32
Jean paul Chambaret , Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci Guy Hamoniaux, Armindo dos Santos, Frederika Augé, Federico Canova, Gilles Chériaux, Thomas Planchon, Amandine Renault, Aurélie Jullien, Rodrigo Lopez Martens, Olivier Albert Laboratoire d ’Optique Appliquée ENSTA - Ecole Polytechnique 91761 Palaiseau Cedex - France e-mail :[email protected] FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004 Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à haute cadence Moana Pittman, Fabien plé LIXAM Université Paris Sud Orsay Bat 350 91405 Orsay Cedex

Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Jean paul Chambaret,

Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Guy Hamoniaux, Armindo dos Santos, Frederika Augé, Federico Canova,

Gilles Chériaux, Thomas Planchon, Amandine Renault,

Aurélie Jullien, Rodrigo Lopez Martens, Olivier Albert

Laboratoire d ’Optique AppliquéeENSTA - Ecole Polytechnique 91761 Palaiseau Cedex - France

e-mail :[email protected]

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité

et à haute cadence

Moana Pittman, Fabien plé LIXAM Université Paris Sud Orsay

Bat 350 91405 Orsay Cedex

Page 2: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

• L’état de l’art des lasers TiSa ultra-intenses et les performances accessiblesaujourd’hui

• Les verrous technologiques associés à leur développement

- Le contraste temporel par rapport à l’ Emission Spontanée Amplifiée

- Les lasers nanoseconde de pompage à forte puissance moyenne

- Les homogénéisateurs de faisceaux de pompage

- Le lasage parasite transverse dans les amplificateurs finaux

- Les problèmes associés aux réseaux de compression (pollution,dielectriques)

• Les projets Petawatt Tisa et les perspectives d’application pour demain

- LASERIX, PROPULSE, etc….

Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité

et à haute cadence

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 3: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Un peu d’histoire (récente) sur le saphir dopé au Titane

- 1986 P. Moulton décrit les propriétés spectroscopiques du TiSa

- 1990 W. Sibett présente à CLEO le premier oscillateur « magic mode locking »

- 1991 présentation à CLEO par COHERENT du premier oscillateur commercial KLM

- 1992 premiers lasers amplifiés au Térawatt (100mJ/100 fs) (C. Le Blanc LOA)

- 1993 les impulsions deviennent plus courtes ( 15 - 30fs) (LOA et ailleurs)

-1995- 96 les lasers multi térawatts (10 TW) se multiplient (LLNL, San Diego, JAERI CUOS, LOA, LLC, MBI,etc….)

- 2001 Premières publications sur les lasers 100 TW/10Hz (JAERI, LOA , ….)

- 2004 : plus de 5 lasers 100TW commerciaux en commande dans le monde (USA, Canada,Japon, Corée, France …)

nombreux projets en laboratoires de lasers 500 TW et Pétawatt à cadence intermédiaire

Où est ce que ça va bien pouvoir s’arrêter?

Page 4: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Au-delà de la puissance crête, l’intensité sur cible !

Acousto Optic Programable Dephasing Filter (Dazzler)

Ou d’autres instruments combinés

avec une caractérisation par FROG ou SPIDER

StEI ∆=Intensité

Energieamplification

Tache focaleContrôle de la phase spatiale

Durée de l’impulsionContrôle de la phase et de

l’amplitude spectrale

Miroir déformable combiné avec

un analyseur de surface d’onde

(Shack Hartman ou autre)

Profil temporel voisin de la limite de FourierProfil spatial permettant

d’atteindre la limite de diffraction

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 5: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

StretcherRegen

Pre - amp

Power - amp

Booster - amp

100TW compressor

70-J Nd : glass

Oscillator

7-J Nd : YAG

PW compressor

la chaine 850 TW TiSa du JAERI-APRC)

Optical table size ~ 90m2

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

L’ énergie !

Page 6: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-400 -200 0 200 400

Inte

nsi

ty (

a. u

.)

Delay (fs)

Durée d’impulsion : 32.9 fs (FWHM)

0.85 PWEnergie 28 Joules

Mais: Qualité de faisceau!

Plan vertical 2.7 fois la limite de diffraction

Plan horizontal 1.4 fois la limite de diffraction

Puissance crête

Pulse duration32.9 fs (FWHM)

Delay (fs)

Inte

nsity

(a.

u.)

