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Compact laser sources from the extreme ultraviolet to the mid-infrared spectral range
Résumé Anglais:
Lasers have revolutionized the way we live and work in so many ways and have become a major part of our lives. We use them in telecommunications, medical care, material processing, data storage and printing, just to name a few. Lasers have proved to be important tools and are a major subject of research in science, continuously developed further and finding new uses. Pushed by the need to characterize absorption lines of molecules in gas phase, laser radiation in the mid-infrared (mid-IR) have become very desirable. On the other hand, the intense electric fields created by lasers revealed new aspects of nature’s behavior and extreme non-linear processes like high-harmonic generation (HHG) could be demonstrated. They gave us access to new sources of coherent radiation in the extreme ultra-violet. This thesis presents the development of compact laser sources in the midinfrared by difference frequency generation (DFG) inside an enhancement cavity driven by high power fiber amplifiers on one side, and in the extreme ultraviolet (XUV) by high harmonic generation inside a modelocked thindisk laser oscillator on the other side.

In the first part of this work, the implementation of a narrow linewidth and high-power 3-μm source based on DFG between 1-μm and 1.5-μm radiations inside an enhancement cavity supplied by two highpower fiber amplifiers is presented. Up to 120 mW of 3-μm radiation is measured, corresponding to a conversion efficiency of 1.4 mW·W-2·cm-1 for the overall system and 98.5 μW·W-2·cm-1 for the intracavity conversion efficiency (equivalent to single-pass). The 3-μm frequency noise is estimated by measuring the noise of the semiconductor laser diodes that seed the system as well as the additive noise from the rest of the setup. This latter noise characterization is achieved by analyzing the beat note between the high-power continuous-wave cavity-enhanced DFG radiation and a singlepass DFG source seeded by two fiber amplifiers operating at the same wavelength. As the two systems are seeded by the same laser diodes, the additive frequency noise of the fiber amplifiers, the crystals and the cavity is characterized. It is shown that only the frequency noise of the laser diodes (at 1064 nm and 1560 nm) contributes to the linewidth of the mid-IR radiation (evaluated to amount to 1.1 MHz in our case).

Coherent extreme ultraviolet light sources open up numerous opportunities for science and technology. Femtosecond laser-driven HHG in gases is the most successful method for coherent table-top XUV generation in contrast to synchrotrons. While initial HHG systems were limited to low repetition rates, the last years have seen a strong research effort on MHz systems. High repetition rates can strongly reduce measurement time, improve signal-to-noise ratio, and enable XUV frequency comb metrology. However, current MHz HHG sources have a high degree of complexity. In the last part of this thesis, a compact XUV source that generates high harmonics directly inside the cavity of a modelocked thin-disk laser (TDL) oscillator is presented. The laser is directly diode-pumped at a power of only 51 W and operates at a wavelength of 1034 nm and 17.4 MHz repetition rate. HHG is driven in a high-pressure xenon gas jet with an intracavity peak intensity of 2.8×1013 W/cm2 and 320 W of intracavity average power. Despite the highpressure gas jet, the laser operates at high stability. Harmonics up to the 17th order (60.8 nm, 20.4 eV) are observed and a flux of 2.6×108 photons/s for the 11th harmonic (94 nm, 13.2 eV) is estimated. Due to the power-scalability of the thin disk concept, it is highly expected that this new class of compact XUV sources will become a versatile tool for areas such as structural analysis of matter, attosecond science, XUV spectroscopy, and highresolution imaging.

Français:
Les lasers ont révolutionné notre manière de vivre et de travailler à bien des égards, à tel point qu’ils sont devenus un élément essentiel de nos vies. Nous les utilisons dans les domaines des télécommunications, des soins médicaux, du traitement des matériaux, du stockage de données ainsi que dans l’imprimerie, pour ne pas tous les nommer. Depuis leur invention, les lasers n’ont cessé d’être développés et leur utilisation s’étend continument vers de nouveaux domaines. Ils sont devenus des outils essentiels et représentent un sujet majeur de recherche scientifique. Poussé par la nécessité de caractériser les raies d’absorption de molécules en phase gazeuse, les lasers émettant dans la gamme de l’infrarouge sont devenus très désirables. D’autre part, les champs électriques intenses créés par rayonnement laser ont révélé de nouveaux aspects des lois naturelles comme les processus extrêmement non linéaires de conversion de photon telle la génération d’harmonique d’ordre élevée. Ce phénomène nous a donné accès à de nouvelles sources cohérentes de radiations pouvant s’étendre jusqu’à l’extrême ultraviolet. Cette thèse présente, d’une part, le développement de sources lasers compactes émettant dans l’infrarouge moyen par différence de fréquence dans une cavité résonante, et d’autre part dans l’extrême ultraviolet par génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un oscillateur laser à disque fin à verrouillage de modes.

