La radiographie éclair par faisceau X intense est spécifique en ce sens qu'elle doit permettre de photographier la matière soumise à des conditions extrêmes de densification, de température et de vitesse de déplacement. Le succès de ce type de radiographie repose sur la qualité de la source X qui doit nécessairement être pénétrante (quelques MeV), intense (plusieurs rads), brève (quelques dizaines de ns) et de petite dimension (quelques mm). L'impulsion X est ainsi générée à partir du rayonnement de freinage émis lors de l'interaction avec une cible en métal d'un faisceau focalisé d'électrons de haute énergie (MeV) et de haute intensité (kA). Ce procédé lie très fortement les propriétés du faisceau d'électrons à ceux du faisceau X et donc à la qualité de la radiographie. Dans ce contexte, la thèse porte sur la compréhension de la dynamique du faisceau dans la diode à l'électron (c'est-à-dire juste avant son entrée dans la ligne accélératrice) ainsi que sur la caractérisation du plasma de velours dont sont issus les électrons qui composent le faisceau. Dans un premier temps, la dynamique du faisceau intense d'électrons a été étudiée à l'aide du code LSP reposant sur la méthode " Particle-In-Cell ". Les simulations réalisées ont été comparées avec des mesures effectuées sur l'injecteur d'un accélérateur linéaire à induction, implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure. Grâce au modèle de simulation développé, une nouvelle diode à électrons mono-impulsion a été conçue, dimensionnée et réalisée pendant ce travail de thèse afin d'augmenter l'intensité du faisceau d'électrons de 2,0 kA à 2,6 kA permettant ainsi d'améliorer les performances radiographiques de l'installation. Dans un second temps, un modèle permettant d'étudier les mécanismes mis en jeu dans la production du faisceau d'électrons au niveau de plasma de cathode a été développé. Ce dernier est un modèle collisionnel-radiatif (MCR) 0D qui permet de décrire l'évolution de la densité des espèces d'un plasma dont la composition est directement liée aux molécules et atomes désorbés par la cathode de velours. Trois différents mélanges ont été étudiés impliquant de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone dont les proportions ont été estimées par des mesures LIBS (spectroscopie de plasma induit par laser).[...] / Intense X-ray flash radiography is used to take a stop-action picture of a material under extreme conditions like high densification, high temperature and high movement speed. The success of this kind of radiography is based on the quality of the X-ray source which must necessarily be penetrating (some MeV), intense (several rads), short (a few tens of ns) and small (a few mm). The X-ray pulse is generated from the bremsstrahlung radiation emitted during the interaction with a metal target of a focused electron beam of high energy (MeV) and high intensity (kA). This process strongly links the properties of the electron beam to those of the X-ray beam and thus to the quality of the radiography picture. In this context, the thesis is about the electron beam dynamics in the electron diode (i.e. just before electrons move towards the accelerator) as well as about the characterization of the velvet plasma from which electrons are extracted to form the beam. Firstly, the dynamics of the intense electron beam was studied using the LSP code based on the "Particle-In-Cell" method. The simulations were compared to measurements made on the injector of a linear induction accelerator, at the CEA Valduc center on the Epure facility. Based on the developed simulation model, a new single-pulse electron diode was designed, sized and realized during this thesis to increase the intensity of the electron beam from 2.0 kA to 2.6 kA, thus improving the radiographic performances of the facility. In a second step, a model allowing to study the mechanisms involved in the production of the electron beam from the cathode plasma was developed. This latter is a collisional-radiative model (CRM) 0D describing the evolution of the plasma species density of a plasma whose composition is directly related to the molecules and atoms desorbed by the velvet cathode. [...]

