Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Études de l’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage de modes dans les oscillateurs paramétriques optiques Nicolas Forget

Plan Introduction L’amplification paramétrique optique en quelques mots L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

Plan Introduction L’amplification paramétrique optique en quelques mots L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

Introduction Un problème concret : amplifier des impulsions courtes à 1054 nm impulsions courtes spectre large Ti:Saphir 100 fs 16 nm pour amplifier (>106) uniformément toutes les fréquences optiques, il faut un amplificateur large bande Nd:verre gain fort, faible bande Yb:verre gain moyen, faible bande Ti:saphir gain faible, large bande Insuffisant à cause du rétrécissement spectral par le gain

Introduction Une solution : l’amplification paramétrique optique (OPA) ? Les amplificateurs paramétriques optiques : large bande très fort gain accordables en longueurs d’onde transparents (moins d’effets thermiques) Bande de gain Ti:Saphir (à 820 nm) OPA LBO colinéaire (à 1054 nm) Bande de gain OPA LBO non colinéaire (à 930 nm)

Introduction Une solution : l’amplification paramétrique optique ? Ti:Saphir Polariseur Cellule de Pockels Nd:YAG ou rotateur de Faraday nJ mJ Cavité régénérative Dièdre Ti:S 1 nJ/1 mJ 532 nm f Amplificateur multipassage Nd:YAG 532 nm 1 nJ 1 mJ Cristal non linéaire OPA

Introduction Une solution à 1054 nm ? Gain > 1010 Énergie >1 J Largeur spectrale Qualité spatiale Haute cadence >kHz Phase spectrale ? Contraste temporel + Début thèse Première démonstration* Deja des travaux en 2002 : la technique marche Reste à savoir jusqu’à quel point : question du contraste * A. Dubietis, G. Jonusaukas and A. Piskarkas, Opt. Comm. 88 (1992)

et plus particulièrement Introduction La problématique du sujet de thèse Limites de la technique OPCPA ? Quel est le contraste temporel des impulsions amplifiées ? et plus particulièrement … et pourquoi pas … Peut-on générer des impulsions courtes directement à partir d’un oscillateur paramétrique optique pompé en régime continu ?

Introduction Les laboratoires d’accueil Catherine LE BLANC Ji-Ping ZOU Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Ville de Palaiseau Catherine LE BLANC Ji-Ping ZOU Université Paris-sud Ville d’Orsay

Introduction Les laboratoires d’accueil Emmanuel ROSENCHER Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Emmanuel ROSENCHER Michel LEFEBVRE Ville de Palaiseau Université Paris-sud Ville d’Orsay

Introduction Les laboratoires d’accueil Cyril DRAG Fabien BRETENACKER Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Cyril DRAG Fabien BRETENACKER Ville de Palaiseau Université Paris-sud Ville d’Orsay

Introduction Les laboratoires d’accueil Patrick GEORGES Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Ville de Palaiseau Patrick GEORGES Université Paris-sud Ville d’Orsay

Introduction … et de nombreuses collaborations Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Californie Igor JOVANOVIC Christopher P. G. BARTY Vincent BAGNOUD Jonathan D. ZUEGEL Laboratory for Laser Energetics, Rochester, New York

Plan Introduction L’amplification paramétrique optique en quelques mots L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

Impulsions synchronisées Physique de l’OPA Principe de l’amplification paramétrique optique (OPA) Pompe atténuée Signal amplifié Faisceau complémentaire Cristal non linéaire Faisceau pompe Faisceau signal Faisceaux superposés (spatialement) Impulsions synchronisées (temporellement) Accord de phase Transfert d’énergie + OPA = amplificateur paramétrique optique

Physique de l’OPA OPA et amplification laser Laser OPA Amplification paramétrique Grandeur pertinente fluence (J/cm²) intensité (W/cm²) Mécanisme résonnant oui non Accordabilité limitée (transition laser) Stockage de l’énergie milieu laser (µs, ns) impulsion de pompe (ns,ps) Saturation Jsat épuisement de l’énergie Gain petit signal exponentiel Pompage optique cohérent ou non cohérent Laser Relaxation non radiative OPA