Trace d’autocorrélation

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

L’ énergie !

la chaine 850 TW TiSa du JAERI-APRC)

Page 7: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����

����

��������������������������������������������

����

����

����

����

�����

������

������

�����

���������������������������

����

����

����

����

������������������������

����

������������������������������������������������������������������������������������������

����

�����

������

������

�����

����

����

����

����

����

��������������������������������������������������������������������������������������

����

����

����

�����

������

��������������������������������������������������������������������������������������������

����

����

����

����

����

������

�����������������������������������������

����

����

������

������������������������������������

����

����

����

����

������������������������������������������

����

����

����

������

������

����������������������������������������������������������������������

������

����

����

����

����

�����������������������������������������������������������������������

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

������

������

������

������

����

����

����

����

����

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����

������

������

�����

����

����

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����

������

������

�����

����

�������������������������������������������������������������������������������������������

����

����

����

����

����

�����������������������������������������������������������������������������������������������������

����

����

�������������������

����������������

����

����������������

����

����

����

���������

������

��������

����

����

������

����

�����������

����

����

����

���������������������������

����

����

���������������������������������

������

�����

����

����

����

����

����

����

��������������������������������������������

����

����

������������������������������������������������������������

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

���������������������������

�����

������

������

�����������������

�����

������

����������������

����

����

����

����������������������������������������������������������

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

���������������

�����

����

���������������������

����

����

����

����

����

�������������������������������

������

��������������

����

������������������

����������������

������

������

�������������

����

�����

�����������������������������������������������

����

�����

������

������

�����

��������������������������������������������

������

����

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����������������������������������������������������������������������������������

����������

����������

����������

������������

��������

������������

��������

����������������

������������

���������� �� �� � � � � ��� � � �� �� � �� �� � �� �� � �� �� �� �� �� �� � �� ��

����

����

����

����

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������-0.4-0.2

00.20.4

740 760 780 800 820 840 860 880

��� �� ������ �� ������ �� ������ �� �� ������ �� ������ �� ������ �� ������ �� ������ �� �� ��� �� ������

wavelength (nm)

phase (rad)

�����������������������������������������������������������������

����������

����������

���������

���������

����������

����������

����������

����������

����������

�������������

���������������

���������������

���������������

������������������

����������

������������������������������������������������������������������������� �������������������� �������� ����������������� �������� ������������������ �������� ��������������������

����

����

����

�������

����

������

�����

��������

����

����

����

�������������

�����������

�����������

�����������

�����������������

�����

����

����

�� �������� �������������������� ������ �������������������� ������ �������������������� ������������������

����������

����������

��������

������������

��������

����������������

������������

������������

������������

����

����

��

��

����

����

����

����

��

����

��

����

��

����

����

��

����

����

����

����

��

����

��

��

����

��

����

��

����

����

��

����

����

����

����

����

����

����

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�� � �� � �� �� � �� � �� �� � �� ���

��

���

����

���

���

��

�� � �� � � �� � �� �� � �� � �� �

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 Intensity (a.u.)Linear scale

time (fs)

���������

�����������������

��������

���������

24fs���

��������������

������

�����

�����

�����

���������������

����������������

����

�����

�����

��������������������������������

������

������

�����

�����

�����

��������������������������

�����������

����

��������

�����

�����

�����

��������������������������������

����

������

������

������

����������������������������������

����

������

�����������������

�����������

��������

�����

����

������

��������������

�����

����������������������������������������

������

������

����

������

����

������

���������������������

��������������

������

���������

������

�����

����

������

����

������

�������

�����������

���������

�����������

�����

��������

���������������������

������

�����

�����

�����

������

������

����

������

���������

�����

�����������

������

����

������

������

����������������������������

�����

������

������������������

�����

�����

�����

�����

����������

���������

������

�����

�����

�����

�����

������

�����������������

����

������

������

����������������������

���������

������

������

���������

�����������������������������

�����

����������

����

������

�����

�����

�����������

�����

������

������

����

�����

����

�������

����

�����

����

����������

����������

���������

�����������

���������

������������

��������

��������

��������

������������������������

������������������������

������������������������

������

������������������

���������

������

���������������������������

���������������

�� �� �� �� �� � �� � �� �� � �� � � �� � �� �� � ��

����

����

����

����

����

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������

����������

��������

��������������������

�����

����

�����������������

�������������������������������

��

�����������������������������

������

����

���������

�������������������������

���

��

����

���������������

���

���

��

����

���������

���������

�����������������

��������

�����������

����

����

������������������

������������

�����

������

������

������

����

�������������

��

�����������������

���������������������

������

����

��������

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

-400 -200 0 200 400time (fs)

