Façonnage d’impulsions Béatrice Chatel LCAR (CNRS-Université de Toulouse) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Intérêt du façonnage d’impulsions Compression d’impulsions courtes Filtrage spectral de haute résolution et adaptable Expérience de contrôle cohérent Expérience de spectroscopie multidimensionnelle Façonnage d’impulsions complexes Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Galerie d’impulsions Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Rôle de la phase spectrale Développement de Taylor délai Dérive de fréquence Review sur le rôle de la dispersion : Walmsley et al , RSI, 72, 1-29 (2001) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Impulsions à dérive de fréquence : quelques détails Fréquence instantanée pour les grands chirps : Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ultracourt: pas de façonnage temporel Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide (électro-optiques ~ 500 fs) Toute l’information est présente dans le domaine spectral Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Principe du façonnage Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Délai et décalage : Interféromètre de Michelson Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Façonnage passif Essentiellement de la dispersion positive; Idem pour les fibres Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Dispersion angulaire permet la dispersion négative Dispersion en double passage 1/d nombre de traits du réseaux Martinez et al JOSA B 3, 929 (1986) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Quelques considérations sur la compression : Application historique du façonnage Une impulsion limitée par TF : Phase constante Compression : compenser la dérive de fréquence mais aussi tous les ordres supérieurs de la phase Applications : Optique non-linéaire Génération d’harmoniques Microscopie à deux photons… Physique des hautes intensités Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Compensation des ordres supérieurs de la phase : Grisms et autres subtilités - utilisation d’un étireur et d’un compresseur ayant des réseaux avec des nombres de traits différents J. Squier et al . Applied Optics-LP V 37,  I 9, p 1638-1641 (20 March 1998). - Ajustement de l’angle des réseaux entre étireurs et compresseurs pour compenser le TOD - Association de prismes + réseaux dans le même but Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Zaouter et al Opt Exp, 15,9372(2007)

Compensation de la dispersion par des microstructures A review of ultrafast optics and optoelectronics Günter Steinmeyer  2003 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 5 R1 Nisoli et al, opt. Lett. 22 (1997) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) Froehly, et al., Progress in optics, 20, 1983 f L1 L2 Plan de Fourier G1 G2 dispersion angulaire Etaler spatialement les composantes spectrales. Pour l’instant ce n’est pas encore un façonneur. L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe f L1 L2 Masque G1 G2 dispersion angulaire Etaler spatialement les composantes spectrales. Pour l’instant ce n’est pas encore un façonneur. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable Weiner, A.M., RSI, 71, (5), 2000 f L1 L2 G1 G2 dispersion angulaire Une analyse très basique donne un lien simple entre le masque spatial et la fonction de transfert spectrale. Enoncer les différents types de masques: CL, MAO transverses, miroir à membrane déformable, miroir micro-structurés. Cette technique a permis mise en forme d’impulsions très variées. Elle est très efficace. Par contre, c’est un dispositif optique complexe. M: M(X) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Ligne 4f Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Ligne 4f Juste après le masque on peut écrire le champ comme : Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Résolution spatiale dans le plan de Fourier La résolution (FWHM-intensité) est dans le plan de Fourier Application numérique : f= 600 mm 1/d =2000tr/mm, angle proche de Littrow à 800 nm win (FWHM intensité) ~2 mm w0 (FWHM intensité) ~57 mm Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Cas d’un petit diaphragme sur l’axe optique La fonction de transfert du système s’écrit alors : Wefers et Nelson, IEEE J Quant. Elec. 32, 161 (1996) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Construction d’une