Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Ambre NELET

Introduction générale Laser MégaJoule-LMJ Projet HiPER (UE) Fusion par Confinement Inertiel-FCI Allumage rapide? Pré-amplicateur Technique OPCPA Source d’énergie Centrale nucléaire Potentialité? PETawatt Aquitaine Laser-PETAL Réactions nucléaires Défense Astrophysique…

Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Puissance = Énergie Temps Accroître la puissance d’un laser Énergie Système régénératif Système multipassage Milieu laser Gain simple passage faible Stockage d’énergie Charge thermique critique Émission parasite (ASE) Contraintes Temps Technique OPCPA Cristal non-linéaire Élevé Transfert d’énergie Négligeable Fluorescence paramétrique Réponse

Introduction ωp= ωs+ ωi «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Signal amplifié Recompression: Haute puissance crête CPA+OPA = OPCPA Dubietis et al., Opt. Comm. 88, 437-440 (1992) Source pompe - ωp Haute énergie OPA Cristal non-linéaire (2) Pompe déplétée Onde complémentaire - Idler - ωi Haute énergie ωp= ωs+ ωi CPA: impulsion étirée Source signal - ωs Impulsions ultracourtes

Introduction Gain OPA «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Gain OPA Module du gain OPA Phase du gain OPA lorsque Configuration dégénérée / non-dégénérée

Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Extraction énergie Cavité Train d’impulsions Pré-amplificateur OPCPA De nouvelles fonctionnalités et finalités Rétrécissement spectral Ip(t) Mise en forme spatio-spectrale Impulsion ultracourte Désaccord de phase Codage spectral de l’amplification PPLN de type éventail

Amplification et duplication d’impulsions ultracourtes par OPCPA Motivations Extraction d’énergie et duplication Cavité Onde idler

Montage 290 ps (c) (a) (d) (b) Verdi Oscillateur Ti:Saphir 830 nm Ascenseur Verdi Oscillateur Ti:Saphir 830 nm 180 fs 76 Mhz l/2 Réseau Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz 50% /2 Prisme de recompression (c) (a) BBO f=1m Isolateur de Faraday Cavité OPA Réseau Polariseur Photodiode R1=∞ R2= 20 cm Idler 1,48 µm BBO Pompe 532 nm Signal 830 nm externe (b) Ascenseur (d) Pockels Caméra Absorbeur de faisceau 290 ps

Principe Pompe 532 nm, 6ns BBO Signal 830 nm, 290 ps Idler 1,48 µm 1,5ºinterne2,4º R1= ∞ R2= 20 cm Pompe 532 nm, 6ns Multi-passage BBO Photodiode externe Signal 830 nm, 290 ps Idler 1,48 µm Déplétion onde pompe Simple-passage

Résultats expérimentaux Gain en énergie Signal étiré: 1,3 nJ / impulsion Multipassage: 3.105 nJ / train Simple passage ~250 Multi-passage >2.105 Gain en énergie: interne=2,4° Spectre typique Signal entrée Spectre moyen multipassage OPO 6 nm sans rétrécissement spectral 15 nm avec gain constant Accordabilité i p s i’

Résultats expérimentaux Durée d’impulsion typique 6 nm Signal entrée Mesure Fit gaussien (a) τ = 178 fs (b) 6 nm Train de répliques amplifiées, =2° (c) τ = 183 fs (d)

Résultats expérimentaux Influence de l’angle d’interaction (a) Angle d’interaction Acceptance spectrale BBO type I Pp= 300 MW/cm² (b) Plage spectrale:

Résultats expérimentaux Taux de répétition externe i p s Longueur de cavité: 15 cm Cadence: 1 GHz Ajustable 160 MHz<Cadence<3GHz Onde idler haute énergie Train de répliques amplifiées du signal Haute énergie Haute cadence Accordable Conclusion Extraction d’énergie et duplication Cavité

Mise en forme spatio-spectrale du signal par mise en forme temporelle du faisceau pompe et OPCPA Motivations Rétrécissement spectral par le gain Pré-amplicateur Amplificateur de puissance Mise en forme spectrale Pré-amplificateur Pompe Ip(t)

Montage: maquette de Petal (b) Mise en forme temporelle Générateur de fonctions d’onde + Modulateur électro-optique +Amplificateur fibré Pompe Amplificateur régénératif Nd:phosphate à lame de phase, doublé en fréquence λp=527 nm / 35 mJ / 3 ns Coupe spatiale Spectre OPA α Signal Amplificateur régénératif Ti:saphir λs=1054 nm / Δλs=5 nm / 500 ps / 150 μJ

Mise en forme du signal Domaine spatial Domaine spectral Faisceau pompe Faisceau signal (b) FWHM=9 nm (a) Domaine spectral Et la phase spectrale? Onde signal

Validation: phase spectrale OPA? Phase du gain OPA Sur maquette or lorsque Signal pré-amplifié et pré-sculpté par NOPCPA et modulation temporelle de la pompe Influence sur la puissance crête ΦOPA non-compensée Compresseur compensée Puissance Crête? Amplificateur régénératif Milieu laser Conservation du spectre

