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Soutenance de thèse, Talence11/09/2007 Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Ambre NELET.

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1 Soutenance de thèse, Talence11/09/2007 Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Ambre NELET

2 Ambre NELET2/26 Allumage rapide? Pré-amplicateur Technique OPCPA Source dénergie Centrale nucléaire Potentialité? PETawatt Aquitaine Laser-PETAL Introduction générale Réactions nucléaires Défense Astrophysique… Laser MégaJoule-LMJProjet HiPER (UE) Fusion par Confinement Inertiel-FCI

3 Ambre NELET3/26 Introduction Accroître la puissance dun laser «Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Puissance = Énergie Temps Énergie Système régénératif Système multipassage Milieu laser Gain simple passage faible Stockage dénergie Charge thermique critique Émission parasite (ASE) Contraintes Temps Technique OPCPA Cristal non-linéaire Élevé Transfert dénergie Négligeable Fluorescence paramétrique Réponse

4 Ambre NELET4/26 Introduction Pompe déplétée CPA: impulsion étirée Source signal - ω s Impulsions ultracourtes Source pompe - ω p Haute énergie Signal amplifié Recompression: Haute puissance crête «Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Dubietis et al., Opt. Comm. 88, (1992) Onde complémentaire - Idler - ω i Haute énergie ω p = ω s + ω i OPA Cristal non-linéaire (2) CPA+OPA = OPCPA

5 Ambre NELET5/26 Introduction «Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Gain OPA Module du gain OPAPhase du gain OPA lorsque Configuration dégénérée / non-dégénérée

6 Ambre NELET6/26 Introduction Rétrécissement spectral Ip(t) Mise en forme spatio-spectrale Extraction énergie Cavité Train dimpulsions Désaccord de phase Codage spectral de lamplification PPLN de type éventail «Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Impulsion ultracourte Pré-amplificateur OPCPA De nouvelles fonctionnalités et finalités

7 Ambre NELET7/26 Amplification et duplication dimpulsions ultracourtes par OPCPA Motivations Onde idler Extraction dénergie et duplication Cavité

8 Ambre NELET8/26 Montage Isolateur de Faraday Polariseur Ascenseu r Photodiode Prisme de recompression Absorbeur de faisceau BBO 50% Caméra /2 Réseau Ascenseur f=1m /2 Réseau Verdi Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz Oscillateur Ti:Saphir 830 nm 180 fs 76 Mhz Cavité OPA Pockels (a) R1=R1= R 2 = 20 cm Idler 1,48 µm BBO Pompe 532 nm Signal 830 nm externe (b) (c) (d) 290 ps

9 Ambre NELET9/26 Principe BBO Signal 830 nm, 290 ps R 1 = R 2 = 20 cm Photodiode 1,5º interne 2,4º Pompe 532 nm, 6ns externe Simple-passage Idler 1,48 µm Multi-passage Déplétion onde pompe

10 Ambre NELET10/26 Résultats expérimentaux Simple passage ~250 Gain en énergie Signal étiré:1,3 nJ / impulsion Multipassage: nJ / train Gain en énergie: Multi-passage > interne =2,4° Spectre typique Signal entrée Spectre moyen multipassage OPO 6 nm sans rétrécissement spectral 15 nm avec gain constant Accordabilité i p s i

11 Ambre NELET11/26 Résultats expérimentaux Durée dimpulsion typique 6 nm Signal entrée Mesure Fit gaussien (a) τ = 178 fs (b) 6 nm Train de répliques amplifiées, =2° (c) τ = 183 fs (d)

12 Ambre NELET12/26 Résultats expérimentaux Influence de langle dinteraction Angle dinteraction Acceptance spectrale Plage spectrale: (a) BBO type I Pp= 300 MW/cm² (b)

13 Ambre NELET13/26 Résultats expérimentaux Taux de répétition Longueur de cavité: 15 cm Cadence: 1 GHz externe i p s Ajustable 160 MHz

14 Ambre NELET14/26 Mise en forme spatio-spectrale du signal par mise en forme temporelle du faisceau pompe et OPCPA Motivations Rétrécissement spectral par le gain Pré-amplicateur Amplificateur de puissance Mise en forme spectrale Pré-amplificateur Pompe I p (t)

15 Ambre NELET15/26 Montage: maquette de Petal Signal Amplificateur régénératif Ti:saphir λs=1054 nm / Δλs=5 nm / 500 ps / 150 μJ Mise en forme temporelle Générateur de fonctions donde + Modulateur électro-optique +Amplificateur fibré Pompe Amplificateur régénératif Nd:phosphate à lame de phase, doublé en fréquence λp=527 nm / 35 mJ / 3 ns (a) (b) Coupe spatiale Spectre OPA α

16 Ambre NELET16/26 Mise en forme du signal Domaine spatial Faisceau pompe Faisceau signal (b) FWHM=9 nm (a) Domaine spectral Et la phase spectrale? Onde signal

17 Ambre NELET17/26 Validation: phase spectrale OPA? Φ OPA non-compensée Compresseur Φ OPA compensée Puissance Crête? Phase du gain OPA lorsque Sur maquette or Signal pré-amplifié et pré-sculpté par NOPCPA et modulation temporelle de la pompe Influence sur la puissance crête Amplificateur régénératif Milieu laser Conservation du spectre

