Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble)Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble)

Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, sept. 2004) sept. 2004)Vincent Fesquet (Doctorant)Vincent Fesquet (Doctorant)Jean-Paul Pique (DR CNRS)Jean-Paul Pique (DR CNRS)

Jean-Louis Cheval (IE, Jean-Louis Cheval (IE, déc. 2004) déc. 2004)Corinne Félix (IE, 30%)Corinne Félix (IE, 30%)

OverviewOverview

1. The modeless laser for ELPOA1. The modeless laser for ELPOA

break saturation limitationbreak saturation limitation

2.2. Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)

transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers

3.3. Visible SmVisible Sm3+3+ fiber laser fiber laser

dye laser dye laser solid state laser solid state laser

Incoherent excitationIncoherent excitation

1.1. Maximum population of the 4DMaximum population of the 4D5/25/2 state : state : 1/6 (~17%)1/6 (~17%) (Foy et al. 1995) (Foy et al. 1995)

2. Saturation sodium transitions2. Saturation sodium transitions

* * 3S3S1/21/2 3P 3P3/23/2 : : 185 W/m185 W/m22 (Foy et al. 95), (Foy et al. 95), 95 W/m95 W/m22 (Morris 97) (Morris 97)

* * 3P3P3/2 3/2 4D 4D5/25/2 : : 450 W/m450 W/m22 (Foy et al. 95), (Foy et al. 95), 225 W/m225 W/m22 (Morris 97) (Morris 97)

3. Doppler/Hyperfine linewidth : 3. Doppler/Hyperfine linewidth : ~ 3 GHz (1 GHz)~ 3 GHz (1 GHz)

4. ~4 104. ~4 101212-0.5 10-0.5 101212 Na atoms Na atoms (spot size: 50 cm)(spot size: 50 cm)

* * JanuaryJanuary column density: 2 10column density: 2 1099 at./cm at./cm2 2

* * JuneJune column density: 0.25 10column density: 0.25 1099 at./cm at./cm2 2 (Megis et al. 88)(Megis et al. 88)

5. For a return flux at 330nm > 5. For a return flux at 330nm > 7 107 1055 photons/s/m photons/s/m2 2 (Schöck et al. 2001)(Schöck et al. 2001)

We must excite all the velocity classes We must excite all the velocity classes

two 20 W two 20 W modeless lasersmodeless lasers (15 kHz, 50 ns, 589 +569 nm) (15 kHz, 50 ns, 589 +569 nm)

A modeless laser A modeless laser for unsaturated sodium excitationfor unsaturated sodium excitation

J.P. Pique et al., JOSA B (2003)J.P. Pique et al., JOSA B (2003)

2 2 11 2

21 2

( , , ) ( , , )( , , ) ( ' ) ( , , ') ' ( , , ) ( ' ) ( , , ') '

N t N t gN t t d N t t d

t g

r r

r r r r

Temporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic modelTemporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic model

= homogeneous absorp. = homogeneous absorp. cross section cross section NN11, N, N22= population of levels= population of levels

3S3S1/21/2, 3P, 3P1/21/2

= laser photon density= laser photon density

0 25 50 75 100 125 1500

1

2

3

4

5

6

x 106

Laser mean power (PLav, W)

D2 f

luor

esce

nce

flux

(

D2, p

hoto

ns/s

/m2 )

0 50 100 150

1

3

5

7

9

3 GHz modeless-laser

1 MHz laser+ double phase modulation

1 MHz single-mode-laser

*

laser: 70 ns, 30 kHz; beam diameter: 40 cm

Fluorescence of the D2 star (589 nm)

At least, we expect At least, we expect

a mult. factor a mult. factor

of 10 for the UV (330 nm)of 10 for the UV (330 nm)

star intensitystar intensity

dk

ak ' a

a

2 a

Bragg Bragg

'd i a

i d

k k kk k

ak

'dk

'ik

ik

ak

a=40 MHz

Remarkable properties of an accoustoptic modulatorRemarkable properties of an accoustoptic modulator

