Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble) Irène Courtillot (Post/Doc CNRS,  sept. 2004) Vincent Fesquet (Doctorant) Jean-Paul Pique (DR CNRS) Jean-Louis Cheval (IE,  déc. 2004) Corinne Félix (IE, 30%)

Overview 1. The modeless laser for ELPOA  break saturation limitation Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)  transport of high power nanosecond lasers Visible Sm3+ fiber laser  dye laser  solid state laser

Incoherent excitation Maximum population of the 4D5/2 state : 1/6 (~17%) (Foy et al. 1995) 2. Saturation sodium transitions * 3S1/2  3P3/2 : 185 W/m2 (Foy et al. 95), 95 W/m2 (Morris 97) * 3P3/2  4D5/2 : 450 W/m2 (Foy et al. 95), 225 W/m2 (Morris 97) 3. Doppler/Hyperfine linewidth : ~ 3 GHz (1 GHz) 4. ~4 1012-0.5 1012 Na atoms (spot size: 50 cm) * January  column density: 2 109 at./cm2 * June  column density: 0.25 109 at./cm2 (Megis et al. 88) 5. For a return flux at 330nm > 7 105 photons/s/m2 (Schöck et al. 2001) We must excite all the velocity classes  two 20 W modeless lasers (15 kHz, 50 ns, 589 +569 nm)

A modeless laser for unsaturated sodium excitation J. P. Pique et al A modeless laser for unsaturated sodium excitation J.P. Pique et al., JOSA B (2003) Temporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic model s = homogeneous absorp. cross section N1, N2= population of levels 3S1/2, 3P1/2 F= laser photon density Fluorescence of the D2 star (589 nm) At least, we expect a mult. factor of 10 for the UV (330 nm) star intensity

Remarkable properties of an accoustoptic modulator index grating (spectral filter ≡ Lyot filter) frequency shifter (2na after one round-trip) Kowalski et al. (1988) Ring cavity: progressive wave Closed on 0th order Pump power: 8 W Dn: 30 GHz na=40 MHz This work Linear cavity: standing wave Closed on 1st order Pump power: 3 W Dn: 3 GHz

1. Laser Sans Mode but : s’affranchir de la saturation de Na J. P 1.Laser Sans Mode but : s’affranchir de la saturation de Na J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003) M3 Modeless oscillator AOS n<-->n+2F Dye jet 1 F cw-YAG, 3W M1 FP M2 Etoile Laser 5 fois plus intense On excite toutes les classes de vitesse Ordre 0 Ordre 1 Spectre de la raie laser Oscillator (modeless): 3 GHz = Dn(D2)

Modeless laser model Photon density Spontaneous emission Losses Stimulated emission G(n): gain by molecule Ns: nb. excited molecules tc: round trip time na: acoustic frequency

Pump Laser : CuHBr orYAG 1.Laser Sans Mode but : s’affranchir de la saturation de Na J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003) M3 Ampli Mode coupling Pump Laser : CuHBr orYAG Jet l/2 jet QS-YAG 15kHz, 80 ns, 2W Preampli lmètre Modeless oscillator AOS n<-->n+2F Dye jet 1 F cw-YAG, 3W M1 Lyot FP M2 Oscillator (modeless): 3 GHz = Dn(D2) Intracavity preamp.: M2 ≥1.05, gain~104, 8 µJ/pulse  V. Fesquet Amplifier: 20-25 W (we hope an efficiency ~30%)  I. Courtillot All-optical, compact

Modeless laser with its preamplifier

LSP laser/ KECK laser Keck saturation F modulation osc. pump: 50 W preamp. pump: 50 W preamp: 4-8 µJ/pulse ampli: 4x60 W electronics big installation This work no saturation (star int. X 3) modeless osc. pump: 3 W preamp. pump: 2 W preamp: 5 µJ/pulse ampli: 1x60 W (we hope !) all-optical compact (2 channels on 1 table) AOS cw-YAG 3W FP QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W l/2 l 1 AOS cw-YAG 3W FP QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W l/2 l 1

