Coherent combining of few-cycle pulses for the next generation of Terawatt-class laser sources devoted to attosecond physics

• Main Author: Jacqmin, Hermance
• Other Authors: Université Paris-Saclay (ComUE)
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Optique non linéaire ultra-Rapide; Compression d'impulsions; Combinaison cohérente; Laser femtoseconde; Biréfringence; Ultrafast nonlinear optics; Pulse compression; Beam combining; Femtosecond laser; Birefringence
• Online Access: http://www.theses.fr/2016SACLX064/document

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une source laser TW, de cadence élevée, stabilisée en phase, et délivrant des impulsions de quelques cycles optiques pour explorer la physique attoseconde. De telles impulsions contiennent seulement quelques oscillations de l’onde porteuse (durée de 5 fs à une longueur d’onde centrale de 800 nm) et ne sont pas directement disponibles à la sortie d’une source laser femtoseconde classique. Une technique de post-compression efficace pour obtenir de telles impulsions consiste à élargir le spectre des impulsions laser par automodulation de phase dans une fibre creuse remplie de gaz, puis à compenser la phase spectrale introduite avec des miroirs chirpés. Cette technique convient à des impulsions dont l’énergie est inférieure au millijoule. Au-delà, la transmission et la stabilité du compresseur chutent fortement à cause d'effets non linéaires tels que l'autofocalisation et l'ionisation. Pour comprimer des impulsions énergétiques et dont la phase de l’enveloppe est stabilisée par rapport à la porteuse (stabilisation de la CEP), il est possible de diviser l'impulsion initiale en plusieurs répliques d'énergie moindre et de réduire ainsi l'intensité crête en entrée de fibre. Le spectre de chaque réplique est alors élargi indépendamment. Dans le cadre de cette thèse, la combinaison cohérente passive d'impulsions de quelques cycles optiques issues d'une fibre creuse remplie de gaz est démontrée pour la première fois. L'utilisation de lames biréfringentes (calcite) dont l’orientation est soigneusement déterminée permet de générer et combiner des répliques avec une efficacité élevée. Ainsi, dans le cas d’une division en deux répliques, des impulsions stabilisées en phase (CEP), de durée 6 fs et d'énergie 0.6 mJ ont été générées de manière fiable et reproductible. L’étude détaillée de cette technique, aussi bien théorique qu’expérimentale, a permis de mettre en évidence les conditions requises pour générer des impulsions de quelques cycles optiques et présentant un bon contraste temporel. Plus précisément, la phase spectrale relative entre les répliques peut être mesurée à l'aide d'une méthode interférométrique permettant de quantifier les déphasages résiduels dus à la lame qui recombine les répliques, ainsi que ceux induits lors de la propagation dans la fibre par d'éventuels effets de modulation de phase croisée ou d'ionisation. Les effets qui affectent le processus de combinaison des répliques, tels que les modifications des états de polarisation des répliques ou bien les interactions non linéaires entre les répliques, sont analysés en détail. Une méthode est proposée pour minimiser ces effets, même dans le cas plus critique de la division et combinaison d'impulsions à quatre répliques. === The framework of this thesis is the design and development of a TW-class, high-repetition rate, CEP-stabilized, few-cycle laser system devoted to attosecond physics. Few-cycle pulses includes only a few oscillations of the carrier wave (duration about 5 fs for 800nm central wavelength) and are not directly available at the output of typical femtosecond sources. One of the most popular techniques used for producing such pulses with high spatial quality is nonlinear spectral broadening in a gas-filled hollow-core fiber followed by temporal compression with chirped mirrors. However, as the input pulse energy approaches the milliJoule level, both the transmission and stability of hollow fiber compressors rapidly drop with the onset of self-focusing and ionization. A way of overcoming this limitation is to divide the input pulse into several lower energy replicas that can be subsequently recombined after independent spectral broadening in the fiber. In this thesis, the passive coherent combining of millijoule energy laser pulses down to few-cycle duration in a gas-filled hollow fiber is demonstrated for the first time. High combining efficiency is achieved by using carefully oriented calcite plates for temporal pulse division and recombination. Carrier-envelope phase (CEP)- stable, 6-fs, 800-nm pulses with more than 0.6 mJ energy were routinely generated in the case of twofold division and recombination. A detailed theoretical and experimental analysis of this temporal multiplexing technique is proposed to explain the conditions required for producing few-cycle pulses with high fidelity. In particular, an interferometric method for measuring the relative spectral phase between two replicas is demonstrated. This gives a measure of the phase mismatch in the combining plate, as well as that induced by eventual cross-phase modulation or ionization during propagation in the fiber. The effects degrading the combining process, as polarization change or nonlinear interactions between pulse replicas are analyzed in details. A method is proposed to overcome these limitations, even in the critical case of fourfold pulse division and combination.