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Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

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Présentation au sujet: "Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage."— Transcription de la présentation:

1 Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage de modes dans les oscillateurs paramétriques optiques

2 Plan Introduction Lamplification paramétrique optique en quelques mots Lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

3 Plan Introduction Lamplification paramétrique optique en quelques mots Lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

4 Introduction Un problème concret : amplifier des impulsions courtes à 1054 nm Ti:Saphir impulsions courtes spectre large 100 fs 16 nm pour amplifier (>10 6 ) uniformément toutes les fréquences optiques, il faut un amplificateur large bande Nd:verregain fort, faible bande Yb:verregain moyen, faible bande Ti:saphirgain faible, large bande Insuffisant à cause du rétrécissement spectral par le gain

5 Introduction Une solution : lamplification paramétrique optique (OPA) ? Les amplificateurs paramétriques optiques : large bande très fort gain accordables en longueurs donde transparents (moins deffets thermiques) Bande de gain Ti:Saphir (à 820 nm) Bande de gain OPA LBO colinéaire (à 1054 nm) Bande de gain OPA LBO non colinéaire (à 930 nm)

6 Introduction Une solution : lamplification paramétrique optique ? Nd:YAG 532 nm 1 nJ 1 mJ Cristal non linéaire OPA Ti:Saphir Polariseur Cellule de Pockels Nd:YAG Cellule de Pockels ou rotateur de Faraday nJ mJ Cavité régénérative Dièdre Ti:S Nd:YAG 1 nJ/1 mJ 532 nm ffff Amplificateur multipassage

7 Introduction Une solution à 1054 nm ? Gain > Énergie >1 J Largeur spectrale Qualité spatiale Haute cadence >kHz Phase spectrale? Contraste temporel? Première démonstration* Début thèse + * A. Dubietis, G. Jonusaukas and A. Piskarkas, Opt. Comm. 88 (1992)

8 Introduction La problématique du sujet de thèse Limites de la technique OPCPA ? Quel est le contraste temporel des impulsions amplifiées ? Peut-on générer des impulsions courtes directement à partir dun oscillateur paramétrique optique pompé en régime continu ? … et pourquoi pas … et plus particulièrement

9 Ecole Polytechnique Université Paris-sud ONERA Ville de Palaiseau Ville dOrsay Plateau de Saclay Introduction Catherine LE BLANC Ji-Ping ZOU Les laboratoires daccueil

10 Ecole Polytechnique Université Paris-sud ONERA Ville de Palaiseau Ville dOrsay Plateau de Saclay Introduction Emmanuel ROSENCHER Michel LEFEBVRE Les laboratoires daccueil

11 Ecole Polytechnique Université Paris-sud ONERA Ville de Palaiseau Ville dOrsay Plateau de Saclay Introduction Cyril DRAG Fabien BRETENACKER Les laboratoires daccueil

12 Introduction Patrick GEORGES Ecole Polytechnique Université Paris-sud ONERA Ville de Palaiseau Ville dOrsay Plateau de Saclay Les laboratoires daccueil

13 Introduction … et de nombreuses collaborations Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Californie Igor JOVANOVIC Christopher P. G. BARTY Laboratory for Laser Energetics, Rochester, New York Vincent BAGNOUD Jonathan D. ZUEGEL

14 Plan Introduction Lamplification paramétrique optique en quelques mots Lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

15 Physique de lOPA Principe de lamplification paramétrique optique (OPA) Pompe atténuée Signal amplifié Faisceau complémentaire Cristal non linéaire Faisceaux superposés (spatialement) Impulsions synchronisées (temporellement) Accord de phase Transfert dénergie ++ Faisceau pompe Faisceau signal OPA = amplificateur paramétrique optique

16 Physique de lOPA OPA et amplification laser Amplification laser Amplification paramétrique Grandeur pertinentefluence (J/cm²)intensité (W/cm²) Mécanisme résonnantouinon Accordabilité limitée (transition laser) oui Stockage de lénergie milieu laser (µs, ns) impulsion de pompe (ns,ps) SaturationJ sat épuisement de lénergie Gain petit signalexponentiel Pompage optiquecohérent ou noncohérent Laser Relaxation non radiative Relaxation non radiative OPA

17 Physique de lOPA Accords de phase et OPA large bande Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à langle magique Accord de phase par biréfringence Angle pompe-signal (°) Longueur donde (µm) Pompe à 527 nm, 500 MW/cm²

18 Physique de lOPA Accords de phase et OPA large bande Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à langle magique Accord de phase par biréfringence ~80 nm Pompe à 527 nm, 500 MW/cm² Angle pompe-signal (°) Longueur donde (µm)

