce manuscrit. Ensuite, une différence de potentiel électrique de l'ordre de quelques kV appliquée sur le plasma lors de son expansion montre que l'extraction des électrons est un processus dynamique. Ces observations expérimentales sont validées par des études numériques à l'aide du code de simulation Particle-In-Cell "XOOPIC". Enfin, les distributions en surface et en énergie des électrons extraits du plasma sont déterminées expérimentalement et numériquement tout au long de l'expansion du plasma, ce qui fait l'objet d'une ultime partie de ce manuscrit. Pour cela, un détecteur de type Faraday Cup est utilisé. Une analyse de l'intensité d'émission du courant d'électrons via un modèle numérique met en évidence la présence d'un pré-plasma fournissant un champ électrique extracteur supplémentaire. / This Ph.D thesis describes the development of an intense and brief electron beam and forms part of the research on the nuclear properties of matter in hot and dense plasmas. In order to obtain such a beam, a new source has been created, the principle is based on the extraction of electrons from a plasma produced by an intense laser pulse. The characterization of the laser-produced plasma during its expansion is the subject of a first experimental part of this thesis. Then, an electrical potential of the order of a few kV applied to the plasma during its expansion shows that the extraction of the electrons is a dynamic process. These experimental observations are validated by numerical studies using Particle-In-Cell simulation code "XOOPIC". Finally, the surface and energy distributions of the electrons extracted from the plasma are determined experimentally and numerically throughout the plasma expansion, which is the final part of this thesis. For this, a Faraday Cup type detector is used. An analysis of the emission intensity of the electron current with a numerical model shows the presence of a pre-plasma providing an additional extracting electric field.

Ce travail de thèse expérimental traite de la caractérisation et de l'optimisation de sources d'électrons et de photons (gamme en énergie keV- MeV) produites lors de l'interaction d'un laser à impulsion courte et intense avec une cible à l'état de plasma. La caractérisation en énergie et angulaire de ces sources est un enjeu d'importance, notamment dans la perspective de les utiliser pour des expériences de physiques nucléaires dans les plasmas. Une partie de ce travail est consacrée à l'étude des écrans photostimulables (IPs), détecteurs couramment utilisés pour la mesure des distributions en énergie et angulaire des faisceaux de particules accélérées par laser. Les caractéristiques des écrans de type MS, SR et TR de la marque Fuji ont été étudiés et leurs fonctions de réponse aux électrons, photons, protons et particules alpha sont établies dans une gamme en énergie de quelques kev à plusieurs MeV. Enfin un protocole est proposé pour réaliser des mesures quantitatives avec ces détecteurs dans différentes configurations expérimentales.Dans une seconde partie, une source d'électrons produite avec l'installation ELFIE du LULI dans la gamme en énergie de l'ordre du MeV a été caractérisée et optimisée en faisant varier l’extension spatiale du pré-plasma dans lequel interagi le laser intense. En particulier nous montrons que plus de 1011 électrons de plus de 10 MeV sont accélérés lors de l’interaction laser- plasma pour des conditions particulières d’extension longitudinale du pré-plasma en amont, mais aussi en aval de la cible.Dans une dernière partie, une source de photons produite à haute cadence avec le laser AURORE du CELIA est étudiée dans une gamme en énergie d'une dizaine de keV. L’originalité de la source réside dans la nature de la cible qui est du gallium à l'état liquide. Nous montrons en particulier que l'énergie moyenne et le nombre des photons peuvent être optimisés en créant des jets de gallium à la surface de la cible au moyen d'une pré-impulsion laser. Une interprétation physique du phénomène est proposée s’appuyant sur des simulations numériques. / This work takes place in the framework of the characterization and theoptimization of laser-driven electron and photon sources. With the goal of usingthese sources for nuclear physics experiments, we focused on 2 energy ranges:one around a few MeV and the other around a few tens of keV. The first partof this work is thus dedicated to the study of detectors routinely used forthe characterization of laser-driven particle sources: Imaging Plates. A modelhas been developed and is fitted to experimental data. Response functions toelectrons, photons, protons and alpha particles are established for SR, MS andTR Fuji Imaging Plates for energies ranging from a few keV to several MeV. Thesecond part of this work present a study of ultrashort and intense electron andphoton sources produced in the interaction of a laser with a solid or liquid target.An experiment was conducted at the ELFIE facility at LULI where beams ofelectrons and photons were accelerated up to several MeV. Energy and angulardistributions of the electron and photons beams were characterized. The sourceswere optimized by varying the spatial extension of the plasma at both the frontand the back end of the initial target position. In the optimal configuration ofthe laser-plasma coupling, more than 10exponent11 electrons were accelerated. In the caseof liquid target, a photon source was produced at a high repetition rate on anenergy range of tens of keV by the interaction of the AURORE Laser at CELIA(10exponent16 W cm exponent-2) and a melted gallium target. It was shown that both the meanenergy and the photon number can be increased by creating gallium jets at thesurface of the liquid target with a pre-pulse. A physical interpretation supportedby numerical simulations is proposed.

