Journées cavités LAL 2-3 avril 2009 Génération dharmoniques dordres élevés à haute cadence E. Constant Centre Laser Intenses et Applications Université

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1 Journées cavités LAL 2-3 avril 2009 Génération dharmoniques dordres élevés à haute cadence E. Constant Centre Laser Intenses et Applications Université Bordeaux 1, CNRS, CEA

2 - Introduction à la génération dharmoniques dordres élevés - Modèle en trois étapes - Caractéristiques spectrales de lémission XUV - Génération à « basse » énergie - Réponse de latome unique - Accord de phase et effets collectifs - Génération dans les cavités passives - Génération CPA « haute » cadence - Conclusion Plan

3 Émission XUV Champ laser fondamental Generation dharmoniques dordres élevés - Source XUV compacte, ultracourte, synchronisée avec limpulsion de départ, cohérente etc - Riche de >15 années de recherche (compréhension, contrôle, utilisation). M. Ferray et al, J. Phys. B 21, L31 (1988) Mc Pherson et al, JOSA B 4, 595 (1987)

4 - Harmoniques impaires du fondamental - Relation de phase entre ces harmoniques (atto) - Perturbatif – plateau - coupure - Loi de coupure h max = I p + 3.2 U p - Efficacités typiques de 2-5 10 -5 (Xe, Kr) à 10 -8 – 10 -9 (He Ne) Generation dharmoniques dordres élevés

5 Le modèle semi classique (champs forts, basse fréquence, P. B. Corkum 1994) 1: Ionisation2: Oscillation 3: recombinaison radiative Emission XUV

6 Intensité, longueur donde et harmoniques Influence de la durée (I sat augmente), efficacité décroit avec la longueur donde dexcitation. I sat (W/cm 2 ) Ordre max (800 nm) Up: 6 eV/10 14 Ordre max (2 µm) Up: 37.5 eV/10 14 Xe I p =12.13 eV 8x10 13 17 (26.3 eV, 47 nm) 175 (108 eV, 11.4 nm) Kr I p =13.99 eV 1.5x10 14 27 (41.8 eV, 30 nm) 313 (194 eV, 6 nm) Ar I p = 15.75 eV 2.5x10 14 41 (63 eV, 19 nm) 509 (315 eV, 3.9 nm) Ne I p =21.56 eV 8.6x10 14 119 (185 eV, 6.7 nm) 1699 (1053 eV, 1.2 nm) He I p =24.58 eV 1.5x10 15 201 (311 eV, 4 nm) 2943 (1824 eV, 6.7 Å )

7 HHG à haute cadence = HHG à basse énergie Deux problèmes: Générer efficacement les harmoniques. Les extraire (si besoin).

8 HHG à haute cadence Réponse de latome unique

9 Effets macroscopiques Milieu gazeux - Accord de phase (généralisé) PRA 55, 3204 (1997) - Ré-absorption des harmoniques PRL 82, 1668, (1999)

10 Génération dharmoniques dans les cavités

11 Injection: 100 MHz, 48 fs, 8 nJ Cavité Input coupler T = 0.1 % R max 750 – 850 nm Dispersion <~ 10 fs 2 Finesse ~2500 Amplification : ~ 600 (4.8 µJ) Durée : 60 fs P créte = 80 MW, = 480 W I max 3x10 13 W/cm 2 H3: 10 µW (eff. 10 -8 ) Pble: effets non lin. dans saphire

12 Deux expériences réalisées simultanément en 2005

13 Injection : 20 fs, 112 MHz, 7.7 nJ (850 mW) Cavité : T = 1%, Amplification : 54 (calcul : 100) Durée 28 fs, 339 nJ P crete = 12 MW, = 38 W I max = 5x10 13 W/cm 2.

