Дисертації з теми "Miroirs plasma"

Lors de la réflexion d’un laser femtoseconde ultra-intense [Iʟ > 10¹⁶ W/cm²] sur une cible solide, celle-ci est ionisée dès les premiers cycles de l’impulsion. Un plasma se détend alors vers le vide avec un profil exponentiel de longueur caractéristique Lg. Pour de faibles longueurs de gradient Lg < λʟ, le gradient plasma est considéré comme raide, il réfléchit spéculairement l’impulsion incidente : c’est un miroir plasma. De tels plasmas, réfléchissant pour la lumière, sont aujourd’hui exploités dans différentes applications scientifiques, comme l’accélération de particules par laser ou encore la génération d’harmoniques d’ordre élevé, associées dans le domaine temporel à un train d’impulsions attosecondes. Néanmoins, pour favoriser ces émissions de lumière ou de particules, le transfert d’énergie entre l’impulsion laser incidente et le plasma est essentiel. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces interactions à l’aide de la caractérisation de ces deux observables physiques qui en sont issues : les émissions d’électrons relativistes et d’harmoniques d’ordre élevé. Tout d’abord, nous reportons dans ce manuscrit la première étude expérimentale et numérique détaillée des mécanismes de couplage laser-plasma dense impliqués en régime relativiste [Iʟ > 10¹⁸ W/cm²] en fonction notamment de la longueur caractéristique de gradient Lg. Cette étude a notamment permis d’identifier deux régimes distincts en fonction des conditions d’interaction, éclaircissant ainsi la physique régissant ces systèmes. Par ailleurs, au delà de cet aspect fondamental, le contrôle de ces sources est également essentiel pour de futures expériences. Pour cela, différentes approches permettant de mettre en forme spatialement et temporellement ces impulsions de lumière ultra-brèves ont été étudiées au cours de ce doctorat, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’utilisation de ces sources. En particulier, nous démontrons qu’il est possible d’introduire un moment angulaire orbital aux impulsions XUV attosecondes via la mise en forme spatiale du faisceau IR femtoseconde incident ou bien de plasma dense créé à la surface de la cible mais également de contrôler la dynamique des électrons de surface du plasma à l’échelle attoseconde à l’aide d’un champ incident à deux couleurs. Finalement, une méthode novatrice basée sur des mesures de ptychographie dynamique a été développée afin de caractériser spatio-temporellement ces impulsions de lumière ultra-brèves, constituant un enjeu majeur pour la communauté
When an ultra-intense femtosecond laser beam [Iʟ > 10¹⁶ W/cm²] is focused on a solid target, the surface becomes completely ionized during the first optical cycles of the laser pulse. Due to their solid-like density and to their limited expansion into the vacuum such plasmas specularly reflect these pulses, just like ordinary mirrors do for low intensity. These plasmas are now used in many scientific applications like particle acceleration by laser light as well as high-order harmonic generation, associated to a train of attosecond pulses in the time domain. Nevertheless, to favor these emissions of light or particle, the energy transfert between the incident field and the dense plasma is crucial. The aim of this thesis is to better understand these interactions through the characterization of high-order harmonics and relativistic electron beams generated on plasma mirrors. We reported in this manuscript the first detailed experimental and numerical study of the coupling mechanisms involved between an ultra-intense laser light [Iʟ > 10¹⁸ W/cm²] and a dense plasma, and more specifically as a function of the gradient scale length Lg. These results enabled to identify two different regimes, clarifying some physical issues. Furthermore, beyond these fondamental aspects, the control of these sources is essential, particularly for futures pump-probe experiments or new spectroscopies. For that, several approaches have been studied to temporally and spatially shape these ultra-short light pulses, thus opening up new perspectives for these sources. We demonstrate in particular the generation of intense XUV vortex beam either by spatially shaping the incident IR field or the dense plasma created at the target surface as well as controlling the electron dynamics on the attosecond time scale with relativistic two-color waveforms. Finally, an innovative method based on in-situ ptychographic measurements has been developed to simultaneously characterize in time and space these ultrashort XUV light pulses, constituting one of the major challenges of the community

Lors de la focalisation d’un laser femtoseconde ultra-intense [I>10¹⁶W/cm²] sur une cible solide, dès le début de l’impulsion le champ laser est suffisant pour totalement ioniser la surface de la cible. Le reste de l’impulsion est ensuite réfléchi dans la direction spéculaire par le plasma dense ainsi créé : c’est un miroir plasma. Le champ laser ultra-intense peut accélérer les électrons au sein du plasma à des vitesses relativistes. Certains sont éjectés vers le vide et ces miroirs plasmas sont ainsi des sources de faisceaux d’électrons énergétiques. De plus, ils rayonnent dans l’extrême ultra-violet (XUV) à chaque période laser, ce qui se traduit par de la génération d’harmoniques d’ordre élevé de la pulsation laser. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’interaction laser-plasma sur miroirs plasmas à l’aide de la caractérisation de ces deux observables physiques qui en sont issues : les faisceaux d’électrons relativistes et les faisceaux d’harmoniques d’ordre élevé. Une première partie traite de la mesure des faisceaux harmoniques. Du fait des conditions physiques extrêmes d’interaction, la détection ne peut se faire qu’à une distance macroscopique de la cible. Ainsi la caractérisation des propriétés angulaires de ces faisceaux (réalisée en fonction des conditions d’interaction au cours de travaux précédents) ne fournit que des informations partielles sur l’interaction en elle-même. La ptychographie, une technique de mesure par diffraction cohérente où une sonde est diffractée par un objet, est ici transposée à la génération d’harmoniques sur miroirs plasmas grâce à la micro-structuration optique du plasma à la surface de la cible. Les champs sources harmoniques sont ainsi reconstruits en amplitude et en phase spatiales directement dans le plan cible. Grâce à ces mesures dans différentes conditions d’interaction, des modèles théoriques analytiques d’interaction en régime non relativiste [I<10¹⁸W/cm²] et relativiste [I>10¹⁸W/cm²] développés précédemment sont validés expérimentalement. Une seconde partie de cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale des propriétés angulaires et en énergie des faisceaux d’électrons relativistes issus des miroirs plasmas. Une étude théorique et numérique, permet de prouver que ces mesures sont la première observation claire de l’accélération d’électrons relativistes par laser dans le vide (VLA). Enfin, l’étude simultanée des efficacités de génération des faisceaux d’électrons et d’harmoniques montre une corrélation nette entre les deux processus en régime relativiste
When focusing an ultra-intense femtosecond laser pulse [I>10¹⁶W/cm²] onto a solid target, this target is ionized at the very beginning of the laser pulse. The resulting dense plasma then reflects the laser in the specular direction: it is a plasma mirror. The ultra-intense laser field can accelerate electrons within the plasma at relativistic speeds. Some are ejected towards the vacuum and these plasma mirrors are therefore sources of relativistic electron beams. Moreover, at each optical cycle they radiate in the form of extreme ultraviolet light, resulting in the generation of high-order harmonics of the laser frequency (HHG). The objective of this PhD is to understand laser-plasma interaction though the characterization of high-order harmonics and relativistic electron beams generated from plasma mirrors. The first part deals with harmonic beam measurement. Due to the extreme physical conditions during the interaction, detection can only be performed at macroscopic distance from target. Thus, the characterization of the harmonic beams’ angular properties (carried out as a function of interaction conditions in previous works) only provides partial information on the interaction itself. A technique of coherent diffraction imaging, named ptychography, which consists of diffracting a probe onto an object, is transposed to HHG on plasma mirrors by optically micro-structuring the plasma on a target surface. Harmonic fields are then reconstructed spatially in amplitude and phase directly in the target plane. Thanks to this measurement in different interaction conditions, previously developed theoretical analytical models in non-relativistic regime [I<10¹⁸W/cm²] and relativistic regime [I>10¹⁸W/cm²] are experimentally validated. The second part of the PhD is dedicated to the experimental characterization of angular and spectral properties of relativistic electron beams. A theoretical and numerical study shows that this constitutes the first clear observation of vacuum laser acceleration (VLA). Finally, a simultaneous study of harmonic and electron signals highlights a strong correlation between both processes in the relativistic regime