ligne à dispersion nulle But : occuper au mieux le masque de longueur finie L Pour perdre moins de 2% d’énergie, il faut passer 3 fois la bande FWHM Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Design optimisé pour la ligne 4f Avantages : - Pas d’aberrations off-axis - Pas d’aberrations chromatiques ( éléments réfractifs) - Alignement des réseaux facilité par la symmétrie - Meilleure image dans le plan de Fourier Inconvénients : Tilt vertical des composants optiques Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Ligne 4f Juste après le masque on peut écrire le champ comme : Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Couplage spatio-temporel Vitesse de couplage spatio-temporelle Application numérique Wefers et Nelson, JOSA B12, 1343 (1995) Sussman et al PRA 77,043416 (2008) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Couplage spatio-temporel Win(FWHM)~ 2.3 mm Le façonneur peut ressembler à une solution sans problème pour reprendre ce qui a été dit pour les laser à une certaine époque. Je pense qu’il lève un grand nombre d’obstacles pratiques. Win(FWHM)~ 1 mm Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Couplage spatio-temporel pour les prismes Prismes en SF10, lentilles de 50 cm Couplage spatio-temporel dépend de l’élément dispersif Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 De nombreux masques sont disponibles : Modulation par variation de chemin optique Principe : Variation de la phase par variation de chemin optique pour chaque composante Variation de l’amplitude si on place le modulateur entre polariseurs croisés CL adressés électriquement : npixel(V) , 128 à 640 pixels, Bonne résolution. CL adressé optiquement (valves optiques ) : modulation de l’illumination d’une couche de photoconducteur placée en série avec les CL (pas de pixellisation) Miroirs déformables : (cf astronomie), miroir de surface modulable à l’aide d’acuateurs. Faible résolution spatiale Lame de phase : variations de phase spatiale (modulation statique) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

De nombreux masques sont disponibles : Modulation par diffraction Principe : Diffraction du champ au plan de Fourier sur un réseau spatial. L’impulsion modulée correspond à l’ordre 1 de diffraction. Modulation de phase et d’amplitude simultanée, Pb : structures diffractantes, nombreux phénomènes parasites Acousto-optique : réseau d’indice immobile créé dans le cristal par une onde radio- fréquence transverse Hologrammes : réalisation d’un hologramme par interférence entre un faisceau de référence et un faisceau signal modulé par un modulateur programmable actif. Diffraction du faisceau de lecture sur l’hologramme (masque passif) placé au plan de Fourier . Efficacité 10% Photoréfractifs : réseau d’indice dans une structure à puits quantiques photoréfractifs induit par deux faisceaux d’écriture. Pb application possible qu’au spectre étroit (4 nm) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Fonctionnement des cristaux liquides pixellisés seuil de dommage =300 GW/cm2 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Quleques caractéristiques Déphasage introduit Transmission Nécessité de faire des repliements de phase! Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Modulation en phase et en amplitude (LC at -45° from x axis) (LC at +45° from x axis) ... lineary polarized light 1 640 X axis Théorie : Amplitude et phase indépendants Pratique : pas tout à fait exact du fait des gaps non absorbants Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Modulation en polarisation Femtosecond polarization pulse shaping T. Brixner and G. Gerber Opt. Lett. 26,557 (2001) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Simplement maximiser la complexité Maximiser la dispersion spatiale. Maximiser le nombre de pixels. Ligne à dispersion nulle très dispersive… - tout réflectif et géométrie sans aberration. - réseaux très dispersifs: 2000 traits/mm. - grande focale: f=600 mm. Pour maximiser la dispersion spatiale, nous avons utilisé la ligne 4f schématisée ici. Le parcours est le suivant: Le premier res. Disp. impulsion d’entrée vers un mir de repli qui renvoie les cptes spectrales vers un mir. cyl. Celui-ci focalise les cptes ds le plan de Fourier symb. par rect rose. La 2ème moitié est sym: mir cyl., mir de rpli et rés qui recombine les cptes spectrales pour obtenir imp. de sortie. Cette géom. permet d’éviter les diftes aber. (chromatique ou d’exentrement) qui pourraient déteriorer faisceau de sortie. Elle se distingue par l’emplois de réseau très dispersif et des miroirs de grande focale. