Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

Présentation au sujet: "Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique"— Transcription de la présentation:

1 Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives
Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Campus Polytechnique, Palaiseau, France Good afternoon my name is Patrick Georges …

2 Plan de l’exposé Lasers à impulsions courtes à base de cristaux de saphir dopé au titane Lasers à impulsions courtes à base de cristaux pompés directement par diode laser de puissance Lasers à impulsions courtes à base de fibres optiques pompés directement par diode laser de puissance

3 Production d’impulsions courtes
- Il faut disposer d’un milieu amplificateur possédant une large bande de fluorescence (20 fs à 800 nm --> 34 nm) - Il faut en plus que tous les modes longitudinaux aient la même phase --> système à transmission non linéaire Saphir dopé au titane (Ti3+:Al2O3 ) P. F. Moulton, "Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3," J. Opt. Soc. Am. B 3, 125 (1986) --> Nouvelle génération de lasers femtoseconde solides (< 10 fs, qq W) Nd:YAG ou Nd:YVO4 2 Kerr Lens Mode-locking (KLM) (University of St Andrews) D. Spence et al «60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser» Opt. Lett., 16, 42 (1991)

4 Amplification d’impulsions courtes
Chirped Pulsed Amplification (CPA) (University of Rochester) D. Strickland et G. Mourou, "Compression of amplified chirped pulses", Opt. Comm, 56, 219 (1985) Systèmes laser fs commerciaux --> 25 fs, qq mJ, 1-5 kHz --> 30 fs, 3 J, 10 Hz (100 TW) Projet ILE : Institut de la Lumière Extrême (Plateau de Saclay) 10 PW : 150 J, 15 fs à la cadence d’un tir par minute L’absorption du saphir dopé au titane est dans le vert Le pompage directe par diode est impossible !!!!

5 Chaine laser fs haute cadence
Ti:Sapphire fs oscillator 800 nm, fs, 1 W 100 MHz Etireur nm qq mJ, 1 – 10 kHz Pmoyenne : 20-30 W Nd:YVO4 532 nm 5 à 10 W, diode pumped Compresseur Limitations : technologie des lasers de pompe - effets thermiques dans les cristaux de saphir dopé au titane (cm3)  cryostat Nd:YLF 523 nm 50 – 100 W, 1 to 5 kHz diode pumped Ti:Sapphire Regenerative amplifier or multipass amplifiers

6 Lasers de pompe Lasers solides pompés par diode à base de cristaux dopés Néodyme (1064 nm) doublés en fréquence pour produire le rayonnement vert Cristal non linéaire Cristal dopé Nd Continu : à 20 W Impulsionnel : 50 à 100 W, 1-5 kHz, < 45 mJ Rendements elec./opt. faibles : qq % max 1064 nm 532 nm Diode laser @ 808 nm

7 Exemples de chaine lasers fs kHz
Quelle solution pour produire des impulsions ultracourtes à haute cadence d’un oscillateur ou d’un amplificateur, donc avec une forte puissance moyenne ?

8 Pompage direct par diode
Problème : - pas de pompage direct du saphir dopé au titane par diode Solution : - utiliser un milieu amplificateur pouvant être pompé directement par diodes diodes de puissance Diode en AlGaAs autour de 808 nm pour le pompage des matériaux dopés avec des ions neodyme Diode en InGaAs émettant entre 915 et 980 nm pour le pompage des matériaux dopées avec des ions ytterbium LIMO nm, 400 µm, ON: 0,22 Rendement elect / opt : > 35 % IPG nm, 105 µm, ON: 0,12 DILAS, JENOPTIK, OCLARO nm, 200 µm, ON : 0,22

9 Lasers Nd:YVO4 picosecondes
Impulsions de 10 à 20 ps à 1064 nm car faible large de fluorescence du Néodyme Charge thermique importante par le pompage à 808 nm / émission à 1064 nm (30 % de la puissance optique en chaleur !!!) Solution : - pompage à 888 nm pour réduire le défaut quantique L. McDonagh et al, Optics Letters, 32, pp (2007) Configuration oscillateur - amplificateur 111 W, 110 MHz, 30 ps 1064 nm (50% rendement optique / optique) 808 nm 888 nm 1064 nm

10 Laser ps Nd:YVO4 ps commercial
Laser industriel Oscillateur + ampli pompé par 888 nm Pas de CPA (simplicité !!!) Impulsions < 15 ps Energie par impulsion : jusqu’à 125 µJ 50 W à MHz

