High energy and high repetition rate parametric sources in the mid- wavelength Infrared and their applications

Les sources lasers à impulsions ultracourtes de forte puissance dans la région spectrale du proche à moyen infrarouge sont très demandées pour la physique des champs forts dans les atomes, les molécules et la matière condensée. D’après le modèle en trois étapes [1], l’énergie coupée des harmoniques élevées générées varie comme I×λ2. Cela favorise les longueurs d’onde plus longues pour générer des photons XUV plus énergétiques, et potentiellement des impulsions attosecondes plus courtes. Malheureusement, l’extension de l’énergie des photons se fait au prix d’une diminution de l’efficacité en λ−5,5 [2]. La disponibilité d’un système laser à haute cadence est un atout majeur pour palier aux problèmes d’efficacité et produire des flux de photons élevés. Même s’il existe quelques matériaux de gain laser adaptés à la génération d’impulsions femtoseconde intense dans la région spectrale infrarouge intermédiaire, l’amélioration globale du taux de répétition, de la durée et de la puissance des impulsions sont encore des défis [3, 4]. Ainsi, les systèmes paramétriques basés sur un mélange non linéaire à trois ondes sont une alternative intéressante pour générer les impulsions ultracourtes requises pour ce type d’expériences. Actuellement, les systèmes paramétriques à haute puissance dans l’infrarouge moyen ne peuvent pas atteindre les intensités requises pour générer des harmoniques dans le gaz. Cependant, ces sources sont des moteurs intéressants pour la génération d’harmonique (HHG) dans les solides, qui nécessitent des intensités sur cible plus faibles. Par ailleurs, les systèmes à haute énergie, mais à taux de répétition plus bas, sont capables de générer des impulsions suffisamment énergétiques pour les expériences HHG dans le gaz. Cependant, l’efficacité globale de ces sources est encore faible. En fonction de l’énergie harmonique requise, le rayonnement peut être généré efficacement par des lasers NIR post-comprimés.Cette thèse décrit le développement des sources MWIR et leurs applications en physique des champs forts. Nous avons choisi d’étudier des sources paramétriques pilotées par un laser à pompe CPA de puissance moyenne élevée et par un système laser à grande énergie Yb: CaF2. Les impulsions MWIR générées sont ensuite utilisées pour sonder l’interaction du matériau laser à travers HHG dans les solides et les gaz.Ultrashort pulse light sources in the near- to mid-wavelength infrared spectral region are in high demand for strong field physics in atoms, molecules and condensed matter. According to the three step model [1], the energy cut off of generated high harmonics scales as I×λ2, which favors longer driving wavelengths in order to generate more energetic XUV photons, and potentially shorter attosecond, soft X-ray pulses. Unfortunately, photon energy extensionis at the cost of an efficiency drop scaling as λ−5.5 [2]. The availability of a high-repetitionrate laser system is paramount to mitigate the efficiency issues and still produce high photon fluxes. Even though there are only a few laser gain media suitable for intense femtosecond pulse generation in the mid-IR spectral region, the overall scalability of the pulse repetition rate, the duration and power are still a challenge [3, 4]. Thus, parametric systems based on a nonlinear three wave-mixing, are an attractive alternative to generate the required ultrashort pulses for those experiments. Currently high power middle infrared parametric systems can’t reach the required intensities to reliably drive high harmonic generation (HHG) in gas. However, these sources are attractive drivers for HHG in solids, which requires lower intensities on the target. On the other hand, high energy, but lower repetition rate systems arecapable of generating energetic pulses for HHG experiments in gas. However, the overall efficiency of those drivers is still low. Depending on the required harmonics energy, the XUV could be efficiently generated by post-compressed NIR lasers.This thesis describes the development of MWIR sources and their applications in strong field physics. We have chosen to investigate parametric sources driven by high average power fiber CPA pump laser and by high energy Yb:CaF2 bulk laser system. The generated MWIR few cycle pulses are then used to probe laser material interaction through HHG in solids and gas