Cette thèse a pour objet l'étude de l'interaction laser-matière dans un régime d'éclairement extrême que visent à atteindre plusieurs installations multi-pétawatt en cours de développement (CILEX-Apollon, ELI, IZEST, etc.). Pour un éclairement supérieur à 1022 Wcm-2, la dynamique relativiste des électrons accélérés dans l'onde laser est modiée par un important rayonnement Compton inverse non-linéaire. Au-delà de 1023 Wcm2, les photons ainsi produits peuvent, en interagissant à leur tour avec le champ laser, se désintégrer en paires électron-positron via le mécanisme de Breit-Wheeler non-linéaire. Ces mécanismes d'électrodynamique quantique, dont l'étude expérimentale était jusqu'ici l'apanage des grands accélérateurs de particles, peuvent grandement affecter les mécanismes usuels d'interaction laser-plasma, notamment ceux régissant l'accélération de particules chargées et, par conséquent, le bilan global de l'interaction. Afin de modéliser ce régime inédit d'interaction, qui combine processus collectifs, relativistes et d'électrodynamique quantique, nous avons enrichi des mécanismes précédents le code de simulation particle-in-cell calder développé de longue date au CEA/DIF. L'influence de ces mécanismes est d'abord explorée dans le cas d'une impulsion laser interagissant avec une cible dense de taille micrométrique. Un rendement de conversion de l'énergie laser en photons supérieur à 10% est observée au-dessus de 1023 Wcm-2, tandis que la production d'anti-matière s'emballe, via un mécanisme de cascade, à partir de 1024 Wcm2. Dans un second temps, nous étudions la génération de positrons lors de la collision frontale entre un faisceau d'électrons ultra-relativistes issu d'un accélérateur plasma et une impulsion laser ultra-intense. Dans une dernière partie, nous considérons un scénario prospectif d'intérêt astrophysique, à savoir la collision de plasmas de paires issus de cibles solides irradiées à 1024 Wcm-2 montrant la croissance rapide d'une instabilité de lamentation magnétique combinée à d'intenses effets radiatifs. / This PhD thesis is concerned with the regime of extreme-intensity laser-matter interaction that should be accessed on upcoming multi-petawatt facilities (e.g. CILEX-Apollon, ELI, IZEST). At intensities IL > 1022 Wcm-2, the relativistic dynamics of the laser-driven electrons becomes significantly modified by high-energy radiation emission through nonlinear inverse Compton scattering. For IL > 1023 Wcm-2, the emitted-ray photons can, in turn, interact with the laser field and decay into electron-positron pairs via the nonlinear Breit-Wheeler process. These quantum electrodynamic processes, which until recently could only be explored on large-scale particle accelerators, can greatly alter the "standard" mechanisms of laser-plasma interaction, and therefore its overall energy budget. In order to model their intricate interplay with the laser-induced plasma processes, they have been implemented within the particle-in-cell code calder developed at CEA. In a first part, we study these QED processes in the interaction of an ultra-intense laser with a micrometric overdense target. It is found that the laser-to--ray energy conversion efficiency can by far exceed 10% for intensities IL > 1023 Wcm-2, while copious pair production (through pair cascading) kicks in for IL > 1024 Wcm-2. In a second part, we consider positron generation in the collision between a GeV electron bunch issued from a laser-wake eld accelerator and a counterpropagating laser pulse. In a third part, we analyze a prospective scheme of astrophysical interest, consisting in the collision between two dense pair plasmas produced from solid targets irradiated at 1024 Wcm-2 showing a fast-growing magnetic lamentation instability amplified by intense synchrotron emission.

