Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliqués. / Femtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved.

Dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel, la maîtrise de la propagation des faisceaux laser intenses, qui se propagent dans le plasma sous-dense d'une cavité d'ignition, reste un enjeu majeur. En effet, durant leur propagation, les faisceaux vont modifier les paramètres du plasma, ces paramètres contrôlant eux-mêmes la propagation. Cette rétroaction entre le plasma et le laser est potentiellement instable et produit de l'autofocalisation, de la filamentation, etc. Ces mécanismes peuvent alors dégrader fortement la propagation et in fine l'uniformité du dépôt d'énergie recherché.Dans cette étude, expérimentale et numérique, nous nous intéressons à la propagation d'un filament laser (tache focale d'une dizaine de micromètres, impulsion de 1,5 ns et d'intensité variant de 1014 W.cm-2 à 1016 W.cm-2) dans un milieu très sous dense (quelques pour-cents de la densité électronique critique). Deux expériences ont été réalisées sur l'installation de puissance LULI2000 et ont permis à la fois d'observer la transmission laser et de caractériser les gradients de température. Ces gradients sont produits par le transport électronique et influencent la réponse du plasma au laser. Afin de modéliser le rôle des gradients de température dans les instabilités d'auto-focalisation et de filamentation, nous avons associé un code d'hydrodynamique-radiative (FCI2) à un code détaillé de propagation (Héra). Pour compléter les observables précédentes, nous avons aussi mis en œuvre un diagnostic de déflectométrie protonique. Ce diagnostic permet de mesurer les champs électriques présents dans le plasma, ces champs étant issus du chauffage et de l'interaction laser. Un nouvel outil, associant le code de propagation laser et un code Monte-Carlo de transport de protons, a donc été mis en place pour modéliser les déflexions des protons. Cet outil ouvre en plus de nouvelles perspectives pour discuter de l'influence des effets 3D dans l'exploitation de ce diagnostic. Les résultats obtenus confirment l'intérêt à sonder les champs électriques au cœur même du plasma pendant la propagation laser. / The understanding and the control of high-power laser propagation into under-dense plasma is important to achieve inertial confinement fusion. During this process, the interaction of the laser with the plasma filling the hohlraum can lead to significant losses of laser energy which prevent ignition. Self-focusing or filamentation of the laser light is one of these phenomena which are desired to be mitigated since they also affect the uniformity of the laser illumination on the hohlraum wall.In order to improve our understanding of the laser-plasma interaction phenomena at play, we describe an experimental and numerical study involving an intense laser pulse between 1014 W.cm-2 and 1016 W.cm-2 , and which interacts with millimetric and under-dense plasma (having density of few % of the critical density). This work presents two experiments fielding a series of diagnostics aimed at well characterizing the laser propagation (Hisac camera) together with heat deposition in plasmas using Thomson scattering. Experimental results will be presented and discussed in the light of detailed simulations performed with the 3D laser propagation code Hera. In order to take into account the temperature gradients within the plasma during the laser propagation, Hera (laser propagation code) and FCI2 (radiation-hydrodynamic code) have been coupled. Besides, proton radiography has been used in order to access to electric fields. The measurements led to the implementation of a new and promising numerical tool using the Hera and Diane codes (Diane is a Monte Carlo particle tracing code). 3D proton radiography modelling opens new possibilities for users of this temporally and spatially resolved diagnostic.

