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Stage Lasers Intenses 2008 1 STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Application de lONL Sébastien MONTANT CELIA

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1 Stage Lasers Intenses STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Application de lONL Sébastien MONTANT CELIA

2 Stage Lasers Intenses Applications de lOptique Non Linéaire Conversion de fréquence : – Doublage / Triplage – Limitations / Contraintes Amplification OPA, OPCPA – OPA : Topas un produit commercial – OPCPA : « Basse » Énergie : pilote – OPCPA : « Haute » Énergie : chaîne PW

3 Stage Lasers Intenses Équations de Maxwell dans un milieu Non linéaire Optique non linéaire est le résultat dune réponse (polarisation) non linéaire dun matériau au champ. Quelle est leffet produit par cette polarisation ? Le second terme : 2 = second harmonique La génération de second harmonique est un effet particulier parmi beaucoup dautres plus « exotique »

4 Stage Lasers Intenses Conversion de fréquence But : – Augmenter la gamme spectrale accessible (spectroscopie, pompage laser,…) – Améliorer le contraste spatiale et / ou temporelle – Augmenter leffet lors dune interaction laser – matière Comment ? – Processus non linéaire basé sur un matériau à susceptibilité dordre 2 : E 2 (x,t) (2) E 2 (x,t)

5 Stage Lasers Intenses Le moyen : un cristal non linéaire Nécessité dun cristal avec des propriétés non centro symétriques E 2 (x,t) E (x,t) Matériau centro symétriques : (2) constant. Alors : -E 2 (x,t) (2) [-E w (x,t) ] 2 = (2) E (x,t) 2 = E 2 (x,t) Malheureusement la plupart des matériaux sont soit isotrope soit centro symétrique ! E (t) E 2 (t) Cristal SHG

6 Stage Lasers Intenses Les cristaux : une zoologie Les plus courants : – Le KDP (KH 2 PO 4 ), Potassium Dihydrogen Phosphate, d eff =0,4pm/V – Le BBO ( -BaB 2 O 4 ), Beta-Barium Borate, d eff =2,3 pm/V – Le LBO (LiB 3 O 5 ), Lithium Triborate, d eff =0,8 pm/V – Le KTP, LiNbO 3, KNbO 3, …

7 Stage Lasers Intenses Un peu dhistoire La première démonstration: P.A. Franken, et al, Physical Review Letters 7, p. 118 (1961) On remarquera que la « preuve » est absente car léditeur a supposé que cétait une poussière sur lépreuve originale !

8 Stage Lasers Intenses Conditions à respecter pour obtenir la conversion de fréquence Conservations de lénergie : ksks kpkp kiki OA Conservations du moment : conditions daccord de phase :

9 Stage Lasers Intenses Et si on ne les respecte pas ?

10 Stage Lasers Intenses Comment les respecter Conservations du moment : conditions daccord de phase : Soit : n(2 ) = n( ) Mais la dispersion des matériaux empêchent cette égalité Frequency Refractive index Une solution : Utiliser la biréfringence des matériaux. Les matériaux biréfringents possèdent deux indices différents (ordinaire et extra ordinaire) pour 2 polarisations croisées.

11 Stage Lasers Intenses Accord de phase à laide de cristaux biréfringents Frequency Refractive index Soit : n o (2 ) = n e ( ) Indice extraordinaire dépend de la direction de propagation dans le milieu. Une orientation adaptée du cristal permet lindice de réfraction à la longueur donde de travail. AO k n 0 (2 ) n 0 ( ) n e (2 ) n e ( )

12 Stage Lasers Intenses Une méthode alternative Accord de phase dans des milieux polarisés périodiquement : Exemples : PPLN, PPKDP

13 Stage Lasers Intenses Autres conditions à remplir : Conservation de lénergie : + =2 – Énergie : E 1 ( )=E 2 ( )=E 3 (2 ) – photons : n 1 ( )=n 2 ( )=n 3 (2 ) Superposition temporelle et spatiale Différentes configurations de polarisations : – Type I : ooe : onde 1 ordinaire, onde 2 ordinaire, onde 3 extraord. – Type II : oee : onde 1 ordinaire, onde 2 extraord., onde 3 extraord. Beaucoup de configurations possibles Choix nécessaire

14 Stage Lasers Intenses Doublage dimpulsions nanosecondes: lobjectif Cas de la pompe OPCPA du pilote PETAL – 2 faisceaux de 1 J chacun à 1053 nm dune durée de 9 ns – Configuration non colinéaire – Cristal de KDP 1J à 1053 nm KDP >1J à 527 nm

15 Stage Lasers Intenses Doublage dimpulsions nanosecondes: les paramètres Choix – Angle de coupe du cristal code numérique (SNLO) – Taille des faisceaux 1 – Longueur du cristal L cordialement Optimisation des deux derniers paramètres en tenant compte de la tenue au flux (marge de sécurité KDP F seuil ~ 3GW/cm 2 ) Résultat : – Angle de coupe du cristal type II : = 59,2 ° – paramètres dinteractions : w o =1cm*1cm, L = 2 cm Simulation Miro : = 0,54

16 Stage Lasers Intenses Triplage dimpulsions nanosecondes : Cas de la LIL/LMJ En deux étapes : générations dune onde à 2 puis sommation dune onde à et celle à 2. Pour être efficace on doit être equi photonique lors de la sommation + 2 =3 photons : n 4 (3 )=n 3 (2 )= n 1 ( ) et n 1 ( )=n 2 ( )=n 3 (2 )

17 Stage Lasers Intenses Schéma de la chaîne LIL M1 Amp1 Amp2 L1 L2 L3L4 MT1 MT KDP Réseau 1 Cible Hublot Transport Demi tour Pockels Polariseur Injection Pilote

18 Stage Lasers Intenses Forme temporelle sur la LIL

19 Stage Lasers Intenses Configuration du Système de Conversion de Fréquence 3 Doubleur : – Angle de coupe du cristal type I : = 41,2 ° – paramètres dinteractions : w o =40cm*40cm, L = 1,25 cm Tripleur – Angle de coupe du cristal type II : = 59,1 ° – paramètres dinteractions : w o =40cm*40cm, L = 0,9 cm

20 Stage Lasers Intenses Résultat sur la LIL Énergie à 1 : 20 kJ Énergie obtenue à 3 : 9,5 kJ

21 Stage Lasers Intenses Contraintes et limitations : Lacceptance spectrale (impulsion courte) Lacceptance angulaire Quel efficacité envisageable ?

