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Lasers à impulsions ultracourtes haut Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et cadence : état de l’art et perspectives perspectives Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Campus Polytechnique, Palaiseau, France [email protected] 01 64 53 34 26

Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

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Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives. Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Campus Polytechnique, Palaiseau, France [email protected] 01 64 53 34 26. Plan de l’exposé. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

Lasers à impulsions ultracourtes haute Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectivescadence : état de l’art et perspectives

Patrick GEORGESLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

Campus Polytechnique, Palaiseau, [email protected]

01 64 53 34 26

Page 2: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

2Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 2

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

Lasers à impulsions courtes à base de cristaux de saphir dopé au titane

Lasers à impulsions courtes à base de cristaux pompés directement par diode laser de puissance

Lasers à impulsions courtes à base de fibres optiques pompés directement par diode laser de puissance

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3Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 3

Production d’impulsions Production d’impulsions courtescourtes

- Il faut disposer d’un milieu amplificateur possédant une largebande de fluorescence (20 fs à 800 nm --> 34 nm)- Il faut en plus que tous les modes longitudinaux aient la même phase

--> système à transmission non linéaire

D. Spence et al «60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser» Opt. Lett., 16, 42 (1991)

Kerr Lens Mode-locking (KLM) (University of St Andrews) Saphir dopé au titane (Ti3+:Al2O3 )

P. F. Moulton, "Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3," J. Opt. Soc. Am. B 3, 125 (1986)

--> Nouvelle génération de lasers femtoseconde solides (< 10 fs, qq W)

Nd:YAG ou Nd:YVO4 2

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4Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 4

Amplification d’impulsions Amplification d’impulsions courtescourtes

Chirped Pulsed Amplification (CPA) (University of Rochester) D. Strickland et G. Mourou, "Compression of amplified chirped pulses", Opt. Comm, 56, 219 (1985)

Systèmes laser fs commerciaux --> 25 fs, qq mJ, 1-5 kHz --> 30 fs, 3 J, 10 Hz (100 TW)

Projet ILE : Institut de la Lumière Extrême (Plateau de Saclay) 10 PW : 150 J, 15 fs à la cadence d’un tir par minute

L’absorption du saphir dopé au titane est dans le vertLe pompage directe par diode est impossible !!!!

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5Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 5

Chaine laser fs haute cadenceChaine laser fs haute cadence

Ti:Sapphire fs oscillator800 nm, 20-50 fs, 1 W

100 MHz

Nd:YVO4 laser @ 532 nm 5 à 10 W, diode pumped

Nd:YLF laser @ 523 nm 50 – 100 W, 1 to 5 kHz

diode pumped

Ti:SapphireRegenerative amplifieror multipass amplifiers

Etireur

Compresseur

30 fs, @ 800 nmqq mJ, 1 – 10 kHzPmoyenne :20-30 W

Limitations : - technologie des lasers de pompe- effets thermiques dans les cristaux de saphir dopé au titane (cm3) cryostat

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6Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 6

Lasers de pompeLasers de pompe

Lasers solides pompés par diode à base de cristaux dopés Néodyme (1064 nm) doublés en fréquence pour produire le rayonnement vert

Cristal dopé Nd Cristal non linéaire

Diode laser@ 808 nm

Continu : 5 à 20 WImpulsionnel : 50 à 100 W, 1-5 kHz,

< 45 mJ

Rendements elec./opt. faibles : qq % max

532 nm

1064 nm

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7Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 7

Exemples de chaine lasers fs Exemples de chaine lasers fs kHzkHz

Quelle solution pour produire des impulsions ultracourtes à hautecadence d’un oscillateur ou d’un amplificateur, donc avec uneforte puissance moyenne ?

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8Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 8

Pompage direct par diode Pompage direct par diode

Diode en AlGaAs autour de 808 nm pour le pompage des matériaux dopés avec des ions neodyme

Diode en InGaAs émettant entre 915 et 980 nm pour le pompagedes matériaux dopées avec des ions ytterbium

Problème : - pas de pompage direct du saphir dopé au titane par diode Solution : - utiliser un milieu amplificateur pouvant être pompé

directement par diodes diodes de puissance

LIMO400 W @ 976 nm, 400 µm, ON: 0,22 Rendement elect / opt : > 35 %

IPG100 W @ 915 nm, 105 µm, ON: 0,12

DILAS, JENOPTIK, OCLARO250 W @ 808 nm, 200 µm, ON : 0,22

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9Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 9

Lasers Nd:YVOLasers Nd:YVO44 picosecondes picosecondes- Impulsions de 10 à 20 ps à 1064 nm car faible large de fluorescence du Néodyme

808 nm888 nm 1064 nm

L. McDonagh et al, Optics Letters, 32, pp1259-1261 (2007)

Configuration oscillateur - amplificateur111 W, 110 MHz, 30 ps 1064 nm (50% rendement optique / optique)

- Charge thermique importante par le pompage à 808 nm / émission à 1064 nm (30 % de la puissance optique en chaleur !!!)Solution : - pompage à 888 nm pour réduire le défaut quantique

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10Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 10

Laser ps Nd:YVOLaser ps Nd:YVO44 ps ps commercialcommercial

Laser industrielOscillateur + ampli pompé par diode @ 888 nmPas de CPA (simplicité !!!)Impulsions < 15 psEnergie par impulsion : jusqu’à 125 µJ50 W à 1064 nm @ 2 MHz

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11Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 11

Intérêt de l’ion ytterbiumIntérêt de l’ion ytterbium

2F7/2

2F5/2

0.98 µm

1.03 µm

Développement de lasers fs pompées par diode

Laser quasi-3-niveauxPeuplement thermique => Réabsorption

Diodes InGaAs de forte puissance disponibles à 980 nm (pompage des EDFA en télécom)

