Dissertations / Theses on the topic 'Pulses laser femtoseconde'
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Gil, Villalba Abel. "Single shot ablation of monolayer graphene by spatially shaped femtosecond laser pulses." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2017. http://www.theses.fr/2017UBFCD028/document.
Abstract:
Depuis sa découverte expérimentale en 2004, le graphène a émergé comme un matériau potentiel pour les technologies de nouvelle génération. Le graphène était le premier matériau 2D produit et l’intérêt et qu’il suscite provient de ses remarquables propriétés: il possède d’importants coefficients de mobilité électronique et de conductivité thermique, il est également le matériau le plus solide et léger connu. Pour permettre le développement d’applications à l’ échelle industrielle, des technologies de structuration à l’ échelle submicronique sont nécessaires.Cette thèse se concentre sur l’exploration de l’ablation par laser femtoseconde en tant que technique de structuration rapide et peu coûteuse de structuré graphène obtenu par technique CVD (Chemical Vapor Deposition). L’utilisation d’impulsions laser ultra brèves est a priori intéressante en raison de la capacité des impulsions laser ultra brèves à déposer au sein des matériaux une quantité élevée d’ énergie dans un volume extrêmement confiné.Nous avons réalisé un ensemble d’expériences à partir de faisceaux non-diffractants pour caractériser les paramètres requis pour contrôler l’ablation à l’ échelle sub-micronique. Nous avons déterminé les caractéristiques de l’ablation en régime mono-coup pour le graphène CVD, tels que le seuil d’ablation et la probabilité d’ablation. Pour cela, nous avons développé une nouvelle technique de mesure indépendante du seuil indépendante de la taille de la zone ablatée. Nous avons ainsi pu mettre en évidence un écart par rapport au modèle classique d’ablation, l’effet des différents substrats diélectriques, ainsi que le rôle des joints de grain.Nos résultats montrent que l’ablation mono-coup par impulsion femtoseconde est une technique efficace pour des structures au-delà d’une taille caractéristique de 1 _m, mais en dessous de cette dimension, de nouvelles stratégies d’illuminations se révèlent encore nécessairesSince its isolation in 2004, graphene has emerged has a potential material for next generation technologies.Graphene was the first truly 2D material produced. The interest in this material is due to its outstandingproperties: graphene is the lightest and strongest material known. It has a large electronic mobility andthermal conductivity. To enable the development of technological applications at industrial scale, fast patterningtechniques, operable at sub-micron scale are needed.This thesis focuses on the requirement of a fast, easily reconfigurable, low cost method to pattern graphene.The aim of our research is to determine the possibilities and constraints of ultrafast laser ablation of CVDgraphene at sub-micron scale. Using ultrafast laser to pattern graphene layers is interesting due to the abilityof femtosecond laser pulses to accurately depositing a high energy density in confined regions.We performed a set of experiments using non-diffractive shaped-beams to characterize the parametersrequired to control laser material processing at such small scale. We determined laser patterningcharacteristics on CVD monolayer graphene such as the ablation threshold and the ablation probability. To thisaim, we have developed a novel technique to measure ablation threshold that is independent of the ablated sizeand reported unexpected deviation from the threshold model, we also investigated the influence of differentdielectric substrates and the effect of the presence of graphene grain boundaries. From our experimentalresults we conclude that direct single shot laser patterning is a very effective method to pattern features above 1 µm, but below this dimension, novel illumination strategies are needed
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Chanal, Margaux. "Space-time study of energy deposition with intense infrared laser pulses for controlled modification inside silicon." Thesis, Aix-Marseille, 2017. http://www.theses.fr/2017AIXM0488/document.
Abstract:
La modification du silicium dans son volume est possible aujourd’hui avec des lasers infrarouges nanosecondes. Néanmoins, le régime d’intérêt pour la modification contrôlée en volume des matériaux transparents correspond aux impulsions femtosecondes. Cependant, aujourd’hui aucune démonstration de modification permanente du volume du Si n’a été réalisée avec une impulsion ultra-brève (100 fs). Pour infirmer ce résultat, nous avons développé des méthodes de microscopie infrarouge ultra-rapides. Tout d’abord, nous étudions le microplasma confiné dans le volume, caractérisé par la génération de porteurs libres par ionisation nonlinéaire du silicium, suivie de la relaxation totale du matériau. Ces observations, couplées à la reconstruction de la propagation du faisceau dans le matériau, démontrent un dépôt d’énergie d’amplitude fortement limitée par des effets nonlinéaires d’absorption et de propagation. Cette analyse a été confirmée par un modèle numérique simulant la propagation nonlinéaire du faisceau femtoseconde. La compréhension de cette limitation a permis de développer de nouvelles configurations expérimentales grâce auxquelles l’endommagement local et permanent du volume du silicium a pu être initié en régime d’impulsions courtesThe modification of bulk-silicon is realized today with infrared nanosecond lasers. However, the interest regime for controlled modifications inside transparent materials is femtosecond pulses. Today, there is no demonstration of a permanent modification in bulk-Si with ultra-short laser pulses (100 fs). To increase our knowledge on the interaction between femtosecond lasers and silicon, we have developedultra-fast infrared microscopy experiments. First, we characterize the microplasma confined inside the bulk, being the generation of free-carriers under nonlinear ionization processes, followed by the complete relaxation of the material. These results, combined with the reconstruction of the beam propagation inside silicon, demonstrate that the energy deposition is strongly limited by nonlinear absorption andpropagation effects. This analysis has been confirmed by a numerical model simulating the nonlinear propagation of the femtosecond pulse. The understanding of this clamping has allowed us the development of new experimental arrangements, leading to the modification of the bulk of Si with short pulses
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Remy, Quentin. "Ultrafast spin dynamics and transport in magnetic metallic heterostructures." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2021. http://www.theses.fr/2021LORR0191.
Abstract:
Le contrôle de l'aimantation, et donc du spin, aux échelles de temps ultra courtes, est un sujet d'importance fondamentale pour l'élaboration de systèmes qui peuvent stocker de l'information beaucoup plus rapidement. La possibilité d'écrire de l'information avec des pulses laser femtoseconde sur des métaux magnétiques tels que GdFeCo ou MnRuGa en quelques picosecondes fut une étape conséquente pour pouvoir réaliser ce progrès technologique. Cependant, le renversement de l'aimantation observé dans ces matériaux après les avoir irradié avec un unique pulse laser, appelé retournement tout optique indépendant de l'hélicité (AO-HIS pour {All Optical Helicity Independent Switching} en anglais), est toujours limité à une petite catégorie de matériaux ferrimagnétiques et sa description physique n'est toujours pas entièrement comprise. Dans cette thèse, nous étudions l'AO-HIS dans des films minces composés d'une ou deux couches d'alliages de GdFeCo de différentes compositions. Nous montrons que ces couches génèrent des courants de spin qui peuvent modifier l'AO-HIS de ces matériaux. En particulier, nous montrons qu'il est possible d'utiliser ces courants de spin pour renverser l'aimantation des différentes multicouches ferromagnétiques, avec un seul pulse laser femtoseconde, qui ne subiraient qu'une désaimantation et ne se retourneraient donc pas autrement. En changeant la composition de l'alliage de GdFeCo et la température de Curie du matériau ferromagnétique, nous pouvons modifier l'énergie nécessaire pour engendrer le renversement magnétique de la multicouche ferromagnétique avec un pulse de lumière. De plus, nous montrons que l'AO-HIS de l'alliage de GdFeCo n'est en réalité pas nécessaire ainsi que l'illumination directe de la couche ferromagnétique par la lumière laser. Il est donc possible de retourner l'aimantation d'un matériau ferromagnétique en utilisant uniquement des courants ultra courts de chaleur et de spin qui sont créés par la désaimantation ultra rapide partielle de l'alliage de GdFeCo et transportés jusqu'à la couche ferromagnétique via une couche de cuivre. Ces expériences sont comprises grâce à un modèle de transport semi classique dans un système contenant des électrons, des phonons et des spins quantiques et qui est basé sur l'échange de moment cinétique entre des spins localisés et itinérants. Enfin, nous avons mesuré la dynamique du renversement de l'aimantation de ce système ferromagnétique. Nous montrons que ce retournement se passe en moins d'une picoseconde, ce qui est le retournement d'aimantation le plus rapide jamais observé. Nous montrons que le courant de spin provenant de l'alliage de GdFeCo à un pouvoir réfrigérant sur l'aimantation, déjà visible en moins d'une picoseconde, et qui peut augmenter l'aimantation transitoire du système jusqu'à trente pourcents. Ces résultats sont également compris dans le cadre de notre modèle de transport de chaleur et de moment cinétiqueThe control of magnetization, and thus spin, at the shortest timescale, is a fundamental subject for the development of faster data storage devices. The capability to encode information with femtosecond laser pulses on magnetic metals such as GdFeCo or MnRuGa within a few picoseconds was a significant step towards the realization of such a technology. However, the reversal of magnetization observed in these materials upon a single laser pulse irradiation, called All Optical Helicity Independent Switching (AO-HIS), is still limited to a small class of ferrimagnetic materials and its physical mechanism is not completely understood.In this work, we study AO-HIS in magnetic thin films composed of a single or two GdFeCo layers with different alloy compositions. We show that these layers generate spin currents that can affect the AO-HIS of these materials. In particular, we can use such spin currents to reverse the magnetization of various ferromagnetic multilayers, with a single femtosecond laser pulse, which would otherwise only demagnetize and never switch. Playing with the GdFeCo alloy concentration and the ferromagnetic multilayer Curie temperature, we can tune the energy required to observe single shot reversal of the ferromagnet. In addition, we show that neither AO-HIS of the GdFeCo layer is actually required nor direct light illumination of the ferromagnetic multilayer. It is then possible to reverse the magnetization of ferromagnets using only ultrashort heat and spin currents which are generated by the partial ultrafast demagnetization of GdFeCo and transported via a thick metallic copper spacer. These experimental results were successfully understood using semiclassical transport equations for electrons, phonons and quantum spins based on exchange of angular momentum between localized and itinerant spins.Finally, we were able to measure the dynamics of the ferromagnetic multilayer magnetization reversal which is shown to happen in less than a picosecond, being the fastest magnetization reversal ever observed. The action of the external spin current is shown to have an ultrafast cooling effect on the spin which is visible at the sub-picosecond timescale and which can enhance the transient magnetization by up to thirty percent. These results are also understood using our model of heat and angular momentum transport
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Jeandet, Antoine. "Spatio-temporal characterization of femtosecond laser pulses using self-referenced Fourier transform spectroscopy Spatio-temporal structure of a petawatt femtosecond laser beam Controlling the velocity of a femtosecond laser pulse using refractive lenses." Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPASS089.
