Development of single-shot, high dynamic range, long time excursion measurement devices for the spatio-temporal caracterization of ultraintense femtosecond laser at focus

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement international de sources laser ultrarapides à fortes puissances crêtes (TW et PW) qui repoussent les limites en termes de puissances surfaciques obtenues sur cible après focalisation (>10^19W/cm^2). La technique d’amplification par dérive de fréquence (CPA) pour amplifier l’ énergie d’impulsions femtosecondes introduit des couplages spatio-temporels (CST) en cas d’alignement imparfait élémentsclés de la chaîne d’amplification, tels que l’ étireur ou le compresseur. Affectant la forme de l’impulsion, ces distorsions spatio-temporelles réduisent fortement la puissance crête au foyer. Or, le contrôle du profil temporel de l’impulsion sur plusieurs dizaines de picosecondes et une large dynamique est nécessaire afin de connaître précisément les conditions d’interaction del’impulsion avec la matière lors d’expériences.Plusieurs techniques de caractérisation spatio-temporelle ont été étudiées durant cette thèse. La technique TERMITES a montré ses limites de par lesconditions expérimentales inhérentes aux lasers TW et PW (fluctuations d’énergie tir-à-tir, pointé) et de par la dynamique intrinsèque maximale de mesure. La deuxième technique est l’interférométrie spectrale auto-référencée à excursion temporelle étendue (SRSI-ETE) qui a pour ambition de caractériser enmono-coup spatio-temporellement selon une dimension transverse l’impulsion, ainsi que son contraste temporel. Cette technique repose sur le filtrage spatio-temporel d’une réplique de l’impulsion par l’effet non-linéaire du troisième ordre de génération d’onde polarisée croisée (XPW). Le filtrage n’est efficaceque pour de faibles distorsions et des mesures expérimentales n’ont pas permis de reconstruire la forme spatio-temporelle de l’impulsion en sortie de compresseur. Toutefois, la mesure mono-coup du contraste temporel de l’impulsion sur ±37 ps et une dynamique de 10^8 a été validée en comparant avec un autocorrélateur du troisième ordre.La nouvelle technique proposée, appelée CROISSANT, repose sur l’observation de l’intensité spatio-spectrale de l’impulsion générée par l’effet XPW. Des mesuresexpérimentales ont permis de caractériser en mono-coup la forme spatio-temporelle d’impulsions femtosecondes avec une grande sensibilité. La méthodepour identifier les distorsions et les corriger est donnée pour les CST du premier et du deuxième ordre.This thesis has been carried out in the framework of the international development of high peak power ultrafast laser sources (TW to PW) that push forward the limits in terms of focused light intensity on target (>10^19 W/cm²). The chirped-pulse amplification (CPA) technique commonly used to amplify femtosecond laser pulses introduces spatio-temporal couplings (STC) in the event of imperfect alignment in the stretcher or compressor elements inside the amplification chain. These STC greatly reduce the peak power at focus. Controlling the temporal contrast of the pulse over several tens of picoseconds and with a high dynamic range is necessary in order to accurately know the laser-matter interaction conditions during experiments.Several techniques for spatio-temporal characterization of femtosecond pulses were studied during this thesis. The TERMITES technique showed its limits due to the experimental conditions inherent to TW and PW lasers (shot-to-shot and pointing fluctuations) and the maximum intrinsic dynamic range.The second technique is the extension of the Self-Referenced Spectral Interferometry with extended time excursion (SRSI-ETE) that aims at characterizing in single-shot both the spatio-temporal shape (in one transverse dimension) and the temporal contrast of the incident pulse. This technique is based on the spatio-temporal filtering by the cross-polarized wave (XPW) generation. Filtering is only effective for weak distortions and experimental measurements could not reconstruct the spatio-temporal shape of the pulse at the compressor output. However, the single-shot measurement of the temporal contrast of the pulse on ±37 ps and a dynamic range of 10^8 were validated by comparing results with a third order autocorrelator.The novel proposed technique, named CROISSANT, relies on the observation of the spatio-spectral intensity of the XPW pulse. Experimental results could characterize in a single laser shot the spatio-temporal shape of the pulse with high sensitivity. The method for identifying the specific STC and its correction method is given for both first- and second-order STC