Academic literature on the topic 'Amplification d’impulsions à la dérive de fréquence'

Il y a un avant et un après l’article publié en 1985 par Donna Strickland et Gérard Mourou [1] faisant la démonstration de l’amplification par dérive de fréquence (CPA pour Chirped pulse amplification). Le présent dossier de Reflets de la physique a pour but de donner une vue d’ensemble de cette technologie et de ses différentes implications. Le principe de l’amplification par dérive de fréquence est d’abord présenté, avec son développement dans le monde des lasers. Ensuite, sont décrites les applications industrielles relatives au micro-usinage et à l’ophtalmologie, qui concernent les intensités moyennes (1013 - 1014 W cm-2). Les applications à la recherche couvrent les intensités plus fortes (1014 - 1018 W cm-2), qui permettent la génération d’impulsions ultra-courtes et de sources nouvelles de photons et de particules, jusqu’à la ultra-haute intensité (1018 - 1022 W cm-2 et au-delà...) et les lasers multipétawatts.

La technique de l’amplification à dérive de fréquence a donné accès à la production d’impulsions lumineuses ultra-courtes, quelques femtosecondes, et ultrapuissantes, plusieurs dizaines de pétawatts, ouvrant le champ à de nombreuses applications. Nous fournissons ici quelques informations historiques et présentons les fondements de la technique.

