Étude et réalisation de la pré-amplification d'impulsions à dérive de fréquence par amplification paramétrique optique.

The research area of this thesis is the optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA). It is a promising technique for improving the quality of ultra short and intense laser pulses, which aims at replacing traditional laser preamplifiers based on Titanium Sapphire. It has many advantages, among which the absence of spectral shortening. For a few years, the OPCPA technique has been used in many French and foreign laboratories, in high power laser systems, or for the generation of ultra-short pulses. We wished to study the experimental limits of this technique in order to use it as an injector for a high intensity laser system. OPCPA is a second-order nonlinear optical effect which combines parametric amplification and chirped pulse amplification technologies. An intense optical source (called the "pump") and a weak signal source (called the "seed") interact in a nonlinear crystal, allowing the amplification of the signal and the generation of a new wave known as the "idler". Two configurations allowing a broadband phase matching corresponding to very short pulses will be presented. The first configuration is a non-degenerate, non-collinear, parametric interaction. The seed and the pump beams are produced by two independent laser sources and their temporal synchronization is external. The second configuration is quasi-degenerate and quasi-collinear. Both beams come from the same laser source and are thus automatically synchronised. The second type of interaction proved to be the most promising for the studies we wished to carry out. Therefore, its development was pursued further, by setting up a hybrid type of amplification in which a parametric amplifier is combined with a traditional Titanium Sapphire multipass amplifier. The amplified signal is then temporally re-compressed by a group of four prisms associated with an acousto-optic filter with a programmable dispersion. The spatial profile and wavefront of the seed are well preserved during amplification. After amplification, an energy of 300 µJ and a gain higher than 105 were obtained, without reduction of the spectral bandwidth. The duration of the pulses after temporal recompression is 35 femtoseconds. Further improvements will be made to this experimental system in the near future, using the results of this thesis and its description of the technological bottlenecks. The results obtained are promising and prove the interest of such a technology for its use in the amplification of ultra-short laser pulses.La thématique de recherche de cette thèse est l'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence (OPCPA). Il s'agit d'une technique prometteuse pour l'amélioration de la qualité des impulsions laser ultra courtes et intenses, qui vise à remplacer les pré-amplificateurs traditionnels des lasers à base de Saphir dopé au Titane, car elle possède de nombreux avantages vis-à-vis de ceux-ci, parmi lesquels l'absence de rétrécissement spectral par le gain. Depuis quelques années, la technique OPCPA est utilisée dans de nombreux laboratoires français et étrangers, dans des chaînes laser de puissance élevée ou pour la génération d'impulsions ultra-courtes. Lors de cette thèse, les intérêts et les limites expérimentales de cette technique ont été étudiés afin de l'utiliser en tant qu'injecteur pour une chaîne laser de haute intensité. L'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence est un phénomène d'optique non linéaire du deuxième ordre qui combine les technologies d'amplification paramétrique et d'amplification d'impulsions à dérive de fréquence. Une source de pompe optique intense et une source signal faible interagissent dans un cristal non linéaire, permettant ainsi l'amplification du signal et s'accompagnant de la génération d'une nouvelle onde dite " complémentaire ". Deux configurations permettant un accord de phase large bande correspondant à des impulsions très courtes ont été étudiés. La première configuration d'amplification paramétrique qui fut développée est non dégénérée et non colinéaire. Les faisceaux signal et pompe sont générés par deux sources laser indépendantes et la synchronisation temporelle entre faisceaux est externe. La deuxième configuration est quasi-dégénérée et quasi-colinéaire. Les faisceaux proviennent d'une même source laser et sont ainsi synchronisés de façon naturelle. La seconde géométrie d'interaction s'est avérée être la plus prometteuse pour les études souhaitées. Son développement fut poursuivi en réalisant un schéma d'amplification hybride dans lequel un amplificateur paramétrique est combiné à un amplificateur à multiples passages traditionnel. Le signal ainsi amplifié est alors re-comprimé temporellement par un ensemble de quatre prismes associés à un filtre acousto-optique à dispersion programmable. La qualité spatiale ainsi que celle du front d'onde de l'impulsion incidente sont conservées pendant l'amplification. Une énergie de 300 µJ et un gain supérieur à 105 ont été obtenus sans réduction de la largeur spectrale des impulsions incidentes. La durée des impulsions obtenue après re-compression temporelle fut de 35 fs. La mise en évidence des verrous technologiques par la réalisation expérimentale d'une telle source va ainsi permettre d'améliorer le dispositif dont les résultats prometteurs démontrent tout l'intérêt d'utiliser ce type de système pour l'amplification d'impulsions laser ultra-courtes