The acceleration of electrons by lasers is a technique that has been gaining importance all over the world in recent years due to its potential to decrease the size and complexity of accelerators, favoring the diffusion of this technology to conventional laboratories, with the inevitable emergence of new science and applications. The High Intensity Ultrashort Laser Pulses Laboratory at IPEN has been working to implement the first laser-electron acceleration infrastructure in Brazil and Latin America. For this purpose, we are currently focusing efforts on different challenges, ranging from the creation and characterization of micrometric gaseous targets and laser-induced plasmas for particle acceleration, to the upgrade of a laser system to achieve the needed peak powers. This PhD thesis explores a significant portion of these challenges, starting with the fabrication of micrometric de Laval nozzles by ultrafast laser micromachining in alumina, to generate laser targets in the form of supersonic gas jets in vacuum. Nozzles were manufactured in a home-built trepanning setup, and their geometry and surface quality dependence on the laser and machining parameters were studied, resulting in fabrication protocols that create de Laval nozzles capable of generating supersonic jets used as targets for laser-plasma interactions. To diagnose the micro-jets and the plasmas, a time-resolved Mach-Zehnder-like interferometer was developed, built, and coupled to a pump-probe setup to study the plasma dynamics with femtosecond resolution. In this setup, density profiles of gas jets and laser-induced plasmas were measured with a spatial resolution of a few micrometers. In addition, a detailed study of the laser-induced plasma evolution in air was conducted from tens of femtoseconds to hundreds of picoseconds, in which plasma formation, impact ionization, and electron recombination were investigated, using algorithms and softwares developed by our group. This diagnostic setup proved to be reliable to characterize the density gradients of micrometric laserinduced plasmas, becoming a permanent setup for further laser-electron acceleration developments at IPEN.

A aceleração de elétrons por lasers é uma técnica que vem ganhando importância em todo mundo nos últimos anos devido ao seu potencial de reduzir o tamanho e a complexidade de aceleradores, favorecendo a difusão desta tecnologia para laboratórios convencionais, com o inevitável surgimento de nova ciência e aplicações. O Laboratório de Lasers de Pulsos Ultracurtos de Alta Intensidade do IPEN vem trabalhando para implantar a primeira infraestrutura de aceleração de elétrons por laser no Brasil e na América Latina. Para este propósito, atualmente estamos concentrando esforços em diferentes desafios que vão desde a criação e caracterização de alvos gasosos micrométricos e plasmas induzidos por laser para a aceleração de partículas, até a melhoria de um sistema de laser para atingir as potências de pico necessárias. Esta tese de doutorado explora uma parte significativa desses desafios, começando com a fabricação de bocais de de Laval micrométricos por microusinagem de alumina por laser de pulsos ultracurtos, para gerar alvos para o laser na forma de jatos de gás supersônicos em vácuo. Um sistema de trepanação a laser foi construído no laboratório para a fabricação de bocais, e a dependência de sua geometria e qualidade da superfície com o laser e os parâmetros de usinagem foram estudados, resultando em protocolos de fabricação que criam bocais de de Laval capazes de gerar jatos supersônicos usados como alvos para interações laser-plasma. Para diagnosticar os microjatos e os plasmas, um interferômetro resolvido no tempo do tipo Mach-Zehnder foi desenvolvido, construído e acoplado a um arranjo bombeio-prova para estudar a dinâmica do plasma com resolução de femtossegundos. Nesta configuração, perfis de densidade de jatos de gás e de plasmas induzidos por laser foram medidos com uma resolução espacial de alguns micrômetros. Adicionalmente, um estudo detalhado da evolução do plasma induzido por laser no ar foi realizado de dezenas de femtossegundos a centenas de picossegundos, no qual a formação de plasma, ionização por impacto e recombinação de elétrons foram investigados utilizando algoritmos e softwares desenvolvidos pelo nosso grupo. Este sistema de diagnóstico provou ser confiável para caracterizar os gradientes de densidade de plasmas micrométricos induzidos por laser, tornando-se um arranjo permanente para futuros desenvolvimentos de aceleração de elétrons por laser no IPEN.