La technique d’amplification à dérive de fréquence "chirped pulse amplification" (CPA)a été développée pour augmenter la puissance des impulsions issues d’oscillateurs à verrouillage de mode, car l’énergie des impulsions n’étaient pas suffisantes pour des applications telles que la physique des champs forts et l’accélération de particules. Depuis son développement en 1985, elle a été utilisée dans une grande variété de systèmes laser industriels et dans des installations laser à ultra-haute puissance. Cette technique permet d’une part de s’affranchir de l’accumulation de phase non linéaire qui entrave la compression d’impulsions et d’autre part de maintenir la fluence des impulsions en dessous des seuils de dommages induits par laser aux composants. Dans cette thèse, nous développons des systèmes laser CPA à la longueurs d’onde de 2.05μm avec une puissance moyenne élevée et une énergie élevée, en commençant par le développement du laser à 2050nm jusqu’à la conception et la mise en oeuvre de l’étireur, des amplificateurs et du compresseur d’impulsions.Dans la première section de la thèse, nous introduisons les principaux concepts de physique et les phénomènes nécessaires à la compréhension de la technique d’amplification par dérive de fréquence et au développement du laser à fibre à 2050nm. Cela inclut la dispersion, l'automodulation de phase et la diffusion Raman.Dans la deuxième section de la thèse, nous présentons le développement d’un laser entièrement fibré à maintien de polarisation et accordable sur plus de 170nm, de 1880nmà 2050nm, via le phénomene de décalage de fréquence solitonique (Raman soliton selffrequencyshift, SSFS). Notre systéme est basé exclusivement sur des fibres disponibles commercialement. Nous avons caractérisé le laser en termes de puissance, de spectre et de durée d’impulsion, et nous avons inclus une étape de post-compression qui repose sur des effets non linéaires pour atteindre une durée inférieure à 100 fs sur toute la plage d' accordabilité. Les simulations sur la post-compression de solitons montrent la polyvalence du laser, qui permet de personnaliser la durée de l’impulsion sur une plage spectrale donnée, ou alternativement à une longueur d’onde particulière.Dans la troisième section, nous avons testé le laser accordable dans une grande variété d’architectures d’étirement et de compression adaptées au CPA. Nous avons examiné les fibres et les réseaux de Bragg en volume étiré (CVBG) en tant que dispositifs d’étirement d’impulsions, ainsi que les paires de réseaux de diffraction et les CVBG en tant que compresseurs d’impulsions. Nous discutons la manière de dimensionner une paire d’étireur compresseuren tenant compte de la phase non linéaire et de l’effet de rétrécissement du gain qui se produit pendant l’amplification d’impulsions, ainsi que de l’évaluation des performances de l’étireur-compresseur. Deux systèmes laser d’amplification à dérive de fréquence ont été conçus et présentés, le premier visant des impulsions fs à large bande avec une puissance moyenne élevée, et le second système visant des impulsions ps à haute énergie. La technologie peu mature dans la région spectrale de 2μm et la faible disponibilité de dispositifs d’étirement adaptés entravent la compression d’impulsions à cette longueur d’onde.Dans la dernière section de la thèse, nous avons étudié les performances des fibres co-dopées Tm:Ho en configuration d’amplification. Nous discutons des principaux défis de ces fibres, notamment les effets de transfert d’énergie, la disponibilité des sources de pompage qui donnent lieu à deux schémas de pompage principaux : le pompage par diode et le pompage intra-bande, ainsi que les limitations en termes de taille de fibre. Nous avons testé les fibres dopées Tm:Ho, y compris les fibres à coeur large pour l’amplification d’impulsions à bande étroite et à large bande
The chirped pulse amplification (CPA) technique was developed to power scale the pulsesfrom mode-locked oscillators as the pulse energy was not sufficient to target applicationssuch as strong field physics and particle acceleration. Since its development in 1985 ithas been applied in a wide variety of commercially available laser systems and ultra-highpower laser facilities. The technique allows to circumvent the accumulation of non-linearphase which hampers pulse compression and allows to maintain the fluence of the pulsesbelow the laser induced damage thresholds (LIDT) of components. In this thesis wedevelop CPA laser systems operating at 2.05μm wavelengths with high average powerand high energy starting from the development of the seed laser up to the design andimplementation of the pulse stretcher, amplifiers and pulse compressor.In the first section of the thesis we introduce the physics background and phenomenarequired for understanding the chirped pulse amplification technique and the developmentof the seed laser. This includes dispersion, self-phase modulation and Raman scattering.In the second section of the thesis we present the development of an all-fiber polarizationmaintaining laser tunable over 170nm, from 1880nm up to 2050nm via Ramansoliton self-frequency shift (SSFS). The system is based on exclusively commercially availablestandard fibers. We have characterised the laser in terms of power, spectrum andpulse duration and we have included a post-compression stage that relies on non-lineareffects to reach the sub-100 fs duration across the whole tunability range. Simulations ofthe soliton post-compression shows the versatility of the laser which allows to customisethe pulse duration over a spectral range or for a particular wavelength. We believe thatthe laser is a versatile and robust alternative to Tm and Tm:Ho oscillators.In the third section we have tested the tunable laser in a wide variety of stretchingand compression architectures suitable for CPA. We have investigated fibers and chirpedvolume Bragg gratings (CVBG) as pulse stretching devices and grating pairs and CVBGsas pulse compressors. We discuss how to dimension a stretching-compressor pair takinginto account the non-linear phase and gain narrowing effect that takes place during pulseamplification and how to evaluate the stretching-compressor performance. Two differentchirped pulse amplification laser systems have been designed and presented, the first onetargets broadband fs pulses with high average power and the second system targets highenergetic ps pulses. The non-mature technology in the 2μm spectral region and the weakavailability of suitable stretching devices hinders pulse compression at this wavelength.In the last section of the thesis we investigated the performance of Tm:Ho co-dopedfibers in amplification configuration. We discuss the main challenges of these fibers includingthe cross-relaxation effects, the availability of pump sources which gives rise totwo main pumping schemes: diode pumping and in-band pumping and the limitations interms of fiber size. We tested Tm:Ho doped fibers, including LMA for narrowband andbroadband pulse amplification