Cette thèse porte sur la caractérisation des champs magnétiques générés par l'interaction entre un laser d'intensité de 1017 W/cm2 à 1018 W/cm2 et de cibles solides, et leurs effets sur le faisceau d'électrons chauds. En effet, les différents champs magnétiques créés lors de cette interaction ont un rôle fondamental sur les caractéristiques du faisceau d'électrons chauds : sa source et son transport dans la matière. Des diagnostics de polarimétrie et d'interférométrie croisée ont été développés lors de cette thèse pour observer le champ magnétique en surface de la cible irradiée par laser et en particulier leurs évolutions spatiale et temporelle. Deux différents régimes ont été observés selon le contraste en intensité de l'impulsion laser : un possédant une montée rapide de champ magnétique suivie d'une décroissance plus lente créées par le déplacement des électrons chauds dans la matière, et un possédant une croissance plus lente de forme logarithmique créée par la pré-impulsion du laser par effet thermoélectrique. L'interprétation de nos résultats obtenues par ces diagnostics ont permis d'évaluer la résistivité du plasma. Cette résistivité nommée anormale dans la littérature se comprend en estimant l'influence du champ magnétique sur l'anisotropie du transport des électrons et donc sur la résistivité. Le dernier diagnostic permettant l'estimation du champ magnétique détaillé dans cette thèse est la déflectométrie protonique. Elle permet d'observer la déviation d'un faisceau de protons lors de sa propagation sous l'effet de champs électrique et magnétique. D'autres expériences se sont focalisées sur la divergence de ce faisceau d'électrons. Deux diagnostics principaux ont été utilisés : l'imagerie K α et l'imagerie du rayonnement de transition cohérente (C.T.R.) en face arrière de cibles. / This thesis concerns magnetic fields, generated by the interaction between strong laser pulse (intensity up to1018 W/cm2) and solid target, and their effects on the fast electron beam. Indeed, the various magnetic fields created during this interaction can inuence the divergence of the fast electron beam. The magnetic field createdduring this interaction have a fundamental role on the fast electron beam characteristics : its source and its transportin the material. Diagnotics of polarimetry and crossed interferometry were developed during this thesis to observethe on-surface magnetic field of the target, and in particular, their spatial and temporal evolutions. Two types oftemporal evolution of the magnetic field were observed according to the contrast in intensity of the laser pulse : afast rise of magnetic field followed by a slower decrease created by the travel of the fast electrons in the material,and a slower growth of logarithmic form created by the pre-pulse of the laser by thermoelectric effect. The interpretation of our results obtained by these diagnotics allowed us to estimate the resistivity of the plasma.This resistivity named "anomalously high resistivity" in the literature can be explained by taking into account theinuence of the magnetic field on the electrons transport (creation of an anisotropy) and thus on the resitivity.The last diagnotic allowing the estimation of the magnetic field detailed in this thesis is the proton deectometry. itallows to observe the deviation of a proton beam during its propagation under the inuence of electric and magneticfields. Other experiments were focused on the fast electron beam divergence. Two main diagnotics were used : the K α imaging and the coherent transition radiation (C.T.R) imaging at the rear side of solid targets. These diagnoticsallowed to estimate the fast electron beam divergence for two distinct energetic electron populations. The differenceof divergence coming from characteristics of both diagnotics (electrons in charge of the emissions in different energies). The diagnotics of on-surface magnetic fields of target irradiated by intense laser, such as the technics of polarimetry and crossed interferometry developed in this thesis, are dedicated to be combined with diagnotics determining the evolution of the radial size of the fast electron beam generated by the laser-matter interaction. Their simultaneous use, and the correlation between their respective data, should allow to establish experimentally, in the short term, the inuence of the on-surface magnetic fields on the fast electron beam initial characteristics, in particular the angular and energy distributions. Our results of polarimetry on the spatio-temporal evolution of the magnetic fields of surface establish the state of the art for this type of measures. There are possible improvements, in particular as regards their use in conditions of irradiation by lasers of intensities > 1018 W/cm2. These perspectives are also the object of discussions in this manuscript.