22 Stage Lasers Intenses Acceptance Spectrale Efficacité de conversion : Désaccord de phase : Laccord de phase ne fonctionne quà une fréquence ! Wavelength Refractive index

23 Stage Lasers Intenses Cas du BBO et du KDP Lacceptance spectrale est faible. Elle augmente quand : – Lépaisseur du cristal diminue – Quand la dispersion diminue BBOKDP

24 Stage Lasers Intenses La différence de vitesse de groupe A lintérieur dun cristal 2 impulsions à 2 longueurs donde ont 2 vitesses de groupe différentes. Si on suppose quune impulsion courte rentre à lentrée du cristal Il faut toujours vérifier : L. GVM << p Acceptance spectrale du à la DVG : (Impulsion gaussienne : t = /c) =.44 2 /c 1/ t =.44 2 /c 1/(L GVM) Or 1/v g = /c n( ) donc : La DVG est équivalente à lacceptance spectrale

25 Stage Lasers Intenses Acceptance Angulaire Acceptance spectrale : domaine spectral Wavelength Refractive index AO k n 0 (2 ) n 0 ( ) n e (2 ) n e ( ) Acceptance angulaire : domaine vectoriel

26 Stage Lasers Intenses Quel efficacité ? Des efficacités >80% ont été obtenues pour la SHG dimpulsion monochromatique Mais les contraintes précédentes limitent lefficacité pour les impulsions courtes : – La dispersion de vitesse de groupe – Les non linéarités dordre supérieur : le (3) modifient lindice en fonction de lintensité. – Pour augmenter lefficacité il est alors nécessaire de travailler la phase spectrale de limpulsion, de disperser londe, …

27 Stage Lasers Intenses Amplification paramétrique, Différence de fréquence, … La différence de fréquence ( 2 = ) prend différentes formes : = 3 1 "signal" "idler" miroir Différence de fréquence (DFG) Générateur Paramétrique Optique (OPG) Amplificateur Paramétrique Optique (OPA) Oscillateur Paramétrique Optique (OPO)

28 Stage Lasers Intenses Un OPA commercial : TOPAS

29 Stage Lasers Intenses TOPAS : Couvrir le spectre

30 Stage Lasers Intenses Avantages: pas de stockage dénergie (aucun effet thermique) grand gain large bande de gain grande qualité de faisceau CPA Amplification:OPA 3 (pompe) 1 (signal) 2 (idler) 3 1 Transfert dénergie de londe pompe à londe signal Cristal = Catalyseur Amplification paramétrique d impulsions à dérive en fréquence (OPCPA)

31 Stage Lasers Intenses Utilisation dun OPCPA dans le cadre dun laser PW 1. OPCPA pour linjection dune chaîne laser PW Chaîne laser (Alisé, LIL,…) Compresseur PW Préamplificateur paramétrique Avantages par rapport à amplificateur régénératif: Pas de rétrécissement spectral Possibilité de faire de la mise en forme spectrale Simplicité

32 Stage Lasers Intenses Utilisation dun OPCPA dans le cadre dun laser PW 2. OPCPA en tant quétage damplification PW Pompe par laser de grande énergie: Alisé (300 J),…. Cristaux non-linéaires de grande taille: KDP,... PW

33 Stage Lasers Intenses Des projets de PW basés sur lOPCPA 1/2

34 Stage Lasers Intenses Des projets de PW basés sur lOPCPA 2/2

35 Stage Lasers Intenses Code gratuit de calcul : SNLO Logiciel dans le domaine public maintenue par Arlee Smith du Sandia National Labs. Utile pour choisir le meilleur cristal pour votre application particulière Permet également quelques simulations de processus non linéaire dans les cristaux. Les fonctions de SNLO: 1. Propriétés des cristaux 2. Calcul de nombreux paramètres en fonction de la géométrie et du cristal choisi. 3. Calcul de stabilité de cavité, dinteractions non linéaires, …

36 Stage Lasers Intenses Effet Electro Optique Appliquer une tension à un cristal induit de la biréfringence. En fait cela correspond à de la sommation de fréquence avec un faisceau à la fréquence nulle (champ constant 0). Quelques kV peuvent transformer un cristal en lame demi ou quart donde. V Si V = 0, la polarisation de limpulsion ne varie pas. Si V = V p, la polarisation de limpulsion est tournée de 90° Cellule de Pockels (tension transverse où longitudinale) Polarizer Changer brutalement la tension à une cellule de Pockels permet daiguiller une impulsion sur des sorties différentes !

37 Stage Lasers Intenses La « Pockels » : Avant bascule Après Bascule Pockels avec ses axes à ±45° PolariseurMiroir Pockels avec ses axes à 0° or 90° Polariseur Miroir Leffet Pockels est un processus du second Ordre: dc field

38 Stage Lasers Intenses Nettoyage dimpulsion par XPM


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