18 Ambre NELET18/26 (d) Après chaîne de puissance Validation: phase spectrale OPA? Simulations numériques (b) Profil temporel signal (c) Phase OPA signal (a) Profil temporel pompe Initial15% 50%80% Contrôle Φ OPA Chaîne de puissance Conservation du spectre OPCPA - Ip(t) Mise en forme spatio-spectrale + Φ OPA Conclusion

19 Ambre NELET19/26 OPCPA et codage spectral de lamplification Motivations Phase OPA additionnelle Gain supérieur Cristal à polarisation périodique Cristal de type éventail Codage spectral de lamplification

20 Ambre NELET20/26 Motivations Mais gain OPA limité par Cristal non-linéaire classique d eff L Δk0 sauf à ω s0 Amplification homogène de toutes les composantes spectrales De type éventail Adressage spectral Ligne à dispersion nulle Grande acceptance spectrale deff élevé Cristal à polarisation périodique Amplitude du champ amplifié [u.a.] Distance z/L coh (a) (b) (c) Monodomaine Polarisations périodiques Mais faible tolérance spectrale

21 Ambre NELET21/26 Ligne 4f OPA Montage Isolateur de Faraday Polariseur Ascenseu r Photodiode Prisme de recompression Absorbeur de faisceau BBO 50% Caméra /2 Réseau Ascenseur f=1m /2 Réseau Verdi Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz Oscillateur Ti:Saphir 805 nm 180 fs 76 Mhz Pockels (a) (c) (d) PPLN Pompe 532 nm Signal 805 nm (b) Signal amplifié Signal étiré

22 Ambre NELET22/26 Choix du cristal Type I ooe Taille des périodes Coût LiNbO 3 congruent – PPLN sip=yyz T>350 K (a) 390 K370 K350 K 431,5 K 353 K (b) 15 mm 30 mm 0,5 mm y x z Face +z (a) (b)

23 Ambre NELET23/26 Simulations Influence de la répartition gaussienne de la puissance surfacique (a) Puissance surfacique du faisceau pompe τ 168 fs τ 674 fs (d) FWHM x 4 Autocorrélation signal 5,7 nm 1,3 nm (c) FWHM/4,4 Spectre signal Initial Amplifié (b) Gain spectral signal

24 Ambre NELET24/26 Résultats expérimentaux Dispersion (a) Dispersion mesurée PPLN éventail Pp=225 MW/cm² T=156°C Gain spectral Fit gaussien (c) Gain global (b) T=156°C Gain Spectre et durée calculés 5,7 nm 2,6 nm FWHM/2,2 Signal entrée Signal amplifié (d) Spectre τ=168 fs τ 372 fs FWHM x 2,2 (e) Autocorrélation

25 Ambre NELET25/26 Optimisation (a) Puissance pompe et gain spectral Spectre signal Initial Amplifié 5,7 nm (b) Simulations: répartition puissance surfacique adaptée τ=168 fs τ 233 fs (c) Autocorrélation signal Initial Amplifié Démonstration Adressage spectral du gain Rétrécissement spectral par le gain de lOPA Conclusion

26 Ambre NELET26/26 Conclusion générale Pré-amplificateur OPCPA RéalisationAméliorationPerspective -Train de répliques amplifiées (Hautes intensité & cadence, Accordable) -Modèle acceptance spectrale fonction de langle α -Robustesse -Précision angle α Chaîne FCI -Mise en forme spatio-spectrale -Simulations phase spectrale OPA -Amplificateur de puissance -Recompression Mesure de la phase spectrale Chaîne type Petal -Amplification par codage spectral -PPLN en éventail+ligne 4f -Rétrécissement spectral par le gain OPA Chaîne moyenne puissance -Montage -Cristal -Recompression Mesure de la phase OPA

27 Ambre NELET27/26 Train dimpulsions ultra-rapide et haute cadence Drive Foot Ref.:J. E. Rothenberg, Appl. Opt. 39, (2000) Application: «ultrafast picket fence» Solution: maintenir une illumination quasi-constante Efficacité globale restreinte Fusion par confinement inertiel D+T Impulsions UV Foot Drive Ablation de la surface Saturation: Conversion élevée Conversion faible KDP

28 Ambre NELET28/26 Application: «ultrafast picket fence» Idler Train de répliques amplifiées du signal OPA Impulsion IR + Train dimpulsions ultrarapide Pompe Signal Amplificateur de puissance Impulsion IR FCI Technique: OPCPA régénératif

29 Ambre NELET29/26 Caractéristiques Acceptance spectrale n=1 Surface du cristal n1

30 Ambre NELET30/26 5,7 nm Sortie Mira Signal après LDN+PPLN Spectrale Ligne à dispersion nulle Temporelle: autocorrélation 170 fs 148 fs Sortie Mira Signal après LDN 155 fs 169 fs Sortie Mira Signal après LDN+PPLN

31 Ambre NELET31/26 Ligne à dispersion nulle (a) Axe y (b) Signal Pompe Superposition spatiale des faisceaux (entrée PPLN) Axe z

32 Ambre NELET32/26 Caractéristiques Spatiale: coupes tranverses des faisceaux y z (a) (b) Pompe z y y z (c) (d) Signal z y


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