Architecture d’amplificateur paramétrique optique dans l'espace des fréquences pour la génération de sources laser intenses de quelques cycles optiques dans l’infrarouge moyen.

Abstract

Au cours des années 2000, l’avènement des sources laser Titane:saphir (Ti:Sa) intenses stabilisées en CEP (phase entre l’enveloppe et la porteuse du champ électrique) a ouvert la voie à la mesure des phénomènes ultra-rapides pour la physique attoseconde. Grâce au processus de génération d’harmoniques d’ordres élevés (HHG), prédit par le modèle en trois étapes en 1993, les physiciens parviennent désormais à générer des impulsions attosecondes pour sonder temporellement les dynamiques électroniques au sein de la matière. En raison de la dépendance quadratique entre la longueur d’onde du laser et l’énergie pondéromotrice acquise par les électrons lors du processus de HHG, l’intérêt de la communauté attoseconde est aujourd’hui tourné vers la création de nouvelles sources laser intenses dans l’infrarouge moyen (MIR), un domaine spectral encore peu couvert à cause du manque de milieux amplifi- cateurs émettant à ces longueurs d’ondes.Dans la première moitié de cette thèse, une architecture d’amplification paramétrique op- tique (OPA) dans l’espace des fréquences est présentée pour générer du rayonnement intense dans l’infrarouge moyen à partir d’une chaîne laser Titane:Saphir térawatt. La source MIR, ac- cordable de 5, 5 μm à 13 μm et stable en CEP, a été caractérisée temporellement par une tech- nique pompe-sonde développée en 2019 au sein des laboratoires de l’Université de Bordeaux et de l’Institut national de la recherche scientifique, puis utilisée pour piloter une expérience de HHG en milieu solide, un phénomène observé pour la première fois en 2011. Une seconde architecture d’OPA est ensuite proposée pour générer du rayonnement intense cette fois-ci vers 3 μm par différence de fréquences (DFG) dans l’espace des fréquences.L’un des principaux freins à la réalisation de sources intenses MIR réside dans la faible efficacité de conversion depuis l’infrarouge proche (NIR). Par conséquent, l’expérimentation en physique attoseconde reste aujourd’hui limitée aux laboratoires disposant de sources Ti:Sa multi-térawatts, des installations peu répandues en raison de leurs coûts d’achat et de fonction- nement. Toutefois, cette situation évolue progressivement grâce aux progrès réalisés ces 10 dernières années dans les technologies Thulium et Holmium vers 2 μm, une longueur d’onde prometteuse pour le pompage d’OPA MIR. La seconde partie du manuscrit traite le dévelop- pement de nouveaux milieux amplificateurs à base de céramiques dopées aux ions Holmium, des matériaux présentant certains avantages tels que la fabrication rapide et à bas prix de cristaux de grandes dimensions, ou encore la possibilité de créer des compositions chimiques inhomogènes le long d’un même cristal (gradient ou échelon de dopage, co-dopage d’une couche externe). Dans ce cadre, des céramiques dopées à l’Holmium ont été fabriquées par une université partenaire et une méthode innovante est ici présentée pour analyser et quanti- fier les processus d’émission et de pertes dans ces matériaux, avec l’objectif d’égaler puis de surpasser à long terme les performances optiques des monocristaux.