L’accélération de particules par interaction laser-plasma est une alternative prometteuse aux accélérateurs conventionnels qui permettrait de rendre plus compactes les machines du futur dédiées à la protonthérapie. Des champs électriques extrêmes de l’ordre du TV/m sont créés en focalisant une impulsion laser ultra-intense sur une cible solide mince de quelques micromètres d’épaisseur, ce qui produit un faisceau de particules de haute énergie. Ce dernier contient des protons ayant une énergie allant jusqu’à la dizaine de mégaélectron-volts, et est caractérisé par une forte divergence angulaire et un spectre en énergie très étendu.Le but de cette thèse est de caractériser parfaitement un accélérateur laser-plasma afin de produire un faisceau de protons stable, satisfaisant les critères d'énergie, de charge et d'homogénéité de surface requis pour son utilisation en radiobiologie. La conception, la réalisation et l’implémentation d’un système magnétique, constitué d'aimants permanents quadripolaires ont été optimisés au préalable avec des simulations numériques. Ce système permet d’obtenir un faisceau de protons ayant un spectre en énergie qui à été mise en forme, et dont le profil est uniforme sur une surface de taille adaptée aux échantillons biologiques.Une dosimétrie absolue et en ligne a également été établie, permettant le contrôle de la dose délivrée en sortie. Pour cela, une chambre d'ionisation à transmission, précédemment calibrée sur un accélérateur à usage médical de type cyclotron, a été mise en place sur le trajet du faisceau de protons. Des simulations Monte Carlo ont ensuite permis de calculer la dose déposée dans les échantillons. Ce système compact autorise maintenant de définir un protocole expérimental rigoureux pour la poursuite d’expériences in vitro de radiobiologie. De premières irradiations de cellules cancéreuses ont été ainsi réalisées in vitro, ouvrant la voie à l’exploration des effets de rayonnements ionisants pulsés à haut débit de dose sur les cellules vivantes. / Particle acceleration by laser-plasma interaction is a promising alternative to conventional accelerators that could make future devices dedicated to protontherapy more compact. Extreme electric fields in the order of TV/m are created when an ultra-intense laser pulse is focused on a thin solid target with a thickness of a few micrometers, which generates a beam of highly energetic particles. The latter includes protons with energies up to about ten megaelectron-volts and characterised by a wide angular divergence and a broad energy spectrum.The goal of this thesis is to fully characterise a laser-based accelerator in order to produce a stable proton beam meeting the energy, charge and surface homogeneity requirements for radiobiological experiments. The design, realisation and implementation of a magnetic system made of permanent magnet quadrupoles were optimised beforehand through numerical simulations. It enables to obtain a beam with a shaped energy spectrum and with a uniform profile over a surface with a size adapted to the biological samples.Deferred and online dosimetry was setup to monitor the delivered output dose. For that purpose, a transmission ionisation chamber, previously calibrated absolutely on a medical proton accelerator, was used. Monte Carlo simulations enabled to compute the dose deposited into the samples. This compact system allows now to define a rigorous experimental protocol for in vitro radiobiological experiments. First experiments of cancer cell irradiation have been carried out, paving the way for the exploration of the effects of pulsed ionizing radiations at extremely high dose rates on living cells.

La microscopie électronique et la diffraction d’électrons ont permis de comprendre l’organisation des atomes au sein de la matière. En utilisant une source courte temporellement, il devient possible de mesurer les déplacements atomiques ou les modifications de la distribution électronique dans des matériaux. A ce jour, les sources ultra-brèves pour les expériences de diffraction d’électrons ne permettent pas d’atteindre une résolution temporelle inférieure à la centaine de femtosecondes (fs). Les accélérateurs laser-plasma sont de bons candidats pour atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. De plus, ces accélérateurs peuvent fonctionner à haut taux de répétition, permettant d’accumuler un grand nombre de données.Dans cette thèse, un accélérateur laser-plasma fonctionnant au kHz a été développé et construit. Cette source accélère des électrons à une énergie de 100 keV environ à partir d’impulsions laser d’énergie 3 mJ et de durée 25 fs. La physique de l’accélération a été étudiée, démontrant entre autres l’effet du front d’onde laser sur la distribution transverse des électrons.Les premières expériences de diffraction avec ce type de sources ont été réalisées. Une expérience