Development of an ultra-short, carrier-to-envelope phase-stable, high-contrast laser source for high repetition rate relativistic optics - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Development of an ultra-short, carrier-to-envelope phase-stable, high-contrast laser source for high repetition rate relativistic optics

Développement d'une source laser ultra-brève, stabilisée en phase et à haut contraste, pour l'optique relativiste haute cadence

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Abstract

Laser-plasma interaction at high intensities (I " 1015 W/cm2) with ultra-short pulses ( t " 100 fs) is a booming research domain as it offers the opportunity to study increasingly short phenomena, comprised under the trivial name " attosecond science ". Laser-plasma interaction also bears the promise to achieve new light sources for the generation of energetic particle beams and X-rays. Our approach focuses on the generation of attosecond pulses from plasma mirrors using few-cycle laser pulses ( 5 fs at 800 nm) at high repetition rate (1 kHz) and with fine control of laser parameters. The generation and spatio-temporal control of high-order harmonics emission in the non-relativistic regime has recently been demosntrated by our group. The following objective is to reach the relativistic regime thanks to higher intensities on target. This thesis pursued the goals of improving the existing laser chain performances in termes of energy and temporal contrast, while preserving, at least, all the other key parameters. Meeting these requirements was achieved while developing a laser architecture based on chirped-pulse amplification (CPA) delivering 5 mJ, 5 fs pulses at 1 kHz, with a temporal contrast C = 1011 and an absolute phase (CEP) stabilized down to 200 mrad rms. Contrast improvement by cross-polarized wave (XPW) generation is at the centre of this dissertation. An extensive study of the mechanism was carried out. It allowed to confront experimental results and theoretical developments in " extremes " regimes such as the generation at very high efficiency and few-cycle pulse filtering. Besides, a new energy-scalable scheme was proposed to filter efficiently (20%) a wide range of pulse energies (from 100 μJ to 10 mJ). Pulse compression by a factor larger than two was also demonstrated. The new laser chain includes such filter in a double-CPA configuration delivering pulses of 10 mJ, 20 fs, C = 1011 and CEP = 200 mrad rms. A detailed study was carried out to develop a new stretcher/compressor scheme achieving highly stretched pulses (50 ps) while remaining compact to preserve CEP stability. The chosen configuration consists of a bulk stretcher, an acousto-optic programmable dispersive filter and a grisms compressor. The manuscript finally presents the perspectives of post-compression in a rare-gas filled hollow-core fibre in order to achieve pulses of 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms at 1 kHz.
L'interaction laser-plasma à très haute intensité (I " 1015 W/cm2) avec des impulsions ultra-courtes ( t " 100 fs) est un domaine en plein essor car il offre l'opportunité d'étudier des phénomènes physiques toujours plus brefs, regroupés sous l'appellation " science attoseconde ". L'interaction laser-plasma promet aussi l'avènement de nouvelles sources pour la génération de faisceaux de particules et de rayonnement X très énergétiques. Notre démarche se concentre sur la génération d'impulsions attosecondes sur miroir plasma à partir d'impulsions de quelques cycles optiques ( 5 fs à 800 nm), à haut taux de répétition (1 kHz) et avec un contrôle fin des paramètres laser. La génération et le contrôle temporel et spatial de l'émission d'harmoniques d'ordres élevés dans le régime non-relativiste ont récemment été démontrés par le groupe. L'objectif suivant est d'atteindre le régime relativiste, qui nécessite une intensité sur cible plus élevée. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans la logique d'améliorer les performances de la chaine existante en termes d'énergie et de contraste temporel, tout en préservant les autres paramètres clés. Pour répondre à ces défis, l'objectif a été de mettre au point une architecture laser basée sur l'amplification à dérive de fréquence (CPA) délivrant des impulsions de 5 mJ, 5 fs à 1 kHz, avec un contraste temporel C = 1011 et une phase absolue (CEP) stabilisée à 200 mrad rms. La problématique de l'amélioration du contraste par la technique de génération de polarisation croisée (XPW) occupe une place centrale dans ce mémoire. Une étude extensive du mécanisme XPW a été menée. Elle a permis de confronter résultats expérimentaux et développements théoriques dans les régimes dits " extrêmes " tels que la génération à très haut rendement et le filtrage d'impulsions de quelques cycles optiques. En outre, un nouveau schéma de filtrage adaptable sur une large gamme d'énergie (de 100 μJ à 10 mJ) et efficace (20%) a été réalisé. La compression des impulsions d'un facteur supérieur à deux avec ce schéma a également été démontrée. La nouvelle chaine laser inclut un tel filtre dans une configuration en double CPA dont les performances finales visées sont les suivantes : 10 mJ, 20 fs, C = 1011 et CEP = 200 mrad rms. Le schéma d'étirement/compression a fait l'objet d'une étude détaillée pour permettre un étirement élevé (50 ps) tout en restant compact pour préserver la stabilité CEP. La configuration adoptée consiste en un étireur verre, un filtre acousto-optique dispersif programmable et un compresseur "grismes". Le mémoire présente enfin les perspectives de post-compression dans une fibre creuse remplie d'un gaz rare pour obtenir des impulsions de 5 mJ, 5 fs, C = 1011, CEP = 200 mrad rms à 1 kHz.
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Dates and versions

pastel-00841459 , version 1 (04-07-2013)

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  • HAL Id : pastel-00841459 , version 1

Cite

A. Ricci. Développement d'une source laser ultra-brève, stabilisée en phase et à haut contraste, pour l'optique relativiste haute cadence. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique X, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00841459⟩
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