Abstract:
La technologie actuelle des lasers ultrabrefs permet de délivrer des impulsions d'une énergie de quelques dizaines de joules dont la durée est de l'ordre de la dizaine de femtosecondes. Focaliser fortement de telles impulsions permet d'obtenir des valeurs d'éclairement considérables, qui sont notamment utilisées pour générer des faisceaux de particules relativistes. Le bon fonctionnement des lasers de ultra-haute intensité nécessite un excellent contrôle des propriétés du faisceau en tout point de la chaîne d'amplification. Développer un tel niveau de contrôle exige de pouvoir mesurer les imperfections temporelles et spatiales des impulsions avec une très grande précision. Cependant, les instruments de mesure utilisés jusqu'à présent négligent un aspect important de la structure des impulsions lasers, qui est lié aux couplages spatio-temporels. Ces derniers représentent une classe particulière d'imperfections, dont l'influence sur les expériences d'ultra-haute intensité a longtemps été négligée. Les rares instruments capables de mesurer ces défauts spécifiques sont pour la plupart inadaptés à la caractérisation de faisceaux de haute énergie. Le travail présenté dans cette thèse a porté sur l'instrument TERMITES, qui permet la caractérisation totale d'impulsions ultrabrèves, ainsi que leur restitution en trois dimensions. TERMITES est une technique auto-référencée qui est basée sur la spectroscopie par transformée de Fourier résolue spatialement. Une première partie de la thèse présente l'étude détaillée et l'optimisation de l'instrument TERMITES. Dans un deuxième temps, différents systèmes laser sont caractérisés grâce à cet instrument, permettant ainsi d'établir la première revue expérimentale des différentes origines de couplages spatio-temporels dans les lasers ultrabrefsCurrent ultrashort laser technology makes it possible to generate pulses lasting a few tens of femtoseconds, with energies of up to tens of joules. Strongly focusing such pulses produces ultra-intense fields that are notably used to generate relativistic particle beams. Proper operation of ultra-intense laser facilities requires to control the temporal and spatial properties of ultrashort pulses. Until now, measurement devices used for this purpose have neglected an important aspect of ultrashort pulses structure, which is linked to spatio-temporal couplings. Spatio-temporal couplings are a particular kind of defects in ultrashort pulses, of which the influence on ultra-intense experiments has been largely overlooked until recently. The rare instruments capable of measuring spatio-temporal couplings are hardly scalable to high-energy laser beams. This thesis is dedicated to TERMITES, a device for the full characterization of ultrashort laser beam, which is used to provide their three dimensional shape in space and time. TERMITES is a self-referenced technique based on spatially-resolved Fourier-Transform Spectroscopy. The first part of this work presents the detailed study of TERMITES, as well as the optimization of its design. Multiple laser systems are then characterized using the instrument. The obtained results are used to establish the first experimental review of spatio-temporal couplings origins in ultrashort lasers
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Le, Dortz Jérémy. "Mise en phase active de fibres laser en régime femtoseconde par méthode interférométrique." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX071/document.
Abstract:
Les sources lasers femtosecondes sont utilisées dans grand nombre d’applications (industrielles, médicales, de recherche fondamentale) avec un besoin croissant d’impulsions très énergétiques à haut taux de répétition. Bien que la technologie Ti:Saphir fournisse des impulsions PetaWatt, son taux de répétition s’avère limité. Une alternative est l’utilisation de la technologie fibrée. Cependant, l’énergie extractible d’une seule fibre est intrinsèquement limitée.Une solution prometteuse est alors de réaliser une combinaison de fibres (jusqu’à plus de 10 000 fibres pour l’accélération de particules). La combinaison de fibres par méthode interférométrique (avec un record de 64 fibres combinées en régime continu) a prouvé qu’elle était un excellent candidat pour la combinaison d’un grand nombre de fibres.La collaboration XCAN entre l’Ecole Polytechnique et Thales, vise à réaliser un démonstrateur de combinaison cohérente de 61 fibres amplifiées en régime femtoseconde. Les travaux menés au cours de cette thèse s’inscrivent dans ce projet.Dans un premier temps, afin d’étudier les points durs inhérents au régime femtoseconde tout en s’affranchissant des difficultés liées à l’amplification, la méthode interférométique en régime femtoseconde a été étudiée sur un démonstrateur passif, c’est-à-dire sans amplification, de 19 fibres. Une fois la méthode de mise en phase validée celle-ci a pu être testée avec succès sur le démonstrateur avec amplification du projet XCAN.Nous présentons également les travaux menés afin d’augmenter un paramètre clé des systèmes de combinaison de faisceaux à savoir : l’efficacité de combinaison du système laser. Pour cela, nous avons réalisé une mise en forme de faisceaux issus des fibres de la tête optique. Cette mise en forme, gaussien vers super-gaussien, est réalisée à l’aide de deux réseaux de lames de phase dont nous présenterons le calcul des profils asphériques. Afin de valider expérimentalement nos simulations et après réalisation des lames de phase nous avons pu tester celles-ci sur le démonstrateur passif, démontrant une augmentation de 14 %.Les travaux présentés dans ce manuscrit présentent ainsi les premiers par vers la réalisation d’une nouvelle architecture laser massivement parallèle, capable de délivrer à la fois une haute puissance crête et une haute puissance moyenneFemtosecond fiber sources are used in a large number of applications (industrial, medical, fundamental physics) with a growing need in high energy pulses at high repetion rate. Although Ti: Saphirre technology provides energies up to PetaWatt, its repetion rate is low (up to 1 Hz). An alternative is to use an amplified fiber. However, the extractable energy of a single fiber is intrinsically limited.A solution is then to combine several fibers (up to 10 000 fibers for particle acceleration). Coherent beam combining of fibers with an interferometric method (with a record of 64 fibers combined in the cw regime) has proven to be an excellent candidate to combine a large number of fibers.The XCAN project, a collaboration between l'Ecole polytechnique and Thales, aims to realize a demonstrator of 61 fibers coherently combined in the femtosecond regime.The works presented in this thesis are part of this project.In order to study the hard points inherent to the femtosecond regime and to free from the amplification issues, the interferometric method has been implemented on a passive demonstrator, meaning without amplification, of 19 fibers. Once the interferometric method validated, it has been succesfully tested on the amplified XCAN demonstrator.We present also the works done to increase a key parameter of beam combining systems : the combining efficiency. To do this, we have realized a beam shaping of the fiber array output beams. This beam shaping, gaussian to super-gaussian, is done with two arrays of phase plates. The aspherical profiles calculation is described. In order to validate our simulations we have tested the phase plates on the passive demonstrator by getting an increase of 14 %.The works presented in this manuscript are the first steps towards a new massively parallel laser architecture, able to provide both high peak power and high average power
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Jacqmin, Hermance. "Coherent combining of few-cycle pulses for the next generation of Terawatt-class laser sources devoted to attosecond physics." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX064/document.
Abstract:
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une source laser TW, de cadence élevée, stabilisée en phase, et délivrant des impulsions de quelques cycles optiques pour explorer la physique attoseconde. De telles impulsions contiennent seulement quelques oscillations de l’onde porteuse (durée de 5 fs à une longueur d’onde centrale de 800 nm) et ne sont pas directement disponibles à la sortie d’une source laser femtoseconde classique. Une technique de post-compression efficace pour obtenir de telles impulsions consiste à élargir le spectre des impulsions laser par automodulation de phase dans une fibre creuse remplie de gaz, puis à compenser la phase spectrale introduite avec des miroirs chirpés. Cette technique convient à des impulsions dont l’énergie est inférieure au millijoule. Au-delà, la transmission et la stabilité du compresseur chutent fortement à cause d'effets non linéaires tels que l'autofocalisation et l'ionisation. Pour comprimer des impulsions énergétiques et dont la phase de l’enveloppe est stabilisée par rapport à la porteuse (stabilisation de la CEP), il est possible de diviser l'impulsion initiale en plusieurs répliques d'énergie moindre et de réduire ainsi l'intensité crête en entrée de fibre. Le spectre de chaque réplique est alors élargi indépendamment. Dans le cadre de cette thèse, la combinaison cohérente passive d'impulsions de quelques cycles optiques issues d'une fibre creuse remplie de gaz est démontrée pour la première fois. L'utilisation de lames biréfringentes (calcite) dont l’orientation est soigneusement déterminée permet de générer et combiner des répliques avec une efficacité élevée. Ainsi, dans le cas d’une division en deux répliques, des impulsions stabilisées en phase (CEP), de durée 6 fs et d'énergie 0.6 mJ ont été générées de manière fiable et reproductible. L’étude détaillée de cette technique, aussi bien théorique qu’expérimentale, a permis de mettre en évidence les conditions requises pour générer des impulsions de quelques cycles optiques et présentant un bon contraste temporel. Plus précisément, la phase spectrale relative entre les répliques peut être mesurée à l'aide d'une méthode interférométrique permettant de quantifier les déphasages résiduels dus à la lame qui recombine les répliques, ainsi que ceux induits lors de la propagation dans la fibre par d'éventuels effets de modulation de phase croisée ou d'ionisation. Les effets qui affectent le processus de combinaison des répliques, tels que les modifications des états de polarisation des répliques ou bien les interactions non linéaires entre les répliques, sont analysés en détail. Une méthode est proposée pour minimiser ces effets, même dans le cas plus critique de la division et combinaison d'impulsions à quatre répliquesThe framework of this thesis is the design and development of a TW-class, high-repetition rate, CEP-stabilized, few-cycle laser system devoted to attosecond physics. Few-cycle pulses includes only a few oscillations of the carrier wave (duration about 5 fs for 800nm central wavelength) and are not directly available at the output of typical femtosecond sources. One of the most popular techniques used for producing such pulses with high spatial quality is nonlinear spectral broadening in a gas-filled hollow-core fiber followed by temporal compression with chirped mirrors. However, as the input pulse energy approaches the milliJoule level, both the transmission and stability of hollow fiber compressors rapidly drop with the onset of self-focusing and ionization. A way of overcoming this limitation is to divide the input pulse into several lower energy replicas that can be subsequently recombined after independent spectral broadening in the fiber. In this thesis, the passive coherent combining of millijoule energy laser pulses down to few-cycle duration in a gas-filled hollow fiber is demonstrated for the first time. High combining efficiency is achieved by using carefully oriented calcite plates for temporal pulse division and recombination. Carrier-envelope phase (CEP)- stable, 6-fs, 800-nm pulses with more than 0.6 mJ energy were routinely generated in the case of twofold division and recombination. A detailed theoretical and experimental analysis of this temporal multiplexing technique is proposed to explain the conditions required for producing few-cycle pulses with high fidelity. In particular, an interferometric method for measuring the relative spectral phase between two replicas is demonstrated. This gives a measure of the phase mismatch in the combining plate, as well as that induced by eventual cross-phase modulation or ionization during propagation in the fiber. The effects degrading the combining process, as polarization change or nonlinear interactions between pulse replicas are analyzed in details. A method is proposed to overcome these limitations, even in the critical case of fourfold pulse division and combination
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Daniault, Louis. "Combinaison cohérente d'amplificateurs à fibre en régime femtoseconde." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00812629.
Abstract:
Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés. Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés.
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Douti, Dam-Bé Lardja. "Tenue au flux et physique de l'interaction laser/matière dans les couches minces optiques en régime sub-picoseconde." Thesis, Aix-Marseille, 2015. http://www.theses.fr/2015AIXM4347/document.