de preuve de principe a montré que la qualité de la source est suffisante pour obtenir de belles images de diffraction sur des feuilles d’or et de silicium. Dans un second temps, la dynamique structurelle d’un échantillon de Silicium a été étudiée avec une résolution temporelle de quelques picosecondes, démontrant le potentiel de ce type de sources.Pour augmenter la résolution temporelle à sub-10 fs, il est nécessaire d’accélérer les électrons à des énergies relativistes de quelques MeV. Une étude numérique a montré que l’on peut accélérer des paquets d’électrons ultra-courts grâce à des impulsions laser de 5 mJ et 5 fs. Il serait alors possible d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. Finalement, une expérience de post-compression des impulsions laser due à l’ionisation d’un gaz a été réalisée. La durée du laser a pu être réduite d’un facteur deux, et l’homogénéité de ce processus a été étudiée expérimentalement et numériquement. / Electronic microscopy and electron diffraction allowed the understanding of the organization of atoms in matter. Using a temporally short source, one can measure atomic displacements or modifications of the electronic distribution in matter. To date, the best temporal resolution for time resolved diffraction experiments is of the order of a hundred femtoseconds (fs). Laser-plasma accelerators are good candidates to reach the femtosecond temporal resolution in electron diffraction experiments. Moreover, these accelerators can operate at a high repetition rate, allowing the accumulation of a large amount of data.In this thesis, a laser-plasma accelerator operating at the kHz repetition rate was developed and built. This source generate electron bunches at 100 keV from 3 mJ and 25 fs laser pulses. The physics of the acceleration has been studied, and the effect of the laser wavefront on the electron transverse distribution has been demonstrated.The first electron diffraction experiments with such a source have been realized. An experiment, which was a proof of concept, showed that the quality of the source permits to record nice diffraction patterns on gold and silicium foils. In a second experiment, the structural dynamics of a silicium sample has been studied with a temporal resolution of the order of a few picoseconds.The electron bunches must be accelerated to relativistic energies, at a few MeV, to reach a sub-10 fs temporal resolution. A numerical study showed that ultra-short electron bunches can be accelerated using 5 fs and 5 mJ laser pulses. A temporal resolution of the order of the femtosecond could be reached using such bunches for electron diffraction experiments. Finally, an experiment of the ionization-induced compression of the laser pulses has been realized. The pulse duration was shorten by a factor of 2, and the homogeneity of the process has been studied experimentally and numerically.

A two-year experimental campaign is described during which diamond-like carbon and plastic targets with thicknesses from 20 nanometers to 15 micrometers were irradiated by the Texas Petawatt Laser. Target composition and thickness were varied to modify the specifics of the laser-matter interaction. Plasma mirrors were selectively implemented to affect the contrast of the laser system and provide additional control of the physical processes under investigation. A number of particle diagnostics were implemented to measure the distribution of laser accelerated ions and electrons. In addition, optical diagnostics were fielded to measure the intensity profile of the laser and measure the density of the target pre-plasma. The results of these experiments suggest that the Texas Petawatt laser pulse has pre-pulse and pedestal features with intensities at least 10⁻⁸ of the main pulse. Micronscale targets were able to survive these features and maintain a relatively sharp density gradient until the arrival of the main laser pulse, allowing for ion acceleration. Electron spectra measured in this configuration show an average temperature of 10 MeV, with no v angular dependence out to at least 60 degrees. By contrast, interferometric plasma density measurements and a lack of any observable ion acceleration suggest that nanoscale targets were destroyed well before the main pulse. In this case, the peak of the laser pulse interacted with a cloud of plasma between 10⁻³ and 10⁻² of critical density. The contrast improvement offered by the implementation of plasma mirrors was seen to increase the maximum energy of laser accelerated protons from targets thicker than 1 micrometer. In addition, the plasma mirrors allowed nanoscale targets to survive pre-pulse and pedestal features and support the production of ion beams. Proton spectra show that ions were accelerated to greater maximum energies from nanoscale targets than from more traditional micron-scale targets. This effect can be attributed to a reduction in the target pre-plasma scale length upon the introduction of plasma mirrors. These results indicate that the manipulation of target properties and laser contrast can significantly affect the interaction between an ultrahigh intensity laser and a target. / text

