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Neurons are electrically excitable nerve cells, communicating with each other at specific points of contacts called synapses. In order to understand how the brain processes information from the outside world and from internal models (memories), it is important to understand how neurons are connected with each other, through which type of synapses, and how the electrical signals are processed at the single-cell level. The most prevalent form of communication in the Central nervous system is mediated by chemical synapses: an electrical impulse (the action potential, AP) is emitted by the presynaptic element, and this electrical event triggers the release of vesicle filled with neurotransmitters in the synaptic cleft. These molecules open post-synaptic receptors, leading to an electrical response in the post-synaptic cell. Some specific populations of neurons can also communicate through electrical synapses. By directly linking the cytoplasms of two connected cells, these synapses allow near-instantaneous and bidirectionnal communication. However, the biophysics underlying their behaviour, as well as their physiological roles, are far less understood than those of their chemical counterparts. During my PhD, I examined how electrical synapses between cerebellar basket cells influence the way these cells process their inputs, and how they support synaptic communication between connected cells. Notably, I showed how filtered APs transmitted through electrical synapses support two types of neuronal operations on their afferent inputs: coincidence detection and temporal contrast enhancement.; Les neurones sont des cellules nerveuses, électriquement excitables, communiquant par des points de contact spécifiques nommés synapses. Afin de comprendre comment le cerveau traite des informations issues du monde extérieur et des schémas internes mentaux (mémoire), il est important de comprendre comment les neurones sont connectés les uns aux autres, par quels types de synapses, et comment les signaux qu'ils partagent sont intégrés à l'échelle de la cellule unique. Les synapses les plus fréquemment formées sont dites "chimiques": un message électrique présynaptique (le potentiel d'action, PA) entraine la libération de vésicules chargées de neurotransmetteurs, qui ouvrent des récepteurs post-synaptiques spécifiques et permettent d'engendrer un second message électrique dans le neurone cible. D'autres synapses, dites électriques, sont aussi rencontrées dans le système nerveux. En connectant physiquement les cytoplasmes de deux neurones, celles-ci permettent une communication quasi-instantanée et bidirectionnelle. Leur mécanisme de fonctionnement, ainsi que leur rôle physiologiques, sont bien moins connus que ceux des synapses chimiques. Au cours de ma thèse, j'ai étudié comment les synapses électriques entre les cellules en panier du cervelet influencent leurs propriétés d'intégration, et comment elles permettent l'échange de courants électriques. J'ai notamment montré comment les PAs filtrés au travers des synapses électriques permettent de créer des mécanismes de contraste temporel et de détection de coïncidence de l'activité des cellules en grains - les cellules excitatrices afférentes aux cellules en panier.

The thesis fits within the framework ofsoft x-ray lasers (SXRL) development and has formain objective to study the influence of the temporal shaping of ultra-intense laser pulses, on the efficiency of SXRL generation. My thesiswork consisted in studying, designing and calibrating new pumping schemes through various devices based on the prepulse generation and/or an amount of ASE within the laser driver.In this manuscript, I study their influence on the SXRL generation efficiency by highlighting the optimization parameters such as the delay and the energy ratio between pulses, or the duration of each of them. The experimental study highlights first of all the influence of a prepulse on the SXRL generation efficiency. In the same framework, a device was experimented, allowing to generate within a single laser beam two mainpulses preceded by a prepulse, while maintaining a control over their spectro-temporalcharacteristics.An alternative approach was experimented in which an additional low cost « Q-Switch » lase rwas used to produce a under dense plasma presenting smooth electronic density gradients.This last device has showed excellent performances on a wide wavelength range andhas been used to perfom an experiment of highorder harmonic seeding generated from an Argongas cell on the secondary LASERIX beamline. A noteworthy improvement of the spatial characteristics and the temporal coherence of theSXRL have been observed., La présente thèse s’inscrit dans le