Principes et réalisation d'une chaîne laser femtoseconde haute intensité basée sur le saphir dopé au titane

Laboratoire d'Optique Appliquée, Ecole Polytechnique - ENSTA, Batterie de l'Yvette, 91120 Palaiseau, France

Résumé

Ce mémoire présente les études préliminaires, la réalisation et la caractérisation d'une chaîne dite "de haute intensité" en régime femtosecondes. Cette installation est capable de produire sur cible des intensités supérieures à 10^18 W/cm2 à une récurrence de 10 tirs par seconde. Nous présentons tout d'abord les principes fondamentaux de la propagation d'impulsions étirées dans un milieu amplificateur en mettant en évidence les principaux mécanismes mis en jeu dans ce processus : la dispersion de vitesse de groupe, l'automodulation de phase, l'autofocalisation et la saturation du gain. Une analyse des différentes possibilités quant au choix de la source initiale capable d'émettre des impulsions de durée femtoseconde dans le domaine du proche infrarouge est réalisée après la présentation des caractéristiques spectroscopiques du saphir dopé au titane. Sont en particulier décrits en détail le principe et le fonctionnement de l'oscillateur au saphir dopé au titane à autoblocage de modes que nous avons construit à cet effet. L'amplification jusqu'aux puissances de l'ordre du terawatt repose sur le concept "CPA" d'amplification d'impulsions à dérive de fréquence. Nous explorons ici la voie des amplificateurs à multipassages suivant des configurations déjà développées pour les amplificateurs à colorants. Une attention particulière a été portée sur les méthodes de réglage, la fiabilité, la stabilité et la qualité du profil spatial du faisceau. D'autre part, une modélisation rend parfaitement compte des effets de saturation dans les amplificateurs. Les impulsions obtenues après compression ont une énergie de l'ordre de 60 mJ et une durée de l'ordre de 130 fs. La partie suivante est consacrée à une étude des problèmes d'étirement et de recompression pour tenter d'expliquer les raisons de cette recompression imparfaite. Finalement, un paramètre encore plus crucial pour la physique de l'interaction sur cible solide sans création d'un préplasma est le contraste des impulsions. Nous décrivons donc l'appareil de mesure capable d'effectuer des autocorrélations avec une dynamique dépassant 10^8 permettant d'observer un éventuel pied d'énergie à ce niveau. Les problèmes de propagation d'impulsions lumineuses ultra intenses sont ensuite abordés, pour optimiser la focalisation du faisceau jusqu'à des intensités de 10^18 W/cm2. Dans une discussion finale, les performances de cette installation sont comparées à celles des systèmes développés par ailleurs et nous réalisons une étude plus prospective des étapes à mettre en oeuvre afin d'augmenter l'énergie amplifiée, diminuer la durée des impulsions et optimiser la focalisation, le but à atteindre étant le régime des 10^19 W/cm2.

Abstract

We present the initial study, the realisation and the characterisation of a high intensity femtosecond laser chain. This chain is able to produce intensities higher than 10^18 W/cm2 on target, at a 10 Hertz repetition rate. We present first fondamentals principles of chirped pulse propagation mechanisms: group velocity dispersion, self-phase modulation, self-focusing, and gain saturation. Then after describing the spectroscopic properties of titanium doped sapphire (Ti:S), we discuss near infrared femtosecond oscillators able to be amplified in Ti:S medium, and describe our home made Kerr Lens mode locked femtosecond Ti:S oscillator. The high intensity laser chain is based on the Chirped Pulse Amplification concept, which consists in stretching the pulse before its amplification in order to avoid non-linear effects such self-focusing or breakdown, and then recompressing it to its initial pulse duration. We have developed two compact and efficient multipass amplifiers for femtosecond chirped pulse amplification. With only two of these devices, we obtain an amplification factor of 10^8, which corresponds to a peak power of ∼ 0.5 terawatt after compression. We analyse in details the performances of this system and its advantages in terms of its high quantum yield (0.3), flexibility, and optical quality. Some observed spectral distortion on chirped pulses is simply explained by a gain saturation model. High dynamic pulse temporal control is crucial for interaction experiments. For this reason, we have developed a third order sampling autocorrelator. This device is able to measure 100 fs pulses with more than 8 orders of magnitude. I compare our obtained performances to other femtosecond systems and I analyse the best way to increase the energy, reduce the pulse duration and optimise focusing in order to reach the 10^19 W/cm2 regime.