19 Physique de lOPA Accords de phase et OPA large bande Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à langle magique Accord de phase par biréfringence Angle pompe-signal (°) Longueur donde (µm)

20 Physique de lOPA Accords de phase et OPA large bande Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à langle magique Accord de phase par biréfringence Angle pompe-signal (°) ~130 nm Pompe à 532 nm, 500 MW/cm² Longueur donde (µm)

21 Plan Introduction Lamplification paramétrique optique en quelques mots Lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence Étude dun préamplificateur mJ à 1054 nm Étude du contraste temporel des impulsions amplifiées Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions et perspectives

22 OPCPA : principe Principe de lamplification à dérive de fréquence (CPA) Idée maîtresse : abaisser lintensité crête pour rester en dessous des seuils de dommage

23 OPCPA : principe Principe de lamplification paramétrique à dérive de fréquence (OPCPA) OPCPA = OP(A) + CPA

24 Préamplificateur OPCPA Étude dun préamplificateur OPCPA Laser de pompe : 30 mJ, 7 ns, déclenché, injecté cavité instable (profil supergaussien) z vue de dessus z Accord de phase de type I s s z vue de face s s s s z zz Energie de pompe Compensation de la double réfraction

25 Préamplificateur OPCPA Étude dun préamplificateur OPCPA : vue du montage 30 mJ 7 ns 0,5 nJ 2,3 ns

26 Préamplificateur OPCPA Étude dun préamplificateur OPCPA Gainx Énergiex Largeur spectrale Qualité spatiale Contraste temporel Pompe 1.2 mm Signal 150 µm Rendement de 2,3 % Gain théorique (régime linéaire) Amplification jusquà 600 µJ recouvrement walk-off

27 Préamplificateur OPCPA Étude dun préamplificateur OPCPA Gainx Énergiex Largeur spectrale Qualité spatialex Contraste temporel non amplifié amplifié Coupe profil amplifié Ajustement gaussien Pompe 1.2 mm Signal 150 µm Amplification jusquà 600 µJ recouvrement walk-off

28 ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (ua) Longueur d'onde (nm) Préamplificateur OPCPA Étude dun préamplificateur OPCPA Gainx Énergiex Largeur spectralex Qualité spatialex Contraste temporel non amplifié Oscillations parasites pour un gain trop important 15 nm non amplifié amplifié complémentaire

29 Préamplificateur OPCPA ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (ua) Délai (fs) Autocorrélation du second ordre Nouveau montage préamplificateur OPCPA 265 fs (12 nm)

30 Préamplificateur OPCPA Conclusions des expériences sur le préamplificateur Point sensible de la technique : synchronisation laser de pompe – oscillateur fs Pour de faibles énergies de pompe, le rendement est limité par double réfraction Avec des gains >10 6, la qualité des traitements antireflets est critique Bonnes performances mais : Deux voies de recherche Amélioration du rendement (cristaux périodiquement retournés) Séjour au LLNL Etude du contraste temporel à grande dynamique I. Jovanovic, C. G. Brown, C. A. Ebbers, CP. J. B. Barty, N. Forget, C. Le Blanc, Opt.Lett. 30, (2005)

31 Contraste temporel Mesure du contraste à grande dynamique ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (ua) Délai (fs) Mesure expérimentale Ajustement Gaussien 265 fs Fond de à 100 ps Piédestal Impulsion Autocorrélation du second ordreAutocorrélation du troisième ordre Piédestal inattendu ! Post-impulsion (artefact)

32 Contraste temporel Première mesure (historique) du contraste à grande dynamique Fond à Piédestal long (60 ps) ? Limite quantique ! V. Bagnoud, J. D. Zuegel, N. Forget, C. Le Blanc, High-dynamic-range temporal measurement of short-pulses amplified by OPCPA, IFSA 2005 soumis à Optics Express

33 Contraste temporel Piédestal : quelles explications ? Mauvais contraste oscillateur ? Effet de coupure spectrale ? Fluorescence ? Autre phénomène lié à lOPA ? Nouveau montage Modélisations et mesures

34 Contraste temporel Montage dédié à létude du contraste Laser de pompe Cavit é r é g é n é rative Diagnostics OPA I OPA II Etireur Compresseur PC MD /2 /2 TFP GP PG Oscillateur femtoseconde Pilote de la cha î ne 100 TW Laser de pompe Cavit é r é g é n é rative Autocorrélateur OPA I OPA II Etireur Compresseur PC MD /2 /2 TFP GP PG Oscillateur femtoseconde Pilote de la cha î ne 100 TW Impulsions de 750 ps amplifiées de 200 µJ à 6 mJ

35 Contraste temporel Mesure du contraste avec et sans amplification paramétrique 200 µJ 6 mJ 300 µJ 6 mJ Conclusion : le piédestal est lié à lamplification paramétrique – même à faible gain Hypothèse : peut-on relier ce phénomène aux modulations spectrales observées ? Bruit ?

