Architecture d’amplificateur paramétrique optique dans l'espace des fréquences pour la génération de sources laser intenses de quelques cycles optiques dans l’infrarouge moyen.

Architecture of frequency domain optical parametric amplifier for generation of intense mid-infrared few-cycle laser pulses.

• Auteur / Autrice : Gilles Dalla-Barba
• Direction : Eric Cormier, François Legare
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 21/09/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Institut national de la recherche scientifique (Québec, province)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Sudmeyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Boulesteix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Sudmeyer, Nicolas Forget

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers attoseconde

Harmoniques (ondes électriques)

Rayonnement infrarouge

Lasers de puissance

Matériaux céramiques

Amplificateurs paramétriques

Mots clés libres

Amplification paramétrique optique

Céramiques dopées à l'Holmium

Génération d'harmoniques d'ordres élevés

Infrarouge moyen

Lasers intenses

Physique attoseconde

Attosecond physics

High-Harmonic generation

Holmium-Doped ceramics

Intense lasers

Mid-Infrared

Optical parametric amplification

Résumé

Au cours des années 2000, l’avènement des sources laser Titane:saphir (Ti:Sa) intenses stabilisées en CEP (phase entre l’enveloppe et la porteuse du champ électrique) a ouvert la voie à la mesure des phénomènes ultra-rapides pour la physique attoseconde. Grâce au processus de génération d’harmoniques d’ordres élevés (HHG), prédit par le modèle en trois étapes en 1993, les physiciens parviennent désormais à générer des impulsions attosecondes pour sonder temporellement les dynamiques électroniques au sein de la matière. En raison de la dépendance quadratique entre la longueur d’onde du laser et l’énergie pondéromotrice acquise par les électrons lors du processus de HHG, l’intérêt de la communauté attoseconde est aujourd’hui tourné vers la création de nouvelles sources laser intenses dans l’infrarouge moyen (MIR), un domaine spectral encore peu couvert à cause du manque de milieux amplifi- cateurs émettant à ces longueurs d’ondes.Dans la première moitié de cette thèse, une architecture d’amplification paramétrique op- tique (OPA) dans l’espace des fréquences est présentée pour générer du rayonnement intense dans l’infrarouge moyen à partir d’une chaîne laser Titane:Saphir térawatt. La source MIR, ac- cordable de 5, 5 μm à 13 μm et stable en CEP, a été caractérisée temporellement par une tech- nique pompe-sonde développée en 2019 au sein des laboratoires de l’Université de Bordeaux et de l’Institut national de la recherche scientifique, puis utilisée pour piloter une expérience de HHG en milieu solide, un phénomène observé pour la première fois en 2011. Une seconde architecture d’OPA est ensuite proposée pour générer du rayonnement intense cette fois-ci vers 3 μm par différence de fréquences (DFG) dans l’espace des fréquences.L’un des principaux freins à la réalisation de sources intenses MIR réside dans la faible efficacité de conversion depuis l’infrarouge proche (NIR). Par conséquent, l’expérimentation en physique attoseconde reste aujourd’hui limitée aux laboratoires disposant de sources Ti:Sa multi-térawatts, des installations peu répandues en raison de leurs coûts d’achat et de fonction- nement. Toutefois, cette situation évolue progressivement grâce aux progrès réalisés ces 10 dernières années dans les technologies Thulium et Holmium vers 2 μm, une longueur d’onde prometteuse pour le pompage d’OPA MIR. La seconde partie du manuscrit traite le dévelop- pement de nouveaux milieux amplificateurs à base de céramiques dopées aux ions Holmium, des matériaux présentant certains avantages tels que la fabrication rapide et à bas prix de cristaux de grandes dimensions, ou encore la possibilité de créer des compositions chimiques inhomogènes le long d’un même cristal (gradient ou échelon de dopage, co-dopage d’une couche externe). Dans ce cadre, des céramiques dopées à l’Holmium ont été fabriquées par une université partenaire et une méthode innovante est ici présentée pour analyser et quanti- fier les processus d’émission et de pertes dans ces matériaux, avec l’objectif d’égaler puis de surpasser à long terme les performances optiques des monocristaux.

During the last decades, emergence of intense Titanium:sapphire (Ti:Sa) lasers CEP-stabilized (career- envelope phase) has allowed the measurement of ultrafast phenomena for attosecond physics. Thanks to high-harmonic generation (HHG), a process predicted by the three steps model in 1993, attosecond pulses can be emitted and used for scanning the temporal dynamics of electrons in matter. Due to the quadratic dependance of the driving laser wavelength on the electron ponderomotive energy during HHG process, scientists are now looking forward a new generation of intense coherent sources in the mid-infrared (MIR) domain, a little covered range of wavelengths in which amplifier media are still lacking.In the first part of this thesis, an architecture of optical parametric amplification (OPA) in frequency domain is presented to produce MIR intense field from a terawatt Ti:Sa laser. This MIR source, tunable from 5.5 μm to 13 μm and CEP-stable, has been characterized in the temporal domain by a pump-probe technique developed by laboratories of University of Bor- deaux (France) and Institut national de la recherche scientifique (Canada), before being used for driving a HHG experiment in solids, a phenomena discovered in 2011. A second architec- ture of OPA is also presented to generate intense field rather near 3 μm, based on a difference frequency generation (DFG) in frequency domain.To this day, the generation of intense MIR radiation is hindered by the low conversion ef- ficiency of photons from near-infrared (NIR) to mid-infrared, restricting attosecond science to very costly multi-terawatts titanium:Sapphire facilities. However, innovations in Thulium and Hol- mium technologies over the last decade has intended 2 μm lasers to become a viable solution for pumping MIR OPA. The second part of this manuscript is dedicated to the development of new amplifier media made of Holmium-doped ceramics. Thanks to a fast and cost-effective pro- duction process and the possibility to realize inhomogeneous chemical compositions, ceramics show some advantages compared to monocrystals. In this context, Holmium-doped ceramics have been fabricated by a partner university and an innovative method is presented here to study and characterize optical losses and emission processes in these materials, with the am- bition of equaling, even exceeding, optical performances of monocrystals.