Étude des paramètres d'amplification large bande dans différents verres dopés au Nd : application aux fortes énergies pour la fusion par confinement inertiel

La fusion par confinement inertiel (ICF) par laser constitue l'une des applications les plus à la pointe pour les technologies laser de forte énergie. Les installations dédiées nécessitent des chaînes laser capables de produire des impulsions de très forte énergie tout en conservant une excellente maîtrise de leurs propriétés spatiales, temporelles et spectrales. Les verres dopés au Nd constituent depuis plusieurs décennies des matériaux de référence pour ces systèmes grâce à leur capacité à stocker et à extraire des notes énergies, mais également à amplifier de larges bandes spectrales. L'amélioration des performances des futures chaînes laser pour la fusion impose de mieux comprendre les mécanismes physiques intervenant lors de l'amplification et notamment ceux déterminant l'évolution et la préservation spectrale des impulsions. La société Amplitude Laser développe depuis de nombreuses années des technologies laser de forte énergie et dispose d'un savoir-faire important dans le domaine des amplificateurs à base de verres dopés au Nd. Le Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique entretient également depuis de nombreuses années une collaboration étroite avec Amplitude autour des lasers de forte puissance et de forte énergie. Cette collaboration, à travers plusieurs projets et thèses notamment, a permis de développer des recherches sur les architectures laser, les amplificateurs et les différents phénomènes physiques limitant leurs performances. Dans le contexte du développement de nouveaux amplificateurs pour l'ICF, une meilleure compréhension des mécanismes d'amplification dans les différents verres dopés au néodyme apparaît aujourd'hui comme un enjeu scientifique et technologique important. L'étude que nous souhaitons réaliser lors de cette thèse a pour principaux objectifs de comprendre, de mesurer, de modéliser et de maîtriser les mécanismes qui gouvernent l'amplification large bande dans différents verres dopés au néodyme. Il s'agira notamment d'étudier les différents régimes de gain et l'influence des propriétés spectroscopiques des matériaux sur l'évolution du spectre au cours de l'amplification. Une attention particulière sera portée aux phénomènes d'élargissement homogène et inhomogène des raies ainsi qu'à la dynamique des populations et à leur rééquilibrage thermodynamique après amplification. Cette étude devra permettre de déterminer dans quelle mesure le spectre peut être conservé ou contrôlé lors de l'extraction de fortes énergies. La thèse comportera un volet expérimental important visant à utiliser cette compréhension pour optimiser les différents étages d'une chaîne d'amplification. Plusieurs amplificateurs fonctionnant dans des régimes de saturation différents pourront notamment être associés, avec éventuellement plusieurs types de verres dopés au Nd présentant des propriétés spectroscopiques complémentaires. Il s'agira ainsi de rechercher les architectures permettant de contrôler le spectre amplifié et d'obtenir le spectre désiré pour l'application, tout en conservant un rendement d'extraction élevé. La largeur spectrale constitue en effet un paramètre primordial pour les chaînes laser de très forte énergie. Un volet théorique permettra également de modéliser les différents régimes d'amplification et leur impact sur l'évolution spectrale des impulsions, en lien avec l'expérience afin de déterminer les paramètres clefs et de disposer d'outils permettant de prédire et de maîtriser le comportement spectral des différents étages. Cette thèse s'inscrit dans une démarche de recherche scientifique à vocation industrielle, avec des enjeux sociétaux clairs directement liés au développement des futurs lasers pour l'IFC. Elle permettra au doctorant de se former à la physique des lasers, à l'étude des matériaux laser et à leur spectroscopie, à l'amplification laser et aux technologies liées à la très forte énergie, avec un fort potentiel en termes de publications scientifiques et de valorisation industrielle. École doctorale : Ondes et Matière Direction : Frédéric DRUON Financement : CIFRE - ANRT (Agence Nationale Recherche Technologie)