Cette thèse a pour but l'étude de l’interaction des impulsions laser brèves et ultra-intenses avec des cibles de petite taille. Nous nous intéressons surtout des phénomènes liés à l’accélération des ions aux granges énergies. L'outil principal de cette étude est notre code Particle-in-Cell (PIC) bidimensionnel, qui est capable d'effectuer le calcul du mouvement des particules et de l'évolution des champs en régime relativiste et sans collisions. Ce mémoire présente la théorie de l’accélération d’ions par laser, les simulations numériques des différents régimes d'accélération, ainsi que les algorithmes mis en œuvre dans notre code. Les nouveaux résultats obtenus dans le cadre de cette thèse concernent trois cas principaux: 1) l’interaction des impulsions laser intenses avec des cibles de la masse limitée; 2) l’accélération des protons par laser dans des gouttelettes fines d’eau vaporisé; 3) le transport latéral des électrons chauds dans une feuille mince et son effet sur l’accélération d’ions. Nos études théoriques et les simulations numériques sont appliquées pour l'interprétation des résultats des deux expériences récentes réalisées par les équipes de recherche en Allemagne et en France. Ces expériences montrent une accélération efficace d’ions dans les conditions prévues dans nos travaux théoriques. Le spectre énergétique et le nombre des protons accélérés dans les feuilles minces de la surface limitée et dans les gouttelettes d’eau se comportent conformément aux nos prévisions. Le modèle théorique développé dans cette thèse considère l'accélération des ions en deux étapes. Le champ du laser n'interagit pas directement avec les ions du plasma du à sa masse très élevée. Par contre, les électrons chauds, générés pendant l’interaction de l'impulsion laser avec une cible, produisent les champs électrostatiques importants qui accélèrent les ions aux hautes énergies. Ces champs peuvent être amplifiés si la masse de la cible est suffisamment petite. Nous considérons que la cible a une masse limitée, si toutes ses dimensions sont comparables avec la taille du faisceau laser dans la zone d'interaction. Ces cibles permettent de réduire la dispersion des électrons chauds, et donc d'améliorer la transformation de l'énergie cinétique d'électrons dans l’´energie des ions. Nos simulations numériques indiquent que la taille de cible transverse optimale est égale au diamètre du faisceau laser. Les expériences récentes avec des feuilles minces de la surface limitée ont confirmé que la transformation de l’énergie laser `a l’énergie des ions est plus efficace, l’énergie des ions est plus élevée, et la divergence du faisceau d’ions diminue avec la diminution de la surface de feuille. La physique de l’interaction d'un faisceau laser avec les gouttelettes d’eau est plus complexe, car il faut prendre en compte plusieurs facteurs tels que l'ionisation inhomogène des atomes de la gouttelette et la recombinaison, sa position dans le focus de laser, les collisions des électrons etc. Nous avons modélisé l’interaction de l’impulsion laser avec une gouttelette de diamètre de 100 nm. Dans un petit agrégat des atomes irradié par laser, les électrons sont expulsés par la force pondéromotrice et, pas conséquent, les ions sont accélérés par la force de Coulomb. Nous avons réussi d'expliquer la formation d'un pic dans la fonction de distribution des protons en énergie par l'effet de la répulsion mutuelle entre deux espèces des ions. Finalement, nous avons étudié le transport latéral des électrons dans le cas de l'incidence rasante du faisceau laser sur la cible mince plaine. Avec une série des simulations nous avons démontré qui le transport des électrons accélérés est réalisé par deux mécanismes complémentaires: par le guidage des électrons chauds sur la surface d’avant de la feuille par les champs quasi statiques électrique et magnétique et par la recirculation des électrons entre les faces l'arrière et l'avant de la cible. / The presented thesis is based on a theoretical study of the interaction of femtosecond laser pulses with small-size targets and related phenomena, mainly acceleration of ions. We have employed our relativistic collisionless two-dimensional particle-in-cell code to describe the interaction and subsequent ion acceleration. The theory of ion acceleration and related physics (for example, electron heating mechanisms) have been reviewed as well as computational algorithms used in our simulation code. In the thesis, our obtained results are organized into three main parts: 1) interaction of an intense laser pulse with mass-limited targets; 2) laser proton acceleration in a water spray target; 3) lateral hot electron transport and ion acceleration in thin foils. Our theoretical and numerical studies are