cadre du développement des lasers X-UV générés en régime collisionnel transitoire et a pour objet principal d’étudier l’influence de la mise en forme temporelle des impulsions laser de haute puissance sur l’efficacité de génération de ces sources. Mon travail essentiellement expérimental a consisté à étudier de nouveaux schémas de pompage mettant en oeuvre différents dispositifs permettant de produire des préimpulsions et/ou un piédestal d’ASE au sein de la chaîne laser pilote. Dans ce manuscrit, je présente ces dispositifs et montre l’influence des différents paramètres laser sur l’efficacité de production du laser X-UV. L’étude expérimentale met tout d’abord en évidence une augmentation significative de l’énergie et de la durée de vie dela source laser X-UV en présence d’une préimpulsion.Dans ce contexte, un dispositif a été expérimenté permettant de générer au sein d’un unique faisceau laser, les deux principales impulsions précédées de la pré-impulsion, tout en gardant un contrôle sur leurs caractéristiques spectro-temporelles.Une approche alternative a été expérimentée dans laquelle un laser annexe « Q-switch » à bas coût est utilisé pour générer un plasma peu dense avecde faibles gradients de densité. Ce dernier dispositif a montré d’excellentes performances sur une large plage de longueur d’onde, et a été utilisé pour réaliser une expérience d’injection d’harmoniques d’ordre élevé, générées sur la voies econdaire à partir d’une cellule de gaz d’Argon.Une amélioration notable des caractéristiques spatiales et de la cohérence temporelle du laserX-UV a pu être observée.

Laser-plasma interaction at high intensities (I " 1015 W/cm2) with ultra-short pulses ( t " 100 fs) is a booming research domain as it offers the opportunity to study increasingly short phenomena, comprised under the trivial name " attosecond science ". Laser-plasma interaction also bears the promise to achieve new light sources for the generation of energetic particle beams and X-rays. Our approach focuses on the generation of attosecond pulses from plasma mirrors using few-cycle laser pulses ( 5 fs at 800 nm) at high repetition rate (1 kHz) and with fine control of laser parameters. The generation and spatio-temporal control of high-order harmonics emission in the non-relativistic regime has recently been demosntrated by our group. The following objective is to reach the relativistic regime thanks to higher intensities on target. This thesis pursued the goals of improving the existing laser chain performances in termes of energy and temporal contrast, while preserving, at least, all the other key parameters. Meeting these requirements was achieved while developing a laser architecture based on chirped-pulse amplification (CPA) delivering 5 mJ, 5 fs pulses at 1 kHz, with a temporal contrast C = 1011 and an absolute phase (CEP) stabilized down to 200 mrad rms. Contrast improvement by cross-polarized wave (XPW) generation is at the centre of this dissertation. An extensive study of the mechanism was carried out. It allowed to confront experimental results and theoretical developments in " extremes " regimes such as the generation at very high efficiency and few-cycle pulse filtering. Besides, a new energy-scalable scheme was proposed to filter efficiently (20%) a wide range of pulse energies (from 100 μJ to 10 mJ). Pulse compression by a factor larger than two was also demonstrated. The new laser chain includes such filter in a double-CPA configuration delivering pulses of 10 mJ, 20 fs, C = 1011 and CEP = 200 mrad rms. A detailed study was carried out to develop a new stretcher/compressor scheme achieving highly stretched pulses (50 ps) while remaining compact to preserve CEP stability. The chosen configuration consists of a bulk stretcher, an acousto-optic programmable dispersive filter and a grisms compressor. The manuscript finally presents the perspectives of post-compression in a rare-gas filled hollow-core fibre in order to achieve pulses of 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms at 1 kHz.; L'interaction laser-plasma à très haute intensité (I " 1015 W/cm2) avec des impulsions ultra-courtes ( t " 100 fs) est un domaine en plein essor car il offre l'opportunité d'étudier des phénomènes physiques toujours plus brefs, regroupés sous l'appellation " science attoseconde ". L'interaction laser-plasma promet aussi l'avènement de nouvelles sources pour la génération de faisceaux de particules et de rayonnement X très énergétiques. Notre démarche se concentre sur la génération d'impulsions attosecondes sur miroir plasma à partir d'impulsions de quelques cycles optiques ( 5 fs à 800 nm), à haut taux de répétition (1 kHz) et avec un contrôle fin des paramètres laser. La génération et le contrôle temporel et spatial de l'émission d'harmoniques d'ordres élevés dans le régime non-relativiste ont récemment été démontrés par le groupe. L'objectif suivant est d'atteindre le régime relativiste, qui nécessite une intensité sur cible plus élevée. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans la logique d'améliorer les performances de la chaine existante en termes d'énergie et de contraste temporel, tout en préservant les autres paramètres clés. Pour répondre à ces défis, l'objectif a été de mettre au point une architecture laser basée sur l'amplification à dérive de fréquence (CPA) délivrant des impulsions de 5 mJ, 5 fs à 1 kHz, avec un contraste temporel C = 1011 et une phase absolue (CEP) stabilisée à 200 mrad rms. La problématique de l'amélioration du contraste par la technique de génération de polarisation croisée (XPW) occupe une place centrale dans ce mémoire. Une étude extensive du mécanisme XPW a été menée. Elle a permis de confronter résultats expérimentaux et développements théoriques dans les régimes dits " extrêmes " tels que la génération à très haut rendement et le filtrage d'impulsions de quelques cycles optiques. En outre, un nouveau schéma de filtrage adaptable sur une large gamme d'énergie (de 100 μJ à 10 mJ) et efficace (20%) a été réalisé. La compression des impulsions d'un facteur supérieur à deux avec ce schéma a également été démontrée. La nouvelle chaine laser inclut un tel filtre dans une configuration en double CPA dont les performances finales visées sont les suivantes : 10 mJ, 20 fs, C = 1011 et CEP = 200 mrad rms. Le schéma d'étirement/compression a fait l'objet d'une étude détaillée pour permettre un étirement élevé (50 ps) tout en restant compact pour préserver la stabilité CEP. La configuration adoptée consiste en un étireur verre, un filtre acousto-optique dispersif programmable et un compresseur "grismes". Le mémoire présente enfin les perspectives de post-compression dans une fibre creuse remplie d'un gaz rare pour obtenir des impulsions de 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms à 1 kHz.

Laser-plasma interaction at high intensities (I " 1015 W/cm2) with ultra-short pulses ( t " 100 fs) is a booming research domain as it offers the opportunity to study increasingly short phenomena, comprised under the trivial name " attosecond science ". Laser-plasma interaction also bears the promise to achieve new light sources for the generation of energetic particle beams and X-rays. Our approach focuses on the generation of attosecond pulses from plasma mirrors using few-cycle laser pulses ( 5 fs at 800 nm) at high repetition rate (1 kHz) and with fine control of laser parameters. The generation and spatio-temporal control of high-order harmonics emission in the non-relativistic regime has recently been demosntrated by our group. The following objective is to reach the relativistic regime thanks to higher intensities on target. This thesis pursued the goals of improving the existing laser chain performances in termes of energy and temporal contrast, while preserving, at least, all the other key parameters. Meeting these requirements was achieved while developing a laser architecture based on chirped-pulse amplification (CPA) delivering 5 mJ, 5 fs pulses at 1 kHz, with a temporal contrast C = 1011 and an absolute phase (CEP) stabilized down to 200 mrad rms. Contrast improvement by cross-polarized wave (XPW) generation is at the centre of this dissertation. An extensive study of the mechanism was carried out. It allowed to confront experimental results and theoretical developments in " extremes " regimes such as the generation at very high efficiency and few-cycle pulse filtering. Besides, a new energy-scalable scheme was proposed to filter efficiently (20%) a wide range of pulse energies (from 100 μJ to 10 mJ). Pulse compression by a factor larger than two was also demonstrated. The new laser chain includes such filter in a double-CPA configuration delivering pulses of 10 mJ, 20 fs, C = 1011 and CEP = 200 mrad rms. A detailed study was carried out to develop a new stretcher/compressor scheme achieving highly stretched pulses (50 ps) while remaining compact to preserve CEP stability. The chosen configuration consists of a bulk stretcher, an acousto-optic programmable dispersive filter and a grisms compressor. The manuscript finally presents the perspectives of post-compression in a rare-gas filled hollow-core fibre in order to achieve pulses of 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms at 1 kHz., L'interaction laser-plasma à très haute intensité (I " 1015 W/cm2) avec des impulsions ultra-courtes ( t " 100 fs) est un domaine en plein essor car il offre l'opportunité d'étudier des phénomènes physiques toujours plus brefs, regroupés sous l'appellation " science attoseconde ". L'interaction laser-plasma promet aussi l'avènement de nouvelles sources pour la génération de faisceaux de particules et de rayonnement X très énergétiques. Notre démarche se concentre sur la génération d'impulsions attosecondes sur miroir plasma à partir d'impulsions de quelques cycles optiques ( 5 fs à 800 nm), à haut taux de répétition (1 kHz) et avec un contrôle fin des paramètres laser. La génération et le contrôle temporel et spatial de l'émission d'harmoniques d'ordres élevés dans le régime non-relativiste ont récemment été démontrés par le groupe. L'objectif suivant est d'atteindre le régime relativiste, qui nécessite une intensité sur cible plus élevée. