Gabriel Mennerat, O. Bonvillecmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/Mennerat_Records_de_doublage_et...Gabriel Mennerat, O. Bonville Commissariat à l’Énergie Atomique, CESTA, Bordeaux (France) [email protected]

Records de doublement et triplement de fréquenceRecords de doublement et triplement de fréquenceRecords de doublement et triplement de fréquence Records de doublement et triplement de fréquence à forte énergie dans le à forte énergie dans le triboratetriborate de lithium LBOde lithium LBO

Gabriel Mennerat, O. BonvilleÉCommissariat à l’Énergie Atomique, CESTA, Bordeaux (France)

[email protected]

Dominique Lupinski, Philippe VillevalCristal Laser SA, Messein (France)

12011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance

MotivationMotivation

Les applications sociétales des lasers de très haute intensité demandent des cadences de tir beaucoup plus élevés que les grandes installations scientifiques actuelles (NIF, LMJ, LULI…)

Les chaînes laser à très haute intensité mettent en œuvre des amplificateurs de puissance à large bande passante pompés dans le vert par des lasers à solides doublés en fréquence très énergétiques en régime ns

L f i l é it l i d l’UV d t i f d itLa fusion par laser nécessite la conversion dans l’UV du rayonnement infrarouge produit par les lasers à néodyme.

La montée en cadence induit une augmentation de charge thermique dans les milieux amplificateurs laser qui dégrade le front d’onde.

On recherche de nouveaux cristaux convertisseurs de fréquence combinant 1 Une bonne tolérance aux aberrations du faisceau fondamental1. Une bonne tolérance aux aberrations du faisceau fondamental2. Des propriétés thermiques intrinsèques compatibles avec la conversion à forte

puissance moyenne3 Une extrapolation potentielle à de grandes ouvertures3. Une extrapolation potentielle à de grandes ouvertures

On sait depuis une décennie que le triborate de lithium LiB3O5 alias LBO répond bien aux critères 1 & 2. Nous démontrons ici son potentiel pour la forte énergie.


Plan de l’exposéPlan de l’exposé

Introduction, facteurs de mérite, caractéristiques chaîne Alisé… Cf : http://cmdo cnrs fr/IMG/pdf/J1 Mennerat JNCO2009 pdfCf : http://cmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/J1_Mennerat_JNCO2009.pdf

Choix des géométries de doubleursChoix des géométries de doubleursEssais en doublement de fréquence

Choix des géométries de tripleursEssais en triplement de fréquence

Perspectives


Large LBO boules Large LBO boules growngrown by Cristal Laserby Cristal Laser

Growth of high quality - large size LBO crystals for high energy second harmonic generationA. Kokh, N. Kononova, G. Mennerat, Ph. Villeval, S. Durst, D. Lupinski, V. Vlezko, K. KokhJournal of Crystal Growth Volume 312 Issue 10 pp 1774-1778 1 May 2010

Ø 50mmCfCf session session plénièreplénière JeanJean--Paul Paul ChambaretChambaretpp

MercrediMercredi 6 6 juilletjuillet 17h0017h00


Conventions pour l’orientation du Conventions pour l’orientation du triboratetriborate de lithium de lithium LiBLiB33OO55


ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– coefficient noncoefficient non--linéairelinéaire efficaceefficace


ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– coefficient noncoefficient non--linéairelinéaire efficaceefficace

Type II

LBO : 0,62 pm/V KDP : 0,33 pm/V

Type I

LBO : 0,83 pm/V KDP : 0,26 pm/VKDP : 0,26 pm/V


ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– acceptance acceptance angulaireangulaire critique critique

Recherche de l’axe critique « à 360° » hors plans-principaux

Type II

LBO : 9,1 mrad.cm KDP : 2,1 mrad.cmKDP : 2,1 mrad.cm

Type I

LBO : 3,9 mrad.cm KDP : 1 1 mrad cmKDP : 1,1 mrad.cm


Calcul de la tolérance angulaireCalcul de la tolérance angulaire

1. Nous visons un rendement de conversion η de 80% à une intensité Iop = 1 GW/cm2 (compatible avec la tenue au flux du module convertisseur))