14 Injection: 10.8 MHz, 38 fs, 139 nJ, 1.5 W Cavité sous vide, 27.8 m de long Amplification : ~ 100 (~13.9 µJ) Durée : 57 fs P créte = 244 MW, = 100 W I max >5x10 13 W/cm 2 W 0 = 13 µm Et en 2008 (MPQ)

15 Injection: 1070 nm, 136 MHz, 75 fs, 73 nJ, 10 W Cavité Input coupler T = ?% R max 1070 nm Dispersion ? fs 2 Finesse ~ Amplification : ~ 260 (~19 µJ) Durée : 100 fs P créte = 190 MW, = 2600 W I max > 4x10 13 W/cm 2 W 0 ~ 10 µm conversion H13: 10 -9 Pble: harmoniques dispersées, tenue au flux, harmoniques basses Et en 2008 (Boulder) Yb CPA haute cadence

16 Autres approches pour accéder à lXUV Miroir troué (mode dordre supérieur) problème de pertes et daccord de phase Mise en forme du faisceau laser: Géométrie non colinéaire Mise en forme du milieu générateur Reflection rasante xuv avec autres matériaux Utiliser (ou observer) lxuv directement dans la cavité ?

17 CPA haute cadence Yb:KGW 100 kHz – 1 MHz Entrance slit Detection : Dual Multi-Channel Plate Detector coupled to a phosphor screen imaged on a cooled CCD camera J. Boullet et al. Opt. Lett. Accepted

18 HHG à 100 kHz FCPA output f =100 mm Intensité 7x10 13 W/cm 2 Gas jet XUV grating Odd High Order Harmonics Of the fundamental (1030 nm) Spectres XUV émis dans Ar E ~ 100 µJ PP ~ 340 MW I ~7.10 13 W/cm 2 @ 100 kHz Rep. Rate 33.2 nm

19 XUV spectrum generated in Xe E ~ 30 µJ = 28 W PP ~ 100 MW I ~2.10 13 W/cm 2 HHG à 1 MHz FCPA output f =100 mm lens Intensity several 10 13 W/cm 2 Gas jet XUV grating Odd High Order Harmonics Of the fundamental (1030 nm) Down to 68.7 nm !!! At 1 MHz Rep. Rate

20 HHG results FCPA output f =100 mm lens Intensity several 10 13 W/cm 2 Gas jet XUV grating Odd High Order Harmonics Of the fundamental (1030 nm) Estimation de la puissance accessible dans lXUV: Efficacité (/harm) = 10 -6 à 10 -9 P = 30 µW à 30 nW Repetition rate100 kHz300 kHz500 kHz1 MHz Pulse Energy100 µJ83 µJ50 µJ28 µJ Average Power10 W25 W 28 W Laser intensity7.1·10 13 W.cm -2 5.9·10 13 W.cm -2 3.5·10 13 W.cm -2 2·10 13 W.cm -2 GasAr (H 31 ), Kr (H 27 ) Xe (H 23 ) Kr (H 25 ), Xe (H 23 ) Kr (H 23 ), Xe (H 17 )Xe (H 15 ) Travaux en cours :milieu générateur, collection de lxuv & laser + fiabilisation

21 Vers le recyclage de photons? 100 kHz – MHz XUV source Rate out = Rate in >99% de lénergie IR « perdue » XUV OK sans gain MHz – 10 MHz XUV Rate out > Rate in Energie IR recyclée Relache les contraintes Sur la cavité Mais encore mieux Avec gain IR XUV IR

22 Émission dharmoniques dordre élevés à haute cadence observée. Puissance crête nécessaire: 10 ~ 100 MW Beaucoup de potentiel et améliorations possibles kW ds cavité + 10 -6 = source XUV mW ultracourte extrapolable à dautres longueur donde de fondamental: keV? Peignes de fréquence dans lXUV Test intracavité non destructif, génération dans milieux exotiques En conclusion

23 - Harmoniques impaires du fondamental - Relation de phase entre ces harmoniques (impulsions attosecondes) - Trois domaines perturbatif – plateau - coupure - Loi de coupure h max = I p + 3.2 U p - Efficacité typiques (/harm.) de 2-5 10 -5 (Xe, Kr) à 10 -8 – 10 -9 (He Ne) Generation dharmoniques dordres élevés H25 H27H29 H31 H41 H51

24 Effets macroscopiques: Influence de la propagation Accord de phase : k q = q k 1 + K k1k1 K = at Conditions daccord de phase influent directement sur lefficacité du processus (relation Z r L med, P, L abs, taux dionisation etc) Ph. Balcou et al., PRA 55, 3204 (1997) 1 2