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    Think-disk lasers and their applications for nonlinear frequency conversion toward THz and XUV
    (Neuchâtel, 2022)
    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.
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    Optical rectification of ultrafast Yb lasers: pushing power and bandwidth of terahertz generation in GaP
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    Kränkel, Christian
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    Wittwer, Valentin Johannes
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    Razskazovskaya, Olga
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    We demonstrate broadband high-power terahertz (THz) generation at megahertz repetition rates by optical rectification in GaP driven by an ultrafast Yb-based thin-disk laser (TDL) oscillator. We investigate the influence of pulse duration in the range of 50–220 fs and thickness of the GaP crystal on the THz generation. Optimization of these parameters with respect to the broadest spectral bandwidth yields a gap-less THz spectrum extending to nearly 7 THz. We further tailor the driving laser and the THz generation parameters for the highest average power, demonstrating 0.3 mW THz radiation with a spectrum extending to 5 THz. This was achieved using a 0.5 mm thick GaP crystal pumped with a 95 fs, 20 W TDL, operating at 48 MHz repetition rate. We also provide a simple method to estimate the THz spectrum, which can be used for design and optimization of similar THz systems.
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    Broadband terahertz pulse generation driven by an ultrafast thin-disk laser oscillator
    Clément, Paradis
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    Razskazovskaya, Olga
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    Meyer, Frank
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    Kränkel, Christian
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    Saraceno, Clara J
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    Wittwer, Valentin J
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    We demonstrate broadband THz generation driven by an ultrafast thin-disk laser (TDL) oscillator. By optical rectification of 50-fs pulses at 61 MHz repetition rate in a collinear geometry in crystalline GaP, THz radiation with a central frequency at around 3.4 THz and a spectrum extending from below 1 THz to nearly 7 THz are generated. We realized a spectroscopic characterization of a GaP crystal and a benchmark measurement of the water-vapor absorption spectrum in the THz range. Sub-50-GHz resolution is achieved within a 5 THz bandwidth. Our experiments show the potential of ultrafast TDL oscillators for driving MHz-repetition-rate broadband THz systems.
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    Sub-100-fs Kerr lens mode-locked Yb:Lu2O3 thin-disk laser oscillator operating at 21 W average power
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    Fischer, Julien
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    Labaye, François
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    Kränkel, Christian
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    Wittwer, Valentin J
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    We investigate power-scaling of a Kerr lens mode-locked (KLM) Yb:Lu2O3 thin-disk laser (TDL) oscillator operating in the sub-100-fs pulse duration regime. Employing a scheme with higher round-trip gain by increasing the number of passes through the thin-disk gain element, we increase the average power by a factor of two and the optical-to-optical efficiency by a factor of almost three compared to our previous sub-100-fs mode-locking results. The oscillator generates pulses with a duration of 95 fs at 21.1 W average power and 47.9 MHz repetition rate. We discuss the cavity design for continuous-wave and mode-locked operation and the estimation of the focal length of the Kerr lens. Unlike to usual KLM TDL oscillators, an operation at the edge of the stability zone in continuous-wave operation is not required. This work shows that KLM TDL oscillators based on the gain material Yb:Lu2O3 are an excellent choice for power-scaling of laser oscillators in the sub-100-fs regime, and we expect that such lasers will soon operate at power levels in excess of hundred watts.