Abstract:
La tenue au flux des traitements de surfaces optiques constitue aujourd'hui un enjeu majeur pour le développement des lasers de puissance à courtes durées d'impulsion. L’étude des interactions laser-matière en régime sub-picoseconde a montré que l’initiation de l'endommagement laser est le résultat de processus d’excitation fortement non-linéaires (photoionisation, ionisation par impact et avalanche électronique). Dans cette thèse, un dispositif de tests multiparamétriques a été développé pour l’étude de la tenue au flux des composants optiques. Différentes études expérimentales ont été menées sur des matériaux diélectriques, en couche mince ou en matériau massif, afin d’apporter des données nouvelles sur les matériaux couches minces assez peu étudiés dans la littérature. L’étude de l’influence de la longueur d’onde a révélé différentes phases de prédominance des processus d’ionisation. L’influence du nombre de tirs à différentes longueurs d’ondes aussi a été étudiée, en considérant différentes techniques de dépôt de couches minces. L’interprétation de ces résultats expérimentaux est soutenue par un modèle de simulation numérique que nous présentons en détail dans le manuscrit. Une place, non moins importante, a été accordée dans notre travail à la métrologie de l’endommagement. Nous avons proposé et appliqué l’utilisation d’un dispositif original de mesure quantitative de phase pour l’analyse des processus d’endommagement. Et pour terminer nous avons développé un système de microscopie pompe-sonde afin de pousser les investigations sur les processus en jeu lors de l’interaction laser-matière en régime sub-picosecondeLaser fluence resistance of optical surfaces is a major challenge for the development of high power and short duration pulse lasers. Studies on laser matter interactions show that the damage initiation is the result of highly nonlinear excitation process such as photoionization, impact ionization and electronic avalanche. In this PhD thesis we focused on the study of the damage and the response of materials after this initiation and their dependence with laser parameters, this in order to better understand the complex mechanisms of damage, identify laws of relevant scales for applications, and enable new optical design with higher laser resistance and lifetimes. A multi parametric experimental testing setup was developed for studying laser resistance of optical components. To collect new data on thin film materials damage dependences, which have been less studied in the literature, different experimental studies have been conducted on dielectrics, in coating or bulk form. The study of the dependency of damage with laser wavelength reveals different ranges characterized by the electronic processes occurring during the interaction. We have considered also the effect of multiple pulse irradiations, with different wavelengths and on coatings realized by different technologies. All these experimental results have been discussed with the help of a numerical simulation model we have developed and presented in this thesis. We have also proposed an original method based on optical phase difference measurement for damage characterization and study. We finished with some experiments on the time resolved microscopy measurements and investigations of damage processes
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Beaurepaire, Benoit. "Développement d’un accélérateur laser-plasma à haut taux de répétition pour des applications à la diffraction ultra-rapide d’électrons." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX013/document.
Abstract:
La microscopie électronique et la diffraction d’électrons ont permis de comprendre l’organisation des atomes au sein de la matière. En utilisant une source courte temporellement, il devient possible de mesurer les déplacements atomiques ou les modifications de la distribution électronique dans des matériaux. A ce jour, les sources ultra-brèves pour les expériences de diffraction d’électrons ne permettent pas d’atteindre une résolution temporelle inférieure à la centaine de femtosecondes (fs). Les accélérateurs laser-plasma sont de bons candidats pour atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. De plus, ces accélérateurs peuvent fonctionner à haut taux de répétition, permettant d’accumuler un grand nombre de données.Dans cette thèse, un accélérateur laser-plasma fonctionnant au kHz a été développé et construit. Cette source accélère des électrons à une énergie de 100 keV environ à partir d’impulsions laser d’énergie 3 mJ et de durée 25 fs. La physique de l’accélération a été étudiée, démontrant entre autres l’effet du front d’onde laser sur la distribution transverse des électrons.Les premières expériences de diffraction avec ce type de sources ont été réalisées. Une expérience de preuve de principe a montré que la qualité de la source est suffisante pour obtenir de belles images de diffraction sur des feuilles d’or et de silicium. Dans un second temps, la dynamique structurelle d’un échantillon de Silicium a été étudiée avec une résolution temporelle de quelques picosecondes, démontrant le potentiel de ce type de sources.Pour augmenter la résolution temporelle à sub-10 fs, il est nécessaire d’accélérer les électrons à des énergies relativistes de quelques MeV. Une étude numérique a montré que l’on peut accélérer des paquets d’électrons ultra-courts grâce à des impulsions laser de 5 mJ et 5 fs. Il serait alors possible d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. Finalement, une expérience de post-compression des impulsions laser due à l’ionisation d’un gaz a été réalisée. La durée du laser a pu être réduite d’un facteur deux, et l’homogénéité de ce processus a été étudiée expérimentalement et numériquementElectronic microscopy and electron diffraction allowed the understanding of the organization of atoms in matter. Using a temporally short source, one can measure atomic displacements or modifications of the electronic distribution in matter. To date, the best temporal resolution for time resolved diffraction experiments is of the order of a hundred femtoseconds (fs). Laser-plasma accelerators are good candidates to reach the femtosecond temporal resolution in electron diffraction experiments. Moreover, these accelerators can operate at a high repetition rate, allowing the accumulation of a large amount of data.In this thesis, a laser-plasma accelerator operating at the kHz repetition rate was developed and built. This source generate electron bunches at 100 keV from 3 mJ and 25 fs laser pulses. The physics of the acceleration has been studied, and the effect of the laser wavefront on the electron transverse distribution has been demonstrated.The first electron diffraction experiments with such a source have been realized. An experiment, which was a proof of concept, showed that the quality of the source permits to record nice diffraction patterns on gold and silicium foils. In a second experiment, the structural dynamics of a silicium sample has been studied with a temporal resolution of the order of a few picoseconds.The electron bunches must be accelerated to relativistic energies, at a few MeV, to reach a sub-10 fs temporal resolution. A numerical study showed that ultra-short electron bunches can be accelerated using 5 fs and 5 mJ laser pulses. A temporal resolution of the order of the femtosecond could be reached using such bunches for electron diffraction experiments. Finally, an experiment of the ionization-induced compression of the laser pulses has been realized. The pulse duration was shorten by a factor of 2, and the homogeneity of the process has been studied experimentally and numerically
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Salamé, Rami. "Études sur la filamentation des impulsions laser ultrabrèves dans l’air." Thesis, Lyon 1, 2009. http://www.theses.fr/2009LYO10124/document.
Abstract:
La propagation des impulsions laser ultra brèves dans l’air se fait sous la forme de structures d’une centaine de micromètres de diamètre appelées filaments, qui ont entre autres les propriétés d’être autoguidées, de se propager sur plusieurs centaines de mètres, de générer un continuum de lumière blanche, etc. Ces propriétés originales trouvent de nombreuses applications dans le domaine de la télédétection des polluants par mesures lidar, le déclenchement et le guidage de la foudre par laser, le LIBS à distance, etc.Au cours de mon travail de thèse, nous avons mené de nombreuses expériences de laboratoire et sur terrain dans le cadre du projet Tera mobile. Nous avons en particulier étudié la géométrie de la filamentation, sa robustesse dans une région de turbulence étendue, la propagation verticale d’un faisceau d’impulsions ultra brèves dans un régime multi joules, et des applications atmosphériques de la filamentation. Nous avons par exemple caractérisé la distribution angulaire de l’émission conique dans le visible et dans l’ultraviolet. Nous avons également prouvé que la turbulence atmosphérique n’est pas un facteur limitant de la propagation des filaments qui arrivent même à garder leurs propriétés spectrales nécessaires aux applications atmosphériques. Enfin nous avons illustré une méthode de déclenchement et de guidage de foudre par laser et réalisé une expérience de condensation de gouttelettes d’eau assistée par laser en laboratoire ainsi que dans une atmosphère réelleUltrashort laser pulses propagate in the air in the form of structures of one hundredmicrons of diameter called “filaments”, which have the properties of self-guiding, propagatingfor hundreds of meters, white light generation, etc. These original properties find severalapplications in the domain of remote sensing of pollutants by non-linear Lidar measurements,lightning control, remote LIBS, etc.During my PhD work we have performed several laboratory experiments and field campaignwithin the context of Teramobile project. In particular we have studied the geometry offilamentation, its robustness in an extended region of turbulent air, the propagation ofultrashort pulses beam in multijoules regime, and atmospheric applications of filamentation.For example, we have characterized the angular distribution of the conical emission in thevisible and ultraviolet spectral bands. In another series of experiments, we have proved thatatmospheric turbulence is not a limiting factor of filaments propagation, which also keep theirspectral properties useful for atmospheric applications. Finally, we have illustrated a methodof laser triggering and guiding of lightning and realized laser induced condensation of waterdroplets in laboratory as well as in a reel atmosphere
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Quessab, Yassine. "Mechanism and size effects of helicity-dependent all-optical magnetization switching in ferromagnetic thin films." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0116.
Abstract:
Pour des applications technologiques d’enregistrement magnétique de l’information à haute densité et vitesse d’écriture et de lecture ultra-rapide, les chercheurs se sont penchés vers des méthodes de manipulation de l’aimantation sans application de champ magnétique externe. Il a été découvert qu’il était possible de renverser de manière déterministe l’aimantation de plusieurs matériaux ferri- et ferro-magnétiques à l’aide uniquement d’impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Ce retournement tout-optique s’est avéré être un processus cumulatif nécessitant plusieurs impulsions ultracourtes dans les matériaux ferromagnétiques. Notamment dans les multicouches (Co/Pt), le retournement tout-optique se fait en deux étapes : une désaimantation indépendamment de l’hélicité suivie d’une ré-aimantation dans une direction ou l’autre selon l’hélicité. Pour autant, le mécanisme à l’origine du rétablissement de l’ordre magnétique n’a pas été étudié jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous avons étudié le mécanisme de renversement de l’aimantation dans les couches ferromagnétiques résultant de l’excitation par impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Pour cela, nous étions intéressé par la réponse d’une paroi de domaine dans les couches minces de Pt/Co/Pt à la suite d’une excitation laser et en fonction de la polarisation de la lumière. Nous avons démontré la possibilité d’induire un déplacement tout-optique et déterministe d’une paroi de domaine. Nous montrons que la propagation de la paroi résulte de la compétition entre trois contributions : le gradient de température dû aux effets de chauffage par le laser, l’effet de l’hélicité de la lumière et les effets de piégeages de la paroi. Par ailleurs, par mesures expérimentales du dichroïsme circulaire, nous excluons un mécanisme purement thermique du déplacement de paroi. Ainsi nous confirmons que le retournement tout-optique des couches ferromagnétiques se fait par une nucléation suivie d’une ré-aimantation par propagation déterministe des parois de domaines selon l’hélicité. De plus, nous avons exploré la possibilité d’utiliser le retournement tout-optique dans des dispositifs spintroniques pour l’enregistrement de l’information à haute densité. Pour se faire, il est nécessaire d’étudier les effets de tailles du retournement lorsque le matériau est structuré en îlots à l’échelle du micro- ou nanomètre. Nous avons montré qu’un plus grand nombre d’impulsions laser est nécessaire afin de renverser l’aimantation de micro-disques comparés à la couche continue ferromagnétique. Il en résulte que le champ dipolaire aide le renversement de l’aimantation dans les couches continues rendant ainsi le retournement tout-optique énergétiquement plus favorableOver the past decade, the demand for an even higher capacity to store data has been gradually increasing. To achieve ultrafast and ultrahigh density magnetic data storage, low-power methods to manipulate the magnetization without applying an external magnetic field has attracted growing attention. The possibility to deterministically reverse the magnetization with only circularly polarized light was evidenced in multiple ferri- and ferro-magnetic materials. This phenomenon was called helicity-dependent all-optical switching (HD-AOS). In ferromagnets, it was demonstrated that HD-AOS was a cumulative and multishot process with a helicity-independent demagnetization followed by a helicity-dependent magnetization recovery. Yet, the microscopic mechanism of this helicity-dependent remagnetization remained highly debated. In this thesis, we investigated the magnetization reversal mechanism of all-optical switching in ferromagnetic materials. To explore a potential switching process through domain nucleation and domain wall (DW) propagation, we studied the response of a DW upon femto- or pico-second laser irradiation in Co/Pt thin films that exhibit HD-AOS. We reported helicity-dependent all-optical domain wall motion. We demonstrated that it results from the balance of three contributions: the temperature gradient due to the laser heating, the helicity effect and the pinning effects. By measuring the magnetic circular dichroism, a purely thermal mechanism of the laser-induced DW motion appears to be excluded. Furthermore, we examined the size effects in AOS in Co/Pt films patterned into microdots with a diameter between 10 and 3 μm. This allowed us to explore the role of the dipolar field in the switching mechanism. We discovered that a larger number of laser pulses was required to reverse the magnetization of a microdot compared to the continuous film. This indicated that the dipolar field actually eases the magnetization reversal in the full film. Thus, AOS is less energy-efficient in patterned films, hence making Pt/Co/Pt multilayers not an ideal candidate for integrating AOS in spintronic devices
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Mangote, Benoit. "Tenue au flux des couches minces optiques en régime subpicoseconde." Phd thesis, Université Paul Cézanne - Aix-Marseille III, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00664545.