Validation: phase spectrale OPA? Simulations numériques (a) Profil temporel pompe (b) Profil temporel signal (c) Phase OPA signal (d) Après chaîne de puissance Contrôle ΦOPA Chaîne de puissance Conservation du spectre OPCPA - Ip(t) Mise en forme spatio-spectrale + ΦOPA Conclusion Initial 15% 50% 80%

OPCPA et codage spectral de l’amplification Motivations Phase OPA additionnelle Gain supérieur Cristal à polarisation périodique Cristal de type éventail Codage spectral de l’amplification

Amplification homogène de toutes les composantes Motivations Cristal non-linéaire classique Grande acceptance spectrale deff L Δk≠0 sauf à ωs0 Mais gain OPA limité par deff élevé Cristal à polarisation périodique 2 4 6 8 Amplitude du champ amplifié [u.a.] Distance z/Lcoh (a) (b) (c) Monodomaine Polarisations périodiques Mais faible tolérance spectrale Amplification homogène de toutes les composantes spectrales De type éventail Adressage spectral Ligne à dispersion nulle

Montage (c) (a) (d) (b) Verdi Oscillateur Ti:Saphir 805 nm 180 fs Ascenseur Verdi Oscillateur Ti:Saphir 805 nm 180 fs 76 Mhz l/2 Réseau Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz 50% /2 Prisme de recompression (c) (a) BBO f=1m Isolateur de Faraday Ligne 4f OPA Réseau Polariseur Photodiode PPLN Pompe 532 nm Signal 805 nm (b) amplifié étiré Ascenseur (d) Pockels Caméra Absorbeur de faisceau Vérifier lentilles cylindriques mise en forme faisceaux

Choix du cristal (b) (a) Type I ooe LiNbO3 congruent – PPLN Taille des périodes Coût LiNbO3 congruent – PPLN sip=yyz T>350 K (a) 390 K 370 K 350 K 431,5 K 353 K (b) 15 mm 30 mm 0,5 mm y x z Face +z (a) (b)

Simulations Influence de la répartition gaussienne de la puissance surfacique (a) Puissance surfacique du faisceau pompe (b) Gain spectral signal τ168 fs τ 674 fs (d) FWHM x 4 Autocorrélation signal 5,7 nm 1,3 nm (c) FWHM/4,4 Spectre signal Initial Amplifié

Résultats expérimentaux Dispersion Pp=225 MW/cm² T=156°C Gain spectral Fit gaussien (c) Gain global (b) Gain (a) PPLN éventail Dispersion mesurée Spectre et durée calculés 5,7 nm 2,6 nm FWHM/2,2 Signal entrée Signal amplifié (d) Spectre τ=168 fs τ372 fs FWHM x 2,2 (e) Autocorrélation

Optimisation Conclusion Démonstration Simulations: répartition puissance surfacique adaptée (a) Puissance pompe et gain spectral Spectre signal Initial Amplifié 5,7 nm (b) τ=168 fs τ233 fs (c) Autocorrélation signal Initial Amplifié Conclusion Démonstration Adressage spectral du gain Rétrécissement spectral par le gain de l’OPA

Conclusion générale Réalisation Amélioration Perspective Pré-amplificateur OPCPA Réalisation Amélioration Perspective -Train de répliques amplifiées (Hautes intensité & cadence, Accordable) -Modèle acceptance spectrale fonction de l’angle α -Robustesse -Précision angle α Chaîne FCI -Mise en forme spatio-spectrale -Simulations phase spectrale OPA -Amplificateur de puissance -Recompression Mesure de la phase spectrale Chaîne type Petal -Amplification par codage spectral -PPLN en éventail+ligne 4f -Rétrécissement spectral par le gain OPA Chaîne moyenne puissance -Montage -Cristal -Recompression Mesure de la phase OPA

Application: «ultrafast picket fence» Fusion par confinement inertiel D+T Impulsions UV Foot Drive Ablation de la surface Saturation: Conversion élevée Conversion faible KDP Solution: maintenir une illumination quasi-constante Efficacité globale restreinte Train d’impulsions ultra-rapide et haute cadence Drive Foot Ref.:J. E. Rothenberg, Appl. Opt. 39, 6931-6938 (2000)

Application: «ultrafast picket fence» Technique: OPCPA régénératif Idler Train de répliques amplifiées du signal Impulsion IR + Train d’impulsions ultrarapide Pompe Signal OPA Amplificateur de puissance Impulsion IR FCI

Caractéristiques Acceptance spectrale n=1 n≠1 Surface du cristal

Ligne à dispersion nulle Temporelle: autocorrélation 170 fs 148 fs Sortie Mira Signal après LDN 155 fs 169 fs Sortie Mira Signal après LDN+PPLN 5,7 nm Sortie Mira Signal après LDN+PPLN Spectrale

Ligne à dispersion nulle (a) Axe y (b) Signal Pompe Superposition spatiale des faisceaux (entrée PPLN) Axe z

Caractéristiques Spatiale: coupes tranverses des faisceaux (b) (a) y z (a) (b) Pompe y z (c) (d) Signal y z