Cotel, Arnaud (2007) Multilayer dielectric gratings for tiled-gratings compression of petawatt pulses. PhD thesis LULI, EP - LULI Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses, EP/X p.210.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Cotel.pdf

Abstract

Pulse compression diffraction gratings represent currently an important bottleneck for the development of energetic high-intensity Petawatt laser. Indeed, the laser-induced damage threshold of standard gold-coated gratings and the diffraction efficiency are limited. That’s why we have developed a new generation of diffraction gratings: !
multilayer dielectric (MLD) gratings. Studies of MLD g!
ratings
applied to the Pico2000 laser project are the first part of my thesis work. On the other hand, diffraction gratings for pulse compression need to have meter-scale size. As an alternative of large dimension gratings, we have studied the principle of grating tiling by coherent addition. Tiled grating experiments with an interferometric technique are presented and also the demonstration of multi-Terawatt pulse compression by grating tiling. The last topic concerned the temporal control of Pico2000 laser pulse for the petawatt regime: temporal contrast and spectral pulse shaping.

Table of content

I Les r¶eseaux de di®raction µa multicouches di¶electriques pour
la compression d'impulsions laser 13
1 Etat de l'art des m¶ethodes de compression d'impulsions laser µa d¶erive
de fr¶equence 17
1.1 Technique d'ampli¯cation µa d¶erive de fr¶equence - 17
1.2 Compression d'impulsions dans des mat¶eriaux dispersifs - 21
1.3 Compression d'impulsions avec des prismes - 22
1.4 Compression d'impulsions avec des r¶eseaux de di®raction - 25
1.5 Compression d'impulsions avec des grisms - 26
1.6 Compression d'impulsions par interf¶erences : interf¶eromµetre de Gires-Tournois
et miroirs chirp¶es - 27
1.7 Comparaison des di®¶erentes techniques de compression d'impulsions : avan-
tages et inconv¶enients - 29
2 Les di®¶erentes technologies de r¶eseaux de di®raction pour la compres-
sion d'impulsions 33
2.1 Les r¶eseaux de di®raction grav¶es - 34
2.1.1 Principe et fabrication des r¶eseaux grav¶es - 34
2.1.2 Etat de l'art des r¶eseaux grav¶es - 34
2.1.3 Avantages et inconv¶enients des r¶eseaux grav¶es - 34
2.2 Les r¶eseaux de di®raction holographiques m¶etalliques - 35
2.2.1 Fabrication des r¶eseaux holographiques m¶etalliques - 35
2.2.2 Choix de la polarisation de l'onde incidente - 36
2.2.3 Choix de la densit¶e de traits des r¶eseaux - 37
2.2.4 Choix de l'angle d'incidence - 38
2.2.5 Performances et limitations des r¶eseaux holographiques m¶etalliques 39
2.3 Les r¶eseaux de di®raction volumiques dans des mat¶eriaux photoinscriptibles 39
2.3.1 Principe et fabrication des r¶eseaux volumiques - 39
2.3.2 Performances et limitations des r¶eseaux volumiques - 40
3 Mod¶elisation th¶eorique des r¶eseaux µa multicouches di¶electriques (MLD) :
du miroir au r¶eseau de di®raction 43
5
3.1 Choix des mat¶eriaux di¶electriques - 43
3.2 R¶e°ectivit¶e d'un empilement de couches minces di¶electriques - 45
3.2.1 Calcul de la r¶e°ectivit¶e d'un empilement di¶electrique - 45
3.2.2 Minimisation du nombre de paires de couches d'un empilement di-
¶electrique - 47
3.3 D¶e¯nition du pro¯l de trait d'un r¶eseau µa multicouches di¶electriques - 48
3.4 Calcul th¶eorique de l'e±cacit¶e de di®raction - 49
3.4.1 M¶ethodes rigoureuses de calcul de l'e±cacit¶e de di®raction - 50
3.5 Calcul du champ ¶electrique dans un r¶eseau MLD - 55
3.6 Calcul de l'acceptance spectrale des r¶eseaux MLD - 56
3.6.1 Cas des r¶eseaux MLD de Pico2000 µa 1¹m - 56
3.6.2 Solutions envisag¶ees pour augmenter l'acceptance spectrale - 57
3.7 Optimisation des paramµetres du r¶eseau - 58
3.7.1 Optimisation de l'e±cacit¶e de di®raction - 58
3.7.2 Optimisation de la tenue au °ux laser du r¶eseau par minimisation