Abstract:
L'endommagement laser est le résultat d'une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d'effets transitoires, capables d'affecter le seuil d'endommagement, lorsque la densité d'électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l'évolution du seuil d'endommagement en fonction de la durée de l'impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d'endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d'endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d'endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l'Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne.
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Amiard, Hudebine Gabriel. "Développement de sources lasers nanosecondes, picosecondes et femtosecondes et applications." Thesis, Bordeaux, 2019. http://www.theses.fr/2019BORD0024/document.
Abstract:
Cette thèse en deux parties porte sur le développement de sources lasers nano et picosecondes et leurs applications. La première partie présente l'étude, et la réalisation d'une chaîne amplificatrice laser nanoseconde pour l'allumage de turbomoteurs. Après avoir présenté les performances et l'évolution de cette chaîne seront présentes les résultats des campagnes d'essais réalisées sur une chambre de combustion sur un banc d'essai à l'ONERA dans des conditions de basses températures et de basses pressions. La deuxième partie de cette thèse traite du développement d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) nécessaire pour accorder en longueur d'onde dans l'infrarouge un laser impulsionnel picoseconde ou femtoseconde à haute cadence et forte puissance moyenne. Après avoir présenté la cavité de l'OPO ainsi que ses performances, nous détaillerons la capacité de cet OPO à générer des impulsions femtoseconde comprimées à partir d'impulsions pompe présentant un étirement temporelThis two-part thesis focuses on the development of nano and picosecond laser sources and their applications. The first part presents the study, and the realization of a nanosecond laser amplifier chain for the ignition of turboshaft engines. After the repport of the performances and the evolution of this amplifier chain will be presented the results of the tests carried out on a combustion chamber on a test bench at ONERA under low temperatures and low pressures conditions. The second part of this thesis deals with the development of an optical parametric oscillator (OPO) in order to tune in the infrared the wavelength of a pulsed picosecond or femtosecond laser at high cadency and high average power. After presenting the OPO cavity and its performance, we will detail the ability of this OPO to generate compressed femtosecond pulses from pump chirped pulses
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Gweha, Nyoma Danny Petty. "Size effects on all-optical helicity-independent switching in magnetic materials." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2023. http://www.theses.fr/2023LORR0035.
Abstract:
Au cours des quinze dernières années, le retournement tout optique à impulsion unique a été principalement observée et étudiée dans des films minces à base de métaux de transition et de Gd, avec un grand potentiel pour permettre de nouvelles applications de stockage de données, de mémoire, de logique magnétique rapide et économe en énergie. Pour se rapprocher de la nanotechnologie ou de la microtechnologie, il faut concevoir d'autres matériaux contenant peu ou pas de terres rares et réduire latéralement la taille des échantillons. Dans ce travail, nous démontrons expérimentalement le retournement tout optique de l'aimantation des disques de GdFeCo pour des diamètres allant de 3 µm à 400 nm en utilisant des impulsions laser de 35 femtoseconde polarisées linéairement. Deux différents états magnétiques sont observés en fonction de la fluence laser : soit un renversement déterministe de l'aimantation des disques, soit des disques orientés de façon aléatoire. Nous rapportons que les fluences requissent pour observer ses deux états magnétiques présentent un comportement non monotone avec le diamètre du disque, et que les plus petits disques nécessitent la fluence seuil la plus faible pour obtenir un retournement tout optique indépendant de l'hélicité avec une seule impulsion. Une évolution différente des fluences seuils pour les deux phénomènes est observée en fonction de la taille du disque. Ensuite, nous démontrons qu'en partant d'une bicouche Co/Pt avec une forte anisotropie perpendiculaire, le saupoudrage de Gd à l'interface est suffisant pour induire un retournement tout optique bien définie avec une seule impulsion. Une analyse minutieuse de l'impact de l'interface Gd/Co et de la composition de l'alliage GdCo sur le reversement tout optique est présenté. La démonstration qu'une très petite quantité de Gd est nécessaire pour provoquer le retournement de l’aimantation d’une couche ferromagnétique ouvre non seulement de nouvelles possibilités d'application, mais remet également en question la description théorique du mécanisme de retournement tout optique. Enfin, nous présentons une étude systématique du renversement de l'aimantation des disques de Pt/Co/Pt saupoudrés de Gd dont le diamètre varie de 1.5 µm à 400 nm avec des impulsions laser à polarisation linéaire de 35 fs. En faisant varier le nombre d'impulsions, il apparaît que la seule probabilité de retournement peut décrire le comportement du renversement de l’aimantation. La variation de cette probabilité est mesurée avec précision dans la gamme de 90% à 99.99%. De plus, la probabilité de retournement se dégrade lorsque le diamètre des disques est réduit. La variation "exponentielle" de cette probabilité de retournement avec le diamètre du disque ne peut pas être expliquée par des effets thermiques spécifiques. Au contraire, un processus de renversement hautement non-uniforme avec une faible probabilité de retournement microscopique explique nos données expérimentales. Un modèle probabiliste simple, analogue au théorème du jury de Condorcet est proposé et comparé aux simulations micro-magnétiquesIn the last fifteen years single pulse all-optical switching has mainly been observed and studied in Transition Metal- Gd based thin film with high potential for enabling new application for energy efficient and fast magnetic data storage, memory, and logic. To move closer to nano or micro technologies, other materials with no or less rare-earth need to be engineered and lateral sample size must be reduced. In this work, we experimentally demonstrate single pulse toggle switching of the magnetization of GdFeCo disks with perpendicular to film plane anisotropy which diameter ranges from 3 µm to 400 nm using 35 fs linearly polarized laser pulses. Two different magnetic states are observed depending on the laser fluence: either deterministic switching of the disks magnetization or randomly oriented disk. We report that the fluence required to observe both magnetic states show a non-monotonic behavior with disk diameter, and that the smallest disks require the lowest minimum fluence for achieving single pulse all-optical helicity-independent switching. Different evolution of the fluence thresholds for both phenomenon as a function of the disk size is observed and discussed. Then, we demonstrate that starting with a Co/Pt bilayer showing strong perpendicular anisotropy, Gd dusting at the interface is sufficient to induce well define single pulse all optical switching. A careful analysis of the impact of the Gd/Co interface and the CoGd alloy composition on all optical switching is presented. The demonstration that very little amount of Gd is needed to induce the magnetization reversal of a ferromagnetic layer not only open new possibility for application, but it also questions theoretical description of the toggle switching mechanism. Finally, we present a systematic study of the magnetization reversal for Gd-dusted Pt/Co/Pt ferromagnet disks which diameter ranges from 1.5 µm to 400 nm with 35 fs linear polarization laser pulses. By varying the number of pulses, it appears that a single toggle switching probability can describe the behavior. The variation of this switching probability is precisely measured in a range from 90% to 99.99%. The switching probability degrades as the diameter of the disks is reduced. The "exponential" variation of the switching probability with the disk diameter size cannot be explained by specific thermal effects. On the other hand, a highly non uniform switching process with a weak microscopic switching probability explains our experimental data. A simple probabilistic model, analog to Condorcet's jury theorem is proposed and compared to micromagnetic simulations
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Vieillard, Thomas. "Dynamique induite par champ laser femtoseconde intense : alignement moléculaire en milieu gazeux dense et effet Kerr." Phd thesis, Université de Bourgogne, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00697019.
Abstract:
Le sujet de cette thèse concerne l'étude de dynamiques induites par des impulsions lasers femtosecondes intenses. La première dynamique étudiée porte sur l'alignement de la molécule de CO2, pure ou en mélange avec l'argon ou l'hélium, en phase gazeuse dense (jusqu'à 20 bar), ce régime n'ayant jamais été étudié expérimentalement auparavant. L'alignement moléculaire, quand il est induit par une impulsion laser femtoseconde et intense, présente deux contributions qui apparaissent après passage de l'impulsion : un alignement permanent et un alignement transitoire. L'influence des collisions se manifeste alors par des transferts de population entre états rotationnels qui ont pour conséquence de faire décroître ces deux contributions. Le temps de décroissance de l'alignement permanent est seulement lié aux collisions inélastiques tandis que le temps de décroissance de l'alignement transitoire est lié à la fois aux collisions inélastiques et élastiques. Nous montrons alors que la détermination expérimentale de la contribution des collisions élastiques, expérimentalement difficile d'accès, est possible à partir de l'analyse des traces d'alignement moléculaire. Cette analyse se base sur la modélisation des taux de transfert entre états liés aux collisions inélastiques par des lois semi-empiriques du type ECS-(E)P. La contribution élastique des collisions déterminée est en bon accord avec des valeurs calculées selon un modèle classique. La deuxième dynamique étudiée est la dépendance en éclairement de l'effet Kerr électronique. Nous poursuivons alors les travaux menés par Loriot et al. en 2009 qui ont montré que l'indice Kerr électronique saturait avant de s'annuler puis de présenter une contribution négative lorsqu'on augmente l'éclairement (inversion du signe pour quelques dizaines de térawatts par centimètre carré). Nous avons alors étendu cette étude en observant à une longueur d'onde de 400 nm (800 nm dans l'étude originale) cette inversion du signe de l'indice Kerr dans l'air.
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Meyer, Rémi. "Contrôle du dépôt d'énergie par laser femtoseconde dans les diélectriques par faisceaux de Bessel : profil spatio-temporel de densité plasma et applications au clivage du verre." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2020. http://indexation.univ-fcomte.fr/nuxeo/site/esupversions/9cca4761-0970-4b3d-a6e9-01b766feff4d.
