Phase noise of filaments and optical Kerr effect metrology in crystals - Institut de Physique de Nice Access content directly
Theses Year : 2023

Phase noise of filaments and optical Kerr effect metrology in crystals

Bruit de phase des filaments et métrologie de l'effet Kerr dans les cristaux

Abstract

The development of table-top soft X-ray sources has been motivated in the recent years by X-ray spectroscopy. This field of spectroscopy studying the transitions of core electrons to the valence band requires the emission of soft X-ray light as it is the spectral region corresponding to these transitions. Historically this was accomplished in big laser facilities such as synchrotrons or free electron lasers. The development of high order harmonics in the recent years allowed X-ray spectroscopy to be realized in human-sized optical laboratories. The driving field of these sources is typically generated in with an optical parametric chirped pulse amplifier (OPCPA). As the HHG is an inefficient process the soft X-ray yield of a table-top source is very low meaning the experiments require long integration time of the order of the second per point leading to hours-long measurements. This means the stability of the OPCPA is critical especially its CEP (order zero of the phase) when it comes to pulse durations close to the optical cycle. This PhD focuses on two aspects of OPCPA development: characterization of the nonlinear refractive index of crystals commonly used for OPCPA in the infrared range and the stochastic phase noise introduced by the supercontinuum generation process. Optical Kerr effect is a third order nonlinear effect responsible for self-phase modulation and self-focusing. The precise knowledge of its metric in materials (the nonlinear refractive index) is essential to calibrate and develop OPCPA as the various OPA stages making an OPCPA require high peak intensity to reach gain saturation. This thesis presents a novel optical Kerr effect spectroscopy method labeled nonlinear chirped interferometry used to characterize the third order nonlinear tensor on the femtosecond time scale. This method is a three-beam experiment where a reference beam is used to monitor the transient group delay variation of a probe beam under the influence of an intense pump beam in a nonlinear crystal. The transient delay shift is measured with spectral interferometry. The strength of the method is its resilience to environmental fluctuations despite being interferometric. It indeed does not require any active stabilization or advance measurement scheme to reach state-of-the-art uncertainty values. This method was used to characterize liquid crystals as well as nonlinear crystals (sapphire, LBO, KTA, MLN, LGS). The second part of the thesis is dedicated to the quantification of the stochastic phase noise of the supercontinuum generation process. Supercontinuum generation is an extremely nonlinear process used as the main spectral broadening tool in the seed generation of OPCPA. In the case of infrared OPCPA it is typically achieved by focusing the driving beam inside a mm-long YAG crystal. A modified version of the Bellini-Hänsch interferometer with spectral detection is presented. The stochastic phase noise of the supercontinuum is assessed using spectral interferometer and the generation parameters of the supercontinuum are investigated. The YAG crystal length, position along the beam propagation axis, the pulse energy and the spatial phase of the beam are all individually characterized. Stability areas for each parameter are identified and transfer coefficients between energy and spectral phase and spatial phase and spectral phase are extracted. These coefficients are a metric to quantify the impact of the fluctuations of the parameters on the spectral phase.
Le développement des sources à rayons X doux utilisables en laboratoire a été motivé par la spectroscopie à rayons X. Ce domaine de la spectroscopie étudie les transitions des électrons près du noyau vers la bande de valence et requiert l'émission de rayons X doux car ils correspondent à l'énergie de ces transitions. Historiquement la spectroscopie à rayons X était réalisée uniquement dans des synchrotrons ou lasers à électrons libres. Le développement récent de l'émission d'harmoniques d'ordre élevé (HHG) a permis aux rayons X d'être émis dans des laboratoires à taille humaine. Le champ électrique requis pour ce type de source à rayon X est typiquement produit par un ‘Optical parametric chirped pulse amplifier' (OPCPA). Le processus de HHG est très peu efficace ce qui résulte à une émission de rayon X très peu énergétique. Cela résulte en un temps d'intégration de l'ordre de la seconde pour les expériences utilisant ces sources et entraine des temps de mesure complète de l'ordre de quelques heures. La stabilité des OPCPA en devient d'autant plus critique, en particulier de leur CEP (ordre zéro de la phase) pour les applications avec des durées d'impulsion de l'ordre du cycle optique. Ce travail se concentre sur deux aspects du développement des OPCPAs : la caractérisation de l'indice de réfraction non linéaire de cristaux utilisés pour le développement d'OPCPAs et le bruit de phase stochastique introduit par la génération de supercontinuum. L'effet Kerr optique est un effet non linéaire d'ordre 3 responsable de l'auto-modulation de phase et de l'auto-focalisation. La caractérisation précise de sa métrique (indice de réfraction non linéaire) est essentielle pour calibrer et développer des OPCPAs étant donné que les nombreux étages de gain qui les composent requièrent des intensités élevées pour atteindre la saturation. Cette thèse présente une nouvelle méthode de caractérisation du tenseur non linéaire d'ordre 3 dans le régime femto-seconde appelée ‘Nonlinear chirped interferometry'. Cette méthode est une méthode à trois ondes où une référence est utilisée pour mesurer la variation de délai de groupe d'une sonde sous l'influence d'une pompe de haute énergie dans un matériau non linéaire. La variation de délai de groupe est mesurée avec de l'interférométrie spectrale. La force de cette méthode est son immunité relative aux fluctuations extérieures malgré le fait qu'elle est interférométrique. En effet on atteint des incertitudes au moins aussi bonnes que l'état de l'art sans stabilisation active ou détection hétérodyne. L'interféromètre est utilisé pour caractériser des cristaux liquides ou des cristaux non linéaires (saphir, LBO, KTA, MLN, LGS). La deuxième partie de la thèse est dédiée à la quantification du bruit stochastique de phase de la génération de supercontinuum. La génération de supercontinuum est un effet non linéaire utilisé comme moyen principal d'élargissement spectral utilisé dans la génération de ‘seed' des OPCPAs. Dans ce cas le supercontinuum est typiquement réalisé en focalisant le faisceau de pompe dans un cristal de YAG de quelques millimètres. Une version modifiée de l’interféromètre de Bellini et Hänsch avec de la détection spectrale est présentée. Le bruit de phase stochastique est mesuré en utilisant de l'interférométrie spectrale et les paramètres de génération sont caractérisés. La longueur du cristal de YAG, sa position le long de l'axe de propagation, l'énergie par impulsion et la phase spatiale sont quantifiés individuellement. Une zone optimale de stabilité est identifiée pour chaque paramètre et des coefficients de transfert entre l'énergie et la phase spatiale ainsi qu'entre la phase spatiale et la phase spatiale sont mesurés. Ces coefficients servent de métrique quantifiant l'impact des fluctuations de ces paramètres sur la phase spectrale.
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Dates and versions

tel-04289039 , version 1 (16-11-2023)
tel-04289039 , version 2 (20-11-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04289039 , version 2

Cite

Benjamin Maingot. Phase noise of filaments and optical Kerr effect metrology in crystals. Optics [physics.optics]. Université Côte d'Azur, 2023. English. ⟨NNT : 2023COAZ4064⟩. ⟨tel-04289039v2⟩
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