Développement d'une source laser femtoseconde de quelques cycles optiques pour la génération d'harmoniques sur cible solide

par Alexandre Trisorio

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gérard Mourou et de Rodrigo Lopez-Martens.


  • Résumé

    L'activité scientifique au Laboratoire d'Optique Appliquée s'oriente autour du développement de sources laser ultra-brèves et ultra-intenses ainsi qu'à leur application pour la recherche dans de nombreux domaines de l'interaction laser-matière. En effet, ces sources lumineuses sont un instrument de choix permettant de nombreuse expériences dans le domaine de la physique des champs intenses: accélération de particules (électrons, protons), réalisation de sources X et gamma, étude résolue en temps de phénomènes ultra-rapides en biologie ou en chimie. On peut également citer la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans les gaz ou dans les plasmas surdenses (cible solide). La production et la mise en phase de ces harmoniques ouvrent quand à elles la voie à la génération d'impulsions attosecondes (1 as=10-18 seconde) qui permettront de sonder des phénomènes très rapides tels que la dynamique des électrons autour de leur noyau. C'est sur cette dernière thématique que s'articule l'activité du groupe de Physique du Cycle Optique. En effet, des travaux théoriques ont montrés que la génération d'impulsions lumineuses attosecondes en régime relativiste était réalisable et ce avec une efficacité du processus sans précédent (environ 10-3). Il est maintenant possible d'obtenir des intensités relativistes (1018 W. Cm-2) avec des lasers kHz délivrant des impulsions de quelques cycles optiques (de durée inférieure à 10 fs à 800 nm). Un régime d'interaction particulier, dénommé régime 3, a également été mis en évidence théoriquement. Dans ce régime, les impulsions de quelques cycles optiques sont focalisées sur des taches focales de l'ordre de la longueur d'onde du laser. Toute l'énergie laser est alors contenue dans un volume focal de l'ordre de la longueur d'onde élevée au cube. Des harmoniques d'ordres élevés sont alors générées par interaction avec un plasma surdense et l'efficacité du processus peut atteindre 10-1. Afin de réaliser ces expériences, il est nécessaire de disposer d'une source laser délivrant des impulsions de quelques cycles optiques seulement et dont l'énergie est supérieure à 1 mJ avec un taux de répétition de 1 kHz. A ces exigences s'ajoutent deux contraintes majeures. La première porte sur le contraste temporel de l'impulsion: il doit être de 10 ordres de grandeurs au moins afin d'éviter une ionisation non souhaitable de la cible solide. La seconde porte sur la stabilisation de la phase d'offset (ou phase absolue) du champ électrique de l'impulsion par rapport à son enveloppe. En effet, pour des durées d'impulsions de quelques cycles seulement, le processus de génération d'harmoniques d'ordres élevés devient sensible à ce paramètre. Ce travail de thèse s'intègre dans cet objectif de développement et de caractérisation d'une source laser ultra-brève, ultra-intense, à haut contraste, stabilisée en phase absolue et dédiée à la génération d'harmoniques en régime relativiste. Nous avons effectué une caractérisation complète des performances du système laser commercial. Nous avons validé expérimentalement un système de compression hybride sur ce système CPA installé en salle noire. Ce dispositif de compression composé d'une ligne à prismes et de miroirs chirpés semble être un choix judicieux. En effet, cette solution permet de diminuer les effets non linéaires introduits par le compresseur à prismes. L'énergie des impulsions après compression a pu être portée jusqu'à 1,26 mJ et la durée à mi-hauteur en intensité des impulsions réduite à 24 fs, la puissance crête est alors de 53 GW, soit 1,8 fois plus que le système commercial. Le contraste temporel est tout à fait acceptable et la stabilisation en phase du système a été réalisée tout en restant très proche des performances du système dans sa configuration d'origine. Nous avons