Résumé :
Les systèmes laser de haute-puissance sont aujourd’hui caractérisés et optimisés indépendamment en temps et dans l’espace. Par essence, cette approche est aveugle aux distorsions spatio-temporelles du champ laser. Après focalisation, ces distorsions peuvent avoir pour conséquence une diminution drastique de l’intensité pic. En raison de leurs dimensions (diamètre avant focalisation et largeur spectrale importants), ces faisceaux sont particulièrement à même de présenter de telles distorsions. De plus, l’importance de leur effet augmente avec les dimensions (et donc la puissance) du faisceau laser. La connaissance de ces distorsions est donc primordiale pour le développement des systèmes laser ultra-intenses. Cependant, avant le début de cette thèse, aucun des dispositifs de caractérisation spatio-temporelle existant n’avait été adapté à la mesure de lasers ultra-intenses.
Cette thèse a porté sur le développement et la démonstration d’une nouvelle technique de caractérisation appelée TERMITES (Total E-field Reconstruction using a Michelson Interferometer’s Temporal Scan). Elle nous a permis d’effectuer la première caractérisation spatio-temporelle totale d’un laser de classe 100 TW, le laser UHI-100 du CEA Saclay. Les distorsions spatio-temporelles détectées à l’aide de ces mesures confirment la nécessité d’une généralisation de la métrologie spatio-temporelle des lasers de haute puissance.
Mots clés : Laser ultra-intense, Caractérisation spatio-temporelle, Optique ultra-rapide, Métrologie optique, Laser femtoseconde.
Spatiotemporal characterization of ultra-intense laser pulses
Abstract:
High power laser make it possible to reach very high intensities (up to 10²²W.cm⁻²). In order to get to this level of intensity, a moderate quantity of energy (on the order of the Joule) is concentrated in a very short time (on the order of tens of femtoseconds) onto a small surface (on the order of 1 μm²). These beams are therefore ultra-short and focused with a high aperture optic. These features mean that their diameter prior to focus is large and their spectral width is big. As a result, these beams are subject to spatio-spectral distorsions (of spatio-temporal couplings). After focus, these distorsions induce a dramatic reduction of the peak intensity. This situation is all the more true when the laser is more intense and its diameter and spectral width are therefore bigger. Despite their detrimental effects, spatio-temporal couplings can be of great interest when controlled. One can indeed introduce weak spatio-temporal couplings for experimental purposes. In the 1990s and 2000s, a big effort was put in order to characterize dans optimize the temporal profile of femtosecond lasers. Meanwhile, adaptative optics solutions were developed to control the spatial profil of ultra intense laser beams and provide the best focal spot achievable. By nature, this approach is blind to spatio-temporal couplings. Measuring these distorsions requires a spatio-temporal characterization. Before the start of this Phd thesis, spatio-temporal characterization methods already existed. Although none of these devices were ever adapted to the measurement of ultra-intense laser beams. During this Phd Thesis, we developped a new spatio-temporal characterization technique which we called TERMITES. This technique is based on a self-referenced Fourier transform spectroscopy scheme. TERMITES made it possible for us to perform the first total spatio-temporal characterization of a 100 TW laser (UHI-100 at CEA Saclay, France). The detection of spatio-temporal distorsions with the help of these measurements confirmed the need for a generalization of spatio-temporal characterization of ultra-high power lasers.
Keywords: Optics metrology, Femtosecond laser, Ultra intense laser, Spatial temporal characterization, Ultra-fast optics.
Groupe Physique à haute Intensité (PHI)