Marie-Hélène Carron "Dynamique non-adiabatique et structuration spatio-temporelle de l'émission cohérente dans les lasers XUV à plasma injectés"

lundi 28 sept. 2026, 10:00 → 12:00 Europe/Paris

200/0-Auditorium - Auditorium P. Lehmann (IJCLab)

"Dynamique non-adiabatique et structuration spatio-temporelle de l'émission cohérente dans les lasers XUV à plasma injectés"

Résumé :

Les lasers XUV à plasma en régime injecté sont des milieux amplificateurs efficaces pour obtenir des faisceaux cohérents dont l’énergie dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle des harmoniques d’ordre élevé injectées en entrée du milieu. Compte-tenu du développement des sources XUV portant un moment angulaire orbital (OAM), principalement obtenues via la génération d’harmoniques d’ordre élevé, l’amplification de tels faisceaux structurés par un laser XUV permettrait d’étendre les applications de ceux-ci. Cependant, contrairement à la majorité des milieux amplificateurs laser, la dynamique de l’amplification dépend des caractéristiques du plasma avec des temps caractéristiques supérieurs à la durée de l’impulsion à amplifier. Celle-ci n’est alors pas amplifiée directement mais déclenche l’apparition d’un sillage de durée typique picoseconde, modulé par des oscillations de Rabi une fois la saturation atteinte. Ce travail de thèse sera donc divisé en deux grandes parties. La première partie s’intéresse à l’amplification de faisceaux OAM, en particulier de vortex optiques dont l’OAM est décrit au premier ordre par la charge topologique l. Après avoir obtenu expérimentalement l’amplification partielle d’un vortex tel que l =25 obtenu par génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) et déterminé les difficultés d’une telle expérience, nous nous sommes intéressés à l’amplification de vortex de faible charge, moins divergents et plus faciles à injecter dans le plasma. De tels faisceaux peuvent être obtenus via deux configurations : l’utilisation d’optiques diffractives et un mélange d’onde dans le milieu HHG. Une étude numérique de l’amplification des vortex optiques de faible l a été réalisée. Le modèle utilisé repose sur une description Bloch-Maxwell du milieu laser couplée à la dynamique du plasma. Nous avons pu dégager différentes configurations dont les mérites respectifs dépendent des conditions d’injection. Ce travail ouvre la voie vers l’étude de l’amplification d’autres faisceaux structurés tels que les faisceaux de Bessel hélicoïdaux et les vector-vortex. La seconde partie cherche à résoudre le problème de la durée du sillage picoseconde sans augmenter la densité électronique du plasma. Une méthode de porte temporelle visant à ne sélectionner que la première oscillation de Rabi est d’abord proposée. Cette structure contient en effet une fraction significative de l’énergie du sillage pour une durée de quelques centaines de fs. Cette technique repose sur l’effet Stark quadratique induit par un laser perturbateur extérieur. Afin d'estimer la faisabilité expérimentale nous avons incorporé l'effet Stark dans les simulations Maxwell-Bloch. Nous étudierons enfin la durée d’impulsion ultime d’un XUV laser en investiguant les conditions d’apparition d’une structure de type quais-soliton nommée pi-pulse permettant d’atteindre des durées d’impulsion théoriques de quelques femtosecondes sans perte d’énergie.

Abstract :

Seeded plasma XUV lasers are effective amplifying media for producing coherent beams whose energy exceeds that of the high-order harmonics seeded into the medium by several orders of magnitude. Given the development of XUV sources carrying orbital angular momentum (OAM)—primarily obtained through the generation of high- order harmonics, the amplification of such structured beams by an XUV laser would expand their range of applications. However, unlike most amplifying laser media, the amplification dynamics depend on the characteristics of the plasma, with characteristic times shorter than the duration of the pulse to be amplified. The pulse is therefore not amplified directly but triggers the development of a wake with a typical picosecond duration, modulated by Rabi oscillations once saturation is reached. This thesis work will therefore be divided into two main parts. The first part focuses on the amplification of OAM beams, in particular optical vortices whose OAM is described at first order by the topological charge l . After experimentally achieving the partial amplification of an l =25 vortex obtained via high-harmonic generation (HHG) and identifying the challenges of such an experiment, we focused on the amplification of low-charge vortices, which are less divergent and easier to seed into the plasma. Such beams can be obtained via two configurations: the use of diffractive optics and wave mixing in the HHG medium. A numerical study of low- l vortices amplification was conducted using Maxwell-Bloch simulations, allowing us to select the most appropriate configuration based on the seeding conditions. This work paves the way for studying the amplification of other structured beams, such as helical Bessel beams and vector-vortex beams. The second part seeks to resolve the issue of the picosecond wake duration without increasing the plasma’s electron density. A time-gating method aimed at selecting only the first Rabi oscillation, which contains a significant fraction of the wake’s energy for a duration of a few hundred femtoseconds, is first proposed. This method relies on the quadratic Stark effect induced by an external perturbation laser, whose characteristics we determined via Maxwell-Bloch simulations to implement this time gating experimentally. Finally, we will study the ultimate pulse duration of an XUV laser by investigating the conditions under which a soliton-like structure called a pi-pulse appears, which allows for theoretical pulse durations of a few femtoseconds without energy loss.

 

Membres du jury :

   - M. Philippe ZEITOUN, Rapporteur

Directeur de recherche Laboratoire d'Optique Appliquée (ENSTA, Institut Polytechnique de Paris)

   -  M. Arnaud COUAIRON, Rapporteur

Directeur de recherche Centre de Physique Théorique (Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris)

    -  Mme Marta FAJARDO, ExaminatriceAssociate Professor Instituto

Superior Técnico (Lisbonne, Portugal)

    -  M. Willem BOUTU, Examinateur

Directeur de recherche Université Paris-Saclay, Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers (Commissariat à l'Energie Atomique)

  -   M. Patrick GEORGES, Examinateur

Directeur de recherche Université Paris-Saclay, Laboratoire Charles Fabry (Institut d'Optique)