Résultat de la recherche
Ultrafast laser sources and frequency conversion at high repetition rates
Les sources laser à verrouillage de mode sont devenues une technologie clé pour de nombreuses applications et ont conduit au développement d’outils et systèmes optiques révolutionnaires. Les lasers à verrouillage de mode se caractérisent par un spectre optique composé d’un ensemble de lignes discrètes équidistantes en fréquence. Cette structure spectrale a donné son nom à un nouvel outil appelé peigne de fréquence optique, dont les applications sont nombreuses dans des domaines tels que la spectroscopie, l’astronomie, l’attoscience, les télécommunications et les horloges atomiques. Les principales caractéristiques de ces peignes sont la puissance moyenne, la largeur de bande spectrale, le taux de répétition ainsi que la position du peigne dans le spectre électromagnétique. De manière générale, la grande majorité des applications requièrent des puissances moyennes élevées ainsi que de larges bandes spectrales. Le taux de répétition propice et la région spectrale appropriée varient quant à eux en fonction de chaque application. Les lasers à verrouillage de mode générant des impulsions dans le proche infrarouge avec des taux de répétition allant de quelques mégahertzs à des centaines de mégahertz sont désormais matures. Aujourd’hui, de nombreuses études se concentrent sur la génération de peigne optique dans le moyen infrarouge ainsi que sur l’accroissement du taux de répétition, répondant alors aux besoins de nombreuses applications en spectroscopie. En raison de la rareté de cristaux laser présentant des transitions résonnantes dans la région du moyen-infrarouge, la génération directe de peigne optique au-dessus de 3 μm reste technologiquement difficile. Bien que les lasers à cascade quantique soient prometteurs à cet égard, l’une des principales approches utilisées pour développer des peignes optiques large bande dans le moyen-infrarouge consiste à transférer des impulsions courtes du proche-infrarouge via une conversion de fréquence non linéaire. La difficulté est alors de disposer de suffisamment de puissance de pompe dans le proche-infrarouge pour effectuer la conversion linéaire efficacement. En outre, puisque l’énergie de l’impulsion diminue lorsque le taux de répétition augmente, toute chose égale par ailleurs, la difficulté d’atteindre suffisamment de pic de puissance est d’autant plus élevée à haut taux de répétitions. En conséquence, les sources optiques gigahertz à large bande dans le moyen-infrarouge sont rares et leurs applications ne dépassent souvent pas le cadre du laboratoire. Cette thèse est constituée en deux parties principales et s’intéresse au développement de sources à peigne de fréquence optique compactes et économiques, dans l’intérêt de rendre la technologie viable et disponible au-delà du cadre du laboratoire. Le premier chapitre se consacre au développement d’oscillateurs lasers délivrant des impulsions femtosecondes de puissance élevée dans le proche infrarouge. L’ensemble des sources lasers présentées dans ce chapitre repose sur l’utilisation de milieu à gain Yb:CALGO, dont les caractériques sont détaillées ultérieurement. La première section de ce chapitre détaille la conception d’un oscillateur laser à verrouillage de mode par lentille de Kerr opérant à une fréquence de répétition de 1 GHz. Le laser ainsi développé montre des performances remarquables. Entre autre, il produit la durée d’impulsion la plus courte ainsi que la puissance moyenne la plus élevée parmi les oscillateurs lasers Ytterbium opérant à des taux de répétition au-dessus du gigahertz. Dans un second temps, la stabilisation complète de ce laser est effectuée. La source stabilisée émet ainsi des peignes de fréquence optique bas bruit dont la puissance de crête élevée est particulièrement propice à la conversion de fréquence non-linéaire. La dernière partie de ce chapitre présente une méthode permettant de générer efficacement des impulsions ultrabrèves à l’aide de lasers basés sur des milieux à gain à faible défaut quantique tels que les matériaux dopés à l’Ytterbium. Cette technique est basée sur une architecture de pompage laser colinéaire permettant la génération d’impulsions ultrabrèves dont le spectre s’étend au-delà de la longueur d’onde de pompe. Cette technique est appliquée sur un laser femtoseconde basé sur le milieu à gain Yb:CALGO. Le laser ainsi créé permet une efficacité optique et puissance moyenne record comparée aux sources Ytterbium opérant dans le régime de quelques cycles optiques. La deuxième partie de cette thèse présente de nouvelles approches permettant la conversion de fréquence non-linéaire d’impulsions ultrabrèves vers les gammes spectrales du térahertz et du moyen infrarouge. Cette partie se décompose en trois sections principales. La première section présente le développement d’une source laser térahertz à large bande, compacte et économique, basée sur la conversion non-linéaire d’impulsions situées dans le proche infrarouge. La conversion est effectuée par rectification optique dans un cristal non-linéaire placé à l’intérieur de la cavité d’un laser femtoseconde Yb:CALGO. Cette