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans la logique d'améliorer les performances de la chaine existante en termes d'énergie et de contraste temporel, tout en préservant les autres paramètres clés. Pour répondre à ces défis, l'objectif a été de mettre au point une architecture laser basée sur l'amplification à dérive de fréquence (CPA) délivrant des impulsions de 5 mJ, 5 fs à 1 kHz, avec un contraste temporel C = 1011 et une phase absolue (CEP) stabilisée à 200 mrad rms. La problématique de l'amélioration du contraste par la technique de génération de polarisation croisée (XPW) occupe une place centrale dans ce mémoire. Une étude extensive du mécanisme XPW a été menée. Elle a permis de confronter résultats expérimentaux et développements théoriques dans les régimes dits " extrêmes " tels que la génération à très haut rendement et le filtrage d'impulsions de quelques cycles optiques. En outre, un nouveau schéma de filtrage adaptable sur une large gamme d'énergie (de 100 μJ à 10 mJ) et efficace (20%) a été réalisé. La compression des impulsions d'un facteur supérieur à deux avec ce schéma a également été démontrée. La nouvelle chaine laser inclut un tel filtre dans une configuration en double CPA dont les performances finales visées sont les suivantes : 10 mJ, 20 fs, C = 1011 et CEP = 200 mrad rms. Le schéma d'étirement/compression a fait l'objet d'une étude détaillée pour permettre un étirement élevé (50 ps) tout en restant compact pour préserver la stabilité CEP. La configuration adoptée consiste en un étireur verre, un filtre acousto-optique dispersif programmable et un compresseur "grismes". Le mémoire présente enfin les perspectives de post-compression dans une fibre creuse remplie d'un gaz rare pour obtenir des impulsions de 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms à 1 kHz.

The topic of this thesis work concerns the design and the characterization of an efficient device devoted to the temporal contrast improvement for ultra-intense femtosecond laser pulses. The contrast is defined as the intensity ratio between the main femtosecond pulse and its nanosecond pedestal. This pedestal is the amplified spontaneous emission (ASE), inherent with laser amplification mechanism. The ASE background has dramatic effects for laser-matter interactions on a solid target.The presented work consists in the theoretical and experimental study of a temporal filter based on a third order nonlinear effect acting on the pulse polarization. We have studied several kinds of nonlinear filters. The selected device is based on the process of cross-polarized wave generation (XPW) in crystals with an anisotropic third-order nonlinear susceptibility. This nonlinear filter has been experimented on various femtosecond systems. It allows a contrast improvement of several orders of magnitude, as demonstrated by temporal profiles measurements on a large intensity dynamic. A device to improve the nonlinear process conversion efficiency, it means the filter transmission, has also been achieved. This method is based on constructive interferences between XPW signals generated in different crystals. This setup has made it possible to reach experimentally the maximum theoretical efficiency ( > 20%) and in the same time ensures the system stability. At least, we have demonstrated that the filter preserves, or even improves, spectral and spatial qualities of the laser pulse.These results are thus particularly promising and allow contemplating the implementation of the filter in current femtosecond systems.; Ce travail de thèse a porté sur la conception et la caractérisation d'un dispositif efficace pour l'amélioration du contraste d'impulsions laser femtosecondes ultra-intenses. La notion de contraste désigne le rapport d'intensité entre l'impulsion proprement dite et son piédestal, de durée nanoseconde. Ce piédestal est constitué par l'émission spontanée amplifiée (ASE pour Amplified Spontaneous Emission), inhérent au mécanisme d'amplification laser et particulièrement néfaste pour les interactions laser-matière sur cible solide.Le travail