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général des propriétés radiatives de la matière à haute densité d'énergie (>1011 J/cm3). Les densités d'énergie de la MHDE font qu'une partie importante des échanges d'énergie passe par l'interaction rayonnement-matière. Mes études portent sur l'opacité spectrale, un paramètre fondamental pour la modélisation des intérieurs stellaires et qui constitue aussi une observable propice aux tests expérimentaux des descriptions théoriques de la physique des plasmas chauds et denses. Mes travaux de thèse sont centrés sur l'étude expérimentale des opacités de plasmas à l'équi¬libre thermodynamique local pour des températures de quelques dizaines d'eV (soit quelques 100000 K) et quelques mg/cm3 en densité. Les plasmas sont obtenus dans des conditions aussi homogènes que possible en utilisant le chauffage radiatif d'une cavité irradiée par laser de haute énergie, 100-300 J. Ainsi, nous avons pu mettre à profit pour ce type de mesure la configuration utilisant des lasers nanoseconde et picoseconde du LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des La¬sers Intenses) pour réaliser le chauffage d'une part et la mesure sur un temps bref d'autre part de la transmission des plasmas, l'utilisation d'impulsions courtes constituant une première pour ce type d'expériences. Dans le domaine des X de l'ordre du keV, les transitions absorbantes 2p-3d ou 3d-4f d'élé¬ments de numéro atomique moyen ou élevé ont été sondées. Elles font apparaitre des structures d'absorption dont la forme résulte principalement de la compétition entre l'éclatement spin¬orbite et les effets d'élargissement statistiques. Il a été montré que cette compétition dépendait fortement du numéro atomique Z. Ainsi à paramètres plasma proches nous avons exploré l'opa¬cité des éléments fer, nickel, cuivre et germanium (Z autour de 30) dans une première série de mesures puis celle du baryum, samarium et du gadolinium, dans une seconde expérience (Z autour de 60). . L'astrophysique stellaire nécessite aussi de mesurer précisément, et de manière bien caractérisée, les opacités du groupe du fer (Cr, Fe, Ni et Cu) dans le domaine des XUV (50 - 200 eV). Ces opacités sont à l'origine de l'excitation dans les enveloppes radiatives des étoiles pulsantes massives de type spectral B pour une température de l'ordre de 200 000 K. Dans ces conditions, les moyennes de Rosseland présentent des différences nettes entre les calculs utilisés par la communauté astrophysique et ne permettent pas d'interpréter les oscillations et l'ensemble des fréquences observées de manière univoque. Pour permettre des comparaisons avec divers calculs spectraux, j'ai participé à la mise en place d'un nouveau schéma expérimental à deux cavités dont le but était d'améliorer l'homogénéité du chauffage des échantillons. Je montrerai enfin l'analyse des paramètres plasmas pour ce type de schéma. J'ai en particulier analysé le cas du nickel dont la transmission a été mesurée pour la première fois dans cette gamme spectrale. Dans chaque cas je présenterai l'analyse des résultats obtenus. / The general context of this thesis is the one of radiative properties of high energy density matter. Energy densities involved (>1011 J/cm3) implies that a large part of energy exchange goes through radiation-matter interactions. My studies deal with spectral opacity, a fundamental parameter for modelling stellar interiors and constitute a propitious observable to experimental tests of theoretical descriptions of hot and dense plasmas physics. My PhD activities are centred on the experimental study of opacities of plasmas at local thermodynamic equilibrium for temperature conditions of a few tens eV (a few 100 000 K) and a few mg/cm3 in matter density. Plasmas are obtained in conditions as homogenous as possible using the radiative heating of a laser-irradiated cavity. Heating is provided though a laser beam of high energy (100-300 J) and with relatively long pulse duration of a few nanosecond. For such measurements we could benefit from the LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses) lasers configuration coupling the nanosecond beam with a picosecond one used to perform on a short duration the measurement of the plasma transmission. The use of short pulse laser to produce a short time radiography beam was a first achievement for this kind of experience. ln the spectral range of keV photons, absorbing transitions 2p - 3d or 3d - 41 of elements of moderate or high atomic number have been probed. They present absorption structures which shape results mainly of the