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Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble) Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, sept. 2004) Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, sept. 2004) Vincent Fesquet (Doctorant)

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1 Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble) Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, sept. 2004) Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, sept. 2004) Vincent Fesquet (Doctorant) Jean-Paul Pique (DR CNRS) Jean-Louis Cheval (IE, déc. 2004) Corinne Félix (IE, 30%)

2 Overview 1. The modeless laser for ELPOA break saturation limitation 2.H ollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF) transport of high power nanosecond lasers 3.V isible Sm3+ fiber laser dye laser solid state laser

3 Incoherent excitation 1.Maximum population of the 4D 5/2 state : 1/6 (~17%) (Foy et al. 1995) 2. Saturation sodium transitions * 3S 1/2 3P 3/2 : 185 W/m 2 (Foy et al. 95), 95 W/m 2 (Morris 97) * 3P 3/2 4D 5/2 : 450 W/m 2 (Foy et al. 95), 225 W/m 2 (Morris 97) 3. Doppler/Hyperfine linewidth : ~ 3 GHz (1 GHz) 4. ~ Na atoms (spot size: 50 cm) * January column density: at./cm 2 * June column density: at./cm 2 (Megis et al. 88) 5. For a return flux at 330nm > photons/s/m 2 (Schöck et al. 2001) We must excite all the velocity classes two 20 W modeless lasers (15 kHz, 50 ns, nm) two 20 W modeless lasers (15 kHz, 50 ns, nm)

4 A modeless laser for unsaturated sodium excitation J.P. Pique et al., JOSA B (2003) A modeless laser for unsaturated sodium excitation J.P. Pique et al., JOSA B (2003) Temporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic model = homogeneous absorp. cross section = homogeneous absorp. cross section N 1, N 2 = population of levels N 1, N 2 = population of levels 3S 1/2, 3P 1/2 3S 1/2, 3P 1/2 = laser photon density = laser photon density Fluorescence of the D 2 star (589 nm) At least, we expect a mult. factor of 10 for the UV (330 nm) star intensity

5 a =40 MHz Remarkable properties of an accoustoptic modulator index grating (spectral filter Lyot filter) index grating (spectral filter Lyot filter) frequency shifter (2 a after one round-trip) frequency shifter (2 a after one round-trip) Kowalski et al. (1988) Ring cavity: progressive wave Closed on 0th order Pump power: 8 W : 30 GHz This work Linear cavity: standing wave Closed on 1 st order Pump power: 3 W : 3 GHz

6 Oscillator (modeless): 3 GHz = D 2 )Oscillator (modeless): 3 GHz = D 2 ) Dye jet AOS cw-YAG, 3W FP M1M1 M2M2 M3M3 Modeless oscillator 1 0 F F 1.Laser Sans Mode but : saffranchir de la saturation de Na J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003) Etoile Laser 5 fois plus intense On excite toutes les classes de vitesse Ordre 0 Ordre 1 Spectre de la raie laser

7 Modeless laser model Photon density Spontaneous emission Losses Stimulated emission G( ): gain by molecule N s : nb. excited molecules c : round trip time a : acoustic frequency

8 Oscillator (modeless): 3 GHz = D 2 )Oscillator (modeless): 3 GHz = D 2 ) Intracavity preamp.: M , gain~10 4, 8 µJ/pulse V. FesquetIntracavity preamp.: M , gain~10 4, 8 µJ/pulse V. Fesquet Amplifier: W (we hope an efficiency ~30%) I. CourtillotAmplifier: W (we hope an efficiency ~30%) I. Courtillot All-optical, compactAll-optical, compact Dye jet AOS cw-YAG, 3W Lyot FP M1M1 M2M2 M3M3 Modeless oscillator jet QS-YAG 15kHz, 80 ns, 2W Preampli Ampli Mode coupling Pump Laser : CuHBr orYAG Jet /2 mètre 1 0 F F 1.Laser Sans Mode but : saffranchir de la saturation de Na J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)

9 Modeless laser with its preamplifier

10 LSP laser/ KECK laser Keck saturation saturation modulation modulation osc. pump: 50 W osc. pump: 50 W preamp. pump: 50 W preamp. pump: 50 W preamp: 4-8 µJ/pulse preamp: 4-8 µJ/pulse ampli: 4x60 W ampli: 4x60 W electronics electronics big installation big installation This work This work no saturation (star int. X 3) no saturation (star int. X 3) modeless modeless osc. pump: 3 W osc. pump: 3 W preamp. pump: 2 W preamp. pump: 2 W preamp: 5 µJ/pulse preamp: 5 µJ/pulse ampli: 1x60 W (we hope !) ampli: 1x60 W (we hope !) all-optical all-optical compact (2 channels on 1 table) compact (2 channels on 1 table) AOS cw-YAG 3W FP QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W /2 1 0 AOS cw-YAG 3W FP QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W /2 1 0

