Mise en forme spatiale de faisceaux lasers intra et extra-cavité pour des amplificateurs à disque d’Yb : YAG

Intra and extra cavity laser beam shaping for Yb : YAG disk amplifiers

• Auteur / Autrice : Vincent Fortin
• Direction : Stéphane Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 19/09/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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 : Inka Manek-Hönninger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Jullien, Claude Rouyer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kamel Aït-Ameur, François Courvoisier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers

Amplificateurs

Faisceaux laser

Ytterbium

Mots clés libres

Mise en forme spatiale

Miroir de phase

Supergaussien

Disque mince

Yb:YAG

Spatial beam shaping

Phase mirror

Supergaussian

Thin-disk

Yb:YAG

Résumé

Ces dernières années ont vu apparaître le développement de systèmes lasers de haute énergie basés sur l'ion Ytterbium comme la technologie des disques d’Yb:YAG qui est particulièrement adaptée aux objectifs de la chaîne HORIZON du CELIA qui aspire à atteindre une énergie supérieure à 1 J à un taux de répétition de 1 kHz avec des impulsions de 1 ps.L'objectif de cette thèse est donc d'explorer des technologies afin d'augmenter l'efficacité des amplificateurs à disque d'Yb:YAG. Pour ce faire, nous avons exploré l'adaptation du profil des modes amplifiés à ceux des faisceaux flat-top des diodes de pompage généralement utilisées dans ces amplificateurs. Nous avons donc considéré d'une part l'amplification intra-cavité de type régénératif dans une cavité à base de disque minces dans laquelle le mode est transformé en mode supergaussien. D'autre part, nous avons étudié la conversion extracavité à faible pertes de faisceaux gaussiens issus d'amplificateurs ''standards'' en faisceaux supergaussiens pour injecter des amplificateurs de puissance. Nous avons donc développé des outils de simulation qui nous ont permis de concevoir différents miroirs de phase qui remplissent tous ces objectifs.Expérimentalement, nous avons donc mis en œuvre une cavité à disque mince spécialement dédiée à ces développements. Afin de comparer les performances des cavités contenant les miroirs de phase dans des conditions identiques, nous avons tout d'abords développé et caractérisé une cavité à disque mince d'Yb:YAG à mode gaussien délivrant jusqu'à 90 W de puissance continue et une pente d'efficacité de 29,5 %. Les études avec les miroirs de phase ont alors permis de démontrer une mise en forme spatiale du mode intracavité et une puissance de sortie maximale de 110 W et une pente d'efficacité de 31 %, puissance et efficacité supérieures à celles obtenues dans la cavité gaussienne à pertes équivalente. De plus, nous avons pu mettre en évidence un effet de discrimination des modes supérieurs apportée par le miroir de phase dans des cavités multimodes.Par ailleurs, nous avons développé un dispositif extracavité pour transformer un faisceau gaussien issu d'un amplificateur régénératif à disque mince délivrant une puissance de 50 W en un faisceau supergaussien afin d'injecter l'amplificateur de puissance final de la chaîne HORIZON. Nous avons pu démontrer théoriquement et expérimentalement la mise en forme d'un faisceau gaussien de 4,5 mm de diamètre en un faisceau supergaussien d'ordre 4 dont le diamètre peut varier de 2 mm à 8,5 mm et la profondeur de champ de 20 cm à plus d'1 m avec une efficacité supérieure à 99 %. Ainsi, ce dispositif original versatile permet d'adapter le diamètre du faisceau aux applications envisagées tout en conservant une forme supergaussienne. Nous avons donc réalisé la transformation vers un faisceau de 8 mm de diamètre pour l'injection de l'amplificateur de puissance final. Par ailleurs, ce même dispositif peut être aussi configuré pour obtenir un faisceau supergaussien de 2,6 mm de diamètre particulièrement adapté pour la postcompression par auto-modulation de phase dans des matériaux diélectriques d'impulsions picosecondes d'énergie supérieure à 100 mJ.Enfin, nous montrerons quelques contributions aux développements de la chaîne HORIZON tels que des études sur différents schémas de compression d'impulsions qui ont été envisagés afin de diminuer l'empreinte des compresseurs de haute énergie. Enfin, nous présenterons aussi des études portant sur la thermique et le refroidissement des cellules de Pockels présentes dans les amplificateurs à disque mince.Ainsi, tous les travaux développés dans cette thèse contribuent au développements de systèmes lasers de très haute puissance et très haute énergie afin d'obtenir à terme des impulsions très courtes et très intenses à haute cadence pour les instruments de demain.

These last years have seen the development of high-energy laser systems based on Ytterbium-ion technology, such as Yb:YAG disk technology, which is particularly suitable for the goals of the HORIZON chain at CELIA, aiming to achieve energy higher than 1 J at a repetition rate of 1 kHz with 1 ps pulses.The aim of this thesis is therefore to explore technologies to increase the efficiency of Yb:YAG disk amplifiers. To achieve this, we investigated the adaptation of the amplified mode profile to the flat-top beam profiles of the pump diodes commonly used in these amplifiers. We considered intra-cavity regenerative amplification in thin-disk cavities, where the mode is transformed into a supergaussian mode. Additionally, we studied low-loss extracavity conversion of gaussian beams from ''standard'' amplifiers into supergaussian beams to inject power amplifiers. We developed simulation tools that allowed us to design different phase mirrors to fulfill these objectives.Experimentally, we implemented a dedicated thin-disk cavity for these developments. To compare the performance of cavities containing the phase mirrors under identical conditions, we first developed and characterized a Gaussian mode Yb:YAG thin-disk cavity delivering up to 90 W of continuous power with an efficiency slope of 29.5%. Studies with the phase mirrors demonstrated spatial shaping of the intracavity mode, achieving a maximum output power of 110 W and an efficiency slope of 31%, which exceeded the power and efficiency obtained in the Gaussian cavity with equivalent losses. Furthermore, we observed a mode discrimination effect provided by the phase mirror in multimode cavities.Furthermore, we have developed an extracavity device to transform a gaussian beam from a thin-disk regenerative amplifier delivering 50 W of power into a supergaussian beam for injection into the final power amplifier of the HORIZON chain. We have theoretically and experimentally demonstrated the shaping of a gaussian beam with a diameter of 4.5 mm into a fourth-order supergaussian beam with a diameter ranging from 2 mm to 8.5 mm and a depth of field from 20 cm to over 1 m, with an efficiency exceeding 99 %. Thus, this versatile original device allows for adapting the beam diameter to the intended applications while preserving a supergaussian shape. Therefore, we have achieved the transformation into an 8 mm diameter beam for injection into the final power amplifier. Furthermore, this same device can also be configured to obtain a supergaussian beam with a diameter of 2.6 mm, which is particularly suitable for self-phase modulation post-compression in dielectric materials of picosecond pulses with energy exceeding 100 mJ.Finally, we will present contributions to the HORIZON chain development, such as studies on different pulse compression schemes considered to reduce the footprint of high-energy compressors. We will also discuss thermal and cooling studies of Pockels cells in thin-disk amplifiers.Thus, all the work carried out in this thesis contributes to the development of high-power and high-energy laser systems to eventually achieve very short and intense pulses at high repetition rates for future instruments.