Description multi-échelle de la génération d'harmoniques d'ordre élevé en phase diluée
Auteur / Autrice : | Jan Vábek |
Direction : | Eric Mével, Jiri Limpouch, Fabrice Catoire |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Lasers, Matière et Nanosciences |
Date : | Soutenance le 06/12/2022 |
Etablissement(s) : | Bordeaux en cotutelle avec Université technique tchèque. Faculté de Génie nucléaire et de Sciences de l'ingénieur (Prague) |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....) |
Jury : | Président / Présidente : Ivan Richter |
Examinateurs / Examinatrices : Jiří Petráček, Vladimir Tikhonchuk, Miroslava Vrbová, Carlos Hernández-García | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Taïeb, Amelle Zaïr |
Mots clés
Résumé
La génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG en abréviation anglaise) à partir de milieux dilués est désormais un outil de travail largement utilisé dans la science des attosecondes. Elle fournit des impulsions XUV ayant des résolutions sub-femtosecondes temporellement et nanométriques spatialement qui sont uniques. Le rayonnement XUV est produit par l'interaction d'impulsions laser brèves (généralement inférieures à la picoseconde), infra-rouge (IR), intenses avec des atomes ou des molécules avec une cible en phase gaz. Les principaux objectifs de la recherche actuelles et de l'ingénierie sont de contrôler et d'optimiser le processus de génération, ce qui s'accompagne de défis tels que le contrôle du front d'onde XUV et de l’état de polarisation, la sélectivité spectrale, la structuration du moment angulaire ou l'augmentation du signal XUV.Dans ce travail, nous avons développé un modèle théorique multi-échelle décrivant les propriétés spatio-spectrales du faisceau XUV. Les caractéristiques provenant de la description de l’atome unique jusqu’à la formation du champ XUV macroscopique décrit par la contribution collective de tous les émetteurs atomiques du milieu générateur sont complémentent prises en compte dans ce modèle. L’échelle microscopique décrit la réponse de l’atome unique et est basée sur une description quantique non-relativiste. L’échelle macroscopique décrit la propagation des champs et résout les équations de l’optique non-linéaire pour modéliser le champ laser générateur et les équations de l’optique linéaire pour le champ XUV.Ce modèle a été appliqué pour répondre à différentes situations physiques. Du point de vue microscopique, nous décrivons une nouvelle approche invariante pour décrire la dynamique d’ionisation et en particulier l’évolution dépendante du temps de la densité électronique qui pourra par la suite être utilisée dans l’approche macroscopique et plus particulièrement dans la propagation non-linéaire de l’IR.A partir du modèle macroscopique, nous avons étudié les caractéristiques spatio-spectrales du faisceau XUV issu de la HHG. En particulier, nous montrons que les propriétés de focalisation du faisceau XUV peuvent-être contrôlées en imprimant une distribution de phase spécifique au faisceau générateur. Nous avons utilisé cette propriété pour sélectionné spectralement le peigne de fréquence harmonique créant ainsi un filtre soit passe haut soit passe bas. Nous montrons également que la distribution spatiale en champ lointain peut-être contrôlée de telle sorte qu’un faisceau plus homogène, d’une harmonique à l’autre, peut-être obtenu. Ce travail théorique a été obtenu dans le cadre de l’approximation des milieux fins et a été comparé à des expériences réalisées au laboratoire CELIA et montre un bon accord qualitatif.Nous avons également appliqué notre modèle à un schéma où une pré-ionisation du milieu a été réalisée. Elle a été obtenue par une décharge électrique conduisant à la formation d’une petite fraction de densité électronique homogène. Dans ce schéma, pour lequel le modèle numérique complet a été utilisé pour la propagation de l’IR, nous montrons que la propagation du champ IR se comporte différemment en deux région distinctes : i – une première correspondant à la propagation en entrée de milieu et présente une évolution spatiale du faisceau très rapide ii – une seconde, se situant après la première dans la direction de propagation, où le faisceau se stabilise et peut former des interférences constructives du faisceau XUV de telle sorte qu’un quasi accord de phase est obtenu. Nous avons montré qu’une amplification du signal harmonique jusqu’à un facteur huit peut ainsi être obtenu. Un rendement encore meilleur peut-être atteint dans certaines configurations. Ce travail a été obtenu conjointement à un travail expérimental réalisé à ELI-Beamlines. La comparaison des résultats expérimentaux et théoriques montre un bon accord quantitatif.