du champ ¶electrique - 59
3.8 Fabrication des r¶eseaux MLD - 60
3.8.1 Les di®¶erentes ¶etapes du proc¶ed¶e de fabrication - 60
3.8.2 In°uence des d¶efauts de fabrication - 62
4 Caract¶erisation exp¶erimentale des r¶eseaux MLD du compresseur de
Pico2000 63
4.1 Mesure de l'e±cacit¶e de di®raction - 63
4.1.1 Proc¶edure de la mesure - 63
4.1.2 Mesure de l'e±cacit¶e de di®raction des r¶eseaux MLD de Pico2000 . 64
4.2 Caract¶erisation du pro¯l de trait - 65
4.2.1 Microscopie ¶electronique µa balayage (SEM) - 65
4.2.2 Microscopie µa force atomique (AFM) - 66
4.3 Qualit¶e de surface d'onde des r¶eseaux MLD - 68
4.3.1 Paramµetres de surface d'onde d'un r¶eseau : PV et RMS - 68
4.3.2 Origines des d¶efauts de surface d'onde des r¶eseaux MLD - 69
4.3.3 Caract¶erisation en surface d'onde des r¶eseaux MLD - 69
4.3.4 In°uence des d¶efauts de surface d'onde des r¶eseaux sur la compres-
sion d'impulsions - 70
4.4 Tenue au °ux laser des r¶eseaux MLD - 71
4.4.1 Interaction laser-di¶electrique en r¶egime femtoseconde - 71
4.4.2 Proc¶edures de mesures du seuil d'endommagement des r¶eseaux MLD 73
4.4.3 R¶esultats des mesures de tenue au °ux - 76
4.4.4 Evolution du seuil de dommage en fonction de la dur¶ee d'impulsion 80
4.4.5 Evolution du seuil de dommage en fonction de l'angle d'incidence . 81
6
II Mise en phase de r¶eseaux de di®raction pour la compres-
sion d'impulsions 85
5 Principe de la mise en phase de r¶eseaux dans un compresseur d'impul-
sions 89
5.1 Segmentation des composants optiques pour les grands instruments - 89
5.1.1 Dans le domaine de l'astronomie - 89
5.1.2 Dans le domaine des lasers de puissance - 90
5.2 Architectures de compresseurs µa mosaijques de r¶eseaux - 91
5.3 Une architecture de compresseur µa mosaijques de faisceaux - 92
5.4 Degr¶es de libert¶e entre deux r¶eseaux de di®raction adjacents - 93
5.4.1 D¶e¯nitions - 93
5.4.2 Appairage des degr¶es de libert¶e et compensation de d¶efauts de phase 94
6 Analyse th¶eorique de la mise en phase de r¶eseaux 97
6.1 Propagation d'une impulsion laser dans un compresseur µa r¶eseaux monoli-
thiques ou segment¶es - 97
6.1.1 Cas d'un compresseur µa r¶eseaux monolithiques - 97
6.1.2 Cas d'un compresseur µa mosaijques de r¶eseaux - 101
6.2 Etude de l'in°uence des d¶efauts de phase sur le pro¯l spatial et temporel
des impulsions - 102
6.2.1 E®ets spatiaux - 102
6.2.2 E®ets temporels - 106
7 D¶eveloppement exp¶erimental d'une mosaijque de r¶eseaux et de diagnos-
tics d'alignement 109
7.1 Systµeme m¶ecanique de nanopositionnement d'une paire de r¶eseaux - 109
7.2 Les di®¶erentes techniques d'alignement d'une mosaijque de r¶eseaux - 110
7.2.1 Techniques de mesure de front d'onde - 111
7.2.2 Techniques d'analyse de champs lointains - 113
7.2.3 Techniques interf¶erom¶etriques - 116
7.3 Mise en oeuvre exp¶erimentale d'une technique interf¶erom¶etrique µa deux ondes117
7.3.1 Dispositif exp¶erimental - 117
7.3.2 Alignement des r¶eseaux par accord des systµemes de franges - 118
7.3.3 Mesure de la surface d'onde de la mosaijque de r¶eseaux et calcul de
la PSF - 120
7.4 Mise en oeuvre exp¶erimentale d'une technique d'optimisation en champ
lointain - 121
7.4.1 Dispositif exp¶erimental - 121
7.4.2 Analyse des r¶esultats - 121
7
8 Compression d'impulsions sub-picosecondes par mosaijque de r¶eseaux de
di®raction 123
8.1 Premiers r¶esultats de compression d'impulsions par mosaijque de r¶eseaux
(faible ¶energie et petit faisceau) - 123
8.1.1 Sch¶ema exp¶erimental du systµeme laser - 123
8.1.2 Caract¶erisation spatiale du faisceau : champ lointain - 125
8.1.3 Problµeme de coupure spectrale par la jointure entre les r¶eseaux . . . 126
8.1.4 Caract¶erisation temporelle des impulsions comprim¶ees : autocorr¶e-
lation 2! - 126
8.2 Compression d'impulsions par mosaijque de r¶eseaux avec le laser 100 TW . 128
8.2.1 Architecture du systµeme laser 100 TW - 128
8.2.2 Implantation de la mosaijque de r¶eseaux dans le compresseur d'im-