Overview 1. The modeless laser for ELPOA  break saturation limitation Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)  transport of high power nanosecond lasers Visible Sm3+ fiber laser  dye laser  solid state laser

Fibre PCF à cœur plein : F ~ 30 µm  Raman (SiO) ~ 0.3-1 W 2. Fibre creuse à cristal photonique 2D HC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal Fiber Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, 569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz) Fibre monomode : F ~ 3µm  Raman (SiO) ~ 3-10 mW Fibre PCF à cœur plein : F ~ 30 µm  Raman (SiO) ~ 0.3-1 W Fibre HC-PCF : cœur d’air ou vide (P. Russell 2001)  Raman négligeable  seuil de dommage très élevé  interface d’entrée air/air (réflexion de Fresnel très faible <10-3)  dispersion nulle (large bande) Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux) (« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance ») 100 kW crête démontré à 800 nm ! l=580 nm; pertes: 0.3dB/m; 95% énergie dans l’air

Overview 1. The modeless laser for ELPOA  break saturation limitation Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)  transport of high power nanosecond lasers Visible Sm3+ fiber laser  dye laser  solid state laser

Il n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visible 2 projets Lasers Fibres pour LGS: LLNL: diode laser à 938 nm + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à AL) + laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) + ampli à fibre à 1583 nm + somme de fréquences dans un cristal PPLN ESO: laser à fibre à 1178 nm (monomode) + ampli Raman (silice pompée à 1020 nm) + doublage de fréquence dans un cristal PPLN Il n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visible

3. Laser à Fibre dopée Sm3+ Université de Leeds : Préforme Objectif: Etude d’un Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nm Université de Leeds : Préforme IPHT Jena : Fibre LSP : Laser I. Ion Sm3+ L’émission de l’ion Sm3+ dépend fortement du verre hôte Peut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µm Figure 1

3. Laser Visible à Fibre dopée Sm3+ II. Etude théorique et expérimentale d’un Laser à fibre dopée Sm 3+ Fibre dopée Sm 3+ Réseau de Bragg Rmax R < 1 pompe Diode laser collimatée Structure: double gaine Pompage: diode multimode l: visible (dont 589 et 569 nm) Largeur spectrale: 3 GHz (1 GHz) Autres applications : laser de pompe, micro-usinage … Gaine externe Cœur dopé Sm3+ Gaine interne Entaille à 90 ° Remarques: 300 W (monomode) ont été démontrés avec l’ion Yb (1.04 µm) 2. Un absorbant saturable peut être incorporé dans le cœur de fibre  laser picoseconde

Alternative 330 nm excitation for tip-tilt (b) Laser 1 3S1/2 4P3/2 4S1/2 D2 UV D1 Laser 2 3P3/2 3P1/2 4D5/2 D3 Figure 1 : a) monochromatic LGS (high order) b) alternative for independant tip-tilt correction 100% adiabatic transfert ? back emission ? (increase solid angle collection ?) Advantages: Only one laser channel (cheaper, reliability …) if 330 nm laser launch through telescope, we just need to observe the 589 nm star tip-tilt system independant from monochromatique LGS system not security problem (330 nm is not transmited through windows)

Résumé 1. Laser Sans Mode  s’affranchir de la saturation intrinsèque à l’atome de sodium  2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W) Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF)  collaboration avec l’équipe de D. Pagnoux de l’IRCOM  transport de faisceaux lasers de puissance 3. Expérience à l’OHP  démontrer la possibilité de corriger en temps réel le « tip-tilt » à l’aide d’une étoile laser polychromatique  OA = seul miroir « tip-tilt » (D/r0 ~ 3) 4. Laser à Fibre dopée Sm3+ émettant dans le visible  s’affranchir des lasers à colorant

Fin End