competition between spin-or bit splitting and statistical broadening effects. It appeared that this competition depend strongly on the atomic number Z. Thus for similar plasma parameters we explored opacities of Iron, Nickel, Copper and Germanium (Z around 30) in a first series of measurement and the one of Barium, Samarium and Gadolinium (Z around 60) in a second campaign. Stellar astrophysics necessitate as well to measure precisely and in well-characterised condi¬tions, opacities of the so-called "Iron-group" (Cr, Fe, Ni and Cu) in the XUV domain (50 ¬200 eV). These opacities are at the origin of the excitation in stellar radiative envelops of pul¬sating stars, massive and of spectral type B for a temperature of the ord~r of 200 000 K. ln these conditions, Rosseland means show clear differences between computations used within the astrophysical community and do not allow to interpret oscillations and observed frequencies in a univocal fashion. To allow comparisons with spectral computation, l participated to the develop¬ment of a new experimental scheme using two cavities which goal was to improve homogeneity of sample heating. Finally, l will show my analysis of plasma parameters for this specific setup. l analysed the case of the Nickel absorption measured for the first time in this spectral range. For each case l will present the analysis of the obtained results.

Le schéma d'allumage par choc est une approche prometteuse pour obtenir de l'énergie à grande échelle. Cependant, ce schéma requière des pressions d'ablation laser de l'ordre de 300-400 Mbar pour atteindre l'allumage. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la physique sous-jacente de la génération de ces pressions très élevées par les mécanismes du transport de l'énergie par les électrons énergétiques dans un régime d'intensité laser entre un et dix petawatt par cm2. Au cours de cette thèse il a été établi un modèle permettant de calculer la pression du choc induit par les électrons chauds et le temps de sa formation pour une distribution en énergie d'électrons et un profil de densité de plasma arbitraire. Nous montrons que la distribution en énergie d'électrons plus étendue conduit à un dépôt en énergie plus homogène ce qui implique un temps de formation du choc plus long et une diminution de la force du choc. Ces conséquences sont à prendre en compte pour le design des cibles pour l'allumage par choc. L'extension de ce modèle au cas d'un plasma inhomogène montre que la couronne de faible densité diminue l'énergie des électrons rapides et donc la quantité d'énergie déposée dans la cible comprimée. Ceci conduit à une réduction du temps nécessaire à la formation du choc, de la pression du choc et de l'efficacité de la conversion de l'énergie des électrons vers l'onde de choc. Ce modèle théorique nous permet d'interpréter l'expérience de la génération d'un choc sphérique sur l'installation laser OMEGA. Grâce à la comparaison des simulations numériques d'un tir représentatif aux résultats expérimentaux nous avons caractérisé la source d'électrons ainsi que la pression et la dynamique du choc. Enfin, nous proposons un design préliminaire de l'expérience sur le rôle des électrons chauds dans la création d'un choc plan sur l'installation LMJ-PETAL. / The Shock Ignition (SI) scheme is a promising approach to obtaining energy on alarge scale. However, this scheme needs ablation pressures in the range of 300-400Mbar to reach ignition. The objective of this thesis is therefore to better understandthe underlying physics of high pressure generation by energetic electrons in a regimeof intensity between one and ten petawatt per cm2. In this thesis, a model hasbeen established for calculating the shock pressure generated by hot electrons andthe time of its formation for an arbitrary electron energy distribution and plasmadensity profile. It is shown that a broader electron energy distribution leads to amore homogeneous energy deposition which implies a longer shock time formationand a reduction of the shock strength. These consequences should be taken intoaccount in shock ignition target design. The extension of this model to the case ofa inhomogeneous plasma shows that the low density corona decreases fast electrons energy and then the amount of energy deposited in the compressed target. This leads to a reduction of the time needed for the shock formation, of the shock pressure and the energy invested in the shock. This theoretical model allows us to interpret the experiment performed in spherical geometry on the OMEGA laser facility. The comparison between numerical simulations and experimental results allow us to characterize the electron source as well as shock pressure and dynamic. Finally, we propose a preliminary design of an experiment to explore the hot electron role in shock generation in planar geometry on the LMJ-PETAL laser facility.