Cette these etudie, depuis la conception jusqu'a l'interpretation des resultats physiques, un nouveau diagnostic d'etude du gradient de densite electronique dans la zone de transport surcritique d'un plasma laser (0,35 m). Ce diagnostic, dit de strioscopie x-uv, est fonde sur la propriete de refraction d'une sonde par un gradient d'indice. Sa particularite est d'utiliser l'emission x-uv a 13 nm (92 ev) d'un plasma laser annexe comme sonde x-uv. La conception et la caracterisation de ce diagnostic font simultanement appel aux proprietes emissives et refractantes des plasmas laser et aux proprietes de reflexion des multicouches. Nous presentons des images de strioscopie spatialement et spectralement resolues d'un plasma d'aluminium d'un flux laser de 3. 10#1#2 w/cm#2 sonde avec un rayonnement x-uv de longueur d'onde 13 nm. Le diagnostic doit etre tres precisement aligne pour obtenir un bon contraste et une bonne resolution spatiale. Nous mettons alors en evidence, pour la premiere fois, la refraction d'une sonde x-uv par un plasma laser. Les experiences montrent qu'elle est particulierement visible pour les couples d'energies laser sur le plasma sonde et le plasma sonde de (150 ; 1 j) et pour les couples de materiaux (or ; aluminium). La refraction observee correspond selon un code de simulation de l'hydrodynamique du plasma, a un gradient de densite electronique de 6,5. 10#2#5 electrons/cm#4 dans les 2 premiers microns de la zone surcritique. Pour etudier les dependances parametriques du gradient de densite electronique dans la zone surcritique, nous proposons plusieurs ameliorations

Cette these nous a permis, dans un premier temps, de mettre en evidence et de caracteriser l'endommagement de miroirs multicouches x. Nous avons dans ce but, concu deux types de systemes experimentaux qui ont ete installes surla chambre d'experiences heliotrope de l'installation octal du centre cea de limeil-valenton. Il nous a ete ainsi possible de montrer que les proprietes optiques des miroirs subissaient de fortes modifications lorsque ces derniers etaient soumis a de hauts flux de rayonnement x emis par un plasma-laser d'or. Nous avons en particulier introduit le concept de vitesse d'endommagement pour rendre compte des vitesses de dilatation des periodes des miroirs multicouches. Nous avons ainsi pu classer differents types de miroirs multicouches en fonction de leur resistance a l'endommagement et montrer qu'une couche de silicium deposee sur un miroir permettrait d'ameliorer la resistance de ce dernier a l'endommagement. Dans une deuxieme partie nous avons developpe un outil de simulation afin de simuler les modifications des proprietes optiques des miroirs multicouches. Nous avons dans ce but couple un code de thermomecanique a un programme d'optique. Les resultats des simulations sont en assez bon accord avec les experiences et semble donc pouvoir etre utilise, avant les experiences, pour prevoir le comportement d'un miroir sous irradiation x.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de la Relativité Générale. Elles sont des perturbations de l'espace-temps que l'on essaie de mettre en évidence par interférométrie laser. Les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs km de long combinés avec des cavités Fabry- Perot afin d'augmenter la sensibilité de l'instrument. La première génération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n'a pas permis d'obtenir une détection directe malgré plusieurs phases d'observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde génération de détecteurs est actuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo qui devrait avoir une sensibilité améliorée d'un ordre de grandeur. Cette thèse s'intéresse dans un premier temps aux effets de lentille thermique due à la haute puissance contenue dans les cavités Fabry-Perot pour différentes configurations optiques de l'interféromètre. Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définition des besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirs doit être sub-nanométrique de façon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi réduire les effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de la planéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l'uniformité du dépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l'obtention de surface hautement réfléchissante avec en particulier l'étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts.

Les lentilles du visible focalisant par refraction etant inefficaces dans les x, l'imagerie dans ce domaine a longtemps ete limitee a l'utilisation de miroirs courbes sous incidence rasante ou de stenopes. Les etudes de fresnel puis de soret avaient montre qu'il existait un autre moyen de focaliser la lumiere visible : la diffraction. Il etait alors possible, une fois les technologies de fabrication developpees, de transposer ces optiques fonctionnant en transmission dans le domaine x. En 1986, l'equipe d'aristov demontra la possibilite d'associer la diffraction de fresnel a la reflexion de bragg. On obtient alors une optique focalisante gravee sur un miroir multicouche ou un cristal. Ces optiques sont appelees lentilles de bragg-fresnel. Des etudes anterieures avaient demontre la capacite des lbf a imager avec une resolution spatiale de quelques microns sur source synchrotron. Il restait a demontrer que ces lentilles permettaient de conserver une resolution spatiale elevee sur source plasma. Les etudes realisees au court de ma these visent a evaluer la resolution spatiale limite vers 1. 5 kev. Des outils de simulation d'imagerie ont ete developpes dans le cadre de cette etude pour prevoir les performances de ces lentilles et optimiser leurs parametres avant leur realisation. L'optimisation d'un systeme d'imagerie doit considerer la source, l'optique et le detecteur. Les progres realises dans le domaine de la detection par camera ccd et l'augmentation de leur sensibilite dans notre domaine d'energie m'ont conduit a etudier les possibilites de les substituer aux films x classiques la radiographie de plasma qui est un des buts de ces etudes, necessite des systemes optiques a haute resolution spatiale et faible profondeur de champ pour imager l'objet sans etre trop perturbe par la source sonde. Grace aux resultats obtenus durant cette these, ont peut maintenant predire le comportement des lentilles de bragg-fresnel sur de telles experiences.

Le travail expérimental présenté dans ce manuscrit a été réalisé au Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, Palaiseau, France) sur un système laser compact multi-mJ kHz, capable de délivrer des impulsions quasi-mono-cycle à phase enveloppe-porteuse (CEP) stabilisée. Le premier volet expérimental a consisté à améliorer les performances de la source laser grâce à l’intégration d'un étage d’amplification multi-passage cryogéné dans la chaîne destiné à augmenter l'énergie d'impulsion disponible, à améliorer la stabilité de la CEP, ainsi qu’à fiabiliser les performances quotidiennes du laser. En parallèle, une nouvelle technique a été testée, basée sur la propagation nonlinéaire dans une cellule multi-passage (MPC), afin de post-comprimer temporellement et d’améliorer le contraste temporel des impulsions laser. Dans l’avenir, une fois mis à l’échelle et intégré dans la chaîne laser, ce dispositif innovant de mise en forme temporelle d’impulsions laser, augmenter encore plus l’éclairement atteignable pour les expériences.Le deuxième volet expérimental est axé sur l'utilisation de la chaîne laser afin de piloter des miroirs plasma relativistes et de générer du rayonnement attoseconde (1 as = 10-18 s) dans le domaine spectral de l’ultraviolet extrême, ainsi que des faisceaux d’électrons et d’ions fortement énergétiques. Nous avons pu produire des faisceaux d'électrons relativistes par injection localisée d’électrons du plasma dans le champ laser réfléchi de manière nonlinéaire par le miroir plasma. En outre, nous avons pu générer des faisceaux quasi-collimatés de protons avec des énergies proches du MeV dans le cadre d’une expérience pompe-sonde contrôlée. En stabilisant la forme d'onde des impulsions laser, nous avons pu restreindre temporellement le processus de génération d’harmoniques en-dessous du cycle laser et ainsi produire des impulsions attoseconde uniques. Nous avons réalisé une étude paramétrique complète afin d'optimiser les propriétés spatio-temporelles des impulsions attosecondes XUV ainsi émises, jetant ainsi les bases de leur refocalisation pour les applications
The experimental work presented in this manuscript was carried out at Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA, Palaiseau, France) on a compact kHz multi-mJ energy laser system capable of delivering waveform-controlled near-single-cycle pulses. The first part of this work is focused on improving the performance of this laser source by integrating a cryogenically-cooled multi-pass amplifier in the laser chain in order to increase the output energy, enhance the laser waveform stability, making the laser source more stable and reliable, and with more overall reproducible day-to-day performance. Furthermore, we explore laser post-compression and temporal contrast enhancement in a multipass cell. In the future, this post-compression scheme when power-scaled and integrated into the laser chain will further enhance the focused pulse intensity for experiments.The second part of this work focuses on using the laser system to drive relativistic plasma mirrors on the surface of initially-solid targets to generate highly energetic particle beams (ions and electrons) and harmonic radiation in the extreme ultraviolet region, corresponding to attosecond pulses (1 as = 10-18 s) in the time domain. We could produce relativistic electron beams by localized injection of electrons into the nonlinearly reflected laser field by the plasma mirror. Additionally, we could generate nearly-collimated MeV-class proton beams in a controlled pump-probe experiment. By stabilizing the waveform of the driving laser pulses, we could temporally gate the interaction process on the target surface and produce isolated attosecond pulses. We performed a comprehensive parameter study to fully characterize and optimize the spatio-spectral properties of the emitted XUV attosecond pulses, laying the groundwork for their refocusing for applications

