Optimization and applications of a hard ultra-fast and high brightness laser-plasma X-ray source

L’objectif de cette thèse expérimentale est de développer une source plasma laser de type Kα à fort taux de répétition et d’étudier les différents mécanismes conduisant à un tel rayonnement afin d’en augmenter la brillance pour utiliser cette source dans des applications telle que l’imagerie X par contraste de phase. La première étude porte sur l’évolution de l’émission X Kα en fonction de l’intensité laser sur cible et du contraste temporel. L’exploration d’une large gamme d’intensité laser et de contraste temporel permet de discuter en détails des différents mécanismes d’absorption de l’énergie laser. Nous étudions et expliquons l’influence du contraste temporel sur le rendement de production Kα. La deuxième étude complémentaire porte sur l’étude de la taille de la source X et de son évolution en fonction des mêmes paramètres laser. Deux autres études sont menées. L’une met en œuvre des cibles de molybdène d’épaisseur comprise entre 6 mm et 4 µm. L’autre s’intéresse à quantifier l’élargissement de la taille de la source X avec la taille du faisceau laser sur la cible. En optimisant cette source, nous montrons que nous pouvons atteindre des brillances pics comparables à celles provenant des synchrotrons de 3e génération. Nous utilisons ensuite cette source pour faire une étude paramétrique d’imagerie X par contraste de phase avec des échantillons tests et un objet biologique. En quantifiant les images expérimentales, nous présentons des images dites par contraste de phase sur une large gamme d’intensité laser sur la cible, et nous présentons les premières images de phase obtenues pour une source X Kα.The goal of this experimental thesis is to develop a Kα- laser plasma source with a high repetition rate and to study the different mechanisms leading to such radiation in order to increase its brightness to use this source to make applications such as X-ray phase contrast imaging. The first study concerns the evolution of the X-ray Kα emission as a function of laser intensity on target and temporal contrast. The exploration of a wide range of laser intensity and temporal contrast allows to discuss in detail the different laser energy absorption mechanisms. We study and explain the influence of the temporal contrast on the Kα efficiency production. The second complementary study concerns the study of the X-ray source size and its evolution according to the same laser parameters. Experimental work shows an enlargement of the size of the X-ray source when the laser intensity increases and when the temporal contrast deteriorates. To explain this observation, additional experimental campaigns are carried out. One uses molybdenum targets ranging in thickness from 6 mm to 4 µm. The other is interested in quantifying the enlargement of X-ray source size with the laser beam size on the target. By optimizing this source, we show that we can achieve a peak brightness comparable to those from 3rd generation of synchrotrons. We then use this source to make a parametric X-ray phase contrast imaging study with test samples and a biological object. By quantifying experimental images, we present the so-called phase contrast images over a wide range of laser intensity on target and we present the first phase images obtained for a Kα X-ray source