Intensity (a.u.)Log scale

����

������

����

��������

����

��������

����

��������

����

����

������

����

����

������

����

����

����

����

����

����

������

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

����

�������������������������������������������

����

����

����

����

������������������������

����

����

����

������������

����

����

����

����

������������

����

����

����

����������������

�����������������

����

����������������

����

����

������������

����

����

����

��������������������

����

����

�����

�����

���������������������������������������������������������������������

����

����

����

����

��������������������

����

����

����

���������������������

����

����

����������������

������

����

��������������

����

��������������������

����

����

��������������������������

����

����

����

����

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����

�����������������

����

��������

����

��������

����

��������

����

����������������������������������������������������������������

����

��������

������

������������������������������������������������

����

����

����

������

����

����������������������������������������������������������������

����

����

����

����

������

����

����

����

����

����

����

����

����

������

����

������

����

����

����

����

������

����

����

����

����

����

��������

����

��������

����

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����������������������������������������������������������������������������������������������������������

������

�����

����

����

����

����

����

�����

������

������

�����

����

����

����

����

����

�������������������������

����

����

������

������

����

������

����

��������������������

����

����������

�����

������

�����

����

������

����

����

����

�������������

����

������

����

����

����

������

������

�����������������������

������

�����

����

����

����

����

����

����

�����

������

������

�������

����

�����������������

����

����������

����

����

�����������

����

��������

����

����

�����

������

������

�����

����

����

����

��������������������������������

������

��������

������

����

������

����������

������

���������

����

����

����

�����������������

����

������

�����

�����������

����

����

�������������������

�����

����

����������

�����

������

������

�����

����

���������������������������������������������������

����

����

����

����������

�����

����

����

����������

����

����

������������������

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

������������

������

������

����

����

����

������

����

��������

������

���������

����

����

����

����������

������

���������������������������������������������������������������������

������

�����

����

����

����

����

����

���������������

����

����

����

����

�������������������������

����

��������

������

���������

����

��������������������������������������

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

����

���������

������

����

����

����

����

����

����

����

������

�����������������

����

����

����

���������������������

����

��������

������

������

����

����

����

�����������������������

����

����

������

����

�����������������������������������������

����

����

����

�����

�����������������������������������

����

����

�������������������������

����

���������������������������

����

����

����

������

������

����������������������������������������������������

����

����

����

����

����

�����

������

������

�������������������������������������������������������������������������

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

����

������

������

������

����

����

����

����

����

����

����

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������

����������

����������

������������

������������

������������

������������

��������

��������

����

����

����

��

��

��

��

��

����

��

��

����

����

��

����

����

��

����

����

��

����

����

����

����

����

����

��

����

����

����

����

����

����

����

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������

740 760 780 800 820 840 860 880

��������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������

��

��

���������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

����������������

input spectrum����������������

���������������� output spectrum

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wavelength (nm)

���������

���������

����������������

�����������������������������

�����������������������������51nm

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

oscillator Dazzler amplifier compressorstretcher

La durée!

la chaine 100 TW TiSa du LOA

2,4 Joulesen

24 fs

100 TW

Page 8: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Vers l’enceinte expérimentale

f = 500 mmf = 50 mm

f = 500 mm

Shack-Hartmann32x32

Mesure de laSurface d’onde

laser Ti:Sa∅ = 55 mm, 2.5 J, 25 fs,

10 Hz

vide

air

Rmax800nm

Bouclede

Contreréaction

Miroirdéformable Chambre de

compression

Nécessité absolue d’imager le miroir sur le senseur

CORRECTION de SURFACE D’ONDE AU MOYEN D’UN MIROIR DEFORMABLECORRECTION de SURFACE D’ONDE AU MOYEN D’UN MIROIR DEFORMABLE

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

La tache Focale!

Page 9: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

1022W/cm2

φ=.8µm

Aprés correction par Miroir déformable

Sans correction

Hercules: 1022W/cm2

a02=104

Record du monde

sur l’intensité?CLEO 2004

postdeadline session

Les plus hautes intensités sur cible sur Hercules(CUOS)

1.5 Joules en 30fs 50TW

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

La tache Focale!

