Journées cavités LAL 2-3 avril 2009

Journées cavités LAL 2-3 avril 2009

Génération d’harmoniques d’ordres élevés à haute cadence

E. ConstantCentre Laser Intenses et ApplicationsUniversité Bordeaux 1, CNRS, CEA

- Introduction à la génération d’harmoniques d’ordres élevés

- Modèle en trois étapes- Caractéristiques spectrales de l’émission XUV

- Génération à « basse » énergie - Réponse de l’atome unique- Accord de phase et effets collectifs

- Génération dans les cavités passives- Génération CPA « haute » cadence- Conclusion

Plan

Émission XUVChamp laserfondamental

Generation d’harmoniques d’ordres élevés

- Source XUV compacte, ultracourte, synchronisée avec l’impulsion 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)

- Harmoniques impaires du fondamental

- Relation de phase entre ces harmoniques (atto)

- Perturbatif – plateau - coupure

- Loi de coupure hmax = Ip + 3.2 Up

- Efficacités typiques de 2-5 10-5 (Xe, Kr) à 10-8 – 10-9 (He Ne)


Le modèle semi classique(champs forts, basse fréquence, P. B. Corkum 1994)

1: Ionisation 2: Oscillation 3: recombinaison radiativeEmission XUV

Intensité, longueur d’onde et harmoniques

Isat

(W/cm2)Ordre max

(800 nm)Up: 6 eV/1014

Ordre max

(2 µm)Up: 37.5 eV/1014

Xe Ip=12.13 eV

8x1013 17 (26.3 eV, 47 nm)

175(108 eV, 11.4 nm)

Kr Ip=13.99 eV

1.5x1014 27(41.8 eV, 30 nm)

313(194 eV, 6 nm)

ArIp = 15.75 eV

2.5x1014 41(63 eV, 19 nm)

509(315 eV, 3.9 nm)

NeIp=21.56 eV

8.6x1014 119(185 eV, 6.7 nm)

1699(1053 eV, 1.2 nm)

HeIp=24.58 eV

1.5x1015 201(311 eV, 4 nm)

2943(1824 eV, 6.7 Å)

HHG à haute cadence = HHG à basse énergie

• Deux problèmes:

• Générer efficacement les harmoniques.

• Les extraire (si besoin).

HHG à haute cadence

• Réponse de l’atome unique

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

-10

-5

coupure = H19 pour 4.3 1013

W/cm2

Réponse de l'atome uniquegénération de l'harmonique 19par un atome d'argon excité à 800 nm.(Fournis par P. Salières)

Dip

ôle

calc

ulé

Intensité (1014

W/cm2)

Effets macroscopiques

Milieu gazeux

- Accord de phase (généralisé) PRA 55, 3204 (1997)

- Ré-absorption des harmoniques PRL 82, 1668, (1999)

Génération d’harmoniques dans les cavités

Génération d’harmoniques dans les cavités

Injection: 100 MHz, 48 fs, 8 nJ

Cavité Input coupler T = 0.1 %Rmax 750 – 850 nmDispersion <~ 10 fs2

Finesse ~2500Amplification : ~ 600 (4.8 µJ)Durée : 60 fsPcréte = 80 MW, = 480 WImax 3x1013 W/cm2

H3: 10 µW (eff. 10-8)

Pble: effets non lin. dans saphire

Deux expériences réalisées simultanément en 2005

Injection : 20 fs, 112 MHz, 7.7 nJ (850 mW)

Cavité : T = 1%, Amplification : 54 (calcul : 100)Durée 28 fs, 339 nJPcrete = 12 MW, = 38 WImax = 5x1013 W/cm2.

Injection: 10.8 MHz, 38 fs, 139 nJ, 1.5 W

Cavité sous vide, 27.8 m de longAmplification : ~ 100 (~13.9 µJ)Durée : 57 fsPcréte = 244 MW, = 100 WImax >5x1013 W/cm2

W0 = 13 µm

Et en 2008 (MPQ)

Injection: 1070 nm, 136 MHz, 75 fs, 73 nJ, 10 W

Cavité Input coupler T = ?%Rmax 1070 nmDispersion ? fs2

Finesse ~Amplification : ~ 260 (~19 µJ)Durée : 100 fsPcréte = 190 MW, = 2600 WImax > 4x1013 W/cm2

W0 ~ 10 µmconversion H13: 10-9

Pble: harmoniques dispersées, tenue au flux, harmoniques basses

Et en 2008 (Boulder)

Yb CPA hautecadence

Autres approches pour accéder à l’XUV • Miroir troué (mode d’ordre supérieur) problème de pertes et d’accord de phase

• Mise en forme du faisceau laser:• Géométrie non colinéaire

Mise en forme du milieu générateur

Reflection rasante xuv avec autres matériauxUtiliser (ou observer) l’xuv directement dans la cavité ?

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

HHG à 100 kHz

FCPA output

f =100 mmIntensité

7x1013 W/cm2

Gas jet

XUV grating

Odd High Order HarmonicsOf the fundamental (1030 nm)

Spectres XUV émis dans Ar

E ~ 100 µJ

PP ~ 340 MW

I ~7.1013 W/cm2

@ 100 kHz Rep. Rate

33.2 nm

XUV spectrum generated in Xe

E ~ 30 µJ

 = 28 W

PP ~ 100 MW

I ~2.1013 W/cm2

HHG à 1 MHz

FCPA output

f =100 mmlens

Intensity several 1013 W/cm2

Gas jet

XUV grating


Down to 68.7 nm !!!

At 1 MHz Rep. Rate

HHG results

FCPA output

f =100 mmlens

Intensity several 1013 W/cm2

Gas jet

XUV grating


Estimation de la puissance accessible dans l’XUV: Efficacité (/harm) = 10-6 à 10-9

P = 30 µW à 30 nW

Repetition rate 100 kHz 300 kHz 500 kHz 1 MHz

Pulse Energy 100 µJ 83 µJ 50 µJ 28 µJ

Average Power 10 W 25 W 25 W 28 W

Laser intensity 7.1·1013 W.cm-2 5.9·1013 W.cm-2 3.5·1013 W.cm-2 2·1013 W.cm-2

Gas Ar (H31), Kr (H27)

Xe (H23)

Kr (H25), Xe

(H23)

Kr (H23), Xe (H17) Xe (H15)

Travaux en cours :milieu générateur, collection de l’xuv & laser + fiabilisation

Vers le recyclage de photons?

100 kHz – MHz XUV sourceRateout = Ratein

>99% de l’énergie IR « perdue »

XUV

OK sans gainMHz – 10 MHz XUV Rateout > Ratein

Energie IR recycléeRelache les contraintesSur la cavitéMais encore mieuxAvec gain

IR

XUVIR

Émission d’harmoniques d’ordre 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 d’autres longueur d’onde de fondamental: keV?

Peignes de fréquence dans l’XUV

Test intracavité non destructif, génération dans milieux exotiques

En conclusion

- Harmoniques impaires du fondamental

- Relation de phase entre ces harmoniques (impulsions attosecondes)

- Trois domaines perturbatif – plateau - coupure

- Loi de coupure hmax = Ip + 3.2 Up

- Efficacité typiques (/harm.) de 2-5 10-5 (Xe, Kr) à 10-8 – 10-9 (He Ne)


H25

H27 H29

H31

H41

H51

Effets macroscopiques: Influence de la propagation

Accord de phase : kq = q k1 + K

k1

K = at

Conditions d’accord de phase influent directement sur l’efficacité du processus (relation Zr Lmed, P, Labs, taux d’ionisation etc)

Ph. Balcou et al., PRA 55, 3204 (1997)

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