Large bande d’émission vers 1030 nmImpulsions femtosecondes

Structure électronique simple- pas d’absorption par les états excités- pas d’«up-conversion»- pas de déclin du temps de fluorescence avec la concentration

Absence d’effet parasite- faible défaut quantique- < 10% pour le pompage à 980 nm

Peu de charge thermique

Champcristallin

Nd3+

Yb3+

2F5/2

2F7/2

Page 12: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

12Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 12

Deux cristaux commerciauxDeux cristaux commerciaux

Yb:YAG Yb:KYW

Forte conductivité thermique 10 W/m.KFaible largeur de fluorescence Impulsions longues (1 ps)

Faible conductivité thermique 2-3 W/m.KPlus grande largeur de fluorescence Impulsions courtes (200-300 fs)

Page 13: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

13Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 13

Amplificateur pompé par diodeAmplificateur pompé par diode

Puissance moyenne est limitée à 5-10 W par les problèmes thermiques dans le cristal d’Yb:KYW

Système CPA (osc + étireur+ ampli+ compresseur) à base de cristaux d’Yb:KYW pompés par diodes 976 nm

Page 14: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

14Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 14

Lasers Lasers ""Thin DiskThin Disk"" femtosecondefemtoseconde

• «Thin disk» technology

Laser

Laser diode

Crystal 100 à 300 µm

Thermal contact

CooperThermal flux

Average power 80 W

• Yb:YAG

(370 W pump)

Efficiency ≈ 2 %

• Yb:KGW

240 fs 22W (100 W pump)

25MHz 0,9µJF. Brunner et al. Opt. Lett. 1162 (2002)

57 MHz, 1,4µJ

E. Innerhofer et al. Opt. Lett. 2003, (2004)

A Giesen, University of Stutgart

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15Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 15

Produit commercialProduit commercial

Oscillateur Thin Disk à base d’Yb:YAG

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16Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 16

Nouveau cristal Yb:LuNouveau cristal Yb:Lu22OO33

Pmoy : 43 W , 330 fs à 1033 nm, 81 MHz, 0,41 µJ par impulsion (Pcrête: 1,3 MW)

(aussi Pmoy : 63 W , 535 fs pour une puissance de pompe de 180 W)

Avantage ce cristal : forte conductivité thermique (> 10 W/m.K) avec un spectre de fluorescence plus large que l’Yb:YAGMais croissance extrêmement difficile !!!!

Page 17: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

17Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 17

Amplificateurs à fibres Amplificateurs à fibres optiquesoptiques

Gestion efficace des problèmes thermiques : fibres optiques double cœur dopées ytterbium de grande longueur (10 m)

Diode de pompede forte puissance

Page 18: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

18Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 18

Fibres optique dopée ytterbiumFibres optique dopée ytterbium

http://www.rp-photonics.com

Bande de gain large autour de 1030 nm (> 30 nm) car les ions ytterbium sont insérés dans la matrice en verre

Page 19: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

19Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 19

IntroductionIntroduction

F. Röser et al, "131 W 220 fs fiber laser system," Opt. Lett. 30, 2754-2756 (2005)

Friedrich Schiller University Jena, Institute of Applied Physics Jena, Germany

Page 20: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

20Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 20

Réduction des effets non Réduction des effets non linéaireslinéaires

Augmentation de l’aire effective du mode fondamental jusqu’à 80 µmRéduction de la longueur de la fibre à 85 cmRemplacement de la gaine polymère par une gaine en silice

Concept du « Rod type » fiber (fibre à cristaux photoniques)

L = 85 cm

core = 80 µm

clad = 200 µm

85 cm

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21Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 21

PerformancesPerformances

1000 800 600 400 200 0

10

100

1000 1 GW

200 MW

50 MW

500 MW

Eff

ecti

ve P

uls

e E

ner

gy

(µJ)

Pulse duration (fs)

JenaImraCeliaSouthamptonCornellLCFIO

P = 30 W @ 300 kHz

E ~ 100 µJ

p ~ 270 fs

P = 50 W @ 50 kHz

E ~ 1 mJ

p ~ 800 fs

P = 5 W @ 100 kHz

E ~ 50 µJ

p ~ 200 fs

P = 5 W @ 164 kHz

E ~ 10 µJ

p ~ 110 fs

Page 22: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

22Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 22

Produit commercial: lasers à Produit commercial: lasers à fibre fsfibre fs

Page 23: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

23Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 23

ConclusionConclusion

Impulsions ultracourtes avec des cristaux de saphir dopé au titane :< 10 fs oscillateurs < 30 fs amplificateurs

Impulsions plus longues à partir de matériaux dopés ytterbium, mais plus forte puissance moyenne (cristaux ou fibres optiques)

200 fs à 1 ps , qq dizaines de Watts

Besoins de : - nouveaux cristaux combinant de large bande de fluorescenceet de bonnes propriétés thermiques (Yb:CALGO, Yb:CaF2 …..)

- fibres optiques à large aire modale, combinaison cohérente d’amplificateurs

- gestion des effets non linéaires dans les amplificateurs à fibres dopées ytterbium

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24Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 24

IntroductionIntroduction

MERCI !!!!!!!

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25Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 25

The The ""Thin DiskThin Disk"" concept concept

Brevet Université de Stuttgart (Allemagne)

Page 26: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

26Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 26

Laser Yb:YAGLaser Yb:YAG""Thin DiskThin Disk"" continucontinu

Page 27: Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

27Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 27

Suite…..Suite…..