Drs, Jakub

2022, Drs, Jakub

Cette thèse est consacrée au développement d’oscillateurs lasers ultrarapides à disques minces (TDL pour « thin-disk-laser » en anglais) et à leur utilisation pour la génération d’harmoniques d’ordres élevés (HHG pour « high-harmonic-generation » en anglais) à l’intérieur de l’oscillateur laser. La motivation principale était de développer une source simple et compacte de lumière cohérente XUV (pour « extreme ultraviolet » en anglais). Traditionnellement, une radiation cohérente de XUV peut être trouvé dans les installations à grande échelle comme les synchrotrons ou les lasers à électrons libres. Les systèmes HHG entrainés par laser ont longtemps cherché à devenir une alternative à échelle de laboratoire à ces sources. Le défi majeur était la faible efficacité de conversion du HHG et les exigences élevées du system de laser. Avec le progrès de la technologie laser, la situation s’améliore rapidement et plusieurs systèmes HHG peuvent aujourd’hui atteindre un flux XUV qui est, à certains égards, comparable à celui des synchrotrons. L’approche HHG à l’intérieur de l’oscillateur laser est inspirée des cavités d’amélioration femtosecondes. L’entrainement de HHG à l’intérieur d’une cavité d’amélioration permet de recycler l’énergie non converties, tout en augmentant la puissance disponible par le facteur d’amélioration de la cavité. Cependant, une cavité d’amélioration nécessite un couplage cohérent des impulsions femtosecondes dans la cavité, ce qui est une tâche exigeante. L’approche HHG intraoscillateur offre un concept simplifié utilisant directement la cavité du laser au lieu d’une cavité d’amélioration externe. Pour atteindre une puissance d’entrainement suffisamment élevée pour un HHG intra-oscillateur efficace, la technologie TDL existante a dû être améliorée de manière significative et être optimisée pour les performances intra-cavité. Dans le cadre de cette thèse, l’accent a été mis sur le développement du laser d’entrainement et des progrès significatifs ont été réalisés. Dans ce but, nous avons étudié et démontré des oscillateurs TDL à mode verrouillé par lentille de Kerr basés sur le matériau de gain Yb :YAG, qui ont atteint plusieurs records en termes de performance de sortie. Notre système fournit la durée d’impulsion la plus courte de tous les oscillateurs TDL, soit 27 fs, ainsi que la puissance moyenne la plus élevée dans le régime sub-100-fs, soit 100 W, et la puissance de crête la plus élevée, soit 100 MW. L’augmentation correspondante des performances intra-cavité de notre laser nous a permis d’améliorer considérablement le fonctionnement du HHG en termes de flux de XUV et d’énergie des photons générés. Partant du 0,5 nW généré à 13 eV démontré il y a cinq ans, nous avons amélioré le flux XUV à 10 μW à 30 eV à l’état actuel. Bien que ce ne soit pas encore la meilleure performance parmi d’autres systèmes HHG, la valeur du flux est en train de devenir compétitive par rapport aux résultats des cavités d’amélioration fonctionnant à une énergie de photon similaire. Les performances de sortie améliorées des TDLs démontrées sont également très intéressantes pour la conversion non linéaire vers des longueurs d’onde plus longues du spectre électromagnétique. Une partie de cette thèse est donc consacrée à la génération térahertz. Nous avons démontré la première génération térahertz entrainé par TDL en 2018, par rectification optique dans GaP. Par la suite, nous avons utilisé l’accordabilité et la puissance moyenne élevée de notre oscillateur TDL auto-construit pour étudier expérimentalement en détail les propriétés de la rectification optique dans GaP entrainé par des lasers à base d’Yb de haute puissance à 1 μm. Enfin, forts de l’expérience de la HHG intraoscillateur, nous avons montré que le laser haute puissance d’entrainement peut être remplacé en entrainant le THz directement à l’intérieur de la cavité d’un petit oscillateur en volume à mode verrouillé par lentille de Kerr.
Abstract This thesis is devoted to the development of ultrafast thin-disk lasers (TDL) oscillators and their use for intra-oscillator high-harmonic generation (HHG). The main motivation was to develop a simple and compact source of coherent extreme ultraviolet (XUV) light. Conventionally, coherent XUV radiation can be found in large scale synchrotron or free-electron laser facilities. Laser driven HHG systems have long strived to become a lab-scale alternative to these sources. The major challenge has been the low conversion efficiency of the HHG process and the high demands on the driving laser. With the advancing laser technology, this situation is rapidly improving and several state-of-the-art HHG systems can nowadays reach an XUV flux which is in certain aspects comparable to synchrotrons. The intra-laser-oscillator HHG approach is inspired by femtosecond enhancement cavities. Driving HHG inside an enhancement cavity allows for recycling the unconverted pulse energy, while increasing the available power by the cavity enhancement factor. An enhancement cavity, however, requires coherent coupling of the femtosecond pulses into the cavity which is a demanding task. The intra-oscillator HHG approach offers a simplified concept using directly the cavity of the laser instead of an external enhancement cavity. To achieve sufficiently high driving power for efficient intra-oscillator HHG, the existing TDL technology had to be significantly improved and optimized for intracavity performance. Within the scope of this thesis, a strong focus was placed on the development of the driving laser and significant progress has been achieved. To this purpose, we investigated and demonstrated Kerr lens modelocked TDL oscillators based on the gain material Yb:YAG, which achieved several records in terms of their output performance. Using our system we have demonstrated the shortest pulse duration of any TDL oscillator of 27 fs, as well as the highest average power in the sub-100-fs regime of 100 W and the highest peak power of 100 MW. The corresponding increase of intracavity performance of our laser allowed us to significantly improve the HHG operation in terms of the generated XUV flux and photon energies. Starting from 0.5 nW generated at 13 eV demonstrated five years ago, we have improved the XUV flux to 10 μW at 30 eV at the current state. Although this is not yet the highest performance among other HHG systems, the flux value is becoming competitive to the results of enhancement cavities operating at similar photon energy. The improved output performance of the demonstrated TDLs is also highly attractive for nonlinear conversion toward longer wavelengths of the electromagnetic spectrum. A part of this thesis is, thus, dedicated to terahertz generation. We have demonstrated the first TDL driven terahertz generation in 2018, through optical rectification in GaP. Later, we used the tunability and the high average power of our self-built TDL oscillator to experimentally investigate in detail the properties of optical rectification in GaP driven by 1- μm high-power Yb-based lasers. Finally, having the experience from intra-oscillator HHG, we have shown that the high-power driving laser can be replaced by driving the THz generation directly inside the cavity of a small KLM bulk laser oscillator.