Les rayonnements extrêmes ultraviolets (EUV), gamme de longueurs d'onde comprises entre 13 nm et 40 nm, offrent de nombreuses applications scientifiques et technologiques. Celles-ci se sont développées par exemple en physique des plasmas (source à génération d'harmoniques d'ordre élevé, laser X), en astrophysique solaire ou en photolithographie EUV.
Les travaux présentés portent sur la conception, la réalisation et la métrologie de miroirs multicouches périodiques. La motivation principale de cette étude est de mettre en place un cycle de développement prenant en compte à la fois les propriétés optiques du pouvoir réflecteur des revêtements réfléchissants (réflectivité, sélectivité spectrale, atténuation) mais aussi l'environnement d'utilisation des optiques.
Afin d'améliorer les propriétés de sélectivité spectrale, de nouvelles structures multicouches périodiques ont été développées. Elles se caractérisent par un pouvoir réflecteur qui réfléchit bien deux régions spectrales ajustables et introduit des atténuations paramétrables.
L'effet de l'environnement sur la stabilité des performances est particulièrement critique pour les optiques de collection. L'ajout de matériaux barrières a permis de stabiliser les performances du pic de réflectivité pendant plus de 200 h à 400°C et de réduire l'influence des autres facteurs d'instabilité sur le pouvoir réflecteur.
De plus, toutes les structures réalisées ont été évaluées avec succès en environnements climatiques sévères.

Lorsqu'on focalise une impulsion laser femtoseconde ultraintense à très haut contraste sur une cible solide, le champ laser au foyer est suffisamment important pour ioniser la surface durant le front montant de l'impulsion et former un plasma. Au sein de ce plasma s'établit un gradient de densité résultant de l'expansion hydrodynamique du plasma. Ce plasma très dense, réfléchit le faisceau laser incident dans la direction spéculaire: on parle alors de miroir plasma. Comme l'interaction entre le laser et le miroir plasma est fortement non-linéaire, cela conduit à la génération d'harmoniques d'ordre élevé dans le faisceau réfléchi. Dans le domaine temporel, ce spectre d'harmonique est associé à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient de contrôler expérimentalement cette génération d'harmoniques et d'en mesurer toutes les propriétés. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps, à l'optimisation du signal harmonique, puis à la caractérisation spatiale en champ lointain du faisceau harmonique (divergence des harmoniques).Si la caractérisation et le contrôle de ces propriétés sont des points importants pour le développement de la source, ces résultats permettent également une meilleure compréhension de l'interaction laser-plasma à ultra-haute intensité. Ils nous ont notamment permis d'obtenir des informations cruciales sur les dynamiques électronique et ionique du plasma, démontrant ainsi qu'il est possible d'utiliser les harmoniques comme un diagnostic de l'interaction laser-plasma.Nous introduisons également une méthode complètement optique permettant de structurer un plasma in-situ. En tirant partie des propriétés de l'expansion d'un plasma, nous avons pu créer in-situ des réseaux plasmas transitoires, que nous avons ensuite exploités pour réaliser les premières mesures ptychographiques à des intensités de 10^19W/cm^2, permettant de mesurer entièrement, pour la première fois, les propriétés spatiales des harmoniques (taille de source et phase) dans le plan de leur génération
When an ultra intense femtosecond laser with high contrast is focused on a solid target, the laser field at focus is sufficient enough to completely ionize the target surface during the rising edge of the laser pulse and form a plasma. This dense plasma entirely reflects the incident beam in the specular direction: this is a so-called plasma mirror. As the interaction between the laser and the plasma mirror is highly non-linear, it thus leads to the high harmonic generation (HHG) in the reflected beam. In the temporal domain, this harmonic spectrum is associated to a train of attosecond pulses.The aim of my PhD were to experimentally control this HHG and to measure the properties of the harmonics. We first studied the optimization of the harmonic signal, and then the spatial characterization of the harmonic beam in the far-field (harmonic divergence). These characterizations are not only important to develop an intense XUV/attosecond light source, but also to get a better understanding of the laser-matter interaction at very high intensity. We have thus been able to get crucial information of the electrons and ions dynamics of the plasma, showing that the harmonics can also be used as a diagnostic of the laser-plasma interaction.We then developed a new general approach for optically-controlled spatial structuring of overdense plasmas generated at the surface of initially plain solid targets. We demonstrate it experimentally by creating sinusoidal plasma gratings of adjustable spatial periodicity and depth, and study the interaction of these transient structures with an ultraintense laser pulse to establish their usability atrelativistically high intensities. We then show how these gratings can be used as a `spatial ruler' to determine the source size of the high-order harmonic beams roduced at the surface of an overdense plasma. These results open new directions both for the metrology of laser-plasma interactions and the emerging field of ultrahigh intensity plasmonics

La focalisation d'un laser intense sur une surface solide entraine l'ionisation presque complète du milieu, donnant lieu à la formation d'un plasma de densité plusieurs centaines de fois supérieure à la densité critique. La dynamique collective des électrons du plasma est alors dictée par l'action du champ laser, et peut donner lieu à l'émission d'un train d'impulsions XUV de durée attoseconde. Les motivations de ce travail de thèse sont les suivantes : démontrer que l'on peut, en contrôlant tir à tir la forme exacte du champ électrique du laser, guider de façon reproductible la dynamique des électrons du plasma avec une précision attoseconde, et par conséquent la structure temporelle du train d'impulsions attosecondes généré. Pour réaliser cette expérience, nous avons tout d'abord mis en place un dispositif expérimental d'interaction laser-solide au kHz, dimensionné pour assurer des conditions d'interaction parfaitement reproductible tir à tir. Une fois ce dispositif éprouvé et les premières harmoniques détectées, nous avons ensuite démontré, en observant le spectre de l'émission XUV, le contrôle attoseconde de la dynamique des électrons du plasma en utilisant la source laser de deux cycles optiques stabilisée en phase. Enfin, nous avons observé expérimentalement, par la technique du phare attoseconde, le contrôle spatio-temporel par le champ laser du train d'impulsions attosecondes, donnant notamment lieu à la génération d'un groupe d'impulsions attosecondes isolées spatialement.

Lorsqu'un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques $10^{15}Wcm^{-2}$, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes ($1as=10-^{18}s$). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X.
Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l'éclairement laser est de l'ordre de $10^{19}Wcm^{-2}$, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma : l'émission cohérente de sillage et l'émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement.
Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambiguïté. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma.