accompanied with recent experimental results obtained by cooperating research groups on enhanced ion acceleration in thin foils of reduced surface and on proton acceleration in a cloud of water microdroplets. Since the field of nowadays operating lasers is not sufficient to accelerate directly ions to high energies due to their at least 1000 times larger mass-to-charge ratio compared with electrons, the ion acceleration is mediated by hot electrons creating strong electrostatic fields (a population of electrons heated by the laser wave) in targets of sizes higher or comparable with the laser wavelength or by Coulomb force between ions after electron expulsion in small clusters. Due to reduced target dimensions, the mass-limited targets, defined as the targets having all dimensions comparable with the laser spot size, limit the spread of hot electrons and, thus, the electron kinetic energy is transferred to ions more efficiently. We found via 2D PIC simulations that the optimum transverse target size is about the laser beam diameter. The enhancement of proton energy, laser-to-proton conversion efficiency, and narrower ion angular spread have been observed in recent experiments with thin foil sections and have confirmed our previous theoretical studies. The physics of the laser pulse interaction with water spray is rather complex and includes many phenomena (microdroplet ablation by laser prepulse, inhomogeneous droplet ionization, laser focal spot position in the spray, recombination and collisional effects in the surrounding target material, etc.). We have carried out numerical simulations of the laser pulse interaction with a water microdroplet of diameter of 100 nm, which gives an insight into the physics of ion acceleration in the spray. One can observe a pronounced peak in the proton energy spectra at the cutoff energy, which was explained by mutual interaction between protons and oxygen ions. Finally, we have studied two mechanisms of lateral electron transport in a thin foil - the first is due to hot electron guiding along the foil front surface by generated quasi-static electric and magnetic fields, and the second is caused by the hot electron recirculation (reversing of the normal component of electron velocity when the electron propagating through the foil starts to escape into vacuum, while the transverse velocity is largely unaltered). We found that only a small number of electrons can be guided along the foil surface for large incidence angles (60° and more) of the laser beam on the foil surface, whereas the majority of electrons is laterally transported towards foil edges due to the recirculation through the thin foil. However, electrons guided along the surface can be accelerated to several times higher energy than the recirculating electrons, which enhances the energy of accelerated ions from foil edges.

Cette thèse a pour contexte la résolution numérique du système de Vlasov–Poisson (modèle utilisé en physique des plasmas, par exemple dans le cadre du projet ITER) par les méthodes classiques particulaires (PIC pour "Particle-in-Cell") et semi-Lagrangiennes. La contribution principale de notre thèse est une implémentation efficace de la méthode PIC pour architectures multi-coeurs, écrite dans le langage C, dont le nom est Pic-Vert. Notre implémentation (a) atteint un nombre quasi-minimal de transferts mémoires avec la mémoire principale, (b) exploite les instructions vectorielles (SIMD) pour les calculs numériques, et (c) expose une quantité suffisante de parallélisme, en mémoire partagée. Pour mettre notre travail en perspective avec l'état de l'art, nous proposons une métrique permettant de comparer différentes implémentations sur différentes architectures. Notre implémentation est 3 fois plus rapide que d'autres implémentations récentes sur la même architecture (Intel Haswell). / In this thesis, we are interested in solving the Vlasov–Poisson system of equations (useful in the domain of plasma physics, for example within the ITER project), thanks to classical Particle-in-Cell (PIC) and semi-Lagrangian methods. The main contribution of our thesis is an efficient implementation of the PIC method on multi-core architectures, written in C, called Pic-Vert. Our implementation (a) achieves close-to-minimal number of memory transfers with the main memory, (b) exploits SIMD instructions for numerical computations, and (c) exhibits a high degree of shared memory parallelism. To put our work in perspective with respect to the state-of-the-art, we propose a metric to compare the efficiency of different PIC implementations when using different multi-core architectures. Our implementation is 3 times faster than other recent implementations on the same architecture (Intel Haswell).