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Un exemple de façonneur haute résolution HRPS Stobrawa, phase seulement avec même nbre de pix: n au mieux 3 fois plus faible. Dirk avec 128pix phase/amp: n environs 6 fois plus faible. Performances: - fenêtre de 35 ps (0,06 nm/pixel). - h~220, h maxi de 350. - transmission totale: 70%. - seuil de dommage: 300 GW/cm². Monmayrant et Chatel RSI, 75, (8), 2004 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Limitations : la pixellisation Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Limitations : Les Gaps Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Limitations : Les Gaps Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Limitations : Dispersion non-linéaire Etirement des répliques Importance de la calibration spectrale par la formule de dispersion complète. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Aménagement de la ligne 4f suivant les masques Miroirs déformables Zeek et al, Opt. Lett 24, 493 (1999) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Façonnage d’impulsions par diffraction sur une valve à cristaux liquides J.C. Vaughan, T. Hornung, T. Feurer, K.A. Nelson, Opt. Lett. 30, 323-325 (2005) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Valve optique (modulateur spatial de lumière non pixellisé) PPM-X8267 α-Si:H Photoconductor Dielectric Mirror Liquid Crystal Alignment Layer Anti-Reflection Coating Anti-reflection Coating Optical Quality Substrate or Fiber Optic Plate Transparent Electrode Addressing Optical Beam Readout Parallel Aligned Liquid Crystal Driving Voltage PPM-X8267 Hamamatsu a- P. Aubourg, J.P. Huignard, M. Hareng, R.A. Mullen, Appl. Opt. 21, 3706-3712 (1982) Y. Igasaki et al., Opt. Rev. 6, 339-344 (1999) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Aménagement de la ligne 4f suivant les masques Acousto-optique Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Aménagement de la ligne 4f suivant les masques Acousto-optique Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Une application : la compression d’impulsions Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Façonnage par transfert de phase Mélange de fréquence entre l’impulsion incidente et un champ de contrôle noté f (t) dans le cas d’un processus bilinéaire Fonction d’accord de phase Attention!!! : Un champ façonné+ un champ référence Ex : façonnage d’un continuum dans un NOPA Somme de fréquence entre une impulsion mise en forme et une impulsion de reference Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Somme de fréquence pour aller dans l’UV "19 femtosecond shaped ultraviolet pulses" C. Schriever, S. Lochbrunner, M. Opitz, and E. Riedle Opt. Lett. 31, 543 - 545 (2006) "Widely tunable sub-30 fs ultraviolet pulses by chirped sum frequency mixing" Ida Z. Kozma, Peter Baum, Stefan Lochbrunner and Eberhard Riedle Opt. Express 11, 3110 - 3115 (2003) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Attention : Doublage d’un champ façonné Résultat non intuitif dans la plupart des cas même si on considère la fonction d’accord de phase parfaite. Impulsions de spectre gaussien À dérive de fréquence Impulsions de spectre carré à dérive de fréquence Simulation Manuel Joffre Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Impulsion avec du TOD Permet d’avoir des impulsions longues à partir d’impulsions large spectralement Doublage d’une impulsion gaussienne avec une phase cubique Peut s’obtenir aussi par somme de fréquences D’une impulsion chirp-up+ une impulsion chirp-down Migus et al , Opt Lett 2001 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Simulation Manuel Joffre