• index grating (spectral filter index grating (spectral filter ≡ Lyot filter≡ Lyot filter))

• frequency shifter (2frequency shifter (2aa after one round-trip) after one round-trip)

Kowalski et al. (1988) •Ring cavity: progressive wave•Closed on 0th order•Pump power: 8 W• : 30 GHz

This work•Linear cavity: standing wave•Closed on 1st order•Pump power: 3 W• : 3 GHz

• Oscillator (modeless): 3 GHz = Oscillator (modeless): 3 GHz = DD22) )

Dye jetAOS

cw-YAG, 3W

FP

M1

M2

M3

Modeless oscillator

1

0F

F

1.Laser Sans Mode1.Laser Sans Modebut : s’affranchir de la saturation de Nabut : s’affranchir de la saturation de Na

J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)

0 3 6 9 12

modeless

multi mode

single-mode

GHz

0 400 800 1200 1600

10

0

ELP-OA

KECK

D2-l

ine

flu

ore

scen

ce i

nte

nsi

ty

(arb

itra

ry u

nit

s)

Power density: Pw (kW.m-2)

single mode 1MHz modeless 4.5 GHz modeless 3.0 GHz

Etoile Laser 5 fois plus

intense

On excite toutes les classes de

vitesse

Ordre 0

Ordre 1

Spectre de la raie laser

Modeless laser modelModeless laser model

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01E-6

1E-4

0.01

1

100 modeless multimode model

spontaneous emission

Out

put

pow

er (

mW

)

Pump power: Pp (W)

( 2 , ) ( , ) [ ( ) ( ') ( ) ( , ) ( ) ( , )] 'ct

a c c s

t

n t n t G N t G N n t n t dt

Photon densityPhoton density Spontaneous Spontaneous emissionemission

LossesLossesStimulated Stimulated emissionemission

2

22

( ) ( ) ( )

.

.

2( ) ( )

2 4( ) ln[1 sin ( )]

(1 )

c out Grating FP

c c

out c

Gratingc Grating

FPc FP

X isl

T isl

R

R isl

( )out out outP h n d

G(): gain by molecule

Ns: nb. excited molecules

c: round trip time

a: acoustic frequency

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

2

4

6

8

10

experiment model

Sp

ectr

al li

ne-

wid

th (

GH

z)

Pump power: Pp (W)

• Oscillator (modeless): 3 GHz = Oscillator (modeless): 3 GHz = DD22) )

• Intracavity preamp.: MIntracavity preamp.: M22 ≥≥1.05, gain~101.05, gain~1044, 8 µJ/pulse , 8 µJ/pulse V. Fesquet V. Fesquet

• Amplifier: 20-25 W (we hope an efficiency ~30%) Amplifier: 20-25 W (we hope an efficiency ~30%) I. Courtillot I. Courtillot

• All-optical, compactAll-optical, compact

Dye jetAOS

cw-YAG, 3W

LyotFP

M1

M2

M3

Modeless oscillatorjet

QS-YAG 15kHz, 80 ns, 2W

PreampliAmpliMode coupling

Pump Laser : CuHBr orYAG

Jet

/2

mètre

1

0F

F

1.Laser Sans Mode1.Laser Sans Modebut : s’affranchir de la saturation de Nabut : s’affranchir de la saturation de Na

J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)

Modeless laser with its preamplifierModeless laser with its preamplifier

LSP laser/ KECK laserLSP laser/ KECK laser

KeckKeck• saturation saturation • modulationmodulation• osc. pump: 50 Wosc. pump: 50 W• preamp. pump: 50 Wpreamp. pump: 50 W• preamp: 4-8 µJ/pulsepreamp: 4-8 µJ/pulse• ampli: 4x60 Wampli: 4x60 W• electronicselectronics• big installationbig installation