La première partie de ce mémoire présente l’implémentation d’une source à 3 μm basée sur la différence de fréquence entre des rayonnements à 1064 nm et 1560 nm à l’intérieur d’une cavité Fabry-Pérot alimentée par deux amplificateurs à fibres de haute-puissance. Jusqu’à 120 mW de puissance à 3 μm ont été mesurés, correspondant à une efficacité de conversion de 1.4 mW·W-2·cm-1 pour l’ensemble du système et à 98.5 μW·W-2·cm-1 pour l’efficacité de conversion intra-cavité. Le bruit de fréquence du rayonnement généré à 3 μm est estimé en mesurant le bruit provenant des diodes sources à semi-conducteurs (à 1 μm et 1.5 μm) ainsi que le bruit additif provenant du reste du montage expérimental. Cette dernière caractérisation de bruit est faite en mesurant le battement entre le rayonnement à 3 μm provenant de la cavité Fabry-Pérot et celui d’une seconde source à 3 μm générée de manière similaire à partir des mêmes sources lasers, amplifiées séparément, mais dans une configuration nonrésonante. Comme les deux systèmes opèrent avec les mêmes diodes sources, seul le bruit additif est caractérisé, comprenant le bruit provenant des amplificateurs à fibre, des cristaux et de la cavité. Il est démontré que seul le bruit provenant des lasers sources contribue effectivement à la largeur de raie du rayonnement à 3 μm, évaluée dans ce cas à 1.1 MHz.

Les sources de lumière cohérentes dans l’extrême ultraviolet (EUV) ouvrent de nombreuses voies et opportunités pour la science et la technologie. La génération d’harmoniques d’ordre élevé dans les gaz par des sources lasers femto-secondes est la méthode la plus courante pour obtenir une source de rayonnement EUV compacte (à la différence de grandes installations telles les synchrotrons). Alors qu’initialement la génération d’harmoniques était limitée à de faibles taux de répétition, les dernières années ont été témoin d’un grand effort de la part de nombreux groupes de recherche pour développer des systèmes opérant dans les MHz. En effet, de hauts taux de répétition réduisent fortement les temps de mesures, améliorent grandement le rapport signal-à-bruit et rendent possible la génération de peignes de fréquence allant jusque dans l’EUV. Néanmoins, les sources actuelles d’harmoniques au MHz possèdent un haut degré de complexité. La deuxième partie de cette thèse traite d’une source compacte de rayonnement EUV générant de hautes harmoniques directement à l’intérieur de la cavité d’un oscillateur laser à disque fin à modes verrouillés. Le laser est directement pompé par diode à une puissance de 51 W et opère à une longueur d’onde de 1034 nm avec un taux de répétition de 17.4 MHz. Les hautes harmoniques sont générées dans un jet de Xénon à haute pression avec une intensité pic intra-cavité de 2.8×1013 W/cm2 et 320 W de puissance moyenne intra-cavité. Malgré le jet de gaz à haute pression, le laser fonctionne avec une grande stabilité. Des harmoniques jusqu’au 17ème ordre (60.8 nm, 20.4 eV) ont été observées avec un flux de photon estimé à 2.6×108 photons/s pour la 11ème harmonique (94 nm, 13.2 eV). Grâce à la puissance évolutive du concept des lasers à disques fins, cette nouvelle classe de source EUV est en passe de devenir un outil versatile dans de nombreux domaines, tels que l’analyse structurelle de matière, l’attoscience, la spectroscopie EUV et l’imagerie de haute résolution.
   
Mots-clés Anglais:
Thin-disk laser (TDL), difference frequency generation (DFG), highharmonic generation (HHG), modelocked laser, ultrafast laser, high-power laser, diode-pumped solid-state laser (DPSSL), femtosecond, optical frequency comb, optical fiber amplifier, frequency noise, phase noise, near infrared (near-IR), mid-infrared (mid-IR), extreme ultra-violet (XUV).

Français:
Laser à disque fin (TDL), génération de différence de fréquence (DFG), génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG), laser à verrouillage de mode, laser ultra-rapide, laser à haute puissance, laser à corps solide pompé par diode (DPSSL), femto-seconde, peigne de fréquence optique, amplificateur optique à fibre, bruit de fréquence, bruit de phase, proche infrarouge, infrarouge moyen, extrême ultraviolet (EUV).
   
Citation L. Merceron, "Compact laser sources from the extreme ultraviolet to the mid-infrared spectral range," 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