Etude et amélioration spatio-temporelles de l'intensité et du contraste dans les lasers PW

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.