Study and improvement of the spatio-temporal intensity and contrast in PW laser chains

Le travail de recherche faisant l'objet de ce document se situe dans le cadre d'une collaboration regroupant une dizaine de laboratoires spécialistes des lasers intenses. Le Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) et le Laboratoire Charles Fabry (LCF) font partie des laboratoires fortement impliqués dans la réalisation de la chaine laser Apollon qui délivrera à termes des impulsions ultra-brèves de puissance crête 10 petawatts (PW). La focalisation de telles impulsions laser permet l'obtention d'un éclairement ultra-intense sur la cible. Et ce rayonnement peut, par exemple, être utilisé pour générer des faisceaux de particules relativistes. Cela nécessite de nombreuses avancées scientifiques et comporte une forte composante de recherche laser. Une des interrogations scientifiques les plus importantes et prometteuses du moment en termes d'impact pour cette classe de lasers ultra-intenses est la caractérisation des couplages spatio-temporels car ils peuvent provoquer une baisse d'intensité ou du contraste temporel.Les travaux présentés dans cette thèse ont été réalisés dans le cadre d'une thèse CIFRE avec l'entreprise Thales qui est l'un des leaders mondiaux sur le marché des lasers PW. Cette thèse comporte un volet expérimental important lié à la conception et à l'analyse des lasers les plus puissants au niveau mondial que sont le laser Apollon et les lasers PW développés par Thalès. De plus, ces travaux intègrent également un volet plus analytique, où interviennent des défis de recherche en physique des impulsions ultrabrèves et physique des effets non-linéaires.Les travaux présentés dans cette thèse se situent donc dans le cadre des travaux de recherche de cette nouvelle génération de lasers multi-petawatts. Un première partie de la thèse présente les résultats d'une campagne de caractérisation des effets spatio-temporels du faisceau 1 PW issu du laser Apollon. La quantification de ces effets, les mesures précises et leur correction ont repésenté un vrai challenge en recherche laser. Les travaux expérimentaux présentés s'appuient sur l'évolution et la mise en place de nouveaux diagnostiques adaptés aux faisceaux ultra-intenses et à faible taux de répétition (1 tir par minute) permettant l'évaluation de la qualité des impulsions délivrées. Cela a conduit à l'identification expérimentale de différentes contributions spatiotemporelles.Un seconde partie de la thèse présente l'étude et l'amélioration du contraste temporel des impulsions du laser Apollon. L'identification expérimentale a permis d'isoler une optique critique située dans les systèmes étireurs de classe PW. Cette optique est responsable d'une dégradation du contraste au niveau 10-100 ps avant l'impulsion dû à des effets de diffusions de la lumière sur cette optique. Une étude théorique prenant en compte de la rugosité des miroirs a permis de montrer l'importance de cet effet spatiotemporel stochastique qui propoque une chute du rapport de contraste temporel.Des améliorations sur les chaines lasers Apollon et Thalès ont été réalisées suite à ces travaux et des améliorations notables ont été obtenues. Ces changements ont eu un impact important sur le design des nouvelles chaines PW notament en ce qui concerne la criticité du choix de certaines optiques de grande dimension qui n'était pas suffisamment pris en compte jusqu'à maintenant.The research studies conducted during the PhD thesis is part of a collaboration involving around ten laboratories specializing in intense lasers. Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) and Laboratoire Charles Fabry (LCF) are heavily involved in the developpement of the Apollon laser chain which will deliver ultra-short pulses with a peak power of 10 petawatts (PW ). Focusing such laser pulses makes it possible to obtain ultra-intense illumination on the target. And this radiation can, for example, be used to generate relativistic particle beams. It requires many scientific advances in laser research coordinated with the users. One of the most important and promising scientific questions of the moment in terms of impact for this class of ultra-intense lasers is the characterization of spatio-temporal couplings. These couplings can cause a drop in intensity or temporal contrast.This thesis was carried out as part of a CIFRE's fellowship with Thales' company, which is one of the world leaders in the PW laser market. This thesis includes a substancial experimental material related to the design and analysis of the most powerful lasers in the world, the Apollon laser and the PW lasers developed by Thales. In addition, this thesis also includes more analytical details, where research challenges in the physics of ultrashort pulses and the physics of non-linear effects come into play.This thesis is therefore part of the research field of this new generation of multi-petawatt lasers. A first part of the thesis presents the results of a comissionning campaign of the spatio-temporal effects of the 1PW beam of the Apollon laser. Their quantification, precise measurements and correction have represented a real challenge. The experimental studies presented here is based on the development and implementation of new diagnostics adapted to ultra-intense beams and adapted to lasers at low repetition rate (1 shot per minute). It allows the evaluation of the quality of the pulses delivered. This led to the experimental identification of different spatiotemporal contributions.A second part of the thesis presents the study and the improvement of the temporal contrast of the Apollon laser pulses. The experimental study allowed to isolate a critical optic located in the PW class stretcher systems. This optic is imperfect and due to the effects of light scattering on this optic its impact results in the degradation of the contrast at the level 10-100 ps before the pulse. A theoretical study has been conducted by taking into account the roughness of this optic. The study has shown the importance of a stochastic spatiotemporal effect which causes a drop in the temporal contrast ratio.Improvements on the Apollon and Thales laser chains were made following this work and significant improvements were obtained. These changes have had a significant impact on the design of the new PW chains, particularly with regard to the criticality of the choice of certain large optics which has not been sufficiently taken into account until now