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Filtre dispersif acousto-optique programmable Idée = coupler une onde polychromatique acoustique à une impulsion polychromatique optique Mécanisme ? Accord de phase dans un mélange à trois ondes Par exemple : ~1015Hz ~108Hz Électronique RF (changement de direction) (transfert de phase) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Systèmes statiques analogues Miroir « chirpé» ou fibre de Bragg « chirpée» Impulsion transmise Impulsion diffractée Impulsion incidente AOPDF Impulsion diffractée Impulsion transmise Impulsion incidente Idem mais avec un réseau transitoire mais programmable et une géométrie colinéaire Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Accord de phase acousto-optique [001] Indice optique ordinaire no Indice optique extraordaire ko qo no ne [100] Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Accord de phase acousto-optique [001] Direction vecteur de Poynting optique no Direction vecteur de Poynting acoustique ko Indice acoustique qo 1/V001 K qa no ne [100] 1/V100 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Physique de l’AOPDF [001] no ko qo 1/V001 K qa no ne [100] 1/V100 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Physique de l’AOPDF [001] no ko kd qo 1/V001 K qa no ne [100] 1/V100 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Accord de phase acousto-optique [001] no ko kd biréfringence vitesse acoustique qo ~100 MHz 1/V001 K qa no ne [100] 1/V100 ~ PHz Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Accord de phase acousto-optique Faisceau diffracté Faisceau incident Acoustic signals Faisceau transmis [001] no ko kd biréfringence vitesse acoustique qo 1/V001 K qa no ne [100] 1/V100 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Un peu d’acoustique dans les cristaux Mais ce n’est pas un simple réseau de Bragg induit Cristal - éléments de volume Directions principales optiques z Au repos Onde longitudinale (compression) z Modulation des indices optiques uniquement z Ondes transverses (cisaillements) Modulation des indices optiques + Rotation des directions principales Couplage des polarisations ordinaires et extraordinaires Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Fonctionnement du Dazzler Cristaux : TeO2 (IR et visible), KDP (UV), essai sur le mid-IR en cours Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Principe de l’AOPDF Idée = réorganiser l’ordre d’arriver des fréquences Ex: compressed pulse Ordinary (fast) Ex: stretched pulse z(w) Extraordinary (slow) P. Tournois Opt. Comm 140 245-249 (1997) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Quelques remarques L’efficacité de diffraction va dépendre Du remplissage des ondes acoustique et optique dans le cristal Du mode spatial et de la divergence du faisceau incident De la mise en forme programmée De la puissance acoustique La résolution spectrale va dépendre De la longueur du cristal De la divergence du faisceau incident Seuil de dommage : 100MW/cm2 (TeO2) 400MW/cm2 (KDP dépend de la longueur d’onde , absorption à deux-photons Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Compression et élargissement d’impulsions CEA-DRECAM, Saclay Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Mise en forme complexe LCAR, Toulouse Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Mise en forme récente dans l’UV Coudreau et al , Opt. Lett., 31, 1899 (2006) 155 000 fs3 -100 000 fs3, 2000 fs2 XFROG d’impulsions UV à 266 nm Weber et al en preparation Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Paramètres clefs: compromis… Transmission (1% → 90%) Phase/Amplitude Phase seule Amplitude seule Polarisation Complexité (10 → 1000) Façonneur L’énergie qui peut transiter par le façonneur est limitée ainsi que son efficacité de transmission ce qui réduit l’énergie disponible pour l’impulsion mise en forme. Le contrôle spectral peut être total (phase et amplitude) ou partiel. Le taux de rafraîchissement peut aussi être un point important dans l’utilisation en boucle fermée. Enfin, la complexité des impulsions en sortie ainsi que leur propreté (cad leur contraste) peuvent être des points sensibles. TR: Je vais maintenant détailler un de ces points… Seuil de dommage Energie en entrée (µJ → mJ) Contraste Taux de rafraîchissement (Hz → 100kHz) Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,… Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Quelques résultats… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004 Impulsions très complexes (ligne 4f) Seres, et al., OL, 28 , (19), 2003 Impulsions très courtes et intenses (AOPDF) Et il existe à l’heure actuelle de nombreux résultats dans cette gamme de longueur d’onde. Par exemple, l’équipe de Ferenc Krausz a obtenu avec l’AOPDF des impulsions très courtes et intenses. A Toulouse, nous avons réalisé des impulsions très fortement mises en forme à