Développement de dispositifs de mesure d’impulsions laser ultracourtes pour les longueurs d’onde exotiques.

by Ester Szmygel

Doctoral thesis in Physique

Under the supervision of Edouard Hertz and Antoine Dubrouil.

defended on 23-06-2021

in Bourgogne Franche-Comté , under the authority of École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , in a partnership with Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) (laboratoire) .

Thesis committee President: Olivier Musset.

Thesis committee members: Marie Géléoc.

Examiners: Éric Cormier, Éric Constant.

keywords

• Temporal characterisation
• Ultrashort laser pulses
• Nonlinear optics
• Ultraviolet
• Infrared

Alternative Title

Development of measurement devices for ultrashort laser pulses at exotic wavelength.

Abstract

The recent evolution of femtosecond laser systems allows for the addressing of a broad range of wavelengths from the ultraviolet down to the mid-infrared. The energies and intensities now within reach at these wavelengths brings many applications for which it is essential to characterize the laser field and the temporal pulses shape. The aim of this Thesis is to explore new characterization techniques for femtosecond laser pulses in the ultraviolet and the mid-infrared ranges.Several different characterization methods are explored, covering a significant range of the techniques reported in the literature. These techniques include; autocorrelation, FROG, and SPIDER measurements, which are explored through various nonlinear effects. Firstly, the development of a single shot autocorrelator, using two-photon excited fluorescence, for the measurement of ultra-short laser pulses in UV, is described. Next a FROG device, based on cascading third-harmonic generation in a single crystal, offering single-shot measurement with a great sensitivity, and simplicity, in the IR range is discussed. Several autocorrelator and FROG architectures are developed which exploit the generation of a transient index grating, and tested for measurements at various wavelengths from IR to UV. Finally, a new variant of SPIDER, with applicability in UV is also reported. The original approach, based on the rotational Doppler effect, makes it possible to provide a spectral shear at the fundamental frequency.In addition to exploring new methods for non-standard wavelength ranges, this thesis work aims to make temporal measurement devices easy to use and to overcome the phase matching effects to make them more versatile.

keywords

• Caractérisation temporelle
• Impulsions laser ultracourtes
• Optique non linéaire
• Ultra-Violet
• Infrarouge
• Lasers femtoseconde
• Optique non linéaire
• Rayonnement ultraviolet
• Lasers à infrarouges

Abstract

L’évolution des systèmes lasers femtosecondes permet aujourd’hui d’adresser des gammes spectrales allant de l’ultraviolet à l’infrarouge moyen. Les énergies et les intensités atteintes sur ces gammes de longueurs d’onde donnent naissance à de nombreuses applications, pour lesquelles il est primordial de caractériser le champ laser et en particulier la forme temporelle des impulsions utilisées. Cette thèse porte sur le développement de nouvelles méthodes de caractérisation d’impulsions laser femtosecondes pour l’ultraviolet et l’infrarouge moyen.Différentes pistes de travail, couvrant la plupart des techniques reportées dans la littérature, comme les mesures d’autocorrélation, FROG ou encore SPIDER ont été explorées au travers d’effets non linéaires variés. Un autocorrélateur monocoup, exploitant la fluorescence induite par absorption à deux photons, a été développé pour la mesure d’impulsions laser ultra-brèves dans l’UV. Un dispositif FROG, basé sur la génération de troisième harmonique en cascade dans un cristal unique offre une mesure monocoup d’une grande sensibilité et simplicité dans la gamme IR. Plusieurs architectures d’autocorrélateur et FROG exploitant la génération d’un réseau d’indice transitoire ont été développées et testées pour des mesures à diverses longueurs d’ondes de l’IR à l’UV. Enfin, une nouvelle variante de SPIDER, avec une applicabilité dans l’UV est également reportée. L’approche originale, basée sur l’effet Doppler rotationnel, permet de produire un cisaillement spectral à la fréquence fondamentale de l’impulsion à caractériser.En plus d’explorer de nouvelles méthodes pour des gammes de longueurs d’onde non standard, ce travail s’intéresse au développement de dispositifs de mesures faciles d’utilisation et s’affranchissant des problématiques d’accord de phase pour les rendre plus polyvalents.