Laser driven particle acceleration

This dissertation summarizes the last ten years of research at Laboratoire d'Optique Appliquée on laser-plasma based electron acceleration. The main result consists of the development and study of a relativistic electron source with unique properties: high energy (100-300 MeV) in short distances (few millimeters), mono-energetic, ultra-short (few fs), stable and tunable. The manuscript describes the steps that led to understanding the physics, and then mastering it in order to produce this new electron source. Non linear propagation of the laser pulse in the plasma is first presented, with phenomena such as non linear wakefield excitation, relativistic and ponderomotive self-focusing in the short pulse regime, self-compression. Acceleration and injection of electrons are then reviewed from a theoretical perspective. Experimental demonstrations of self-injection in the bubble regime and then colliding pulse injection are then presented. These experiments were among the first to produce monoenergetic, high quality, stable and tunable electron beams from a laser-plasma accelerator. The last two chapters are dedicated to the characterization of the electron beam using transition radiation and to its applications to gamma radiography and radiotherapy. Finally, the perspectives of this research are presented in the conclusion. Scaling laws are used to determine the parameters that the electron beams will reach using petawatt laser systems currently under construction.Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction