Spatio-temporal characterization of high power laser pulses
Caractérisation spatio-temporelle d’impulsions laser de haute puissance
Résumé
High power laser make it possible to reach very high intensities (up to $10^{22}\textrm{W.cm}^{-2}$).
In order to get to this level of intensity, a moderate quantity of energy (on the order of 1 Joule) is concentrated in a very short time (on the order of tens of femtoseconds) onto a small surface (on the order of $1 \mu m^2$).
These beams are therefore ultra-short and focused with a high aperture optic.
These features mean that their diameter prior to focus is large and their spectral width is large.
As a result, these beams are subject to spatio-spectral distorsions (of spatio-temporal couplings).
After focus, these distorsions induce a dramatic reduction of the peak intensity. This situation is all the more true when the laser is more intense and its diameter and spectral width are therefore larger. Despite their detrimental effects, spatio-temporal couplings can be of great interest when controlled. One can indeed introduce weak spatio-temporal couplings for experimental purposes.
In the 1990s and 2000s, a big effort was put in order to characterize and optimize the temporal profile of femtosecond lasers.
Meanwhile, adaptative optics solutions were developed to control the spatial profil of ultra intense laser beams and provide the best achievable focal spot.
By nature, this approach is blind to spatio-temporal couplings.
Measuring these distorsion requires a spatio-temporal characterization.
Before the start of this Phd thesis, spatio-temporal characterization methods already existed, but none of these devices were ever adapted to the measurement of ultra-intense laser beams.
During this Phd thesis, we have developped a new spatio-temporal characterization technique which we called TERMITES.
This technique is based on a self-referenced Fourier transform spectroscopy scheme.
TERMITES made it possible to perform the first total spatio-temporal characterization of a 100 TW laser (UHI-100 at CEA Saclay, France).
The detection of spatio-temporal distorsions confirmed the need for a generalization of spatio-temporal characterization of ultra-high power lasers.
Les lasers de haute puissance permettent d'atteindre des intensités très importantes (jusqu'à $10^{22}\textrm{W.cm}^{-2}$).
Parvenir à ce niveau d'intensité nécessite de concentrer une quantité modérée d'énergie (de l'ordre du joule) dans un temps très court (de l'ordre de la dizaine de femtosecondes) sur une surface réduite (de l'ordre du $\mu m^2$).
Ces faisceaux sont donc ultra-courts et focalisés à l'aide d'une optique à grande ouverture.
Ces caractéristiques signifient que leur diamètre avant focalisation est grand et leur largeur spectrale est importante.
Pour cette raison, ces faisceaux sont à même de présenter des distorsions spatio-spectrales (ou couplages spatio-temporels).
Après focalisation, ces distorsions ont pour effet une diminution drastique de l'intensité pic. Ceci est d'autant plus vrai que le système laser est puissant et donc que son diamètre et sa largeur spectrale sont grands.
En dépit de cet effet néfaste, les couplages spatio-temporels présentent aussi un intérêt lorsqu'ils sont maitrisés. On peut en effet introduire des couplages spatio-temporels de faible amplitude à des fins expérimentales.
Dans les années 1990 et 2000, un effort important a été fourni pour permettre la caractérisation et l'optimisation du profil temporel des lasers femtoseconde.
Dans le même temps, des solutions d'optique adaptative ont été développées pour contrôler le profil spatial des faisceaux ultra-intenses et obtenir la meilleure tache focale possible.
Les systèmes laser de haute-puissance actuels sont maintenant caractérisés et optimisés indépendamment par ces deux types de diagnostics.
Par essence, cette approche est aveugle aux couplages spatio-temporels.
Seule une caractérisation spatio-temporelle permettrait de mesurer ces distorsions.
Il existait déjà des méthodes de caractérisation spatio-temporelle avant le début de cette thèse.
Aucun de ces dispositifs n'avait cependant été adapté à la mesure de faisceaux ultra-intenses.
Lors de cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de caractérisation spatio-temporelle appelée TERMITES.
Cette technique est basée sur un schéma de spectroscopie par transformée de Fourier auto-référencée.
TERMITES nous a permis d'effectuer la première caractérisation spatio-temporelle totale d'un laser 100 TW (le laser UHI-100 du CEA Saclay).
Les distorsions spatio-temporelles détectées à l'aide de ces mesures ont confirmé la nécessité d'une généralisation de la métrologie spatio-temporelle des lasers de haute puissance.