Abstract:
L'utilisation d'impulsions ultrabrèves pour l'usinage laser permet une grande précision du dépôt d'énergie grâce à un fort confinement de l'interaction laser-matière. Les effets non-linéaires liés à ce confinement sont aussi usuellement responsables de distorsions et d'instabilités dans le profil d'intensité lors de la propagation. Les faisceaux de Bessel à hauts angles coniques ont démontré être très performants pour l'usinage des diélectriques grâce à leur robustesse aux effets non-linéaires. En régime femtoseconde, ils permettent alors de générer dans les milieux transparents des nanocanaux à haut rapport de forme par tirs uniques dans les milieux transparents. Cependant la dynamique d'ablation et le couplage de l'impulsion avec le plasma induit sont encore peu compris dans ce cadre, et le modèle courant les décrivant reste incompatible avec les observations expérimentales. Cette thèse a pour objectif d'étudier cette interaction et se divise en deux axes de travail. Le premier axe porte sur la caractérisation de l'interaction laser-matière dans les milieux transparents pour le cas des faisceaux de Bessel femtoseconde grâce au développement et à l'exploitation d'une expérience pompe-sonde interférométrique. Nous mesurons la dynamique du plasma via les modifications d'indice de réfraction qu'il induit, résolues dans le temps et l'espace. Les résultats préliminaires obtenus montrent que le plasma est confiné dans un rayon inférieur à un micron et que la densité du plasma approche de la densité critique pour une énergie proche du seuil de formation de nanocanaux. Dans un second axe, nous travaillons sur l'effet d'un alignement de nanocanaux sur la fracture d'échantillons de verre et les applications des faisceaux de Bessel pour le clivage du verre. Nous levons ici deux limites principales concernant la qualité de fracture, en optimisant le profil spatial du faisceau. Nous montrons que l'utilisation de faisceaux de Bessel elliptiques améliore considérablement la qualité de clivage pour les plaques de verre minces (150 µm), et nous établissons une preuve de principe de clivage du verre de grande épaisseur (10 mm) en un seul passage sous le laser grâce à l'utilisation d'un dispositif composé de 3 axiconsThe use of ultrashort pulses for laser ablation allows for a precise energy deposition thanks to a highly confined laser-matter interaction. The non-linear effects causing this confinement are also usually responsible of beam profile distorsions along propagation and intensity instabilities. High cone angle Bessel beams have shown to be excellent candidates for dielectrics processing since they are robust to non-linear effects. In femtosecond regime, they are able to generate in single shot high aspect ratio nanochannels in transparent media. However the ablation dynamics and the coupling with the laser-induced plasma remain partially unclear in this case. The current model describing such interaction is uncompatible with experimental observations. This thesis investigates the laser-plasma interaction and follows two axes of work. First part is focused on the laser-plasma interaction characterization in transparent media and in the case of femtosecond Bessel beam, by developping and exploiting an interferometric pump-probe experiment. We measure the plasma dynamics through the plasma-related complex refraction index modifications, which we resolve in space and time. Preliminary results show a confined plasma (radius < 1 µm) in the transverse direction and whose density approaches the critical density for a pulse energy approaching the nanochannel formation threshold. In a second part, we investigate the effect of aligned nanochannels on the fracture ability of glass samples and its application to glass cleaving. Here we solve two limiting problems to high quality cleaving by spatial beam shape engineering: we demonstrate a signification improvement of 150 µm-thin glass cleaving by the use of elliptical-core Bessel beams; and we establish a proof of principle of 10 mm-thick glass single-pass cleaving thanks to a 3 axicons-based setup
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Awada, Chawki. "Nature cohérente et incohérente de la réponse de Second Harmonique dans les nanostructures métalliques d’or et d’argent." Thesis, Lyon 1, 2009. http://www.theses.fr/2009LYO10071/document.
Abstract:
Dans ce travail, les propriétés optiques non linéaires de différentes nanostructures métalliques à base d’or et d’argent sont étudiées. En particulier, une attention particulière est portée à la nature cohérente ou incohérente de la réponse. Pour cela, la technique de la Génération du Second Harmonique (SHG) est employée. C’est en effet l’une des méthodes optiques non linéaires les plus simples pour mettre en évidence cette nature cohérente ou incohérente de la réponse. Les échantillons utilisés pour cette mise en évidence sont constitués d’une part par des films diélectriques dopés par des nanoparticules bimétalliques d’alliages du type AuAg de différentes fractions molaires en or pour la réponse incohérente et d’autre part par des réseaux de nanocylindres d’or de différentes tailles disposés selon trois configurations géométriques (carrée, hexagonale et aléatoire) sur un substrat pour la réponse cohérente. La majeure partie du travail est dévolue à l’étude de la propagation et du doublage de fréquence en régime de faisceaux gaussiens et impulsions courtes dans les films diélectriques dopés par des nanoparticules bimétalliques en raison de phénomènes supplémentaires observés simultanément à la conversion de fréquence : absorption et réfraction non linéaire, phase de Gouy... Par la méthode des franges de Maker, les valeurs absolues des composantes de la susceptibilité non linéaire d’ordre 2 de ces films sont mesurées puis les valeurs absolues de l’hyperpolarisabilité quadratique des nanoparticules sont estimées sur la base d’un modèle de réponse incohérente. Enfin, une étude préliminaire sur la génération de continuum de lumière est présentée. La nature cohérente de la réponse SHG est recherchée dans les réseaux de nanocylindres. Nous montrons que l’origine de la réponse est associée à l’existence de défauts de surface dans ces nanostructures et donc conserve un caractère incohérent. Toutefois, nous avons pu mettre en évidence des effets associés à la taille des nanocylindres et à l’organisation des nanocylindres sur le substrat, ce dernier effet étant attaché à un caractère cohérent de la réponseIn this work, the non linear optical properties of different silver and gold metallic nanostructures are studied. In particular, a special attention is concerning the coherent or incoherent nature of the response. For that purpose, the Second Harmonic Generation (SHG) technique is used. It is indeed one of the simplest non linear optical methods to underline the coherent or incoherent nature of the response. Samples used for this reason are constituted on the first hand by dielectric films doped by bimetallic nanoparticles of clusters of the type AuAg of various gold molar fractions for the incoherent responses and on the other hand by arrays of gold nanocylinders of various sizes arranged according to three geometrical configurations (square, hexagonal and random) on a substrate for the coherent response. The major part of the work is devoted to the study of the propagation and the second harmonic frequency in regime of Gaussian beams and short pulses in dielectric films doped by bimetallic nanoparticles because of supplementary phenomena observed simultaneously in the conversion of frequency: non linear absorption and refraction, Gouy phase... By the method of the fringes of Maker, the absolute values of the coefficient of the second order non linear susceptibility of these films are measured then the absolute values of the quadratic hyperpolarizability of nanoparticles are estimated on the basis of a model of incoherent responses. Finally, a preliminary study on the light continuum generation is presented. The coherent nature of the SHG response is studied in the nanocylinders arrays. We show that the origin of the response is associated with the existence of the surface defects in these nanostructures and thus have an incoherent character. However, we were able to put in evidence the effects associated with the size of nanocylinders and with the organization of nanocylinders on the substrate, this last effect being attached to a coherent character of the response
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Hairaye, Camille. "Fonctionnalisation de surfaces par microstructuration laser." Thesis, Strasbourg, 2017. http://www.theses.fr/2017STRAD013/document.
Abstract:
Cette thèse porte sur la fonctionnalisation de surface par microstructuration laser. L’étude expérimentale a consisté à texturer des surfaces d’acier inoxydable avec une source laser impulsionnelle à fibre dopée Yb (1030 nm, 300 fs), dans le but de contrôler leur mouillabilité et de les rendre superhydrophobes. Par une optimisation des conditions d’irradiation, il est possible de conférer à la surface une structuration à double échelle de rugosité. Des structures d’une dizaine de micromètres sont réalisées par ablations successives selon un motif de lignes croisées, sur lesquelles se forment des nanostructures auto-organisées. La simulation du couplage de l’énergie dans la cible a permis de déterminer les paramètres opératoires pour limiter l’accumulation thermique en surface. L’étude fait clairement apparaître le rôle de la texturation dans l’apparition du caractère superhydrophobe de la surface, tout en soulignant l’influence des propriétés physico-chimiques du matériauThis PhD thesis is about surface functionalization by laser microstructuring. The experimental study consists in texturing stainless steel surfaces with a pulsed Yb fibre laser source (1030 nm, 300 fs), in order to control their wettability and confer to them superhydrophobic properties. With an optimization of the irradiating conditions on the target, it is possible to confer to the surface a dual-scale roughness. By successive ablations according to a pattern of crossed lines, microstructures in the range of tens of micrometres are realized, on which self-organized nanostructures are superimposed. Simulation of the energy coupling in the material allows to determine the process parameters to be used, in order to limit the thermal accumulation and avoid the melting of the surface. This study reveals the role of the laser texturing in the apparition of the superhydrophobic character and emphasizes the influence of the physicochemical properties of the material
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Korti, Mokhtar. "Contribution à la caractérisation des impulsions ultra-courtes à l’aide de sources laser rapidement accordables." Electronic Thesis or Diss., Evry, Institut national des télécommunications, 2018. http://www.theses.fr/2018TELE0014.
Abstract:
Les sources laser accordables se distinguent par leur capacité à changer leur longueur d’onde d’émission de façon continue dans le temps. Elles sont utilisées dans de nombreuses applications comme les télécommunications, la spectroscopie et la tomographie optique cohérente. Elles sont caractérisées principalement par une faible largeur de raie instantanée, une grande fréquence de balayage et une large plage d’accord. Les avantages des sources accordables ouvrent la voie vers d’autres types d’applications comme la caractérisation des impulsions ultra-courtes par exemple. Généralement, ces impulsions sont caractérisées via des méthodes non linéaires, lentes et trop compliquées à mettre en place. Nous avons donc proposé une nouvelle approche basée sur les sources accordables pour la caractérisation des impulsions ultra-courtes. En utilisant un laser à semi-conducteur accordable linéairement, type SG-DBR (Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector), nous pouvons balayer en une seule mesure tout le spectre optique des impulsions sous test. Le signal de battement entre la source accordable et le laser pulsé permet de mesurer l’amplitude et la phase spectrales des différents modes ce qui nous donne accès à la forme temporelle de l’impulsion. L’avantage de notre approche est que tout le processus de caractérisation se fait en une seule mesure très rapide. En effet, la grande fréquence de balayage du laser accordable permet d’avoir des temps de mesure très faibles (< 10 μs), ce qui offre la possibilité d’avoir des mesures en temps réel. De plus, grâce à la large plage d’accord, cette technique est complétement indépendante de l’impulsion sous test, elle ne nécessite aucune connaissance au préalable des différentes propriétés de cette dernière telles que la fréquence de répétition, le nombre de modes ou la fréquence de chaque modeOptical swept sources are distinguished by the ability to change their output wavelength in a continuous manner over time. They are used in many applications such as telecommunications, spectroscopy and optical coherence tomography. They are mainly characterized by a narrow instantaneous linewidth, a high sweep rate and a wide tuning range. The advantages of swept sources open the way to other types of applications such as the characterization of ultrashort pulses for example. Generally, these pulses are characterized using nonlinear methods which are slow and too complicated. We have proposed a novel approach based on swept sources for the characterization of ultrashort pulses. By using a linearly wavelength-swept semiconductor laser like SG-DBR (Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector), we can scan the entire optical spectrum of the pulses under test in a single measurement. The beat signal between the swept source and the pulsed laser is then used to measure the spectral amplitude and phase of all modes which gives access to the temporal shape of the pulse. The main advantage of our approach is that the entire characterization process is done in a single fast measurement. Indeed, the high sweep rate of the swept source offers the possibility of having real time measurements. In addition, thanks to the wide tuning range, this technique is completely independent of the pulse under test, it requires no prior knowledge of the various properties of the pulse such as the repetition frequency, the number of modes or the frequency of each mode
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Sarmani, Abdul Rahman. "Yb-doped femtosecond lasers and their frequency doubling." Thesis, St Andrews, 2008. http://hdl.handle.net/10023/781.
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Wu, Songping. "Femtosecond laser micro-structuring of silicon wafer in water confinement." Diss., Rolla, Mo. : Missouri University of Science and Technology, 2008. http://scholarsmine.mst.edu/thesis/pdf/Wu_09007dcc80493fda.pdf.
Abstract:
Thesis (M.S.)--Missouri University of Science and Technology, 2008.Vita. The entire thesis text is included in file. Title from title screen of thesis/dissertation PDF file (viewed April 3, 2008) Includes bibliographical references (p. 66-74).
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Darby, Mark Stuart Bennett. "Femtosecond pulsed laser deposition." Thesis, University of Southampton, 2009. https://eprints.soton.ac.uk/65796/.
Abstract:
This thesis investigates two variations of the conventional pulsed laser deposition (PLD) technique. The first technique is femtosecond PLD, whereby the laser used to ablate the target has a significantly higher peak intensity and shorter pulse duration as compared to conventional nanosecond lasers more commonly used for PLD. Experiments have been conducted on the growth of Nd:Gd is presented. Experimental results will show the composition and lattice parameter of a film can be controlled by changing the relative laser fluences on the two targets. Films have been grown with enough extra Ga to compensate for the deficiency that commonly occurs when depositing from only one Nd:GGG target.
