Probing femtosecond and attosecond electronic and chiral dynamics : high-order harmonic generation, XUV free induction decay, photoelectron spectroscopy and Coulomb explosion

Ce manuscrit de these s'articule autour de l'etude de l'interaction entre des impulsions lumineuses ultra breves et des atomes ainsi que des molecules polyatomiques et chirales en phase gazeuse. En utilisant des techniques developpees en physique attoseconde ainsi qu'en femtochimie, notre objectif general est de parvenir a une meilleure comprehension des dynamiques ultrarapides photoinduites dans la matiere. Pour ce faire, nous avons developpe des sources de lumiere a ultra breves dans le proche infrarouge et l’infrarouge moyen, qui ont ete utilisees pour construire une source de rayons X dans la fenetre de l’eau, basee surla generation d'harmoniques d’ordre eleve (GHOE), ainsi que pour l’etude de nouveaux canaux de GHOE impliquant des etats hautement excites (Rydberg). Cette derniere etude a demontre une emission harmonique via l'ionisation depuis des etats de Rydberg et la recombinaison radiative sur l'etat fondamental, attirant ainsi notre interet pour le role des etats de Rydberg en physique des champs forts. Cela nous a conduit a etudier la decroissance libre de l’induction XUV de paquets d'ondes electroniques comme une nouvelle technique de spectroscopie 2D. De plus, nous avons decouvert que l'interaction entre un laser intense et un atome prepare dans une superposition coherente d'etats electroniques peut conduire a la generation de lignes hyper-Raman concomitantes avec la GHOE standard. Ce mecanisme avait ete predit lors des premiers calculs theoriques de GHOE, mais n'avait jamais ete demontre experimentalement. Par la suite, nous nous sommes interesse a l’etude de systemes moleculaires, dans lesquelles une excitation electronique induite par la lumiere peut declencher des dynamiques nucleaires. Nous avons etudie la photo isomerisation non-adiabatique de l’acetylene cationique en vinylidene cationique ainsi que le controle coherent de la localisation electronique lors de la photodissociation de H2+. La simplicite de ces systemes moleculaires a permis la comparaison des resultats experimentaux avec des calculs theoriques de pointe,revelant l'importance du couplage entre les degres de liberte nucleaires et electroniques lors de dynamiques moleculaires photoinduites.Un autre pilier majeur de cette these est l'etude de l'ionisation de molecules chirales avec des impulsions chirales. On sait depuis les annees 70 que l'ionisation d'un ensemble de molecules chirales aleatoirement orientees, en utilisant une impulsion polarisee circulairement, conduit a une forte asymetrie avant-arriere dans le nombre de photoelectrons emis, selon l'axe de propagation de la lumiere (DichroismeCirculaire de Photoelectron, DCPE). Avant cette these, le DCPE a ete largement etudie a l’aide du rayonnement synchrotron (ionisation a un photon) et a recemment ete demontre avec des lasers femtoseconde, via des schemas d'ionisation multiphotonique. Dans cette these, nous avons montre que le DCPE est un effet universel, c'est-a-dire qu'il emerge dans tous les regimes d'ionisation: l'ionisation aun photon, l'ionisation a multiphonique, l'ionisation au-dessus du seuil ainsi que l’ionisation par effet tunnel. Ensuite, nous avons demontre que la combinaison d’approches standard de femtochimie et du DCPE peuvent etre utilisees pour suivre des dynamique de molecules chirales photoexcitees. En utilisant des approches experimentales similaires, avec des sequences d'impulsions ayant des etats de polarisation contre-intuitifs, nous avons demontre un nouvel effet chiroptique, appele Dichroisme Circulaire de Photoexcitation (DCPX), qui est decrit par un courant electronique directionnel et chirosensible, lorsque plusieurs niveaux sont peuples de maniere coherente avec de la lumiere chirale. Enfin, nous avons introduit une perspective temporelle a la photoionisation chirale en mesurant l'asymetrie avant arrieredes retards de photoionisation dans les molecules chirales photoionisees par des impulsions lumineuses chirales.