Optimization of high order harmonic generation and application to XUV time resolved interferometry
Optimisation de la génération d'harmoniques d'ordre élevé et application à l'interférométrie UVX résolue en temps.
Résumé
The work presented in this thesis is a contribution to the study of the coherent XUV radiation produced by high order harmonic generation when focusing an intense laser pulse in a rare gas.
First, we study in details the optimization of the harmonic flux produced either in a hollow core fiber or in a jet. In each case we determine the limiting factors of the emission: phase matching, absorption, ionization, defocusing. The comparison between the farfield emission profiles and the simulations emphasizes the crucial role of the atomic dipole phase when generating harmonics in a fiber filled with gas. We have then optimized the harmonic emission when generating in a long gas jet. The conversion efficiencies reach about 10-5 at 50nm (1010 ph/imp) and 10-7 at 15nm (4.107 ph/imp).
Secondly, we study the focusing of the harmonics by using a Bragg-Fresnel lens that permits an efficient off axis focusing without aberration. We measure spot sizes of about 2µm for the 39th harmonic. This should lead to high intensities in the XUV domain on account of the high harmonic flux and the short pulse duration (femtosecond).
Finally, we show that it is possible to probe a dense plasma with an original XUV interferometry technique, using two phase-locked harmonic sources separated in space. The temporal analog of the spatial interferometry, which uses two harmonic pulses separated in time, is also demonstrated. This frequency domain interferometry allowed us to perform the first XUV diagnostic of the temporal evolution of a plasma with a femtosecond time scale resolution. An extension of this 2-pulse scheme to a 4-pulse one permits to measure with an extreme sensitivity a dephasing comparable to half an harmonic period that is at an attosecond time scale (1as=10-18s).
First, we study in details the optimization of the harmonic flux produced either in a hollow core fiber or in a jet. In each case we determine the limiting factors of the emission: phase matching, absorption, ionization, defocusing. The comparison between the farfield emission profiles and the simulations emphasizes the crucial role of the atomic dipole phase when generating harmonics in a fiber filled with gas. We have then optimized the harmonic emission when generating in a long gas jet. The conversion efficiencies reach about 10-5 at 50nm (1010 ph/imp) and 10-7 at 15nm (4.107 ph/imp).
Secondly, we study the focusing of the harmonics by using a Bragg-Fresnel lens that permits an efficient off axis focusing without aberration. We measure spot sizes of about 2µm for the 39th harmonic. This should lead to high intensities in the XUV domain on account of the high harmonic flux and the short pulse duration (femtosecond).
Finally, we show that it is possible to probe a dense plasma with an original XUV interferometry technique, using two phase-locked harmonic sources separated in space. The temporal analog of the spatial interferometry, which uses two harmonic pulses separated in time, is also demonstrated. This frequency domain interferometry allowed us to perform the first XUV diagnostic of the temporal evolution of a plasma with a femtosecond time scale resolution. An extension of this 2-pulse scheme to a 4-pulse one permits to measure with an extreme sensitivity a dephasing comparable to half an harmonic period that is at an attosecond time scale (1as=10-18s).
Ce travail de thèse est une contribution à l'étude du rayonnement UVX cohérent produit par génération des harmoniques d'ordre élevé d'une impulsion laser intense focalisée dans un gaz rare.
Dans une première partie, nous présentons une étude approfondie de l'optimisation du flux harmonique produit soit dans une fibre creuse soit dans un jet. Dans chacun des cas, nous déterminons les facteurs limitant l'émission : accord de phase, absorption, ionisation, défocalisation. La comparaison des profils d'émission avec les simulations démontre le rôle crucial de la phase du dipôle atomique pour la génération dans une fibre. L'optimisation dans un jet conduit à des efficacités de conversion allant de 10-5 à 50nm (1010 ph/imp) à 10-7 à 15nm (5.107 ph/imp).
Dans une deuxième partie, nous étudions la focalisation du rayonnement harmonique par une lentille de Bragg-Fresnel, qui permet une focalisation efficace hors axe, sans aberration. Nous mesurons pour l'harmonique 39 une tache focale de l'ordre de 2µm. Compte tenu du flux élevé et de la courte durée (femtoseconde) des harmoniques, des éclairements élevés dans l'UVX peuvent être atteints.
Finalement, nous présentons les premières expériences de diagnostic de plasma par interférométrie UVX utilisant le rayonnement harmonique. Une technique originale est développée à partir de 2 sources harmoniques mutuellement cohérentes séparées spatialement. L'analogue temporel de l'interférométrie spatiale, qui utilise 2 impulsions harmoniques séparées en temps, est également démontré. Cette interférométrie fréquentielle a permis le premier diagnostic UVX de l'évolution temporelle d'un plasma avec une résolution femtoseconde. Une extension du schéma de 2 à 4 impulsions permet de mesurer avec une sensibilité extrême un déphasage équivalent à une demi-période harmonique, soit des écarts temporels à l'échelle attoseconde (1as=10-18s).
Dans une première partie, nous présentons une étude approfondie de l'optimisation du flux harmonique produit soit dans une fibre creuse soit dans un jet. Dans chacun des cas, nous déterminons les facteurs limitant l'émission : accord de phase, absorption, ionisation, défocalisation. La comparaison des profils d'émission avec les simulations démontre le rôle crucial de la phase du dipôle atomique pour la génération dans une fibre. L'optimisation dans un jet conduit à des efficacités de conversion allant de 10-5 à 50nm (1010 ph/imp) à 10-7 à 15nm (5.107 ph/imp).
Dans une deuxième partie, nous étudions la focalisation du rayonnement harmonique par une lentille de Bragg-Fresnel, qui permet une focalisation efficace hors axe, sans aberration. Nous mesurons pour l'harmonique 39 une tache focale de l'ordre de 2µm. Compte tenu du flux élevé et de la courte durée (femtoseconde) des harmoniques, des éclairements élevés dans l'UVX peuvent être atteints.
Finalement, nous présentons les premières expériences de diagnostic de plasma par interférométrie UVX utilisant le rayonnement harmonique. Une technique originale est développée à partir de 2 sources harmoniques mutuellement cohérentes séparées spatialement. L'analogue temporel de l'interférométrie spatiale, qui utilise 2 impulsions harmoniques séparées en temps, est également démontré. Cette interférométrie fréquentielle a permis le premier diagnostic UVX de l'évolution temporelle d'un plasma avec une résolution femtoseconde. Une extension du schéma de 2 à 4 impulsions permet de mesurer avec une sensibilité extrême un déphasage équivalent à une demi-période harmonique, soit des écarts temporels à l'échelle attoseconde (1as=10-18s).
Mots clés
high order harmonic generation
hollow core fiber
absorption limited emission
spatial
temporal and mutual coherence
non linear optics
XUV optics
XUV spatial interferometry
Frequency domain XIV interferometry with 2 and 4 sources
plasma time resolved diagnostics
diffractive optics
bragg-fresnel lens
temporelle et mutuelle
optique non linéaire
optique UVX
interférométrie UVX spatiale
interférométrie fréquentielle UVX à 2 et 4 sources
diagnostic résolu en temps de plasma
optique diffractive
focalisation
lentille de bragg-fresnel
génération d'harmoniques d'ordre élevé
fibre creuse
émission limitée par l'absorption
cohérence spatiale
Loading...