Lorsqu'on focalise un laser femtoseconde ultraintense [$I>10^{16}W.cm^{-2}$] à très haut contraste sur une cible solide, le champ laser au foyer est suffisant pour ioniser complètement la surface de la cible durant le front montant de l'impulsion et former un plasma. Ce plasma est très dense [densité supérieure à la densité critique pour la fréquence laser] et réfléchit le faisceau laser dans la direction spéculaire: c'est ce que l'on appelle un "miroir plasma". Lorsque l'intensité laser est suffisamment élevée, la réponse de ce miroir plasma devient non-linéaire, ce qui conduit à la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans le faisceau réfléchi. Dans le domaine temporel, ce spectre d'harmoniques est associé à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient d'arriver à une meilleure compréhension des propriétés des faisceaux harmoniques produits sur miroir plasma, et de mettre au point de nouvelles méthodes pour contrôler ces propriétés, notamment en vue de générer des impulsions attosecondes isolées au lieu de trains. Ainsi, nous avons tout d'abord imaginé et analysé, la première technique réaliste de génération d'impulsions attosecondes isolées sur miroir plasma. Cette approche entièrement nouvelle repose sur un tout nouvel effet physique: "l'effet phare attoseconde". Son principe consiste à envoyer les impulsions attosecondes du train dans des directions différentes, puis à sélectionner une seule de ces impulsions en champ lointain à l'aide d'une fente. En plus de sa simplicité d'implémentation sur une chaîne laser de type CPA, cette technique est très générale et s'applique non seulement aux miroirs plasma, mais plus généralement à n'importe quel mécanisme de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Au delà de la génération d'impulsions attosecondes isolées, cet effet a plusieurs autres applications que nous discutons en détail. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés spatiales de ces harmoniques, dont la caractérisation et le contrôle sont cruciaux pour pouvoir utiliser cette source dans de futures expériences d'application. Par exemple, la réalisation de l'effet phare attoseconde nécessite de contrôler précisément la divergence des impulsions attosecondes. Ces propriétés spatiales sont imposées par la courbure du miroir plasma sous l'effet de la pression inhomogène du laser sur la cible. Nous avons développé un modéle complet de cette déformation du miroir plasma, qui permet de calculer analytiquement les propriétés spatiales du faisceau harmonique. Ce modèle a été validé par des simulations numériques approfondies.

Lorsqu’un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques 1015Wcm-2, cette réflexion peut s’accompagner de la génération d’harmoniques d’ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d’impulsions attosecondes (1as=10-18s). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X. Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l’éclairement laser est de l’ordre de 1019Wcm-2, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d’harmoniques d’ordres élevés sur miroir plasma : l’émission cohérente de sillage et l’émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement. Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambigüité. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma
When an intense laser beam is focused on a solid target, its surface is rapidly ionized and forms a dense plasma that reflects the incident field. For laser intensities above few 1015Wcm-2, high order harmonics of the laser frequency, associated in the time domain to a train of attosecond pulses (1as = 10-18s), can be generated upon this reflection. Because such a plasma mirror can be used with arbitrarily high laser intensities, this process should eventually lead to the production of very intense pulses in the X-ray domain. In this thesis, we demonstrate that for laser intensities about 1019Wcm-2, two mechanisms can contribute to the generation of high order harmonics: the coherent wake emission and the relativistic emission. These two mechanisms are studied both theoretically and experimentally. In particular, we show that, thanks to very different properties, the harmonics generated by these two processes can be unambiguously distinguished experimentally. We then investigate the phase properties of the harmonic, in the spectral and in the spatial domain. Finally, we illustrate how to exploit the coherence of the generation mechanisms to get information on the dynamics of the plasma electrons

Lorsqu'un faisceau laser de forte puissance est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques 10 puissance 15 Wcm-2, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordre élevé de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes (1 as = 10 puissance -18 s). Au cours de cette thèse, nous avons développé des diagnostiques numériques qui apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes de génération d'harmoniques dans trois régimes d'interaction distincts : l'émission cohérente de sillage, l'émission relativiste et l'absorption résonante. Nous avons alors mis en lumière le rôle de ces mécanismes dans le cas particulier où la cible est une feuille mince (épaisseur de l'ordre de 100 nm). Ensuite, nous étudions expérimentalement les propriétés spectrales, spatiales et de cohérence mutuelle des rayonnements harmoniques émis. Nous illustrons comment nous pouvons extraire de ces mesures une information sur la dynamique du miroir plasma aux échelles de temps femtoseconde et attoseconde. Enfin, nous proposons une technique de mesure complète, en un seul tir laser, de la structure temporelle du rayonnement harmonique issu de l'interaction laser miroir plasma
When an intense laser beam is focused on a solid target, the target's surface is rapidly ionized and forms dense plasma that reflects the incident field. For laser intensities above few 10 to the power of 15 Wcm-2, high order harmonics of the laser frequency, associated in the time domain to a train of attosecond pulses (1 as = 10 to the power of -18 s), can be generated upon this reflection. Ln this thesis, we developed numerical tools to reveal original aspects of harmonic generation mechanisms in three different interaction regime: the coherent wake emission, the relativistic emission and the resonant absorption. Ln particular, we established the role of these mechanisms when the target is a very thin foil (thickness of the order of 100 nm). Then we study experimentally the spectral, spatial and coherence properties of the emitted light. We illustrate how to exploit these measurements to get information on the plasma mirror dynamics on the femtosecond and attosecond time scales. Last, we propose a technique for the single-shot complete characterization of the temporal structure of the harmonic light emission from the laser-plasma mirror interaction

Lorsqu'on focalise un laser femtoseconde ultraintense [$$I>10^{16}W. Cm^{-2}$$] à très haut contraste sur une cible solide, le champ laser au foyer est suffisant pour ioniser complètement la surface de la cible durant le front montant de l'impulsion et former un plasma. Ce plasma est très dense [densité supérieure à la densité critique pour la fréquence laser] et réfléchit le faisceau laser dans la direction spéculaire: c'est ce que l'on appelle un "miroir plasma". Lorsque l'intensité laser est suffisamment élevée, la réponse de ce miroir plasma devient non-linéaire, ce qui conduit à la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans le faisceau réfléchi. Dans le domaine temporel, ce spectre d'harmoniques est associé à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient d'arriver à une meilleure compréhension des propriétés des faisceaux harmoniques produits sur miroir plasma, et de mettre au point de nouvelles méthodes pour contrôler ces propriétés, notamment en vue de générer des impulsions attosecondes isolées au lieu de trains. Ainsi, nous avons tout d'abord imaginé et analysé, la première technique réaliste de génération d'impulsions attosecondes isolées sur miroir plasma. Cette approche entièrement nouvelle repose sur un tout nouvel effet physique: "l'effet phare attoseconde". Son principe consiste à envoyer les impulsions attosecondes du train dans des directions différentes, puis à sélectionner une seule de ces impulsions en champ lointain à l'aide d'une fente. En plus de sa simplicité d'implémentation sur une chaîne laser de type CPA, cette technique est très générale et s'applique non seulement aux miroirs plasma, mais plus généralement à n'importe quel mécanisme de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Au delà de la génération d'impulsions attosecondes isolées, cet effet a plusieurs autres applications que nous discutons en détail. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés spatiales de ces harmoniques, dont la caractérisation et le contrôle sont cruciaux pour pouvoir utiliser cette source dans de futures expériences d'application. Par exemple, la réalisation de l'effet phare attoseconde nécessite de contrôler précisément la divergence des impulsions attosecondes. Ces propriétés spatiales sont imposées par la courbure du miroir plasma sous l'effet de la pression inhomogène du laser sur la cible. Nous avons développé un modéle complet de cette déformation du miroir plasma, qui permet de calculer analytiquement les propriétés spatiales du faisceau harmonique. Ce modèle a été validé par des simulations numériques approfondies
When an ultra intense femtosecond laser ($$I>10^{16}W. Cm^{-2}$$) with high contrast is focused on a solid target, the laser field at focus is high enough to completely ionize the target surface during the rising edge of the laser pulse and form a plasma. This plasma is so dense (the electron density is of the order of hundred times the critical density) that it completely reflects the incident laser beam in the specular direction: this is the so-called " plasma mirror ". When laser intensity becomes very high, the non-linear response of the plasma mirror to the laser field periodically deforms the incident electric field leading to high harmonic generation in the reflected beam. In the temporal domain this harmonic spectrum is associated to a train of attosecond pulses. The goals of my PhD were to get a better comprehension of the properties of harmonic beams produced on plasma mirrors and design new methods to control theses properties, notably in order to produce isolated attosecond pulses instead of trains. Initially, we imagined and modeled the first realistic technique to generate isolated attosecond on plasma mirrors. This brand new approach is based on a totally new physical effect: "the attosecond lighthouse effect". Its principle consists in sending the attosecond pulses of the train in different directions and selects one of these pulses by putting a slit in the far field. Despites its simplicity, this technique is very general and applies to any high harmonic generation mechanisms. Moreover, the attosecond lighthouse effect has many other applications (e. G in metrology). In particular, it paves the way to attosecond pump-probe experiments. Then, we studied the spatial properties of these harmonics, whose control and characterization are crucial if one wants to use this source in future application experiments. For instance, we need to control very precisely the harmonic beam divergence in order to achieve the attosecond lighthouse effect and get isolated attosecond pulses. At very high intensities, the plasma mirror dents and gets curved by the inhomogeneous radiation pressure of the laser field at focus. The plasma mirror surface thus acts as a curved surface, which focuses the harmonic beam in front of the target and fixes its spatial properties. We developed a fully analytical and predictive model for the surface deformation, thanks to which we are now able to calculate very easily the spatial properties of the generated harmonic beams. We validated this model through hundreds of 1D and 2D PIC simulations

