Etude théorique et expérimentale du fonctionnement bifréquence de microlasers continus et impulsionnels pour la génération d'ondes RF et THz

Parmi les approches possibles pour réaliser des sources térahertz dans la gamme0,2 - 2 THz, nous nous sommes intéressés à la voie optoélectronique qui consiste à générerl onde térahertz par le photomélange de deux ondes lasers à des fréquences optiques. Letravail présenté dans cette thèse concerne l étude de lasers bi-fréquence capables d émettreles deux ondes requises simultanément. Nous commençons par développer un modèlethéorique décrivant la compétition de gain entre les modes laser grâce au calcul de différentscoefficients de couplage. Sur le plan expérimental, nous montrons tout d abord qu endésalignant légèrement un des miroirs de la cavité laser, il est possible d obtenir un régimestable d émission sur deux fréquences pourtant en compétition dans le milieu à gain, ici uncristal dopé néodyme. Nous nous intéressons ensuite au régime impulsionnel et montronsque les impulsions peuvent être synchronisées grâce à l action d un laser externe. Enfin, leprocessus de photomélange a été réalisé et des ondes électromagnétiques ont été généréesdans le domaine des radio-fréquences autour de 20 GHz.Among the possible solutions to build terahertz sources in the 0,2 - 2 THz range,we studied the optoelectronic way consisting in the generation of a terahertz wave by photomixingtwo laser waves at optical frequencies. The work presented in this PhD concernsthe study of dual-frequency lasers able to emit the two required waves simultaneously.We begin by developing a theoretical model describing the gain competition between thelaser modes by calculating different coupling coefficients. Experimentally, we first showthat a slight misalignment of the output mirror of the laser cavity allows to obtain a stableemission at two frequencies competing in the gain medium, which is a neodymium-dopedcrystal. Then, we focus on the pulsed regime and we show that the pulses can be synchronizedby the action of an external laser. Finally, the photomixing process has been achievedand electromagnetic waves have been generated in the radio frequencies range around 20GHz.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Etude théorique et expérimentale du fonctionnement bifréquence de microlasers continus et impulsionnels pour la génération d'ondes RF et THz

Among the possible solutions to build terahertz sources in the 0,2 - 2 THz range,we studied the optoelectronic way consisting in the generation of a terahertz wave by photomixingtwo laser waves at optical frequencies. The work presented in this PhD concernsthe study of dual-frequency lasers able to emit the two required waves simultaneously.We begin by developing a theoretical model describing the gain competition between thelaser modes by calculating different coupling coefficients. Experimentally, we first showthat a slight misalignment of the output mirror of the laser cavity allows to obtain a stableemission at two frequencies competing in the gain medium, which is a neodymium-dopedcrystal. Then, we focus on the pulsed regime and we show that the pulses can be synchronizedby the action of an external laser. Finally, the photomixing process has been achievedand electromagnetic waves have been generated in the radio frequencies range around 20GHz.Parmi les approches possibles pour réaliser des sources térahertz dans la gamme0,2 - 2 THz, nous nous sommes intéressés à la voie optoélectronique qui consiste à générerl’onde térahertz par le photomélange de deux ondes lasers à des fréquences optiques. Letravail présenté dans cette thèse concerne l’étude de lasers bi-fréquence capables d’émettreles deux ondes requises simultanément. Nous commençons par développer un modèlethéorique décrivant la compétition de gain entre les modes laser grâce au calcul de différentscoefficients de couplage. Sur le plan expérimental, nous montrons tout d’abord qu’endésalignant légèrement un des miroirs de la cavité laser, il est possible d’obtenir un régimestable d’émission sur deux fréquences pourtant en compétition dans le milieu à gain, ici uncristal dopé néodyme. Nous nous intéressons ensuite au régime impulsionnel et montronsque les impulsions peuvent être synchronisées grâce à l’action d’un laser externe. Enfin, leprocessus de photomélange a été réalisé et des ondes électromagnétiques ont été généréesdans le domaine des radio-fréquences autour de 20 GHz

Theoretical and experimental study of dual-wavelength microlasers in continuouswave and pulsed regimes for the generation of RF and THz waves.

