Conception et réalisation d'un oscillateur Mamyshev fibré pour la nouvelle génération de pilote de l'installation PETAL

Design and realization of a Mamyshev fiber oscillator for the new generation generation of the PETAL facility

• Auteur / Autrice : Etienne Poeydebat
• Direction : Géraud Bouwmans, Emmanuel Hugonnot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 01/07/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Mussot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giorgio Santarelli, Inka Manek-Hönninger, Olivier Vanvincq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Desfarges-Berthelemot, Ammar Hideur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs à fibres optiques

Lasers à fibre

Lasers femtoseconde

Lasers de puissance

Mots clés libres

Oscillateur Mamyshev

Oscillateur à blocage de modes

Mamyshev oscillator

Optical fiber

Short pulses

High power laser

Résumé

Les lasers à blocage de modes passifs sont appréciés par les scientifiques et les industriels pour leur capacité à générer des impulsions ultra-courtes (femtoseconde). Au sein des installations ultra-haute intensité, ces lasers sont utilisés pour produire une impulsion énergétique (nanojoule) et femtoseconde qui sera amplifiée par la suite dans un dispositif d'amplification à dérive de fréquence afin d'atteindre l'énergie nécessaire (kilo joule) pour obtenir post-compression / focalisation une intensité considérable, de l'ordre de 10^20 W/cm2 pour une installation telle que PETAL. Développée dans les années 80, la technologie du blocage de modes passif par effet Kerr spatial (oscillateur Ti :Sa) permet d'obtenir les meilleures performances en terme de couple faible durée d'impulsion / énergie. Néanmoins, leur architecture en espace libre pose des problèmes d'intégration et implique une maintenance régulière. Il existe une autre technologie basée sur un blocage de modes passif par effet Kerr temporel appelée oscillateur Mamyshev. Des développements récents ont montré la capacité de ces nouveaux oscillateurs à rivaliser avec les oscillateurs Ti :Sa tout en adoptant une architecture entièrement fibrée. Les sources fibrées sont grandement appréciées par les utilisateurs en raison de leur compacité et de leur robustesse. L'objectif de cette thèse est donc de concevoir et de développer un oscillateur Mamyshev compact et robuste compatible avec les besoins de l'installation PETAL. Après avoir dressé un état de l'art des oscillateurs Mamyshev présents dans la littérature, nous présenterons notre oscillateur monomode à maintien de polarisation entièrement fibré émettant aux alentours de 1μm, capable de fonctionner à plusieurs cadences (de 7,7 à 107,8MHz) en raison du phénomène de régime harmonique. Ceci permet à notre oscillateur de délivrer une puissance moyenne importante allant jusqu'à 1.3W. Nous exposerons une étude numérique / expérimentale sur l'origine de ces régimes harmoniques jusqu'alors peu comprise et sujette à débat. Nous présenterons également des études de stabilité que nous avons réalisées afin d'obtenir un mode de fonctionnement stable en régime fondamental capable de délivrer des impulsions de 48nJ pour une durée post compression pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de femtosecondes. Enfin, nous mettrons en avant la première caractérisation du bruit d'intensité et de phase d'un oscillateur Mamyshev entièrement fibré.

Passive mode-locked lasers are valued by scientists and industry for their ability to generate ultra-short (femtosecond) pulses. In ultra-high intensity facilities, these lasers are used to produce an energetic (nanojoule) and femtosecond pulse that will be amplified by a chirped pulse amplification method in order to reach the necessary energy (kilo joule) to obtain a considerable post-compression/focusing intensity, in the range of 10^20 W/cm2 such as PETAL facility. Developed in the 80's, the passive mode-locking technology by spatial Kerr effect (Ti:Sa oscillator) allows to obtain the best performances in terms of low pulse duration / energy couple. However, their free space architecture causes integration problems and requires regular maintenance. There is another technology based on a passive mode-locking by temporal Kerr effect called Mamyshev oscillator. Recent developments have shown the ability of these new oscillators to compete with Ti:Sa oscillators while adopting an all-fiber architecture. Fiber sources are greatly appreciated by laser users due to their compactness and robustness. The objective of this thesis is therefore to design and develop a compact and robust Mamyshev oscillator in agreement with the needs of the PETAL facility. After having reviewed the Mamyshev oscillators state of art, we will present our single-mode fully-fiber polarization-maintaining oscillator emitting around 1μm, able of operating at several repetition rates (from 7.7 to 107.8MHz) due to the harmonic regime phenomenon. This allows our oscillator to deliver a significant average power up to 1.3W. We will present a numerical/experimental study on the origin of these harmonic regimes, which was previously little understood and subject to debate. We will also expose stability studies that we have performed in order to obtain a stable mode of operation in the fundamental regime able to reach 48nJ per pulse for a post-compression duration up to a few tens femtoseconds. Finally, we will put forward the first characterization of the intensity and phase noise of a fully-fiber Mamyshev oscillator.