Dans cette thèse expérimentale, nous nous intéressons à la réponse non-linéaire d’un miroir plasma sous l’influence d’un laser d’intensité sous-relativiste (~10^18 W/cm^2), et de très courte durée (~30fs). Nous avons en particulier étudié la génération d’impulsions attosecondes (1as=10^(-18) s) et de faisceaux d’électrons en effectuant des expériences dites de « pompe-sonde » contrôlées. Un premier résultat important est l’observation d’une anti-corrélation entre l’émission X-UV attoseconde et l’accélération d’électron lorsque l’on change la longueur caractéristique du plasma, résultats confirmés par des simulations numériques. Un second résultat important concerne le diagnostique de l’expansion du plasma sous vide par « interférométrie en domaine spatial » (SDI), technique élaborée dans le cadre de cette thèse. Enfin nous discutons à deux reprises l’utilisation d’algorithmes de reconstruction de phase dans le domaine spatiale ou temporel.De manière plus générale, nous avons cherché à replacer ce travail de thèse dans un contexte scientifique plus général. En particulier, nous tentons de convaincre le lecteur qu’à travers l’intéraction laser-miroir plasma, il devient concevable de fournir un jour aux utilisateurs des sources peu onéreuses d’impulsions X-UV et de faisceaux d’électrons de résolutions temporelles inégalées
The experimental work presented in this manuscript focuses on the non-linear response of plasma mirrors when driven by a sub-relativistic (~10^18 W/cm^2) ultra-short (~30fs) laser pulse. In particular, we studied the generation of attosecond pulses (1as=10^(-18) s) and electron beams from plasma mirror generated in controlled pump-probe experiment. One first important result exposed in this manuscript is the experimental observation of the anticorrelated emission behavior between high-order harmonics and electron beams with respect to plasma scale length. The second important result is the presentation of the « spatial domain interferometry » (SDI) diagnostic, developed during this PhD to measure the plasma expansion in vacuum. Finally, we will discuss the implementation of phase retrieval algorithms for both spatial and temporal phase reconstructions.From a more general point of view, we replace this PhD in its historical context. We hope to convince the reader that through laser-plasma mirror interaction schemes, we could tomorrow conceive cost-efficient X-UV and energetic electron sources with unprecedented temporal resolutions

L'émergence des lasers ultra-brefs et ultra-intenses a permis le développement d'une nouvelle branche de la physique encore largement inexplorée : la physique UHI (pour Ultra-High Intensity). Lors de la réflexion d'un tel laser sur une cible solide, l'intensité au foyer I₀ peut atteindre des valeurs aussi importantes que 10¹⁸⁻²⁰ W.cm⁻², suffisamment pour ioniser complétement la matière. Le plasma ainsi formé se détend sur une longueur caractéristique Lg, nommée longueur de gradient. Quand Lg <<λ₀ (longueur d'onde du laser), le plasma dense se comporte comme un miroir de qualité optique capable de réfléchir spéculairement la lumière incidente : c'est un miroir plasma. Ce système physique remarquable peut être utilisé dans de multiples applications principalement comme source compacte de faisceaux de particules à hautes charges et hautes énergies ou de lumière intense, principalement ultraviolet ou X, grâce à un phénomène de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Le bon contrôle de ces sources nécessite de clairement identifier les différents mécanismes de couplage entre lumière et matière en jeu lors de l'interaction. Dans ce manuscrit, cela est rendu possible grâce à de précises simulations de type Particle-In-Cell (PIC) réalisées avec le code WARP+PXR. Ce nouveau code emploie un solveur pseudo-spectral pour résoudre les équations de Maxwell. Celui-ci améliore grandement la précision des simulations et notamment des émissions harmoniques et électroniques, que les solveurs plus standards ne parviennent à décrire, même à hautes résolutions. Grâce à des simulations WARP+PXR, nous avons étudié l'influence de Lg sur les observables expérimentales que sont les émissions de lumière et de particules, quand un laser de puissance (I₀ = 10¹⁹ W.cm⁻²) se réfléchit sur un plasma dense. Notre étude révèle une claire transition entre un mécanisme périodique en temps et un processus chaotique quand l'interface devient plus lisse. Nous nous sommes principalement concentrés sur le deuxième mécanisme, appelé chauffage stochastique pour lequel des études en profondeur vont être menées en fonction de différents paramètres d'interaction. Dans ce régime, les électrons de la partie sous-dense du plasma subissent une dynamique chaotique dans l'onde stationnaire formée par la superposition des ondes incidente et réfléchie, ce qui leur permet d'absorber une importante part de l'énergie laser. La nature fondamentale de la dynamique en jeu est révélée grâce aux équations du mouvement au sein des deux ondes que l'on peut réduire en équations de pendules forcés (comme celui de Kapitza), systèmes bien connus comme chaotiques. Cette correspondance apporte une intuition physique profonde sur le comportement des électrons pour différentes configurations laser. Ceci nous permet in fine de prédire les principaux aspects du chauffage stochastique
The advent of high power femtosecond lasers has paved the way to a promising and still largely unexplored branch of physics called Ultra-High Intensity physics (UHI). Once such a laser is focused on a solid target, the laser intensity I₀ can reach values as large as 10¹⁸⁻²⁰ W.cm⁻², for which matter is fully ionized. The plasma thus formed expands towards vacuum on a spatial scale characterized by a quantity Lg called the density gradient scale length. When Lg << λ₀ (laser wavelength), the dense plasma therefore acts as an optical mirror that specularly reflects the incident light: it is a plasma mirror. This remarkable physical system can be used in many scientific applications as compact source of high-energy and high-charge particle beams (electrons, ions) or bright source of radiations ranging from extreme ultraviolet-rays to X-rays through high harmonic generation processes. In order to finely control these sources, it is required to properly identify the different coupling mechanisms between light and matter at play during the interaction. In this manuscript, this has been made possible by performing accurate Particle-In-Cell (PIC) simulations with the WARP+PXR code. This recently developed code advances Maxwell’s equations in Fourier space, which proves to correctly model harmonic/electron emissions that standard codes fail to accurate describe even at high resolution. Based on WARP+PXR PIC simulations, we investigate the influence of Lg on the experimentally observed emission of light and particles, when a high-power laser pulse (I₀ = 10¹⁹ W.cm⁻²) reflects off a dense plasma. Our study reveals an unambiguous transition from a temporally periodic mechanism to a chaotic process as the interface becomes smoother. In particular, the latter mechanism, named stochastic heating, is fully characterized as well as its domain of validity in terms of laser-plasma parameters. In this regime, electrons in the underdense part of the gradient are exposed to the standing wave formed in front of the overcritical part of the plasma by superposition of incidence and reflected beams. While evolving in the two waves, electrons behave chaotically and absorb an important fraction of the laser energy. The nature of the interaction is revealed by reducing the equations of motion of particles in two waves to physical systems, such Kapitza’s pendulum, well-known to exhibit chaos. That correspondence gives deep physical intuitions on how electrons behave in different laser configurations, which allows us to predict major features of stochastic heating