36 Contraste temporel Les modulations spectrales suffisent-elles à expliquer le piédestal ? Mesure expérimentale Calcul à partir des spectres expérimentaux Conclusion : le piédestal est induit par les modulations spectrales

37 Contraste temporel Mécanisme proposé : x = I(t) signal étiré I(t) signal étiré amplifié I(t) signal recomprimé TF I(t) pompe qques ps qques 10 ps

38 Contraste temporel Conclusions de létude sur le contraste lOPCPA permet datteindre un meilleur contraste à + de 100 ps des modulations temporelles rapides (quelques ps) de limpulsion de pompe sont transférées sur les spectres amplifiés et induisent un piédestal dans le domaine temporel après recompression le gain est instantané dans un OPA : il faut donc des impulsions de pompe sans structures spatio-temporelles et parfaitement « lisses » temporellement il faut considérer deux sources de bruit en OPCPA : un bruit incohérent dorigine quantique : la fluorescence un bruit cohérent : le bruit dintensité des impulsions de pompe N. Forget, A. Cotel, E. Brambrink, P. Audebert and C. Le Blanc, «Pump-noise transfer in optical parametric chirped-pulse amplification» accepté à Optics Letters (2005)

39 Contraste temporel Quelles améliorations possibles ? Améliorer linjection (couplage, puissance) Utiliser un laser de pompe à modes bloqués Utiliser comme pompe une chaîne CPA Mais ces solutions névitent pas les modulations temporelles induites par lémission spontanée amplifiée (ASE ~ ) : I(t) signal recomprimé ~largeur spectrale du milieu à gain utilisé pour le laser de pompe dérive de fréquence de limpulsion signal

40 Plan Introduction Lamplification paramétrique optique en quelques mots Lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

41 OPO à modes bloqués Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité Pourrait-on aller jusquà remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ? Pompe cw 532 nm Impulsion fs à 1054 nm Modulateur optique Ti:S

42 OPO à modes bloqués Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité Pourrait-on aller jusquà remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ? Avec quels bénéfices ? nouvelles sources primaires ultra-courtes : jusquà quelques fs sources accordables sur tout le spectre IR Oscillateur paramétrique optique verrouillé en modes Pompe cw 532 nm Impulsion fs à 1054 nm Modulateur optique OPA

43 OPO à modes bloqués Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO Une idée neuve ? premier article théorique en 1974 ! M. F. Becker, D. J. Kuizenga, D. W. Phillion and A. E. Siegman, « Analytic expressions for ultrashort pulse generation in mode-locked optical parametric oscillators », J. Appl. Phys. 45 (1974) OPO ultra-court depuis 1995 G. M. Gale, M. Cavallari, T. J. Driscoll and F. Hache, « Sub-20-fs tunable pulses in the visible from an 82-MHz optical parametric oscillator », Opt. Lett. 20 (1995) mais jamais réalisé en continu

44 OPO à modes bloqués Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO Modulateur acousto-optique Modèle simple : en OPO simplement résonnant on peut produire des impulsions de quelques ps MC f 532 nm PG /2 PPLN:MgO M1M2 M3 M4 MC f 532 nm PG /2 PPLN:MgO M1M2 M3 M4

45 OPO à modes bloqués Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO Spectre émis par lOPO en quasi-continu 1064 nm 40 nm Favorable pour supporter des impulsions courtes OPO doublement résonnant, cavité courte pompe OPO Seuil x2 Seuil : 130 mW

46 OPO à modes bloqués Vue du montage

47 OPO à modes bloqués Résultats expérimentaux Sans modulationAvec modulation acousto-optique Train dimpulsions

48 OPO à modes bloqués Résultats expérimentaux N. Forget, S. Bahbah, C. Drag, M. Lefèbvre, F. Bretenacker and E. Rosencher, soumis à Optics Letters

49 ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Au seuil (1,6 W) Pompe 1,8 W Pompe 2,3 W Pompe 2,4 W Durée des impulsions (ns) Durée depuis début impulsion de pompe (µs) OPO à modes bloqués Élargissement des impulsions : de 550 ps à 4 ns (photodiode 50 ps, oscilloscope 2,5 GHz) Fond continu Mais…. pas de régime stationnaire strict pompe

