Spatial and temporal metrology of coherent ultrashort pulses inthe extreme-ultraviolet domain

par Hugo Dacasa Pereira

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Zeitoun.

Soutenue le 29-09-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (Établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Marino Marsi.

Le jury était composé de Philippe Zeitoun, Guillaume Dovillaire, Anne L'Huillier.

Les rapporteurs étaient Pedro Velarde, Jan Lüning.

  • Titre traduit

    Métrologie spatiale et temporelle des impulsions cohérentes et ultra-brèves dans le domaine ultraviolet extrême


  • Résumé

    Les impulsions ultra-brèves de rayonnement ultraviolet extrême (UVX) ont un grand champ d’application dans les domaines tels que le diagnostic de plasmas, la spectroscopie ou l’étude de la dynamique ultrarapide dans les atomes et les molécules.Aujourd’hui, il existe trois sources délivrant ce genre d’impulsions. Les harmoniques d’ordre élevé (HHG, en anglais) générés dans les gaz rares ou sur les solides peuvent fournir des impulsions attosecondes. Cependant, leur énergie, le plus souvent de l’ordre du nanojoule, limite les applications. L’amplification des impulsions harmoniques dans les plasmas créés par laser (SXRL, en anglais) a démontré pouvoir fournir des énergies de plusieurs dizaines de microjoules. Des énergies plus élevées peuvent être obtenues avec les lasers à électrons libres (LEL) UVX injectés, mais ce sont des Très Grandes Infrastructures ayant un accès limité.Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisé avec chacune des ces sources, avec pour objectif la génération d’impulsions plus brèves. Il est devenu nécessaire de développer des nouvelles techniques de métrologie temporelle des impulsions UVX ultra-brèves. De plus, beaucoup d’expériences, comme ceux impliquant des phénomènes non-linéaires, nécessitent de hautes intensités UVX. La focalisation efficace des impulsions de faibles énergies peut significativement augmenter le domaine d’application. De bons fronts d’onde sont nécessaires pour focaliser les impulsions UVX à haute intensité, et les optiques doivent aussi être de bonne qualité et alignées avec précision.Dans cette thèse, les propriétés spatiales des harmoniques d’ordre élevé ont été extensivement étudiées grâce à un senseur de front d’onde UVX. Cet appareil couplé à une source HHG a démontré être utile pour la caractérisation de table et à la longueur d’onde ainsi que pour l’optimisation de systèmes optiques UVX.Le problème de la mise en place de la complète caractérisation temporelle d’impulsions UVX est aussi discuté en détail, et deux nouveaux schémas pour la reconstruction d’impulsions de LEL injectés et de lasers X à plasma sont présentés. Finalement, la première implantation d’un système d’amplification à dérive de fréquence (CPA, en anglais) sur un LEL UVX est présentée et son implantation pour les lasers X à plasmas est aussi discutée.


  • Résumé

    Ultrashort pulses of extreme-ultraviolet (XUV) radiation have a wide range of applications in fields such as plasma probing, spectroscopy, or the study of ultrafast dynamics in atoms and molecules.Nowadays, there are three main sources of such pulses. High-order harmonic generation (HHG) in rare gases or solid surfaces is able to provide attosecond pulses. However, their limited energy, of the order of nanojoules, limits its number of applications. The amplification of high-harmonic pulses in laser-driven plasmas (SXRL) has been demonstrated to provide energies of tens of microjules. Higher pulse energies can be obtained from seeded XUV free-electron lasers (FELs), large-scale facilities with more limited accessibility.In recent years, significant progress has been made with each of these sources towards the generation of shorter pulses. It is thus necessary to develop new techniques for full temporal metrology of ultrashort XUV pulses. Additionally, many experiments, such as those involving nonlinear phenomena, require high XUV intensities. Efficient focusing of low-energy pulses can significantly increase their range of application. Good wavefronts are required in order to focus XUV pulses to high intensities, and the optics must be of high quality and precisely aligned.In this thesis, the spatial properties of high-harmonic pulses are extensively explored thanks to the use of an XUV Hartmann wavefront sensor. This device is also proven here to be useful for tabletop, at-wavelength characterization and optimization of XUV optical systems with HHG sources.The problem of performing full temporal characterization of XUV pulses is also discussed in detail, and two new schemes for complete pulse reconstruction for seeded XUV FELs and seeded SXRLs are presented. Finally, the first implementation of chirped pulse amplification (CPA) in a seeded XUV FEL is reported, and its implementation in seeded SXRLs is discussed as well.


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