Source paramétrique optique de quelques cycles optiques dans le moyen infrarouge stabilisée en CEP à haut taux de répétition

High-repetition rate CEP-stable few-cycle OPCPA sources in the short wavelength infrared/mid-infrared

• Auteur / Autrice : Gaëtan Jargot
• Direction : Marc Hanna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Lasers - FASTLITE
• Jury : Président / Présidente : Sophie Kazamias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Hanna, Aurélie Jullien, Thibaut Sylvestre, Patricia Segonds
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélie Jullien, Thibaut Sylvestre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Amplificateurs paramétriques

Mots clés libres

Stabilisation de la CEP

Cellule multi-Passage

Compression non-Linéaire

Optical parametric amplification

Multipass cell

Few-Cycle pulses

Résumé

Résumé : La génération d’impulsions de quelques cycles optiques stabilisées en CEP dans le moyen infrarouge utilisant la technique d’amplification paramétrique optique à fort taux de répétition est d’un grand intérêt pour diverses études de dynamiques ultra-brèves. Les travaux de cette thèse sont directement inscrits dans ce cadre. Nous décrivons un système émettant des impulsions dont le spectre est centré à 2.1 µm avec une durée de 19.5 fs et une énergie de 31 µJ opérant à 10 kHz avec une stabilité RMS de 0.54 %. Ce système se distingue de l’état de l’art par la mise en œuvre d’une technique de différence de fréquence en ligne permettant d’obtenir une stabilité de la CEP tir-à-tir de 107 mrad pendant quatre heures. De plus cette thèse à permis le dévelopement d’un dispositf émettant des impulsions de quelques cycles optiques à 1.55 µm opérant à haut taux de répétition (125 kHz). Ce système est le résultat de l’assemblage d’un amplificateur paramétrique optique et d’un systéme de compression non-lineaire dans une cellule multi-passage. La propagation non linéaire périodique dans la cellule en régime de dispersion anormale permet une compression solitonique, tout en moyennant les effets spatiaux de la nonlinéarité sur le faisceau. Nous démontrons ainsi l’autocompression d’impulsions initiales de 19 µJ 63 fs vers des impulsions en sortie de 14 µJ 22 fs.

Abstract : The generation of carrier envelope phase (CEP) stable few-cycle pulses in the SWIR/Mid-IR using optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) at high repetition rate is of great interest for several applications in ultrafast dynamics. During this thesis the work was primarily focused on the development of OPCPA sources for attosecond science. We present an OPCPA operating at 2.1 µm delivering 19.5 fs pules duration with an energy of 31 µJ at 10 kHz with a RMS energy stability of 0.54 %. An original architecture using an all-inline difference frequency generation stage allows performances beyond the state of the art in terms of CEP stability. We report RMS CEP fluctuations of 107 mrad RMS measured shot-to-shot over four hours. On another hand, the development of a high repetition rate (125 kHz) OPCPA coupled with an innovative nonlinear compression scheme is described. The OPCPA provides pulses centered at 1.55 µm, with a pulse duration of 63 fs with an energy of 19 µJ after compression. Then a nonlinear compression stage based on a soliton dynamics in a multipass cell is implemented. The periodic propagation inside the cell allows to retain the temporal nonlinear effects, while the spatial nonlinear effects are washed out by the distributed nature of the nonlinearity over a large number of passes. We report the self-compression of 63 fs pulse at 1.5 µm down to 22 fs with an energy of 14 µJ.