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Accueil > Équipes scientifiques > Dynamiques et Interactions : Rayonnement, Atomes, Molécules (DIRAM) > Propriétés spectrales et temporelles des lasers XUV générés par plasma > Offres de stages, thèses, post-docs > Métrologie temporelle des lasers XUV ultra-brefs générés par plasmas

Proposition de sujet de thèse

Métrologie temporelle des lasers XUV ultra-brefs générés par plasmas

Sujet de thèse

Sujet du projet de thèse :

Depuis une dizaine d’années de nouvelles sources de rayonnement XUV (longueur d’onde quelques dizaines de nanomètres) cohérentes ont été développées dans les laboratoires, avec des caractéristiques jamais atteintes auparavant en terme de cohérence, de brillance ou de durée ultracourte : harmoniques d’ordre élévé de lasers femtoseconde, lasers à électrons libres, lasers XUV générés dans des plasmas chauds, etc. Ces caractéristiques sont mises à profit pour explorer des domaines de recherche nouveaux, notamment la dynamique ultrarapide des électrons dans les processus fondamentaux, ou encore l’interaction rayonnement X-matière en régime fortement non-linéaire. En parallèle du développement toujours actif de ces sources, un effort important est consacré à leur métrologie (caractérisation spectrale, temporelle et spatiale), ce qui nécessite le plus souvent de concevoir des instruments originaux adaptés à leurs performances extrêmes.
Ainsi des progrès importants ont été réalisés récemment pour réduire la durée des impulsions des lasers XUV générés dans des plasmas chauds, dans le but d’atteindre le domaine femtoseconde (ou sub-picoseconde) particulièrement intéressant pour de nombreuses applications. Ces progrès s’appuient sur un fonctionnement du laser en mode injecté : on injecte à l’entrée du plasma amplificateur une impulsion femtoseconde XUV issue de la génération d’harmoniques d’ordre élevé. Les simulations numériques, développées dans notre équipe et dans d’autres laboratoires, montrent toutefois que la structure temporelle de l’impulsion amplifiée par cette technique peut être très complexe et présenter des pics très brefs (quelques 10 fs) fortement dépendants des conditions d’amplification. Pour avancer dans la compréhension et la maîtrise de ces sources il faudrait confronter les prédictions des simulations à des mesures expérimentales de la forme temporelle de l’impulsion. Or ces mesures se heurtent à la limite de résolution temporelle (> 1 ps) des instruments utilisés jusqu’à présent (caméras à balayage de fente, dites caméras streak). Il faut donc concevoir de nouvelles techniques de mesures, inspirées de celles actuellement développées sur les autres sources X ultrabrèves.
Dans le cadre du consortium OPT2X de l’Université Paris-Saclay, nous concevons actuellement un nouvel instrument basé sur la technique du THz streaking. Celle-ci consiste à convertir les photons XUV en photoélectrons par ionisation d’un gaz rare, et à moduler l’énergie cinétique des photoélectrons en fonction de leur temps d’ionisation à l’aide du champ électromagnétique THz. L’instrument aura la capacité de mesurer le profil temporel de la source avec une résolution femtoseconde, à chaque impulsion délivrée. Le doctorant participera aux dernières étapes de conception de l’instrument, à ses premiers tests (prévus fin 2017), ainsi qu’à son exploitation sur plusieurs types de lasers XUV injectés. La participation à des campagnes expérimentales sur d’autres types de sources XUV ultra-brèves est également envisagée. L’analyse des mesures réalisées s’appuiera sur plusieurs outils de simulations numériques existant au laboratoire, ou développés par nos collaborateurs. Le projet implique des collaborations avec plusieurs laboratoires de l’Université Paris-Saclay et l’accès aux deux installations laser XUV françaises (LOA à Palaiseau et LASERIX à Orsay).

Objectif :

Le but du projet est de progresser dans la compréhension et le contrôle des lasers XUV fonctionnant en mode injecté, par la caractérisation détaillée de leur structure temporelle à l’échelle femtoseconde.

Contexte :

Le développement d’outils de métrologie temporels performants et fiables est un enjeu pour l’exploitation des nouvelles sources XUV ultra-brèves pour des applications scientifiques. Cette thématique est soutenue par l’Université Paris-Saclay (LIDEX OPT2X). Pour les lasers XUV injectés, l’enjeu est d’obtenir de façon contrôlée des impulsions de durée femtoseconde.

Méthodes :

Le projet inclut un volet expérimental portant essentiellement sur la mise en œuvre du nouvel instrument (qualification et exploitation). Il inclut également un volet simulation numérique avec des codes existants, qui nécessiteront probablement des petits développements.

Références bibliographiques :

- Demonstration of a 2-ps transient X-ray laser
A. Klisnick, J. Kuba, D. Ros, R. Smith, G. Jamelot, C. Chenais-Popovics, R. Keenan, S. Topping, C. L. S. Lewis, F. Strati, G. J. Tallents, D. Neely, R. Clarke, J. Collier, A. G. MacPhee, F. Bortolotto, K. A. Janulewicz, P. V. Nickles
Phys. Rev A 65, 033810 (2002)

- Temporal characterization of a picosecond XUV laser pumped in grazing incidence
L Meng, AC Bourgaux, S Bastiani-Ceccotti, O Guilbaud, M Pittman, S Kazamias, K Cassou, S Daboussi, D Ros, and A Klisnick
Appl. Phys. Lett., 101 (14), 141125 (2012)

- Two-dimensional Maxwell-Bloch simulation of quasi-π-pulse amplification in a seeded XUV laser
O. Larroche and A. Klisnick
Physical Review A 88, 033815 (2013).

- Gain dynamics in quickly ionized plasma for seeded operated soft x−ray lasers
O. Guilbaud, G.V. Cojocaru, O.Delmas, R.G. Ungureanu, R.A. Banici, S. Kazamias, K.Cassou, O.Neveu, J.Demailly, E.Baynard, M. Pittman, A. Le Marec, A. Klisnick, L. Lu, Ph. Zeitoun, D. Ursescu and D. Ros
Opt. Lett. 40 (2015) 1-4

- Evidence of partial temporal coherence effects in the linear autocorrelation of extreme ultraviolet laser pulses
A. Le Marec, O. Guilbaud, O. Larroche, and A. Klisnick
Opt. Lett. 41 (2016) 3387-3390

Contact :

Annie Klisnick

annie.klisnick@u-psud.fr, +33 (0)1 69 15 76 17

Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay,

CNRS, Université Paris-Sud, Bât. 350, Orsay, France

Date limite de candidature : 21 April 2017

Financement : Concours de l’Ecole Doctorale EDOM (https://www.universite-paris-saclay.fr/en/education/doctorate/ondes-et-matiere#l-ecole-doctorale)

Voir en ligne : Propriétés spectrales et temporelles des lasers XUV générés par plasma