Ce travail de thèse est une étude expérimentale, basée sur la spectroscopie d’émission et d’absorption de plasmas chauds et denses créés par une impulsion laser nanoseconde. La physique atomique au sein de ce type de plasmas représente un sujet complexe et de grand intérêt, notamment dans les domaines de l’astrophysique ou de la fusion par confinement inertiel. Du point de vue de la physique atomique, cela revient à déterminer des paramètres tels que l’ionisation moyenne ou l’opacité en fonction de la température électronique et de la densité de matière du milieu. Les codes de physique atomique ont alors besoin de données expérimentales pour se développer et être validés afin qu’ils soient prédictifs sur une large gamme de plasmas. Dans ce travail nous nous concentrons sur des plasmas dont la température électronique varie de 10 eV à plus d’une centaine d’électron-volts pour des densités de matière allant de 10⁻⁵ à 10⁻² g/cm³. Dans ce manuscrit on distingue deux types de données spectroscopiques qui sont toutes les deux utiles et nécessaires au développement des codes de physique atomique car elles sont caractéristiques de l’état du plasma étudié : 1) des spectres d’absorption obtenus avec des plasmas proche de l’équilibre thermodynamique local de Cu, de Ni et d’Al ; 2) des spectres d’émission obtenus avec des plasmas hors équilibre thermodynamique local de C, d’Al et de Cu. Ce travail met en lumière différentes techniques expérimentales ainsi que diverses comparaisons avec des codes de physique atomique et d’hydrodynamique. / This PhD work is an experimental study, based on emission and absorption spectroscopy of hot and dense nanosecond laser-produced plasmas. Atomic physics in such plasmas is a complex subject and of great interest especially in the fields of astrophysics or inertial confinement fusion. On the atomic physics point of view, this means determining parameters such as the average ionization or opacity in plasmas at given electronic temperature and density. Atomic physics codes then need of experimental data to improve themself and be validated so that they can be predictive for a wide range of plasmas. With this work we focus on plasmas whose electronic temperature varies from 10 eV to more than a hundred and whose density range goes from 10⁻⁵ à 10⁻² g/cm³. In this thesis, there are two types of spectroscopic data presented which are both useful and necessary to the development of atomic physics codes because they are both characteristic of the state of the studied plasma: 1) some absorption spectra from Cu, Ni and Al plasmas close to local thermodynamic equilibrium; 2) some emission spectra from non local thermodynamic equilibrium plasmas of C, Al and Cu. This work highlights the different experimental techniques and various comparisons with atomic physics codes and hydrodynamics codes.

