Adaptation de techniques ultrarapides aux lasers ytterbium : compression et caractérisation d’impulsions.

Longa, Adrien (2024). Adaptation de techniques ultrarapides aux lasers ytterbium : compression et caractérisation d’impulsions. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 160 p.

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Résumé

Les impulsions ultracourtes se révèlent être d’excellents instruments pour étudier les caractéristiques de la matière à des échelles de temps très courtes, particulièrement pour des systèmes atomiques et moléculaires. Elles offrent la possibilité d’observer des phénomènes tels que les réactions chimiques, les transitions de phase et les déplacements électroniques avec une résolution temporelle exceptionnelle. Les lasers basés sur la technologie Titane-Saphir (Ti:Sa) furent les premiers à démocratiser l’utilisation d’impulsions femtosecondes. Cependant, la cadence de ces lasers n’est pas assez élevée pour des expériences nécessitant des études statistiques. Plus récemment, le développement de la technologie Ytterbium pour les lasers permet d’atteindre des cadences beaucoup plus élevées, rendant bon nombre d’expériences maintenant réalisables. Néanmoins, beaucoup de techniques développées autour des lasers Ti:Sa doivent être adaptées aux lasers Ytterbium. Cette thèse se concentrera sur l’adaptation de plusieurs techniques initialement conçues pour les lasers Ti:Sa aux lasers Ytterbium. La différence de cadence entre ces deux technologies engendre plusieurs effets additionnels qu’il faudra comprendre et maîtriser pour l’adaptation de ces techniques. Nous présentons la compression d’impulsions ultracourtes de 300 f s à 17 f s à un taux de répétition de 20 kHz en utilisant les états solitoniques multidimensionnels (MDSS) dans une fibre creuse de 1 mètre (HCF) remplie de N2O. Conçu initialement pour la technologie Ti:Sa, des limitations thermiques apparaissent à haute cadence et annihilent l’effet MDSS qui se traduit par suppression de l’élargissement spectral. Les résultats obtenus en pression différentielle atténuent les effets thermiques et augmentent de manière significative la cadence à laquelle le MDSS peut être utilisé pour compresser des impulsions laser subpicosecondes. Nous présentons aussi la technique de commutation optique résolue en fréquences (FROSt) qui peut être utilisée pour caractériser des impulsions à très large bande à des taux de répétition élevés allant jusqu’à 500 kHz. Plus précisément, nous présentons la caractérisation temporelle complète d’un amplificateur paramétrique optique (OPA), du supercontinuum (SC) jusqu’au deuxième étage d’amplification. La caractérisation simultanée des impulsions de signal et d’idler copropagés permet d’avoir accès à leur retard de groupe, ainsi que leur phase temporelle et leur intensité. Notre étude se concentre sur une gamme de fréquences étendue couvrant la région infrarouge (1,2 à 2,4 μm) et confirme la force du FROSt en tant qu’outil unique pour la caractérisation d’une large gamme d’impulsions à un taux de répétition élevé. Enfin, nous présentons la conception d’une source laser permettant de faire de la spectroscopie de photoémission résolue en angle et en temps (TR-ARPES). La source laser repose sur une sonde UV (6 eV) avec une largeur de bande de 10 meV, permettant des études complètes de la dynamique électronique induite dans l’infrarouge moyen. Des impulsions optiques intenses servant de pompe sont générées dans le proche et le moyen infrarouge par un amplificateur paramétrique optique (OPA) à trois étages d’amplifications, suivi d’une génération par différence de fréquences (DFG).

Ultrashort pulses are proving to be excellent instruments for exploring the characteristics of matter on very short time scales, particularly for the atomic and molecular systems. They offer the possibility of observing phenomena such as chemical reactions, phase transitions and electronic displacements with exceptional temporal resolution. Lasers based on Titane-Sapphir (Ti:Sa) technology were the first to democratize the use of femtosecond pulses. However, the repetition rate of these lasers is not high enough for experiments requiring statistical studies. More recently, the development of Ytterbium technology for lasers has made it possible to reach much higher repetition rates, making many experiments possible. Nevertheless, all the techniques developed around Ti:Sa lasers now need to be adapted to Ytterbium lasers. This thesis will focus on adapting several techniques originally designed for Ti:Sa lasers to Ytterbium lasers. The difference in repetition rate between these two technologies generates several additional effects that need to be understood and mastered in order to adapt these techniques. We present the compression of ultrashort pulses from 300 f s to 17 f s at a repetition rate of 20 kHz using multidimensional solitary states (MDSS) in a 1-meter hollow core fiber (HCF) filled with N2O. Initially designed for Ti:Sa technology, thermal limitations appear at high repetition rate and annihilate the MDSS effect, which results in suppression of the spectral broadening. The results obtained with differential pressure mitigate thermal effects and significantly increase the repetition rate at which MDSS can be used to compress sub-picosecond laser pulses. We also present that frequency-resolved optical switching (FROSt) can be used to characterize very broadband pulses at high repetition rates up to 500 kHz. More specifically, we present the complete temporal characterization of an optical parametric amplifier (OPA), from the supercontinuum (SC) to the second amplification stage. Simultaneous characterization of copropagated signal and idler pulses provides access to their group delay, as well as their temporal phase and intensity. Our study focuses on an extended frequency range covering the infrared region (1.2 to 2.4 nm), and confirms the strength of FROSt as a unique tool for characterizing a wide range of pulses at high repetition rates. Finally, we present the design of a laser source for angle- and time-resolved photoemission spectroscopy (TR-ARPES). The laser source is based on a UV probe (6 eV) with a bandwidth of 10 meV, enabling comprehensive studies of induced electronic dynamics in the mid-infrared. Intense optical pump pulses are generated in the near and mid-infrared by a three-stage optical parametric amplifier (OPA), followed by difference frequency generation (DFG).

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Légaré, François
Mots-clés libres:	Caractérisation d’impulsions ultracourte ; expérience pompe-sonde ; infrarouge moyen ; états solitoniques multidimensionnels ; compression d’impulsions ; amplification paramétrique ; optique non linéaire ; fibre creuse ; Ultrashort pulse characterization ; pump-probe experiment ; mid-infrared ; multidimensional solitary states ; pulse compression ; optical parametric amplification ; nonlinear optics ; hollow core fiber.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	29 nov. 2024 01:44
Dernière modification:	29 nov. 2024 01:44
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16212

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