Soutenance de thèse, Talence11/09/2007 Le façonnage dimpulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Ambre NELET

Soutenance de thèse, Talence 11/09/2007

Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive

de fréquence

Ambre NELET

Ambre NELET 2/26

Allumage rapide?

Pré-amplicateurTechnique OPCPA

Source d’énergieCentrale nucléaire

Potentialité?

PETawatt Aquitaine Laser-PETAL

Introduction générale

Réactions nucléairesDéfense

Astrophysique…

Laser MégaJoule-LMJProjet HiPER (UE)

Fusion par Confinement Inertiel-FCI

Ambre NELET 3/26

Introduction

Accroître la puissance d’un laser

«Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence»

Puissance =ÉnergieTemps

Énergie

Système régénératifSystème multipassageMilieu laser

Gain simple passage faible

Stockage d’énergieCharge thermique critiqueÉmission parasite (ASE)

Contraintes

Temps

Technique OPCPACristal non-linéaire

Élevé

Transfert d’énergieNégligeable

Fluorescence paramétrique

Réponse

Ambre NELET 4/26

Introduction

Pompe déplétée

CPA: impulsion étirée

Source signal - ωs

Impulsions ultracourtes

Source pompe - ωp

Haute énergie Signal amplifié

Recompression:Haute puissance

crête


Dubietis et al., Opt. Comm. 88, 437-440 (1992)

Onde complémentaire - Idler - ωi

Haute énergieωp= ωs+ ωi

OPA

Cristal

non-linéaire

(2)

CPA+OPA = OPCPA

Ambre NELET 5/26

Introduction


Gain OPA

2

( ) 1 sinh ²( )OPAG L L

Module du gain OPA

( ) arctan tanh( )2 2OPAk k

L L L

Phase du gain OPA

2 22

0

8 eff

s i p s i

pd

n

I

n n c

22

2

k

p s ik k k k DDDDDDDDDDDDDD

sk

EEEEEEEEEEEEEE

pkEEEEEEEEEEEEEE ik

EEEEEEEEEEEEEE

0k 0s s lorsque

,p pI t I x

Configurationdégénérée / non-dégénérée

Ambre NELET 6/26

Introduction

Rétrécissement spectralIp(t)Mise en forme spatio-spectrale

Extraction énergieCavitéTrain d’impulsions

Désaccord de phaseCodage spectral de l’amplificationPPLN de type éventail


Impulsionultracourte

Pré-amplificateurOPCPA

De nouvelles fonctionnalité

set finalités

Ambre NELET 7/26

Amplification et duplication d’impulsionsultracourtes par OPCPA

Motivations

Onde idler

Extraction d’énergie et duplication

Cavité

Ambre NELET 8/26

Montage

Isolateur de Faraday

Polariseur

Ascenseur

Photodiode

Prisme derecompression

Absorbeur de faisceau

BBO

50%

Caméra

/2

Réseau

Ascenseur

f=1m

/2 Réseau

Verdi

Q-switched Nd:Yag532 nm, 6 ns, 10 Hz

OscillateurTi:Saphir

830 nm 180 fs76 Mhz

CavitéOPA

Pockels

(a)

R1=∞

R2= 20 cmIdler 1,48 µm

BBO

Pompe 532 nm

Signal 830 nmexterne

(b)

(c)

(d)

290 ps

Ambre NELET 9/26

Principe

BBO

Signal 830 nm, 290 ps

R1= ∞

R2= 20 cm

Photodiode

1,5ºinterne2,4º

Pompe 532 nm, 6ns

externe

Simple-passage

Idler 1,48 µm

Multi-passage Déplétion onde pompe

-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 150,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

[a.u

.]Temps [ns]

Ambre NELET 10/26

Résultats expérimentaux

Simple passage~250

Gain en énergie Signal étiré: 1,3 nJ / impulsionMultipassage: 3.105 nJ / train

Gain en énergie:Multi-passage

>2.105

815 820 825 830 835 8400,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Longueur d'onde [nm]

interne=2,4°

Spectre typique

Signal entréeSpectre moyen multipassageOPO

6 nm sans rétrécissement spectral15 nm avec gain constant

Accordabilité

i

p

s

i’

Ambre NELET 11/26


Durée d’impulsion typique

810 820 830 840 8500,0

0,5

1,0

In

tens

ité s

pect

rale

[u.a

.]


