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JNOG 2004 Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm Frédéric Druon & Patrick Georges.

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1 JNOG 2004 Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm Frédéric Druon & Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France

2 JNOG 2004 Plan Principe Dispositif expérimental Compression dimpulsions Limitation Conclusion

3 JNOG 2004 Principe Lasers à base de cristaux dopés Yb 3+ efficaces, mais durée 100fs ID: réduire la durée par élargissement spectral (SPM) puis compression Automodulation de phase (SPM) Dispersion anormale Élargissement spectral Remise en phase du spectre Laser Fibrecompresseur

4 JNOG 2004 Problématique Problème: les lasers dopés à lYb 3+ émettent vers 1µm : Forte dispersion de vitesse de groupe (GVD) dans les fibres « classiques » à cette longueur donde Durée (ps) Intensité (u.a.) Propagation (m) Zone effective pour effets NL

5 JNOG 2004 Utilisation de fibres microstructurées fibre en silice à trous avec une structure périodique souvent en nid dabeille Quest ce que cest ? Photos : Silice Air Défaut de périodicité (cœur)

6 JNOG 2004 Dispersion dans les fibres microstructurées Longueur donde (µm) Dispersion (ps/km.nm) Fibres classiques Fibres microstructurées Silice Dispersion-zero accordable Contrôle de la dispersion du mode => Contrôle de D=0

7 JNOG 2004 Fibre utilisée Fibre utilisée 1065 nm D [ps/nm/km] Longueur donde [nm] Laser (1070 nm) Diamètre de cœur : 5 ± 0.2 µm Longueur : 20 cm Efficacité de couplage:30%

8 JNOG 2004 Laser femtoseconde // junction x6 80 mm 16 mm Cristal Diode Laser 4 W Miroirs dichroïques Prisme (SF10) SESAM Coupleur de sortie Fente Durée: 110 fs Longueur donde: 1070 nm t. :0.37 Puissance moyenne:400 mW Cadence:98 MHz Dopage: 5.5% Longueur: 3mm Cristal Yb:SYS Yb:SrY 4 (SiO 4 ) 3 O F. Druon & al., Opt. Lett (2002). Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide, Paris, France

9 JNOG 2004 Schéma global D Diamètre de cœur: 5 ± 0.2 µm L Longueur: 20 cm C Couplage Maximum:30% Z Z éro dispersion: 1065 nm Prisme (SF10) dièdre Prisme (SF10) Fibre microstructurée Yb:SYS Laser Diode (4W) Prisme (SF10) SESAM Coupleur de sortie Oscillateur femto (400 mW, nm) 4 mm 8 mm 110 fs Compresseur à prismes 20 fs 30 mW Courteously provided by F Faisceau

10 JNOG 2004 Élargissement spectral dans la fibre par SPM Puissance couplée dans la fibre Longueur donde Spectres (log)

11 JNOG 2004 Comparaison avec le modèle : le spectre Asymétrie due à la dispersion du 3 ème ordre (TOD) et au self-steepening (SS) Longueur donde (nm) Puissance (a.u.) 0 0,2 0,4 0,6 0, nm Théorie: SPM seule (46 mW) Théorie: SPM, TOD, SS (46mW) Expérience (45 mW)

12 JNOG 2004 Comparaison avec le modèle : autocorrélation Relativement bon accord => durée 21 fs Autocorrélation Impulsion théorique Expérience (45mW) Théorie (46mW) Délai (fs) Puissance (u.a.) Durée (fs)

13 JNOG 2004 autocorrélation X expérimentale Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de limpulsion Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de limpulsion PICASO method : J.W. Nicholson & al., Opt. Lett (2003) Méthode précise mais converge mal si impulsions satellites importantes Spectreexpérimentale Données initiales : Solution théorique algorithme de minimisation PICASO Impulsion retrouvée

14 JNOG 2004 Impulsions compressées Autocorrélation Impulsion retrouvée 45 mW après la fibre 30 mW après le compresseur Puissance moyenne Délai (fs) Puissance (u.a.) Durée (fs) Durée de limpulsion : 20 ± 1 fs Puissance (u.a.) Expérience Théorie PICASO PICASO (20fs) Théorie (21fs) PICASO (phase) Théorie (phase)

15 JNOG 2004 Optimum : Avec satellites < 20%: < 20%: SPM2 Équivalent à 45 mW couplés durée : 20±1 fs Optimisation durée / impulsions satellites Déphasage SPM : SPM = P p L 0 2 Avec lautocorrélation interférométrique Avec PICASO Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Puissance couplée (mW) Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%)

16 JNOG nd Raman Limitation due à leffet Raman Autodécalage en fréquence de soliton SSFS ( Soliton Self-Frequency Shift) À cause de leffet Raman SRS Stimulated Raman Scattering 1 er Raman L Limitation spectrale et donc de la compression Longueur donde Spectres (log)

17 JNOG 2004 Qualité temporelle des impulsions Limitation donnée par le modèle < 5 fs Limitation expérimentale > 11 fs Nombreuses impulsions satellites Zoom Délai (fs) Puissance (u.a.) Délai (fs) Puissance (u.a.) expérience théorie expérience théorie Autocorrélation 70 mW

18 JNOG 2004 Synthèse des limitations SPM = P p L Limitation des satellites : 20 fsLimitation Raman :11 fs Puissance couplée (mW) Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%) Décalage Raman (nm) Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Décalage Raman

19 JNOG 2004 Conclusion et perspectives Technique simple de compression 20±1 fs expérimentalement obtenues bon accord avec le modèle Technique efficace Limitations Impulsions satellites uto décalage de fréquence Auto décalage de fréquence dû à leffet Raman Prévisions avec le modèle oscillateur avec 50 fs conduirait à des impulsions <15 fs avec des satellites damplitude faible

20 JNOG 2004 Extra

21 Théorie I compression avec des impulsions de 100 fs XFROG[E fiber,E input ] XFROG[E compressed,E TF ] - XFROG[E TF,E TF ] SPM longueur d'onde (nm) Délai (fs) Visualisation spectro-temporelle : Porte temporel résolue en fréquence R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, "Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating," Rev. Sci. Instrum. 68, (1997).

22 JNOG 2004 Théorie II compression jusquà 20 fs 50 fs 100 fs 200 fs 400 fs XFROG[E fiber,E input ] XFROG[E compressed,E TF ] - XFROG[E TF,E TF ] i longueur d'onde (nm) Délai (fs) Amplitude du premier satellite Produit : t. Durée des impulsions incidentes (fs)

23 JNOG 2004 Asymmetry : third orders of dispersion (TOD) and self-steepening (SS) Wavelength Power Spectrum Wavelength Power Spectrum Pure SPM SPM, TOD, SS

24 JNOG 2004 Impulsion apr è s compression autocorrélations Interferometriques durée : 22.5 fs ± 3 fs


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