Theoretical and Experimental Investigations of Non Collinear High Harmonic Generation and Magnetic Helicoidal Dichroism
Étude théorique et expérimentale de la génération non colinéaire d'harmoniques d'ordre élevé et du dichroïsme hélicoïdal magnétique
Résumé
High Harmonic Generation (HHG) is an extremely non-linear process involving the interaction of intense laser pulses with matter, resulting in the emission of ultrashort pulses of high order harmonics of the fundamental laser field. Today, it is the basis of attosecond science, used as a source for a variety of applications like imaging, spectroscopy, or investigation of ultrafast processes in gas and condensed matter. In this thesis, we investigate High Harmonic Generation driven by two Non Collinear beams (NCHHG). The work extends theoretically and experimentally over a very large range of intensity ratios of the two beams, from the perturbative to the non perturbative regime. Using a field based analytical model, we could establish the scaling laws of the yields of the harmonic emission in such a geometry. The experimental results are in very good agreement with the theoretical model. These results could also be interpreted in terms of photon channels associated to each beamlet, bridging the gap with previous interpretations restricted to the low perturbation regime. The establishment of this general description of NCHHG opens novel spectroscopic approaches. In addition, we also conduct an extensive study of phase matching effects in NCHHG. By developing a two dimensional theoretical model, we identify the contribution of longitudinal and transverse phase matching effects to the emission yields. The theoretical and numerical studies are complemented by experimental results. Finally, we present an application of NCHHG as a source of XUV attosecond pulses carrying orbital angular momentum. We identified an uneven reflection of XUV light vortices by magnetic structures, which we call magnetic helicoidal dichroism (MHD). It opens a new way of looking at the magneto-optical scattering process in terms of OAM, highly promising for studying complex spin textures.
La génération d'harmoniques d'ordre élevé (GHOE) est un processus extrêmement non-linéaire au cours duquel une impulsion laser intense interagit avec la matière. Cette interaction a pour conséquence l'émission d'impulsions de lumière ultra-brèves, constituées d'harmoniques du champ laser fondamental. Aujourd'hui, ce phénomène est la pierre angulaire de la science attoseconde, et constitue une source de lumière permettant une grande variété d'applications, telles que l'imagerie, la spectroscopie, ou l'étude de phénomènes physiques ultra-rapides. Dans cette thèse, nous étudions la GHOE pilotée par deux faisceaux fondamentaux non-colinéaires (NCHHG, pour « Non-Collinear High Harmonic Generation », en anglais). Ces travaux, à la fois expérimentaux et théoriques, portent sur une large plage de ratios d'intensité entre les deux faisceaux. On passe ainsi du régime perturbatif, où l'un des deux faisceaux est seulement une perturbation de l'autre, au régime non perturbatif, où les deux faisceaux ont des intensités similaires. A l'aide d'un modèle analytique basé sur la description classique du champ laser, nous avons établi des lois décrivant le comportement de l'intensité de l'émission d'harmoniques dans cette géométrie. Les résultats expérimentaux confirment de manière très précise ces prédictions théoriques. Nous proposons également une interprétation des observations en termes des « canaux photoniques » associés à chaque direction d'émission, et construisons ainsi un lien avec des interprétations existantes limitées au régime perturbatif. Cette description plus générale du processus de NCHHG pourrait se solder par de nouvelles techniques de spectroscopie. De plus, nous avons également mené une étude détaillée des effets d'accord de phase en NCHHG. Le développement de modèles théoriques bidimensionnels nous a permis d'identifier le rôle de l'accord de phase transverse et longitudinal dans l'intensité de l'émission. Ces études numériques et théoriques sont encore une fois confirmées par des données expérimentales. Enfin, nous proposons une application de la NCHHG, où celle-ci constitue une source de lumière dans l'ultraviolet extrême (UVX) portant du moment angulaire orbital (MAO). La réflexion différentielle de faisceaux UVX portant un moment angulaire orbital positif ou négatif par des structures magnétiques constitue un nouveau champ de recherche : le dichroïsme hélicoïdal magnétique. Cette approche est novatrice dans le sens où elle considère les effet magnéto-optiques à travers le prisme du MAO, et non de la polarisation circulaire.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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