Résumé court :
Les lasers femtosecondes de haute puissance (TW-PW) permettent d’obtenir des intensités au foyer très élevées dépassant aujourd’hui les 1020W.cm-2. Pour cela, ces chaînes lasers délivrent des impulsions très courtes (de l’ordre de la dizaine de femtosecondes) sous forme de faisceaux qui sont nécessairement de grand diamètre (> 5 cm). Pour de tels faisceaux, les propriétés spatiales et temporelles du champ laser ne sont généralement pas indépendantes : on parle alors de couplage spatio-temporel. En augmentant la taille de tache focale et la durée d’impulsion au foyer, ces couplages tendent à réduire significativement l’intensité maximale au foyer.
Nous présentons ici différentes techniques que nous avons développées pour caractériser spatialement et temporellement le champ laser E(x,y,t), et ainsi détecter la présence de couplages spatio-temporels. Ceci nous a permis de réaliser la toute première caractérisation spatio-temporelle d’un laser de puissance 100 TW.
Résumé :
Un des avantages des lasers femtosecondes de haute puissance (TW-PW) est de pouvoir obtenir, au foyer d’une optique focalisante, des intensités très élevées atteignant jusqu’à 1022W.cm-2 soit un champ électrique de 2.7 PV.m-1. Pour cela, ces chaînes lasers délivrent nécessairement des faisceaux de grands diamètres (jusqu’à 40 cm) et des impulsions très courtes (de l’ordre de la dizaine de femtosecondes). En conséquence, les propriétés spatiales et temporelles de l’impulsion ne sont généralement pas indépendantes.
Ce type de dépendance, appelée couplage spatio-temporel, a pour conséquence d’augmenter la durée d’impulsion et la taille de la tache focale, ce qui peut conduire à une diminution notable de l’intensité maximale au foyer. Les dispositifs de métrologie couramment utilisés sur ces chaînes lasers femtosecondes de haute puissance ne permettent de mesurer les profils spatial et temporel de l’impulsion que de façon indépendante.L’objectif de cette thèse était de développer des techniques permettant de mesurer les couplages spatio-temporels afin de pouvoir quantifier leur effet et de les corriger dans l’optique d’obtenir l’intensité maximale au foyer. Ainsi, nous avons tout d’abord adapté une technique de caractérisation spatio-temporelle existante à la mesure de lasers TW. Afin d’éviter les contraintes induites au foyer, comme celles liées aux fluctuations de pointé, les mesures ont été réalisées sur le faisceau collimaté.
Ajouter une source de référence en parallèle du dispositif initial, nous a aussi permis de prendre en compte les artéfacts de mesure dus aux variations thermiques et mécaniques affectant l’interféromètre. Grâce à cette amélioration, il est possible de reconstruire le profil spatio-temporel complet du faisceau, en particulier son front d’onde.Cependant, les limitations induites par cette technique, nous ont conduit à développer un nouveau dispositif de mesure. Basé sur une corrélation croisée, cette technique consiste à faire interférer le faisceau laser à caractériser avec une partie de ce dernier, suffisamment petite pour ne pas être distordue spatio-temporellement. Nous avons également mis en œuvre une variante de ce dispositif permettant une mesure mono-coup selon une dimension transverse de l’impulsion.
A l’aide de ces différentes techniques, nous avons pu caractériser, pour la première fois, plusieurs chaînes lasers TW. Les mesures réalisées ont mis en lumière l’existence de couplages spatio-temporels résiduels conduisant à une baisse significative de l’intensité pic au foyer. Ces résultats montrent qu’il est indispensable de caractériser spatio-temporellement des chaînes lasers femtosecondes de haute puissance dans l’optique d’obtenir l’intensité maximale au foyer.
Mots clés : Chaînes lasers femtosecondes de haute puissance, Métrologie d’impulsion laser, Couplage spatio-temporel, Interférométrie spatiale (résolue spectralement).
Experimental devices for the spatiotemporal characterization of femtosecond high-power laser chains
One of the advantages of high-power femtosecond lasers (TW-PW) is to obtain, at the focus of a focusing optic, very high intensities up to 1022W.cm-2 (i.e. an electric field of 2.7 PV.m-1. Therefore, these lasers chains necessarily deliver beams with large diameter (up to 40 cm) and very short pulses (of the order of tens of femtoseconds). As a consequence, the spatial and temporal properties of the pulse are generally not independent. Such dependence, called spatial-temporal coupling has the effect of increasing the pulse duration and the size of the focal spot, which can lead to a significant reduction of the maximum intensity at the focus. Metrology devices commonly used on these high-power femtosecond lasers allow retriving the spatial and temporal profiles of the pulse only in an independent manner. The aim of this thesis was to develop techniques for measuring spatiotemporal couplings in order to quantify their effect and correct them in order to obtain the maximum intensity at focus. First of all, we adapted an existing technique of spatio-temporal characterization to the measurement of TW lasers. To avoid the issues induced at the focus, such as those related to jittering, measurements were performed on the collimated beam. By adding a reference source to the original device, we managed to take into account the measurement artifacts due to thermal and mechanical variations affecting the interferometer. With this improvement, it was possible to reconstruct the complete spatio-temporal profile of the beam, particularly its wavefront. However, the limitations imposed by this technique led to the development of a new measurement device. Based on a cross-correlation, this technique consists of making the laser beam to interfere with a part of itself, small enough not to be spatiotemporally distorted. We have also implemented a variant of this device for a single-shot measurement along one transverse dimension of the pulse. Using these techniques, we performed the very first characterization of several TW laser chains. The measurements have revealed the existence of residual space-time couplings leading to a significant decrease of the peak intensity at focus. These results show that it is essential to spatio-temporally characterize high power femtosecond laser chains to obtain the maximum intensity at focus.
Keywords: High-power femtosecond laser chains, Ultrafast metrology, Spatio-temporal coupling, (spectrally resolved) spatial interferometry.
IRAMIS/LIDyL/PHI