La thématique de recherche de cette thèse est l'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence (OPCPA). Il s'agit d'une technique prometteuse pour l'amélioration de la qualité des impulsions laser ultra courtes et intenses, qui vise à remplacer les pré-amplificateurs traditionnels des lasers à base de Saphir dopé au Titane, car elle possède de nombreux avantages vis-à-vis de ceux-ci, parmi lesquels l'absence de rétrécissement spectral par le gain. Depuis quelques années, la technique OPCPA est utilisée dans de nombreux laboratoires français et étrangers, dans des chaînes laser de puissance élevée ou pour la génération d'impulsions ultra-courtes. Lors de cette thèse, les intérêts et les limites expérimentales de cette technique ont été étudiés afin de l'utiliser en tant qu'injecteur pour une chaîne laser de haute intensité. L'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence est un phénomène d'optique non linéaire du deuxième ordre qui combine les technologies d'amplification paramétrique et d'amplification d'impulsions à dérive de fréquence. Une source de pompe optique intense et une source signal faible interagissent dans un cristal non linéaire, permettant ainsi l'amplification du signal et s'accompagnant de la génération d'une nouvelle onde dite " complémentaire ". Deux configurations permettant un accord de phase large bande correspondant à des impulsions très courtes ont été étudiés. La première configuration d'amplification paramétrique qui fut développée est non dégénérée et non colinéaire. Les faisceaux signal et pompe sont générés par deux sources laser indépendantes et la synchronisation temporelle entre faisceaux est externe. La deuxième configuration est quasi-dégénérée et quasi-colinéaire. Les faisceaux proviennent d'une même source laser et sont ainsi synchronisés de façon naturelle. La seconde géométrie d'interaction s'est avérée être la plus prometteuse pour les études souhaitées. Son développement fut poursuivi en réalisant un schéma d'amplification hybride dans lequel un amplificateur paramétrique est combiné à un amplificateur à multiples passages traditionnel. Le signal ainsi amplifié est alors re-comprimé temporellement par un ensemble de quatre prismes associés à un filtre acousto-optique à dispersion programmable. La qualité spatiale ainsi que celle du front d'onde de l'impulsion incidente sont conservées pendant l'amplification. Une énergie de 300 µJ et un gain supérieur à 105 ont été obtenus sans réduction de la largeur spectrale des impulsions incidentes. La durée des impulsions obtenue après re-compression temporelle fut de 35 fs. La mise en évidence des verrous technologiques par la réalisation expérimentale d'une telle source va ainsi permettre d'améliorer le dispositif dont les résultats prometteurs démontrent tout l'intérêt d'utiliser ce type de système pour l'amplification d'impulsions laser ultra-courtes.

Dans le cadre d'études menées autour du programme PETAL, nous avons développé de nouvelles architectures pour la pré-amplification d'impulsions par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA). Dans ce travail, nous considérons l'OPCPA comme un moyen de contrôle et de mise en forme des impulsions. Nous suggérons trois architectures lasers qui aspirent chacune à répondre à des défauts de la technique OPCPA ou des chaînes dédiées à la FCI. Ainsi, nous pallions un possible défaut de recouvrement temporel entre les impulsions pompe et signal, lequel induit une mauvaise extraction d'énergie lors du processus paramétrique. Dans ce cadre, nous avons démontré qu'une cavité régénérative OPCPA, résonnante sur l'onde complémentaire, permet d'optimiser l'amplification. Au-delà ce système permet de produire un train de répliques amplifiées de l'onde signal. Notre second montage vise à pré-compenser le rétrécissement spectral par le gain en façonnant les impulsions signal au niveau de l'étage OPCPA dans les domaines spatial et spectral. Nous avons démontré que ceci pouvait être réalisé en mettant en forme temporellement et spatialement le faisceau pompe. Enfin, nous proposons un OPCPA basé sur l'adressage spatial et l'amplification uniforme des composantes spectrales dans un cristal à polarisation périodique de type éventail.

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.