Physique de l’OPA Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique  Longueur d’onde (µm) Pompe à 527 nm, 500 MW/cm² Angle pompe-signal (°)

Physique de l’OPA Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique  ~80 nm Longueur d’onde (µm) Pompe à 527 nm, 500 MW/cm² Angle pompe-signal (°)

Physique de l’OPA Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Longueur d’onde (µm) Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique  Angle pompe-signal (°)

Physique de l’OPA Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Longueur d’onde (µm) ~130 nm Pompe à 532 nm, 500 MW/cm² Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique  Angle pompe-signal (°)

Plan Introduction L’amplification paramétrique optique en quelques mots L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Étude d’un préamplificateur mJ à 1054 nm Étude du contraste temporel des impulsions amplifiées Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions et perspectives

OPCPA : principe Principe de l’amplification à dérive de fréquence (CPA) Idée maîtresse : abaisser l’intensité crête pour rester en dessous des seuils de dommage

OPCPA : principe Principe de l’amplification paramétrique à dérive de fréquence (OPCPA) OPCPA = OP(A) + CPA

Préamplificateur OPCPA Étude d’un préamplificateur OPCPA Sélecteur d’impulsions 10 Hz f=1m l /2 BBO 1 15 mm BBO 2 Dichroïque Signal 0.5 nJ, 2,3 ns, 15 nm, 10 Hz Oscillateur femtoseconde 250 mW , 80 MHz, 100 fs 1054 nm, Dl=15 nm Réducteur + filtre + imagerie Polariseurs Laser de pompe Signal 600 µJ Etireur 80 Mhz, 2.3 ns z vue de dessus Accord de phase de type I q s p - vue de face z Energie de pompe Compensation de la double réfraction Laser de pompe : 30 mJ, 7 ns, déclenché, injecté cavité instable (profil supergaussien)

Préamplificateur OPCPA Étude d’un préamplificateur OPCPA : vue du montage 30 mJ 7 ns 0,5 nJ 2,3 ns

Préamplificateur OPCPA Étude d’un préamplificateur OPCPA Gain x Énergie Largeur spectrale Qualité spatiale Contraste temporel Rendement de 2,3 % Amplification jusqu’à 600 µJ Gain théorique (régime linéaire) walk-off recouvrement Signal 150 µm Pompe 1.2 mm

Préamplificateur OPCPA Étude d’un préamplificateur OPCPA Gain x Énergie Largeur spectrale Qualité spatiale Contraste temporel non amplifié Coupe profil amplifié amplifié Ajustement gaussien Amplification jusqu’à 600 µJ walk-off recouvrement Signal 150 µm Pompe 1.2 mm

Préamplificateur OPCPA Étude d’un préamplificateur OPCPA 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (ua) Longueur d'onde (nm) Gain x Énergie Largeur spectrale Qualité spatiale Contraste temporel non amplifié complémentaire amplifié non amplifié 15 nm Oscillations parasites pour un gain trop important non amplifié

Préamplificateur OPCPA Nouveau montage préamplificateur OPCPA -800 -600 -400 -200 200 400 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (ua) Délai (fs) Autocorrélation du second ordre 265 fs (12 nm)

Préamplificateur OPCPA Conclusions des expériences sur le préamplificateur Bonnes performances mais : Point sensible de la technique : synchronisation laser de pompe – oscillateur fs Pour de faibles énergies de pompe, le rendement est limité par double réfraction Avec des gains >106, la qualité des traitements antireflets est critique Deux voies de recherche Amélioration du rendement (cristaux périodiquement retournés) Séjour au LLNL Etude du contraste temporel à grande dynamique I. Jovanovic, C. G. Brown, C. A. Ebbers, CP. J. B. Barty, N. Forget, C. Le Blanc, Opt.Lett. 30, 1036-1038 (2005)

Contraste temporel Mesure du contraste à grande dynamique Autocorrélation du second ordre Autocorrélation du troisième ordre -800 -600 -400 -200 200 400 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensité (ua) Délai (fs) Mesure expérimentale Impulsion Piédestal Post-impulsion (artefact) Ajustement Gaussien 265 fs Fond de 10-7 à 100 ps Piédestal inattendu !

