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AbstractAbstract
[en] Soft X-ray sources based on high harmonic generation are up to now unique tools to probe dynamics in matter on femto- to attosecond timescales. High harmonic generation is a process in which an intense femtosecond laser pulse is frequency upconverted to the UV and soft X-ray region through a highly nonlinear interaction in a gas. Thanks to their excellent spatial coherence, they can be used for lensless imaging, which has already led to impressive results. To use these sources to the fullest of their potential, a number of challenges needs to be met: their brightness and maximum photon energy need to be increased and the lensless imaging techniques need to be modified to cope with the large bandwidth of these sources. For the latter, a novel approach is presented, in which broadband diffraction patterns are rendered monochromatic through a numerical treatment based solely on the spectrum and the assumption of a spatially non-dispersive sample. This approach is validated through a broadband lensless imaging experiment on a supercontinuum source in the visible, in which a binary sample was properly reconstructed through phase retrieval for a source bandwidth of 11 %. Through simulations, the numerical monochromatization method is shown to work for hard X-rays as well, with a simplified semiconductor lithography mask as sample. A potential application of lithography mask inspection on an inverse Compton scattering source is proposed, although the conclusion of the analysis is that the current source lacks brightness for the proposal to be realistic. Simulations with sufficient brightness show that the sample is well reconstructed up to 10 % spectral bandwidth at 8 keV. In an extension of these simulations, an extended lithography mask sample is reconstructed through ptychography, showing that the monochromatization method can be applied in combination with different lensless imaging techniques. Through two synchrotron experiments an experimental validation with hard X-rays was attempted, of which the resulting diffraction patterns after numerical monochromatization look promising. The phase retrieval process and data treatment however require additional efforts. An important part of the thesis is dedicated to the extension of high harmonic sources to higher photon energies and increased brightness. This exploratory work is performed towards the realization of a compact high harmonic source on a high repetition rate mid-IR OPCPA laser system, which sustains higher average power and longer wavelengths compared to ubiquitous Ti:Sapphire laser systems. High repetition rates are desirable for numerous applications involving the study of rare events. The use of mid-IR wavelengths (3.1 μm in this work) promises extension of the generated photon energies to the kilo-electron volt level, allowing shorter pulses, covering more X-ray absorption edges and improving the attainable spatial resolution for imaging. However, high repetition rates come with low pulse energies, which constrains the generation process. The generation with longer wavelengths is challenging due to the significantly lower dipole response of the gas. To cope with these challenges a number of experimental configurations is explored theoretically and experimentally: free-focusing in a gas-jet; free-focusing in a gas cell; soliton compression and high harmonic generation combined in a photonic crystal fiber; separated soliton compression in a photonic crystal fiber and high harmonic generation in a gas cell. First results on soliton compression down to 26 fs and lower harmonics up to the seventh order are presented. Together, these results represent a step towards ultrafast lensless X-ray imaging on table-top sources and towards an extension of the capabilities of these sources. (author)
[fr]
Des sources des rayons XUV (1-100 nm) sont des outils extraordinaires pour sonder la dynamique a l'echelle nanometrique avec une resolution femto- voire attoseconde. La generation d'harmoniques d'ordre eleve (GH) est une des sources majeures dans ce domaine d'application. La GH est un processus dans lequel une impulsion laser infrarouge femtoseconde est convertie, de maniere coherente, en frequences elevees dans le domaine EUV par interaction hautement non-lineaire dans un atome, une molecule et plus recemment, dans un cristal. La GH possede une excellente coherence spatiale qui a permis de realiser des demonstrations impressionnantes en imagerie sans lentille. Pour accroitre le potentiel de ces sources, des defis sont a relever: leur brillance et energie de photon maximum doivent augmenter et les techniques d'imagerie sans lentille doivent etre modifiees pour etre compatibles avec l'importante largeur spectrale des impulsions attosecondes emise par ces sources. Cette these presente une nouvelle approche dans laquelle des figures de diffraction large bande, i.e. potentiellement attosecondes, sont rendues monochromatiques numeriquement. Cette methode est basee uniquement sur la mesure du spectre de la source et la supposition d'un echantillon spatialement non-dispersif. Cette approche a ete validee tout d'abord dans le visible, a partir d'un supercontinuum. L'echantillon binaire est reconstruit par recouvrement de phase pour une largeur spectrale de 11 %, la ou les algorithmes usuels divergent. Les simulations numeriques montrent aussi que la methode de monochromatisation peut etre appliquee au domaine des rayons X, avec comme exemple un masque semi-conducteur utilise en de lithographie EUV. Bien que la brillance 'coherente' de la source actuelle (qui progresse) reste insuffisante, une application sur l'inspection de masques sur source Compton est proposee. Dans une extension de ces simulations un masque de lithographie etendu est reconstruit par ptychographie, demontrant la versatilite a d'autres techniques d'imagerie sans lentille. Nous avons egalement entame une serie d'experience dans le domaine des X-durs sur source synchrotron. Les figures de diffraction apres monochromatisation numerique semblent prometteuses mais l'analyse des donnees demandent des efforts supplementaires. Une partie importante de cette these est dediee a l'extension des sources harmoniques a des brillances et energies de photon plus elevees. Ce travail exploratoire permettrait la realisation d'une source harmonique compacte pompee par un laser OPCPA dans le moyen infrarouge a tres fort taux de repetition. Les longueurs d'onde moyen infrarouge (3.1 μm dans ce travail de these) sont favorables a l'extension des energies des photons au keV et aux impulsions attosecondes. Le but est de pouvoir couvrir les seuils d'absorption X et d'ameliorer la resolution spatio-temporelle. Cependant, deux facteurs rendent cette demonstration difficile: le nombre de photons par impulsion de la source OPCPA est tres limite et la reponse du dipole harmonique a grande longueur est extremement faible. Pour relever ces defis plusieurs configurations experimentales sont explorees: generation dans un jet de gaz; generation dans une cellule de gaz; compression solitonique et la generation d'harmoniques combinees dans une fibre a cristal photonique; compression solitonique dans une fibre a cristal photonique et generation d'harmoniques dans une cellule de gaz. Les premiers resultats experimentaux sur la compression solitonique jusqu'a 26 femtosecondes et des harmoniques basses jusqu'a l'ordre sept sont presentes. En resume, ces resultats representent une avancee vers l'imagerie nanometrique attoseconde sans lentille basee sur des algorithmes 'large bande' innovants et une extension des capacites de nouvelles sources harmoniques 'table-top' au keV pompees par laser OPCPAOriginal Title
Imagerie par diffraction coherente des rayons X en large bande spectrale et developpements vers une source harmonique au keV pompee par laser moyen-infrarouge a haut taux de repetition
Primary Subject
Source
20 Jun 2019; 175 p; 228 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Lasers, Molecules, Rayonnement Atmospherique
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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