Page 10: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

• L’état de l’art des lasers TiSa ultra-intenses et les performances accessiblesaujourd’hui

• - La plus haute énergie après compression : 28 Joules (JAERI)

- Les impulsions les plus courtes (à très haute intensité) : 24 f s (LOA)

- Les tâches focales les plus petites : 5 x 10-9 cm2 (CUOS)

Donc il est potentiellement envisageable d’obtenir des intensités de l’ordre de

2. 1023 W/cm2 !

Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité

et à haute cadence ( >10 Hertz)

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 11: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

• L’état de l’art des lasers TiSa ultra-intenses et les performances accessiblesaujourd’hui

• Les verrous technologiques associés à leur développement

- Le contraste temporel par rapport à l’ Emission Spontanée Amplifiée

- Les lasers nanoseconde de pompage à forte puissance moyenne

- Les homogénéisateurs de faisceaux de pompage

- Le lasage parasite transverse dans les amplificateurs finaux

- Les problèmes associés aux réseaux de compression (pollution,dielectriques)

• Les projets Petawatt Tisa et les perspectives d’application pour demain

- LASERIX, PROPULSE, etc….

Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité

et à haute cadence

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 12: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Fond d’Emission

Spontanée Amplifiée

Pre-impulsions

Seuil d’ionisation

Ideal pulse

Experimental pulse

Limit of the

interaction regimesDéfauts introduits par

Les aberrations de la phase spectrale (temporelle)

108

1010

1012

1014

1016

1018

1020

10 100 1000 104

105

106

107

Inte

nsité

(W/c

m^2

)

Temps(fs)

Le contraste/ASE dans les lasers multi terawatt :Aujourd’hui le principal verrou pour la physique aux Hautes Intensités

LLC Laser CentreLund

Le programme européen SHARP:améliorer le contraste/ASE

Page 13: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

1 0 - 1 4

1 0 - 1 2

1 0 - 1 0

1 0 - 8

1 0 - 6

1 0 - 4

1 0 - 2

1 0 0

- 1 1 0 4 - 8 0 0 0 - 6 0 0 0 - 4 0 0 0 - 2 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0

P i 3 3 7 0 8

I n t e n s i t y ( a u )

Inte

ns

ity

(a

u)

D e la y ( f s )

12 ordres de grandeur avec 1 mJ (Φ= 10mm) résolution temporelle :50fs (optiques réflectives)

Sans faisceau

ω seulement2ω seulement

Noise level

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Quelle dynamique est il possible de mesurer?

Au moyen d’un cross corrélateur à échantillonage (ω+2ω 3ω)

Page 14: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

9Double Miroirs plasma DPM

8SHG et amplification femtoseconde de puissance dans XeF

7Double CPA + Cellule de Pockels rapide (pilotée optiquement)

6 (pilotée électriquement)Cellule de Pockels rapide

5 Double CPA + Porte Kerr optique

4 Double CPA + Filtrage non linéaire (2)

3 OPCPA comme préamplificateur

2 Pré-amplification femtoseconde directe + filtre non lineaire au niveau µJ

Oscillator Pre-ampl Poweramplifier CompStretcher

nJ, 15fs 300ps mJ Few J J, 20-30fs

9 strategies pour améliorer le contraste/ASE dans les chaines CPA

1 Augmenter l’énergie des oscillateurs

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 15: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

λ/4 L1 : +1000mm

Inputbeam

Filtered beam

L2: +700 mmλ/4

x

y

Ex

Ey

– Ein = 850 µJ– Eout = 210 µJ

– ϕ3 = -200 000 fs3

– ϕ²= 7500 fs²⇒ efficacité 23 %

Rotation non linéaire de la biréfringence Anisotropie du χ(3) induite par la polarisation elliptique et l’ionisation de l’air

Oscillator

nJ, 15fs

4 Double CPA + Rotation de biréfringence NL

Stretcher

300ps

Pre-ampl

mJ

Poweramplifier Comp

Few J J, 20-30fs

StretcherCompNon linear

IBR

1rst CPA 2nd CPA

01x10

-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

1x10-3

1x10-2

1x10-1

1x100

Delay

Rel

ativ

e in

tens

ity

Input pulse Transmitted pulse

-30 -20 -10 10 20 30 ps

In Out

Amélioration duContraste > 100

Limited by

backkground level

Page 16: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Schéma multi passages jusqu’à 6 passages

Mode spatial parfaitMode spatial parfaitJusquJusqu’’àà 60% de 60% de ll’’éénergienergie dd’’entrentrééee

dansdans le le faisceaufaisceau nnééttoyttoyéé

Amélioration du contraste100≈1000 !

