Caractérisation spatio-temporelle d'impulsions laser femtoseconde par spectroscopie à transformée de Fourier auto-référencée

Spatio-temporal characterization of femtosecond laser pulses using self-referenced Fourier transform spectroscopy

• Auteur / Autrice : Antoine Jeandet
• Direction : Fabien Quéré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interactions, dynamiques et lasers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Gigan, François H. Courvoisier, Aurélie Jullien, Sophie Kazamias, Dimitrios N Papadopoulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Gigan, François H. Courvoisier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Spectroscopie par transformée de

Lasers de puissance

Lasers femtoseconde

Interférométrie

Mots clés libres

Métrologie

Interférométrie

Laser femtoseconde

Couplages spatio-Temporels

Metrology

Interferometry

Femtosecond laser

Spatio-Temporal couplings

Résumé

La technologie actuelle des lasers ultrabrefs permet de délivrer des impulsions d'une énergie de quelques dizaines de joules dont la durée est de l'ordre de la dizaine de femtosecondes. Focaliser fortement de telles impulsions permet d'obtenir des valeurs d'éclairement considérables, qui sont notamment utilisées pour générer des faisceaux de particules relativistes. Le bon fonctionnement des lasers de ultra-haute intensité nécessite un excellent contrôle des propriétés du faisceau en tout point de la chaîne d'amplification. Développer un tel niveau de contrôle exige de pouvoir mesurer les imperfections temporelles et spatiales des impulsions avec une très grande précision. Cependant, les instruments de mesure utilisés jusqu'à présent négligent un aspect important de la structure des impulsions lasers, qui est lié aux couplages spatio-temporels. Ces derniers représentent une classe particulière d'imperfections, dont l'influence sur les expériences d'ultra-haute intensité a longtemps été négligée. Les rares instruments capables de mesurer ces défauts spécifiques sont pour la plupart inadaptés à la caractérisation de faisceaux de haute énergie. Le travail présenté dans cette thèse a porté sur l'instrument TERMITES, qui permet la caractérisation totale d'impulsions ultrabrèves, ainsi que leur restitution en trois dimensions. TERMITES est une technique auto-référencée qui est basée sur la spectroscopie par transformée de Fourier résolue spatialement. Une première partie de la thèse présente l'étude détaillée et l'optimisation de l'instrument TERMITES. Dans un deuxième temps, différents systèmes laser sont caractérisés grâce à cet instrument, permettant ainsi d'établir la première revue expérimentale des différentes origines de couplages spatio-temporels dans les lasers ultrabrefs.

Current ultrashort laser technology makes it possible to generate pulses lasting a few tens of femtoseconds, with energies of up to tens of joules. Strongly focusing such pulses produces ultra-intense fields that are notably used to generate relativistic particle beams. Proper operation of ultra-intense laser facilities requires to control the temporal and spatial properties of ultrashort pulses. Until now, measurement devices used for this purpose have neglected an important aspect of ultrashort pulses structure, which is linked to spatio-temporal couplings. Spatio-temporal couplings are a particular kind of defects in ultrashort pulses, of which the influence on ultra-intense experiments has been largely overlooked until recently. The rare instruments capable of measuring spatio-temporal couplings are hardly scalable to high-energy laser beams. This thesis is dedicated to TERMITES, a device for the full characterization of ultrashort laser beam, which is used to provide their three dimensional shape in space and time. TERMITES is a self-referenced technique based on spatially-resolved Fourier-Transform Spectroscopy. The first part of this work presents the detailed study of TERMITES, as well as the optimization of its design. Multiple laser systems are then characterized using the instrument. The obtained results are used to establish the first experimental review of spatio-temporal couplings origins in ultrashort lasers.