11 Overview 1. The modeless laser for ELPOA break saturation limitation break saturation limitation 2.Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF) transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers 3.Visible Sm 3+ fiber laser dye laser solid state laser dye laser solid state laser

12 Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, 569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz) Fibre monomode : ~ 3µmFibre monomode : ~ 3µm Raman (SiO) ~ 3-10 mW Raman (SiO) ~ 3-10 mW Fibre PCF à cœur plein : ~ 30 µmFibre PCF à cœur plein : ~ 30 µm Raman (SiO) ~ W Raman (SiO) ~ W Fibre HC-PCF : cœur dair ou vide (P. Russell 2001) Raman négligeable Raman négligeable seuil de dommage très élevé seuil de dommage très élevé interface dentrée air/air interface dentrée air/air (réflexion de Fresnel très faible <10 -3 ) (réflexion de Fresnel très faible <10 -3 ) dispersion nulle (large bande) dispersion nulle (large bande) Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux) (« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance ») 2. Fibre creuse à cristal photonique 2D HC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal Fiber =580 nm; pertes: 0.3dB/m; 95% énergie dans lair 100 kW crête démontré à 800 nm !

13 Overview 1. The modeless laser for ELPOA break saturation limitation break saturation limitation 2.Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF) transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers 3.Visible Sm 3+ fiber laser dye laser solid state laser dye laser solid state laser

14 3. Laser à Fibre 2 projets Lasers Fibres pour LGS: LLNL: diode laser à 938 nmLLNL: diode laser à 938 nm + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à AL) + laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) + ampli à fibre à 1583 nm + somme de fréquences dans un cristal PPLN ESO: laser à fibre à 1178 nm (monomode)ESO: laser à fibre à 1178 nm (monomode) + ampli Raman (silice pompée à 1020 nm) + doublage de fréquence dans un cristal PPLN Il nexiste pas de laser à fibre lasant directement dans le visible

15 3. Laser à Fibre dopée Sm 3+ Objectif: Etude dun Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nm Université de Leeds : PréformeUniversité de Leeds : Préforme IPHT Jena : FibreIPHT Jena : Fibre LSP :LaserLSP :Laser I. Ion Sm 3+ Lémission de lion Sm 3+ dépend fortement du verre hôte Lémission de lion Sm 3+ dépend fortement du verre hôte Peut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µm Peut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µm Figure 1

16 3. Laser Visible à Fibre dopée Sm 3+ Diode laser collimatée Gaine interne Cœur dopé Sm 3+ Entaille à 90 ° Structure: double gaine Pompage: diode multimode : visible (dont 589 et 569 nm) Largeur spectrale: 3 GHz (1 GHz) Autres applications : laser de pompe, micro-usinage … II. Etude théorique et expérimentale dun Laser à fibre dopée Sm 3+ Gaine externe Fibre dopée Sm 3+ Réseau de Bragg R max R < 1pompe W (monomode) ont été démontrés avec lion Yb (1.04 µm) 2. Un absorbant saturable peut être incorporé dans le cœur de fibre laser picoseconde Remarques:

17 (a)(b) Laser 1 3S 1/2 4P 3/2 4S 1/2 D2D2 UVD1D1 Laser 2 3P 3/2 Laser 1 3P 3/2 3P 1/2 4P 3/2 4D 5/2 4S 1/2 D2D2 UVD1D1 Laser 2 3S 1/2 D3D3 Figure 1 : a) monochromatic LGS (high order) b) alternative for independant tip-tilt correction Alternative 330 nm excitation for tip-tilt 100% adiabatic transfert ? back emission ? (increase solid angle collection ?) Advantages: Only one laser channel (cheaper, reliability …) if 330 nm laser launch through telescope, we just need to observe the 589 nm star tip-tilt system independant from monochromatique LGS system not security problem (330 nm is not transmited through windows)

18 Résumé 1. Laser Sans Mode saffranchir de la saturation intrinsèque à latome de sodium saffranchir de la saturation intrinsèque à latome de sodium 2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W) 2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W) 2.Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF) collaboration avec léquipe de D. Pagnoux de lIRCOM collaboration avec léquipe de D. Pagnoux de lIRCOM transport de faisceaux lasers de puissance transport de faisceaux lasers de puissance 3. Expérience à lOHP démontrer la possibilité de corriger en temps réel démontrer la possibilité de corriger en temps réel le « tip-tilt » à laide dune étoile laser polychromatique le « tip-tilt » à laide dune étoile laser polychromatique OA = seul miroir « tip-tilt » (D/r 0 ~ 3) OA = seul miroir « tip-tilt » (D/r 0 ~ 3) 4. Laser à Fibre dopée Sm 3+ émettant dans le visible saffranchir des lasers à colorant saffranchir des lasers à colorant

19 FinEnd


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