Power-scaling of ultrafast thin-disk laser oscillators for intra-oscillator high harmonic generation - Fischer, Julian Benedikt (Neuchâtel, 2023)
Cette thèse se décompose en deux parties. Dans un premier temps, elle décrit le développement d’un laser à disque fin (TDL) à haute efficacité optique, capable de générer des impulsions de plus de 100 MW de puissance de crête et de durées inférieures à 100 fs. La deuxième partie présente le développement d’une source XUV cohérente basée sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) produites directement à l’intérieure de la cavité d’un laser à haute puissance de crête. Ce système compact d’un seul étage permet la génération d’impulsions XUV ultracourtes, à des taux de répétions de plusieurs mégahertz. Capable de délivrer des impulsions optiques ultracourtes à hautes puissances de crêtes, le TDL est une source compacte et prometteuse pour générer des interactions non-linéaires à des taux de répétition de l’ordre du mégahertz. Le TDL décrit dans cette thèse se base sur un cristal Yb:YAG et utilise le procéder de blocage de mode par lentille de Kerr (KLM) pour générer des impulsions de moins de 100 fs. Il fonctionne dans le régime de forte automodulation de phase (SPM) où la largeur spectrale des impulsions excède considérablement celle de la bande d’émission du cristal Yb:YAG. Opéré dans une première configuration, ce laser est capable de générer des impulsions de 27 fs. Cela représente la durée d’impulsion la plus courte jamais atteinte par un TDL. D’autre part, dans une seconde configuration on mesure jusqu’à 102 MW de puissance de crête avec 52 fs de durée d’impulsion. Il constitue ainsi la première source laser femtoseconde capable de dépasser les 100 MW de puissance de crête. Ces résultats démontrent que les TDLs fonctionnant avec un fort taux de SPM peuvent générer efficacement des impulsions ultrabrèves dont la largeur spectrale dépasse celle du matériau Yb:YAG d’un facteur supérieur à deux. En outre, ces résultats soulignent le fait que le matériau à gain Yb:YAG, fortement présent dans l’industrie, reste actuellement le meilleur choix pour obtenir des impulsions courtes à hautes puissances de crête à partir de TDLs. Cette affirmation est également valable dans le régime de durée d’impulsion inférieure à 100 fs, où l’Yb:YAG dépasse de loin les performances obtenues par les oscillateurs TDL basés sur des matériaux de gain à plus large bande. La configuration permettant d’atteindre 102 MW de puissance de crête est prometteuse pour la compression temporelle des impulsions en sortie de laser. Il est potentiellement possible de compresser les 52 fs de durée d’impulsion jusqu’à ∼7 fs en focalisant la sortie du laser dans une seule cellule de compression multi-passe remplie de gaz. Ces impulsions ainsi compressées se rapprochent d’un cycle optique et devraient permettre d’obtenir un contraste supérieur aux systèmes nécessitant plusieurs étapes de compression. Par conséquent, ce système constitue une source optique très attractive pour les applications attosecondes à des taux de répétition de l’ordre du mégahertz. La source XUV décrite dans la deuxième partie est capable de générer des impulsions cohérentes dans l’ultraviolet extrême à des taux de répétition de l’ordre du mégahertz (MHz-HHG). Basé sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé directement à l’intérieur de la cavité laser, ce système mono étage à l’avantage d’être plus simple et plus compact que la plupart des autres sources XUV. Le fait de produire la HHG directement à l’intérieur de la cavité où le faisceau est le plus focalisé permet de bénéficier de puissances et intensités de crête bien supérieures à celles disponibles en sortie du laser. Le développement d’une source MHz-HHG intra-oscillateur présente deux défis principaux. D’une part, l’optimisation de la cavité pour maximiser la puissance de crête intra-cavité, d’autre part, le développement du mécanisme permettant d’extraire les impulsions XUV de manière efficace sur une large bande spectrale. La puissance de crête maximale atteinte à l’intérieure de la cavité est de 2 GW avec une durée d’impulsion de 51 fs. Il s’agit de la puissance de crête intra-cavité la plus élevée de tous les oscillateurs laser femtoseconde. Deux mécanismes permettant l’extraction de la lumière XUV de manière efficaces et large bande sont présentés. Une première approche se base sur l’utilisation d’une plaque à incidence rasante (GIP) revêtue de couches minces optique. La deuxième technique se base sur l’utilisation d’un miroir percé. La GIP développée au cours de cette thèse et mise en oeuvre pour la première fois à l’intérieur d’une cavité, présente une réflectivité XUV de plus de 25% dans la gamme d’énergie de photon de 10 à 60 eV. L’amélioration des performances intra-cavité combinée avec l’utilisation de cette GIP a permis l’augmentation de la puissance XUV extraite de plus de quatre ordres de grandeur et l’augmentation de l’énergie de photon d’un facteur deux, en comparaison avec d’autres systèmes de HHG intra-oscillateur. En utilisant un gaz d’argon, le flux XUV hors cavité contenu dans l’harmonique d’énergie 37 eV atteint 1.3 μW. Ce résultat s’approche pour la première fois des niveaux de puissance XUV des meilleures sources MHz- HHG, à savoir celles utilisant des résonnateurs optiques passifs femtoseconde (fsEC), opérant à des énergies de photon comparables. Dans la partie suivante, on présente les résultats relatifs à l’extraction de la lumière XUV à l’aide d’un miroir percé, utilisés pour la première fois dans un oscillateur KLM TDL. Le miroir percé permet une extraction XUV efficace avec une gamme spectrale non limité, même à plus hautes énergies de photon. L’utilisation des miroirs pervicés dans les sources HHG intra-oscillateurs a permis d’atteindre une puissance de crête intra-cavité considérablement accrue. Avec une puissance de crête de 1.2 GW et une puissance moyenne de 1.1 kW, le système est désormais capable de générer des harmoniques dans le néon, atteignant des énergies de photon de 71 eV. En combinant la puissance de crête intra-cavité de 2 GW, précédemment démontrée, avec le miroir percé, cette source MHz-HHG intra-oscillateur devrait permettre de produire des photons jusqu’à des énergies atteignant 100 eV. De telles sources XUV cohérentes et compactes capables d’atteindre 100 eV, sont très attractives pour l’imagerie par diffraction cohérente et trouvent de nombreuses applications, notamment pour l’inspection optique dans l’industrie des semi-conducteurs.
