Caractérisation et réduction de la gigue temporelle de lasers ytterbium ultrabrefs pompés par diode

Abstract

Ce travail de thèse se concentre sur la caractérisation et la correction de la gigue temporelle de lasers ultrabrefs, c'est-à-dire avec une durée d'impulsion sub-picoseconde, pompés par diode et avec un milieu à gain dopé à l'Ytterbium. Ce type de source laser a bénéficié d'un développement industriel rapide depuis le début des années 2000 et a trouvé de très nombreuses applications, notamment dans le domaine scientifique pour des expériences résolues en temps (FELs, accélérateurs de particules, OPAs...). Dans ce type d’applications, la réduction de la gigue des impulsions permet d’accéder à de meilleures résolutions temporelles et permet d’observer des phénomènes physiques extrêmement brefs.Dans ce travail, la gigue d'oscillateurs lasers ultrabrefs à verrouillage de mode passif a été corrigée et caractérisée en générant un signal d'erreur par photo-détection directe d'une part et par corrélation croisée optique d'autre part. La correction de la gigue temporelle par corrélation croisée optique permet d'obtenir une gigue résiduelle inférieure à 5fs, de l'ordre de la durée d'un cycle optique, avec des oscillateurs compacts et industriels. Une gigue résiduelle de ce niveau permet d’accéder à des expériences résolues en temps exigeantes en termes de stabilités temporelles des sources de lumière utilisée, par exemple une expérience d’interaction lumière-matière de type pompe-sonde avec une source laser à électrons libres.Un nouvel instrument basé sur la corrélation statistique des signaux de gigue générés par deux canaux de corrélations croisées optiques a été mis en place. Un tel instrument a permis de caractériser complètement la gigue temporelle d'oscillateurs à des fréquences de Fourier supérieures à la dizaine de kiloHertz lasers ultrabref en atteignant un plancher de bruit sub-zeptoseconde. La gigue additive d'amplificateurs lasers ultrabrefs a également été caractérisée par corrélation croisée optique, cela afin d'acquérir une compréhension globale de la gigue introduite par une chaîne laser ultrabrève amplifiée.Les mesures effectuées ont permis d’analyser les origines physiques de la gigue dans un système laser ultrabref. Ces résultats permettront à terme d’améliorer la correction de la gigue sur les systèmes industriels étudiés ainsi que de développer de nouvelles sources laser ultrabrèves intrinsèquement moins bruyantes. Une telle étude expérimentale pourra également servir de support pour éventuellement enrichir le modèle théorique des perturbations dans un laser ultrabref.