Amélioration du contrasteThéorie et modélisation de l’effet XPW

L’objectif de cette thèse vis-à-vis de la technique de génération d’onde de polari- sation croisée (« XPW » pour Cross-Polarized Wave) a été double: 1. D’une part, mettre au point un schéma expérimental permettant le filtrage efficace (rendement de conversion > 25%) d’impulsions possédant une énergie supérieure au millijoule. Cet objectif répond à la nécessité d’améliorer le contraste temporel de la chaine existante en Salle Noire (108) afin d’accéder au régime relativiste de génération d’harmoniques sur cible solide et in fine générer un rayonnement attoseconde plus intense; 2. D’autre part, rendre compte théoriquement des effets observés lors de la gé- nération XPW, en particulier dans les régimes « extrêmes » d’impulsions de quelques cycles optiques et de très hauts rendements. Dans ces régimes-là, les modèles proposés jusqu’à présent ne donnent qu’une représentation im- parfaite du processus. En particulier, s’ils rendent généralement bien compte de son efficacité, leur description des effets sur le spectre est incomplète. De plus, aucune modélisation 3D n’a été proposée jusqu’ici. présente les bases de la technique XPW ainsi qu’une revue de l’état de l’art au début de ma thèse (partie 3.3). Ensuite je détaille la théorie et les modèles numériques 1D puis 3D (partie 3.4) qui nous ont permis de reproduire fidèle- ment un certain nombre de phénomènes. En particulier, une application du code 1D a été la détermination des caractéristiques non-linéaires relatives à l’XPW de cristaux de Diamant (section 3.4.2). La modélisation 3D à l’aide du logiciel CommodPro dans lequel l’effet XPW a été implémenté par nos soins a quant à elle permis l’étude des effets spatiaux (section 3.4.3).

– Le chapitre 5, qui clôture l’étude de l’XPW, reprend les différentes réalisa- tions expérimentales qui ont émaillé cette thèse. Une première partie présente les injecteurs ultra-courts à haut contraste pour des chaines de puissance. La seconde partie est consacrée au dernier venu des dispositifs expérimentaux dont le développement a été réalisé pendant le courant de la thèse. Il per- met pour la première fois d’obtenir des rendements de conversion proche de la limite théorique, dans le régime de saturation de l’effet (rendement de conversion proche de 35%) et ce, quelles que soient les énergies d’entrée de filtre que nous avons eu l’occasion de tester (jusqu’à plus de 10 mJ). Le chapitre 4 s’appuie sur ces modèles et apporte un certain nombre de réponses quant aux conditions optimales de génération dans les régimes ex- trêmes. Les données théoriques sont renforcées par les résultats obtenus ex- périmentalement. Ensemble, ils permettent d’observer clairement quels mé- canismes sont responsables de l’élargissement spectral et expliquent en partie le décalage systématique vers le bleu du spectre XPW par rapport au spectre fondamental. La simulation des effets spatiaux a également permis de mieux comprendre la structure spatiale des faisceaux après cristal et tout au long de leur propagation ainsi que le couplage avec le profil spectral.

Améliorer le contraste temporel d’impulsions laser femtosecondes intenses est cru- cial pour accéder au régime d’interaction laser-plasma à très haute intensité (sur cible solide) [1–5]. Une distinction est généralement admise entre le contraste inco- hérent, dû à l’amplification de l’émission spontanée (ASE) et présent sur une plage temporel s’étendant au-delà de la nanoseconde, et le contraste cohérent, proche du pic (échelle picoseconde) et dont l’origine provient de la compression imparfaite des impulsions. Les sources laser femtosecondes commerciales basées sur l’amplifi- cation à dérive de fréquences (CPA) fournissent actuellement un contraste ASE de 108 lorsqu’aucune méthode d’amélioration du contraste n’est utilisée. L’ionisation  de la cible intervenant dès 1012 W/cm2, on comprend bien dès lors que ce niveau de contraste est insuffisant pour des expériences où l’intensité crête sur cible dé- passe 1020 W/cm2. Il est donc nécessaire d’implémenter sur ces chaines un outil permettant l’amélioration du contraste d’au moins 3 ou 4 ordres de grandeur. Parmi les méthodes existantes, un certain nombre sont limitées à l’amélioration du contraste incohérent. C’est le cas en particulier des méthodes électro-optiques telles que les cellules de Pockels dont le temps d’ouverture et de fermeture ne permet pas aujourd’hui d’agir sur le contraste en-dessous de la centaine de pi- cosecondes. A ma connaissance les alimentations haute-tension et les contrôleurs électroniques fournis par FID GmbH [6] associés aux cellules de Pockels de Leysop Ltd [7] sont les seules à fournir des temps d’ouverture de l’ordre de la centaine de pi- cosecondes tout en assurant une amélioration de contraste de 3 ordres de grandeur au mieux [13]. L’amélioration du contraste sur des temps plus courts ne peut se faire que par des méthodes purement optiques non-linéaires. Sachant que la dégra- dation du contraste très tôt dans la chaine est le fait du pré-amplificateur en raison d’un niveau d’amplification de l’ordre de 1000, les différentes méthodes d’amélio- ration peuvent être répertoriées selon leur point d’implantation dans la chaine. Ainsi, on choisira l’absorbant saturable [8] ou l’amplification paramétrique op- tique [à dérive de fréquences] (O[CP]PA) [9–12] pour agir dès le pré-amplificateur, l’interféromètre non-linéaire de Sagnac [14], la rotation non linéaire de polarisation elliptique (NER) dans les milieux isotropes [15–17] ou la génération de polarisation croisée (XPW) [18, 19] pour intervenir après le pré-amplificateur et la génération de seconde harmonique (SHG) [20, 21] ou les miroirs plasma (PM) [22–24] pour nettoyer le contraste temporel en fin de chaine. En combinant ces différentes mé- thodes, un contraste supérieur à 1012 devient accessible à l’échelle de quelques dizaines de picosecondes. Aujourd’hui, les techniques les plus répandues sont le OPCPA, les miroirs plasma et l’XPW.