l’aide du façonneur que j’ai réalisé et que je vais détailler par la suite. TR: ces techniques ont aussi été mise en œuvre dans le visible. Beaucoup d’autres résultats … Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Façonnage large bande (ligne 4f) Zeidler, et al. OL, 26, (23), 2001 Façonnage accordable (AOPDF) Monmayrant, et al., APB, 2005 Les lignes à dispersions nulles sont ainsi utilisées dans le visible depuis longtemps. Par contre, l’AOPDF n’a été adaptée aux longueurs d’onde visibles que récemment et cela constitue d’ailleurs une partie de mon travail de thèse que je n’ai malheureusement pas le temps de détailler aujourd’hui. De nombreuses équipes travaillent à la mise en forme des impulsions dans d’autres gammes spectrales, comme l’IR moyen ou l’UV. TR: Il existe donc un grand nombre de façonneurs différents et on peut se perdre au moment de choisir celui qu’il nous faut pour une application donnée. Beaucoup d’autres résultats … Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Quelques résultats… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Différence de fréquence Façonnage direct (ligne 4f CL-2D) Witte, et al, APB, 76, (4), 2003 Vaughan, et al. OL, 30, (3), 2005 Belabas, et al. OL, 26, (10), 2001 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Quelques résultats… IR moyen IR proche - rouge Visible UV 2-18 mm Shim, Opt. Lett, 31, 838 (2006) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Quelques résultats… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Somme de fréquence Façonnage direct: ligne 4f Hacker, et al. APB, 76, (2003) micro-miroirs Roth, et al APB, 80, ( 2005) masque acousto-optique (Hacker 2001: UV=200nm) (Hacker 2003: UV=400nm MEMs marchent ds 900-200nm) (Roth 2005: UV=400nm AOM SiO2 marche jusqu’à 180nm) TR: On peut se perdre dans cette faune de façonneurs différents les uns des autres. Comment déterminer celui qu’il nous faut, pour une application donnée? Hacker et al JOSAB, 18, 2001 Baum et al Opt. Lett, 29, 1686 (2004) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Quelques résultats… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Façonnage direct: Dazzler Vers le façonnage des harmoniques : Dérives de fréquences (cf cours de P. Salières) Vers des impulsions plus complexes… (Hacker 2001: UV=200nm) (Hacker 2003: UV=400nm MEMs marchent ds 900-200nm) (Roth 2005: UV=400nm AOM SiO2 marche jusqu’à 180nm) TR: On peut se perdre dans cette faune de façonneurs différents les uns des autres. Comment déterminer celui qu’il nous faut, pour une application donnée? Coudreau, Opt. Lett,2006 Weber et al en preparation Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Plan Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) Les cristaux liquides et leurs limitations Quelques exemples de façonneurs Le façonnage par transfert de phase Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler Le choix du façonneur Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Détermination de la fonction de transfert du façonneur La méthode intuitive: En pratique, Tenir compte de la réponse impulsionnelle du système!!! Deux approches algorithmiques possibles : Amélioration successive par des méthodes dites “trial and errors” (algorithme génétique ou recuit simulé) Très lent ,échoue parfois mais haute qualité Algorithme par transformée de Fourier itérative Très rapide, assez bonne qualité, sûr Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Principe de l’algorithme génétique Population de P gènes initiaux P=50 à 100 (chaque gène : 128 pixels) Sélection des meilleurs en fonction de critères choisis Population survivante mutation croisement Population de la génération suivante Sans changement Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Conclusion Merci Antoine Monmayrant, Sébastien Weber, Bertrand Girard Manuel Joffre et Nicolas Forget Les différents collègues du domaine Tutorial en préparation : J. Phys. B : At. Mol. Phys. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

Complexité: une définition simple Double contrainte: bande spectrale limitée et résolution finie. Dire que complexité varie beaucoup entre qques milliers pour acousto-optiques transverses et la dizaine pour des miroirs déformables. Weiner et al, JOSAB, 5, (8), 1988 Complexité élevée => impulsions fortement façonnées. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09