Beam combining mutually incoherent through optical parametric amplification
Combinaison de faisceaux mutuellement incohérents par amplification paramétrique optique
Résumé
This work deals with a technique of combination of coherent beams: Optical Parametric Amplification (OPA) with Multiple Pumps. This technique is used to instantly transfer the energy of several pumps on one beam, without energy storage and thus avoiding thermal effects in the amplifying media. It can be useful to combine energy of numerous fiber lasers and to amplifiy with a high repetition rate very high energy lasers or broadband pulses. With a numerical and experimental study using BBO and LBO as nonlinear crystal, we determine how to dispose the pumps around the signal and the corresponding angular tolerances of such set up. Then we focus our attention on recombining mechanisms between a pump and a non-corresponding idler. We demonstrate experimentally that these cascading effects may decrease the spatial and spectral quality of the amplified signal, and that these phenomena can be avoided with a minimum angle between the different pumps. A novel modelling of multi-pumps OPA links these cascading effects to the gratings generated by the interaction between the pumps. The last part presents a 5 pump OPA experiment. We achieve a pump-to-signal efficiency of 27% and so that a signal more powerful than each pump is obtained.
L'objectif de cette thèse est d'étudier une technique de combinaison cohérente de faisceaux : l'amplification paramétrique optique (OPA) à multiple pompes. Cette technique permet de transférer instantanément l'énergie de nombreuses pompes en un unique faisceau signal sans stockage d'énergie, et ainsi s'affranchissant d'effets thermiques dans le milieu amplificateur. Ceci peut s'avérer intéressant pour combiner l'énergie de multiples lasers à fibre et réaliser l'amplification à forte cadence de lasers très énergétiques ou d'impulsions à spectre large. A l'aide d'un code de calcul général et d'une étude expérimentale utilisant comme cristal non linéaire du BBO ou du LBO, nous calculons dans un premier temps la localisation des pompes autour du signal à amplifier, ainsi que les tolérances angulaires correspondantes qui déterminent la criticité d'alignement d'une telle configuration. Nous nous intéressons ensuite aux mécanismes de recombinaisons parasites entre une pompe et l'idler correspondant à une autre pompe. Après avoir démontré expérimentalement que ces recombinaisons peuvent dégrader les caractéristiques spatiales et spectrales du signal amplifié, nous montrons qu'il est possible d'éliminer ces risques de couplages néfastes en écartant suffisamment les pompes entre elles. Une modélisation originale de l'OPA multi-pompes suggère de relier ces phénomènes parasites aux effets des réseaux résultant des interactions entre les différentes pompes. La dernière partie présente l'expérience d'OPA à 5 pompes qui nous a permis d'atteindre un rendement de transfert énergétique des pompes vers le signal de 27%, et obtenir ainsi un signal plus énergétique que chaque pompe prise séparément.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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