11 Intérêt de l’ion ytterbium
Structure électronique simple Nd3+ - pas d’absorption par les états excités - pas d’«up-conversion» - pas de déclin du temps de fluorescence avec la concentration Yb3+ Absence d’effet parasite faible défaut quantique < 10% pour le pompage à 980 nm 2F5/2 2F7/2 Peu de charge thermique Diodes InGaAs de forte puissance disponibles à 980 nm (pompage des EDFA en télécom) Large bande d’émission vers 1030 nm Impulsions femtosecondes Champ cristallin 2F7/2 2F5/2 0.98 µm 1.03 µm Laser quasi-3-niveaux Peuplement thermique => Réabsorption Développement de lasers fs pompées par diode

12 Deux cristaux commerciaux
Yb:YAG Yb:KYW Forte conductivité thermique » 10 W/m.K Faible largeur de fluorescence  Impulsions longues (1 ps) Faible conductivité thermique » 2-3 W/m.K Plus grande largeur de fluorescence  Impulsions courtes ( fs)

13 Amplificateur pompé par diode
Système CPA (osc + étireur+ ampli + compresseur) à base de cristaux d’Yb:KYW pompés par diodes 976 nm Puissance moyenne est limitée à 5-10 W par les problèmes thermiques dans le cristal d’Yb:KYW

14 Lasers "Thin Disk" femtoseconde
«Thin disk» technology Yb:YAG A Giesen, University of Stutgart Laser Laser diode Average power 80 W (370 W pump) 57 MHz, 1,4µJ E. Innerhofer et al. Opt. Lett. 2003, (2004) Crystal 100 à 300 µm Efficiency ≈ 2 % Thermal contact Thermal flux Yb:KGW 240 fs 22W (100 W pump) 25MHz 0,9µJ F. Brunner et al. Opt. Lett (2002) Cooper

15 Produit commercial Oscillateur Thin Disk à base d’Yb:YAG

16 Nouveau cristal Yb:Lu2O3
Pmoy : 43 W , 330 fs à 1033 nm, 81 MHz, 0,41 µJ par impulsion (Pcrête: 1,3 MW) (aussi Pmoy : 63 W , 535 fs pour une puissance de pompe de 180 W) Avantage ce cristal : forte conductivité thermique (> 10 W/m.K) avec un spectre de fluorescence plus large que l’Yb:YAG Mais croissance extrêmement difficile !!!!

17 Amplificateurs à fibres optiques
Gestion efficace des problèmes thermiques :  fibres optiques double cœur dopées ytterbium de grande longueur (10 m) Diode de pompe de forte puissance

18 Fibres optique dopée ytterbium
Bande de gain large autour de 1030 nm (> 30 nm) car les ions ytterbium sont insérés dans la matrice en verre

19 Introduction F. Röser et al, "131 W 220 fs fiber laser system," Opt. Lett. 30, (2005) Friedrich Schiller University Jena, Institute of Applied Physics Jena, Germany

20 Réduction des effets non linéaires
Augmentation de l’aire effective du mode fondamental jusqu’à 80 µm Réduction de la longueur de la fibre à 85 cm Remplacement de la gaine polymère par une gaine en silice Concept du « Rod type » fiber (fibre à cristaux photoniques) L = 85 cm fcore = 80 µm fclad = 200 µm 85 cm

21 Performances Jena Imra Celia Southampton Cornell LCFIO
P = kHz E ~ 1 mJ p ~ 800 fs Jena Imra Celia Southampton Cornell LCFIO P = kHz E ~ 100 µJ p ~ 270 fs P = kHz E ~ 50 µJ p ~ 200 fs P = kHz E ~ 10 µJ p ~ 110 fs

22 Produit commercial: lasers à fibre fs

23 Conclusion Impulsions ultracourtes avec des cristaux de saphir dopé au titane : < 10 fs oscillateurs < 30 fs amplificateurs Impulsions plus longues à partir de matériaux dopés ytterbium, mais plus forte puissance moyenne (cristaux ou fibres optiques) 200 fs à 1 ps , qq dizaines de Watts Besoins de : - nouveaux cristaux combinant de large bande de fluorescence et de bonnes propriétés thermiques (Yb:CALGO, Yb:CaF2 …..) - fibres optiques à large aire modale, combinaison cohérente d’amplificateurs - gestion des effets non linéaires dans les amplificateurs à fibres dopées ytterbium

24 Introduction MERCI !!!!!!!

25 The "Thin Disk" concept Brevet Université de Stuttgart (Allemagne)

26 Laser Yb:YAG"Thin Disk" continu

27 Suite…..