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Towards the advanced high-energy multidimensional laser technology through harnessing the spatiotemporal nonlinear enhancement.

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Safaei mohammadabadi, Reza (2020). Towards the advanced high-energy multidimensional laser technology through harnessing the spatiotemporal nonlinear enhancement. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 150 p.

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Résumé

Cette thèse peut être résumée en trois parties. D'abord, nous étudions les principes de la compression d'impulsions ultra-brèves dans des fibres creuses (“Hollow core fiber – HCF”) en régime monomode. Des simulations numériques et des expériences étudiant l’élargissement spectral dans les fibres creuses avec un gaz inactif d’un point de vue des transitions Raman sont réalisées. Dans la deuxième partie, nous démontrons une nouvelle approche pour augmenter l'efficacité de l'élargissement spectral vers les grandes longueurs d’onde (vers le rouge) dans des fibres creuses remplies d’un gaz actif en transition Raman. La contribution rotationnelle via des transitions Raman à l'indice de réfraction non linéaire provient de l'alignement des molécules interagissant avec le champ laser, modélisée en solutionnant l'équation de Schrödinger dépendante du temps. Nous constatons que l'alignement induit par des impulsions laser dont la durée est comparable à l'échelle de temps caractéristique de l'alignement améliore l'élargissement spectral décalé vers le rouge par rapport aux gaz nobles (inactif du point de vue Raman). L'applicabilité de cette approche à la technologie laser ytterbium (Yb) ayant des durées d'impulsion plus longues (des centaines de femtosecondes) que les laser Titane-Saphir (Ti-Sa, quelques dizaines de femtosecondes), pour laquelle un élargissement efficace basé sur la non-linéarité par effet Kerr conventionnel est difficile à réaliser, est découverte. Cette approche introduit une nouvelle façon d'augmenter la puissance crête des laser ytterbium et de possiblement atteindre le régime multi-TéraWatt (TW) est discuté. Par ailleurs, cette approche a le potentiel de rendre les systèmes d’élargissement spectral plus compact. Enfin, nous explorons la propagation d'impulsions non-linéaires en régime multimode à travers des simulations numériques multidimensionnelles et comparons avec nos résultats expérimentaux. Dans ce régime, des effets non-linéaires se produisent entre les modes, et des quantités comme l'énergie, la phase et la fréquence sont modifiées sur une base intermodale. Nous constatons qu'en contrôlant la dynamique intermodale multidimensionnelle, il est possible de fournir une non-linéarité suffisante pour contrer la diffraction potentielle tout en maintenant le diamètre du faisceau constant en régime de haute énergie. De plus, nous démontrons plusieurs caractéristiques clés du régime spatio-temporel contrôlé qui sont contre-intuitives, et elles sont opposées aux résultats obtenus à partir d'un élargissement spectral basé sur la non-linéarité par effet Kerr. La capacité de générer des champs lumineux cohérents de haute énergie et de contrôler leurs caractéristiques spatio-temporelles pourrait conduire à des percées en optique et photonique grâce à un large éventail d'applications telles que l'augmentation de la puissance, la génération de sources accordables ultra-large bandes à grande longueur d'onde et l’augmentation de l’énergie de coupure obtenue par génération d'harmoniques d’ordres élevés (“High Harmonic Generation – HHG”). Au-delà de telles percées technologiques, la formation d’états solitoniques multidimensionnels de haute énergie dans une fibre creuse remplie de gaz moléculaire actif du point de vue Raman combine les avantages d'une capacité à plusieurs modes avec une faible dispersion modale et une dispersion et une non-linéarité réglables en pression. Cela fournit une perspective innovante pour l'exploration des concepts de multidimensionnalité dans d'autres systèmes physiques qui sont limités par des conditions expérimentales complexes.

Abstract

This dissertation can be summarized in three parts. First, we study the principles of the pulse compression in gas filled hollow core fibers (HCF) in single mode regime. Simulations and experiments about the spectra after the fiber filled with Raman inactive gas are studied. In the second part, we demonstrate a new approach for scaling the efficiency of spectral broadening towards the red in HCF filled with Raman active medium. The rotational Raman contribution to the nonlinear index arises from the alignment of molecules interacting with the laser field, modeled by solving the time-dependent Schrödinger equation. We find that alignment induced by laser pulses whose duration is comparable to the characteristic timescale of alignment, enhances the red-shifted spectral broadening compared to noble gases. The applicability of this approach to state-of-the-art ytterbium (Yb) laser technology with longer pulse durations (hundreds of femtoseconds) is discovered, for which efficient broadening based on conventional Kerr nonlinearity is challenging to achieve. This approach paves a new way to upscale the peak power to the multi-TeraWatt (TW) regime while increasing the compactness of nonlinear systems. Finally, we explore nonlinear pulse propagation in multimode regime through multidimensional numerical simulations and compare with our experimental results. In this regime, nonlinear effects occur between modes, and quantities like energy, phase and frequency are modified on an intermodal basis. We find that by controlling multidimensional intermodal dynamics, it is possible to provide sufficient nonlinearity to counter the potential diffraction while keeping the beam diameter constant in high-energy regime. Furthermore, we demonstrate several key features of the controlled spatiotemporal regime which are counter-intuitive, and they are opposite to the results obtained from spectral broadening based on Kerr nonlinearity. The ability to generate high-energy and spatiotemporally engineered coherent light fields is expected to lead to breakthroughs in laser science through a wide range of applications such as power scalability, the generation of tunable ultra-broadband long-wavelength sources and scaling of high harmonic generation (HHG) cut-off to generate higher photon energies. Beyond these technology breakthroughs, the formation of high-energy multidimensional solitary states in a molecular gas-filled large core HCF combines the advantages of a many–modes capacity with low modal dispersion and pressure-tunable dispersion and nonlinearity. This provides an influential horizon for the exploration of multidimensionality concepts in other physical systems which are limited by complex experimental conditions.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Légaré, François
Mots-clés libres: états solitoniques multidimensionnels; dynamique intermodale multidimensionnelle; non-linéarité par transition Raman stimulée; non-linéarité par effet Kerr; régime multi-TéraWatt (TW); fibre creuse (HCF); génération d’harmoniques d’ordres élevés (“High Harmonic Generation – HHG”) et laser ytterbium (Yb); multidimensional solitary states; multidimensional intermodal dynamics; Raman nonlinearity; Kerr nonlinearity; multi-TeraWatt (TW) regime; hollow core fiber (HCF); high harmonic generation (HHG) and ytterbium (Yb) lasers
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 23 oct. 2020 18:34
Dernière modification: 23 oct. 2020 18:34
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10426

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