The Apollon-10 PW laser chain is a large-scale project aimed at delivering 10 PW pulses to reach intensities of 10^22 W/cm^2. State of the art, high intensity lasers based solely on chirped pulse amplification (CPA) and titanium sapphire (Ti:Sa) crystals are limited to peak powers reaching 1.3 PW with 30-fs pulses as a result of gain narrowing in the amplifiers. To access the multipetawatt regime, gain narrowing can be suppressed with an alternative amplification technique called optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA), offering a broader gain bandwidth and pulse durations as short as 10 fs. The Apollon-10 PW laser will exploit a hybrid OPCPA-Ti:Sa-CPA strategy to attain 10-PW pulses with 150 J and 15 fs. It will have two high-gain, low-energy amplification stages (10 fs ,100 mJ range) based on OPCPA in the picosecond and nanosecond timescale and afterwards, and will use Ti:Sa for power amplification to the 100-Joule level.Work in this thesis involves the progression of the development on the Apollon-10 PW front end and is focused on the development of a high contrast, ultrashort seed source supporting 10-fs pulses, stretching these pulses prior to OPCPA and the implementation of the picosecond OPCPA stage with a target of achieving 10-mJ pulses and maintaining its bandwidth. To achieve the final goal of 15-fs, 150-J pulses, the seed source must have a bandwidth supporting 10-fs and a temporal contrast of at least 10^10. Thus from an initial commercial Ti:Sa source delivering 25-fs pulses with a contrast of 10^8, spectral broadening via self-phase modulation and contrast enhancement with cross polarized (XPW) generation was performed. Subsequently, the seed pulses were stretched to a few picoseconds to match the pump for picosecond OPCPA. Strecher designs using an acousto-optic programmable dispersive filter (dazzler) for phase control in this purpose are studied. A compact and straightforward compressor using BK7 glass is used and an associated compressor for pulse monitoring was also studied. Lastly, the picosecond OPCPA stage was implemented in single and dual stage configurations.

L’objectif de cette est de développer une source harmonique permettant de couvrir la gamme d’énergie 50 -70 eV du spectre électromagnétique par la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un gaz rare. Cette source appelée "tabletop" est obtenue à partir d’un système laser femtoseconde basé sur la technique d’amplification à dérive de fréquence. Une telle source permet de réaliser des expériences de dynamique des charges et de l’aimantation aux seuils M des métaux de transition. L’intérêt de sonder la dynamique de l’aimantation dans le domaine des rayons X est la sélectivité chimique sur les éléments. Grâce à la sélectivité chimique, on peut sonder la dynamique des spins des espèces chimiques qui sont responsables du magnétisme. Par exemple, dans un système contenant plusieurs éléments, on peut accéder aux propriétés magnétiques de chacun de ses composants en ajustant l’énergie des photons au seuil d’absorption de l’élément choisi
The goal of this thesis is to develop an harmonic source to cover the energy range of 50-70 eV of the electromagnetic spectrum by high harmonic generation in a rare gas. This source called "tabletop" is obtained from a femtosecond laser system based on the chirped pulse amplification technique. Such source allows probing the magnetization dynamics at the M-edges of transition metals. The interest to probe the magnetization dynamics with X-rays is the chemical selectivity on the elements. This, one can probe the spin dynamics of the chemical element which are responsible for magnetism. For example, in a system containing several elements, one can reach the magnetic properties of each one of its components by adjusting the photon energy to the absorption edge of the element

Cette thèse a pour sujet la modélisation et le contrôle des processus intervenant lors de l'amplification d'impulsions laser à dérive de fréquence.
Nous présentons les modèles utilisés, qui prennent en compte la propagation, les effets non linéaires et les effets thermiques se produisant dans les chaînes laser basées sur le principe de l'amplification à dérive de fréquence. Une validation expérimentale de ces modèles a permis de souligner l'importance des aspects spatiaux du laser pour modéliser finement le processus d'amplification.
Nous avons également étudié l'importance, durant la propagation, des aspects spatiaux avec des calculs de propagation après un miroir déformable et montré toutes les précautions nécessaires pour l'utilisation d'une boucle d'optique adaptative. Cette boucle d'optique adaptative est utilisée maintenant de manière journalière pour garantir la qualité de la tache focale du laser 100 TW du LOA.
Nous avons réalisé des études sur les effets spatio-temporels créés dans les systèmes de lentilles. Le retard local et l'élargissement de la durée globale, dus au temps de propagation (PTD) dans un système de lentilles, ont été mesurés. Cette mesure directe de l'élargissement global de la durée temporelle est la première à notre connaissance.
Enfin, le futur laser Pétawatt (LUIRE) du LOA a été dimensionné avec les modèles validés précédemment. Nous pouvons atteindre le régime Pétawatt (30 J, 30 fs) avec un amplificateur multipassage supplémentaire dont les caractéristiques sont présentées.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses.
La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée.
La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.