développé et caractérisé une source laser délivrant des impulsions ayant une durée de 22 fs à mi-hauteur en intensité et une énergie de 4 mJ, soit une puissance crête de 181 GW et ce avec un taux de répétition de 1 kHz. Cette source utilise l'oscillateur, le dispositif d'étirement et l'amplificateur du système commercial. A la suite de ce premier étage d'amplification, nous avons ajouté un second amplificateur multi-passages que nous avons développé au laboratoire. Ce second étage d'amplification permet d'atteindre une énergie de 6 mJ pour les impulsions en sortie d'amplificateur. Afin d'effectuer la compression temporelle des impulsions, nous avons utilisé un compresseur hybride composé d'une ligne à prismes et de miroirs chirpés. Ce compresseur, associé à une gestion globale de la phase spectrale grâce d'une part à des calculs préliminaires et d'autre part au dispositif DazScopeTM (mesure et optimisation de la phase spectrale) ont permis d'obtenir des impulsions presque limitées par transformée de Fourier, attestant ainsi de la qualité de la compression. Le contraste picoseconde (107) et la stabilité en énergie des impulsions (2,6 % rms) sont tout a fait satisfaisants. Concernant la qualité spatiale du faisceau, le mode n'est pas parfaitement gaussien, toutefois, en champ lointain, le profil d'intensité spatiale est satisfaisant et utilisable. L'objectif initial, qui était le développement et la caractérisation d'une source laser sub-25 fs, multi-mJ à 1 kHz est donc atteint. De plus ce système permet, comme on l'a vu, d'effectuer les travaux nécessaires à la génération d'impulsions de quelques cycles optiques par des techniques non linéaires. Cette source est actuellement utilisée à ce niveau d'énergie afin de produire des impulsions sub-10 fs à l'aide de techniques non linéaires. Notre choix s'est plutôt porté sur la technique de la fibre creuse. Nous avons réussi à générer des impulsions de 5 fs, et de puissance crête 172 GW à 1 kHz. La technique de la fibre creuse semble permettre de générer des impulsions de quelques cycles de manière robuste. Les principaux avantages de cette méthode sont d'une part que le profil du faisceau issu de la fibre creuse est de grande qualité dû à la sélection modale lors de la propagation dans la fibre. D'autre part, étant donné que la fibre est fixe, on s'attend à une excellente stabilité de pointé du faisceau. Afin d'obtenir des impulsions plus énergétiques en sortie de fibre, des essais sont en cours avec une fibre de diamètre plus important. Cela devrait permettre d'injecter la quasi totalité des 4 mJ issus de la chaîne laser tout en évitant l'ionisation du gaz. Nous espérons obtenir des impulsions dont l'énergie est d'environ 2 mJ, avec une durée de 5 fs soit une puissance crête de 0. 5 TW avec un taux de répétition de 1 kHz. La technique de l'auto-compression par filamentation semble être une alternative moins adaptée, principalement à cause de la limitation plus basse en énergie des impulsions et à l'inhomogénéité de la durée de l'impulsion sur la section transverse du faisceau. Toutefois, le régime d'auto-compression peut être intéressant pour des applications ne nécessitant que des impulsions de faible énergie. Nous avons également réalisé des travaux exploratoires et mis en évidence deux techniques expérimentales permettant d'influencer le régime de multi-filamentation. D'une part l'utilisation d'une polarisation circulaire pour l'impulsion initiant la multi-filamentation. Cela permet d'augmenter l'énergie et la stabilité de pointé des impulsions issues des filaments générés. D'autre part, nous avons montré que l'utilisation du miroir déformable pour le contrôle dynamique du front d'onde du laser incident est une technique prometteuse pour l'obtention de figures de multi-filamentation stables. Outre le fait que ces expériences permettent d'étudier le phénomène de multi-filamentation lui même, elles semblent mettre en lumière des techniques prometteuses et efficaces pour la mise en place d'une source laser ultra-brève au niveau multi-GW à faisceaux multiples.