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Kafka, Kyle R. P. "Laser-Induced Damage with Femtosecond Pulses." The Ohio State University, 2017. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1483661596059632.
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Chin, Roger S. "Femtosecond laser pulse compression." Thesis, University of British Columbia, 1991. http://hdl.handle.net/2429/29799.
Abstract:
Once the Spectra-Physics Femtosecond Laser System had arrived, it had to be characterized.
For further pulse compression, various techniques had to be considered. The best of these were chosen considering our needs and limitations.
First, the Spectra-Physics Femtosecond Laser System is described and its 616 nm laser pulses are characterized. By using an autocorrelation technique based on the nonlinear optical characteristics of a potassium dihydrogen phosphate (KDP) crystal and assuming a particular intensity pulse shape (such as that described by a symmetric exponential decay), the pulse width (full width at half maximum) could be obtained. Assuming a pulse shape described by a symmetric exponential decay function, the "exponential" pulse width was measured to be 338 ± 6 fs. The nominal average power of the 82-MHz modelocked pulse train was 225 mW. The "exponential" pulse energy was 2.7 nJ with a peak pulse power of 2.8 kW.
Theoretical calculations for fibre grating pulse compression are presented. Experimentally,
I was able to produce 68 ± 1 fs (exponential) pulses at 616 nm. The average power was 55 mW. The "exponential" pulse energy was 0.67 nJ with a peak power of 3.4 kW. The pulse compressor consisted of a 30.8 ±0.5 cm fibre and a grating compressor with the effective grating pair distance of 103.8 ± 1 cm.
Various techniques were considered for further pulse compression. Fibre-grating pulse compression and hybrid mode locking appeared to be the most convenient and least expensive options while yielding moderate results.
The theory of hybrid mode locking is presented. Experimentally, it was determined that with the current laser system tuned to 616 nm, DODCI is better than DQOCI based
on pulse shape, power, stability and expense. The recommended DODCI concentration is 2-3 mmol/l. The shortest "exponential" pulse width was 250 fs. The average power was 185 mW. The exponential pulse energy was 2.3 nJ with a peak pulse power of 2.6 kW.
An attempt to increase the bandwidth of the laser pulse by replacing the one-plate birefringent plate with a pellicle severely limited the tunability of the dye laser and introduces copious noise.
Attempts to reduce group velocity dispersion (responsible for pulse broadening) with a grating compressor was indeterminate, but did result in a slightly better pulse shape. Interferometric autocorrelation is recommended for such a study.
An increase or decrease from the nominal power output of the pulse compressor showed a decrease in pulse compression.Science, Faculty of
Physics and Astronomy, Department of
Graduate
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Dooley, Patrick W. Corkum Paul B. "Molecular imaging using femtosecond laser pulses." *McMaster only, 2003.
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Xu, Bingwei. "Control of multiphoton molecular excitation with shaped femtosecond laser pulses." Diss., Connect to online resource - MSU authorized users, 2008.
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Gabolde, Pablo. "Measurements of the spatio-temporal profiles of femtosecond laser pulses." Diss., Available online, Georgia Institute of Technology, 2007, 2007. http://etd.gatech.edu/theses/available/etd-06272007-101312/.
Abstract:
Thesis (Ph. D.)--Physics, Georgia Institute of Technology, 2008.Trebino, Rick, Committee Chair ; Kennedy, Brian, Committee Member ; Kuzmich, Alex, Committee Member ; Curtis, Jennifer, Committee Member ; Buck, John, Committee Member.
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Okoye, Raphael. "Manipulation of short pulses." Thesis, Stellenbosch : Stellenbosch University, 2013. http://hdl.handle.net/10019.1/85576.
Abstract:
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2013.ENGLISH ABSTRACT: An ultra-fast laser pulse can be described in the time or frequency domain. If the timebandwidth product of an ultra-fast pulse is not satisfied, then the pulse is stretched. Stretching can be described in the time or frequency domain. In the time domain, it is called a chirp and in the frequency domain, it is known as the group delay dispersion GDD. Various techniques can be used to stretch and compress laser pulses. In this project, a prism pulse compressor used for compressing stretched pulses was built. A 200nm supercontinnum generated in an all normal dispersion photonic crystal fibre (ANDi-PCF) was compressed using the prism pulse compressor from 2ps to 140fs. The experiment and physical interpretation presented in this project suggest that a shorter pulse duration less than the measured 140fs of the compressed supercontinnum can be obtained.
AFRIKAANSE OPSOMMING: 'n Ultra-vinnige laser puls kan beskryf word in tyd of frekwensie. As die tyd-bandwydte produk van ‘n ultra-vinnige puls nie bevredig is nie, dan is die puls uitgerek. Hierdie uitrekking kan beskryf word in tyd of frekwensie. In tyd word dit tjirp genoem en in frekwensie groep vertraging dispersie. Verskeie tegnieke kan gebruik word om ‘n laser puls te rek of saam te pers. In hierdie projek is ‘n prisma puls kompressor gebou om uitgerekte pulse saam te pers. ‘n 200nm bre e bandwydte puls (“supercontinuum”) is gegenereer in ‘n fotoniese kristal optiese vesel wat uitsluitlik normale dispersie toon (ANDI-PCF) en die puls is toe saamgepers met behulp van die prisma puls kompressor van‘n oorspronklike 2ps na 140fs. Die eksperiment en fisiese interpretasie wat in hierdie projek aangebied word dui daarop dat ‘n nog korter puls, minder as die gemete 140 fs, verkry kan word deur die bre e bandwydte puls verder saam te pers.
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McWilliam, Alan. "Femtosecond Cr⁴⁺:forsterite laser for applications in telecommunications and biophotonics /." Thesis, St Andrews, 2007. http://hdl.handle.net/10023/261.
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Bowlan, Pamela. "Measuring the spatiotemporal electric." Diss., Atlanta, Ga. : Georgia Institute of Technology, 2009. http://hdl.handle.net/1853/28188.
Abstract:
Thesis (M. S.)--Physics, Georgia Institute of Technology, 2009.Committee Chair: Rick Trebino; Committee Member: Jennifer Curtis; Committee Member: John Buck; Committee Member: Mike Chapman; Committee Member: Stephen Ralph.
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Ferreira, Paulo Henrique Dias. "Produção de nanopartículas de Au induzida por pulsos laser de femtossegundos formatados." Universidade de São Paulo, 2011. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76131/tde-19012012-083752/.
Abstract:
Neste trabalho investigamos a dinâmica de formação de nanopartículas de Au por pulsos de femtossegundos formatados (800 nm, 30 fs, 1 kHz e 2 mJ), induzida pela ionização da molécula de quitosana. Inicialmente desenvolvemos um sistema de formatação de pulsos ultracurtos que faz uso de um modulador espacial de luz, constituído por um arranjo linear de cristais líquidos, com o qual somos capazes de impor distintas modulações de fase ao pulso laser. Para monitorar o processo de produção de nanopartículas, montamos um sistema de excitação (pulsos de femtossegundos) e prova (luz branca), o qual permite a observação em tempo real do aparecimento da banda de plásmon e, consequentemente, da dinâmica de formação das nanopartículas. Resultados obtidos para pulsos não formatados (limitados por Transformada de Fourier) demonstraram que a formação de nanopartículas deve-se à ionização não linear da quitosana, a qual está relacionada à oxidação do grupo hidroxila para o grupo carbonila. Medidas de microscopia eletrônica de transmissão forneceram os tamanhos (entre 20 e 100 nm) e formatos (esferas, pirâmides, hexágonos, bastões, etc) das nanopartículas geradas. Ainda, nossos resultados revelaram que esta ionização é iniciada por absorção multifotônica, mais especificamente por absorção de 4 fótons. Utilizando pulsos formatados com fase espectrais constante, degrau e cossenoidal com diferentes frequências, investigamos a influência destes na formação de nanopartículas. Concluímos que os pulsos mais longos são mais favoráveis ao processo de ionização, e consequente redução dos íons de Au para a formação de nanopartículas metálicas. Este comportamento se deve, provavelmente, à redistribuição da energia absorvida para os modos vibracionais, o que é mais provável para pulsos mais longos. Assim, o método apresentado pode abrir novas maneiras para a formação de nanopartículas de metálicas, as quais podem ser mais exploradas dos pontos de vista aplicado e fundamental.In this work we have studied the synthesis of Au nanoparticles using shaped ultrashort pulses (800 nm, 30 fs, 1 kHz and 2 mJ), induced by the ionization of the chitosan. Initially we developed a pulse shaping setup that uses a spatial light modulator (liquid crystals array), with which we are able to impose distinct phase mask to the laser pulse. In order to monitor the nanoparticles production process, we used a pump-probe system, consisting of femtosecond pulses (pump) and white light (probe), which allows the observation of the plasmon band enhancement and hence the nanoparticles formation dynamics. The results obtained by Fourier Transform limited pulses have shown that the nanoparticles formation is due to the nonlinear ionization of chitosan, which is related to hydroxyl group oxidation to the carbonyl group. Transmission electron microscopy measurements provided the sizes (20-100 nm) and shapes (spheres, pyramids, hexagons, rods, etc.) of the produced nanoparticles. Moreover, our results revealed that ionization is initiated by multiphoton absorption, more specifically by four photons absorption. Using pulses shaped with constant, step and cossenoidal (with different frequencies) spectral phase masks, we investigated their influence in the nanoparticles formation. We conclude that longer pulses are more favorable to the ionization process and, consequently, to the gold ions reduction for the synthesis of the metallic nanoparticles. This behavior is probably due to the redistribution of the absorbed energy to the vibrational modes, which is more likely for longer pulses. Therefore, the approach presented here can open new ways to produce metallic nanoparticles, which can be further explored from applied and fundamental points of view.
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Heath, Daniel. "Digital micromirror devices and femtosecond laser pulses for rapid laser micromachining." Thesis, University of Southampton, 2017. https://eprints.soton.ac.uk/417275/.
Abstract:
Laser machining techniques are almost ubiquitous in industry for micro- to nanoscale fabrication. It is essential for the advancement of the field that faster, cheaper processes be developed. Enhancements in speed and fidelity of production can be made to both additive and subtractive writing techniques by using Digital Micromirror Devices (DMD), particularly when coupled with femtosecond laser pulses. The objective of this thesis is the demonstration of DMDs used in conjunction with ultrafast laser pulses for both novel and rapid machining applications; primarily image-projection based techniques, using DMDs as dynamic intensity masks, will be used for subtractive patterning, laserinduced transfer, multi-photon polymerisation and centimetre-scale micro-machining. The dynamic nature of the DMD enables its application to the field of multiple exposures, and the centimetre-scale machining is applied to functional biological assays. Adaptive mask techniques are used to enhance the image reproduction achieved, correct for positional errors introduced by translation stages, as well as to attain greyscale intensity control with a DMD in single ultrashort pulses. A new technique for producing digital holograms is developed, and will form the basis of future work. Image projection-based patterning using DMDs as dynamic intensity masks is shown via ablation, multiphoton polymerisation and Laser-Induced Transfer (LIT). Ablation was achieved in a range of materials (including, but not limited to: gold, graphite, diamond, bismuth telluride and antimony telluride, glass, nickel, glucose, and gelatin), with 2 micron resolutions in samples and overall sizes of 1cm2. A multiple exposure technique reduced final structure resolution by 2.7 compared to the diffraction limit possible in a single exposure – from 1m to 370nm on one experimental setup, and from 727nm to 270nm on a second setup. The first demonstration of shaped, solid-phase LIT deposits has been made, both in forward and backward directions of transfer. Adaptive optics techniques have been developed for DMD mask corrections, and have reduced the positional error of samples introduced by translation stages. Greyscale intensity patterns have been projected at samples using the strictly binary-style DMD display technology, and the loss of intensity in high spatial frequencies at the sample has been addressed. A novel method for the generation of binary holograms is introduced, which allows for several additional degrees of control over spatial intensity patterns when using DMDs, such as the effective mask position relative to imaging optics, greyscale control, the formation of images at multiple planes, phase control, and overall lateral shifts of the intensity distribution below a single DMD pixel width.