Amplificateur régéneratif Contraste temporel Première mesure (historique) du contraste à grande dynamique - 160 140 120 100 80 60 40 20 1E 11 10 9 8 7 6 5 4 3 0,01 0,1 1 Amplificateur régéneratif chaîne 100 TW du LULI Corrélation croisée normalisée Délai (ps) OPCPA LLE seuil de détection Fond à 10-8 Piédestal long (60 ps) Limite quantique ! ? V. Bagnoud, J. D. Zuegel, N. Forget, C. Le Blanc, “High-dynamic-range temporal measurement of short-pulses amplified by OPCPA”, IFSA 2005 soumis à Optics Express

Contraste temporel Piédestal : quelles explications ? Mauvais contraste oscillateur ? Effet de coupure spectrale ? Fluorescence ? Autre phénomène lié à l’OPA ? Modélisations et mesures Nouveau montage

Impulsions de 750 ps amplifiées de 200 µJ à 6 mJ Contraste temporel Montage dédié à l’étude du contraste Laser de pompe Cavit é r g n rative Diagnostics OPA I OPA II Etireur Compresseur PC MD l /2 TFP GP PG Oscillateur femtoseconde Pilote de la cha î ne 100 TW Autocorrélateur Impulsions de 750 ps amplifiées de 200 µJ à 6 mJ

Contraste temporel Mesure du contraste avec et sans amplification paramétrique 1052 1054 1056 1058 1060 1062 1064 1066 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Intensité spectrale normalisée Longueur d'onde (nm) 6 mJ 6 mJ 200 µJ Bruit ? 300 µJ Conclusion : le piédestal est lié à l’amplification paramétrique – même à faible gain Hypothèse : peut-on relier ce phénomène aux modulations spectrales observées ?

Contraste temporel Les modulations spectrales suffisent-elles à expliquer le piédestal ? Calcul à partir des spectres expérimentaux Mesure expérimentale Conclusion : le piédestal est induit par les modulations spectrales

Contraste temporel Mécanisme proposé : x = TF qques ps I(t) pompe I(t) signal recomprimé qques 10 ps x = TF I(t) signal étiré I(t) signal étiré amplifié

Contraste temporel Conclusions de l’étude sur le contraste l’OPCPA permet d’atteindre un meilleur contraste à + de 100 ps des modulations temporelles rapides (quelques ps) de l’impulsion de pompe sont transférées sur les spectres amplifiés et induisent un piédestal dans le domaine temporel après recompression le gain est instantané dans un OPA : il faut donc des impulsions de pompe sans structures spatio-temporelles et parfaitement « lisses » temporellement il faut considérer deux sources de bruit en OPCPA : un bruit incohérent d’origine quantique : la fluorescence un bruit cohérent : le bruit d’intensité des impulsions de pompe N. Forget, A. Cotel, E. Brambrink, P. Audebert and C. Le Blanc, «Pump-noise transfer in optical parametric chirped-pulse amplification» accepté à Optics Letters (2005)

I(t) signal recomprimé Contraste temporel Quelles améliorations possibles ? Améliorer l’injection (couplage, puissance) Utiliser un laser de pompe à modes bloqués Utiliser comme pompe une chaîne CPA Mais ces solutions n’évitent pas les modulations temporelles induites par l’émission spontanée amplifiée (ASE ~ 10-3-10-5) : I(t) signal recomprimé ~largeur spectrale du milieu à gain utilisé pour le laser de pompe dérive de fréquence de l’impulsion signal

