Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm Frédéric Druon & Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France JNOG 2004

Dispositif expérimental Compression d’impulsions Limitation Conclusion Plan Principe Dispositif expérimental Compression d’impulsions Limitation Conclusion JNOG 2004

Principe Lasers à base de cristaux dopés Yb3+ efficaces, mais durée ≈100fs ID: réduire la durée par élargissement spectral (SPM) puis compression Laser Fibre compresseur Automodulation de phase (SPM) Dispersion anormale Élargissement spectral Remise en phase du spectre JNOG 2004

Problématique Problème: les lasers dopés à l’Yb3+ émettent vers 1µm : Forte dispersion de vitesse de groupe (GVD) dans les fibres « classiques » à cette longueur d’onde Durée (ps) Intensité (u.a.) Propagation (m) Zone effective pour effets NL JNOG 2004

Utilisation de fibres microstructurées Qu’est ce que c’est ? Silice Air Défaut de périodicité (cœur) fibre en silice à trous avec une structure périodique souvent en nid d’abeille Photos : http://www.blazephotonics.com/ JNOG 2004

Dispersion dans les fibres microstructurées Silice Dispersion-zero accordable Fibres classiques Dispersion (ps/km.nm) Contrôle de la dispersion du mode => Contrôle de D=0 Longueur d’onde (µm) JNOG 2004

Fibre utilisée Fibre utilisée D=0 @ 1065 nm Laser (1070 nm) Diamètre de cœur : 5 ± 0.2 µm Longueur : 20 cm Efficacité de couplage: ≈30% 50 25 D [ps/nm/km] Laser (1070 nm) -25 950 1000 1050 1000 1150 1200 Longueur d’onde [nm] JNOG 2004

Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide, Laser femtoseconde Cristal Cristal Miroirs dichroïques Yb:SYS Yb:SrY4(SiO4)3O x6 16 mm 80 mm SESAM // junction Diode Laser 4 W Dopage: 5.5% Longueur: 3mm Prisme (SF10) Fente Prisme (SF10) Coupleur de sortie Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide, Paris, France Durée: ≈110 fs Longueur d’onde: 1070 nm Dt.Dn: 0.37 Puissance moyenne: 400 mW Cadence: 98 MHz F. Druon & al., Opt. Lett. 27 1914-1916 (2002). JNOG 2004

Schéma global Diamètre de cœur: 5 ± 0.2 µm Longueur: 20 cm Compresseur à prismes Oscillateur femto (400 mW, 110 fs, @ 1070 nm) 30 mW Yb:SYS Prisme (SF10) ≈20 fs SESAM Prisme (SF10) Laser Diode (4W) Prisme (SF10) Coupleur de sortie dièdre l/2 l/2 Prisme (SF10) 8 mm 4 mm 110 fs Fibre microstructurée Faisceau Diamètre de cœur: 5 ± 0.2 µm Longueur: 20 cm Couplage Maximum: 30% Zéro dispersion: 1065 nm Courteously provided by JNOG 2004

Élargissement spectral dans la fibre par SPM Puissance couplée dans la fibre Spectres (log) Longueur d’onde JNOG 2004

Comparaison avec le modèle : le spectre 1 Théorie: SPM seule (46 mW) 0,8 Théorie: SPM, TOD, SS (46mW) Expérience (45 mW) 0,6 Puissance (a.u.) 102 nm 0,4 0,2 950 1000 1050 1100 1150 1200 Longueur d’onde (nm) Asymétrie due à la dispersion du 3ème ordre (TOD) et au self-steepening (SS) JNOG 2004

Comparaison avec le modèle : autocorrélation Impulsion théorique Expérience (45mW) Théorie (46mW) Délai (fs) Puissance (u.a.) Puissance (u.a.) Durée (fs) Relativement bon accord => durée ≈ 21 fs JNOG 2004

Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de l’impulsion Spectre expérimentale algorithme de minimisation PICASO autocorrélation X expérimentale Données initiales : Solution théorique PICASO method : J.W. Nicholson & al., Opt. Lett. 1774-76 (2003) Impulsion retrouvée Méthode précise mais converge mal si impulsions satellites importantes JNOG 2004

Impulsions compressées Autocorrélation Impulsion retrouvée Expérience Théorie PICASO PICASO (20fs) Théorie (21fs) PICASO (phase) Théorie (phase) Puissance (u.a.) Puissance (u.a.) Délai (fs) Durée (fs) Durée de l’impulsion : 20 ± 1 fs 45 mW après la fibre Puissance moyenne 30 mW après le compresseur JNOG 2004

Optimisation durée / impulsions satellites Déphasage SPM : FSPM=gPpL 2p p Avec l’autocorrélation interférométrique Avec PICASO Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Puissance couplée (mW) Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%) Optimum : Avec satellites < 20%: FSPM≈2p Équivalent à ≈45 mW couplés durée : 20±1 fs JNOG 2004

Limitation due à l’effet Raman 1er Raman 2nd Raman Spectres (log) Limitation spectrale et donc de la compression Longueur d’onde Autodécalage en fréquence de soliton (Soliton Self-Frequency Shift) À cause de l’effet Raman Stimulated Raman Scattering JNOG 2004

Qualité temporelle des impulsions Délai (fs) Puissance (u.a.) expérience théorie Autocorrélation 70 mW Nombreuses impulsions satellites Zoom expérience théorie Limitation donnée par le modèle < 5 fs Puissance (u.a.) Limitation expérimentale > 11 fs Délai (fs) JNOG 2004

Synthèse des limitations FSPM=gPpL 2p 3p 4p 5p p Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Décalage Raman Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%) Décalage Raman (nm) Puissance couplée (mW) Limitation des satellites : 20 fs Limitation Raman :11 fs JNOG 2004

Conclusion et perspectives Technique simple de compression 20±1 fs expérimentalement obtenues bon accord avec le modèle Technique efficace Limitations Impulsions satellites Auto décalage de fréquence dû à l’effet Raman Prévisions avec le modèle oscillateur avec 50 fs conduirait à des impulsions <15 fs avec des satellites d’amplitude faible JNOG 2004

Extra JNOG 2004

Théorie I compression avec des impulsions de 100 fs p 2p 3p XFROG[Efiber,Einput] XFROG[Ecompressed,ETF] - XFROG[ETF,ETF] FSPM 950 1000 1050 1100 1150 1200 300 200 100 -100 -200 -300 900 1300 longueur d'onde (nm) Délai (fs) 1 -0.5 0.5 Visualisation spectro-temporelle : Porte temporel résolue en fréquence R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, "Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating," Rev. Sci. Instrum. 68, 3277-3295 (1997). JNOG 2004

Théorie II compression jusqu’à 20 fs XFROG[Efiber,Einput] XFROG[Ecompressed,ETF] - XFROG[ETF,ETF] Dti 950 1000 1050 1100 1150 1200 200 150 50 -100 -150 -200 500 400 100 -400 -500 300 -300 longueur d'onde (nm) Délai (fs) 1 -0.5 0.5 Amplitude du premier satellite Durée des impulsions incidentes (fs) Produit : Dt.Dn Durée des impulsions incidentes (fs) JNOG 2004

Asymmetry : third orders of dispersion (TOD) and self-steepening (SS) Pure SPM Spectrum Power Wavelength SPM, TOD, SS Spectrum Power Wavelength JNOG 2004

Impulsion après compression autocorrélations Interferometriques durée : 22.5 fs ± 3 fs JNOG 2004