Development of an ultrashort and intense collisional OFI plasma-based soft X-ray laser - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2015

Development of an ultrashort and intense collisional OFI plasma-based soft X-ray laser

Développement d’un laser XUV collisionnel à plasma OFI ultrabref et intense

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1
Adrien Depresseux
  • Function : Author
  • PersonId : 973181

Abstract

Collisionally-pumped “OFI” plasma-based soft X-ray lasers are achieved by focusing an ultra-intense infrared laser pulse into a gas. The resulting laser-plasma interaction allows the generation of a plasma column in population inversion, made of multi-charged ions and energetic electrons. We are interested in the emission from the 3d94dJ=0 → 3d94pJ=1 atomic transition of krypton IX (Nickel-like) at 32.8 nm. When this plasma is seeded by an external high-harmonic source, the resulting emission exhibits excellent spatial properties, while demonstrating a significantly higher photon yield at the relevant wavelength. Although being compact and exhibiting numerous attractive characteristics, collisional plasma-based X-ray lasers face limitations intrinsic to their pumping scheme. Indeed, they used to deliver quite long pulses (a few picosecond), thus limiting the scope of applications. The main focus of this thesis has been associated with the implementation of an original technique aimed at achieving 100 fs-range duration of emission by quenching the plasma amplifier gain lifetime through collisional over-ionization (Collisional Ionization Gating). This required operating at very high electron densities (about 1020 cm-3), which involved the implementation of optical waveguiding techniques. The “seeded regime” has been used to sample the ultrafast gain lifetime of such a plasma amplifier. A time-dependent Maxwell-Bloch code allowed describing the ultrashort amplification dynamics and deriving a final soft X-ray pulse duration. The method additionally allows a larger photon yield per shot (14 µJ), thus promising a nearly three orders of magnitude surge in soft X-ray pulse intensity compared to previous performances. Another important focus of this thesis dealt with the implementation of a circularly polarized plasma-based X-ray laser. Such source allows the study of dichroism, magnetization dynamics in matter or chiral domains in biology. The source has been demonstrated by seeding a krypton IX plasma amplifier with a resonant circularly polarized high-harmonic signal. In agreement with experimental measurements, our Maxwell-Bloch numerical model confirms the conservation of the high-harmonic polarization over amplification in the plasma and the efficiency of the scheme, which paves the way for prospective single-shot measurements.
Les lasers XUV collisionnels dit « OFI » sont réalisés en focalisant une impulsion laser infrarouge ultra-intense dans un milieu gazeux. L’interaction qui en résulte permet la génération d’une colonne de plasma en inversion de population, constituée d’ions multi-chargés et d’électrons énergétiques. Nous nous intéressons à l’emission de la transition 3d94dJ=0 → 3d94pJ=1 du krypton IX (nickeloïde) à 32,8 nm. Lorsque ce plasma amplificateur est injecté par une source harmonique externe, l’émission résultante montre d’excellentes propriétés spatiales tout en offrant, à la longueur d’onde considérée, un nombre de photons bien supérieur. Bien que compacts et démontrant d’excellentes propriétés spatiales, les lasers XUV collisionnels font face à des limites inhérentes à leur schéma de pompage. En effet, ceux-ci produisaient jusqu’ici des impulsions relativement longues (quelques picosecondes), limitant ainsi le champ d’applications. L’axe majeur de cette thèse a consisté à repousser cette limite afin d’atteindre une durée d’émission de l’ordre de la centaine de femtosecondes, en mettant en œuvre une « fenêtre temporelle sur le gain » de l’amplificateur plasma par sur-ionisation collisionnelle (Collisional Ionization Gating). Ceci est rendu possible en opérant à des densités électroniques très élevées (autour de 1020 cm-3), ce qui nécessite l’utilisation de techniques de guidage optique. Le régime d’injection d’harmoniques a été utilisé pour sonder la dynamique temporelle du gain d’un tel amplificateur plasma. Un modèle numérique Maxwell-Bloch à dépendance temporelle nous a permis de décrire cette dynamique d’amplification et d’en extraire une durée d’émission XUV. D’autre part, la méthode permet également la génération d’un plus grand nombre de photons par tir (jusqu’à 14 µJ), offrant ainsi une augmentation de l’intensité des impulsions XUV émises de près de trois ordres de grandeurs par rapport aux performances précédentes. Un autre axe important de la thèse a consisté en la réalisation d’un laser XUV polarisé circulairement. De telles sources permettent l’étude des propriétés dichroïques de la matière, de la dynamique de domaines magnétiques de matériaux ou de la structure chirale d’échantillons biologiques. La source a été réalisée avec succès en amplifiant une source harmonique résonante et polarisée circulairement par un plasma de Krypton IX. Conformément aux mesures expérimentales, notre modèle numérique Maxwell-Bloch confirme la conservation de l’état de polarisation des harmoniques au cours de l’amplification ainsi que l’efficacité du schéma de génération, ce qui ouvre ainsi la voie vers l’acquisition de mesures en un seul tir.
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  • HAL Id : tel-01233246 , version 1

Cite

Adrien Depresseux. Development of an ultrashort and intense collisional OFI plasma-based soft X-ray laser. Physics [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01233246⟩
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