Plan Introduction L’amplification paramétrique optique en quelques mots L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions

OPO à modes bloqués Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité Pourrait-on aller jusqu’à remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ? Modulateur optique Impulsion fs à 1054 nm Pompe cw 532 nm Et puisque la technique marche, pourquoi pas en mettre partout ? Ti:S

OPO à modes bloqués Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité Pourrait-on aller jusqu’à remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ? Modulateur optique Impulsion fs à 1054 nm Pompe cw 532 nm Et puisque la technique marche, pourquoi pas en mettre partout ? OPA Avec quels bénéfices ? nouvelles sources primaires ultra-courtes : jusqu’à quelques fs sources accordables sur tout le spectre IR Oscillateur paramétrique optique verrouillé en modes

OPO à modes bloqués Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO Une idée neuve ? premier article théorique en 1974 ! M. F. Becker, D. J. Kuizenga, D. W. Phillion and A. E. Siegman, « Analytic expressions for ultrashort pulse generation in mode-locked optical parametric oscillators », J. Appl. Phys. 45 (1974) OPO ultra-court depuis 1995 G. M. Gale, M. Cavallari, T. J. Driscoll and F. Hache, « Sub-20-fs tunable pulses in the visible from an 82-MHz optical parametric oscillator », Opt. Lett. 20 (1995) mais jamais réalisé en continu

OPO à modes bloqués Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO M4 M4 Modulateur acousto-optique M3 M3 M2 M2 M1 M1 532 nm 532 nm MC MC PPLN: PPLN: MgO MgO MC MC f f PG PG l l /2 /2 Modèle simple : en OPO simplement résonnant on peut produire des impulsions de quelques ps

Favorable pour supporter des impulsions courtes OPO à modes bloqués Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO Seuil x2 Spectre émis par l’OPO en quasi-continu pompe 1064 nm OPO 40 nm Seuil : 130 mW Favorable pour supporter des impulsions courtes OPO doublement résonnant, cavité courte

OPO à modes bloqués Vue du montage

OPO à modes bloqués Résultats expérimentaux Sans modulation Avec modulation acousto-optique Train d’impulsions

OPO à modes bloqués Résultats expérimentaux N. Forget, S. Bahbah, C. Drag, M. Lefèbvre, F. Bretenacker and E. Rosencher, soumis à Optics Letters

OPO à modes bloqués Mais…. pas de régime stationnaire strict pompe 4,5 Au seuil (1,6 W) 4,0 Pompe 1,8 W Pompe 2,3 W 3,5 Pompe 2,4 W 3,0 2,5 2,0 Durée des impulsions (ns) 1,5 1,0 0,5 0,0 80 100 120 140 160 180 Durée depuis début impulsion de pompe (µs) Élargissement des impulsions : de 550 ps à 4 ns (photodiode 50 ps, oscilloscope 2,5 GHz) Fond continu

OPO à modes bloqués Explications possibles : t=0 tc ts t Écart au modèle : OPO doublement résonnant Modulation impulsion signal t=0 tc ts temps puissance complémentaire t dispersion dispersion Avec un modèle simple pour un OPO doublement résonnant impulsions de 200-300 ps.

OPO à modes bloqués Explications possibles pour l’élargissement des impulsions : dérive en fréquence de la pompe mesuré effets thermiques ou photoréfractifs détecté effets de « clusters » double résonnance délétère en DROPO Contre-expériences en cours avec un laser continu à 532 nm Conclusion de l’étude : il est possible de transposer la technique de verrouillage de modes actif des lasers aux OPO

Plan Introduction L’amplification paramétrique optique en quelques mots L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués Conclusions et perspectives