Parmi les approches possibles pour réaliser des sources térahertz dans la gamme0,2 - 2 THz, nous nous sommes intéressés à la voie optoélectronique qui consiste à générerl’onde térahertz par le photomélange de deux ondes lasers à des fréquences optiques. Letravail présenté dans cette thèse concerne l’étude de lasers bi-fréquence capables d’émettreles deux ondes requises simultanément. Nous commençons par développer un modèlethéorique décrivant la compétition de gain entre les modes laser grâce au calcul de différentscoefficients de couplage. Sur le plan expérimental, nous montrons tout d’abord qu’endésalignant légèrement un des miroirs de la cavité laser, il est possible d’obtenir un régimestable d’émission sur deux fréquences pourtant en compétition dans le milieu à gain, ici uncristal dopé néodyme. Nous nous intéressons ensuite au régime impulsionnel et montronsque les impulsions peuvent être synchronisées grâce à l’action d’un laser externe. Enfin, leprocessus de photomélange a été réalisé et des ondes électromagnétiques ont été généréesdans le domaine des radio-fréquences autour de 20 GHz.Among the possible solutions to build terahertz sources in the 0,2 - 2 THz range,we studied the optoelectronic way consisting in the generation of a terahertz wave by photomixingtwo laser waves at optical frequencies. The work presented in this PhD concernsthe study of dual-frequency lasers able to emit the two required waves simultaneously.We begin by developing a theoretical model describing the gain competition between thelaser modes by calculating different coupling coefficients. Experimentally, we first showthat a slight misalignment of the output mirror of the laser cavity allows to obtain a stableemission at two frequencies competing in the gain medium, which is a neodymium-dopedcrystal. Then, we focus on the pulsed regime and we show that the pulses can be synchronizedby the action of an external laser. Finally, the photomixing process has been achievedand electromagnetic waves have been generated in the radio frequencies range around 20GHz

Beam Arrival Stability at the European XFEL

Free electron laser facilities, such as the European XFEL, make increasingly high demands on the longterm temporal stability and uniformity of the electron bunches, as pump-probe experiments meanwhile aim for timing stabilities of few femtoseconds residual jitter only. For a beam-based feedback control of the linear accelerator, electro-optical bunch arrival-time monitors are deployed, achieving a time resolution better than 3 fs. In a first attempt, we recently demonstrated a beam-based feedback system, reducing the arrival time jitter of the electron bunches to the 10 fs level with stable operation over hours. For pump-probe experiments it is crucial to equally verify this new level of precision in the FEL pulse arrival time with independent methods. In this work, we are discussing first results from examining the facility-wide temporal stability at the European XFEL, with attention to the contributions of various sub-systems and on the different time scales

High-temporal-Resolution X-ray Spectroscopy with Free-Electron and Optical Lasers

Ultrafast X-ray spectroscopies require flexible X-ray properties together with high temporal and spectral resolution. Here, we demonstrate simultaneous sub-20 fs and sub-eV resolutions for pump/probe experiments, without the need for additional photon arrival-time monitors

MHz data collection of a microcrystalline mixture of different jack bean proteins

Design Type(s)protocol testing objectiveMeasurement Type(s)protein structure dataTechnology Type(s)x ray crystallographyFactor Type(s)Sample Characteristic(s)Canavalia Machine-accessible metadata file describing the reported data (ISA-Tab format

Megahertz data collection from protein microcrystals at an X-ray free-electron laser

The European X-ray free-electron laser (EuXFEL) in Hamburg is the first megahertz (MHz) repetition rate XFEL. Here the authors use lysozyme crystals and microcrystals from jack bean proteins and demonstrate that damage-free high quality data can be collected at a MHz repetition rate

Megahertz-rate Ultrafast X-ray Scattering and Holographic Imaging at the European XFEL

13 pages, 5 figures. Supplementary Information as ancillary fileThe advent of X-ray free-electron lasers (XFELs) has revolutionized fundamental science, from atomic to condensed matter physics, from chemistry to biology, giving researchers access to X-rays with unprecedented brightness, coherence, and pulse duration. All XFEL facilities built until recently provided X-ray pulses at a relatively low repetition rate, with limited data statistics. Here, we present the results from the first megahertz repetition rate X-ray scattering experiments at the Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) instrument of the European XFEL. We illustrate the experimental capabilities that the SCS instrument offers, resulting from the operation at MHz repetition rates and the availability of the novel DSSC 2D imaging detector. Time-resolved magnetic X-ray scattering and holographic imaging experiments in solid state samples were chosen as representative, providing an ideal test-bed for operation at megahertz rates. Our results are relevant and applicable to any other non-destructive XFEL experiments in the soft X-ray range