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Development of ytterbium-laser-based intense terahertz sources and an application in field-driven electron photoemission from out-of-plane resonant nanostructures.

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Rovere, Andrea (2020). Development of ytterbium-laser-based intense terahertz sources and an application in field-driven electron photoemission from out-of-plane resonant nanostructures. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 131 p.

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Résumé

Le développement des sources térahertz intenses (THz) a connu un grand essor au cours des dernières décennies, en raison de la disponibilité croissante des systèmes laser femtoseconde amplifiés par IR (par exemple les lasers Ti:Sapphire). Récemment, la technologie des lasers à l'ytterbium (Yb) a été reconnue comme une alternative prometteuse aux lasers Ti:Sapphire, offrant des avantages évidents en termes de stabilité, de compacité et de puissance de sortie. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons étudié la mise en œuvre de sources THz commandées par des impulsions femtoseconde de laser Yb émises à la longueur d'onde centrale de 1030 nm. En particulier, nous avons caractérisé les impulsions THz à champ électrique de crête élevée générées par rectification optique (OR) par un cristal organique HMQ-TMS pompé par des impulsions laser Yb de 170 fs de long dans un schéma colinéaire. En effet, le HMQ-TMS possède une large bande de rectification optique de phase, ce qui lui permet d'être pompé à des longueurs d'onde plus courtes que celles requises par d'autres cristaux organiques (c'est-à-dire 1.3-1.5 µm), tout en conservant un rendement de conversion élevé. De plus, nous avons montré que les impulsions délivrées par le laser Yb amplifié peuvent être comprimées en temps à quelques dizaines de fs au moyen de techniques de compression d'impulsions non linéaires. Ces impulsions laser comprimées ont ensuite été utilisées pour la génération d'impulsions THz à très large bande via une source de plasma bicolore. Dans la deuxième partie de ce projet, nous avons exploité notre source THz HMQ TMS pour des expériences d'émission d'électrons sur le terrain à THz sur une nouvelle conception de photocathode plasmonique. En particulier, nous avons étudié l'utilisation de nanocones résonants (NCR) THz imprimés en 3D comme nouvelle plateforme d'émission d'électrons ultra-rapide. La réponse électromagnétique des NCR a été optimisée par des simulations numériques, pour obtenir une résonance monopolaire centrée à 1 THz et présentant une amélioration du champ local à haut THz au sommet du NCR. Nous avons montré que les nanostructures peuvent être disposées de manière pratique sous forme de réseau pour améliorer encore l'extraction des électrons par une réponse collective, qui peut également être récoltée par un nanoémetteur individuel. Le processus de photoémission a été caractérisé expérimentalement et les résultats obtenus ont été étayés par des simulations numériques et des modèles analytiques.

The development of intense terahertz (THz) sources has experienced a large boost in the last few decades, due to the increasing availability of IR amplified femtosecond laser systems (e.g. Ti:Sapphire lasers). Recently, the ytterbium (Yb) laser technology has been recognized as a promising alternative to Ti:Sapphire lasers, offering clear advantages in terms of stability, compactness and output power. In the first part of this thesis work we have investigated the implementation of THz sources driven by femtosecond Yb-laser pulses emitted at the central wavelength of 1030 nm. In particular, we have characterized the high-peak-electric-field THz pulses generated through optical rectification (OR) by an HMQ-TMS organic crystal pumped by 170-fs-long Yb-laser pulses in a collinear scheme. Indeed, HMQ-TMS possesses a large OR phase-matching band, which allows it to be pumped at wavelengths shorter than those required by other organic crystals (i.e. 1.3-1.5 µm), yet keeping a high conversion efficiency. Moreover, we have shown that the pulses delivered by the amplified Yb-laser can be compressed in time to few tens of fs by means of nonlinear pulse compression techniques. These compressed laser pulses have then been employed for the generation of ultrabroadband THz pulses via a two-color plasma source. In the second part of this project, we have exploited our HMQ-TMS THz source for THz field-driven electron emission experiments on a novel plasmonic photocathode design. In particular, we have investigated the use of 3D-printed THz resonant nanocones (RNCs) as a new platform for ultrafast electron emission. The electromagnetic response of the RNCs has been optimized via numerical simulations, so as to achieve a monopole resonance centered at 1 THz and featuring a high THz local field enhancement at the RNC apex. We have shown thatthe nanostructures can be conveniently arranged in an array form to further enhance electron extraction via a collective response, which can also be harvested by an individual nanoemitter. The photoemission process has been experimentally characterized, and the results obtained have been supported by both numerical simulations and analytical modelling.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Razzari, Luca
Co-directeurs de mémoire/thèse: Morandotti, Roberto
Mots-clés libres: radiation térahertz; lasers à base d'ytterbium; conception numérique de la réponse électromagnétique; spectroscopie; réseaux résonants de nanostructures; effets non linéaires; physique des champs élevés; photoémission d'électrons; confinement des sous-longueurs d'onde; amélioration du champ local; terahertz radiation; ytterbium based lasers; numerical design of the electromagnetic response; spectroscopy; resonant arrays of nanostructures; nonlinear effects; high-field physics; electron photoemission; sub-wavelength confinement; local field enhancement
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 02 juill. 2021 14:58
Dernière modification: 29 sept. 2021 18:26
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/11508

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