Le développement des sources laser ultra-brèves permet de nos jours de porter la matière dans des états extrêmes de densité et de température. Un des régimes pouvant être atteint dans ces conditions porte le nom de « Warm Dense Matter », ou matière dense et tiède. On peut la retrouver au coeur de larges planètes comme Jupiter ou dans la fusion par confinement inertiel. Les modèles de la physique usuellement utilisés ne permettant pas de décrire correctement le comportement de la matière dans ce régime, de nombreuses recherches scientifiques, à la fois expérimentales et théoriques, sont aujourd’hui orientées vers ce sujet. Sur le long terme, il s’agirait de déterminer les propriétés macroscopiques de cet état tel que les coefficients de transports et les équations d’états. De plus, le fait de travailler avec des lasers sur des échelles de temps très courtes (dans notre cas inférieures à la picoseconde) induit des phénomènes dits « hors-équilibre thermique » durant lesquels les électrons atteignent une température importante alors que les atomes restent froids. S’en suit alors une équilibration de ces deux températures, et la plupart du temps une transition de la phase solide à la phase liquide/plasma suivant l’intensité du laser employé. Pour certains métaux, appelés métaux nobles (or, argent, cuivre), un retard à la fusion est suspecté par des simulations de dynamique moléculaire quantique, du fait d’un renforcement de la stabilité du réseau cristallin. Mon travail de thèse se propose d’étudier ce phénomène par le biais de la spectroscopie XANES, technique de spectroscopie fine d’absorption X. Potentiellement, elle permet de suivre à la fois l’évolution de la structure électronique (états électroniques près du continuum), et celle du réseau cristallin (ordre local). Il s’agit de réaliser des expériences résolues en temps, basées sur un schéma pompe-sonde : une impulsion sonde de rayons X vient caractériser l’état d’un échantillon à différents délais, après le chauffage par une impulsion laser pompe qui le porte dans le régime de la Warm Dense Matter. En parallèle, je réalise des simulations numériques basées sur la dynamique moléculaire quantique pour produire des spectres XANES, et interpréter ainsi les données en termes d’évolution ultra-rapide de la structure électronique et atomique de l’échantillon. Ce travail présentant de grands défis, sur les deux plans de l’expérience et des calculs, nous avons choisi de concentrer l’étude sur le cuivre près de ses flancs L d’absorption X (~ 932 et ~ 952 eV). / Ultrashort laser sources development enables nowadays the possibility for matter to reachboth extreme pressure and temperature (~10 000 K) conditions, or what we call "WarmDense Matter ". Working with femtosecond lasers leads to out-of-equilibrium phenomenaduring which a large amount of energy is deposited in the electrons while the lattice remainscold. We used XANES spectroscopy to follow both the ultrafast evolution of the electronicstructure and the local atomic order after the irradiation of such a laser. Moreover,we can nowadays employ Quantum Molecular Dynamics to simulate Warm Dense Matter.We computed XANES spectra for thermal out-of-equilibrium situations and inthermodynamic configurations similar to the experimental ones. The confrontation of experimental data and these calculations brings a deep understanding of the phenomena involvedand their evolutions. The present study deals with the X-ray absorption near copper L3 andL2 edges (respectively 932 and 952 eV). Calculations show a pre-edge structure in the spectra,the evolution of which gives the electronic temperature dynamics. These simulationsalso suggest that the loss of the crystalline order should give rise to the disappearance ofthe post-edge structures. Several experiments have been realized using Eclipse laser and atable-top station dedicated to time-resolved XANES measurements at CELIA laboratory.At frst, some XANES spectra have been acquired using an X-ray source produced by theirradiation of a CsI solid target. This source duration of ~2 10 ps rms { approximately thethermal equilibration timescale for copper { restrained our temporal resolution. We thenused a xenon clusters gas jet to produce an X-ray source of comparable emissivity but asignificantly shorter duration. Numerous out-of-equilibrium XANES spectrahave been acquired and for diferent excitation degrees. The excellent signal-to-noiseratio allows us to follow the evolution of the post-edge structure and deduce the associateddynamics of the loss of crystalline structure. Finally, we performed the same experimentwith an X-ray source coming from the betatron radiation at LOA laboratory. With thissource, a temporal resolution of ~ 100 fs was achieved and allows us to fully characterizethe instantaneous heating of the electrons by the laser and far-from-equilibrium states.

