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Publié parAliénor Molina Modifié depuis plus de 10 années
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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
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Plan Motivations Solutions technologiques
Système FCPA très forte énergie FCPA Classique FCPA non-linéaire Conclusions E. Cormier JNOG 2008
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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, MW, qualité du faisceau et du front d’onde E. Cormier JNOG 2008
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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
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Vers des sources lasers femtoseconde de 100 W moyen
Performances requises: INITIAL GOAL Pulse quality: TEM00 Pulse duration: <300 fs Pulse energy: 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
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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
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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
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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
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FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell 1 min 15 sec
E. Cormier JNOG 2008
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FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell
P = 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
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FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell
P = kHz E ~ 6 mJ p ~ 240 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell Wise et al OL, E. Cormier JNOG 2008
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FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell
P = kHz E ~ 100 mJ p ~ 270 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell E. Cormier JNOG 2008
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FCPA Yb haute énergie Jena Imra Celia Southampton Cornell
P = kHz E ~ 125 mJ p ~ 280 fs 1 min 15 sec Jena Imra Celia Southampton Cornell E. Cormier JNOG 2008
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Différents régimes de CPA
Régime linéaire Régime non-linéaire Intégrale B Systèmes FCPA classiques FCPA faiblement non-linéaires FCPA non-linéaires Dt = fs E ~ 100 – µJ Ppower ~ MW Large setup B = 0-2p Dt ~ 250 fs E ~ 100 µJ Ppower ~ MW Compact setup B = 2p-6p Dt = 250 fs E ~ 10 µJ Ppower ~ Compact setup B = 6p-20p E. Cormier JNOG 2008
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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
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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
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Dispositif expérimental du CPA classique
Source large bande Étireur de Offner Ampli #1 Ampli #2 Compresseur Oscillator OI AOM E. Cormier JNOG 2008
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Dispositif expérimental
Stretcher Oscillateur OI AOM Compressor Amplifier #1 Oscillateur: Yb:KYW MHz l = 1030 nm Dt = 390 fs Dl = 2.5 nm Amplifier #2 OI E. Cormier JNOG 2008
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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
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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
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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
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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 = Dl = 5.5 nm Dt = 470 ps E. Cormier JNOG 2008
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Dispositif expérimental
Bulk grating stretcher : transmission gratings 50 % efficiency Oscillator OI AOM Dl = 5.5 nm Dt = 270 fs E. Cormier JNOG 2008
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Caractéristique optique-optique
Très bonne efficacité d’extraction E. Cormier JNOG 2008
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Caractéristique spatialles
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Dépolarisation du faisceau
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Outlooks Harmonic generation @ 100-1000 kHz rep. rate INITIAL GOAL
CPA Fiber XUV gaz Constraints: Intensity dependent process: ~ 1014 W/cm² Ionisation must be limited : < 300 fs FCPA kHz: Dt = 280 fs E = 125 µJ Ppower ~ 450 MW First demonstration of HHG production from a FCPA E. Cormier JNOG 2008
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