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E. Cormier JNOG 2008 Amplificateurs fibrés à dérive de fréquence dans le régime linéaire et non-linéaire : application à la haute puissance J. Boullet.

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1 E. Cormier JNOG 2008 Amplificateurs fibrés à dérive de fréquence dans le régime linéaire et non-linéaire : application à la haute puissance J. Boullet 1, Y. Zaouter 1,2, E. Mottay 2, S. Petit 1 et E. Cormier 1 1 CELIA, Université Bordeaux 1, France 1 CELIA, Université Bordeaux 1, France 2 Amplitude Systèmes, Pessac, France

2 E. Cormier JNOG Motivations 2.Solutions technologiques 3.Système FCPA très forte énergie 1.FCPA Classique 2.FCPA non-linéaire 4.Conclusions Plan

3 E. Cormier JNOG 2008 INITIAL GOAL Applications des lasers à fibres femtoseconde: Procédés lasers et micro-usinage 10 à 100 µJ, 100 kHz à 1 MHz, grande qualité de faisceau Physique attoseconde: mesure dévènement rares: Génération dimpulsions XUV à très haute cadence I = W/cm 2, 100 kHz à 1 MHz, < 300 fs Amplification paramétrique optique (OPA, OPCPA, …) 100 kHz, MW, qualité du faisceau et du front donde

4 E. Cormier JNOG 2008 INITIAL GOAL Production de rayonnement ou X par diffusion Compton 180 MHz, 100 W, 4 ps Champ fort en physique atomique et moléculaire I = W/cm 2, 100 kHz à 1 MHz, < 100 fs e-e- h Theory Experiment Applications des lasers à fibres femtoseconde:

5 E. Cormier JNOG 2008 Pulse quality:TEM00 Pulse duration:<300 fs Pulse energy: µJ Repetition rate100 kHz - 1 MHz Average powerup to 100 W Vers des sources lasers femtoseconde de 100 W moyen INITIAL GOAL Performances requises: Amplificateurs à fibres dopées et à dérive de fréquence

6 E. Cormier JNOG 2008 Beaucoup dénergie Impulsions courtes Propagation dans une fibre monomode INITIAL GOAL Contraintes et solutions: Effets non linéaires majeurs (SPM, SRS, Autofoc, …) Réduction des effets non- linéaires Dans le temps: Technique CPA Dans lespace: Fibres à large coeur

7 E. Cormier JNOG 2008 Fibres microstructurées Rod type Ø = 40 µm Ø = 300 µm Fused silica Ø = 1.2 mm ON gaine = db/m 0.5 à 1.5 m

8 E. Cormier JNOG 2008 Amplification à dérive de fréquence: D. Strickland and G. Mourou, Compression of amplified optical pulses, Opt. Comm. 56, 3, 219 (1985).

9 E. Cormier JNOG 2008 FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell

10 E. Cormier JNOG 2008 Jena Imra Celia Southampton Cornell P = kHz E ~ 1 mJ p ~ 800 fs Röser et al OL 32, 3495 (2007) FCPA Yb haute énergie

11 E. Cormier JNOG 2008 Jena Imra Celia Southampton Cornell P = kHz E ~ 6 J p ~ 240 fs Wise et al OL, FCPA Yb haute énergie

12 E. Cormier JNOG 2008 Jena Imra Celia Southampton Cornell P = kHz E ~ 100 J p ~ 270 fs FCPA Yb haute énergie

13 E. Cormier JNOG 2008 Jena Imra Celia Southampton Cornell P = kHz E ~ 125 J p ~ 280 fs FCPA Yb haute énergie

14 E. Cormier JNOG 2008 Systèmes FCPA classiques 0 FCPA faiblement non-linéaires FCPA non-linéaires t ~ 250 fs E ~ 100 µJ P power ~ MW Compact setup B = 2 -6 Régime linéaire Régime non-linéaire t = fs E ~ 100 – 1000 µJ P power ~ MW Large setup B = 0-2 Différents régimes de CPA Intégrale B t = 250 fs E ~ 10 µJ P power ~ Compact setup B = 6 -20

15 E. Cormier JNOG 2008 Propagation dans les fibres dopées NLSE : Champ : Dispersion Gain [m] -1 Non-linearité Gestion du deuxième et troisième ordre de dispersion

16 E. Cormier JNOG 2008 Compresseur Gestion de la phase spectrale Source femto Etireur = 0 = 0 > 0 < 0 CPA en régime linéaire + + = 0 Amplificateurs + = - e = - e Compresseur Source femto Etireur = 0 = > 0 < 0 CPA en régime non-linéaire + + = 0 Amplificateurs + 0

17 E. Cormier JNOG 2008 Oscillator OI AOM OI Source large bande Étireur de Offner Ampli #1 Ampli #2 Compresseur Dispositif expérimental du CPA classique

18 E. Cormier JNOG 2008 Oscillateur OI AOM OI Stretcher Amplifier #1 Amplifier #2 Compressor Oscillateur: Yb:KYW MHz = 1030 nm t = 390 fs = 2.5 nm Dispositif expérimental

