Improvement of laser-wakefield accelerators: towards a compact free electron laser

Lorsque l'on focalise une impulsion laser courte et intense dans un gazsous-dense, celle-ci peut accelerer une fraction des electrons du gaz,et ainsi generer un faisceau d'electrons ayant une energie de quelquescentaines de MeV. Ce phenomene, connu sous le nom d'accelerationlaser-plasma, pourrait avoir de nombreuses applications,notamment pour la realisation de sources de rayons Xultra-intenses appelees lasers a electrons libres (LEL). Cependant,ces applications necessitent que le faisceau d'electrons ait uneexcellente qualite (faible divergence, faible emittance et faible dispersion en energie). Au cours de cette these, differentes solutions ont ete developpeesafin d'ameliorer la qualite des faisceaux d'electrons issus del'acceleration laser-plasma. Ce travail est effectue a travers desmodeles analytiques ainsi que dessimulations Particle-In-Cell (PIC). Nous commencons cependant par montrer que les simulations PIC onttendance a surestimer l'emittance du faisceau, en raison de l'effetCherenkov numerique. Afin d'estimer correctement l'emittance ici, nousproposons un algorithme PIC modifie qui n'est pas sujet a l'effetCherenkov numerique. A l'aide de cet algorithme, un nouveau mecanisme permettant de genererle faisceau est observe puis etudie : il s'agit de l'injection optique transverse. Les faisceaux produits par ce mecanisme sontcaracterises par une forte charge, une faible divergence et une faibleemittance. Par ailleurs, nous proposons un dispositif - la lentille laser-plasma - qui permet defortement reduire la divergence finale des faisceaux. Cesresultats sont places dans leur contexte, a travers une discussion desproprietes necessaires pour un laser a electrons libres compact. Nousmontrons en particulier que les accelerateurs laser-plasma pourraientetre avantageusement combines avec des onduleurs laser-plasmainnovants, afin de produire des sources de rayons X intenses.