CPMOH, Université Bordeaux 1 STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Contrôle temporel & spectral : façonnage d’impulsions Jean-Christophe Delagnes CPMOH, Université Bordeaux 1 jc.delagnes@cpmoh.u-bordeaux1.fr

PLAN Pourquoi le façonnage ? Mise en œuvre Réalisations pratiques Une étape incontournable Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre Limitation du façonnage temporel direct Passage au domaine spectral Réalisations pratiques Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f) Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Compensation de la dispersion Course aux impulsions ultracourtes  Compenser la dispersion Impulsion courtes  Spectre large Milieux matériels (air, verre, …) Dispersion Compensation n(w) variation significative  Dispersion temporelle Effet toujours présent et additif Pour des impulsions très courtes même l’air est dispersif (Dt<20fs) ? J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Comment compenser ? Dispersion « provoquée » : Compensation à l’aide d’un dispositif de mise en forme pour restaurer l’impulsion ultracourte avant dispersion Dispersion naturelle : Éléments d’optique passifs Air Milieux amplificateur Cristaux non linéaires Dispersion « provoquée » : Amplification à dérive de fréquence (CPA) J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Amplification à dérive de fréquence (CPA) Étireur Facteur d’étirement ~ 104 Amplification Gain, Dispersif, NL Compresseur Compenser l’étireur (en théorie) Dispositif de mise en forme Compensation des ordres supérieurs J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Mises en forme plus complexes Amplificateurs, NOPA, OPCPA Compensation du rétrécissement par le gain Compensation de phases oscillantes, automodulation Également Séquences d’impulsions Impulsions « carrées » Optimisation d’un processus physique donné Dispositif de mise en forme Production de profils temporels arbitraires J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Mise en forme programmable Oscillateur Ampli CPA Façonneur Algorithme Expérience/Utilisation Mesure(s) Opérateur Dispositif de mise en forme Contrôlable par ordinateur Taux de rafraîchissement rapide J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

PLAN Pourquoi le façonnage ? Mise en œuvre Réalisations pratiques Une étape incontournable Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre Limitation du façonnage temporel direct Passage au domaine spectral Réalisations pratiques Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f) Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Façonnage temporel (direct) ? fs Façonneur temporel Façonneur temporel Contrôle de la transmission à l’échelle femtoseconde N’existe pas ! (sauf rares phénomènes physiques particuliers) Modulateurs rapides > quelques ps Façonnage temporel direct IMPOSSIBLE J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Une autre approche : Mise en forme spectrale Champ électrique Champ réel  Représentation complexe Transformée de Fourier  Spectre complexe Formalisme Contrôle du profil temporel Mise en forme de l’amplitude spectrale Mise en forme de la phase spectrale J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Mise en forme spectrale Lasers ultracourts Spectre large + modes de cavité Blocage de mode Profil temporel A0 cos(w0t + f0) A1 cos(w1t + f1) A2 cos(w2t + f2) … Contrôle de l’amplitude spectrale A(w) et de la phase spectrale f(w) A(w) : Choix des A0,A1,A2,… f(w) : Choix des f0,f1,f2,… J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

PLAN Pourquoi le façonnage ? Mise en œuvre Réalisations pratiques Une étape incontournable Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre Limitation du façonnage temporel direct Passage au domaine spectral Réalisations pratiques Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f) Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Au plan de Fourier : Étalement spatial des composantes spectrales Ligne « 4-f » Au plan de Fourier : Étalement spatial des composantes spectrales J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Ligne « 4-f » : Masque fixe J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Ligne « 4-f » : Masque ajustable J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Ligne « 4-f » réelle LCD Jenoptik 2x640 pixels f=600mm 2000 traits/mm 0,06 nm/pix à 800nm fenêtre de 35ps pour 100fs 300 GW/cm² J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Principe de fonctionnement J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Exemples de mises en forme Possibilité de réaliser des mises forme (très) complexes Délais Phase quadratique, cubique, … Trains d’impulsions Carré … Existence de quelques défauts J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Ligne « 4-f » : Paramètres Dispersion spatiale Xw = f . g . w f : Distance focale g : Dispersion angulaire Tache focale Xw . dX = l0 . f / dx f : Distance focale l0 : Longueur d’onde centrale dx : Diamètre sur le réseau J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Ligne « 4-f » : Résumé Défauts Qualités Couplages spatio-temporels Masque pixellisé : répliques temporelles Dispositif complexe Qualités Éprouvé, bien caractérisé Tous taux de répétition Forte puissance de sortie « Accordable » l0 et Dl Description des couplages spatio-temporels : Matrice de Kostenbauder (généralisation des matrices ABCD) J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Ligne « 4-f » : Variantes Géométries : Modulateur : Optiques : Agencement des éléments (minimiser les aberrations géométriques) Ligne repliée « 2-f » : Double passage/Miroir déformable Modulateur : LCD, Valve optique (non pixellisé) AOM Miroir déformable Optiques : Réseaux ou prismes Miroirs cylindriques ou lentilles J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

PLAN Pourquoi le façonnage ? Mise en œuvre Réalisations pratiques Une étape incontournable Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre Limitation du façonnage temporel direct Passage au domaine spectral Réalisations pratiques Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f) Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Une nouvelle approche : AOPDF AcoustoOptic Programmable Dispersive Filter Interaction colinéaire avec une onde acoustique façonnée (modulateur RF) Auto-compensation de la dispersion chromatique du cristal J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

AOPDF : le « Dazzler » Qualités Défauts Capacité de façonnage Augmente avec la taille du cristal Diminue avec la bande spectrale Compromis avec l’efficacité Qualités Compact Géométrie simple « Plug-and-Play » Taux de rafraîchissement rapide Défauts Taux de répétition <10kHz (RF) Énergie < MW/cm² Dazzler TM (Fastlite) J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

PLAN Pourquoi le façonnage ? Mise en œuvre Réalisations pratiques Une étape incontournable Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre Limitation du façonnage temporel direct Passage au domaine spectral Réalisations pratiques Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f) Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Quel choix ? Réponse complexe en fonction : Énergie Contraste Besoins réels Compromis acceptables Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Nettoyage d’impulsion avant amplification Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

Séquence d’impulsions complexes amplifiées Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

FIN Remerciements : A. Monmayrant B. Chatel B. Girard J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale