Projet pilote de l'institut de la lumière extrème : source de pompe de forte énergie pour l'amplification paramétrique d'impulsions de 10 fs

par Florence Friebel

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Frédéric Druon.


  • Résumé

    Le projet Apolllon-10 PW est une chaîne laser délivrant des impulsions 10PW et une intensité de 〖10〗^22 W⁄(cm^2 ). Pour atteindre cette énergie 15 fs impulsions d'une énergie de 150 J sont obligatoires. Pour atteindre ces exigences Optique Paramétrique Chirped Pulse Amplification (OPCPA) est nécessaire. Cela exige sources de pompage de la bande passante stables et larges. Ce travail porte sur le développement des amplificateurs de la pompe pour les étapes de OPCPA dans le régime nanoseconde et dans le régime de la picoseconde. Pour ces sources de pompage, il a été nécessaire pour obtenir des énergies de l'ordre de 10 mJ à 100 mJ idéalement à une vitesse de 100 Hz de répétition. Le matériau de choix était Yb: CaF_2, en raison de ses bonnes propriétés spectrales et thermiques. L'émission section transversale de ce cristal est faible. Cela influence la conception de l'installation et à titre de compensation du faible gain, l'amplificateur est configuré comme multipass. Les amplificateurs ont été développés sur deux paramètres. Le premier était une puissance élevée et la seconde à haute énergie. Pour l'amplificateur de puissance élevée de la géométrie du cristal est une configuration de miroir actif. Elle est particulièrement adaptée à la gestion de la chaleur nécessaire pour les besoins de haute puissance. Les influences et la taille de la lentille thermique du cristal ont été mesurées dans la gamme dynamique lente et rapide. A la suite de cette mesure une lentille thermique positive a été mesurée. Les résultats concernant la sortie de l'amplificateur sont satisfaisants 57 mJ à 20 Hz et 39 mJ à 100 Hz. Les résultats préliminaires de OPCPA de pompage en régime picoseconde avec cet amplificateur ont été atteints, ~ 1 mJ, avec une largeur de bande de ~ 100 nm. Concernant le deuxième objectif dans ce travail, l'énergie de l'amplificateur de la configuration est un multipass basé sur un amplificateur angle de coupe Brewster. La première de ce cristal est limitée en raison de son seuil de dommage laser à moins de 100 mJ. Afin de contourner cette limitation un interféromètre de Sagnac est ajouté à l'entrée de l'amplificateur. Avec la technique de combinaison cohérente l'énergie de sortie peut être poussée à 160 mJ à 20 Hz. Ces résultats présentent le plus élevé atteint par la combinaison cohérente en cristaux massifs. Mot Clés : Laser, Ytterbium, Laser de Puissance, Amplifications optique, Yb : CaF_2, Laser de haute intensité, Chaîne laser matériel dopes a l’Ytterbium, Laser pompe par diode

  • Titre traduit

    High energy amplifiers using Yb : caF2 dedicated to pump 10-fs optical-parametric-chirped-pulse-amplification systems


  • Résumé

    The Apolllon-10 PW project is a laser chain delivering 10PW pulses and an intensity of 〖10〗^22 W⁄(cm^2 ). To reach this energy 15 fs pulses with an energy of 150 J are required. To achieve these demands Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (OPCPA) is required. This demands stable and broad bandwidth pump sources. This work is concerned with the development of the pump amplifiers for the OPCPA stages in the nanosecond and in the picosecond regime. For this pump laser sources it was required to achieve energies in the range of 10 mJ to 100 mJ ideally at a repetition rate of 100 Hz. The material of choice was Yb:CaF_2, because of its of its good spectral and thermal properties. The emission cross-section of this crystal is low. This influences the design of the setup and as compensation for the low gain the amplifier is setup as multipass. The amplifiers have been developed on two parameters. The first was high power and the second high energy. For the high power amplifier the geometry of the crystal is an active mirror configuration. It is uniquely adapted to the heat management necessary for high power requirements. The influences and size of the thermal lens of the crystal have been measured in the slow and fast dynamic range. As the result of this measurement a positive thermal lens has been measured. The results concerning the output of the amplifier are satisfying 57 mJ at 20 Hz and 39 mJ at 100 Hz. Preliminary results of OPCPA pumping in the picosecond regime with this amplifier have been achieved, ~ 1 mJ, with a bandwidth of ~100 nm. Concerning the second focus in this work, the energy of the amplifier the setup is a multipass based on a Brewster angle cut amplifier. The first this crystal is limited due to its laser damage threshold to less than 100 mJ. To circumvent this limitation a Sagnac interferometer is added to the amplifier entrance. With the technique of coherent combining the output energy can be pushed to 160 mJ at 20 Hz. These results present the highest achieved with coherent combination in bulk crystals.