Développement d'une source laser de très haute cadence (GHz), amplifiée en mode burst et injection dans un résonateur optique pour des applications en physique des accélérateurs

Development of a very high speed laser source (GHz), amplified in burst mode and injection into an optical resonator for applications in accelerator physics

• Auteur / Autrice : Frédéric Blanc
• Direction : Fabian Zomer, Kevin Dupraz, Antoine Courjaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 29/02/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Amplitude Laser Group
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Fragola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandro Variola, Éric Cormier, Vincent Le Flanchec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessandro Variola, Éric Cormier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de phase

Polarisation (lumière)

Boucles d'asservissement de phase

Compton, Effet

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Laser

Femtoseconde

Cavité Fabry-Perot

Ics

Laser

Femtosecond

Fabry-Perot cavity

Ics

Résumé

Le travail de thèse concerne le développement d'une source laser ultracourte dédiée à être couplée avec une cavité Fabry-Pérot, en vue d'être associée à un accélérateur d'électrons afin de produire un rayonnement X par Diffusion Compton Inverse (ICS en anglais, pour Inverse Compton Scattering). Dans un premier temps une étude portée sur l'oscillateur GHz a permis de générer les impulsions qui vont être utilisées par la suite. Des expérience permettant de caractériser les amplificateur Tangor et Lockline ont été menées, avec une attention portée sur le fond continu d'ASE en fonction de la cadence des rafales d'impulsions. Les lignes laser ont été mise en place et conçues dans le but de pouvoir empiler les impulsions dans la cavité Fabry-Perot ainsi que pour permettre l'asservissement de l'oscillateur sur la cavité. Il a pour cela fallu faire un travail de mise en forme de la polarisation des faisceaux lasers. Pour pouvoir concevoir ces lignes lasers, des simulations de la cavité concernant la taille du mode fondamental, la polarisation à l'intérieur de la cavité ou encore la propagation du faisceau ont été réalisées. Ce travail préalable à permis l'injection des impulsions dans la cavité. Dans un premier temps, l'injection des impulsions en mode continu a permit d'observer la dérive thermique due à la montée en puissance à l'intérieur de la cavité. Puis l'injection de rafales d'impulsions de différentes durées et cadences ont été comparées, dans le but d'observer la réponse de la cavité au stockage des rafales. Un résultat important fut le stockage de 300 mJ intracavité sur une durée de 20 min, ce qui a validé la viabilité de l'expérience. Après cela, des tests et des simulation ont été faits pour comprendre l'importance de la gestion du phénomène de CEP. Enfin, avec la montée en énergie en baissant la cadence des rafales, le stockage de l'énergie à atteint le seuil d'endommagement des miroirs. Après les avoir changés, quelques expériences sur le stockage des rafales dans cette nouvelles cavité ont eu lieu. Des pistes d'amélioration sont données en fin de thèse pour la continuation du projet.

This thesis work concerns the development of an ultrashort laser source dedicated to be coupled with a Fabry-Pérot cavity, with a view to being associated with an electron accelerator in order to produce X-ray radiation by Inverse Compton Scattering. Initially, a study carried out on the GHz oscillator allowed the generation of pulses which will be used subsequently. Experiments to characterize the Tangor and Lockline amplifiers were carried out, with attention paid to the ASE continuous background depending on the cadence of the bursts. The laser lines were set up and designed to stack the pulses in the Fabry-Perot cavity as well as to lock the oscillator on the cavity. This required work to shape the polarization of the laser beams. To be able to design these laser lines, simulations of the cavity concerning the size of the fundamental mode, the polarization inside the cavity and even the propagation of the beam were carried out. This preliminary work allowed the injection of pulses into the cavity. Firstly, the injection of pulses in continuous mode made it possible to observe the thermal drift due to the increase in power inside the cavity. Then the injection of bursts of different durations and cadences were compared to observe the response of the cavity to the storage of the bursts. An important result was the storage of 300 mJ intracavity over 20 min, which validated the viability of the experiment. After that, tests and simulations were carried out to understand the importance of managing the CEP phenomenon. Finally, with the rise in energy by lowering the rate of bursts, the energy storage has reached the damage threshold of mirrors. After changing them, we did some experiments on the storage of bursts in this new cavity. Directions for improvement are given at the end of the thesis for the continuation of the project.