J. Boullet1, Y. Zaouter1,2, E. Mottay2, S. Petit1 et E. Cormier1 Amplificateurs fibrés à dérive de fréquence dans le régime linéaire et non-linéaire : application à la haute puissance J. Boullet1, Y. Zaouter1,2, E. Mottay2, S. Petit1 et E. Cormier1 1 CELIA, Université Bordeaux 1, France 2 Amplitude Systèmes, Pessac, France E. Cormier JNOG 2008

Plan Motivations Solutions technologiques Système FCPA très forte énergie FCPA Classique FCPA non-linéaire Conclusions E. Cormier JNOG 2008

Applications des lasers à fibres femtoseconde: INITIAL GOAL Procédés lasers et micro-usinage  10 à 100 µJ, 100 kHz à 1 MHz, grande qualité de faisceau Physique attoseconde: mesure d’évènement rares: Génération d’impulsions XUV à très haute cadence  I = 1014 W/cm2, 100 kHz à 1 MHz, t < 300 fs Amplification paramétrique optique (OPA, OPCPA, …)  100 kHz, 10-100 MW, qualité du faisceau et du front d’onde E. Cormier JNOG 2008

Production de rayonnement g ou X par diffusion Compton Applications des lasers à fibres femtoseconde: INITIAL GOAL e- hn g Production de rayonnement g ou X par diffusion Compton  180 MHz, 100 W, 4 ps Theory Experiment Champ fort en physique atomique et moléculaire  I = 1014 W/cm2, 100 kHz à 1 MHz, t < 100 fs E. Cormier JNOG 2008

Vers des sources lasers femtoseconde de 100 W moyen Performances requises: INITIAL GOAL Pulse quality: TEM00 Pulse duration: <300 fs Pulse energy: 1-1000 µJ Repetition rate 100 kHz - 1 MHz Average power up to 100 W Vers des sources lasers femtoseconde de 100 W moyen  Amplificateurs à fibres dopées et à dérive de fréquence E. Cormier JNOG 2008

Réduction des effets non-linéaires Contraintes et solutions: INITIAL GOAL Beaucoup d’énergie Impulsions courtes Propagation dans une fibre monomode  Effets non linéaires majeurs (SPM, SRS, Autofoc, …) Réduction des effets non-linéaires Dans le temps: Technique CPA Dans l‘espace: Fibres à large coeur E. Cormier JNOG 2008

Fibres microstructurées Rod type ON gaine = 0.7 22 db/m 0.5 à 1.5 m Fused silica Ø = 1.2 mm E. Cormier JNOG 2008

Amplification à dérive de fréquence: D. Strickland and G. Mourou, “Compression of amplified optical pulses,” Opt. Comm. 56, 3, 219 (1985). E. Cormier JNOG 2008

FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell 1 min 15 sec E. Cormier JNOG 2008

FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell P = 50 W @ 50 kHz E ~ 1 mJ p ~ 800 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell Röser et al OL 32, 3495 (2007) E. Cormier JNOG 2008

FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell P = 1 W @ 150 kHz E ~ 6 mJ p ~ 240 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell Wise et al OL, E. Cormier JNOG 2008

FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell P = 30 W @ 300 kHz E ~ 100 mJ p ~ 270 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell E. Cormier JNOG 2008

FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell P = 12 W @ 100 kHz E ~ 125 mJ p ~ 280 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell E. Cormier JNOG 2008

Différents régimes de CPA Régime linéaire Régime non-linéaire Intégrale B Systèmes FCPA classiques FCPA faiblement non-linéaires FCPA non-linéaires Dt = 300 - 1000 fs E ~ 100 – 1000 µJ Ppower ~ 300-1000 MW Large setup B = 0-2p Dt ~ 250 fs E ~ 100 µJ Ppower ~ 30-400 MW Compact setup B = 2p-6p Dt = 250 fs E ~ 10 µJ Ppower ~ Compact setup B = 6p-20p E. Cormier JNOG 2008

Propagation dans les fibres dopées NLSE : Champ : Dispersion Gain [m]-1 Non-linearité Gestion du deuxième et troisième ordre de dispersion E. Cormier JNOG 2008

