Amplification d’impulsions ultra-courtes en régime non-linéaire dans les fibres dopées aux ions Ytterbium

Abstract

L’élaboration de sources laser compactes à impulsions ultracourtes et de fortes puissancesmoyennes est primordiale pour le développement d’applications industrielles variéeset pour la poursuite de travaux de recherches fondamentales sur l’interaction laser matière.Aussi, des efforts considérables sont mis en oeuvre pour développer de nouvelles architecturesde sources laser à impulsions ultracourtes et à très hautes cadences basées sur lesamplificateurs à fibres optiques dopées aux ions Ytterbium. La géométrie de ce type de milieuamplificateur lui confère des facultés de dissipation de l’énergie thermique propices àla délivrance de très fortes puissances moyennes. En revanche, le fort confinement des impulsionslumineuses dans le coeur de la fibre, combiné aux grandes longueurs d’interaction,favorise l’accumulation de phénomènes non-linéaires et dispersifs. Ces deux effets sont enprincipe préjudiciables et induisent de fortes distorsions sur les impulsions amplifiées. Celalimite les performances de ce type d’amplificateur. Le développement de stratégies novatricesde gestion des non-linéarités et des effets dispersifs est au coeur des travaux menésdurant cette thèse.L’accumulation d’auto-modulation de phase lors de l’amplification d’impulsions à spectreslarges initialement étirées à l’aide d’une dérive de fréquence négative est d’abord utiliséepour générer des impulsions picoseconde de puissances crêtes records à très hautes cadencesavec une largeur spectrale proche de la limite de Fourier. Par la suite, l’étude des limitationsde la stratégie d’amplification directe d’impulsions femtoseconde en régime parabolique, apermis de repousser significativement les performances de ces architectures. En prenant encompte les effets coopératifs de l’auto-modulation de phase, de la dispersion, de l’extensionfinie de la bande de gain du milieu amplificateur, nous avons pu générer des impulsionssub-100 fs avec des puissances crêtes records à des cadences très élevées. Enfin, nous avonsdéveloppé au cours de ces travaux une stratégie originale d’amplification à dérive de fréquenceen régime non-linéaire fondée sur l’utilisation de systèmes désaccordés de gestionde la dispersion. Cela nous a permis de compenser la phase non-linéaire induite durantl’amplification. Des impulsions de très fortes énergies et dotées d’une très bonne qualité177178 CHAPITRE 6. CONCLUSIONtemporelle ont été générées permettant ainsi d’établir de nouveaux records d’énergie et depuissance crête pour ce type d’architecture.Les résultats expérimentaux ont abouti à la rédaction de onze articles et ont conduitau dépôt de deux brevets. Par ailleurs, ces résultats ont été présentés dans trente-quatreconférences (dont six conférences invitées). Enfin, ils ont permis à la société AmplitudeSystemes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits :TANGERINE et SATSUMAThe elaboration of high power compact laser sources of ultrashort pulses is paramountfor the development of various industrial applications and for carrying on fundamental researcheson laser-matter interaction. Therefore, considerable efforts are implemented todevelop new architectures of ultrafast laser sources at very high repetition rate based onYtterbium-doped fiber laser amplifiers. The geometry of this gain medium allows for aneasy dissipation of the thermal load, propitious to the extraction of very high average power.On the other hand, the tight confinement of the ultrashort pulses in the core of thefiber, combined with the long interaction length, favours the accumulation of non-linearand dispersive phenomena. In principal, these two effects are prejudicial and induce largedistortions on the amplified pulses, limiting the performances of this kind of amplifiers.The development of new strategies of non-linearity and dispersive effects management aretherefore central in this thesis.First, the accumulation of self-phase modulation during the amplification of ultrashortpulses with large spectra, which are initially stretched in time owing to negative chirp, isused to generate record peak power picosecond pulses at very high repetition rate with anamplified spectral bandwidth close to the Fourier limit. Afterwards, the study of the limitationsof the direct amplification of femtosecond pulses in the parabolic regime allows tosignificantly pushing the limitations of this kind of architecture forward. By taking into accountthe interplay between self-phase modulation, dispersion and the finite gain bandwidthof the amplification medium, we generated sub-100 fs pulses with record peak power at veryhigh repetition rate. Finally, we developed an original chirped pulse amplification strategybased on the management of non-linearities thanks to the implementation of mismatcheddispersion units. It allows for the compensation of a large quantity of non-linear phase shiftsgenerated during the amplification. We, thus, demonstrated the generation of high energy,high temporal quality ultrashort pulses while setting new records of peak power.The experimental results led to the writing and the publication of eleven articles andthe filling of two patents. Moreover, these results were presented in thirty four conferences179180 CHAPITRE 6. CONCLUSION(including six invited conferences). As a result Amplitude Systemes has launched into themarket two new lines of products : TANGERINE and SATSUMA