La méthode PIC MCC (Particle-In-Cell Monte-Carlo Collision) est un outils très performant et efficace en ce qui concerne l'étude des plasmas (dans notre cas, pour des plasmas froids) car il permet de décrire l'évolution dans le temps et dans l'espace, des particules chargées sous l'effet des champs auto-consistants et des collisions. Dans un cas purement électrostatique, la méthode consiste à suivre les trajectoires d'un nombre représentatif de particules chargées, des électrons et des ions, dans l'espace des phases, et de décrire l'interaction collective de ces particules par la résolution de l'équation de Poisson. Dans le cas de plasmas froid, les trajectoires dans l'espace des phase sont déterminées par le champ électrique auto-consistant et par les collisions avec les atomes neutres ou les molécules et, pour des densités relativement importantes, par les collisions entre les particules chargées. Le coût des simulations pour ce type de méthode est très élevé en termes de ressources (CPU et mémoire). Ceci est dû aux fortes contraintes (dans les simulations PIC explicites) sur le pas de temps (plus petit qu'une fraction de la période plasma et inverse à la fréquence de giration électronique), sur le pas d'espace (de l'ordre de la longueur de Debye), et sur le nombre de particules par longueur de Debye dans la simulation (généralement de l'ordre de plusieurs dizaines). L'algorithme PIC MCC peut être parallélisé sur des fermes de calculs de CPU (le traitement de la trajectoires des particules est facilement parallélisable, mais la parallélisation de Poisson l'est beaucoup moins). L'émergence du GPGPU (General Purpose on Graphics Processing Unit) dans la recherche en informatique a ouvert la voie aux simulations massivement parallèle à faible coût et ceci par l'utilisation d'un très grand nombre de processeurs disponible sur les cartes graphiques permettant d'effectuer des opérations élémentaires (e.g. calcul de la trajectoires des particules) en parallèle. Un certain nombre d'outils numérique pour le calcul sur GPU ont été développés lors de ces 10 dernières années. De plus, le constructeur de cartes graphiques NVIDIA a développé un environnement de programmation appelé CUDA (Compute Unified Device Architecture) qui permet une parallélisation efficace des codes sur GPU. La simulation PIC avec l'utilisation des cartes graphiques ou de la combinaison des GPU et des CPU a été reporté par plusieurs auteurs, cependant les modèles PIC avec les collisions Monte-Carlo sur GPU sont encore en pleine étude. A l'heure actuelle, de ce que nous pouvons savoir, ce travail est le premier a montrer des résultats d'un code PIC MCC 2D et 3D entièrement parallélisé sur GPU et dans le cas de l'étude de plasma froid magnétisé. Dans les simulation PIC, il est relativement facile de suivre les particules lorsqu'il n'y a ni pertes ni création (e.g. limites périodiques ou pas d'ionisation) de particules au cours du temps. Cependant il devient nécessaire de réordonner les particules à chaque pas en temps dans le cas contraire (ionisation, recombinaison, absorption, etc). Cette Thèse met en lumière les stratégies qui peuvent être utilisées dans les modèles PIC MCC sur GPU permettant d'outre passer les difficultés rencontrées lors du réarrangement des particules après chaque pas de temps lors de la création et/ou des pertes. L'intérêt principal de ce travail est de proposer un algorithme implémenté sur GPU du modèle PIC MCC, de mesurer l'efficacité de celui-ci (parallélisation) et de le comparer avec les calculs effectués sur GPU et enfin d'illustrer les résultats de ce modèle par la simulation de plasma froid magnétisé. L'objectif est de présenter en détail le code utilisé en de montrer les contraintes et les avantages liées à la programmation de code PIC MCC sur GPU. La discussion est largement ciblé sur le cas en 2D, cependant un algorithme 3D a également été développé et testé comme il est montré à la fin de cette thèse.