Abstract This thesis describes (i) the development of an efficient, high peak-power, sub- 100-fs thin-disk laser (TDL) oscillator; and (ii) the development of a single-stage, megahertz-repetition-rate, coherent extreme-ultraviolet (XUV) light source based on high harmonic generation (HHG) inside an ultrafast TDL oscillator. The short-pulse-duration high-peak-power TDL oscillator is an attractive single-stage source for driving nonlinear interactions at megahertz repetition rates. The developed Kerr lens mode-locked (KLM) Yb:YAG TDL oscillator operates in the regime of strong intra-cavity self-phase modulation (SPM). It delivers not only in an extreme configuration of 27 fs the shortest pulses of any ultrafast TDL oscillator, but also presents with 102 MW peak-power at 52 fs pulse duration the first more than 100-MW peak-power ultrafast laser oscillator. The achieved results show that TDL oscillators operating with strong intra-cavity SPM can generate efficiently short pulses with an optical bandwidth exceeding the available Yb:YAG gain bandwidth by a factor of more than two. Furthermore, the results show that the industry-standard Yb:YAG gain material is currently still the best choice for reaching shortest pulses and highest peak powers from TDL oscillators. This statement also holds in the sub-100-fs pulse duration regime, where Yb:YAG by far exceeds the performance achieved by TDL oscillators based on more broadband gain materials. The output of the 102-MW peak-power 52-fs TDL oscillator is well-suited for consecutive temporal pulse compression and a ∼7 fs pulse duration is expected to be reached within a single gas-filled multi-pass compression cell. The close to single-cycle compressed pulses should feature a superior pulse contrast in comparison to systems requiring several consecutive compression stages. This makes this source highly attractive for attosecond applications at megahertz repetition rates. The developed single-stage intra-oscillator HHG source generates coherent XUV light at megahertz repetition rates (MHz-HHG) and features compared to other MHz-HHG approaches a considerably reduced system complexity. The presented system utilizes the intra-oscillator enhancement available inside a mode-locked laser oscillator for driving HHG directly inside a tight intra-cavity focus. The two major challenges of building an intra-oscillator MHz-HHG source are intra-cavity peak-power scaling of the driving laser and finding efficient and broadband intra-cavity XUV out-coupling mechanisms. The achieved 2 GW of intra-cavity peak power within a 51-fs KLM Yb:YAG TDL oscillator represents the highest intra-cavity peak-power of any ultrafast laser oscillator. Additionally, two broadband and efficient intra-oscillator XUV out-coupling approaches, i.e., a coated grazing-incidence plate (GIP) and a pierced mirror will be discussed. The during this thesis developed and for the first time intracavity- implemented coated GIP features more than 25% of XUV reflectivity in the photon energy range from 10 to 60 eV. In combination with an improved driving intra-oscillator performance, this allowed to scale the out-coupled XUV average power from intra-oscillator HHG sources by more than four orders of magnitude while simultaneously more than doubling the out-coupled photon energy. The out-coupled XUV flux of 1.3 μW in a single harmonic at 37 eV from argon approaches for the first time the state-of-the-art XUV power levels of femtosecond enhancement cavity (fsEC) MHz-HHG sources operating at comparable photon energies. Preliminary results for the first successful outcoupling of intra-oscillator generated high harmonics from a KLM TDL by a pierced mirror will be presented. A pierced mirror enables efficient and spectrally not-limited XUV out-coupling towards high photon energies. Replacing the infrared-transmissive XUV out-couplers of previous intra-oscillator HHG systems by a pierced mirror has allowed reaching a significantly increased intracavity peak power. The to 1.2 GW increased peak-power, 1.1 kW average-power system has enabled HHG in neon with photon energies up to 71 eV. A combination of the demonstrated 2 GW intra-cavity peak-power TDL with the pierced mirror XUV out-coupling should soon enable a 100-eV intra-oscillator MHz- HHG source. Single-stage 100-eV coherent-XUV sources are highly attractive for coherent diffraction imaging and find broad applications especially in the semiconductor industry for optical inspection.
, Doctorat, Université de Neuchâtel, Institut de physique
Keywords: Lasers à verrouillage de mode; Lasers ultrarapides; Matériaux à gain Ytterbium; Verrouillage de mode par effet Kerr; Lasers à disque fin; Taux de répétition MHz; intra cavité; Génération d’harmoniques d’ordre élevé; rayonnement cohérent dans l’ultraviolet extrême; lame à incidence rasante avec revêtement optique; miroir percé; Mode-locked lasers; ultrafast lasers; Yb-doped gain materials; Kerr lens modelocking; thin-disk laser oscillators; megahertz repetition rate; intra oscillator; high harmonic generation; coherent extreme-ultraviolet light; coated grazingincidence plate; pierced mirror.