Phase Diversity Electro-optic Sampling: A new approach to single-shot terahertz waveform recording

THz spectroscopy is an emerging tool for detection of microorganisms and harmful compounds in the food industry, the study of proteins in biomedicine and the development of electron-beam X-ray sources for molecular imaging and lithography. Recording of THz electric field evolution in single-shot is crucially needed in terahertz spectroscopy of irreversible processes in such applications as well as for data communication in the THz portion of the spectrum where there is an abundance of untapped bandwidth. However, achieving sub-picosecond resolution over a long time window has been an open problem for electro-optic sampling -- the standard technique for recording terahertz waveforms. We introduce a new conceptual framework for this open problem that is inspired by time-stretch theory. The novel framework unveils a solution to this 20 year-old problem leading to a dramatic enhancement of the achievable temporal resolution. We validate this new technology in two applications. First, we present single shot recordings of long free-propagating terahertz transients with record time resolution. Second, we present recordings of ultra-short relativistic electron bunches at the European X-ray Free Electron Laser. These results show that electric signals may be now recorded with terahertz bandwidth over arbitrarily long windows, thus enabling the realization of "single-shot terahertz oscilloscopes" and single-shot time-domain spectroscopy systems with an arbitrary time-bandwidth product

Cooperative oscillation of non-degenerate transverse modes in an optical system: multimode operation in parametric oscillators

We show experimentally that parametric interaction can induce a cooperative oscillation of non simultaneously resonant transverse modes in an optical parametric oscillator. More generally, this effect is expected to occur in any spatially extended system subjected to boundary conditions where nonlinear wave mixing of two nonresonant spatial modes can generate a resonant oscillation

Ultrafast linear array detector for real-time imaging

KALYPSO is a novel detector operating at line rates above 10 Mfps. It consists of a detector board connected to FPGA based readout card for real time data processing. The detector board holds a Si or InGaAs linear array sensor, with spectral sensitivity ranging from 400 nm to 2600 nm, which is connected to a custom made front-end ASIC. A FPGA readout framework performs the real time data processing. In this contribution, we present the detector system, the readout electronics and the heterogeneous infrastructure for machine learning processing. The detector is currently in use at several synchrotron facilities for beam diagnostics as well as for single-pulse laser characterizations. Thanks to the shot-to-shot capability over long time scale, new attractive applications are open up for imaging in biological and medical research

Ultra-fast detector for wide range spectral measurements

KALYPSO is a novel detector operating at line rates above 10 Mfps. The detector board holds a silicon or InGaAs linear array sensor with spectral sensitivity ranging from 400 nm to 2600 nm. The sensor is connected to a cutting-edge, custom designed, ASIC readout chip which is responsible for the remarkable frame rate. The FPGA readout architecture enables continuous data acquisition and processing in real time. This detector is currently employed in many synchrotron facilities for beam diagnostics and for the characterization of self-built Ytterbium-doped fiber laser emitting around 1050 nm with a bandwidth of 40 nm

From self-organization in relativistic electron bunches to coherent synchrotron light: observation using a photonic time-stretch digitizer

In recent and future synchrotron radiation facilities, relativistic electron bunches with increasingly high charge density are needed for producing brilliant light at various wavelengths, from X-rays to terahertz. In such conditions, interaction of electrons bunches with their own emitted electromagnetic fields leads to instabilities and spontaneous formation of complex spatial structures. Understanding these instabilities is therefore key in most electron accelerators. However, investigations suffer from the lack of non-destructive recording tools for electron bunch shapes. In storage rings, most studies thus focus on the resulting emitted radiation. Here, we present measurements of the electric field in the immediate vicinity of the electron bunch in a storage ring, over many turns. For recording the ultrafast electric field, we designed a photonic time-stretch analog-to-digital converter with terasamples/second acquisition rate. We could thus observe the predicted link between spontaneous pattern formation and giant bursts of coherent synchrotron radiation in a storage ring.Comment: 9 pages, 5 figure

Caractérisation de systèmes dynamiques de petite et grande dimensions (de l'analyse topologique aux codages symboliques, et instabilités spatio-temporelles dans un laser fortement multimode)

