Développement d’enregistreurs de formes d’onde térahertz à étirement temporel pour les sources lumineuses basées sur des accélérateurs à taux de répétition élevé

Development of time-stretch terahertz waveform recorders for high repetition rate accelerator-based light sources

• Auteur / Autrice : Christelle Hanoun
• Direction : Serge Bielawski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Joly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eléonore Roussel, Géraud Bouwmans, Bernd Steffen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ammar Hideur, Thibaut Lefevre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Lasers à électrons libres

Rayonnement synchrotron

Accélérateurs de particules

Mesure

Rayonnement terahertz

Mots clés libres

Détection ultra-Rapide

Échantillonnage électro-Optique

Étirage temporel photonique

Ultra-Fast detection

Electro-Optic sampling

Photonic time-Stretch

Terahertz pulses

Accelerators

Free-Electron laser

Résumé

Le travail de Thèse concerne le développement de systèmes permettant l'enregistrement de signaux électriques, en single-shot, avec des bandes passantes allant jusqu'à plusieurs térahertz (THz). Ce travail est motivé par des besoins importants dans le développement et la recherche sur les sources de lumière basées sur des accélérateurs (les centres de rayonnement synchrotron et les lasers à électrons libres). Ce travail est également motivé par les besoins récents de spectroscopie THz avec des fréquences d'acquisition élevées. Cette thèse se focalise sur le développement de systèmes de mesure où les ondes THz à analyser sont sondées au moyen d'un laser femtoseconde. Plus spécifiquement, le travail porte sur le développement de la technique dite du photonic time-stretch, et vise à résoudre plusieurs problèmes ouverts. Jusque récemment, les techniques de time-stretch souffraient d'une limite fondamentale sur leurs durées d'enregistrement et/ou leurs résolutions temporelles à des valeurs incompatibles avec de nombreuses applications dans le domaine des accélérateurs. Dans une première partie, le travail a consisté à tenter de résoudre ce problème en développant, au laboratoire PhLAM, un système d'enregistrement THz monocoup associant la technique du photonic time-stretch et la technique dite du Diversity Electro-Optic Sampling (DEOS). Le système d'enregistrement, basé sur un laser de sonde à 1030 nm a ensuite été testé lors de deux séries d'expériences sur les sources THz intense basées sur l'accélérateur de ELBE, à Dresde. La première expérience s'est focalisée sur la source CDR (Coherent Diffraction Radiation) de ELBE - une source THz émettant des impulsions “single cycle”. Le succès de cette expérience nous a ensuite mené à réaliser des mesures du rayonnement émis par le laser à électrons libres (FEL) Térahertz de FELBE. Ceci nous a permis de démontrer la possibilité d'enregistrer de signaux THz à une fréquence - record - de 13 MHz. De plus, d'un point de vue plus fondamental, l'étude expérimentale du démarrage du laser à électrons libres a permis - pour la première fois - de visualiser de façon directe le démarrage d'un laser impulsionnel, en enregistrant complètement les impulsions émises (c'est-à-dire leur amplitude et leur porteuse). Finalement, cette thèse s'est focalisée sur un problème ouvert différent, concernant le coût - extrêmement élevé - des systèmes de mesures THz de type time-stretch. En effet, ces systèmes de mesures requièrent des oscilloscopes avec des bandes passantes élevées (généralement au-delà de 10 ou 20 GHz). À partir d'une étude comparative détaillée, et de mesures effectuées à SOLEIL, nous avons démontré la supériorité d'une stratégie basée sur des lasers de sonde à 1550 nm, au lieu des lasers (essentiellement à 1030 nm) usuellement employés dans la littérature. En permettant l'utilisation d'oscilloscopes avec des bandes passantes relativement faibles (de l'ordre du GHz), ceci nous a permis de réduire les coûts de façon importante, permettant d'envisager une popularisation beaucoup plus importante de ces méthodes de time-stretch dans le domaine des accélérateurs et en spectroscopie.

Terahertz (THz) science lacks of non-destructive waveform recorders for single-shot measurements of ultrafast signals. Such recording systems are particularly needed in accelerator-based light sources, such as synchrotron radiation facilities and Free-Electron Lasers (FEL). Single-shot operation is required for monitoring the emission of THz FELs, as well as the emission by other novel coherent THz sources. Moreover, single-shot recording systems are also required for monitoring shot-to-shot fluctuations of relativistic electron bunch properties, either for fundamental research, and in routine accelerator operation. This Thesis focuses on the development of THz recorders, using laser probes, that can operate at high repetition rates, typically in the Megahertz range. A main point of the strategy consists of using the so-called photonic time-stretch technique, for imprinting the THz waveform under interest onto a chirped laser pulse, and then to stretch it in time, so that it can be recorded by an oscilloscope. Two main designs are presented. In a first time we present a time-stretch-based recorder that is able to record waveforms with unprecedented duration and/or time resolution, by associating the time-stretch technique, with the recently developed Diversity Electro-Optic Sampling method (DEOS). We then present the first tests of this method on the THz Coherent Diffraction Radiation beamline of the ELBE facility (at the Helmoltz Zentrum Dresden Rossendorf). Using this system, we then present the first measurements of the pulses emitted by a THz Free-Electron Laser, the FELBE FEL, operating at 13 MHz repetition rate. This represents the first complete recording of pulses (amplitude and carrier) not only in a Free-Electron Laser, but also in a mode locked laser in general. Finally, we address the open problem of costs in THz time stretch systems, which are dominated by the required high bandwidth oscilloscopes (several hundreds of k€ as of 2023). We show that, when using the 1550 nm wavelength for the laser probe, special designs of THz time-strech digitizers can lead to much lower costs. We finally show a proof-of concept test of this method at the THz AILES beamline of the SOLEIL facility.