présenté consiste en l'étude théorique et expérimentale d'un filtre temporel basé sur un effet non linéaire du troisième ordre, agissant sur la polarisation de l'impulsion. Nous avons étudié plusieurs déclinaisons de ce principe. Le dispositif finalement retenu repose sur la génération d'une onde polarisée orthogonalement (XPW) dans des matériaux cristallins dont la susceptibilité non linéaire d'ordre trois est anisotrope. Ce filtre non linéaire a été testé sur différents systèmes femtosecondes et permet l'amélioration du contraste sur plusieurs ordres de grandeur, comme le confirment les mesures de profils temporels sur une grande dynamique réalisées après filtrage. Nous avons également conçu un dispositif pour optimiser l'efficacité de conversion du processus non linéaire, c'est-à-dire la transmission du filtre. Cette méthode consiste à générer des interférences constructives entre les signaux XPW émis dans des cristaux distincts. Dans ces conditions, l'efficacité de transmission théorique (supérieure à 20%) est atteinte expérimentalement et dans le même temps la stabilité du système est assurée. Nous avons enfin démontré que le filtre préserve, voire améliore, les qualités spectrales et spatiales de l'impulsion. Ces résultats sont donc particulièrement prometteurs et permettent d'envisager l'implémentation définitive du filtre dans les systèmes femtosecondes.

The continuous progress in laser installations has already lead to ultra-short pulses capable of achieving very high focalized intensities (I>1018 W/cm²). At these intensities, matter presents new non-linear behaviours, due to the fact that the electrons are accelerated to relativistic speeds. The experimental access to this interaction regime on solid targets has long been forbidden because of the presence, alongside the femtoseconde pulse, of a pedestal (mainly due to the amplified spontaneous emission (ASE) which occurs in the laser chain) intense enough to modify the state of the target.In this thesis, we first characterized, both experimentally and theoretically, a device which allows an improvement of the temporal contrast of the pulse: the Plasma Mirror. It consists in adjusting the focusing of the pulse on a dielectric target, so that the pedestal is mainly transmitted, while the main pulse is reflected by the overcritical plasma that it forms at the surface. The implementation of such a device on the UHI 10 laser facility (CEA Saclay – 10 TW – 60 fs) then allowed us to study the interaction between ultra-intense, high contrast pulses with solid targets.In a first part, we managed to generate and characterize dense plasmas resulting directly from the interaction between the main pulse and very thin foils (100 nm). This characterization was realized by using an XUV source obtained by high order harmonics generation in a rare gas jet. In a second part, we studied experimentally the phenomenon of high order harmonics generation on solid targets, which is still badly understood, but could potentially lead to a new kind of energetic ultra-short XUV sources., Les progrès continus des installations laser ont permis l'obtention d'impulsions ultra-brèves atteignant des intensités focalisées très élevées (I>1018 W/cm²). A ces intensités, la matière présente des comportements non-linéaires nouveaux, les électrons atteignant des vitesses relativistes. L'accès expérimental à ce régime d'interaction sur des cibles solides a longtemps été interdit en raison de la présence autour de l'impulsion femtoseconde d'un piédestal (dû notamment à l'émission spontanée amplifiée (ASE) présente dans la chaîne laser) suffisamment intense pour modifier l'état de la cible.Dans cette thèse, nous avons tout d'abord caractérisé, expérimentalement et théoriquement, un dispositif améliorant le contraste temporel de l'impulsion : le Miroir Plasma. Celui-ci consiste à focaliser l'impulsion sur une cible diélectrique de sorte que le piédestal est transmis, alors que l'impulsion principale est réfléchie par le plasma surcritique formé à la surface. Son installation sur le laser UHI 10 (CEA Saclay –10 TW– 60 fs) nous a alors permis d'étudier l'interaction d'impulsions ultra-intenses à fort contraste temporel avec des cibles solides. Dans un premier temps, nous avons réussi à générer des plasmas denses résultant de l'interaction directe de l'impulsion principale avec des cibles minces (100 nm). Leur caractérisation a été réalisée au moyen d'une source XUV obtenue par génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un jet de gaz rare. Dans un second temps, nous avons étudié expérimentalement le phénomène de génération d'harmoniques d'ordre élevé sur cible solide, encore mal compris, mais qui potentiellement fournira une nouvelle source XUV ultra-courte et intense.

