Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Lasers forte énergie“

Durant la dernière décennie, les besoins en fibres optiques et en capteurs à fibres optiques aptes à opérer dans les environnements radiatifs les plus extrêmes ont connu une forte augmentation : pouvoir anticiper et/ou monitorer les conditions d’exploitation et leurs évolutions est devenu une absolue nécessité dans une multitude de domaines que sont l’espace, l’industrie nucléaire, le stockage des déchets radioactifs, ou encore la physique des hautes énergies et installations dévolues à l’étude de la fusion (Laser Mégajoule, ITER).

Ce travail de thèse a pour but le développement d'une source de pompe pour l'OPCPA nanoseconde qui sera inclus au sein du laser 10 PW Apollon.Dans un premier temps nous présentons les spécificités des systèmes multi-pétawatts et l'intérêt de l'amplification OPCPA pour ce type de systèmes. Le choix du matériau amplificateur Yb:CaF2 pour le développement de la source de pompe OPCPA est alors justifié après exposition de ses caractéristiques. Nous concluons enfin le premier chapitre par le design préliminaire de la source de pompe, design adapté aux spécificités du cristal Yb:CaF2.Dans le deuxième chapitre nous commençons par étudier les effets de lentilles thermiques et de dépolarisation du milieu amplificateur sous forte puissance de pompe et en fonction de la polarisation ou de l'orientation cristalline. Cela permet de valider le choix de l'orientation [111] du cristal amplificateur pour les systèmes de forte puissance. Dans un second temps nous nous attardons sur les céramiques Yb:CaF2 car leur isotropie mécanique présente a priori un intérêt pour les systèmes de forte puissance. Nous étudions les céramiques fabriquées par voie humide et mettons en évidence un fort échauffement limitant leur utilisation. Plusieurs hypothèses quant à cet effet sont alors discutées.Dans le dernier chapitre, nous complétons le design de la pompe par des simulations d'absorption, de gain et d'extraction d'énergie. Nous exposons enfin les résultats expérimentaux obtenus en amplification pour les architectures régénérative et multipassage géométrique, utilisant des cristaux Yb:CaF2 en configuration miroir actif
This PHD work is aiming at the development of a pump source for the nanosecond OPCPA of the 10 PW laser Apollon.First, we present the characteristics of the multipetawatt systems and the interest of OPCPA architecture for this type of systems. After detailing its characteristics, we then justify the choice of Yb:CaF2 as active media for the development of the nanosecond OPCPA pump source. We finally end the first chapter by the preliminary design of the pump source which is adapted to the specificities of the Yb:CaF2 crystal.The second chapter begins by the study of thermal lenses and thermal induced depolarization under high-power pumping in function of polarization or crystal orientation. The results allow us to validate the choice of [111] orientation for active media in the frame of high power laser systems. We then focus on ceramics because their mechanical isotropy appears to be interesting for high power systems. We study the ceramics made by wet route synthesis and highlight a strong heating, restricting their utilization. Several hypothesis are then investigated to explain this effect.In the last chapter we finished the design of the pump source with simulations of absorption, gain and energy extraction. We finally detailed the experimental results for two different architectures (regenerative and multipass), using Yb:CaF2 crystals in active mirror configuration

Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz
This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency

Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz
This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency

Alors que la science attoseconde connaît un développement fulgurant, le besoin de nouvelles sources laser adaptées à la génération d'impulsions attosecondes uniques est apparu. Grâce à ses propriétés d'accordabilité en fréquence et d'amplification de spectres ultra-larges à même de supporter des durées d'impulsions ultracourtes, conjuguées à la possibilité de stabiliser passivement la phase sous l'enveloppe (CEP) du champ électrique associé à l'impulsion laser, l'amplification paramétrique (OPA) s'est imposée comme un des outils incontournables pour la réalisation de telles sources.De plus, un intérêt croissant se manifeste pour la montée en cadence des sources d'harmoniques d'ordre élevé (HHG), en tirant parti des avancées des laser à fibre. Récemment fut démontrée la génération d'impulsions ultracourtes à très haute cadence, stabilisées en phase, dans la partie visible du spectre. Décaler la bande d'amplification vers l'infrarouge présenterait des avantages certains du point de vue de la génération d'harmoniques. En effet, travailler avec une source laser infrarouge permet d'étendre le spectre d'harmoniques et donc de réduire la durée des impulsions attosecondes générées. Jusqu'à présent, l'amplification paramétrique large bande dans l'infrarouge à haute cadence était rendue impossible par la difficulté à générer un signal à ces longueurs d'onde directement à partir d'un laser à fibre.Les travaux exposés ici décrivent la réalisation de nouvelles sources paramétriques, spécifiquement conçues en fonction des exigences de la génération d'impulsions attosecondes uniques, aussi bien en régime de forte énergie qu'à des cadences élevées.Nous présentons tout d'abord le développement d'un OPA avec stabilisation passive de la CEP, capable d'amplifier un spectre d'une largeur de 700 nm centré à 1,75 µm et délivrant une énergie de 450 µJ à la cadence de 10 Hz. Puis, nous détaillons une architecture originale d'amplification paramétrique à haute cadence pompé par un laser à fibre, qui nous a permis de générer des impulsions stabilisées en phase d'une durée inférieure à trois cycles optiques à la longueur d'onde centrale de 2,2 µm, avec une énergie de 5 µJ à la cadence de 100 kHz.Enfin, nous explorons la possibilité d'accroître la puissance de sortie des OPA infrarouges large bande à des niveaux de plusieurs dizaines de watts, grâce à la technique de combinaison paramétrique de plusieurs faisceaux de pompe fibrés
While attosecond science reaches new frontiers in physics, the need for innovative primary sources suited for the generation of single attosecond (as) pulses emerges. Featuring high tunability, ultra-broadband amplification bandwidth and the ability of passively stabilizing the random Carrier-Envelope Phase (CEP) of any pump laser, Optical Parametric Amplification (OPA) has proven to be one of the most effective tools to meet the stringent requirements of High-Order Harmonics (HHG) driving sources.Moreover, there is a growing interest for higher repetition rate HHG sources, pumped by Ytterbium-doped fiber lasers. High-repetition rate, CEP-stable, few cycle pulses have been successfully generated by OPAs operating in the visible part of the spectrum. Shifting the amplified bandwidth towards longer wavelengths would be clearly profitable. In fact, the shorter harmonic wavelength cut-off will allow significantly extending the harmonics spectrum and consequently shorten as pulse durations. Until know, generation of CEP-stable, few-cycle pulses in the infrared at ultra-high repetition rates was impossible due to the issue of generating a broadband infrared seed directly from a fiber laser. This thesis describes the implementation of new supercontinuum-seeded parametric sources, specifically designed for isolated attosecond pulses generation with high energy or high repetition rate.The development of a CEP-stable three-stages OPA source is reported, amplifying a 700 nm broad spectrum at a central wavelength of 1,75 µm with an energy of 450 µJ at a 10 Hz repetition rate. Then, a new architecture based on a two-stage cascaded OPA pumped by a home-made fiber laser is presented, which allowed us to generate CEP-stable 3-cycles pulses at the central wavelength of 2,2 µm, with an energy of 5 µJ at 100 kHz. Finally, we discuss the possibility of increasing the output power of parametric amplifiers to several tens of watts with broadband parametric combination of several fiber-pump beams