Les récents progrès en termes de techniques d’accélération par interaction Laser Plasma (LPA) permettent aujourd’hui de générer de forts gradients accélérateurs (GV.m⁻¹); cependant, les faisceaux d’électrons ainsi produits présentent encore une grande dispersion énergie (%) et une divergence élevée (mrad). Le projet COXINEL (ERC Advanced Grant 350014, PI. M.E. Couprie), vise à qualifier, en remplacement d’un accélérateur conventionnel, un accélérateur Laser Plasma, dans le but d’une application de Laser à Électrons Libres. Pour atteindre les propriétés requises, le faisceau d’électrons doit être manipulé à l’aide d’une ligne de transport. Cette ligne est constituée d’un premier triplet de quadrupôles à aimants permanents de gradient variable qui focalise le faisceau et permet la maîtrise de la divergence initiale. Une chicane électromagnétique réduit ensuite la dispersion en énergie par tranche en allongeant longitudinalement le faisceau. Une gamme d’énergie restreinte peut être ensuite sélectionnée via l’insertion d’une fente dans la chicane. Enfin, un quadruplet de quadrupôles électromagnétiques fournit la focalisation finale dans un onduleur. Le travail de thèse porte sur l’étude du transport des faisceaux d’électrons produit par LPA le long de cette ligne. Différents régimes de production d’électrons ont été utilisés : injection par ionisation, cellule de gaz. La maîtrise du transport a été obtenue à l’aide d’une nouvelle méthode d’alignement et de compensation de dérive de pointé initial des électrons en réglant de manière indépendante la position et la dispersion du faisceau à différents endroits de la ligne. Un réglage fin de l’énergie transportée a été effectué en ajustant le gradient des quadrupôles. Les faisceaux produits ont été transportés le long de la ligne et caractérisés en termes de distribution transverse, d’émittance et d’énergie. Les résultats expérimentaux ont ensuite été comparés avec succès aux simulations numériques. Ce travail ouvre la voie à l’observation de rayonnement de l’onduleur, étape préliminaire à une amplification Laser à Électrons Libres. / Recent advances in Laser Plasma Acceleration techniques (LPA) are now able to generate strong accelerating gradients (GV.m⁻¹); however the produced electron beam thus still presents a large energy spread (%) and a large divergence (mrad). The COXINEL project (ERC Advanced Grant 350014, PI. M.E. Couprie), aims at qualifying, in replacement of a conventional accelerator, a Laser Plasma Accelerator, for a Free Electrons Laser application. To achieve the required properties, the electron beam must be manipulated using a transport line. This line consists in a first triplet of permanent magnets quadrupoles of variable gradient which focuses the beam and allows for the control of the initial divergence. An electromagnetic chicane then reduces the slice energy spread by lengthening the beam longitudinally. A restricted energy range can then be selected by inserting a slit inside the chicane. Finally, a quadruple of electromagnetic quadrupoles provides the final focus in an undulator. The thesis deals on the study of electron beam transport produced by LPA along this line. Different electron production regimes have been used: ionization injection, gas cell. The transport was controlled using a new alignment and pointing compensation method for the initial electron beam by adjusting independently the beam position and dispersion at different location on the line. A fine adjustment of the transported energy was carried out by adjusting the quadrupole gradient. The produced beam was transported along the line and was characterized in terms of transverse distribution, emittance and energy. Experimental results were then successfully compared with numerical simulations. This work paves the way for the observation of undulator radiation, a preliminary step before Free Electron Laser amplification.

