Login
New frontiers of ultrafast thin-disk laser oscillators for applications in metrology and the generation of THz and XUV radiation
Résumé Les systèmes laser ultra brefs sont des outils versatiles ayant des applications dans l’industrie et la recherche scientifique. Ceux basés sue le Ti:sapphire fonctionnent généralement à des taux de répétition autour du kHz et bénéficient de la large bande spectrale d’amplification disponible pour la génération directe de durée d’impulsions inférieure à 100 fs. Cependant, les effets thermiques délétères dans le milieu amplificateur limitent leur puissance moyenne à quelques watts. De nombreuses d’applications bénéficieraient d’être pilotées à des taux de répétition de l’ordre du MHz en utilisant des systèmes laser simples et puissants. Les systèmes laser ultra brefs basés sur des milieux amplificateurs dopés aux ions ytterbium ont vu une augmentation drastique sans précédent de leur puissance moyenne au cours des dernières décennies. Ces immenses progrès ont été obtenus grâce au faible défaut quantique de ces milieux, combiné à des concepts novateurs utilisant des géométries de milieu amplificateur optimisées pour une extraction de chaleur efficace (fibres optiques, slab, disques minces). Ces systèmes sont habituellement basés sur des architectures présentant plusieurs étages d’amplification et atteignent aujourd’hui des puissances moyennes de l’ordre du kilowatt à des taux de répétition autour du MHz. Cependant, la bande spectrale d’amplification limitée des milieux amplificateurs dopés aux ions ytterbium entraine la génération d’impulsion ayant des durées de plusieurs centaines de femtosecondes. De plus, la post-compression nonlinéaire de ces impulsions devient nécessaire afin d’obtenir des durées d’impulsions inférieures à 100 fs requises par un grand nombre d’applications.
Les études présentées dans cette thèse portent sur le potentiel des oscillateurs lasers à base de disque mince (TDL) puissants et ultra brefs pour la génération d’impulsions de durée inférieure à 100 fs. La géométrie des disques minces a déjà prouvé qu’elle était adaptée à ces besoins en délivrant la plus grande puissance moyenne de toutes les technologies d’oscillateurs laser ultra brefs. À terme, le développement de puissants oscillateurs TDL délivrant des durées d’impulsions inférieures à 100 fs peut surmonter la nécessité d’amplifications et de post-compression nonlinaire additionnelles. De ce fait, en tant que système laser simple et mono étage délivrant des impulsions solitoniques limitées par transformée de Fourier sans piédestal pré ou post impulsions avec une excellente qualité de faisceau et un potentiel d’augmentation de puissance, ces sources sont extrêmement attractives pour un grand nombre d’applications.
L’ingrédient clé des oscillateurs TDL délivrant des impulsions inférieures à 100 fs présentés dans cette thèse réside dans le blocage de mode par effet Kerr combiné à l’utilisation de milieux amplificateurs dopés aux ions ytterbium présentant des bandes spectrale d’amplification plus large que l’Yb:YAG. Un oscillateur laser en de blocage de mode par effet Kerr (KLM) fonctionnant en régime de forte automodulation de phase intra-cavité basé sur l’Yb:Lu2O3 a permis la génération de durées d’impulsions plus courte que celles supportées par la bande spectrale d’amplification correspondante. Ddifférentes configurations ont permis la génération d’impulsions d’une durée de 49 fs avec une puissance moyenne de 4.5 W d’une part et de 95 fs avec 21 W d’autre part. Ces performances représentent les plus importantes puissances moyennes obtenues jusqu’ici par des oscillateurs laser délivrant respectivement des impulsions de durée inférieure à 50 fs et 100 fs. Comparé aux résultats publiés avant cette thèse, la puissance moyenne des oscillateurs TDL a été multipliée par un facteur 4. En utilisant la bande spectrale d’amplification très large de l’Yb :CALGO, des impulsions de 30 fs ont été générées par le premier oscillateur TDL en régime de blocage de mode par effet Kerr basé sur ce milieu amplificateur. À ce jour, ce résultat représente à plus courte durée d’impulsions obtenue par un oscillateur TDL et est 40% plus courte que les durées d’impulsions générées par des oscillateurs TDL avant cette thèse.
La capacité des oscillateurs TDL développés à être utilisé dans des applications en métrologie comme peigne de fréquence optique est démontrée. Le décalage de la fréquence enveloppe-porteuse est détecté et stabilisé avec un asservissement tight de la phase. Une étude préliminaire étudie la stabilisation complète du peigne de fréquence grace à une stabilisation parallèle du taux de répétition.
Les sources laser développées ont également permis la génération de radiation THz de large bande spectrale, pour la première fois par un oscillateur TDL ultra bref. En utilisant le processus de rectification electro-optique in GaP, un spectre optique s’étendant jusqu’à 7 THz a été généré. La génération de THz avec des impulsions de 95 fs à 20 W de puissance moyenne a produit 0.3 mW de puissance moyenne THz avec un spectre optique allant jusqu'à 5 THz. Le spectre d'absorption de la vapeur d'eau a été mesuré avec une résolution inférieure à 20 GHz comme référence pour les applications de spectroscopie linéaire dans le domaine temporel en THz. En outre, une procédure est présentée permettant d'estimer le spectre THz à l'aide de facteurs multiplicatifs dans le domaine de Fourier. Moreover, a procedure is presented allowing to estimate the THz spectrum via multiplicative factors in the frequency domain.
De plus, la première réalisation expérimentale de génération d'harmoniques d’ordres élevés à l'intérieur de la cavité d'un oscillateur TDL à blocage de mode par SESAM est présentée. Ce ouvre la voie à une nouvelle classe de sources de lumière dans l’extrême ultraviolet à un étage fonctionnant à des taux de répétition de l’ordre du MHz.
   
Mots-clés Laser à blocage de mode; laser ultra brefs; ytterbium; matériaux amplificateurs dopes aux ions ytterbium; blocage de mode par effet Kerr; oscillateur laser à disque mince; peignes de fréquences optiques; décalage de la fréquence enveloppe-porteuse; radiation terahertz; rectification electro-optique; génération d'harmoniques d’ordres élevés; peignes de fréquences dans l’extrême ultraviolet.
   
Citation N. Modsching, "New frontiers of ultrafast thin-disk laser oscillators for applications in metrology and the generation of THz and XUV radiation," Doctorat, Faculté des sciences, Institut de physique, Neuchâtel, Neuchâtel, 2019.
   
Type Thèse (Anglais)
Année 2019
Departement academique Faculté des sciences, Institut de physique
Université Neuchâtel (Neuchâtel)
Degré Doctorat
URL http://doc.rero.ch/record/326901