Les impulsions laser ultrabrèves nous permettent de suivre en temps réel les phénomènes ultrarapides au sein de la matière à l’échelle microscopique. C’est précisément pour l’invention de la chimie à l’échelle femtoseconde, ou femtochimie, qu’Ahmed Zewail se vit décerner le prix Nobel de chimie en 1999. Depuis les utilisateurs du laser cherchent à augmenter la résolution temporelle, c’est-à-dire réduire la durée des impulsions laser. Aujourd’hui, nous savons générer des flashs lumineux à l’échelle attoseconde dans le domaine spectral de l’extrême ultraviolet (XUV) mais l’efficacité de génération reste faible et le développement de sources laser attosecondes intenses constitue un sujet de recherche très actif sur le plan international.Notre groupe au LOA se concentre sur la génération d’impulsions attoseconde sur miroir plasma en régime relativiste. Pour cela, il cherche à développer une source d’impulsions femtosecondes à forte cadence et fort contraste et suffisamment énergétiques pour atteindre des intensités relativistes (>> 10^18W/cm2) lorsqu’elles sont fortement focalisées sur un plasma surdense. Un plasma surdense réfléchit la lumière incidente et par conséquent agit comme un miroir qui se déplaçant à vitesse relativiste et qui comprime l’impulsion incidente, produisant ainsi un flash attoseconde par cycle optique. En utilisant des impulsions proches d’un cycle optique, il est donc envisageable de générer une seule impulsion attoseconde intense pendant l’interaction.Dans la première partie de mon travail de thèse, j’ai réalisé un compresseur nonlinéaire pour réduire la durée des impulsions issues d’une chaîne à double dérive de fréquence (10mJ, 25fs, 1kHz) à phase enveloppe-porteuse (CEP) stabilisée. En propageant les impulsions du laser à haute intensité dans une fibre creuse remplie de gaz rare, j’ai réussi à générer des impulsions de 1.3 cycle optique avec une puissance crête autour de 1TW avec une CEP stabilisée. Dans un deuxième temps, j’ai mis en forme spatialement et temporellement les impulsions issues du compresseur à fibre pour générer à la fois des impulsions attosecondes intenses et des faisceaux d’électrons énergétiques sur un miroir plasma à gradient de densité contrôlé. Ces expériences nous permis, pour la première fois, de mettre en évidence la production d’impulsions attosecondes isolées dans l’XUV, l’émission corrélée de faisceaux d’électrons énergétiques en régime relativiste ainsi qu’un nouveau régime d’accélération d’électrons à très long gradient plasma
Very short light pulses allow us to resolve ultrafast processes in molecules, atoms and condensed matter. This started with the advent of Femtochemistry, for which Ahmed Zewail received the Novel Prize in Chemistry in 1999. Ever since, researcher have been trying to push the temporal resolution further and we have now reached attosecond pulse durations. Their generation, however, remains very challenging and various different generation mechanisms are the topic of heated research around the world.Our group focuses on attosecond pulse generation and ultrashort electron bunch acceleration on solid targets. In particular, this thesis deals with the upgrade of a high intensity, high contrast, kHz, femtosecond laser chain to reach the relativistic interaction regime on solid targets. Few cycle driving laser pulses should allow the generation of intense isolated attosecond pulses. A requirement to perform true attosecond pump-probe exeriments.To achive this, a HCF postcompression scheme has been conceived and implemented to shorten the duration of a traditional laser amplifier. With this a peak intensity of 1TW was achieved with near-single-cycle pulse duration. For controlled experiments, a vacuum beamline was developed and implemented to accurately control the laser and plasma conditions on target.During the second part of this thesis, this laser chain was put in action to drive relativistic harmonic generation on solid targets. It was the first time ever that this has been achieved at 1 kHz. By CEP gating the few-cycle-pulses, single attosecond pulses were generated. This conclusion has been supported by numerical simulations. Additionally a new regime to accelerate electron bunches on soft gradients has been detected

Les progrès continus des installations laser ont permis l'obtention d'impulsions ultra-brèves atteignant des intensités focalisées très élevées (I>1018 W/cm²). A ces intensités, la matière présente des comportements non-linéaires nouveaux, les électrons atteignant des vitesses relativistes. L'accès expérimental à ce régime d'interaction sur des cibles solides a longtemps été interdit en raison de la présence autour de l'impulsion femtoseconde d'un piédestal (dû notamment à l'émission spontanée amplifiée (ASE) présente dans la chaîne laser) suffisamment intense pour modifier l'état de la cible.
Dans cette thèse, nous avons tout d'abord caractérisé, expérimentalement et théoriquement, un dispositif améliorant le contraste temporel de l'impulsion : le Miroir Plasma. Celui-ci consiste à focaliser l'impulsion sur une cible diélectrique de sorte que le piédestal est transmis, alors que l'impulsion principale est réfléchie par le plasma surcritique formé à la surface. Son installation sur le laser UHI 10 (CEA Saclay –10 TW– 60 fs) nous a alors permis d'étudier l'interaction d'impulsions ultra-intenses à fort contraste temporel avec des cibles solides.
Dans un premier temps, nous avons réussi à générer des plasmas denses résultant de l'interaction directe de l'impulsion principale avec des cibles minces (100 nm). Leur caractérisation a été réalisée au moyen d'une source XUV obtenue par génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un jet de gaz rare.
Dans un second temps, nous avons étudié expérimentalement le phénomène de génération d'harmoniques d'ordre élevé sur cible solide, encore mal compris, mais qui potentiellement fournira une nouvelle source XUV ultra-courte et intense.

La complexité des mécanismes physiques mis en jeu lors de l'interaction laser-plasma à ultra-haute intensité nécessite de recourir à des simulations PIC particulièrement lourdes. Au cœur de ces codes de calcul, les solveurs de Maxwell pseudo-spectraux d'ordre élevé présentent de nombreux avantages en termes de précision numérique. Néanmoins, ces solveurs ont un coût élevé en termes de ressources nécessaires. En effet, les techniques de parallélisation existantes pour ces solveurs sont peu performantes au-delà de quelques milliers de coeurs, ou induisent un important usage mémoire, ce qui limite leur scalabilité à large échelle. Dans cette thèse, nous avons développé une toute nouvelle approche de parallélisation qui combine les avantages des méthodes existantes. Cette méthode a été testée à très large échelle et montre un scaling significativement meilleur que les précédentes techniques, tout en garantissant un usage mémoire réduit.En capitalisant sur ce travail numérique, nous avons réalisé une étude numérique/théorique approfondie dans le cadre de la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur cible solide. Lorsqu'une impulsion laser ultra-intense (I>10¹⁶W.cm⁻² ) et ultra-courte (de quelques dizaines de femtosecondes) est focalisée sur une cible solide, elle génère un plasma sur-dense, appelé miroir plasma, qui réfléchit non-linéairement le laser incident. La réflexion de l'impulsion laser est accompagnée par l'émission cohérente d'harmoniques d'ordres élevées, sous forme d'impulsions X-UV attosecondes (1 attosecond = 10⁻¹⁸s). Pour des intensités laser relativistes (I>10¹⁹ W.cm⁻²), la surface du plasma est incurvée sous l'effet de la pression de radiation du laser. De ce fait, les harmoniques rayonnées par la surface du plasma sont focalisées. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de produire des impulsions attosecondes isolées en régime relativiste sur miroir plasma, grâce au mécanisme de phare attoseconde. Celui-ci consiste à introduire une rotation des fronts d'onde du laser incident de façon à séparer angulairement les différentes impulsions attosecondes produites à chaque cycle optique. En régime relativiste, la courbure du miroir plasma augmente considérablement la divergence du faisceau harmonique, ce qui rend le mécanisme phare attoseconde inefficace. Pour y remédier, j'ai développé deux techniques de réduction de divergence harmonique afin de mitiger l'effet de focalisation induit par la courbure du miroir plasma et permettre de générer des impulsions attosecondes isolées à partir d’harmoniques Doppler. Ces deux techniques sont basées sur la mise en forme en amplitude et en phase du faisceau laser. Par ailleurs, j'ai développé un modèle théorique pour déterminer les régimes optimaux d'interaction afin de maximiser la séparation angulaire des impulsions attosecondes. Ce modèle a été validé par des simulations numériques PIC en géométries 2D et 3D et sur une large gamme de paramètres laser et plasma. Finalement, on montre qu'en ajustant des paramètres laser et plasma réalistes, il est possible de séparer efficacement les impulsions attosecondes en régime relativiste
The complexity of the physical mechanisms involved in ultra-high intensity laser-plasma interaction requires the use of particularly heavy PIC simulations. At the heart of these computational codes, high-order pseudo-spectral Maxwell solvers have many advantages in terms of numerical accuracy. This numerical approach comes however with an expensive computational cost. Indeed, existing parallelization methods for pseudo-spectral solvers are only scalable to few tens of thousands of cores, or induce an important memory footprint, which also hinders the scaling of the method at large scales. In this thesis, we developed a novel, arbitrarily scalable, parallelization strategy for pseudo-spectral Maxwell's equations solvers which combines the advantages of existing parallelization techniques. This method proved to be more scalable than previously proposed approaches, while ensuring a significant drop in the total memory use.By capitalizing on this computational work, we conducted an extensive numerical and theoretical study in the field of high order harmonics generation on solid targets. In this context, when an ultra-intense (I>10¹⁶W.cm⁻²) ultra-short (few tens of femtoseconds) laser pulse irradiates a solid target, a reflective overdense plasma mirror is formed at the target-vacuum interface. The subsequent laser pulse non linear reflection is accompanied with the emission of coherent high order laser harmonics, in the form of attosecond X-UV light pulses (1 attosecond = 10⁻¹⁸s). For relativistic laser intensities (I>10¹⁹ W.cm⁻²), the plasma surface is curved under the laser radiation pressure. And the plasma mirror acts as a focusing optics for the radiated harmonic beam. In this thesis, we investigated feasible ways for producing isolated attosecond light pulses from relativistic plasma-mirror harmonics, with the so called attosecond lighthouse effect. This effect relies introducing a wavefront rotation on the driving laser pulse in order to send attosecond pulses emitted during different laser optical cycles along different directions. In the case of high order harmonics generated in the relativistic regime, the plasma mirror curvature significantly increases the attosecond pulses divergence and prevents their separation with the attosecond lighthouse scheme. For this matter, we developed two harmonic divergence reduction techniques, based on tailoring the laser pulse phase or amplitude profiles in order to significantly inhibit the plasma mirror focusing effect and allow for a clear separation of attosecond light pulses by reducing the harmonic beam divergence. Furthermore, we developed an analytical model to predict optimal interaction conditions favoring attosecond pulses separation. This model was fully validated with 2D and 3D PIC simulations over a broad range of laser and plasma parameters. In the end, we show that under realistic laser and plasma conditions, it is possible to produce isolated attosecond pulses from Doppler harmonics