configuration permet d’atteindre des niveaux d’efficacité et de puissance générée largement supérieurs à ce qui serait possible en plaçant le cristal non-linéaire à l’extérieur de la cavité. Le principal avantage de cette technique est donc de réduire fortement les exigences et donc la complexité du laser de pompe. La section suivante décrit la génération d’impulsions ultracourtes dans le moyen-infrarouge basée sur le processus non-linéaire d’amplification paramétrique optique. La conversion est effectuée dans un guide-onde non-linéaire composé de niobate de lithium en couche mince sur substrat de sapphire. En confinant la lumière dans de très petits volumes, ces guides-ondes sub-micrométriques permettent d’atteindre de hautes intensités optiques et offrent la possibilité de contrôler ses propriétés de dispersion. L’approche présentée dans cette section exploite ces deux avantages pour effectuer l’amplification paramétrique dans une configuration où la longueur d’intéraction non-linéaire n’est pas limitée par les vitesses de groupe des trois impulsions. Sous certaines conditions, les impulsions générées, à savoir le signal et son complémentaire, sont piégées proche de l’impulsion de pompe par l’interaction du gain non-linéaire et du déplacement temporel relatif des trois ondes. Dans le régime non saturé, ce piégeage permet ’amplification exponentielles des impulsions générées sur la totalité du guideonde, quelque soit sa longueur, permettant ainsi une conversion non-linéaire très efficace. Dans cette étude, on observe que seulement quelques picojoules d’énergie incidente couplée à l’intérieur du guide d’onde suffisent pour atteindre le régime saturé. Une fois le régime saturé atteint, le transfert des photons de pompes dans la bande spéctrale entre 3-4 μm se poursuit et atteind un maximum de 50% de conversion avec seulement une dizaine de picojoule d’énergie incidente. Étant donné l’efficacité du processus et les faibles besoins en puissance de pompe, cette approche est prometteuse pour la conversion de fréquence à des taux de répétition dépassant le gigahertz. Dans la dernière section, les guides-ondes nanophotoniques de niobate de lithium sont utilisés pour la génération de supercontinuum et, consécutivement, la détection du décalage en fréquence entre l’enveloppe et la porteuse de l’onde incidente. Dans cette expérience, le supercontinuum est obtenu via le processus non-linéaire de génération d’harmoniques en cascade. En outre, les guide-ondes sont conçus de sorte à ce qu’une impulsion ultrabrève située autour de 2 μm se propage avec la même vitesse de groupe que sa deuxième harmonique à 1 μm. Dans ce cas, lorsque le processus est suffisamment saturé, l’élargissement spectral des deux harmoniques se produit via un processus d’interaction en cascade entre le désaccord de phase et la déplétion de la pompe. Dans cette étude, on observe la formation du supercontinuum avec seulement quelques dizaines de picojoule d’énergie incidente couplée dans le guide-onde. Le recouvrement spectral entre l’impulsion fondamentale et sa seconde harmonique permet la détection de la fréquence de décalage enveloppe-porteuse sans étape supplémentaire. Celle-ci est détectée simplement en focalisant la sortie du guide-onde sur une photodiode. Enfin, il est intéressant de souligner la connection entre les deux parties de cette thèse. La première partie se consacre au développement de sources laser femtosecondes compactes et bas bruit émettant dans le porche infrarouge. La seconde partie étudie notamment la génération d’impulsions dans le moyen infrarouge basée sur la conversion en fréquence d’impulsions incidentes située dans le proche infrarouge. Ainsi, les sources laser développées dans la première partie, combinées avec ces techniques de conversion non-linéaires offrent la possibilité de réaliser des peignes de fréquences à hauts taux de répétition dans le moyen infrarouge, possédant ainsi un intérêt certain pour de nombreuses applications en spectroscopie. ABSTRACT Mode-locked laser sources have become a cornerstone technology for numerous applications and led to the development of groundbreaking optical tools and systems. In the optical frequency domain, mode-locked lasers feature spectra composed of a set of discrete lines that are equally spaced. This spectral structure gave the name to a new tool called optical frequency comb (OFC), spanning applications such as spectroscopy, astronomy, attoscience, telecommunications, and atomic clocks. The main important features of OFCs are the average power and spectral bandwidth, in addition to the repetition rate and the location of the comb-lines within the electromagnetic spectrum. While nearly all applications benefit from high average power and large spectral bandwidths, the most suitable repetition rates and spectral regions are truly application dependent. Mode-locked lasers generating near-infrared pulses with repetition rates spanning from megahertz to hundreds of megahertz are now mature. Nowadays, driven by application needs in spectroscopy and astronomy, many research projects focus on generating OFCs in the mid-infrared spectral region as well as increasing