This workThis work• no saturation (star int. X 3) no saturation (star int. X 3) • modelessmodeless• osc. pump: 3 Wosc. pump: 3 W• preamp. pump: 2 Wpreamp. pump: 2 W• preamp: 5 µJ/pulsepreamp: 5 µJ/pulse• ampli: 1x60 W (we hope !)ampli: 1x60 W (we hope !)• all-opticalall-optical• compact (2 channels on 1 table)compact (2 channels on 1 table)

YAG 1 50W

26 kHz

YAG 6 50W

26 kHz

YAG 2 60 W

13 kHz

YAG 4 60W

13 kHz

YAG 3 60W

13 kHz

YAG 5 60W

13 kHz

Grazing incidence dye master oscillator

3mW, 589nm seed pulse

delivered by single-mode

fiber

Préamplifier Amplifier

300-600 mW

100-200 mW

15-20W 589nm 26 kHz

3,9-7,7J/pulse

AOS

cw-YAG 3W

FP

QS-YAG 2WCuHBr orYAG 60 W

/2

1

0 AOS

cw-YAG 3W

FP

QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W

/2

1

0

OverviewOverview

1. The modeless laser for ELPOA1. The modeless laser for ELPOA

break saturation limitationbreak saturation limitation

2.2. Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)

transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers

3.3. Visible SmVisible Sm3+3+ fiber laser fiber laser

dye laser dye laser solid state laser solid state laser

Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, 569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz)569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz)

• Fibre monomode : Fibre monomode : ~ 3µm ~ 3µm Raman (SiO) ~ Raman (SiO) ~ 3-10 mW3-10 mW

• Fibre PCF à cœur plein : Fibre PCF à cœur plein : ~ 30 µm ~ 30 µm Raman (SiO) ~ Raman (SiO) ~ 0.3-1 W0.3-1 W

Fibre HC-PCF : cœur d’air ou vide Fibre HC-PCF : cœur d’air ou vide (P. Russell 2001)(P. Russell 2001)

Raman négligeableRaman négligeable seuil de dommage très élevéseuil de dommage très élevé interface d’entrée air/air interface d’entrée air/air

(réflexion de Fresnel très faible <10(réflexion de Fresnel très faible <10-3-3)) dispersion nulle (large bande)dispersion nulle (large bande)

Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux)Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux)(« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance »)(« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance »)

2. Fibre creuse à cristal photonique 2D 2. Fibre creuse à cristal photonique 2D HC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal FiberHC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal Fiber

=580 nm;

pertes: 0.3dB/m;

95% énergie dans l’air

100 kW crête

démontré

à 800 nm !

OverviewOverview

1. The modeless laser for ELPOA1. The modeless laser for ELPOA

break saturation limitationbreak saturation limitation

2.2. Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)

transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers

3.3. Visible SmVisible Sm3+3+ fiber laser fiber laser

dye laser dye laser solid state laser solid state laser

3. Laser à Fibre3. Laser à Fibre

2 projets Lasers Fibres pour LGS:2 projets Lasers Fibres pour LGS:

• LLNL: LLNL: diode laser à 938 nm diode laser à 938 nm + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à AL)AL)+ laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) + laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) + ampli à fibre à 1583 nm+ ampli à fibre à 1583 nm+ somme de fréquences dans un cristal PPLN+ somme de fréquences dans un cristal PPLN

• ESO: ESO: laser à fibre à 1178 nm (monomode) laser à fibre à 1178 nm (monomode)+ ampli Raman (silice pompée à 1020 nm)+ ampli Raman (silice pompée à 1020 nm)+ doublage de fréquence dans un cristal PPLN + doublage de fréquence dans un cristal PPLN

Il n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visibleIl n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visible

3. Laser à Fibre dopée Sm3. Laser à Fibre dopée Sm3+3+

Objectif: Etude d’un Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nmObjectif: Etude d’un Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nm• Université de Leeds : Université de Leeds : Préforme Préforme • IPHT Jena IPHT Jena : : FibreFibre• LSP LSP :: LaserLaser

