Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm Frédéric Druon & Patrick Georges Laboratoire.

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1 Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm Frédéric Druon & Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France JNOG 2004

2 Dispositif expérimental Compression d’impulsions Limitation Conclusion
Plan Principe Dispositif expérimental Compression d’impulsions Limitation Conclusion JNOG 2004

3 Principe Lasers à base de cristaux dopés Yb3+ efficaces, mais durée ≈100fs ID: réduire la durée par élargissement spectral (SPM) puis compression Laser Fibre compresseur Automodulation de phase (SPM) Dispersion anormale Élargissement spectral Remise en phase du spectre JNOG 2004

4 Problématique Problème: les lasers dopés à l’Yb3+ émettent vers 1µm :
Forte dispersion de vitesse de groupe (GVD) dans les fibres « classiques » à cette longueur d’onde Durée (ps) Intensité (u.a.) Propagation (m) Zone effective pour effets NL JNOG 2004

5 Utilisation de fibres microstructurées
Qu’est ce que c’est ? Silice Air Défaut de périodicité (cœur) fibre en silice à trous avec une structure périodique souvent en nid d’abeille Photos : JNOG 2004

6 Dispersion dans les fibres microstructurées
Silice Dispersion-zero accordable Fibres classiques Dispersion (ps/km.nm) Contrôle de la dispersion du mode => Contrôle de D=0 Longueur d’onde (µm) JNOG 2004

7 Fibre utilisée Fibre utilisée D=0 @ 1065 nm Laser (1070 nm)
Diamètre de cœur : 5 ± 0.2 µm Longueur : cm Efficacité de couplage: ≈30% 50 25 D [ps/nm/km] Laser (1070 nm) -25 950 1000 1050 1000 1150 1200 Longueur d’onde [nm] JNOG 2004

8 Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide,
Laser femtoseconde Cristal Cristal Miroirs dichroïques Yb:SYS Yb:SrY4(SiO4)3O x6 16 mm 80 mm SESAM // junction Diode Laser 4 W Dopage: 5.5% Longueur: 3mm Prisme (SF10) Fente Prisme (SF10) Coupleur de sortie Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide, Paris, France Durée: ≈110 fs Longueur d’onde: 1070 nm Dt.Dn: Puissance moyenne: 400 mW Cadence: 98 MHz F. Druon & al., Opt. Lett (2002). JNOG 2004

9 Schéma global Diamètre de cœur: 5 ± 0.2 µm Longueur: 20 cm
Compresseur à prismes Oscillateur femto (400 mW, nm) 30 mW Yb:SYS Prisme (SF10) ≈20 fs SESAM Prisme (SF10) Laser Diode (4W) Prisme (SF10) Coupleur de sortie dièdre l/2 l/2 Prisme (SF10) 8 mm 4 mm 110 fs Fibre microstructurée Faisceau Diamètre de cœur: 5 ± 0.2 µm Longueur: cm Couplage Maximum: 30% Zéro dispersion: nm Courteously provided by JNOG 2004

10 Élargissement spectral dans la fibre par SPM
Puissance couplée dans la fibre Spectres (log) Longueur d’onde JNOG 2004

11 Comparaison avec le modèle : le spectre
1 Théorie: SPM seule (46 mW) 0,8 Théorie: SPM, TOD, SS (46mW) Expérience (45 mW) 0,6 Puissance (a.u.) 102 nm 0,4 0,2 950 1000 1050 1100 1150 1200 Longueur d’onde (nm) Asymétrie due à la dispersion du 3ème ordre (TOD) et au self-steepening (SS) JNOG 2004

12 Comparaison avec le modèle : autocorrélation
Impulsion théorique Expérience (45mW) Théorie (46mW) Délai (fs) Puissance (u.a.) Puissance (u.a.) Durée (fs) Relativement bon accord => durée ≈ 21 fs JNOG 2004

13 Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de l’impulsion
Spectre expérimentale algorithme de minimisation PICASO autocorrélation X expérimentale Données initiales : Solution théorique PICASO method : J.W. Nicholson & al., Opt. Lett (2003) Impulsion retrouvée Méthode précise mais converge mal si impulsions satellites importantes JNOG 2004

14 Impulsions compressées
Autocorrélation Impulsion retrouvée Expérience Théorie PICASO PICASO (20fs) Théorie (21fs) PICASO (phase) Théorie (phase) Puissance (u.a.) Puissance (u.a.) Délai (fs) Durée (fs) Durée de l’impulsion : 20 ± 1 fs 45 mW après la fibre Puissance moyenne 30 mW après le compresseur JNOG 2004

15 Optimisation durée / impulsions satellites
Déphasage SPM : FSPM=gPpL 2p p Avec l’autocorrélation interférométrique Avec PICASO Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Puissance couplée (mW) Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%) Optimum : Avec satellites < 20%: FSPM≈2p Équivalent à ≈45 mW couplés durée : 20±1 fs JNOG 2004

16 Limitation due à l’effet Raman
1er Raman 2nd Raman Spectres (log) Limitation spectrale et donc de la compression Longueur d’onde Autodécalage en fréquence de soliton (Soliton Self-Frequency Shift) À cause de l’effet Raman Stimulated Raman Scattering JNOG 2004

17 Qualité temporelle des impulsions
Délai (fs) Puissance (u.a.) expérience théorie Autocorrélation 70 mW Nombreuses impulsions satellites Zoom expérience théorie Limitation donnée par le modèle < 5 fs Puissance (u.a.) Limitation expérimentale > 11 fs Délai (fs) JNOG 2004

18 Synthèse des limitations
FSPM=gPpL 2p 3p 4p 5p p Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Décalage Raman Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%) Décalage Raman (nm) Puissance couplée (mW) Limitation des satellites : 20 fs Limitation Raman :11 fs JNOG 2004

19 Conclusion et perspectives
Technique simple de compression 20±1 fs expérimentalement obtenues bon accord avec le modèle Technique efficace Limitations Impulsions satellites Auto décalage de fréquence dû à l’effet Raman Prévisions avec le modèle oscillateur avec 50 fs conduirait à des impulsions <15 fs avec des satellites d’amplitude faible JNOG 2004

20 Extra JNOG 2004

21 Théorie I compression avec des impulsions de 100 fs
p 2p 3p XFROG[Efiber,Einput] XFROG[Ecompressed,ETF] - XFROG[ETF,ETF] FSPM 950 1000 1050 1100 1150 1200 300 200 100 -100 -200 -300 900 1300 longueur d'onde (nm) Délai (fs) 1 -0.5 0.5 Visualisation spectro-temporelle : Porte temporel résolue en fréquence R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, "Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating," Rev. Sci. Instrum. 68, (1997). JNOG 2004

22 Théorie II compression jusqu’à 20 fs
XFROG[Efiber,Einput] XFROG[Ecompressed,ETF] - XFROG[ETF,ETF] Dti 950 1000 1050 1100 1150 1200 200 150 50 -100 -150 -200 500 400 100 -400 -500 300 -300 longueur d'onde (nm) Délai (fs) 1 -0.5 0.5 Amplitude du premier satellite Durée des impulsions incidentes (fs) Produit : Dt.Dn Durée des impulsions incidentes (fs) JNOG 2004

23 Asymmetry : third orders of dispersion (TOD) and self-steepening (SS)
Pure SPM Spectrum Power Wavelength SPM, TOD, SS Spectrum Power Wavelength JNOG 2004

24 Impulsion après compression
autocorrélations Interferometriques durée : 22.5 fs ± 3 fs JNOG 2004