Investigation of pulse duration reduction and intensity increase of Petawatt-class laser systems
Étude de la réduction de la durée d'impulsion et de l'augmentation de l'intensité des systèmes laser de la classe Petawatt
Résumé
The motivation for this thesis arises from the need to advance the development of peak power energy laser systems. The post-compression of existing femtosecond (fs) pulses toward the fundamental limit of a single-cycle of their carrier wavelength has been proposed as a shortcut to the morphing of TW into PW-class laser systems.Chapter I summarises the need for ultra-short and ultra-intense laser pulses while putting the accent on the actual status of high-power laser systems. This chapter includes a review of the post-compression methods that might lead to a realistic Exawatt class laser implementation.Chapter II is dedicated to the theoretical aspects of this thesis. The first part focuses on nonlinear effects, particularly nonlinear refractive index (NRI) and Self-Phase Modulation (SPM) leading to spectral broadening of ultrashort pulses. The latter part of this chapter discusses dispersion phenomena, different orders of dispersion, relevant dispersive materials commonly used in high-power laser systems (HPLS), and methods to compensate for dispersion. These concepts form the foundation of the thesis.To bring these theoretical concepts to experiments, simulations were developed using the PyNLO library within a Python environment. These simulations are designed to replicate the generation of ultra-short laser pulses and their subsequent propagation through nonlinear media.Chapter III outlines the comprehensive characterization of optical materials, covering dispersion, transmission, roughness, vacuum compatibility, and providing a detailed analysis of the nonlinear refractive index and laser-induced damage threshold. Additionally, a dispersion management system (DMS) is designed to compress the newly simulated spectrally broadened pulses. The results were summarized in a table that covers the properties of 10 different glasses and plastic optical materials.Chapter IV presents a detailed description of the experimental results obtained from four experimental campaigns dedicated to post-compression of ultrashort pulses. It showcases the utilization of plastics and glasses in post-compression experiments involving high-energy laser pulses, successfully achieving compression levels ranging from terawatt (TW) to petawatt (PW) peak power. The chapter also addresses new challenges pertaining to the metrology of post-compressed laser pulses, such as spatio-temporal couplings, encircled energy, nonlinear absorption in chirped mirrors (CM), and wavefront correction, providing detailed insight into these aspects.Using the key parameters such as dispersion, nonlinear refractive index, and damage threshold, it is shown also that the propagation of ultra-short laser pulses through optical materials can provide sub 6 fs laser pulses.Chapter V wraps up the thesis by presenting the main conclusions drawn from the research. It includes various summary tables, two novel methods to estimate the NRI, 3 complementary methods to perform LIDT measurements, and the prediction of reaching sub 6 fs at Joule-level energy. I showed for the first time experimental results for the stability of such post-compressed laser pulses while higher orders of dispersion are compensated, therefore demonstrating the potential to generate a 5-fold compression factor when 2 J and 2 mm BK7 are used.This chapter also discusses future perspectives, including the potential implementation of the results of the work for electron acceleration, as well as simulations involving secondary sources of radiation.
L'intérêt de cette thèse découle de la nécessité de faire progresser le développement des systèmes laser à énergie de pointe. La post-compression des impulsions femtosecondes (fs) existantes vers la limite fondamentale d'un cycle unique de leur longueur d'onde porteuse est la méthode qui a été proposée comme raccourci pour la transformation de systèmes laser de classe TW en PW.Le chapitre I explique brièvement l'importance des impulsions laser ultra-courtes et ultra-intenses tout en mettant l’accent sur l’état actuel des systèmes laser de haute puissance. Ce chapitre comprend une revue des méthodes de post-compression qui pourraient conduire à une mise en fonctionnement réaliste d'un laser de classe Exawatt.Le chapitre II est consacré aux aspects théoriques de cette thèse. La première partie se concentre sur les effets non linéaires, en particulier l'indice de réfraction non linéaire (NRI) et l'auto-modulation de phase (SPM) conduisant à un élargissement spectral des impulsions ultracourtes. La dernière partie de ce chapitre traite des phénomènes de dispersion, des différents ordres de dispersion, des matériaux dispersifs pertinents couramment utilisés dans les systèmes laser haute puissance (HPLS) et des méthodes de compensation de la dispersion. Ces concepts constituent le fondement de la thèse.Pour appliquer ces concepts théoriques aux expériences, des simulations ont été développées à l'aide de la bibliothèque PyNLO dans un environnement Python.Le chapitre III donne la caractérisation complète des matériaux optiques, couvrant la dispersion, la transmission, la rugosité, la compatibilité sous vide et fournissant une analyse détaillée de l'indice de réfraction non linéaire et du seuil de dommages induits par le laser. De plus, un système de gestion de la dispersion (DMS) est conçu pour compresser les impulsions spectralement élargies nouvellement simulées. Les résultats ont été résumés dans un tableau qui couvre les propriétés de 10 verres et matériaux optiques plastiques différents.Le chapitre IV propose une description détaillée des résultats expérimentaux obtenus à partir de quatre campagnes expérimentales dédiées à la post-compression d'impulsions ultracourtes. Il présente l'utilisation de plastiques et de verres dans des expériences de post-compression impliquant des impulsions laser à haute énergie, atteignant avec succès des niveaux de compression allant de la puissance maximale du térawatt (TW) au pétawatt (PW). Le chapitre aborde également les nouveaux défis liés à la métrologie des impulsions laser post-comprimées, tels que les couplages spatio-temporels, l'énergie encerclée, l'absorption non linéaire dans les miroirs chirpés (CM) et la correction du front d'onde, fournissant un aperçu détaillé de ces aspects.En utilisant des paramètres clés tels que la dispersion, l'indice de réfraction non linéaire et le seuil de dommage, il est également démontré que la propagation d'impulsions laser ultra-courtes à travers des matériaux optiques peut fournir des impulsions laser inférieures à 6 fs.Le chapitre V achève la thèse en présentant les principales conclusions tirées des recherches menées. Il comprend divers tableaux récapitulatifs, deux nouvelles méthodes pour estimer le NRI, 3 méthodes complémentaires pour effectuer des mesures LIDT et la prédiction de l'atteinte de moins de 6 fs à une énergie de niveau Joule. J'ai obtenu, ce qui constitue une première, des résultats expérimentaux sur la stabilité de telles impulsions laser post-comprimées pendant que des ordres de dispersion plus élevés sont compensés, démontrant ainsi le potentiel de générer un facteur de compression par 5 lorsque 2 J et 2 mm BK7 sont utilisés.Ce chapitre aborde également les perspectives futures, notamment la possible mise en œuvre des résultats des travaux sur l'accélération des électrons, ainsi que les simulations impliquant des sources secondaires de rayonnement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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