Dans le cadre de ses recherches menées sur la fusion par confinement inertiel, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives met en œuvre un spectromètre X large bande étalonné en absolu et résolu en temps, appelé Diagnostic de Mesure du rayonnement X. Ce diagnostic, composé de 20 voies de mesure, permet de mesurer l’émissivité spectrale d’un plasma créé par laser entre 50 eV et 20 keV. Nous avons développé des voies de mesure complémentaires aux voies existantes, afin d’obtenir une redondance et une amélioration de la précision de la mesure. Le principe de ces nouvelles voies de mesure repose sur un concept original permettant d’obtenir des fonctions de transfert spectrales bornées et constantes. Deux voies ont été développées pour les gammes spectrales 2 – 4 keV et 4 – 6 keV, utilisant des miroirs multicouches apériodiques réalisés au Laboratoire Charles Fabry en Cr/Sc et Ni/W/SiC/W, respectivement. Ces miroirs ont ensuite été caractérisés sur synchrotrons puis intégrés dans le spectromètre. Les nouvelles voies ont été utilisées durant des campagnes d’expériences laser-Plasma sur l’installation laser OMEGA à Rochester (États-Unis). Elles ont permis de déterminer la puissance rayonnée directement avec une seule voie de mesure par bande spectrale et avec une meilleure précision qu’avec celles utilisées habituellement. Les résultats, en bon accord avec les voies de mesure classiques, permettent de valider l’utilisation des miroirs multicouches apériodiques pour la spectrométrie X large bande
Within the framework of the research on inertial confinement fusion, the “Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives” has studied and implemented an absolute calibrated time-Resolved broadband soft x-Ray spectrometer, called “Diagnostic de Mesure du rayonnement X”. This diagnostic, composed of 20 measurement channels, measures the emitted radiant power from a laser created plasma in the range from 50 eV to 20 keV. We have developed additional measurement channels to obtain redundancy and an improvement in measurement accuracy. The principle of these new channels is based on an original concept to obtain spectral bounded flat-Responses. Two channels have been developed for the 2 – 4 keV and 4 – 6 keV spectral ranges, using aperiodic multilayer mirrors made at the “Laboratoire Charles Fabry” with Cr/Sc and Ni/W/SiC/W layers respectively. These mirrors were characterized at synchrotron radiation facilities and integrated into the spectrometer. The two new channels were used during laser-Plasma experimental campaigns at the OMEGA laser facility in Rochester (USA). This allowed us to determine directly the radiant power with only one measurement within a certain spectral band, and with a better precision when compared with using standard channels. The results, in good agreement with the standard measurement channels, allowed us to validate the use of aperiodic multilayer mirrors for X-Ray broadband spectrometry

La fluorescence d'une molécule est sensible à son environnement électromagnétique. La présence d'une structure métallique modifie l'excitation et l'émission des fluorophores, par le jeu d'interférences et de couplages avec les plasmons de surface. Nous avons élaboré et caractérisé des films métalliques de différentes morphologies (films de nanoparticules, percolés, continus, plans, rugueux. . .). Leur influence sur la réponse optique
des fluorophores a été étudiée par la modélisation puis l'expérience, en fonction de la distance fluorophore-métal et de l'orientation moléculaire. Une amplification d'un à deux ordres de grandeur du signal détecté est observée, ainsi qu'une photostabilisation des fluorophores et une modification des transferts d'énergie intermoléculaires. Nous
démontrons l'intérêt de cette technologie pour améliorer la sensibilité dans les puces à ADN et pour l'imagerie des cellules et des tissus.

L'objet de ce travail de thèse a été de mettre au point un capteur biologique base sur l'utilisation de phénomènes optiques. Un capteur biologique se compose d'une couche réceptrice d'un transducteur et d'un système de lecture. Nous avons impose un cahier des charges relatif a ce capteur en termes de sensibilité par le biais du transducteur, de détection en parallèle de plusieurs interactions biologiques, et enfin, en termes d'optimisation de la couche réceptrice. L'étude de la sensibilité a consiste a comparer théoriquement et expérimentalement deux transducteurs optiques : la résonance des plasmons de surface (RPS) et le miroir résonant. Ce dernier possède une meilleure sensibilité que l'autre en théorie, mais la comparaison expérimentale nous a fait préférer la RPS. Puis, il a fallu adapter le détecteur à la détection en parallèle. Nous avons fait l'image de la couche réceptrice sur une camera CCD, nous permettant ainsi de suivre l'évolution de la totalité de la surface du capteur. Une première série d'expériences a été réalisée pour la reconnaissance entre des antigènes et des anticorps, ces derniers étant adsorbés passivement sur le capteur. Les résultats obtenus nous amenèrent à développer des procèdes biochimiques pour immobiliser les molécules sur la couche réceptrice. C'est ainsi que nous avons essaye différentes voies d'immobilisation pour les fragments d'ADN, pour ne retenir que le polypyrrole, optimisant la densité de surface des sondes d'ADN sur le capteur. De plus l'utilisation de ce polymère conducteur était tout a fait compatible avec l'adressage de plusieurs séquences d'ADN différentes sur le capteur. Le capteur biologique pouvait alors suivre toutes les interactions relatives aux séquences immobilisées. Nous avons alors applique le capteur a un problème clinique : la détection de mutations ponctuelles au sein d'un gène. Nous avons des lors montre que notre capteur était à même de discriminer la présence d'une base mutée sur toute une séquence.