  • Titre traduit

    Development of a few-cycle femtosecond laser source for high harmonic generation on solid state targets


  • Résumé

    Research at the « Laboratoire d’Optique Appliquée » (LOA) is oriented on the development of ultra-short and ultra-intense laser sources and on their application for laser-matter interaction experiments. Indeed, ultra-short laser sources are a nice tool allowing experiments in several areas of high field physics like particle acceleration, secondary X ray and Gamma sources, time resolved study of chemical processes… Among them it is worth considering high harmonic generation in gases or in over dense plasmas (solid state targets). The generation and the phase matching of these harmonics open the way to the production of attosecond light pulses that can be a nice probe to study ultra-fast processes like electron dynamics in atoms. The scientific work of the « Physique du Cycle Optique » (PCO) group is mainly devoted to this last thematic. « En effet » theoretical work have demonstrated that attosecond pulse generation in the relativistic regime is possible with an unprecedented efficiency of 10-3. It is now possible to obtain relativistic intensities (1018 W. Cm-2) with kHz lasers delivering few-cycle pulses (with a duration of less than 10 fs at 800 nm). One particular interaction regime, called « 3 regime » has been highlighted theoretically. In this regime, a few-cycle light pulse is focused on a solid state target, the focal spot size is in the order of the laser wavelength. All the energy is then concentrated in a focal volume of the order of the wavelength to the power 3. High order harmonics are then produced due to the interaction of the light pulse with the generated over dense plasma. In this case, the efficiency can reach 10-1. In order to generate experimentally such a type of harmonics, one have to build a laser source delivering few-cycle pulses with an energy of more than 1 mJ at a repetition rate of 1 kHz. Moreover, two additional constrains have to be overcome. The first one is the temporal contrast of the laser pulse: it has to be more than 1010 in order to avoid unwanted pre-ionisation of the target. The second one is the stabilisation of the relative phase between the maximum of the electric field and the maximum of the envelope of the pulse. Indeed, for few-cycle pulses, the harmonic generation process is sensitive to this Carrier-Envelope phase Offset (CEO phase). This PhD thesis’ work is integrated in the following goal: the design, development and characterization of a few-cycle, high contrast and CEO phase stabilized laser source for harmonic generation in the relativistic regime. We performed a complete characterization of the performances of the commercial system. We experimentally validated an hybrid pulse compression scheme on this CPA laser source. This compressor made of a prisms delay line and chirped mirrors seems to be a good choice. In fact, this solution allows to decrease non-linear effects due to the prisms’ material. Compressed pulse energy was brought to 1. 26 mJ and it’s FWHM duration was decreased to 24 fs. This improvement lead to a 53 GW laser source which is 1. 8 times better than the commercial system. Temporal contrast is quite good and CEO phase stabilization was performed leading to a phase jitter of 200 mrad. We also developed and characterized a CPA laser source delivering 22 fs, 4 mJ light pulses at a repetition rate of 1 kHz. This laser source uses the oscillator, the stretcher and the amplifier stage of the previously described commercial system. After the first amplifier, we added a home-made multi-pass amplifier. This amplifier allows to increase the amplified pulse energy to 6 mJ. Temporal pulse compression is done with an hybrid compression scheme (prisms line + chirped mirrors). This compressor associated with the DazscopeTM apparatus (allowing spectral phase measurement and optimisation) allow the generation of Fourier transform limited pulse duration showing the quality of the temporal pulse compression. The picosecond contrast (107) and the pulse energy stability (2. 6 % rms) are satisfying. Concerning the beam quality, the spatial intensity profile is not Gaussian, however in the far field, the beam profile is good enough and usable. The initial goal, consisting of the development and characterization of a sub-25 fs, multi-mJ laser source at 1 kHz is reached. Moreover this laser system is successfully used for few-cycle pulse generation thanks to non-linear techniques. This laser source is used to produce sub-10 fs pulses, our choice is to use the hollow fibre technique to generate such pulses. We succeeded in generating 5 fs pulses carrying a 172 GW power with a repetition rate of 1 kHz. The hollow fibre technique seems to be a robust way to produce this type of pulses. The main advantage is the excellent mode quality thanks to the guiding into the fibre. In addition, since the output of the fibre is fixed, the beam pointing stability is enhanced. In order to obtain more energetic pulses, experiments are still in progress with a fibre with a bigger core in order to inject the 4 mJ pulses out coming from the CPA source. We want to obtain 5 fs pulses with an energy of 2 mJ which would be a 0. 5 TW laser source at a 1 kHz repetition rate. The filament self-compression technique seems to be a less interesting technique for high energy few-cycle pulse generation mainly due to pulse energy limitation inherent to the filamentation process. It also seems that the pulse duration is varying across the beam. However, the self-compression regime can be interesting for applications that need only low energy pulses. Finally we did experiments that lead to two new techniques allowing to influence the multi-filamentation regime. The first one is the use of a circularly polarized beam that allows to increase the energy and the beam pointing stability of the filamenting pulses. The second one is the use of a deformable mirror in order to control dynamically the number of out coming filamenting pulses by changing the wavefront of the initial laser pulse. These methods can have an application in the design of few-cycle, multi-beam laser source.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (197 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2008)316
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