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Laser femtoseconde amplifié TiSa (@780nm)

Paramètres généraux : Durée d’impulsion <130 fs- Taux de répétition : 1kHz- Énergie à 1kHz : >750 J- Longueur d’onde : 750 nm

Principes physiques : - Oscillateur: IMRA laser à fibre femto

(1,56µm) doublé- Amplificateur Titane Saphir- Impulsion femtoseconde- Technique CPA :

Étireur - compresseurAmplificateur régénératifExtraction de l’impulsion fs

Exemple Alpha1000 ( B.M.industries ) modifié

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Paramètres généraux : Puissance moyenne : 12 à 15 mW- Longueur d’onde centrale : 780 nm- Largeur spectrale : 8 à 9 nm- Durée d’impulsion : 100fs - Taux de répétition : 48MHz

Oscillateur IMRA

L’ oscillateur est le maître dans la chaîne d’amplification TiSa

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Principes physiques : la technique CPA

CPA : Chirped Pulse Amplification

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CPA – étireur

Le trajet bleu est plus long que le trajet rouge ; le bleu sortira donc en retard.L’impulsion étirée est composée de rouge d’abord et de bleu ensuite.

Avant : Après :

Réseau 1Réseau 2

Impacts sur les réseaux:

1 2 3 4

Réseau 1 Réseau 1Réseau 2 Réseau 2

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CPA – l’étireur de l’Alpha 1000

Vue de dessus

Vue de côté

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CPA – l’étireur de l’Alpha 1000

Le faisceau initial est injecté entre les deux miroirs de l’ascenseur (HR12 et HR13).Il arrive en 1 sur le réseau (G10), est diffracté sur le miroir concave (HR10) qui le réfléchit le miroir plan (HR11).Le faisceau effectue le chemin inverse et arrive sur le réseau en 2.Puisqu’il est décalé, il est alors orienté sur l’ascenseur (HR12 et HR13) qui le renvoient parallèlement à une hauteur différente sur le réseau : en 3.L’aller-retour suivant lui donne la position 4 puis par le prisme (PR10) il est décalé latéralement pour les 2 allers-retours suivants.La position 8 sur le réseau correspond au faisceau sortant, il est à la même hauteur que le faisceau entrant mais décalé de quelques millimètres.Au total il y a 8 passages sur le réseau, 4 allers-retours dans l’étireur.

1

2

3

45

6

7

8

Impacts sur le réseau

7

CPA – compresseur

Le trajet bleu est plus court que le trajet rouge ; le bleu rattrape donc son retard.L’impulsion compressée a donc toutes ses composantes fréquentielles en même temps.

Avant : Après :

Réseau 1

Réseau 2

Impacts sur les réseaux:

1 2 3 4

Réseau 1 Réseau 1Réseau 2 Réseau 2

8

CPA – le compresseur de l’Alpha1000

Impacts sur le réseau :

1 2 3 4

On injecte le faisceau initial par le miroir M1, il arrive sur le réseau (R1) en 1.Il est diffracté et est décalé latéralement par le prisme (PR1) pour être renvoyé en 2 sur le réseau.Ce dernier l’oriente vers l’ascenseurIl est alors renvoyé parallèlement par les miroirs (M3 et M4) de l’ascenseur et effectue le chemin inverse : position 3 et 4.Il sort par le miroir M2La distance du prisme au réseau est ajustable via une platine de translation manuelle.

M1M2

R1

PR1

M3M4

Vue de dessus

M3

M4

M1

M2

PR1

R1

Vue de côté

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Principes physiques : CPA – amplificateur régénératif

3 étapes :

1. Sélectionner – via la polarisation – une impulsion laser unique provenant du train d’impulsions fourni par l’oscillateur.

2. Amplifier l’impulsion laser piégée dans la cavité

3. Extraire – via la polarisation – l’impulsion laser amplifiée

Moyens :

1. Pour Sélectionner une impulsion en sortie de l’étireur : cellule de Pockels

2. Pour Amplifier l’impulsion laser piégée dans la cavité : Milieu à gain

3. Pour Extraire l’impulsion amplifiée : cellule de Pockels

+ générateur de retard électronique (Driver MEDOX)

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CPA – amplificateur de l’Alpha 1000

Une cellule de Pockels est un cristal qui modifie la polarisation par un contrôle électrique.

Injection :

Le faisceau venant de l’étireur est injecté dans l’amplificateur régénératif en passant par le rotateur de Faraday et les polariseurs P1 et P2

- Si la cellule de Pockels est soumise à une tension de 0 V : Elle se comporte comme une lame quart d’onde. L’impulsion fait un aller-retour et sort de la cavité par le même chemin : P2, P1 et le rotateur de Faraday.