the repetition rates. Due to the lack of commercially available laser crystals featuring resonant transitions in the mid-infrared region, direct generation of OFCs above 3 μm is technologically challenging. While the emergence of quantum cascade lasers paved a promising way for direct mid-infrared generation, the main approach for realizing broadband mid-infrared OFC sources remains nonlinear frequency conversion of near-infrared pulses delivered by mature mode-locked lasers. There, an important challenge is to deliver sufficient power to achieve efficient nonlinear conversion, especially at high repetition rates since the pulse energy and repetition frequency tend to play against each other. As a result, mid-infrared OFC sources based on gigahertz mode-locked lasers are rare and mostly limited to photonic laboratories. Pursuing the objective of developing compact and cost-efficient OFC sources suitable for real-world applications, this thesis is structured into two main parts. The first chapter presents the development of powerful and broadband modelocked laser oscillators based on Ytterbium (Yb) gain materials. It begins with the description of a Kerr-lens mode-locked Yb:CALGO oscillator operating at 1 GHz repetition frequency. The laser demonstrates the shortest pulse duration and highest average and peak power with respect to previous gigahertz-class oscillators based on Yb gain media. In a subsequent experiment, we perform the full stabilization of the laser, turning the source into a functional broadband OFC. Besides achieving low-noise performance, the stabilized source delivers peak power levels suitable for many applications, including nonlinear frequency conversion. We close the first chapter by addressing the challenge of generating few-cycle pulses at high average power using Yb gain media. Here, we introduce a novel pumping scheme that overcomes the limitations due to the small frequency difference between the pump and laser photons. In particular, our technique enables efficient generation and broad spectral bandwidth at the same time. By implementing this approach in a soft-aperture Kerr-lens modelocked laser oscillator, we obtain record-high optical-to-optical efficiency and high average power compared to previous Ytterbium-based sources operating in the few-cycle regime. In the second part of this thesis, we investigate novel approaches for efficient frequency conversion of ultrafast lasers into the terahertz and mid-infrared spectral ranges. This part consists of three main sections. In the first section, we discuss the development of a compact and cost-efficient terahertz source based on driving the nonlinear process directly inside the cavity of a simple ultrafast bulk mode-locked laser. This way, the terahertz emitter benefits from leveraged power levels available inside the cavity, which reduces the requirement on the overall driving source compared to traditional approaches. In the subsequent section, we demonstrate efficient and broadband mid-infrared generation based on parametric down-conversion inside thin-film lithium niobate waveguides. By exploiting the large nonlinearities and dispersion engineering offered by those nanophotonic devices, we revisit an approach to nonlinear down-conversion, namely gain-trapped optical parametric amplification. This technique relies on the interplay between nonlinear gain and group velocity mismatches, which under specific conditions results in the trapping of the down-converted pulses under the driving near-infrared pump. In the unsaturated regime, this approach enables exponential amplification of the midinfrared pulses over distances exceeding conventional methods, which allows to reach saturation with a few picojoules of in-coupled pulse energy. After saturation, up to 50% of near-infrared pump photons are converted into the 3-4 μm band using only a few picojoules of pulse energy coupled inside the waveguide. Given the low energy requirements, this approach is promising for realizing efficient frequency conversion at multi-gigahertz repetition rates. Lastly, we utilize dispersion-engineered thin-film lithium niobate devices to demonstrate broadband supercontinuum generation and carrier-envelope offset frequency detection at low input power. The approach uses dispersion engineering to match the group velocity of fundamental and second harmonic pulses centered around 2 and 1 μm respectively. In this case, an interplay between saturation and small phase-mismatch occurs over long interaction length, which leads to strong spectral broadenings. As a result, we generate a supercontinuum ranging from the ultraviolet to mid-infrared ranges with only tens of picojoules of in-coupled fundamental energy. The resulting octave-spanning spectrum produces carrier-envelope offset frequency beatnotes that we directly detect at the waveguide output. We believe that the combination of the laser sources presented in the first part with the frequency conversion techniques showcased in the second section will enable the realization of compact mid-infrared OFCs operating at high repetition rates. This leaves exciting prospects for follow up studies.