Gestion de la phase spectrale CPA en régime linéaire Source femto Etireur Amplificateurs Compresseur j2 = 0 j3 = 0 j2 > 0 j3 < 0 j2 = 0 j3 = 0 j2 = - j2e j3 = - j3e 0 0 + + + = CPA en régime non-linéaire Source femto Etireur Amplificateurs Compresseur j2 = 0 j3 = 0 j2 > 0 j3 < 0 j2 ≠ 0 j3 ≠ 0 j2 < 0 j3 > 0 0 0 + + + = E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA classique Source large bande Étireur de Offner Ampli #1 Ampli #2 Compresseur Oscillator OI AOM E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental Stretcher Oscillateur OI AOM Compressor Amplifier #1 Oscillateur: Yb:KYW 170 nJ @ 10 MHz l = 1030 nm Dt = 390 fs Dl = 2.5 nm Amplifier #2 OI E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental Stretcher Oscillator OI AOM Compressor Elargissement spectral par SPM: 5 cm LMA 40 µm passive Amplifier #1 Amplifier #2 P = 800 mW E = 80 nJ Dl = 9 nm Dt = 390 fs (potentiellement 170 fs)  Nouvelle source OI E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental Etireur de Offner : transmission gratings 85 % efficiency par passage Overall efficiency ~30% Pulse picking: AOM P = 4 – 30 mW E = 30 nJ Dl = 9 nm Dt = 600 ps 10MHz 100 kHz ~ 1MHz  Oscillator OI AOM Compressor Amplifier #1 Amplifier #2 E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental Gain ~ 30dB  Dl = 7 nm Dt ~ 600 ps Préamplificateur à fibres microstructurées: doped core f = 40 µm pump clad f = 170 µm Length = 1.2 m Diode pumping : up to 25 W Oscillator OI AOM Compressor Amplifier #2 E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental Microstructured fiber power amplifier: doped core f = 80 µm pump clad f = 200 µm Length = 1.2 m Diode pumping : up to 100 W Oscillator OI AOM 80 µm 200 µm Compressor 120 cm Gain = 30 - 100  Dl = 5.5 nm Dt = 470 ps E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental Bulk grating stretcher : transmission gratings 50 % efficiency Oscillator OI AOM  Dl = 5.5 nm Dt = 270 fs E. Cormier JNOG 2008

Caractéristique optique-optique  Très bonne efficacité d’extraction E. Cormier JNOG 2008

Caractéristique spatialles E. Cormier JNOG 2008

Caractéristique temporelle Trace FROG Cadence = 100 kHz 25 W avant compression 12,5 W après compression 125 µJ recomprimé FWHM < 280fs  Puissance crête : 450 MW Boullet et al CLEO 2008 [CJ-20-TUE] E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Dt = 360 fs l0 = 1028 nm Dl = 3.7 nm E = 30 nJ frep = 44 MHz E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber Stretcher Pre- amplifier Dt = 360 fs l0 = 1028 nm Dl = 3.7 nm E = 30 nJ frep = 44 MHz E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier PCF fcoeur= 40µm L = 25 m PM LMA fcore = 25 µm L = 1.2 m PCF 40 / 200 PM E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier PCF fcoeur= 40µm L = 25 m PM LMA fcore = 25 µm L = 1.2 m PCF 40 / 200 PM Dt = 7 ps l0 = 1030 nm Dl = 9.5 nm E = 2.7 µJ frep = 300 kHz E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier PCF fcoeur= 40µm Grating Compressor Power Amplifier Isolator Grating stretcher E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier PCF fcoeur= 40µm Power Amplifier Isolator Grating Compressor Grating stretcher Dt = 250 ps Transmission gratings 1740 l/mm TOD/GVD = - 15 fs E. Cormier JNOG 2008

Dispositif expérimental du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier PCF fcoeur= 40µm Isolator Power Amplifier PCF fcoeur= 80µm Grating Compressor Grating stretcher E. Cormier JNOG 2008

Réglage du CPA non-linéaire Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier Isolator Power Amplifier Grating Compressor Grating stretcher Procédure de réglage Compresseur Séparation des réseaux Σβ2 = 0 1 Etireur Angle du réseau Ajustement de β3/β2 2 E. Cormier JNOG 2008

Caractéristiques temporelles et spectrales Pulse picker Fiber stretcher Pre-amplifier Isolator Power Amplifier Grating Compressor Grating stretcher E = 100 µJ f = 300 kHz P = 340 MW Dl = 7.2 nm TBP ~ 0.55 Zaouter et al, Optics Letters 33, 1527 (2008) E. Cormier JNOG 2008

Conclusion Systèmes fibrés CPA haute énergie Perspectives Sources large bande Amplificateur basé sur une fibre double gaine Rod type Cadence : 100 kHz to 1 Mhz Durée : 280 fs Energie : > 100 µJ Puissance crète : > 350 MW Perspectives Atteindre 1 mJ avec moins de 300 fs Puissance moyenne 100 W Réduction de la durée à 40 fs par postcompression Applications E. Cormier JNOG 2008

Dépolarisation du faisceau E. Cormier JNOG 2008

Outlooks Harmonic generation @ 100-1000 kHz rep. rate INITIAL GOAL CPA Fiber amplifier @1030 XUV gaz Constraints: Intensity dependent process: ~ 1014 W/cm² Ionisation must be limited : < 300 fs FCPA performances @100 kHz: Dt = 280 fs E = 125 µJ Ppower ~ 450 MW First demonstration of HHG production from a FCPA E. Cormier JNOG 2008