2. Nous en déduisons l’épaisseur L du cristal dépendant de paramètres intrinsèques regroupés dans la puissance critique Pc

op

07,2I

PL c=⇒≡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= %80tanh 2 L

PI

c

η212eff

321

²8λλ

πε

dnnncP o

c =

3. La tolérance angulaire (aberrations,pointé du faisceau incident, réglages angulaires) est définie comme

opI⎠⎝ c

g g g )

l’acceptance angulaire de l’accord de phase à 80% du max × L

Lk×⎥⎦

⎤⎢⎣⎡∂Δ∂

=Δ−1

%80 5,2θ

θ


ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– tolérancetolérance angulaireangulaire

Pour chaque orientation, on ajuste l’épaisseur du cristal en fonction du coeff. NL deffpour atteindre 80% de rendement à l’intensité incidente de 1GW/cm2

Type II

LBO : 10,3 mrad L=6,8mm KDP : 2,1 mrad L=19,1mm

Type IType I

LBO : 5,7 mrad L=8,8mm KDP : 2,1 mrad L=15mm


Type I & type II LBO Type I & type II LBO crystalscrystals cutcut in XY and YZ principal planesin XY and YZ principal planes

Fundamental wavelength : λIR=1053 nm (monomode front-end)

Type I - XY Type II YZType I XY Type II - YZ

• Ø40mm thickness 9 mm• Ø50mm thickness 6 mm • Ø50mm thickness 12 mm (x2)

• Ø50mm thickness 16 mmØ25 thi k 20

• Ø50mm thickness 6 mm




Laser Laser AliséAlisé : un grand instrument ouvert pour les études laser : un grand instrument ouvert pour les études laser et d’interaction laseret d’interaction laser--plasmaplasma

Poste de commande de tirSalles haut flux

Salle de conduite de tir

Salle haut flux

Hall d’amplification laser

Salle d’expériences

122009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance

Banc d’énergie Salle pilote

La chaîne d’amplification AliséLa chaîne d’amplification Alisé

Entrée de chaîne : 5 mJ

3 amplis 50 mmFS

Entrée de chaîne : 5 mJpilote 100 fs étiré ou

ns avec MFT

3 CP 50 mm

RF 150 mmFS

1 ampli 150 mm

2 amplis 94 mmRF R t t d F d 2 amplis 94 mm

RF 94 mm

RF : Rotateur de Faraday

CS : Cellule de Pockels

FS : Filtrage Spatial

Chaîne en imagerie confocale

RF 94 mm

Sortie de chaînejusqu’à 500 J


Typical Alisé intensity distribution


Profil d’intensité en champ lointainProfil d’intensité en champ lointain

Δt=60 min, 5 mars 2008

AVEC correction deAVEC correction de surface d’onde


LayoutLayout of of frequencyfrequency conversion conversion benchbench in in AliséAlisé facilityfacility

➍

ScaleKey

R d 1 G 2 Bl 3➍

➏10 20 30 40 50 cm0

➍

➏

yRed = 1ω, Green = 2ω, Blue = 3ω

➊ : input energy and near-field profile ➋ : generated or residual energy, ∓1 diffraction order, joulemeter 150 mJ➌ : temporal pulse profile, ∓1 diffraction order, phototube 60 ps, 8 GHz oscilloscope➍ : near-field fluence profile ∓2 diffraction order 12-bit CCD camera 80µm resolution ➌ ➍

➎➌

➏

➍ : near field fluence profile, ∓2 diffraction order, 12 bit CCD camera, 80µm resolution➎ : far-field fluence profile, ∓2 diffraction order, 12-bit CCD camera, 1µrad resolution➏ : main beams available to experiments, 0 diffraction order,

energy 2-300 J, ∅36mm, duration 0.5-20 ns

➌

➋➋➎ ➎

➊

Nd:YLF 1 ; 10 ns10 Hz, 15 mJ

KTiOPO4doubler5 mm-thick 3x3 mm²

LiB3O5 type-I tripler 15 mm-thick 3x3 mm²

λ/2 λ/2➋

➋

Auxiliary beam for alignment

Order ∓2< 25 μJ @ 3ω

5 mm thick 3x3 mm15 mm thick 3x3 mm

90 m

m

➊

HBS 3ω0,05%, 10°

HBS 2ω0,05%, 10°

HBS 1ω0,05%, 10°

36 mm

< 25 μJ @ 3ω

λ/2

KH PO t I d bl KD PO type II tripler


KH2PO4 type-I doubler 12 mm-thick 150x150 mm²

KD2PO4 type-II tripler 9 mm-thick 100x100 mm²

Frequency conversion benchfundamental beamfrom laser hall

15x15cm²KDP doubler

Simultaneous recording for each shot

Input1ω

generated2ω

residual 1ω

KDP doublerset apart Energy 2 sensors 2 sensors 1 sensor

Temporal profiles yes yes yes

Ø5cmLBOdoubler 10x10cm²

Fluence profiles

Near-fieldFar-field

Near-fieldFar-field

Near-fieldFar-field

Wavefront HASO64

doublerDKDP triplerset apart

Spectrum yes yes yes

172011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de PuissanceCalorimeter

