Generation of ultrashort pulses in the mid-infrared

Génération d’impulsions ultracourtes dans le moyen-infrarouge La génération d'impulsions ultra-brèves dans le moyen-infrarouge à fort taux de répétition possède un grand intérêt pour des applications telles que la spectroscopie 2D moléculaire car elle permet d'augmenter très significativement le rapport signal à bruit. Dans ce cadre, ce manuscrit relate une étude sur la génération d'impulsions ultracourtes dans le moyen-infrarouge sur une plage de longueurs d'onde s'étalant de 3,5 à 11 μm. Les différentes architectures proposées reposent sur le processus non-linéaire de génération par différence de fréquence (DFG). Dans un premier temps, une génération dite "intra-impulsion" (intraDFG) est mise en œuvre en comprimant des impulsions en sortie d'un amplificateur à fibre dopée Ytterbium, par la suite envoyées dans un cristal non-linéaire. Cette méthode est un moyen particulièrement simple et efficace de générer un rayonnement large bande dans le moyen-infrarouge intrinsèquement stable en phase enveloppe-porteuse, avec un recouvrement spatio-temporel intrinsèque des composantes spectrales au cours de leur propagation dans le cristal. Ensuite, la génération en ligne est améliorée en étirant négativement les impulsions de pompe, en optimisant de manière indépendante le recouvrement temporel des composantes spectrales en jeu et en insérant une lame bichromatique (BWP) permettant d'augmenter le nombre de photons participant à l'interaction, améliorant l'énergie générée d'un facteur 5. Un dispositif d'échantillonnage électro-optique est mis au point afin de caractériser temporellement les impulsions, démontrant des durées pouvant atteindre 49 fs à 8 μm, correspondant à 1,7 cycles optiques. Par la suite, deux architectures d'amplification paramétrique (OPA) des impulsions moyen-infrarouge sont réalisées en recyclant les photons de signal préalablement amplifiés en sortie de l'étage d'intraDFG, d'abord dans une configuration utilisant une ligne à retard, puis dans une configuration préservant le caractère en ligne de la génération. Des impulsions de 1 μJ, 84 fs à des taux de répétition de 250 kHz sont alors obtenues, augmentant de plus d'un ordre de grandeur l'efficacité globale par rapport à l'état de l'art pour ces techniques. Enfin, une source basée sur une architecture standard de DFG "inter-impulsion" est construite pour établir un point de référence en spectroscopie 2D moléculaire. En particulier, l'étude des propriétés de stabilité en intensité montre des stabilités RMS entre 0,4% et 11% pour l'intraDFG et de 0,6% à 1,9% pour l'interDFG sur l'ensemble de leur plage d'accordabilité.