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Henderson, Gordon George. "Femtosecond laser studies of fullerenes and nanotubes." Thesis, University of Edinburgh, 2013. http://hdl.handle.net/1842/7737.
Abstract:
This work concerns the interaction of intense, ultrashort laser pulses with fullerenes and carbon nanotubes. This includes the excitation and ionisation dynamics of gas phase fullerenes and the response of carbon nanotubes to intense ultrashort laser pulses. When ionising C60 with laser pulses of duration between 50 fs up to a few hundred fs, the ionisation mechanism has been proposed to be thermal in nature, with the electronic subsystem ‘hot’ and the vibrational system ‘cold’ at the time of ionisation. Recent results show an anisotropy in the photoelectron angular distribution which may suggest more direct mechanisms at work. Velocity-Map Imaging photoelectron spectroscopy results are presented for the ionisation of C60 and C70 at various wavelengths, pulse durations and intensities and the results are compared to theoretical models. The results are described well by a thermal ionisation mechanism in which a significant number of electrons are emitted during the laser pulse. Electrons may gain a momentum ‘kick’ from the electric field of the laser which results in an anisotropy in the photoelectron angular distributions. Peaks are observed, superimposed on the thermal background, in the photoelectron kinetic energy spectra of fullerenes ionised by ultrashort laser pulses which were previously assigned as Rydberg peaks. Photoelectron angular distributions of these peaks are presented for C60 and C70 ionised with laser pulses of various wavelengths. The binding energies and anisotropy parameters fitted to the peaks suggest that they are due to the population and one-photon ionisation of superatom molecular orbitals (SAMOs). The results rule out a direct multiphoton population mechanism for these states and show many similarities with Rydberg fingerprint spectroscopy. The fusion of carbon nanotubes has been observed under high energy electron beams and fullerene molecules have been shown to fuse together after irradiation with ultrashort laser pulses. Results are presented for experiments where fusion of carbon nanotubes with ultrashort laser pulses was attempted. Thin carbon nanotube films are analysed via Raman spectroscopy after irradiation by single laser pulses. A number of low frequency radial breathing mode peaks were observed which suggest that fusion may have taken place at certain areas of the sample.
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Austin, Drake Ross. "Semiconductor Surface Modification using Mid-Infrared, Femtosecond Laser Pulses." The Ohio State University, 2017. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu150324882632046.
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Holzwarth, Ronald. "Measuring the frequency of light using femtosecond laser pulses." [S.l.] : [s.n.], 2000. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=96303006X.
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Borowiec, Andrzej Haugen Harold Kristen. "Ablation and micromachining of INP with femtosecond laser pulses /." *McMaster only, 2004.
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Holzwarth, Ronald. "Measuring the Frequency of Light using Femtosecond Laser Pulses." Diss., lmu, 2001. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:19-3214.
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Alshehri, Ali. "Micro and Nanostructuring of Polymers by Femtosecond Laser Pulses." Thesis, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2016. http://hdl.handle.net/10393/35356.
Abstract:
Micro/Nanostructuring of polymers by femtosecond pulses is of extreme importance because it drives applications in photonics and biomedicine. A femtosecond pulse, with an intensity of ∼ 10^13 W/cm^2, is capable of causing an optical breakdown and inducing permanent modification in the material. With such high intensity, and considering the fact that polymers possess high band gaps, the interaction nature is completely nonlinear, and the material can be modified locally on the surface and in bulk. The irradiated regions exhibit fluorescence, and they display new wetting properties as a consequence of the optical breakdown of a material. The optical breakdown can be investigated by studying the nonlinear absorption. In this thesis, we discuss the nonlinear absorption of fs-laser pulses inside polymers using transmission measurements. We show a step– function–like behaviour of the transmission, dropping abruptly to ∼ 20% at the optical breakdown threshold with a ∼ 40 % reduction in the band gap. Utilizing spectroscopy, we show that the laser-modified regions contain randomly distributed nanoclusters. The presence of localized nanoclusters is responsible for exhibiting fluorescence, within ∼ 10 µm3 for a single pulse. This feature was exploited to demonstrate high-density data storage in Polymethyl methacrylate (PMMA) without any special material preparation. We demonstrate up to 20 layers of embedded data that can be stored in a standard 120 mm disc. Storage capacity of 0.2 TBytes/disc can be achieved by adjusting read laser parameters. Besides the fluorescence capability induced in the bulk of polymers, the hydrophilicity shown by the fs–laser modified surface is utilized to study selective cell growth on the micro-structured Polydimethylsiloxane (PDMS) surface. We show that the C2C12 cells and rabbit anti-mouse protein attach preferentially to the modified regions when the surface is modified with low pulse energies. However, in the high pulse energy regime, the laser-modified regions exhibit superhydrophobicity inhibiting cell adhesion.
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Badger, Antony Daniel. "Transport in dense plasmas produced by femtosecond laser pulses." Thesis, University of Essex, 1997. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.361032.
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Centurion, Martin Psaltis Demetri. "Study of the nonlinear propagation of femtosecond laser pulses /." Diss., Pasadena, Calif. : California Institute of Technology, 2005. http://resolver.caltech.edu/CaltechETD:etd-05262005-174627.
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Bock, Katherine J. "Femtosecond Fiber Lasers." Thèse, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2012. http://hdl.handle.net/10393/23391.
Abstract:
This thesis focuses on research I have done on ytterbium-doped femtosecond fiber lasers. These lasers operate in the near infrared region, lasing at 1030 nm. This wavelength is particularly important in biomedical applications, which includes but is not limited to confocal microscopy and ablation for surgical incisions. Furthermore, fiber lasers are advantageous compared to solid state lasers in terms of their cost, form factor, and ease of use. Solid state lasers still dominate the market due to their comparatively high energy pulses. High energy pulse generation in fiber lasers is hindered by either optical wave breaking or by multipulsing. One of the main challenges for fiber lasers is to overcome these limitations to achieve high energy pulses. The motivation for the work done in this thesis is increasing the output pulse peak power and energy. The main idea of the work is that decreasing the nonlinearity that acts on the pulse inside the cavity will prevent optical wave breaking, and thus will generate higher energy pulses. By increasing the output energy, ytterbium-doped femtosecond fiber lasers can be competitive with solid state lasers which are used commonly in research. Although fiber lasers tend to lack the wavelength tuning ability of solid state lasers, many biomedical applications take advantage of the 1030 µm central wavelength of ytterbium-doped fiber lasers, so the major limiting factor of fiber lasers in this field is simply the output power. By increasing the output energy without resorting to external amplification, the cavity is optimized and cost can remain low and economical. During verification of the main idea, the cavity was examined for possible back-reflections and for components with narrow spectral bandwidths which may have contributed to the presence of multipulsing. Distinct cases of multipulsing, bound pulse and harmonic mode-locking, were observed and recorded as they may be of more interest in the future. The third-order dispersion contribution from the diffraction gratings inside the laser cavity was studied, as it was also considered to be an energy-limiting factor. No significant effect was found as a result of third-order dispersion; however, a region of operation was observed where two different pulse regimes were found at the same values of net cavity group velocity dispersion. Results verify the main idea and indicate that a long length of low-doped gain fiber is preferable to a shorter, more highly doped one. The low-doped fiber in an otherwise equivalent cavity allows the nonlinear phase shift to grow at a slower rate, which results in the pulse achieving a higher peak power before reaching the nonlinear phase shift threshold at which optical wave breaking occurs. For a range of net cavity group velocity dispersion values, the final result is that the low doped fiber generates pulses of approximately twice the value of energy of the highly-doped gain fiber. Two techniques of mode-locking cavities were investigated to achieve this result. The first cavity used NPE mode-locking which masked the results, and the second used a SESAM for mode-locking which gave clear results supporting the hypothesis.
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Ju, Heongkyu. "Photon-number squeezing of femtosecond optical pulses in nonlinear media." Thesis, University of Oxford, 2002. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.249632.
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Macpherson, James. "Characterisation and Optimization of Ultrashort Laser Pulses." Thesis, University of Waterloo, 2003. http://hdl.handle.net/10012/1237.
Abstract:
The ultrafast optical regime is defined, as it applies to laser pulses, along with a brief introduction to pulse generation and characterisation technologies. A more extensive description of our particular amplified pulse generation and SPIDER characterisation systems follows. Data verifying the correct operation of the characterisation system is presented and interpreted. Our laser system is then characterised in two different configurations. In each case, the data describing the system is presented and analyzed. Conclusions are made regarding the performance of both the characterisation and laser systems, along with suggested improvements for each.
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Mori, Andrew. "Time domain pulse shaping using a genetic algorithm." Thesis, Stellenbosch : University of Stellenbosch, 2010. http://hdl.handle.net/10019.1/4321.
Abstract:
Thesis (MSc (Physics))--University of Stellenbosch, 2010.ENGLISH ABSTRACT: Through the use of complex Laser Pulse Shaping, numerous fundamental laser induced processes may be controlled as well as studied. This work serves as an introduction into Laser Pulse Shaping, with the focus on a simple Pulse Shaping experiment, as well as to determine whether future, more complex processes may be similarly controlled. A description of Laser Pulse Shaping theory is presented here, along with a full explanation of a simple experiment to maximize second harmonic generation (SHG) through Pulse Shaping. This experiment is simple on a theoretical level yet complicated in both implementation as well as operation. The experimental setup and software integration required hardware compatibility in multiple programming languages. This work was successful in the sense that a fully automated dispersion compensation system, accomplished through the use of a genetic algorithm in a feedback controlled loop, was constructed and tested. The success of this experiment and the understanding gained in this work has laid the foundation for further complex Pulse Shaping systems to be achieved in future.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Komplekse Laserpuls-vervorming kan gebruik word om verskeie fundamentele laser-geinduseerde prosesse beide te beheer asook te bestudeer. Hierdie navorsingstuk dien as n inleiding tot Laserpuls-vervorming, spesifiek gefokus op n eenvoudige Pulsvervormings-eksperiment. Meer komplekse Pulsvervormingsopstellings kan toegepas word deur die kennis opgedoen in hierdie tesis. Die teoretiese agtergrond van Laserpuls-vervormings word bespreek, tesame met n eenvoudige eksperiment om die Tweede Harmoniek Skeppingsproses (SHG) te maksimeer deur van Laserpuls-vervorming gebruik te maak. Die eksperiment is teoreties eenvoudig, waar die implimentering asook bedryf meer kompleks is. Die bedryf van die eksperiment word in 2 dele hanteer: die hoofprogram en n Genetiese Algoritme gebruik in optimering. Die werking van Genetiese Algoritmes asook Ultrakort Pulse (USPs) en pulskarakterisering word ook bespreek. Die suksesvolle opstelling van die experiment en ook die eind resultate wat gevind is, maak dit moontlik om meer ingewikkeld komplekse laserpulsvervorming experimente te bestudeer.
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Suresh, M. "Neutral and ionic atoms and molecules in femtosecond laser pulses." Thesis, Queen's University Belfast, 2005. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.421008.