300J range

94% conversion 94% conversion efficiencyefficiency in type II LBO doublerin type II LBO doubler

Simulations numériquesSimulations numériques

à partir du senseur S3Spatial : 64x64 pointsSpatial : 64x64 points

Temporel : 236 points


Vérification par mesure du dépeuplement du fondamentalVérification par mesure du dépeuplement du fondamental

Mesure relative indépendante des étalonnages énergétiques


Bilan sur les évaluations de rendementBilan sur les évaluations de rendement

Mesure calorimétrique absolue(même calorimètre étalon Gentec pour les faisceaux 1ω incident, 1ω résiduel et 2ω produit)

95±6(!?)%1ω résiduel et 2ω produit)

Simulations numériques spatio-temporelles à partir des données du senseur S3 1ω

94±3%

incident (calorimètre Gentec)Mesure relative du dépeuplement de l’impulsion fondamentale (phototube Hamamatsu, calibre inchangé sur oscilloscope 93 ±2%(p , g pnumérique Tektronix)Mesure relative de la tolérance angulaire du cristal doubleur (calorimètres Gentec et Molectron) 94±1%(calorimètres Gentec et Molectron) 94±1%

Mesure relative de tolérance à la polar. du fondamental (calorimètres Gentec et Molectron) 94 ±0 5%(calorimètres Gentec et Molectron) 94 ±0,5%

Bilan 94 ±0,5%


Banc pour le doublement à très forte énergie dans LBO type IBanc pour le doublement à très forte énergie dans LBO type I


Record de doublement de fréquence dans LBO : plus de 200 J sur AliséRecord de doublement de fréquence dans LBO : plus de 200 J sur Alisé

Monttée progreessive enn énergie


ComparisonComparison to to somesome otherother highhigh--energyenergy SHG SHG experimentsexperiments11ωω 22ωω conversionconversion PulsePulse IntensityIntensity[ reprep laserlaser11ωωenergyenergy

22ωωenergyenergy

conversion conversion efficiencyefficiency

Pulse Pulse durationduration

IntensityIntensity[MW/cm²]

rep. rep. raterate

laserlaser

KDPKDP 417 J 346 J 83% 1 ns 9500 single shot

Argus LLNL 1982shot

10,75kJ 7,95kJ 74% 1 ns 2500 single shot

Nova LLNL 1992

810 J 650 J 80% 1 ns 3000 single Phébus CEA 1995810 J 650 J 80% 1 ns 3000 single shot

Phébus CEA 1995

CLBOCLBO 34 J 25 J 74% 25 ns 370 single shot

JAER 2002 327 Wav

YCOBYCOB 65 J 32,7 J 50% 15 ns 120 10 Hz Mercury LLNL 2008

KTPKTP 8.5 J 5 J 59% 8 ns 170 33 Hz DAPKL TRW 1998

av. power

82 J 52 J 76% 8 ns 200 single shot

Alisé CEA 2006

LBOLBO 135 J 115 J 85% 15 ns 800 single h

Alisé CEA 2008shot

3,4 J 3,2 J 94% 3 ns 800 single shot

Alisé CEA 2008

236 J 217 J 92% 12 ns 800 single Alisé CEA 2009


236 J 217 J 92% 12 ns 800 single shot

Alisé CEA 2009

Choix des orientations : tripleur – coefficient non-linéaire

Type II

LBO : 0 52 pm/VLBO : 0,52 pm/V DKDP : 0,33 pm/V

Type I

LBO : 0,66 pm/V DKDP : 0,29 pm/V


Choix des orientations : tripleur – acceptance angulaire

Type II

LBO : 3,11 mrad.cm KDP : 1,12 mrad.cm

Type I

LBO : 1 03 mrad cmLBO : 1,03 mrad.cm KDP : 0,74 mrad.cm


Choix des orientations : tripleur – tolérance angulaire

Type II

LBO : 3 8 mrad L=8 2mm Type ILBO : 3,8 mrad L=8,2mm DKDP : 1,0 mrad L=10,7mm

Type I

LBO : 1,7 mrad L=6,1mm DKDP : 0,6 mrad L=12,2 mm


Tests of LBO Tests of LBO doublerdoubler//triplertripler pair on frequency conversion benchpair on frequency conversion bench