The topic of this thesis work concerns the design and the characterization of an efficient device devoted to the temporal contrast improvement for ultra-intense femtosecond laser pulses. The contrast is defined as the intensity ratio between the main femtosecond pulse and its nanosecond pedestal. This pedestal is the amplified spontaneous emission (ASE), inherent with laser amplification mechanism. The ASE background has dramatic effects for laser-matter interactions on a solid target.The presented work consists in the theoretical and experimental study of a temporal filter based on a third order nonlinear effect acting on the pulse polarization. We have studied several kinds of nonlinear filters. The selected device is based on the process of cross-polarized wave generation (XPW) in crystals with an anisotropic third-order nonlinear susceptibility. This nonlinear filter has been experimented on various femtosecond systems. It allows a contrast improvement of several orders of magnitude, as demonstrated by temporal profiles measurements on a large intensity dynamic. A device to improve the nonlinear process conversion efficiency, it means the filter transmission, has also been achieved. This method is based on constructive interferences between XPW signals generated in different crystals. This setup has made it possible to reach experimentally the maximum theoretical efficiency ( > 20%) and in the same time ensures the system stability. At least, we have demonstrated that the filter preserves, or even improves, spectral and spatial qualities of the laser pulse.These results are thus particularly promising and allow contemplating the implementation of the filter in current femtosecond systems., Ce travail de thèse a porté sur la conception et la caractérisation d'un dispositif efficace pour l'amélioration du contraste d'impulsions laser femtosecondes ultra-intenses. La notion de contraste désigne le rapport d'intensité entre l'impulsion proprement dite et son piédestal, de durée nanoseconde. Ce piédestal est constitué par l'émission spontanée amplifiée (ASE pour Amplified Spontaneous Emission), inhérent au mécanisme d'amplification laser et particulièrement néfaste pour les interactions laser-matière sur cible solide.Le travail présenté consiste en l'étude théorique et expérimentale d'un filtre temporel basé sur un effet non linéaire du troisième ordre, agissant sur la polarisation de l'impulsion. Nous avons étudié plusieurs déclinaisons de ce principe. Le dispositif finalement retenu repose sur la génération d'une onde polarisée orthogonalement (XPW) dans des matériaux cristallins dont la susceptibilité non linéaire d'ordre trois est anisotrope. Ce filtre non linéaire a été testé sur différents systèmes femtosecondes et permet l'amélioration du contraste sur plusieurs ordres de grandeur, comme le confirment les mesures de profils temporels sur une grande dynamique réalisées après filtrage. Nous avons également conçu un dispositif pour optimiser l'efficacité de conversion du processus non linéaire, c'est-à-dire la transmission du filtre. Cette méthode consiste à générer des interférences constructives entre les signaux XPW émis dans des cristaux distincts. Dans ces conditions, l'efficacité de transmission théorique (supérieure à 20%) est atteinte expérimentalement et dans le même temps la stabilité du système est assurée. Nous avons enfin démontré que le filtre préserve, voire améliore, les qualités spectrales et spatiales de l'impulsion. Ces résultats sont donc particulièrement prometteurs et permettent d'envisager l'implémentation définitive du filtre dans les systèmes femtosecondes.