Les plasmons Tamm, ou modes Tamm optiques, sont des modes électromagnétiques présents à l'interface entre un miroir de Bragg (DBR) et une couche métallique. Ces modes présentent un fort intérêt pour la réalisation de nouvelles sources de lumière, notamment grâce à la partie métallique, qui peut d'une part fournir un contrôle et un confinement micrométrique à trois dimensions du mode optique, et d'autre part assurer l'injection d'un courant électrique dans la structure pour y exciter un milieu émetteur. De nombreuses sources de lumière pourraient être réalisées grâce à cette double fonction du métal, comme des sources polarisées intégrées, des générateurs de plasmons de surface ou encore des tableaux de laser adressables à grande échelle. Mon travail de doctorat a consisté à pousser les sources de lumière Tamm vers l'applicatif, en développant leur fonctionnement à température ambiante et en excitation électrique, par opposition aux démonstrations à température cryogénique et en pompage optique effectuées jusqu'alors. Ce développement a été effectué sur des structures semi-conductrices basées sur des alliages ternaires d'AlGaAs, mais est hautement transposable à d'autres familles de matériaux. La première partie de ce travail s'est concentrée sur l'obtention d'un effet laser à température ambiante. Grâce à une amélioration de la structure, consistant à insérer une couche de bas indice entre le DBR semi-conducteur et le métal, les pertes ohmiques dans ce dernier ont été réduites, ce qui a permis d'atteindre le régime laser à température ambiante. Le second volet de cette thèse concerne l'injection électrique des sources de lumière à mode Tamm. Partant d'un DBR dopé, deux procédés de micro-structuration en salle blanche ont été élaborés pour permettre cette injection. Le premier, inspiré de techniques usuelles de micro-fabrication, n'a pas fait ses preuves, en raison de la dégradation de la surface du DBR par certaines étapes classiques de structuration, et de la forte sensibilité du plasmon Tamm à la composition de surface du DBR. Nous avons donc développé une méthode de structuration alternative. Son originalité repose dans la protection permanente de la surface du DBR destinée au contact avec le métal. Cette nouvelle méthode a permis la fabrication des premières diodes électroluminescentes basées sur l'émission dans un mode Tamm. Leur caractérisation a montré la réussite de l'excitation du plasmon Tamm par l'injection électrique des émetteurs à puits quantiques, et prouve la possibilité d'utiliser un unique élément métallique pour confiner le mode optique et injecter les porteurs de charge. Ces résultats constituent une étape importante vers le développement d'une variété de sources de lumière intégrées utilisant les modes Tamm
Tamm plasmons, or optical Tamm states, are electromagnetic modes that exist at the interface between a Distributed Bragg Reflector (DBR) and a metallic layer. They are of high interest for the design of new light sources, thanks to the metallic part, which can provide 3D confinement and control of the optical mode but also electrical injection of the structure, in order to excite light emitters. Many light emitting devices could be realised using this dual function, such as integrated polarised light sources, surface plasmon generators or large-scale addressable laser arrays. This PhD work mainly consisted in pushing Tamm light emitting devices towards applicability, with the development of their room-temperature operation and electrical pumping, as opposed to previous demonstrations which were carried out under cryogenic temperature and optical pumping. Semiconducting heterostructures based on ternary alloys of AlGaAs were used for this development, but our results are highly transposable to other families of materials. The first part of this work focused on obtaining a laser effect at room temperature. By improving the structure with the insertion of a low-index layer between the semiconductor DBR and the metal, the ohmic losses in the metal were reduced, thus enabling lasing operation at room temperature. The second part of this work was about achieving the electrical injection of Tamm-based light sources. Starting from a doped DBR with quantum wells, we developed two processes, mostly based on cleanroom microfabrication techniques, to enable electrical injection. The first one, inspired by common microfabrication techniques, has not proved to be successful, due to the degradation of the DBR surface by some standard fabrication steps, and to the strong sensitivity of the Tamm plasmon to the surface composition of the DBR. Therefore, we developed a second method. Its originality lies in a permanent protection of the part of the DBR on which the metallic element will be deposited to form the Tamm mode and inject electrical current. This new method allowed the fabrication of the first light-emitting diodes based on Tamm mode emission. With electro-optical measurements, we demonstrated the excitation of the Tamm plasmon state through electrical pumping of the quantum wells, and proved the possibility to use a single metallic element to confine the optical mode and bring charge carriers into the structure. These results are an important step towards the development of new integrated light emitting devices using Tamm modes

Metal surface cleaning is highly required in different fields of modern industry. Nuclear industry seeks for new methods for oxidized surface decontamination, and thermonuclear installations require the cleaning of plasma facing components from tritium-containing deposited layer. The laser ablation is proposed as an effective and safe method for metal surface cleaning and decontamination. The important factor influencing the laser heating and ablation is the in-depth distribution of laser radiation. The model of light propagation in a scattering layer on a metal substrate is developed and applied to analyse the features of light distribution. To simulate the contaminated surfaces, the stainless steel AISI 304L was oxidized by laser and in a furnace. Radioactive contamination of the oxide layer was simulated by introducing europium and/or sodium. The decontamination factor of more than 300 was demonstrated with found optimal cleaning regime. The decreasing of the corrosion resistance was found after laser cleaning. The ablation thresholds of ITER-like surfaces were measured. The cleaning productivity of 0.07 m2/hour∙W was found. For mirror surfaces, the damage thresholds were determined to avoid damage during laser cleaning. The possibility to restore reflectivity after thin carbon layer deposition was demonstrated. The perspectives of further development of laser cleaning are discussed.

L’imagerie multispectrale permet d’améliorer la détection et la reconnaissance de cibles dans les applications de surveillance. Elle consiste à analyser des images de la même scène acquises simultanément dans plusieurs bandes spectrales grâce à un filtrage. Cette thèse étudie la possibilité de réaliser une matrice de 4 filtres Fabry Pérot (FP) intégrés 3D et ajustables par actionnement électrostatique dans le domaine visible-proche infrarouge. Les miroirs fixes des filtres FP sont des multicouches ZnS/YF₃ déposés sur un wafer de borosilicate, et les miroirs mobiles sont des membranes multicouches PECVD SiNH/SiOH encastrées sur une structure mobile très compacte micro-usinée dans un wafer en silicium. Les performances optiques des filtres FP ont été optimisées en prenant en compte la dissymétrie et le déphasage à la réflexion des miroirs. La structure mobile a été modélisée par éléments finis pour minimiser ses déformations lors de l’actionnement. Les étapes critiques des procédés de fabrication des miroirs mobiles en technologie Si ou SOI ont été mises au point : i) la fabrication et la libération par gravures profondes DRIE et XeF₂ des membranes multicouches avec une contrainte résiduelle ajustée par recuit et une réflectance voisine de 50% dans une large gamme spectrale, ii) le contrôle des vitesse de la gravure DRIE avec des motifs temporaires permettant la gravure simultanée de motifs de largeur et de profondeur variables, et iii) la délimitation de motifs sur surfaces fortement structurées à l’aide de pochoirs alignés mécaniquement ou de films secs photosensibles. Ces travaux ouvrent la voie vers une réalisation complète d’une matrice de filtres FP intégrés 3D
Multispectral imaging is used to improve target detection and identification in monitoring applications. It consists in analyzing images of the same scene simultaneously recorded in several spectral bands owing to a filtering. This thesis investigates the possibility to realize, an array of four 3D integrated Fabry-Perot (FP) filters that are tunable in the visible-near infrared range by electrostatic actuation. The fixed mirrors of the FP filters are ZnS/YF₃ multilayers deposited on a borosilicate wafer, and the movable mirrors are PECVD SiNH/SiOH multilayer membranes clamped in a very compact movable structure micromachined in a Si wafer. A 3rd glass wafer is used for filters packaging. Optical performances of the FP filters have been optimized by taking into account the asymmetry and the reflection phase shift of the mirrors and the mobile structure has been modeled by finite elements analysis notably to minimize its deformation during actuation. The critical steps of the movable mirrors fabrication process in Si or SOI technology have been developed : i) the fabrication and the release by DRIE and XeF₂ etching of 8 or 12 layers membranes with a residual stress tunable by annealing and a reflectance close to 50% in broad wavelength range (570-900nm), ii) the control with temporary patterns of the simultaneous deep etching of patterns with different widths and depths, and iv) various patterning techniques on highly structured surfaces based on shadow masks (with mechanical alignment) or laminated photosensitive dry films. These results open the way towards the full realization of an array of 3D integrated FP filters