50 OPO à modes bloqués Explications possibles : Modulation impulsion signal t=0 tctc tsts temps puissance impulsion complémentaire Écart au modèle : OPO doublement résonnant Avec un modèle simple pour un OPO doublement résonnant impulsions de ps. dispersion

51 OPO à modes bloqués Explications possibles pour lélargissement des impulsions : dérive en fréquence de la pompe mesuré effets thermiques ou photoréfractifs détecté effets de « clusters » double résonnance Contre-expériences en cours avec un laser continu à 532 nm Conclusion de létude : il est possible de transposer la technique de verrouillage de modes actif des lasers aux OPO délétère en DROPO

52 Plan Introduction Lamplification paramétrique optique en quelques mots Lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions et perspectives

53 Conclusions Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques OPCPA : quelques limites dun préamplificateur mJ en BBO à 1054 nm mesure et interprétation du contraste temporel des impulsions amplifiées par OPCPA OPO-ML : démonstration du verrouillage de modes dans un oscillateur paramétrique optique doublement résonnant pompé en régime continu

54 Perspectives Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques OPCPA : une technique prometteuse pour des sources ultra-intenses laser de pompe intense, mis en forme spatialement et temporellement, peu bruité et synchronisé ! incontestablement le point « dur » de la technique OPO-ML : une voie intéressante pour développer des sources primaires ultra-courtes et accordables en fréquence

55 Perspectives Gain instantané et local Profil spatial du signal amplifié Profil spatio-temporel de la pompe Espace (mm) Temps (ns) Délai 1 Délai 2 Délai 3 Délai 1 Délai 2 Délai ps Caméra à temps de pause ultracourt (1 ps – 1 ns) ?

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57 Remerciements John COLLIER Eric FREYSZ Benoît BOULANGER Patrick GEORGES Michel LEFEBVRE Emmanuel ROSENCHER Catherine LE BLANC Cyril DRAG Fabien BRETENAKER Ji-Ping ZOU Alain MIGUS François AMIRANOFF Pierre TOUBOUL Brigitte ATTAL-TRETOUT Pierre PILET

58 Merci à tous PhilippeBARANGER AlexandreBRESSON AudeDESORMEAUX Jean-PierreFALENI AntoineGODARD RiadHAIDAR AjmalKHAN MOHAMED PhilippeKUPECEK Jean-MichelMELKONIAN MyriamRAYBAUT IsabelleRIBET SofianeBAHBAH ChristopheBLONDEL LouisCABARET WalidCHAIBI ChristianDELSART BenoîtLANTIN Jean-LouisLE GOUET RogerLEROUX PatriceLEROY IvanLORGERET AnneLOUCHET JacquesLUCE GabrielMENNERAT EmmanuelHUGONNOT ClaudeROUYER

59 Merci à tous Kahina SarahABDELISylvieJACQUEMOT JulieALBRECHTSylvieJANICOT-PROCHASSON PatrickAUDEBERTBatisteJANVIER DidierBALCONMohamedKARROUCHE ElsaBAYNARDMichelKOENIG OlivierBEKKAJean ClaudeLAGRON AlessandraBENUZZI-MOUNAIXCatherineLE BRIS HélèneBONDIGUELStéphanieLE MOAL Jean-MichelBOUDENNEJosephMALTESE RodrigueBOUILLAUDBrigitteMARCHESIN SéverineBOUQUINLucMARTIN GilbertBOURDETJean-FrançoisMENGUE ErikBRAMBRINKAlainMICHARD Jean-LucBRUNEAUJean-MarieMORCHAIN DanielCAVANNAVirginieMULTAN Jean-ChristopheCHANTELOUPJean-LucPAILLARD MichelCHATEAUEricPAILLASSA ClaudeCHENAIS-POPOVICSHoriaPOPESCU ArnaudCOTELJean-PierrePROTAT DomingosDA SILVA ALVESMarcRABEC LE GLOAHEC Jean-PaulDA SILVA NUNESAlessandraRAVASIO CyrilDAMBRINEChristianSAUTERET Jean-FrançoisDEVAUXAnne-MarieSAUTIVET SandraDORARDSylvainSAVALLE LaurenceDROUENCorinneSERRA EmmanuelleDUFOURFrançoisSIMON LaurentENNELINStèveSIMOND JulienFUCHSDanielleSMADJA AnnabelleFULOPJean-PierreTHEBAULT ChristopheGODINHOHenriTIMSIT ClaudeGOUEDARDEdouardVEUILLOT BrunoHIRARDINBernardVINCENT Ji-PingZOU

60 Et pour vous remercier : le pot de thèse Salle de réunion du LULI (bât. 403)


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