Soutenance de thèse de Quentin DEMAZEUX

Quentin Demazeux - Laboratoire PhLAM - UMR 8523 - Équipe DYSCO

Titre : Diagnostics électro-optiques à haut taux de répétition pour les sources de lumière basées sur des accélérateurs : Caractérisation THz à large bande et à bande étroite

Jury : S. BIELAWSKI (PhLAM, encadrant), C. SZWAJ (PhLAM, co-encadrant), M-E. COUPRIE (Synchroton SOLEIL, rapporteur), N. JOLY (Institut Jacques Monod, rapporteur), B. STEFFEN (DESY, membre), M. KLOPF (HZDR, membre), C. FOCSA (PhLAM, membre), A. HIDDEUR (Université de Rouen Normandie, membre)

Résumé : Les sources de lumière basées sur des accélérateurs sont des outils de recherche indispensables, délivrant des impulsions lumineuses intenses et brèves allant de l'infrarouge aux rayons X. L'opération courante et l'étude de ces sources reposent sur la caractérisation en temps réel des paquets d'électrons relativistes et du faisceau de photons qui en résulte. Pour répondre à ce besoin, l'objectif de cette thèse est le développement de dispositifs de détection offrant une résolution temporelle sub-picoseconde à des taux de répétition de l'ordre du MHz, capables de caractériser en monocoup des signaux térahertz (THz) à la fois à large bande et à bande étroite.

Pour la caractérisation THz à large bande, bien que l'échantillonnage électro-optique de diversité (DEOS) combiné à un algorithme de reconstruction THz, ait amélioré la résolution temporelle, les
algorithmes existants basés sur des modèles de dispersion linéaire restent peu fiables en raison de la dispersion non linéaire des impulsions de sonde étirées. Ce travail introduit un nouvel algorithme de dispersion auto-adaptative (SAD) pour le DEOS. Ce cadre généralisé dépasse les hypothèses précédentes d'invariance temporelle linéaire, fournissant une solution de reconstruction fidèle pour n'importe quel profil de dispersion arbitraire, tout en caractérisant simultanément l'amplitude complexe (amplitude, phase et dispersion) du laser de sonde. Le système DEOS-SAD a été implémenté avec succès sur les installations European XFEL et FLASH, permettant une caractérisation monocoup longitudinale des paquets d'électrons à des taux MHz.

Concernant la caractérisation THz à bande étroite, la capture de formes d'onde multicycles complètes dans des environnements à haut taux de répétition nécessite généralement des bandes passantes électroniques prohibitives. Cette thèse propose et démontre une nouvelle approche électro-optique combinant l'hétérodynage tout-optique avec la technique d'étirement temporel photonique (Photonic Time-Stretch). En convertissant les signaux THz vers une fréquence intermédiaire et en appliquant un étirement temporel, cette méthode enregistre des champs électriques multicycles complets tout en préservant l'intégrité du signal. Une démonstration de principe a été réalisée à l'installation FELBE, où un signal de 3,44 THz a été converti avec succès en un signal de 1,72 GHz, permettant directement le diagnostic monocoup de la dérive de la phase enveloppe-porteuse (CEP) avec une bande passante électronique réduite.

En intégrant ces innovations, cette thèse fait progresser l'état de l'art des diagnostics THz, offrant de nouvelles possibilités pour la surveillance en temps réel des sources de lumière de nouvelle
génération.