50 J UV generation with 85% conversion efficiency50 J UV generation with 85% conversion efficiency


Very High Energy BenchVery High Energy Bench


PréparationPréparation à la à la montéemontée à à trèstrès forte forte énergieénergie


RecalageRecalage des gains et des gains et pertespertes de la de la chaînechaîne : 287 J: 287 J


Angular acceptance of type II LBO Angular acceptance of type II LBO triplertripler


angular angular tolerance of tolerance of KDP14/DKDP15 KDP14/DKDP15 module module –– mid intensity mid intensity


ToléranceTolérance angulaireangulaire de la de la configconfig. KDP14/DKDP15 . KDP14/DKDP15 –– HteHte intensitéintensité


22--axis angular tolerance of KDP14/LBO9.5 module axis angular tolerance of KDP14/LBO9.5 module –– mid intensity mid intensity


22--axis angular tolerance of axis angular tolerance of KDP / LBO KDP / LBO module module –– high high intensity intensity


ToléranceTolérance angulaireangulaire de la de la configconfig. LBO4/LBO9.5 . LBO4/LBO9.5 –– Moy Moy intensitéintensité


ToléranceTolérance angulaireangulaire de la de la configconfig. LBO4/LBO9.5 . LBO4/LBO9.5 –– HteHte intensitéintensité


MontéeMontée en en énergieénergie : 3 ns : 3 ns –– 128 J128 J








Endommagement du TAR LBO à 16 J/cm² moyen à 3ω

Traitement le plus fragile….



Tripleur type II : Bulk for 3ω < 1 ppm/cm @ 355nm X !!!Tripleur type II : Bulk for 3ω < 1 ppm/cm @ 355nm,X !!!


Tenue au flux 1/1 à 532nm sur témoin non traitéTenue au flux 1/1 à 532nm sur témoin non traitéProbabilité d'endommagement 1 on 1

22w

0,7

0,8LBO 0796220003 2w 1 on 1

Tests banc Blanco CESTA pour Cristal Laser

0,4

0,5

0,6

d'en

dom

mag

emen

t

Tests banc Blanco CESTA pour Cristal Laser dommages en volume et face de sortie 6 ns, 487µm à 1/e²

0,2

0,3

Prob

abili

té d

0

0,1

0 20 40 60 80 100 120 140

Fluence blanco (J/cm²)

Ch // diél i X

Thèse Anne Hildenbrandt Institut Fresnel / Cristal Laser

Champ // axe diélectrique X

Tenue au flux en volume 6,5 ns 24µm


Perspectives sur la conversion de fréquence à forte énergie dans LBOPerspectives sur la conversion de fréquence à forte énergie dans LBO

• Les ouvertures augmentent peu à peu : les limites ne sont pas

atteintes, un diamètre de 100-150 mm semble possible à terme

• Record mondial de puissance moyenne : source commerciale Trumpf

produit 700 W moyens dans le vert !

• Doublement impulsions ultracourtes ( < 50fs) : η=68%Mennerat et al. ICUIL'2010, 26 September–1 October, 2010, Watkins Glen, New York (USA)

• Les premiers essais en triplement de fréquence sont très prometteurs• 50 J avec 85% de rendement en 3 ns• 360 J avec 80% de rendement en 12 ns• Pb de tenue au flux des couches minces dans l’UV résolu : Cf Cristal Laser

• Le LBO est un candidat de premier ordre pour l’amplification• Le LBO est un candidat de premier ordre pour l amplification

paramétrique vers 800 nm à forte énergie : OPA / OPCPA


Documents

Gabriel Mennerat, O. Bonvillecmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/Mennerat_Records_de_doublage_et...Gabriel Mennerat, O. Bonville Commissariat à l’Énergie Atomique, CESTA, Bordeaux (France) [email protected]