- Si la cellule de Pockels est soumise à 3500 V :Elle se comporte comme une lame quart demi-onde. L’impulsion est alors piégée dans la cavité et effectue des allers-retours.

Cellule de Pockelsshutter

cristal Ti:Sa

Rotateur de FaradayP1

P2 P3M1

M2

M3

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Amplification :

Pendant que l’impulsion sélectionnée tourne dans la cavité :

Le laser Nd:Ylf doublé (527 nm) pompe le barreau de Ti:Sa, ce qui amplifie l’impulsion piégée à chaque passage.

L’impulsion effectue quelques allers-retours dans la cavité pour un gain de l’ordre de 107.

Extraction :

Lorsque l’amplification est optimale, la cellule de Pockels est soumise à une tension de 7000 V :

Elle se comporte alors comme une lame quart d’onde et laisse sortir l’impulsion amplifiée.

Cette dernière sort de l’amplificateur régénératif par le même chemin qu’elle a suivi pour entrer.

CPA – amplificateur de l’Alpha 1000

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Les outils de base

Puissance-mètre :Il est important qu’il puisse supporter jusqu’à 15 W pour vérifier le laser de pompe de l’ampli régénératif.Il permet de mesurer l’énergie des impulsions amplifiées car :

Énergie = Puissance moyenne * Période de répétitionExemple : Si on mesure une puissance moyenne de 800 mW à 1 kHz, l’énergie par impulsion vaut:E = 800.10-3 * 1.10-3 = 800 µJ

Viewer infra-rouge : Pour tous les contrôles et réglages du laser « capot ouvert »: étireur, ampli, compresseur

Oscilloscope : Indispensable pour visualiser le train d’impulsions dans l’amplificateur régénératifBande passante supérieure à 300 MHz - Adaptation 50 Ohms

Photodiode rapide :Pour visualiser le profil temporel de l’impulsion et détecter la présence de pré et post-pulses

Des cartes de visite : Pour observer le profil spatial du faisceauUne impulsion bien recomprimée sera associée à une tache bleue au centre (effet non-linéaire)

Une lentille de focale +100 mm et un écran : pour régler le compresseur

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L’amplificateur régénératif

Visualisation :

Une photodiode rapide est montée derrière le miroir de fin de cavité de l’amplificateur régénératif (M1) pour visualiser l’évolution de l’énergie du faisceau.

1 - Evolution de l’énergie dans l’amplificateur sans injection de l’oscillateur. Régime nanoseconde

2 - Evolution de l’impulsion injectée dans l’amplificateur.L’impulsion est piégée dans la cavité par réglage du Delay 1.Ce réglage permet de synchroniser la capture de l’impulsion avec le maximum de gain dans le cristal.

3 - Extraction de l’impulsion amplifiée par application du Delay 2. Ce réglage permet d’extraire l’impulsion au moment où elle a le maximum d’énergie.

1 2 3

3 critères d’optimisation :

- La puissance moyenne en sortie- Le profil transverse du faisceau- La durée d’amplification de l’impulsion

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Laser B.M.industries : laser Nd:Ylf doublé en fréquence intra-cavité (LBO)pompé par flashes

- 2 flashes de pompe

- Doublage de fréquence : accord de phase en température du LBO- autour de 45°C- émission à 527 nm

Mesure de puissance en sortie : > 8 W

Attention :Si le doublage intra-cavité n’est pas efficace, l’excès d’IR dans la cavité peut endommager le barreau de Nd:Ylf et les optiques.

Si la puissance en sortie est basse :- Baisser la puissance de pompe et vérifier que l’accord de phase du LBO est optimum.

L’amplificateur régénératif

Le laser de pompe

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Le prisme du compresseur est monté sur une platine de translation manuelle.Le réglage de cette platine permet de modifier la distance associée à une recompression optimale.

Critère n°1 : durée d’impulsion

Nécessite une mesure externe de durée d’impulsion (autocorrélateur monocoup)On cherchera la durée minimale.

Critère n°2 : optimisation de génération de continuum qui est fortement dépendante de la puissance crête, donc à énergie donnée, inversement proportionnelle à la durée.

Une lentille de focale +100 mm permet au laser amplifié de générer dans l’air un continuum observable au foyer de la lentille.

On règle le compresseur de manière à observer :- une large variété de teintes roses sur l’écran- un point blanc intense et le plus court possible suivant l’axe de propagation- un son (1 kHz) le plus intense possible.

Le compresseur

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OscillateurFemtolite (IMRA)

Driver MEDOX(Delay1, Delay2)Amplificateur régénératif

cellule de Pockels

Nd:Ylf

Etireur Compresseur

Groupe de refroidissement 1

Groupe de refroidissement 2

Photodiodes de contrôle

Points de contrôles optiques

RECAPITULATIF