Conclusions Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques OPCPA : quelques limites d’un préamplificateur mJ en BBO à 1054 nm mesure et interprétation du contraste temporel des impulsions amplifiées par OPCPA OPO-ML : démonstration du verrouillage de modes dans un oscillateur paramétrique optique doublement résonnant pompé en régime continu

Perspectives Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques OPCPA : une technique prometteuse pour des sources ultra-intenses laser de pompe intense, mis en forme spatialement et temporellement, peu bruité et synchronisé ! incontestablement le point « dur » de la technique OPO-ML : une voie intéressante pour développer des sources primaires ultra-courtes et accordables en fréquence

Perspectives Gain instantané et local Profil spatial du signal amplifié Profil spatio-temporel de la pompe Délai 1 750 ps Délai 2 Délai 1 Délai 3 Temps (ns) Délai 2 Avant de conclure, j’ouvre une parenthèse L’opcpa est une technique sensible à lq structure spatio temp et pourrait être utilisée pour…. Délai 3 Espace (mm) Caméra à temps de pause ultracourt (1 ps – 1 ns) ?

Brigitte ATTAL-TRETOUT Remerciements Patrick GEORGES Michel LEFEBVRE Emmanuel ROSENCHER Catherine LE BLANC Cyril DRAG Fabien BRETENAKER Ji-Ping ZOU Alain MIGUS François AMIRANOFF Pierre TOUBOUL Brigitte ATTAL-TRETOUT Pierre PILET John COLLIER Eric FREYSZ Benoît BOULANGER

Merci à tous Philippe BARANGER Alexandre BRESSON Aude DESORMEAUX Jean-Pierre FALENI Antoine GODARD Riad HAIDAR Ajmal KHAN MOHAMED KUPECEK Jean-Michel MELKONIAN Myriam RAYBAUT Isabelle RIBET Sofiane BAHBAH Christophe BLONDEL Louis CABARET Walid CHAIBI Christian DELSART Benoît LANTIN Jean-Louis LE GOUET Roger LEROUX Patrice LEROY Ivan LORGERET Anne LOUCHET Jacques LUCE Gabriel MENNERAT Emmanuel HUGONNOT Claude ROUYER

Merci à tous Kahina Sarah ABDELI Sylvie JACQUEMOT Julie ALBRECHT JANICOT-PROCHASSON Patrick AUDEBERT Batiste JANVIER Didier BALCON Mohamed KARROUCHE Elsa BAYNARD Michel KOENIG Olivier BEKKA Jean Claude LAGRON Alessandra BENUZZI-MOUNAIX Catherine LE BRIS Hélène BONDIGUEL Stéphanie LE MOAL Jean-Michel BOUDENNE Joseph MALTESE Rodrigue BOUILLAUD Brigitte MARCHESIN Séverine BOUQUIN Luc MARTIN Gilbert BOURDET Jean-François MENGUE Erik BRAMBRINK Alain MICHARD Jean-Luc BRUNEAU Jean-Marie MORCHAIN Daniel CAVANNA Virginie MULTAN Jean-Christophe CHANTELOUP PAILLARD CHATEAU Eric PAILLASSA Claude CHENAIS-POPOVICS Horia POPESCU Arnaud COTEL Jean-Pierre PROTAT Domingos DA SILVA ALVES Marc RABEC LE GLOAHEC Jean-Paul DA SILVA NUNES RAVASIO Cyril DAMBRINE Christian SAUTERET DEVAUX Anne-Marie SAUTIVET Sandra DORARD Sylvain SAVALLE Laurence DROUEN Corinne SERRA Emmanuelle DUFOUR François SIMON Laurent ENNELIN Stève SIMOND Julien FUCHS Danielle SMADJA Annabelle FULOP THEBAULT Christophe GODINHO Henri TIMSIT GOUEDARD Edouard VEUILLOT Bruno HIRARDIN Bernard VINCENT Ji-Ping ZOU Merci à tous

Et pour vous remercier : le pot de thèse Salle de réunion du LULI (bât. 403)