Physique et application d'une source cohérente femtoseconde à 32.8 nm par interaction laser-plasma

Physics and application of a femtosecond coherent source at 32.8 nm by laser-plasma interaction

• Auteur / Autrice : Adeline Kabacinski
• Direction : Stéphane Sebban
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau)
• Jury : Président / Présidente : Annette Calisti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Sebban, Annette Calisti, Fabien Dorchies, Olivier Guilbaud, Henri Vincenti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Klisnick, Fabien Dorchies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique

Ultraviolet lointain

Plasmas produits par laser

Plasmas (gaz ionisés)

Lasers femtoseconde

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Interaction laser-Plasma

Rayonnement XUV

Laser intense

Couplages spatio-Temporels

Optique

Laser-Plasma interaction

XUV radiation

Intense laser

Spatio-Temporal couplings

Optics

Résumé

Les lasers XUV collisionnels en régime d’ionisation par le champ sont obtenus en focalisant une impulsion laser pompe infrarouge ultra-intense dans une cible gazeuse, ce qui génère une colonne de plasma en situation d'inversion de population. Dans cette thèse, on s’intéresse à l’émission de la transition 3d^{9}4d -> 3d^{9}4p du krypton IX nickelloïde à 32,8 nm. L’injection de ce plasma amplificateur par une source harmonique externe améliore considérablement les propriétés spatiales du rayonnement tout en tirant profit des qualités énergétiques de l’amplificateur.Grâce à l'implémentation d'un canal plasma permettant le guidage de l'impulsion pompe, de récentes recherches ont permis de travailler à des densités électroniques proches de 10^20 cm^-3. Ces conditions sont extrêmement favorables puisque les plus fréquentes collisions électrons-ions favorisent l'inversion de population, ce qui mène à des gains accrus. Dans le même temps, ces collisions provoquent une surionisation de l'ion lasant et donc une interruption anticipée du gain. Des simulations ont montré que cette diminution conséquente de la durée de vie du gain se répercutait sur la durée d'impulsion à 32,8 nm. Dans le cadre de cette thèse, le développement d'un diagnostic mono-tir de mesure du profil temporel de l'impulsion a permis de démontrer expérimentalement ce résultat : limitées à la picoseconde à basses densités, des durées de 520 fs RMS, en accord avec des simulations Maxwell-Bloch, ont ainsi pu être mesurées à 8x10^19 cm^-3.Cette thèse a également permis de dépasser une autre limite : la dispersion naturelle du plasma qui provoque intrinsèquement une désynchronisation entre l'harmonique XUV injectée et la zone de gain. La compensation de ce phénomène, indispensable à haute densité, a été réalisée grâce à l'introduction de couplages spatio-temporels dans le faisceau pompe et a permis une amélioration significative des performances de la source avec notamment une meilleure extraction de l'énergie. Il a également été démontré que la durée d'impulsion pouvait être maintenue constante au cours de la propagation à des valeurs aussi faibles que 350 fs RMS.L'ensemble de ce travail offre des perspectives pour bon nombre d'applications, telle que la génération de seconde harmonique dans l'XUV également explorée dans ce manuscrit.

Collisionally-pumped plasma-based soft X-ray lasers in optical field ionization regime are obtained by focusing an ultra-intense infrared laser pump pulse into a gas target. The interaction generates a plasma column in population inversion. In this thesis, we are interested in the 3d^{9}4d -> 3d^{9}4p transition of nickel-like krypton ion at 32,8 nm. The seeding of this amplifying medium by an external harmonic source considerably improves the spatial properties of the radiation while taking advantage of the energetic qualities of the amplifier.Thanks to the implementation of a plasma channel to guide the pump beam, recent research has made it possible to operate at electron densities close to 10^20 cm^-3. These conditions are extremely beneficial since the more frequent collisions favor population inversion and lead to increased gains. At the same time, these collisions cause an overionization of the lasing ion and thus an early interruption of the gain. Simulations have shown a consequent decrease of the soft X-ray laser pulse duration at high densities. Within the framework of this thesis, the development of a single-shot diagnostic to measure the temporal profile of the pulse allowed to demonstrate this result experimentally : limited to the picosecond at low densities, durations of 520 fs RMS, in agreement with Maxwell-Bloch simulations, have been measured at 8x10^19 cm^-3.This thesis also enabled to overcome the natural dispersion of the plasma which intrinsically causes a desynchronization between the harmonics and the gain region. The compensation of plasma dispersion, essential at high densities, has been achieved by harnessing spatio-temporal couplings and has allowed a significant improvement of the source performance with notably a better energy extraction. It was also demonstrated that the pulse duration could be kept constant along propagation at values as low as 350 fs RMS.All these improvements offer perspectives for many applications such as second harmonic generation in the soft X-rays, also explored in this manuscript.