Numerical study of the laser-under dense plasma interaction : from the pulse propagation to the radiation emitted by the accelerated electrons

Lors de le la propagation d’une impulsion laser ultra- intense et ultra-brève dans un plasma sous dense une onde de plasma se forme dans son sillage, susceptible d’accélérer des électrons à des énergies élevées sur de très courtes distances. Dans un régime d’excitation extrêmement non-linéaire, connu sous le nom de régime de la bulle, on peut obtenir des faisceaux mono-énergétiques d’électrons relativistes. Si les faisceaux d’électrons issus de l’interaction sont aujourd’hui bien caractérisés, de nombreux paramètres de l’interaction restent inaccessibles, faute de diagnostics adaptés. Nous avons tenté de répondre à cette problématique au cours de cette thèse, en étudiant à l’aide de simulations numériques comment interpréter le rayonnement issu de l’interaction pour déterminer la dynamique du milieu.La première partie de l’étude est consacrée aux propriétés du rayonnement des électrons accélérés, qui s’étend jusque dans le domaine des X. L’étude des caractéristiques de l’émission doit pouvoir renseigner sur le mouvement des électrons du milieu et plus généralement sur l’interaction laser-plasma. Les études menées dans le cadre de cette thèse montrent qu’en effet l’observation du rayonnement permet de déterminer la direction des électrons du faisceau en fin d’accélération, et dans une certaine mesure, leur répartition à l’intérieur du faisceau.La deuxième partie concerne la propagation en milieu sous dense. Le plasma perturbe l’impulsion au cours de sa propagation, modifiant ses caractéristiques spatiales et spectrales. Nous avons étudié ces effets lorsque le milieu est constitué d’un gaz d’azote puis d’argon. Nos résultats mettent en évidence les contributions respectives de l’auto-modulation de l’impulsion ainsi que celle du gradient de densité électronique créé par l’ionisation des gaz dans leurs différents états de charge. L’étude a été poursuivie dans des conditions d’accélération exploitant un gaz plus léger et à plus haute intensité, dans le régime de la bulle. Nous avons identifié l’origine des variations des conditions d’interaction observées dans la première partie.An intense and short laser pulse propagating through an under dense plasma creates a plasma wave in its wake. The huge electric fields generated by this wave are responsible for the acceleration of trapped electrons to high energies in a very short distance. A nonlinear acceleration regime, known as the bubble regime, is particularly exciting as it generates mono-energetic electron beams. Outstanding results have been obtained recently in this thematic. However, while the electron beam itself has been widely characterized, there is still a lack of information concerning the detail of the interaction process itself. During my thesis work, I contribute to bring responses to this problematic, by studying the information carried out by the light emitted during interaction using intensive numerical simulations.The first part of my thesis is the dedicated to the links existing between the properties of accelerated electrons and the radiation they emit. From its properties, we can deduce the direction of the electron beam at the end of the acceleration, as well as in some particular conditions inside the beam. It is also possible to observe variations of the interaction through radiations.The second part is dedicated to the pulse propagation study. The pulse shape and spectrum of the laser pulse can be modified during the interaction of the laser within the medium. We have studied the propagation of the pulse in Nitrogen and Argon for slightly relativistic intensity. We showed that in given conditions, the pulse spectrum can be shifted due to self-modulation, the generation of an electronic density gradient due to the gas ionization. We also studied the pulse propagation at higher intensity, in the bubble regime. We identified the origin of interaction variations, observed in the first part of the thesis through the emitted radiation study