Augmentation de l'énergie des faisceaux de protons accélérés
\npar laser ultra-intense et étude des caractéristiques des
\nfaisceaux accélérés par laser ultra-court.

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de \nce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce \nrésumé peut être lue en PDF. Les récentes et rapides avancées technologiques de la technologie laser ont permis de réaliser \ndes progrès importants notamment pour ce qui est des lasers de puissance et ont ouvert la voie au \nrégime d’interaction laser-matière relativiste. L’accès aux intensités lumineuses supérieures à \n1.1018 W.cm-2 a ainsi donné la possibilité à la communauté scientifique d’explorer une nouvelle \nphysique riche d’applications. Bien qu’historiquement le principal moteur de ces recherches ait été \nla fusion par confinement inertiel, l’astrophysique de laboratoire, la génération de rayonnement \n(harmoniques, bétatron, X) ou la génération de particules énergétiques (électrons, ions) motivent \nde plus en plus ce domaine d’étude. En effet, les très bonnes qualités des sources lumineuses et des \nsources d’ions créées par laser laissent fortement envisager qu’elles pourraient un jour remplacer \nles sources conventionnelles comme les synchrotrons ou les accélérateurs qui sont des machines \ntrès coûteuses. \nDans le cadre de cette thèse, une attention toute particulière a été portée à l’accélération \nd’ions, une application qui a déjà montré son fort potentiel, notamment du fait de la qualité des \nfaisceaux accélérés. Malheureusement, ces applications sont encore limitées (radiographie, \nchauffage isochorique) à cause de paramètres limitants comme la divergence du faisceau, le \nspectre large ou l’énergie maximale atteinte par ces faisceaux. Au cours de ce travail de thèse, \nl’accent a plus particulièrement été mis sur l’augmentation de l’énergie maximale des faisceaux de \nprotons dans le cadre des régimes à ultrahaute intensité (supérieure à 1.1019 W.cm-2). Cette \nrecherche s’est orientée suivant deux axes principaux qui ont donné lieu à de nombreux échanges \net au renforcement de la collaboration entre les laboratoires du LULI à l’Ecole Polytechnique \n(France) et l’INRS-EMT (Canada). \nDans le cadre des recherches menées au sein du LULI, des techniques innovantes ont pu être \nexplorées afin d’affiner la compréhension des mécanismes et d’améliorer les qualités de \nl’accélération d’ions en exploitant des impulsions “longues” (entre 300 fs et 1,5 ps). Nous avons \nmontré que l’utilisation de cibles ayant des dimensions transverses réduites permettait le \nconfinement géométrique des électrons dans la zone d’impact du laser et augmentait ainsi \nsignificativement le taux de conversion de l’énergie laser vers les protons ainsi que l’énergie \nmaximale atteinte par le faisceau d’ions. L’utilisation originale d’une optique plasma refocalisante, \nau cours d’une seconde expérience, a par ailleurs démontré son aptitude à réduire fortement la \nsurface de focalisation du laser, conduisant ainsi à augmenter l’intensité laser et donc l’énergie de \ncoupure des faisceaux accélérés. Une troisième expérience, réalisée avec deux impulsions laser, a \nmis en évidence qu’une interaction entre les électrons accélérés par chaque impulsion était \npossible et qu’elle modifie l’énergie et la typologie des faisceaux de protons. \nLes expériences réalisées au sein de l’INRS-EMT visaient quant à elle à améliorer la \ncompréhension des régimes d’accélération femtoseconde où peu d’études à ultrahaute intensité \nexistaient au début de cette thèse, ainsi qu’à valider ou non la pertinence de l’utilisation de ces \nrégimes. Les nombreuses expériences menées ont clairement établi l’importance du contraste laser \net la nécessité que ce dernier soit important pour que l’accélération de protons soit efficace dans \nces régimes ultracourts. L’analyse systématique des faisceaux accélérés en face avant et en face \narrière d’une cible mince manifeste une certaine symétrie et prouve que, à énergie laser constante, \nl’accélération n’est pas la plus efficace pour la plus courte durée d’impulsion. The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due \nto technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. Technological improvements since the 1980s have allowed for important developments in the \nfield of high power lasers, thus paving the way for relativistic laser-matter interactions. With laser \nintensities higher than 1.1018 W.cm-2, the scientific community could explore a new physics, full of \npromising applications. Historically, laser–plasma interaction research initially aimed at exploring \nfusion by inertial confinement, but, with the breakthrough of ultra-high power lasers, the scope of \nresearch could now be broadened to laboratory astrophysics, radiation generation (harmonics, betatron, \nX) and the production of high energy particles (electrons, ions). Regarding the latter, radiation and ion \nsources are of such excellent quality that they might in the future replace current conventional sources \nlike synchrotrons or accelerators, which require very expensive facilities. \nThis thesis focuses particularly on laser-driven ion acceleration, whose accelerated beams have \nalready demonstrated strong potential, e.g. in ultrafast imaging or warm dense matter generation. \nWithin this domain, the present work focused on strategies developed to increase the ion beam energy \nin the ultrahigh intensity regime (higher than 1.1019 W.cm-2), exploiting as well moderate (400 fs) and \nshort (25 fs) pulses facilities available as a result of the collaboration between the LULI laboratory in \nFrance and the INRS-EMT in Quebec. \nInnovative acceleration techniques have been explored at the LULI laboratory using moderately \nshort laser pulses (400 fs to a few ps). This has been done first by improving our understanding of \nacceleration physics. Then, confinement of the laser-driven fast electrons that are at the source of the \nion acceleration could be obtained by using reduced size targets. With such targets, electron \nconfinement in the acceleration area could be achieved, inducing improvement of the laser to ions \nconversion efficiency, the ion beam cut off energy, and the ion beam quality. Another strategy that was \nexploited was to use refocalizing plasma optics to produce strongly reduced laser focal spot sizes. This \ninduces laser intensity increase and thus improvement of the ion beam cut off energy. Finally, we used \nthe combination of two laser pulses to have the electrons accelerated by each laser pulse interact \ntogether. When this was the case, we noted an increase of the ion beam cut off energy along with a \nmodification of the beam typology. \nComplementarily, the experiments carried out using the 200 TW laser system in Quebec \naimed at improving our understanding of femtosecond ion acceleration regimes, as only a few \nexperimental studies were yet available, and to confirm the relevance of these regimes for ion \nacceleration. The results obtained with this laser clearly show the important role of the laser pulse \ncontrast ratio, and the need for it to be extremely high to obtain efficient ion acceleration in this \nultrashort regime. The systematic recording of accelerated ion beams has showed that a quasi-symmetric \nacceleration from the target front and rear sides is possible. These results have also \nproved that the highest proton energy is not necessarily obtained with the shortest pulse duration \nwhen the laser energy is kept constant. Thus, we demonstrated that the shortest pulses available \ntoday (i.e. 25 fs) are not the most efficient to accelerate ion beams.

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