Les lasers de forte énergie sont des outils d'importance croissante dans de nombreux domaines scientifiques et industriels tel que la physique des plasma, l'usinage ou encore en tant que source d'énergie pour d'autres types de lasers. A l'heure actuelle, une des problématiques liées à ces lasers est leur cadence de tir, limitant le nombre total de tir pouvant être réalisés par les utilisateurs. Cette limite provient de l'accumulation de chaleur tirs après tirs au sein des amplificateurs et dégradant le front d'onde des impulsions lasers jusqu'à le rendre inutilisable. Cette thèse, issue de la collaboration entre un industriel du laser: Amplitude laser, le Laboratoire Charles Fabry et le Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI), cherche à développer un composant optique permettant de corriger ces aberrations de front d'onde. Ce composant, appelé miroir à conjugaison de phase, permet la réflexion d'une impulsion laser en utilisant un effet non linéaire: la diffusion Brillouin stimulée. Lors de cette réflexion, le front d'onde et les aberrations optiques sont inversée et il est alors possible d'autocompenser tous les défauts introduit lors de l'amplification en réalisant un aller-retour dans les amplificateurs, avec inversion du front d'onde au milieu de cet aller-retour. Ce travail reprend la description physique de la diffusion Brillouin stimulée pour développer des modèles numériques permettant la simulation de la réflexion. Ces modèles numériques sont utilisés pour le design de miroirs à conjugaison de phase expérimentaux dont les propriétés sont caractérisées. Cette thèse cherche en particulier à optimiser la fidélité de la réflexion, c'est à dire la capacité à conserver les propriétés spatiales et temporelles de l'impulsion incidente tout en inversant le front d'onde. Les études numériques montrent que la configuration optique et les paramètres du laser ont une forte influence sur la qualité de la réflexion. Nous démontrons pour la première fois la capacité à conserver une forme temporelle arbitraire lors de la conjugaison de phase et rend possible l'utilisation du composant pour une nouvelle gamme d'application exigeant des formes temporelles diverses. La stabilité et fiabilité du miroir à conjugaison de phase est étudiée dans le but de l'introduire à terme dans des systèmes commerciaux, aucun comportement erratique n'est identifié lors de son utilisation sous les conditions d'utilisation nominales. Les limites d'utilisations du composant sont recherchées et son bon fonctionnement est démontré jusqu'à des niveaux d'énergie et d'aberration incidente record, rendant pour la première fois son utilisation possible sur des chaînes lasers de classe kilojoule
High-energy lasers are important tools in a large variety of scientific and industrial domains such as plasma physics, machining or energy sources for secondary lasers. Currently, the main drawback of such systems is their low repetition rate, limiting the number of shots provided. This limit rises from thermal energy accumulation shot after shot inside the amplifiers of the lasers systems during operation, generating laser beam wavefront distortion up to complete laser dysfunction. In this thesis, a collaboration between Amplitude laser, an industrial laser manufacturer, Laboratoire Charles Fabry, and Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI), aim to develop a component capable of correcting those wavefront distortions. This component, called phase conjugated mirrors, uses a nonlinear effect called stimulated Brillouin scattering to invert the wavefront and allow self-correction of the laser wavefront aberration in a double pass amplifying scheme. In this work, the existing theoretical framework of the nonlinear effect is used for the development of numerical models simulating the reflection. Those models are applied to the design of experimental phase conjugate mirrors whose properties are investigated. The thesis places an emphasis on the fidelity of the mirror, that is to say, its capacity to conserve the spatial and temporal pulse properties while properly inverting the wavefront. In particular, the optical configuration used, and the input laser parameters are shown to have a large influence on the reflection quality. The capacity to be applied to arbitrary temporal shapes is demonstrated for the first time and paves the way to the usage of phase conjugate mirrors for broader applications requiring unusual temporal shapes. The phase conjugate mirror stability and reliability are considered for the usage in industrial commercial laser systems and no particular erratic behaviour is identified. The limits of the components are investigated up to unprecedented input energy and wavefront aberrations levels making this component compatible for laser sources up to the kilojoule energy level