Timing jitter characterization and control of ultrafast diode pumped Ytterbium lasers
Caractérisation et réduction de la gigue temporelle de lasers ytterbium ultrabrefs pompés par diode
Résumé
The main scope of this PhD work is to characterize and reduce the timing jitter of optical pulses with sub-picosecond duration, emitted by diode-pumped ultrafsat lasers with Ytterbium doped gain media. Such laser sources have been rapidly enhanced by a high-grade and efficient industrial development, giving access to numerous novel applications, especially in the fields of applied physics and chemistry with time-resolved experiments based on interaction between light and matter. In this latter topic resides a constant need to minimize the laser pulse train timing jitter in order to access physical phenomena with extremely short timescales such as electrons recombination.Two main detection techniques have been studied to characterize the timing jitter from passively modelocked laser oscillators. The first technique is based on direct photo-detection in the microwave domain whilst the second technique makes use of the balanced optical cross-correlation. Residual timing jitter from industrial compact laser oscillators has been reduced below 5fs, close to an optical cycle period. This performance makes the laser oscillators produced by Amplitude-Systemes already suitable for challenging time-resolved pump-probe experiments, in the presence for example of a free electron laser source.Timing jitter analysis has been enhanced by studying the cross-spectrum from jitter signals generated from two balanced optical cross-correlators. This technique allowed the entire characterization of the timing jitter density spectrum from laser oscillators above the ten-kiloHertz Fourier frequency with a sub-zeptosecond noise floor. Additive timing jitter from ultrafast laser amplifiers has also been studied with optical cross-correlation and gives a global comprehension of the timing jitter from a complete high-energy ultrafast laser chain.The collected measurments will be conducive to design a more adapted and performant timing synchronization system for industrial laser sources. A better knowledge of the non-trivial jitter sources, dependent on the laser parameters, will also allow to design intrinsically low-noise new laser sources based on the Ytterbium gain media. The cross-spectrum technique developed could be of use to characterize other laser technologies and to investigate the theoretical perturbation model of ultrafast lasers with a better experimental insight.
Ce travail de thèse se concentre sur la caractérisation et la correction de la gigue temporelle de lasers ultrabrefs, c'est-à-dire avec une durée d'impulsion sub-picoseconde, pompés par diode et avec un milieu à gain dopé à l'Ytterbium. Ce type de source laser a bénéficié d'un développement industriel rapide depuis le début des années 2000 et a trouvé de très nombreuses applications, notamment dans le domaine scientifique pour des expériences résolues en temps (FELs, accélérateurs de particules, OPAs...). Dans ce type d’applications, la réduction de la gigue des impulsions permet d’accéder à de meilleures résolutions temporelles et permet d’observer des phénomènes physiques extrêmement brefs.Dans ce travail, la gigue d'oscillateurs lasers ultrabrefs à verrouillage de mode passif a été corrigée et caractérisée en générant un signal d'erreur par photo-détection directe d'une part et par corrélation croisée optique d'autre part. La correction de la gigue temporelle par corrélation croisée optique permet d'obtenir une gigue résiduelle inférieure à 5fs, de l'ordre de la durée d'un cycle optique, avec des oscillateurs compacts et industriels. Une gigue résiduelle de ce niveau permet d’accéder à des expériences résolues en temps exigeantes en termes de stabilités temporelles des sources de lumière utilisée, par exemple une expérience d’interaction lumière-matière de type pompe-sonde avec une source laser à électrons libres.Un nouvel instrument basé sur la corrélation statistique des signaux de gigue générés par deux canaux de corrélations croisées optiques a été mis en place. Un tel instrument a permis de caractériser complètement la gigue temporelle d'oscillateurs à des fréquences de Fourier supérieures à la dizaine de kiloHertz lasers ultrabref en atteignant un plancher de bruit sub-zeptoseconde. La gigue additive d'amplificateurs lasers ultrabrefs a également été caractérisée par corrélation croisée optique, cela afin d'acquérir une compréhension globale de la gigue introduite par une chaîne laser ultrabrève amplifiée.Les mesures effectuées ont permis d’analyser les origines physiques de la gigue dans un système laser ultrabref. Ces résultats permettront à terme d’améliorer la correction de la gigue sur les systèmes industriels étudiés ainsi que de développer de nouvelles sources laser ultrabrèves intrinsèquement moins bruyantes. Une telle étude expérimentale pourra également servir de support pour éventuellement enrichir le modèle théorique des perturbations dans un laser ultrabref.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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