Principal défaut: forte SPM, qui entraine des fluctuations de durée

4 Double CPA + Rotation de biréfringence NL

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

-200 -100 0 10010 -1110 -1010 -910 -810 -710 -610 -510 -410 -310 -210 -1100

first stage(single CPA)second stage(Double CPA)

inte

nsity

[a.u

.]

delay [ps]

artifacts

leading trailingartifacts

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������

-200 -100 0 10010 -1110 -1010 -910 -810 -710 -610 -510 -410 -310 -210 -1100

-200 -100 0 10010 -1110 -1010 -910 -810 -710 -610 -510 -410 -310 -210 -1100

first stage(single CPA)second stage(Double CPA)

inte

nsity

[a.u

.]

delay [ps]

artifacts

leading trailingartifacts

Page 17: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

4 Double CPA + Génération de lumière à polarisation croisée (XPW)

Oscillator

nJ, 15fs

Stretcher

300ps

Pre-ampl

mJ

Poweramplifier Comp

Few J J, 20-30fs

StretcherCompNon linear

XPW

1rst CPA 2nd CPA

XPW : generation d’une onde polarisée orthogonalement l’anisotropie de χ(3) est une propriété intrinsèque du matériau

Efficacité de couplage : 20%Principe :

generation d’une onde polarisée orthogonalementParfaite adaptation de la vitesse de groupe (cristal isotrope)Procédé non résonnant ⇒ indépendant de la longueur d’onde

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 18: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

9 Double miroir à plasma (DPM)

Oscillator Pre-ampl Poweramplifier CompStretcher

nJ, 15fs 300ps mJ Few J J, 20-30fs

Plasma M

• Fluences entre 1 et 100 joules/ cm2

• Durée d’impulsion 60 fs à 6 ps• Excellent accord avec les résultats expérimentaux• Seuil de claquage• Distorsions de phase• Coefficient de réflexion

Principe de base• Une lame transparente est utilisée pour transmettre le faisceau

– A haut flux le claquage diélectrique génère un plasma et le coefficient de réflexionaugmente rapidement

– Le contraste de l’impulsion augmente dans le rapport entre le coefficient de réflexioninitial et final

• Un système multi miroirs augmente le rapport de contraste• Un traitement anti-reflets augmente le rapport de contraste• La polarisation S augmente le coefficient de réflexion

laser

1020

3040506070

0 10 100

quartz 60 fs

Ref

lect

ivity

[%]

Fluency [J/cm2]

Refl. Pic. Integrated ref

Code hydro.Code

Reflexion

Phys. Rev. E 69, 026402(2004)

Résumé des simulations

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 19: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

300

60

65%

70%

75%

80% 85% 90

60

0,40

1,02,0

3,5

50

100

150

200

250

1ps100fs10fs

Flue

nce

(J/c

m2 )

Durée de l’impulsion

Régime robuste

Régime à haute efficacité

Raidissement du front de montée

Phase

Reflect

ivité

Régimes utilisables en fonction de la fluence et de la durée des impulsions

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

9 Double miroir à plasma (DPM) (suite)

Page 20: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

entrée

sortie

Miro

ir tra

nslat

able

Miroir translatable

1 joule, >> 1 mm2 spot, 100 j/cm2

15 c

m

Ouverture 1/150Longueur focale 10 metres

1 joule, 0.1 mm2 : 1 kj/cm2 sur le foyer

Quelques milliers de tirs par miroir

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

1E-10

1E-8

1E-6

1E-4

0,01

1

Seuil de détection

Sans miroir plasmaAvec miroir plasma

Inte

nsité

Durée(ps)

Première expérience surUHI10

Sans MP

Avec MP

Experience Simulation

Simulation et mesure exp. Sur la cible finale

9 Double miroir à plasma (DPM) (suite)

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 21: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Sans miroirs plasma Avec le double miroir plasma

1019 w/cm2

Avec des fluences dans la gamme des mégajoule / cm2 (intensité relativiste) l’impulsion à fort contraste est réfléchie spéculairement