La plasmonique étudie le couplage entre le rayonnement électromagnétique et les oscillations collectives des électrons dans un matériel. Les plasmons de surface (SPs), notamment, ont la capacité de concentrer le champ électromagnétique sur des distances micrométriques, ce qui les rend intéressants pour le développement des dispositifs photoniques les plus novateurs. 'Etendre l'excitation de SPs au régime de champs élevés, où les électrons oscillent à des vitesses relativistes, ouvre des perspectives stimulantes pour la manipulation de la lumière laser ultra-intense et le développement de sources de rayonnement énergétiques et à courte durée. En fait, l'excitation de modes résonnants du plasma est l'une des stratégies possibles pour transférer efficacement l'énergie d'une impulsion laser ultra-puissante à une cible solide, cela étant parmi les défis actuels dans la physique de l’interaction laser-matière à haute intensité. Dans le cadre de ces deux sujets, ce travail de thèse démontre la possibilité d'exciter de façon résonnante des plasmons de surface avec des impulsions laser ultra-intenses. Elle étudie comment ces ondes peuvent à la fois accélérer de paquets d'électrons relativistes le long de la surface de la cible mais aussi augmenter la génération d'harmoniques d'ordre élevé de la fréquence laser. Ces deux processus ont été caractérisés avec de nombreuses expériences et simulations numériques. En utilisant un schéma d’interaction standard de la plasmonique classique, les SPs sont excités sur des cibles dont la surface présente une modulation périodique régulière à l'échelle micrométrique (cibles réseau). Dans ce cas, les propriétés de l'émission d'électrons tout comme celles des harmoniques permettent d’envisager leur utilisation dans des application pratiques. En réussissant à dépasser les principaux problèmes conceptuels et techniques qui jusqu'au présent avaient empêché l'application d'effets plasmoniques dans le régime de champs élevés, ces résultats apportent un intérêt nouveau à l'exploration de la Plasmonique Relativiste. / Plasmonics studies how the electromagnetic radiation couples with the collective oscillations of the electrons within a medium. Surface plasmons (SPs), in particular, have a well-established role in the development of forefront photonic devices, as they allow for strong enhancement of the local EM field over sub-micrometric dimensions. Promoting the SP excitation to the high-field regime, where the electrons quiver at relativistic velocities, would open stimulating perspectives for the both the manipulation of ultra-intense laser light and the development of energetic, short radiation sources. Indeed, the excitation of resonant plasma modes is a possible strategy to efficiently deliver the energy of a high-power laser to a solid target, this being among the current challenges in the physics of highly-intense laser-matter interaction. Gathering these topics, this thesis demonstrates the opportunity of resonant surface plasmon excitation at ultra-high laser intensities by studying how such waves accelerate bunches of relativistic electrons along the target surface and how they enhance the generation of high-order harmonics of the laser frequency. Both these processes have been investigated with numerous experiments and extensive numerical simulations. Adopting a standard configuration from classical plasmonics, SPs are excited on solid, wavelength-scale grating targets. In their presence, both electron and harmonic emissions exhibit remarkable features that support the conception of practical applications. Putting aside some major technical and conceptual issues discouraging the applicability of plasmonic effects in the high-field regime, these results are expected to mark new promises to the exploration of Relativistic Plasmonics.

La diffusion Thomson linéaire – qui correspond à la diffusion d'une onde - électromagnétique de faible intensité par des électrons – est un processus radiatif qui émet du rayonnement à la même fréquence que celle du rayonnement incident. Cependant, lorsque l'intensité de l'onde électromagnétique incidente devient très importante (intensité laser supérieure à 1018 W/cm2), les électrons oscillant dans l'impulsion laser atteignent des vitesses relativistes et ont un mouvement fortement non linéaire. L'onde électromagnétique qu'ils diffusent est alors constituée d'harmoniques pouvant atteindre le domaine spectral des rayons X et la distribution spatiale du rayonnement est anisotrope. La diffusion Thomson est alors dite nonlinéaire et a été proposée à plusieurs reprises comme une source de rayonnement X femtoseconde. Ce n'est qu'aujourd'hui, grâce au développement des lasers intenses, que ce processus radiatif peut être étudié dans le domaine spectral X. Le travail présenté dans cette thèse est consacré à la démonstration expérimentale et à l'étude numérique du rayonnement de diffusion Thomson nonlinéaire X-UV produit lors de l'interaction Laser-Plasma.