Real time measurement of ultrafast phenomena : application to laser oscillators and optical metrology
Mesures en temps réel de phénomènes ultra-courts : applications aux oscillateurs laser et à la métrologie optique
Résumé
This PhD work is mainly focused on the development of efficient measurement tools for the study of the ultrafast dynamics of various physical phenomena, from those occurring within laser oscillators to laser-matter interactions. The manuscript is separated between interrelated studies dealing with laser physics, ablation dynamics and ultrafast metrology. This work is then partially devoted to the design and implementation of an efficient fiber optical parametric chirped pulse oscillator, where the well-known concept of fiber optical parametric oscillation (FOPO) is combined with the principle of chirped pulse amplification. This led to the efficient generation of high-energy, tunable, synchronized picosecond pulses in specific spectral regions. Simulations of this system has shown great potential in energy scaling and unveiled interesting dynamics. Such dynamics were then investigated using the dispersive Fourier transform technique, which enables the recording of shot-to-shot spectra and provides a large data sets for statistical analysis. This allowed for the energy tracking during the wavelength conversion process and resulted in a better comprehension of its dynamic behaviors. This work was then focused towards the development of a novel ultrafast imaging technique for studying the dynamics of several laser matter interaction processes including the optical Kerr effect, laser ablation and laser-induced air breakdown. An imaging system based on spectrally filtered sequentially timed all-optical mapping photography (SF-STAMP) together with acousto-optics filtering was developed and allowed to capture physical phenomena either in the picosecond or nanosecond time scale with a full control over the illumination conditions, exposure time and time between frames. The outcomes of this feasibility demonstration are manifold and could help to bring such ultrafast techniques out of a laboratory environment.
Ce travail de doctorat est principalement axé sur le développement d’outils de mesure efficaces dédiés à l’étude des dynamiques ultrarapides de divers phénomènes physiques, des oscillateurs laser jusqu’aux interactions laser-matière. Le manuscrit est ainsi séparé en plusieurs études connexes traitant de la physique des lasers, des dynamiques mises en jeu lors de l’ablation laser et plus généralement de la métrologie ultrarapide. Ce travail est ensuite dans un premier temps consacré à la conception et à la mise en œuvre d’un oscillateur paramétrique fibré à impulsions chirpées innovant, où le concept bien connu d’oscillateur paramétrique à fibre optique (FOPO) est combiné au principe d’amplification à dérive de fréquence. Ce nouveau concept a permis de générer efficacement des impulsions picosecondes synchronisées, accordables et à haute énergie dans des régions spectrales d’intérêt. Les simulations numériques de ce système ont démontré un fort potentiel pour la montée en énergie mais aussi dévoilé des dynamiques intéressantes. Ces dynamiques ont ensuite été étudiées à l’aide de la technique de transformée de Fourier dispersive, qui permet d’enregistrer des spectres tir-à-tir et de fournir efficacement un grand nombre de données pour l’analyse statistique. Cela a permis de suivre les transferts d’énergie pendant les processus de conversion paramétriques et de mieux comprendre leurs dynamiques. Ce travail s’est ensuite orienté vers le développement d’une nouvelle technique d’imagerie ultrarapide pour étudier les dynamiques de plusieurs processus d’interaction laser-matière, notamment l’effet Kerr optique, l’ablation laser et le claquage dans l’air induit par laser. Un système d’imagerie basé sur la technique STAMP (sequentially timed all-optical mapping photography) combinée à une étape de filtrage acousto-optique a été développé et a permis de capturer des phénomènes physiques à l’échelle de la picoseconde ou de la nanoseconde avec un contrôle total des conditions d’illumination, du temps d’exposition et du temps entre les images. Les résultats de cette démonstration de faisabilité sont ainsi multiples et pourraient permettre l’utilisation de techniques d’imagerie ultra-rapide hors d’un environnement de laboratoire.
Domaines
Optique [physics.optics]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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