DPM

Trou vers le spectro XUV scr

een

La figure est reproductible

et prédite Par la simulation

Première expérience:

Champ proche réfléchi après interaction à haut flux

Simulation du champproche

Plus de 50% d’éfficacité Amélioration du contraste >4000Raidissement du front de montée

DPM

9 Double miroir à plasma (DPM) (fin)

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 22: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Ceramic LasersLes futurs développements pour des lasers de pompe de forte puissance moyenne

Les céramiques

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 23: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Le laser Mercury 100J à 10Hz (YbSFAP)

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Absorption cross section Emission cross section

Taux de répétition : 10 HzEnergie par impulsion ~100 JoulesQualité de faisceau: M2 < 2Pompage : pompage par diodes longitudinalDurée d’impulsion : deux possibilités <ps avec du Yb Verre, ns avec Yb:YAG

Le laser LUCIA 100J à 10Hz (YbYAG)

Les futurs développements pour des lasers de pompe de forte puissance moyenne

Les lasers Ytterbium Pompés par diodes

Page 24: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Le Le lasagelasage transverse transverse dansdans les les cristauxcristaux TiSaTiSa de grand de grand diamètrediamètre

Max-Born-InstitutZone pompée

Matériau absorbant + polymère pour adaptation d’indice

Optical axis

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Φ

e

Rapport d’aspect = Φ

e

Page 25: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Seuil d’apparition du Seuil d’apparition du lasagelasage transverse pour un barreau de transverse pour un barreau de TiSaTiSa

Max-Born-Institut

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Voir Poster Fabien Plé LIXAM

Page 26: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Solutions Solutions possiblespossibles

Cristaux avec un rapport d’aspect faible( << 0.8)

configuration empilement : saphir -Ti:Sa - saphir

Ouverture rectangulaire

Compromis entre refroidissement

Et matériau absorbant en périphérie

4

Liquid Cooling

Absorbingindexmatched polymer

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 27: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Les homogénéiseurs de faisceaux de pompeLes homogénéiseurs de faisceaux de pompe

à miroirs fragmentés

à matrices de micro lentilles

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 28: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Pollution des réseaux

En fonctionnement à 10 Hz l’efficacité totale du compresseurpasse de 70% à 50% en quelques jours

Vacuum compressor

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 29: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

Decontamination des réseauxDecontamination des réseaux

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Nettoyage éfficace par un flux d’oxygène naissant mono- atomiqueObtenu par décharge RF (voir Jean Philippe Rousseau /LOA)

Page 30: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

• L’état de l’art des lasers TiSa ultra-intenses et les performances accessiblesaujourd’hui

• Les verrous technologiques associés à leur développement

- Le contraste temporel par rapport à l’ Emission Spontanée Amplifiée

- Les lasers nanoseconde de pompage à forte puissance moyenne

- Les homogénéisateurs de faisceaux de pompage

- Le lasage parasite transverse dans les amplificateurs finaux

- Les problèmes associés aux réseaux de compression (pollution,dielectriques)

• Les projets Petawatt Tisa et les perspectives d’application pour demain

- LASERIX, PROPULSE, Le traitement des déchets radioactifs, etc….

Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité

et à haute cadence

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 31: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

OscillatorTi:Sa

800nm∆λ : 5 à 40nm

> 1J10H

zÖffnerstretche

r

2×20J> 0.1HzD

AZZLER

COMPRESSORS

LasersNd:GlassEtot ≈ 100J

AMPLITiSa0.1Hz

PREAMPLI+

AMPLIS10Hz

LasersNd:YAGEtot > 10J

Commercial Commercial orderorderCommercial Commercial orderorder

2 x 10J> 0.1 Hz

50fs à 500ps

OU30J/30fS

= 1PW/0.1Hz

CompPW

LASERIX (LIXAM/LOA) Le premier Petawatt Ti/sa au monde à 0,1Hz

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Page 32: Les Lasers Titane Saphir à très haute intensité et à …reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/UHI_haute_cadence...Frédéric Burgy,Jean Philippe Rousseau, Brigitte Mercier, Laura Antonucci

FEMTO 2004 Porquerolles 21 Septembre 2004

Pour PROPULSE et les projets de transmutation d’espèces radioactives

Rendez vous Jeudi soir à 21h à la table ronde:

Lasers femtosecondes et Grands Projets