This thesis experimentally investigates laser-driven proton acceleration in the regime of target normal sheath acceleration (TNSA) using ultrashort (pulse duration τL = 30 fs), high power (∼100TW) laser pulses. The work focuses on how the temporal intensity profile of the ultrashort laser pulse influences the plasma formation during the laser-target interaction and the subsequent acceleration process. The corresponding experiments are performed at the Draco laser facility at the Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf. The main result of the thesis is the experimental observation of transverse spatial modulations in the laser-driven proton distribution. The onset of the modulations occurs above a target-dependent laser energy threshold and is found to correlate with parasitic laser emission preceding the ultrashort laser pulse. The analysis of the underlying plasma dynamics by using numerical simulations indicates that plasma instabilities lead to the filamentation of the laser-accelerated electron distribution. The resulting spatial pattern in the electron distribution is then transferred to the proton distribution during the acceleration process. The plasma instabilities, which the electron current is subjected to, are a surface-ripple-seeded Rayleigh-Taylor or a Weibel instability. Regarding their occurrence, both instabilities show a strong dependence on the initial plasma conditions at the target. This supports the experimentally observed connection between the temporal intensity profile of the laser pulse and the development of spatial modulations in the proton distribution. The study is considered the first observation of (regular) proton beam modulations for TNSA in the regime of ultrashort laser pulses and micrometer thick target foils. The experiments emphasize the requirement for TNSA laser power scaling studies under the consideration of realistic laser-plasma interaction conditions. In that way, the potential of the upcoming generation of Petawatt power lasers for laser-driven proton acceleration can be assessed and fully exploited. In the second part of the thesis, experimental pump-probe techniques are investigated. With an imaging method termed high depth-of-field time-resolved microscopy in a reflective probing setup, micrometer-size local features of the near-critical density plasma as well as the global topography of the plasma can be resolved. The spatio-temporal resolution of the target ionization and heating dynamics is achieved by probing the target reflectivity, whereas the angular distribution of the reflected probe beam carries signatures of the plasma expansion. The presented probing technique avails to correlate the temporal intensity profile of a laser pulse with the spatio-temporal plasma evolution triggered upon laser-target interaction.

Les lasers à électrons libres (LEL) X sont aujourd'hui des sources lumineuses cohérentes et intenses utilisées pour des investigations multidisciplinaires de la matière. Un nouveau schéma d'accélération, l'accélérateur laser plasma (LPA), est maintenant capable de produire une accélération de quelques GeV/cm, bien supérieure à celle des linacs radiofréquence. Ce travail de thèse a été mené dans le cadre des programmes de R&D du projet LUNEX5 (laser à électrons libres utilisant un nouvel accélérateur pour l’exploitation du rayonnement X de 5e génération) de démonstrateur LEL avancé et compact avec applications utilisatrices pilotes. Il comprend un linac supraconducteur de 400 MeV de haute cadence (10 kHz) pour l’étude de schémas LEL avancés, et LPA pour sa qualification par une application LEL. La ligne LEL utilise une configuration d’injection avancée dans la plage spectrale 40-4 nm par génération d’harmoniques à gain élevé (HGHG) et schéma d’écho (EEHG) avec des onduleurs compacts cryogéniques à champ élevé de courte période courte. L'étude de solutions adaptées aux applications LEL compactes et avancées est donc examinée. Un premier aspect concerne la réduction du milieu de gain du LEL (électrons dans l'onduleur), le raccourcissement de la période se faisant au détriment du champ magnétique. Les onduleurs cryogéniques compacts à base d'aimants permanents cryogéniques (CPMU), dans lesquels les performances de l'aimant sont améliorées à la température cryogénique sont étudiés. Une deuxième partie du travail développée dans le cadre l’expérience de R&D COXINEL visant à démontrer l’amplification LEL à l’aide d’un LPA. La ligne permet de manipuler les propriétés des faisceaux d’électrons produits (dispersion en énergie, divergence, variation de pointé) avant d’être utilisées pour des applications de sources lumineuses. Le faisceau d'électrons généré est très divergent et nécessite une bonne manipulation juste après la source avec des quadrupôles forts placés immédiatement après la génération d'électrons. Ainsi, des quadrupôles innovants à aimants permanents de gradient élevé réglable appelés «QUAPEVA», sont développés. Ils sont optimisés avec le code RADIA et caractérisées avec trois mesures magnétiques. Un gradient de 200 T/m avec une variabilité de 50 % est obtenu tout en maintenant une excursion du centre magnétique réduite à ± 10 µm, qui a permis un alignement par compensation de pointé du faisceau dans COXINEL grâce au centre magnétique variable des systèmes, avec un