L'extension d'échelle des procédés plasma fonctionnant à très faibles pressions est l'une des problématiques à résoudre pour leur essor au niveau industriel. Une solution consiste à distribuer uniformément des sources de plasma élémentaires dans lesquelles le plasma est produit par couplage à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Ces sources élémentaires sont constituées d'un aimant permanent cylindrique (dipôle magnétique) disposé à l'extrémité d'une structure coaxiale d'amenée des micro-ondes. Bien que conceptuellement simple, l'optimisation de ces sources de plasma dipolaires est complexe. Elle requiert la connaissance, d'une part, des configurations de champ magnétique statique et électrique micro-onde, et, d'autre part, des mécanismes de production du plasma, dans les zones de champ magnétique fort (condition RCE), et des mécanismes de diffusion. Ainsi, une caractérisation expérimentale des domaines de fonctionnement et des paramètres plasma par sonde de Langmuir et par spectroscopie d'émission optique a été menée sur différentes configurations de sources dipolaires. Parallèlement, une première modélisation analytique a permis de calculer des champs magnétiques de configurations simples, le mouvement et la trajectoire des électrons dans ces champs magnétiques, l'accélération des électrons par couplage RCE. Ces résultats ont permis ensuite de valider la modélisation numérique des trajectoires électroniques par une méthode hybride Particle In Cell / Monte-Carlo. L'étude expérimentale a mis en évidence des domaines de fonctionnement pression/puissance très larges, entre 15 et 200 W de puissance micro-onde et depuis 0,5 jusqu'à 15 mTorr dans l'argon. L'étude des paramètres plasma a permis de localiser la zone de couplage RCE près du plan équatorial de l'aimant et de confirmer l'influence de la géométrie de l'aimant sur cette dernière. Ces caractérisations appliquées à un réacteur cylindrique utilisant 48 sources ont montré la possibilité d'atteindre au centre de l'enceinte des densités entre 1011 et 1012 cm-3 pour des pressions d'argon de quelques mTorr. La modélisation des trajectoires électroniques au voisinage des aimants indique un meilleur confinement radial pour des aimants présentant un rapport longueur/diamètre élevé. De plus, cette étude numérique confirme les résultats de l'étude expérimentale, à savoir une zone de couplage RCE près du plan équatorial et non au voisinage de l'extrémité du guide coaxial micro-onde. Enfin, ces résultats ont été appliqués avec succés à la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire de cibles, permettant en particulier une usure uniforme de ces dernières.

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

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<p dir="ltr">High-power microwave (HPM) devices are generally vacuum-based devices that transform electron beam energy into microwaves with peak powers above 100 MW from 1-300 GHz. Solid-state HPM devices provide more compactness and greater reliability while consuming less power. Nonlinear transmission lines (NLTLs) provide a solid-state alternative to HPM generation by sharpening the input pulses from a pulse forming network to create output oscillations.</p><p dir="ltr">The first section of this dissertation evaluates and explores the feasibility of using nonlinear composites containing ferroelectric (e.g., Ba_2/3Sr_1/3TiO₃, BST) and/or ferromagnetic (e.g., Ni_1/2Zn_1/2Fe₂O₄, NZF) inclusions in a linear polymer host (polydimethylsiloxane, PDMS) to tune NLTL properties for HPM applications. Appropriately modelling and designing NLTLs using nonlinear composites require accurately characterizing their linear and nonlinear electromagnetic properties. We first studied the electromagnetic properties of the composites using theoretical, numerical, and experimental approaches. Incorporating these composite models and characterizations into NLTL simulations will be discussed.</p><p dir="ltr">Vacuum-based HPM devices, such as magnetrons and crossed-field amplifiers, generally operate in the space-charge-limited region, which corresponds to the maximum current possible for insertion into the device. This motivated studying the space-charge-limited current and electron flow in a two-dimensional (2D) planar diode with various crossed-magnetic fields using particle-in-cell (PIC) simulations. For non-magnetically insulated diodes (electrons emitted from the cathode can reach the anode), analytical and/or semi-empirical solutions are derived for electrons with nonzero monoenergetic initial velocity that agree well with PIC simulations. For magnetically insulated conditions, we developed new metrics using simulations and analytic theories to assess electron cycloidal and Brillouin flow to understand the implications of increasing injection current for 2D diodes. These analyses provide details on the operation of these devices at high currents, particularly virtual cathode operation, that may elucidate behavior near their limits of operation.</p>