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Hort, Ondřej. "High harmonic generation with high energy femtosecond pulses." Thesis, Bordeaux, 2014. http://www.theses.fr/2014BORD0097/document.
Abstract:
Nous présentons nos travaux sur la génération d’harmoniques élevée (HHG) avec des impulsions térawatt femtosecondes. Nous avons effectué l’HHG avec les impulsions fondamentales de haute énergie et caractérisé l’émission de XUV spatialement et spectralement de manière monocoup et nous avons observé plusieurs structures dans le champ lointain. Ces structures sont très robustes et reproductibles et ont été observés dans de nombreux types de gaz et des géométries de génération. Sans caractérisation monocoup spatiale et spectrale les structures ne sont pas visibles. Nous avons développé des simulations simples pour identifier ces structures et nous avons pu observer des structures similaires. Nous les avons identifiés comme étant liées à la cohérence spatiale de la source XUV et la diffraction dans le champ lointain. Dans le champ proche, la phase et l’amplitude harmonique évoluent spatialement et temporellement et leurs profils sont fortement modulés. Ces profils modulés diffractent et créent des spectres structurés dans le champ lointain. Nous avons observé que la propagation dans un milieu générateur fin a peu d’influence sur les structures. Nous démontrons une mise en forme spatiale de l’impulsion fondamentale via l’optique adaptative et leur avantage pour HHG. Une optique adaptative nous permet d’avoir un faisceau à profil de phase régulier. Un tel faisceau est utilisé pour HHG avec un faisceau de grand diamètre et contrôle du faisceau XUV est démontrée. Nous avons développé une technique de post-compression de haute énergie, et nous avons obtenu des impulsionsde 10 fs et 10 mJ dans un profil quasi gaussien. La technique repose sur l’automodulation de phase induite par l’ionisation et est compatible avec des impulsions niveau TW de haute énergie. Nous avons effectué des HHG avec ces impulsions et obtenu des spectres XUV quasi continu avec des structures spatiales et spectrales. Nous avons effectué des simulations simples etdes simulations de SFA et nous avons observé des structures similaires même sans prendre en compte la propagation dans le milieuWe present our work on high harmonic generation with TW femtosecond pulses. We performed HHG with high energy femtosecond pulses and characterize the generated XUV emission spatially and spectrally at the single-shot basis and we observed many structures in spatially resolved XUV spectra in the far field. Those structures are very robust and reproducible and have been observed in many different gases and generation geometries. Without spatial and spectral characterization on the single-shot basis the structures are not visible. We developed simple simulations to identify those structures and we observed similar structures as experimentally. We identified them as a result of spatial coherence of the XUV source and the diffraction to the far field. In the near field, the harmonic amplitude and phase are spatially and temporally dependent and their profiles are strongly modulated. Such modulated profiles diffract to structured spatially resolved spectra in the far field. We observed that propagation of the XUV in the generating medium has little influence on the structures. We demonstrate spatial shaping of the driving pulses via adaptive optics and their advantage for HHG. An adaptive optics allows us to have the driving beam of regular spatial profile and phase even out of focus. Such a beam is used for HHG with a large diameter driving beam and control of the XUV beam is demonstrated. We developed a high energy TW post-compression technique and we obtained pulses of 10 fs and 10 mJ in a quasi-Gaussian spatial profile. The technique is based on ionization-inducedself-phase-modulation and is compatible with high energy TW level pulses. We performed HHG with such TW pulses and obtained XUV quasi-continuum spectra with spectral and spatial structures. We performed simple simulations and SFAsimulations and we observed similar structures even without considering the XUV propagation in the medium
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Mirim, Denilson de Camargo. "Desenvolvimento de processos de microusinagem com laser de pulsos ultracurtos." Universidade de São Paulo, 2016. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-29082016-111728/.
Abstract:
O desenvolvimento de sistemas laser com pulsos ultracurtos trouxe a possibilidade de usinagem de estruturas muito pequenas em praticamente qualquer tipo de material. Neste trabalho foi dada continuidade a estudos já iniciados no Centro de Lasers e Aplicações (CLA) com os materiais dielétricos, introduzindo a largura temporal dos pulsos laser como mais uma variável e utilizando os conhecimentos adquiridos para a determinação de limiares de ablação e parâmetros de incubação em alguns metais como: aço AISI 1045, aço inoxidável VI138, cobre eletrolítico e molibdênio. A ausência de calor no processo de ablação dos metais torna-se muito difícil, pois a criação de uma camada de íons é muito prejudicada pela mobilidade eletrônica ao seu redor. Assim a ablação de metais com pulsos ultracurtos, tem como principal mecanismo a explosão de fase associada a outros processos que também contribuem na ablação, porém em menor escala, como a explosão coulombiana e a fusão ultrarrápida. Além disso, propriedades como a constante de acoplamento elétron-fônon e a condutividade térmica assumem um papel importante e devem ser levadas em conta na investigação do processo de ablação dos metais. Este trabalho possibilitou a obtenção de parâmetros de operação nos quais o calor transferido para a rede é minimizado, possibilitando a microusinagem de precisão e alterações controladas na morfologia da superfície de diversos metais. Os resultados propiciaram assim condições para novos desenvolvimentos e aplicações práticas de usinagem com pulsos ultracurtos.The development of laser systems with ultrashort pulses brought the possibility of machining very small structures in virtually any type of material. In this work was continued the studies already started in Lasers and Applications Center (CLA), with dielectric materials, introducing temporal width of the laser pulses as another variable, and using the knowledge acquired to determine ablation threshold and incubation parameters of some metals such as AISI 1045 steel, VI 138 stainless steel, electrolytic copper and molybdenum. The absence of heat in the ablation process of metals is much more difficult since the creation of a layer of ions is greatly impaired by electronic mobility in its vicinity. Hence, the ablation process for metals with ultrashort pulses, has, as main mechanism, the phase explosion associated with other processes that also contribute in the process, but on a smaller scale, such as Coulomb explosion and ultrafast fusion. Moreover, properties such as electron-phonon coupling constant and thermal conductivity play an important role and should be taken into account in investigating the process of ablation of metals. This study made it possible to obtain operation parameter where the heat transferred to the lattice is minimized, enabling precision micromachining and controlled changes in the morphology of the surface of metals. The results provided conditions for new developments and real machining applications with ultrashort pulses.
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Paye, Malini. "Femtosecond pulse generation in solid-state lasers." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1994. http://hdl.handle.net/1721.1/38019.
Abstract:
Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1994.Includes bibliographical references (leaves 181-193).
by Malini Paye.
Ph.D.
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Wright, Peter. "Generation, Characterization and Application of the 3rd and 4th Harmonics of a Ti:sapphire Femtosecond Laser." Thèse, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2012. http://hdl.handle.net/10393/20628.
Abstract:
Femtosecond time-resolved photoelectron spectroscopy (fsTRPES) experiments have been used to study the photoelectron energy spectra of simple molecules since the 1980’s. Analysis of these spectra provides information about the ultrafast internal conversion dynamics of the parent ions. However, ultraviolet pulses must be used for these pump-probe experiments in order to ionize the molecules. Since current solid state lasers, such as the Ti:sapphire laser, typically produce pulses centered at 800nm, it is necessary to generate UV pulses with nonlinear frequency mixing techniques. I therefore constructed an optical setup to generate the 3rd and 4th harmonics, at 266.7nm and 200nm, respectively, of a Ti:sapphire (Ti:sa) chirped-pulse amplified (CPA) laser system that produces 35fs pulses centered at 800nm. Thin Beta-Barium Borate (β-BaB2O4 or BBO) crystals were chosen to achieve a compromise between short pulse durations and reasonable conversion efficiencies, since ultrashort pulses are quite susceptible to broadening from group velocity dispersion (GVD).
Output energies of around 11μJ and 230nJ were measured for the 266.7nm and 200nm pulses, respectively. The transform limits of the 3rd and 4th harmonic pulse lengths were calculated from their measured spectral widths. We found that the 266.7nm bandwidth was large enough to support sub-30fs pulses, and due to cutting at the lower-wavelength end of the 200nm spectrum, we calculated an upper limit of 38fs. The pulses were compressed with pairs of CaF2 prisms to compensate for dispersion introduced by transmissive optics. Two-photon absorption (TPA) intensity autocorrelations revealed fully compressed pulse lengths of 36 ± 2 fs and 42 ± 4 fs for the 3rd and 4th harmonics, respectively.
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Rahimiangolkhandani, Mitra. "Interaction of Structured Femtosecond Light Pulses with Matter." Thesis, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2021. http://hdl.handle.net/10393/42334.
Abstract:
Physics and potential applications of femtosecond laser pulses interacting with matter have captured interest in various fields, such as nonlinear optics, laser micromachining, integrated optics, and solar cell technologies. On the one hand, such ultrashort intense pulses make them practical elegant tools to be utilized for direct structuring of materials with high accuracy and numerous potential applications. On the other hand, studying the fundamental aspects and nonlinear nature of such interactions opens new remarkable venues for various unique investigations. In recent years, the emerging topic of structured light (also known as twisted or optical vortex light), i.e., a beam of light with a twisted wave-front that can carry orbital angular momentum (OAM), has attracted the attention of many researchers working in the field of light-matter interaction. Such beams offer various applications from classical and quantum communication to imaging, micro/nano-manipulation, and modification of fundamental processes involved in light-matter interactions, e.g., absorption and emission. Nevertheless, the fabrication of complex structures, controlled modification, and achieving a high spatial resolution in material processing still remain in the spotlight. Moreover, the fundamental role of orbital angular momentum in the nonlinear absorption of materials, particularly in solids, has yet remained a subject of debate. Addressing these points was the main motive behind this dissertation. To accomplish this objective and investigate new aspects of structured light-matter interaction, I conducted various experiments, the results of which are presented in this work. The general idea was to study the interaction of femtosecond laser radiation, having a structured phase and polarization, with the matter in two aspects: (i) surface morphology modification and (ii) nonlinear absorption of solids. In this regard, I studied surface processing of crystalline silicon and CVD diamond with femtosecond laser vortex pulses generated by a birefringent phase-plate, known as q-plate, in single and multiple pulse irradiation regimes, respectively. The characterization of the modified region was performed using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and atomic force microscopy (AFM). I demonstrated that upon irradiation of a single vortex pulse on silicon, a nano-cone structure is formed within the ablated crater, whose height was independent of the helicity of the twisted light. However, for a linearly polarized vortex pulse, the height of the nano-cone decreases at higher pulse energies. The dynamics of nano-cone formation and the role of polarization were also investigated by simulating the mass transport function in this process. Moreover, using superimposed vortex beams, we fabricated complex patterns containing several nano-cones, by single-shot irradiation on the silicon surface. My experimental results offer an ability to actively control and manipulate material, in terms of the nanocones position, in two dimensions with an ultra-high resolution. I further proceeded with our experiments in the multiple pulse regime on a diamond target. By irradiation of a high number of superimposed vortex pulses, I was able to imprint complex polarization states of structured light on the target surface in the form of periodic nano-ripples. This procedure enabled us to not only generate spatially varying nano-gratings but also directly visualize and study very complex states of polarization. Besides these surface structuring, I carried out experimental studies to investigate the response of bulk material to an incident circularly polarized vortex beam that carries orbital angular momentum. The experimental results reveal, for the first time, that such an interaction can produce a differential absorption that gives rise to helical dichroism. We demonstrate that this response is sensitive to the handedness and degree of the twist in the incident vortex beam. Such a dichroism effect may be attributed to the excitation of dipole-forbidden atomic transitions, e.g., electric quadrupole transitions. However, this explanation is not absolute and remains open to further research and investigations.