Le travail présenté dans ce mémoire concerne à la fois des systèmes dynamiques dont l'espace des phases est de petite dimension et des systèmes étendus (où la composante spatiale doit être prise en compte), et donc de grande dimension. La dynamique symbolique est un puissant outil de caractérisation du chaos. Dans une première partie, nous présentons une méthode originale.que nous avons développée pour coder symboliquement les trajectoires chaotiques d'un système à trois degrés de liberté effectifs au plus. Notre méthode met à profit l'information issue de l'analyse topologique. Cette dernière s'appuie sur la théorie des noeuds, qui permet d'analyser l'enchevêtrement des orbites périodiques instables (OPI) contenues dans l'attracteur et sur des surfaces à plusieurs branches représentant la structure topologique de l'attracteur, les gabarits. Cette information, combinée à celle relative aux positions des intersections des OPI avec une section de Poincaré, nous permet de construire une partition génératrice, qui associe de manière bijective une séquence symbolique à une trajectoire chaotique. Nous avons en outre testé la robustesse de notre méthode, qui présente l'avantage de pouvoir s'appliquer à des systèmes expérimentaux. La deuxième partie de notre travail porte sur l'étude de la dynamique dans un laser à fibre à élargissement inhomogène. Des travaux précédents avaient montré que ce système est un véritable système spatio-temporel, l'espace étant ici le spectre du laser, et motivaient donc des études complémentaires concernant les instabilités et les régimes complexes qu'il peut présenter. Nous avons d'abord montré que l'instabilité due aux variations spatiales des paramètres de contrôle qui déstabilise la structure primaire est l'instabilité d'Eckhaus induite par non-uniformités. Cette étude nous a permis de mettre en évidence les mécanismes de base responsables de cette instabilité, et de comprendre l'origine des régimes chaotiques. De nouveaux régimes, non encore observés expérimentalement, ont également été prédits numériquement. Dans un autre domaine de paramètres, nous avons mis en évidence des dynamiques complexes d'origine intrinsèque, qui s'expliquent par l'interaction entre les deux structures spatiales formées suite à l'instabilité primaire. Nous avons montré que ces régimes présentaient les propriétés du chaos extensif. Enfin, nous avons pu mettre en évidence numériquement des régimes de type intermittence spatio-temporelle.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Dynamique de sources sur accélérateur (contrôle de structures turbulentes dans les lasers à électrons libres et étude du rayonnement synchrotron cohérent induit par laser)

Nous présentons dans cette thèse deux études liées à la dynamique de sources sur accélérateur. La première étude concerne le contrôle de structures turbulentes apparaissant dans des lasers à électrons libres (LEL), et plus généralement dans les systèmes spatio-temporels soumis à une dérive. Dans ces systèmes, lorsque la dérive devient trop importante, des structures induites par du bruit apparaissent, et rendent le système instable. Nous montrons qu'une simple rétroaction avec un décalage spatial permet de rendre le régime régulier. Un fait remarquable est que le gain nécessaire à la stabilisation'' est extrêmement faible, 10 puissance - 8 pour l'expérience sur le LEL de UVSOR au Japon.La deuxième étude traite du rayonnement synchrotron cohérent (CSR) induit par laser dans un anneau de stockage. Nous montrons dans un premier temps qu'en imprimant un motif périodique dans l'espace des phases du paquet d'électrons avec une impulsion laser externe, il est possible d'obtenir un rayonnement synchrotron cohérent, étroit spectralement, et accordable dans le domaine térahertz. Un rayonnement crête jusqu'à 10 000 fois supérieur au rayonnement classique (incohérent) a été mesuré à UVSOR. Dans un deuxième temps, nous montrons que cette interaction laser/électrons permet d'obtenir des informations sur l'instabilité CSR, instabilité qui apparaît lorsque la densité du paquet d'électrons dépasse une valeur seuil. En particulier, nous montrons expérimentalement, par l'observation de précurseurs, que l'instabilité naît à partir de l'amplification de certaines longueurs d'ondes.In this thesis, we present two studies on the dynamics of accelerator-based sources.The first study concerns the control of turbulent patterns'' which appear in some free electron lasers (FEL), and more generally in spatio-temporal systems submitted to a permanent drift. Large drift velocities typically lead to a particular type of instability, characterized by the appearance of noise sustained structures. We show that this type of turbulent behavior can be suppressed by adding a non-local additive feedback. As a remarkable fact, the gain needed for the stabilization'' can be extremely small, 10 power -8 for the experiments performed on the UVSOR-II FEL in Japan.The second study is devoted to laser-induced coherent synchrotron radiation (CSR) in a storage ring. In a first step, we show that it is possible to imprint a periodic pattern in the electron bunch phase-space using an external laser. This allow to obtain a tunable coherent emission (CSR) in the terahertz range. Terahertz pulse energy larger by a factor 1000-10 000 with respect to normal (incoherent) synchrotron radiation were thus measured at UVSOR-II. In a second step, we show that this laser-electron beam interaction allows to obtain new information on the CSR instability, which appears when the electron bunch density exceeds a threshold value. In particular, we show experimentally, with the observation of instability precursors, that the instability arises from the amplification of some characteristic wavenumbers.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Acoustical and Optical Branches in the "spectral Waves" of a Laser

The longitudinally multimode class-B laser with inhomogeneous broadening is known to behave as a chain of coupled oscillators, each being associated to one mode. If emission occurs along the two eigenstates of polarization, we show theoretically and experimentally that the waves propagating in the spectrum are characterized by two dispersion curves associated to oscillations in phase and in opposite phase of two close modes with di#erent polarizations. These curves may be viewed as the analogs of the "acoustical" and "optical" branches in one-dimensional diatomic crystals. 42.55.-f, 03.40.Kf Typeset using REVT E X Multimode lasers have recently received much attention, as they represent prototypes of high-dimensional systems. The success in the investigations of their dynamics mostly stems from two reasons. The first one is the very slow characteristic time-scale of class-B lasers, which allows deep experimental studies. A n-modes laser is typically the analog of a set of n coupled..