Étude de cavités résonantes optiques pour les sources lumineuses à diffusion Thomson

Autor: Wang, Huan
Přispěvatelé: Key Laboratory of Particle and Radiation Imaging [Beijing], Ministry of Education of China-Department of Engineering Physics [Beijing], Tsinghua University [Beijing] (THU)-Tsinghua University [Beijing] (THU), Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris-Saclay, Qing hua da xue (Pékin), Fabian Zomer, Wenhui Huang
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Optics [physics.optics]. Université Paris-Saclay; Qing hua da xue (Pékin), 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASP092⟩
Popis: High-average-power optical enhancement cavities (OEC), have a wide range of applications including Thomson scattering producing high average flux quasi-monochromatic X/gamma-rays, cavity-enhanced high-order harmonic generation (HHG), gravitational wave interferometers, steady-state microbunching (SSMB) light sources and fusion energy experiments etc. The works of this thesis focus on the theoretical and experimental studies of high-average-power OEC dedicated to Thomson scattering light sources. With the purpose of increasing the average flux of Thomson scattering generated photons, it is demanded for the laser beam inside OEC to have small waist with radius size of few tens of microns, pulse length at the order of picosecond and stable intra-cavity average power of few hundreds of kilowatts. To precisely and effectively describe the highly focused laser field inside OEC to be used in simulations of Thomson scattering, a field expression of nonparaxial corrected highly focused linearly polarized laser field is derived with a generalized Lax series expansion method. To suppress the modal instabilities start to appear apparently on OEC with an intra-cavity average power reaching ~100 kW which affect cavity stability and could lead to lose of lock, the modal instabilities are well described with mode degeneracies induced by mirror surface thermoelastic deformation characterized by Winkler model. We brought up the D-shape mirror method for suppressing modal instabilities and proved its effectiveness with simulation. An hour-time-scale stable intra-cavity average power of 200 kW was realized on the prototype OEC of Thomson scattering light source ThomX with implementation of D-shape mirrors inside. Analysis is carried out for understanding the fast power drop phenomenon appearing on OEC which affects the cavity stability and hinders the intra-cavity power reaching the designed goal. Intra-cavity power drops appeared with magnitude and time scale depending on the power level. Increasing further the incident power led to irreversible damage of the cavity coupling mirror surface. The origin of this phenomenon is investigated with post mortem mirror surface imaging and analysis of the signals transmitted and reflected by the OEC. Scattering loss induced by mirror surface deformation due to a hot-spot contaminant is found to be most likely the dominant physics behind this phenomenon and the cavity behavior could be well reproduced by simulation. This analysis could help to understand the physical process behind this kind of power drop phenomenon appearing on OEC being applied in wide range of applications and to prevent permanent mirror damage. Full design of the prototype OEC of Tsinghua Thomson scattering X-ray source (TTX) is presented and preliminary experiment is carried out on it, realizing the goal of locking a continuous wave injection laser with the cavity with the cavity gain measured to be 133. Design of the high power experimental setup for TTX prototype OEC and the design for TTX OEC to be coupled with the electron storage ring are provided.; Les cavités d'amélioration optique (OEC) de puissance moyenne élevée ont un large éventail d'applications, y compris la diffusion Thomson produisant des rayons X / gamma quai monochromatiques à flux moyen élevé, la génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG) améliorée par cavité, les interféromètres à ondes gravitationnelles, Sources de lumière de microbunching en régime permanent (SSMB) et expériences d'énergie de fusion, etc. Les travaux de cette thèse se concentrent sur les études théoriques et expérimentales des OEC de puissance moyenne élevée dédiées aux sources lumineuses diffusantes Thomson. Dans le but d'augmenter le flux moyen des photons générés par diffusion Thomson, il est demandé que le faisceau laser à l'intérieur de l'OEC ait une petite taille avec une taille de rayon de quelques dizaines de microns, une longueur d'impulsion de l'ordre de la picoseconde et une puissance moyenne intra-cavité stable de quelques centaines de kilowatts. Pour décrire précisément et efficacement le champ laser hautement focalisé à l'intérieur de l'OEC à utiliser dans les simulations de la diffusion Thomson, une expression de champ de champ laser polarisé linéairement hautement focalisé corrigé non paraxial est dérivée avec une méthode d'expansion de la série Lax généralisée. Pour supprimer les instabilités modales commencent à apparaître apparemment sur OEC avec une puissance moyenne intra-cavité atteignant ~ 100 kW qui affectent la stabilité de la cavité et pourraient conduire à une perte de verrouillage, les instabilités modales sont bien décrites avec des dégénérations de mode induites par une déformation thermoélastique de la surface du miroir caractérisée par le modèle Winkler. Nous avons évoqué la méthode du miroir en forme de D pour supprimer les instabilités modales et prouvé son efficacité par simulation. Une puissance moyenne intra-cavité stable à l'échelle horaire de 200 kW a été réalisée sur le prototype OEC de la source de lumière diffusée Thomson Thomson avec mise en œuvre de miroirs en forme de D à l'intérieur. L'analyse est effectuée pour comprendre le phénomène de chute de puissance rapide apparaissant sur l'OEC qui affecte la stabilité de la cavité et empêche la puissance intra-cavité d'atteindre l'objectif conçu. Des chutes de puissance intra-cavité sont apparues avec une ampleur et une échelle de temps en fonction du niveau de puissance. L'augmentation supplémentaire de la puissance incidente a conduit à des dommages irréversibles de la surface du miroir de couplage de cavité. L'origine de ce phénomène est étudiée par imagerie de surface de miroir post mortem et analyse des signaux transmis et réfléchis par l'OEC. La perte de diffusion induite par la déformation de la surface du miroir due à un contaminant de point chaud est très probablement la physique dominante derrière ce phénomène et le comportement de la cavité pourrait être bien reproduit par simulation. Cette analyse pourrait aider à comprendre le processus physique derrière ce type de phénomène de chute de puissance apparaissant sur l'OEC appliqué dans une large gamme d'applications et à prévenir les dommages permanents au miroir. La conception complète du prototype OEC de la source de rayons X à diffusion Tsinghua Thomson (TTX) est présentée et une expérience préliminaire est effectuée dessus, réalisant l'objectif de verrouiller un laser à injection à ondes continues avec la cavité avec le gain de cavité mesuré à 133. La conception de l'installation expérimentale haute puissance pour le prototype TTX OEC et la conception pour TTX OEC à coupler avec l'anneau de stockage d'électrons sont fournies.
Databáze: OpenAIRE
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