Etude et développement de sources laser XUV par injection d’harmoniques d’ordre élevé

Study and development of a soft X-ray laser seeded by high-order harmonic

• Auteur / Autrice : Jean-Philippe Goddet
• Direction : Stéphane Sebban
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers et matière
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : David Ros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Jacquemot, Victor Malka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Balcou, Philippe Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Rayons X -- Diffraction

Résumé

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à étudier une géométrie de lasers XUV inspirée des lasers de puissance. Cette architecture, consistant en un injecteur (une source d’harmoniques d’ordre élevé) couplé à un amplificateur (plasma créé par laser), correspond à celle d’une chaîne laser de puissance dans la gamme spectrale de l’XUV. Le laser à 32,8 nm étudié ici, est produit par l’injection d’harmonique d’ordre élevé dans un plasma de krypton créé par Optical Field Ionisation (OFI). Ce schéma, initialement testé par T. Ditmire en 1995, a été validé en 2003 au Laboratoire d’Optique Appliquée avec un amplificateur plasma créé par l’interaction d’un laser intense et d’un milieu gazeux. Cette thèse s’inscrit dans la continuité de ce dernier travail en tentant d’aborder différents aspects liés, non seulement à une meilleure compréhension des processus physiques impliqués, mais aussi à la caractérisation spatio-temporelle de ce type de source. Nous avons démontré expérimentalement et pour la première fois qu’une source dans le domaine de l’XUV peut être à la fois très compacte, énergétique (1 µJ par impulsion), proche de la limite de diffraction et de celle de Fourier. En effet, grâce au filtrage spatial des harmoniques par le milieu amplificateur, le laser XUV injecté à 32,8 nm montre un profil spatial gaussien avec une divergence de 0,7 mrad (à 1/e2). Le front d’onde a été mesuré avec un senseur de type Hartmann et atteint une valeur de lambda/17 en écart quadratique moyen, démontrant que cette source XUV est limitée par la diffraction. Les caractérisations temporelles du laser montrent que le temps de cohérence est de l’ordre de la durée d’émission spontanée de l’amplificateur. Les résultats de la mesure de la cohérence temporelle présentent un profil gaussien de largeur spectrale relative delta lambda/lambda égale à 10-5 (à mi-hauteur) correspondant à une durée d’impulsion de l’ordre de 5 ps.

The work in this thesis aimed to study a geometry of XUV lasers inspired by high power laser. This architecture, consisting of an injector (a source of high-order harmonics) coupled to an amplifier (plasma created by laser), corresponds to that of a laser chain in the spectral range of the XUV. The laser at 32. 8 nm studied here, is produced by the injection of high-order harmonic in a krypton plasma created by Optical Field Ionization (OFI). This scheme, initially tested by T. Ditmire in 1995, was validated in 2003 with a plasma amplifier created by the interaction of intense laser and a gaseous medium at the Laboratoire d’Optique Appliquée. This thesis is a continuation of that work in trying to address different aspects, not only a better understanding the physical processes involved, but also the spatio-temporal characterization of this type of source. We have demonstrated experimentally for the first time a source in the XUV, witch can be both highly compact, energetic (1 μJ per pulse), close to the diffraction limit and Fourier transform limited. Indeed, through the spatial filtering of harmonics by the amplifying medium, the injected XUV laser at 32. 8 nm shows a Gaussian spatial profile with a divergence of 0. 7 mrad (at 1/e2). The wavefront was measured with a Hartmann sensor and presents a value of l/17 in standard deviation, demonstrating that the XUV source is diffraction limited. The temporal characterization of laser shows that the coherence time is of the order of the duration of spontaneous emission of the amplifier. The temporal coherence presents a Gaussian profile with a relative spectral width Dl/l equal to 10-5 (FWHM) corresponding to a pulse duration of about 5 ps.