pulsions du 100TW - 129
8.3 Caract¶erisation spatiale et temporelle des impulsions comprim¶ees par mo-
saijque de r¶eseaux - 130
8.3.1 Mesures des pro¯ls spatiaux exp¶erimentaux en champ proche et en
champ lointain - 130
8.3.2 Evolution du champ lointain en fonction des d¶efauts d'alignement
des r¶eseaux : comparaison th¶eorie et exp¶erience - 132
8.3.3 Stabilit¶e de l'alignement des r¶eseaux - 133
8.3.4 Mesure du spectre et de l'autocorr¶elation du second ordre - 134
8.3.5 Transmission en ¶energie du compresseur segment¶e - 135
8.3.6 Tenue au °ux de la jointure entre les r¶eseaux - 135
9 Perspectives de compression d'impulsions pour le projet Exawatt Ex-
treme Light Infrastructure 137
9.1 Architecture du systµeme laser pour ELI - 138
9.1.1 Pilote OPCPA - 138
9.1.2 Ampli¯cateurs de puissance Ti :Sa - 139
9.1.3 Compresseur d'impulsions µa mosaijque de r¶eseaux et focalisation . . 139
9.2 Dimensionnement du compresseur d'impulsions ELI - 140
9.2.1 Paramµetres du compresseur - 140
9.2.2 Transmission spectrale et dispersion de vitesse de groupe du com-
presseur - 141
9.3 Mise en phase de r¶eseaux pour la compression d'impulsions de 15 fs µa 800
nm - 142
9.3.1 Etude d'un compresseur µa mosaijque de r¶eseaux pour ELI - 142
9.3.2 Contraintes pour la mise en phase de r¶eseaux µa 15 fs - 143
III Contr^ole temporel des impulsions du laser Petawatt Pico2000
8
147
10 Pilote laser de Pico2000 151
10.1 Oscillateur femtoseconde et ¶etireur d'impulsions - 151
10.1.1 Paramµetres de l'oscillateur et architecture de l'¶etireur d'impulsions . 151
10.1.2 Caract¶erisation du faisceau en sortie d'¶etireur - 153
10.2 Cavit¶e r¶eg¶en¶erative Nd :verre pomp¶ee par diodes pour la pr¶e-ampli¯cation 154
10.2.1 Milieu ampli¯cateur Nd :verre et systµeme de pompage par diodes . 154
10.2.2 Construction du mode supergaussien par miroir de phase intra-cavit¶e155
10.2.3 Pro¯l spatial supergaussien exp¶erimental en sortie de pilote - 160
10.3 Contr^ole de l'amplitude spectrale dans le pilote Pico2000 - 161
10.3.1 E®et de r¶etr¶ecissement spectral par le gain - 162
10.3.2 Compensation du r¶etr¶ecissement spectral par le gain pour le pilote
Pico2000 - 164
10.4 Compresseur d'impulsions local du pilote - 166
10.4.1 Mesure de la dur¶ee d'impulsion par autocorr¶elateur 2! - 166
10.4.2 Mesure du contraste temporel par cross-corr¶elation 3! - 167
10.5 Am¶elioration du contraste temporel des impulsions de Pico2000 : XPW µa
1 ¹m? - 168
10.5.1 Techniques d'am¶elioration du contraste temporel - 168
10.5.2 Principe de la g¶en¶eration d'onde de polarisation crois¶ee : XPW . . . 169
10.5.3 Mise en oeuvre exp¶erimentale de la technique XPW au LULI - 170
10.5.4 Analyse des r¶esultats - 170
11 Ampli¯cation de puissance Nd :verre du laser Pico2000 175
11.1 Architecture du systµeme d'ampli¯cation de puissance Nd :Verre - 175
11.2 R¶esultats exp¶erimentaux des di®¶erentes campagnes d'ampli¯cation - 176
11.2.1 Energie et pro¯l spatial du faisceau ampli¯¶e - 176
11.2.2 Spectre ampli¯¶e et e®et de saturation par le gain - 178
12 Compresseur d'impulsions de Pico2000 181
12.1 Architecture compacte du compresseur d'impulsions µa r¶eseaux de di®rac-
tion MLD - 181
12.1.1 Dimensionnement du compresseur d'impulsions - 182
12.1.2 R¶esum¶e des paramµetres du compresseur et performances vis¶ees . . . 184
12.2 Etude th¶eorique de la coupure spectrale dans le compresseur - 185
12.2.1 Calcul de la transmission spectrale du compresseur - 185
12.2.2 E®ets de la coupure spectrale - 189
12.3 Tol¶erances d'alignement des r¶eseaux et distorsions de phase spectrale . . . 190
12.3.1 Accord de phase spectrale quadratique - 191
12.3.2 In°uence du choix de l'angle d'incidence sur la tol¶erance d'alignement192
12.4 Premiers r¶esultats de compression d'impulsions dans le r¶egime petawatt . . 193

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