I. Ion SmI. Ion Sm33++

L’émission de l’ion SmL’émission de l’ion Sm3+3+ dépend fortement du verre hôte dépend fortement du verre hôte Peut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µmPeut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µm

Figure 1

0

5

10

15

20

25

1060 nm938 nm

708646599563 1060 nm938 nm

488 nm

6P5/2

4M15/2

4I9/2

4G7/2

4F3/24G5/2

6H5/2

Ener

gy(x

103

cm-1

)

Sm3+

550 600 650 700 7500

500000

1000000

1500000

2000000

590 nm

FWHM 12 nm

708

646

599

563

Inte

nsity

(a.u

.)

Wavelength(nm)

0.1 wt% Sm-doped tellurite glass488 nm laser, 20 mW

0

5

10

15

20

25

1060 nm938 nm

708646599563 1060 nm938 nm

488 nm

6P5/2

4M15/2

4I9/2

4G7/2

4F3/24G5/2

6H5/2

Ener

gy(x

103

cm-1

)

Sm3+

3. Laser 3. Laser VisibleVisible à Fibre dopée Sm à Fibre dopée Sm3+3+

Diode laser collimatée

Gaine interne

Cœur dopé Sm3+

Entaille à 90 °

•Structure: double gaine

•Pompage: diode multimode

• : visible (dont 589 et 569 nm)

•Largeur spectrale: 3 GHz (1 GHz)

•Autres applications : laser de pompe, micro-usinage …

II. Etude théorique et expérimentale d’un Laser à fibre dopée Sm 3+

Gaine externe

Fibre dopée Sm 3+Réseau de Bragg Réseau de Bragg

RmaxR < 1pompe pompe

1. 300 W (monomode) ont été démontrés avec l’ion Yb (1.04 µm)

2. Un absorbant saturable peut être incorporé dans le cœur de fibre laser picoseconde

Remarques:

(a) (b)

Laser 1 3S1/2

4P3/2

4S1/2

D2UV D1

Laser 2

3P3/2

Laser 1

3P3/23P1/2

4P3/2

4D5/2

4S1/2

D2UV D1

Laser 2

3S1/2

D3

Figure 1 : a) monochromatic LGS (high order)

b) alternative for independant tip-tilt correction

Alternative 330 nm excitation for tip-tilt

• 100% adiabatic transfert ?

• back emission ? (increase solid angle collection ?)

Advantages:

• Only one laser channel (cheaper, reliability …)

• if 330 nm laser launch through telescope, we just need to observe the 589 nm star

• tip-tilt system independant from monochromatique LGS system

• not security problem (330 nm is not transmited through windows)

RésuméRésumé

1. Laser Sans Mode1. Laser Sans Mode s’affranchir de la saturation intrinsèque à l’atome de sodiums’affranchir de la saturation intrinsèque à l’atome de sodium 2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W)2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W)

2.2. Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF)Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF) collaboration avec l’équipe de D. Pagnoux de l’IRCOMcollaboration avec l’équipe de D. Pagnoux de l’IRCOM transport de faisceaux lasers de puissancetransport de faisceaux lasers de puissance

3. Expérience à l’OHP3. Expérience à l’OHP démontrer la possibilité de corriger en temps réeldémontrer la possibilité de corriger en temps réel

le « tip-tilt » à l’aide d’une étoile laser polychromatiquele « tip-tilt » à l’aide d’une étoile laser polychromatique OA = seul miroir « tip-tilt » (D/rOA = seul miroir « tip-tilt » (D/r00 ~ 3) ~ 3)

4. Laser à Fibre dopée Sm4. Laser à Fibre dopée Sm3+3+ émettant dans le visible émettant dans le visible s’affranchir des lasers à colorants’affranchir des lasers à colorant

FinFinEndEnd