Sonder l'interaction laser-plasma et faisceau d’électrons-plasma à très haute précision

L’interaction des plasmas avec des lasers d'intensité ultra-élevée et des faisceaux de particules relativistes est importante pour de nombreux domaines de recherche, tels que la physique des hautes énergies, la physique médicale, la science des matériaux et l'astrophysique. Cette interaction est siège de processus à petite échelle et à évolution rapide, nécessitant des diagnostics appropriés et spécialisés. Ce manuscrit présente deux diagnostics nouveaux avec une précision et une sensibilité sans précédent. Ils servent des objectifs différents : l'un a été développé pour étudier l'interaction des impulsions laser avec des cibles solides, et l'autre pour sonder les interactions des faisceaux laser et d'électrons avec un plasma gazeux.L'interaction des lasers ultra-intenses avec des cibles solides est connue pour fournir l'un des mécanismes d'accélération des ions – target normal sheath acceleration (TNSA). Elle est capable d'accélérer des ions à plusieurs MeV par nucléon à partir de cibles solides minces. Elle est également considérée comme un modèle de systèmes astrophysiques en laboratoire en raison de la présence de champs magnétiques très forts. Cependant, le fait que les cibles dans ces systèmes soient opaques aux diagnostics optiques rend plus difficile l'obtention d'informations sur les phénomènes qui évoluent à l'intérieur d'elles. La méthode de diagnostic présentée dans ce manuscrit utilise des faisceaux de particules générés par laser de taille micrométrique capables de mesurer localement les champs magnétiques très élevés qui se forment lors de l'interaction laser-solide. Ils sont également adaptés pour distinguer entre différents phénomènes physiques se produisant à une échelle de temps de la femtoseconde lors de l'interaction laser-solide. Cette technique de sondage offre une résolution spatiale et une précision sans précédent. Elle peut en outre être appliquée pour étudier les interactions laser-solide dans divers autres contextes.La deuxième méthode présentée dans cette thèse est développée pour les accélérateurs de particules basés sur les plasmas qui utilisent des lasers ultra-intenses et des faisceaux d'électrons relativistes pour créer la structure accélératrice. Ces schémas d'accélération sont appelés laser wakefield acceleration (LWFA) et plasma wakefield acceleration (PWFA), et ils offrent des gradients d'accélération dépassant de plusieurs ordres de grandeur ceux des accélérateurs conventionnels. L'accélération dans de tels systèmes se produit dans le plasma à une échelle micrométrique et sur des distances millimétriques, et une meilleure caractérisation du processus permet une meilleure compréhension et un meilleur contrôle. La méthode de sondage développée dans le cadre de ce travail est une modification d'un diagnostic largement utilisé, qui augmente la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Cela a permis, pour la première fois, l'observation de l'interaction dans des gammes de densité de plasma particulièrement pertinentes pour les futurs accélérateurs plasma, ainsi que l'observation d'une caractéristique importante du processus d'accélération qui n'avait jusqu'à présent été que prédite. L’amélioration de la sensibilité réduit d'autres contraintes, ce qui rend cette méthode beaucoup plus abordable et donc plus accessible à d'autres laboratoires.