19 E. Cormier JNOG 2008 Oscillator OI AOM OI Stretcher Amplifier #1 Amplifier #2 Compressor Elargissement spectral par SPM: 5 cm LMA 40 µm passive P = 800 mW E = 80 nJ = 9 nm t = 390 fs (potentiellement 170 fs) Nouvelle source Dispositif expérimental

20 E. Cormier JNOG 2008 Oscillator OI AOM OI Amplifier #1 Amplifier #2 Compressor Etireur de Offner : transmission gratings 85 % efficiency par passage Overall efficiency ~30% Pulse picking: AOM P = 4 – 30 mW E = 30 nJ = 9 nm t = 600 ps 10MHz 100 kHz ~ 1MHz Dispositif expérimental

21 E. Cormier JNOG 2008 Oscillator OI AOM OI Amplifier #2 Compressor Préamplificateur à fibres microstructurées: doped core = 40 µm pump clad = 170 µm Length = 1.2 m Diode pumping : up to 25 W Gain ~ 30dB = 7 nm t ~ 600 ps Dispositif expérimental

22 E. Cormier JNOG 2008 Oscillator OI AOM OI Compressor Microstructured fiber power amplifier: doped core = 80 µm pump clad = 200 µm Length = 1.2 m Diode pumping : up to 100 W Gain = = 5.5 nm t = 470 ps 200 µm 80 µm 120 cm Dispositif expérimental

23 E. Cormier JNOG 2008 Oscillator OI AOM OI = 5.5 nm t = 270 fs Bulk grating stretcher : transmission gratings 50 % efficiency Dispositif expérimental

24 E. Cormier JNOG 2008 Caractéristique optique-optique Très bonne efficacité dextraction

25 E. Cormier JNOG 2008 Caractéristique spatialles

26 E. Cormier JNOG 2008 Cadence = 100 kHz 25 W avant compression 12,5 W après compression 125 µJ recomprimé FWHM < 280fs Caractéristique temporelle Puissance crête : 450 MW Trace FROG Boullet et al CLEO 2008 [CJ-20-TUE]

27 E. Cormier JNOG 2008 t = 360 fs 0 = 1028 nm = 3.7 nm E = 30 nJ f rep = 44 MHz Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

28 E. Cormier JNOG 2008 Fiber Stretcher Pulse picker t = 360 fs 0 = 1028 nm = 3.7 nm E = 30 nJ f rep = 44 MHz Pre- amplifier Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

29 E. Cormier JNOG 2008 Pulse picker Pre-amplifier PCF coeur = 40µm Fiber stretcher L = 25 m PM LMA core = 25 µm L = 1.2 m PCF 40 / 200 PM Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

30 E. Cormier JNOG 2008 Pulse picker Pre-amplifier PCF coeur = 40µm Fiber stretcher t = 7 ps 0 = 1030 nm = 9.5 nm E = 2.7 µJ f rep = 300 kHz L = 25 m PM LMA core = 25 µm L = 1.2 m PCF 40 / 200 PM Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

31 E. Cormier JNOG 2008 Pulse picker Isolator Grating Compressor Pre-amplifier PCF coeur = 40µm Fiber stretcher Power Amplifier Grating stretcher Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

32 E. Cormier JNOG 2008 Pulse picker Isolator Pre-amplifier PCF coeur = 40µm Fiber stretcher Power Amplifier Grating stretcher Grating Compressor t = 250 ps Transmission gratings 1740 l/mm TOD/GVD = - 15 fs Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

33 E. Cormier JNOG 2008 Grating Compressor Power Amplifier PCF coeur = 80µm Pulse picker Grating stretcher Isolator Pre-amplifier PCF coeur = 40µm Fiber stretcher Dispositif expérimental du CPA non-linéaire

34 E. Cormier JNOG 2008 Compresseur Séparation des réseaux Σβ 2 = 0 Etireur Angle du réseau Ajustement de β 3 /β Grating Compressor Power Amplifier Pulse picker Grating stretcher Isolator Pre-amplifier Fiber stretcher Réglage du CPA non-linéaire Procédure de réglage

35 E. Cormier JNOG 2008 E = 100 µJ f = 300 kHz P = 340 MW = 7.2 nm TBP ~ 0.55 Grating Compressor Power Amplifier Pulse picker Grating stretcher Isolator Pre-amplifier Fiber stretcher Caractéristiques temporelles et spectrales Zaouter et al, Optics Letters 33, 1527 (2008)

36 E. Cormier JNOG Systèmes fibrés CPA haute énergie a)Sources large bande b)Amplificateur basé sur une fibre double gaine Rod type c)Cadence : 100 kHz to 1 Mhz d)Durée : 280 fs e)Energie : > 100 µJ f)Puissance crète : > 350 MW 2.Perspectives a)Atteindre 1 mJ avec moins de 300 fs b)Puissance moyenne 100 W c)Réduction de la durée à 40 fs par postcompression d)Applications Conclusion

37 E. Cormier JNOG 2008 Dépolarisation du faisceau

38 E. Cormier JNOG 2008 INITIAL GOAL Harmonic kHz rep. rate First demonstration of HHG production from a FCPA XUV gaz CPA Fiber Constraints: Intensity dependent process: ~ W/cm² Ionisation must be limited : < 300 fs FCPA kHz: t = 280 fs E = 125 µJ P power ~ 450 MWOutlooks


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