Amélioration de la qualité spatiale des lasers multi-joules à haute cadence : développement de miroirs à conjugaison de phase par diffusion Brillouin stimulée pour la correction de front d'onde

Abstract

High-energy lasers are important tools in a large variety of scientific and industrial domains such as plasma physics, machining or energy sources for secondary lasers. Currently, the main drawback of such systems is their low repetition rate, limiting the number of shots provided. This limit rises from thermal energy accumulation shot after shot inside the amplifiers of the lasers systems during operation, generating laser beam wavefront distortion up to complete laser dysfunction. In this thesis, a collaboration between Amplitude laser, an industrial laser manufacturer, Laboratoire Charles Fabry, and Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI), aim to develop a component capable of correcting those wavefront distortions. This component, called phase conjugated mirrors, uses a nonlinear effect called stimulated Brillouin scattering to invert the wavefront and allow self-correction of the laser wavefront aberration in a double pass amplifying scheme. In this work, the existing theoretical framework of the nonlinear effect is used for the development of numerical models simulating the reflection. Those models are applied to the design of experimental phase conjugate mirrors whose properties are investigated. The thesis places an emphasis on the fidelity of the mirror, that is to say, its capacity to conserve the spatial and temporal pulse properties while properly inverting the wavefront. In particular, the optical configuration used, and the input laser parameters are shown to have a large influence on the reflection quality. The capacity to be applied to arbitrary temporal shapes is demonstrated for the first time and paves the way to the usage of phase conjugate mirrors for broader applications requiring unusual temporal shapes. The phase conjugate mirror stability and reliability are considered for the usage in industrial commercial laser systems and no particular erratic behaviour is identified. The limits of the components are investigated up to unprecedented input energy and wavefront aberrations levels making this component compatible for laser sources up to the kilojoule energy level.Les lasers de forte énergie sont des outils d'importance croissante dans de nombreux domaines scientifiques et industriels tel que la physique des plasma, l'usinage ou encore en tant que source d'énergie pour d'autres types de lasers. A l'heure actuelle, une des problématiques liées à ces lasers est leur cadence de tir, limitant le nombre total de tir pouvant être réalisés par les utilisateurs. Cette limite provient de l'accumulation de chaleur tirs après tirs au sein des amplificateurs et dégradant le front d'onde des impulsions lasers jusqu'à le rendre inutilisable. Cette thèse, issue de la collaboration entre un industriel du laser: Amplitude laser, le Laboratoire Charles Fabry et le Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI), cherche à développer un composant optique permettant de corriger ces aberrations de front d'onde. Ce composant, appelé miroir à conjugaison de phase, permet la réflexion d'une impulsion laser en utilisant un effet non linéaire: la diffusion Brillouin stimulée. Lors de cette réflexion, le front d'onde et les aberrations optiques sont inversée et il est alors possible d'autocompenser tous les défauts introduit lors de l'amplification en réalisant un aller-retour dans les amplificateurs, avec inversion du front d'onde au milieu de cet aller-retour. Ce travail reprend la description physique de la diffusion Brillouin stimulée pour développer des modèles numériques permettant la simulation de la réflexion. Ces modèles numériques sont utilisés pour le design de miroirs à conjugaison de phase expérimentaux dont les propriétés sont caractérisées. Cette thèse cherche en particulier à optimiser la fidélité de la réflexion, c'est à dire la capacité à conserver les propriétés spatiales et temporelles de l'impulsion incidente tout en inversant le front d'onde. Les études numériques montrent que la configuration optique et les paramètres du laser ont une forte influence sur la qualité de la réflexion. Nous démontrons pour la première fois la capacité à conserver une forme temporelle arbitraire lors de la conjugaison de phase et rend possible l'utilisation du composant pour une nouvelle gamme d'application exigeant des formes temporelles diverses. La stabilité et fiabilité du miroir à conjugaison de phase est étudiée dans le but de l'introduire à terme dans des systèmes commerciaux, aucun comportement erratique n'est identifié lors de son utilisation sous les conditions d'utilisation nominales. Les limites d'utilisations du composant sont recherchées et son bon fonctionnement est démontré jusqu'à des niveaux d'énergie et d'aberration incidente record, rendant pour la première fois son utilisation possible sur des chaînes lasers de classe kilojoule