Nonlinear Ultrafast Optics in Multipass Cells
Optique non-linéaire ultra-brève dans des cellules multipassages
Résumé
This work deals with the study of nonlinear optics phenomena inside multipass cells. A Herriott cell is made of two curved mirrors that result in a stable periodic optical system, in which beams can propagate over many roundtrips. We investigate the propagation of ultrashort pulses in such a system, in which a nonlinear material (solid or gas) has been added. As a result, the optical nonlinearity is distributed over a large number of roundtrips and foci. A remarkable feature of these systems is that the output pulses do not exhibit significant spatio-spectral couplings. In this general framework, we have more specifically studied experimentally three situations. A first experiment was done to study the high nonlinearity limit in a gas-filled multipass cell. We study the output pulses properties for peak power values approaching the critical power of the gas used. We show that the output beam is essentially spectrally homogeneous, notably using a full three-dimensional optical field (amplitude and phase) characterization technique. Second, we implement a spectral compression experiment in a multipass cell including fused silica plates. By using self-phase modulation in the solid medium, we turn negatively chirped femtosecond input pulses into Fourier transform-limited picosecond pulses. This allows energy scaling compared to previous implementations of the same functionality in optical fibers. Finally, we show that, by inserting a Raman-active solid material inside a multipass cell, it is possible to convert efficiently positively chirped femtosecond pulses towards larger wavelengths. The quasi-periodic propagation of pump pulses in the cell imparts a spatial filtering effect that results in high spatial quality output Stokes beams. Taken as a whole, these experiments contribute to establishing multipass cells as an efficient and useful platform to study and use nonlinear optical phenomena.
Ce manuscrit concerne l’étude de phénomènes d’optique non-linéaire dans des cellules multipassages. Une cellule d’Herriott est constituée de deux miroirs courbes qui forment un système optique périodique stable, dans lequel les faisceaux peuvent se propager sur de nombreux allers-retours. Nous étudions la propagation d’impulsions ultra-brèves dans un tel système, dans lequel un matériau non-linéaire (solide ou gaz) a été ajouté. Ainsi, la non-linéarité optique est distribuée le long de la propagation sur de multiples trajets et foyers. Une des propriétés remarquables de ces systèmes est l’absence de couplages spatio-spectraux des impulsions en sortie. Dans ce cadre, nous avons réalisé des expériences autour de trois problématiques. Une première expérience consiste à étudier la limite des hautes non-linéarités dans une cellule remplie de gaz. Nous étudions les propriétés des impulsions de sortie pour des valeurs de puissance crête approchant la puissance critique du gaz utilisé. Nous montrons que le faisceau de sortie reste essentiellement homogène spectralement, notamment en utilisant une méthode de caractérisation complète du champ optique (amplitude et phase) en trois dimensions. Dans un deuxième temps, nous réalisons une expérience de compression spectrale dans une cellule multipassage incluant des lames de silice fondue. Nous utilisons l’automodulation de phase dans le milieu solide pour transformer des impulsions d’entrée femtoseconde étirées négativement en impulsions picoseconde limitées par transformée de Fourier. Ceci permet une montée en énergie par rapport aux systèmes similaires réalisés à base de fibres optiques. Enfin, nous montrons qu’en insérant dans une cellule un milieu solide possédant des transitions Raman, il est possible de convertir de façon efficace des impulsions femtoseconde étirées positivement à des longueurs d’onde supérieures. La propagation quasi-périodique du faisceau de pompe dans la cellule engendre un effet de filtrage qui confère une bonne qualité spatiale aux faisceaux convertis. Ces résultats contribuent à établir le fait que les cellules multipassages constituent une plateforme efficace et utile pour l’étude et l’utilisation des effets non-linéaires en optique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)