faisceau bien focalisé sans dispersion. Les QUAPEVA constituent des systèmes originaux dans le paysage des quadrupôles à de gradient élevé et variable développés jusqu'à présent. Une troisième partie des travaux concerne l’observation du rayonnement d’onduleur monochromatique ajustable sur la ligne COXINEL. Le faisceau d'électrons d'énergie de 170 MeV est transporté et focalisé dans un CPMU de 2 m et de période de 18 mm émettant à 200 nm. Le flux spectral est caractérisé à l'aide d'un spectromètre UV et le flux angulaire mesuré par une caméra CCD. La longueur d'onde est accordée avec l’entrefer. Les distributions spatio-spectrales mesurées en forme de lune du rayonnement de l'onduleur sont bien reproduites par les simulations de rayonnement utilisant les distributions d’électrons mesurées et transportées le long de la ligne. Elles permettent aussi de renseigner sur la qualité du faisceau d’électrons, de son transport et d'en estimer les paramètres tels que la dispersion en énergie et la divergence. Le dernier aspect du travail est lié à la comparaison entre la génération des harmoniques en gain élevé et le schéma d’écho, dans le cadre de ma participation à une expérience réalisée à FERMI @ ELETTRA. Nous avons pu démontrer un LEL de type écho à 5,9 nm, avec spectres plus étroits et une meilleure reproductibilité que le schéma HGHG à deux étages. Cette thèse constitue un pas en avant vers les lasers à électrons libres compacts et avancés. / X-ray Free Electron Lasers (FEL) are nowadays unique intense coherent fs light sources used for multi-disciplinary investigations of matter. A new acceleration scheme such as Laser Plasma Accelerator (LPA) is now capable of producing an accelerating gradient of few GeV/cm far superior to that of conventional RF linacs. This PhD work has been conducted in the framework of R&D programs of the LUNEX5 (free electron Laser Using a New accelerator for the Exploitation of X-ray radiation of 5th generation) project of advanced and compact Free Electron laser demonstrator with pilot user applications. It comprises a 400 MeV superconducting linac for studies of advanced FEL schemes, high repetition rate operation (10 kHz), multi-FEL lines, a Laser Wake Field Accelerator (LWFA) for its qualification by a FEL application. The FEL lines comports enables advanced seeding in the 40-4 nm spectral range using high gain harmonic generation (HGHG) and echo-enabled harmonic generation (EEHG) with compact short period high field cryogenic undulators. The study of compact devices suitable for compact FEL applications is thus examined. One first aspect concerns the reduction of the Free Electron Laser gain medium (electrons in undulator) where shortening of the period is on the expense of the magnetic field leading to an intensity reduction at high harmonics. Compact cryogenic permanent magnet based undulators (CPMUs), where the magnet performance is increased at cryogenic temperature making them suitable for compact applications, are studied. Three CPMUs of period 18 mm have been built: two are installed at SOLEIL storage ring and one at COXINEL experiment. A second part of the work is developed in the frame of the R&D programs is the COXINEL experiment with an aim at demonstrating FEL amplification using an LPA source. The line enables to manipulate the properties of the produced electron beams (as energy spread, divergence, induced dispersion due) before being used for light source applications. The electron beam generated is highly divergent and requires a good handling at an early stage with strong quadrupoles, to be installed immediately after the electron generation source. Hence, the development of the so-called QUAPEVAs, innovative permanent magnet quadrupoles with high tunable gradient, is presented. The QUAPEVAs are optimized with RADIA code and characterized with three magnetic measurements. High tunable gradient is achieved while maintaining a rather good magnetic center excursion that allowed for beam pointing alignment compensation at COXINEL, where the beam is well-focused with zero dispersion at any location along the line. The QUAPEVAs constitute original systems in the landscape of variable high gradient quadrupoles developed so far. A third part of the work concerns the observation of tunable monochromatic undulator radiation on the COXINEL line. The electron beam of energy of 170 MeV is transported and focused in a 2-m long CPMU with a period of 18 mm emitting radiation light at 200 nm. The spectral flux is characterized using a UV spectrometer and the angular flux is captured by a CCD camera. The wavelength is tuned with the undulator gap variation. The spatio-spectral moon shape type pattern of the undulator radiation provided an insight on the electron beam quality and its transport enabling the estimation of the electron beam parameters such as energy spread and divergence. The final aspect of the work is related to the comparison between the echo and high gain harmonic generation, in the frame of my participation to an experiment carried out at FERMI@ELETTRA. At FERMI, we have demonstrated a high gain lasing using EEHG at a wavelength of 5.9 nm where it showed a narrower spectra and better reproducibility compared to a two-stage HGHG. This PhD work constitutes a step forward towards advanced compact Free Electron Lasers.