Experimental and theoretical study of X-ray lasers pumped by an ultra-short laser pulse : transient pumping of Ni-like Ag ions

• Auteur / Autrice : Jaroslav Kuba
• Direction : Annie Klisnick, Ladislav Drška
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec České vysoké učení technické (Prague)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à rayons X

Mots clés libres

@Lasers X dits "collisionnels transitoires"

Résumé

Dans cette thèse nous étudions expérimentalement et théoriquement un nouveau type de lasers X, dits " collisionnels transitoires ". Ces lasers sont pompés par la combinaison d'une impulsion laser 'longue' (-500 ps) et d'une impulsion courte ( ̃1 ps ou moins). Ce schéma permet de réduire drastiquement l'énergie nécessaire pour la création du milieu amplificateur et donc de diminuer le laser de pompe à l'échelle " table-top ". Notre travail avait pour but notamment de (1) développer et créer en routine un laser transitoire à 13. 9 nm (transition 4d-4p dans l'argent nickeloi͏̈de) ; (2) caractériser en détail, temporellement et spatialement, le faisceau émis (3) démontrer son potentiel pour des applications. Trois campagnes expérimentales ont été effectuées sur trois installations de laser de puissance. Dans la première expérience, une amélioration partielle des caractéristiques du faisceau du laser X à l'argent nickeloi͏̈de, en particulier sa divergence horizontale, a été obtenue par un pompage à deux couleurs, dans lequel l'impulsion longue est doublée en fréquence (2w). Une nouvelle raie laser, émise à 16 nm, a été observée pour la première fois et a été attribuée à une transition 4f-4d dans l'argent nickeloi͏̈de. Nous avons observé que l'irradiation par une onde progressive a réduit considérablement la durée de l'impulsion laser X, ce qui est expliqué par notre modèle théorique. Dans l'expérience suivante une durée du laser transitoire à 13. 9 nm de 1. 9 ps a été mesurée. C'est l'impulsion laser X la plus brève jamais démontrée. Ces résultats ont été expliqués par notre modèle et une simulation numérique par le code EHYBRID. Enfin, dans la troisième expérience le faisceau laser X a été envoyé dans un interféromètre à bi-miroir de Fresnel et des franges d'un bon contraste ont été obtenues. Ces résultats préliminaires constituent un premier pas vers des applications interférometriques avec une resolution p̃s.

The objective of this thesis was to investigate both experimentally and theoretically a new type of X-ray lasers, the so-called transient collisional X-ray lasers. These lasers are pumped by a combination of a 'long' (5̃00 ps) and a 'short' (- 1 ps or less) driving laser pulses. This pumping scheme reduces dramatically the energy required to create the amplifying medium and hence allows to reduce the scale of the X-ray laser driver to a "table-top" class. Our work was mainly devoted to (1) the development and routine generation of a transient X-ray laser, emitting at 13. 9 nm (4d-4p transition in Ni-like Ag); (2) the detailed spatial and temporal characterisation of the emitted beam, and (3) a demonstration of its potential for applications. Three experimental campaigns were carried out at three different high-power laser facilities. In the first experiment, a partial improvement of the Ni-like silver X-ray laser beam characteristics, especially its horizontal divergence, was obtained by using a "two-colour" irradiation, in which the long pulse is frequency-doubled (2w). A new lasing line, emitted at 16 nm, was observed for the first time and attributed to a 4f-4d transition in Ni-like silver. When a travelling-wave irradiation was applied, a significant shortening of the X-ray laser pulse duration was demonstrated and explained by our model. In a subsequent experiment using a high-resolution streak camera, the duration of the 13. 9 nm transient X-ray laser was measured to be of 1. 9 ps. This is the shortest X-ray laser pulse ever demonstrated to-date. The results obtained were compared to analytical and quasi-analytical model calculations, as well as to a numerical simulation using a 1. 5D hydrocode. Finally in the third experiment, the X-ray laser beam was sent to a Fresnel bi-mirror interferometer and fringes with a good visibility were obtained. These preliminary results represent the first step towards interferometric applications with p̃s resolution.