6 nm

Signal entrée

Mesure

Fit gaussien

(a)

-600 -400 -200 0 200 400 6000,0

0,5

1,0

Inte

nsité

[u.a

.]

Temps [fs]

τ = 178 fs

(b)

800 810 820 830 840 850 8600,0

0,5

1,0

Inte

nsité

spe

ctra

le [u

.a.]


6 nm

Train de répliques amplifiées, =2°

(c)

-600 -400 -200 0 200 400 6000,0

0,5

1,0

Inte

nsité

[u.a

.]

Temps [fs]

τ = 183 fs

(d)

Ambre NELET 12/26


1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4180

200

220

240

260

280

Angle d'interaction non-collinéaire [°]

Dur

ée m

oyen

née

des

répl

ique

s am

plifi

ées

[fs]

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

Produit

temps*largeur de bande

Influence de l’angle d’interaction

Angle d’interaction

Acceptance spectrale

max

2OPA

GG Plage spectrale:

(a)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Acc

epta

nce

spec

tral

e [n

m]

Angle d'interaction non-colinéaire [°]

BBO type IPp= 300 MW/cm²

(b)

Ambre NELET 13/26

Résultats expérimentauxTaux de répétition

Longueur de cavité: 15 cmCadence: 1 GHz

externe

i

p

sAjustable160 MHz<Cadence<3GHz

Onde idler haute énergie

Train de répliques amplifiées du signalHaute énergieHaute cadenceAccordable

Conclusion

Extraction d’énergie et duplication

Cavité

Ambre NELET 14/26

Mise en forme spatio-spectrale du signalpar mise en forme temporelledu faisceau pompe et OPCPA

Motivations

Rétrécissement spectral par le gain

Pré-amplicateurAmplificateurde puissance

Mise en forme spectrale

Pré-amplificateurPompe Ip(t)

Ambre NELET 15/26

Montage: maquette de Petal

SignalAmplificateur régénératif Ti:saphir

λs=1054 nm / Δλs=5 nm / 500 ps / 150 μJ

Mise en forme temporelleGénérateur de fonctions d’onde+ Modulateur électro-optique

+Amplificateur fibré

PompeAmplificateur régénératif Nd:phosphateà lame de phase, doublé en fréquence

λp=527 nm / 35 mJ / 3 ns

110 120 130 140 1500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Am

plitu

de n

orm

alis

ée [u

.a.]

Temps [u.a]

0 1 2 3

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Am

plitu

de n

orm

alis

ée [u

.a.]

Temps [ns]

(a)

(b)

Coupe spatialeSpectreOPA

α

Ambre NELET 16/26

Mise en forme du signalDomaine spatial

Faisceau pompe Faisceau signal

1052 1056 1060 1064 10680,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]


(b)

FWHM=9 nm

1052 1056 1060 1064 10680,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]


(a)

Domaine spectral

Et la phase spectrale?

Onde signal

Ambre NELET 17/26

Validation: phase spectrale OPA?

ΦOPA

non-compensée

Compresseur

ΦOPA

compensée

PuissanceCrête?

( ) arctan tanh( )2 2OPAk k

L L L

Phase du gain OPA

pI t

0 (2)

2( )s

ct

t

0k 0s s lorsque

Sur maquette2p s 0 or

Signal pré-amplifiéet pré-sculpté par NOPCPA

et modulation temporelle de la pompe

Influence sur la puissance crête

OPA

AmplificateurrégénératifMilieu laser

OPA

Conservation du spectre

Ambre NELET 18/26

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

200

210

220

230

240

250

260

270

Dur

ée d

e l'i

mpu

lsio

nre

com

prim

ée [f

s]

Angle d'interaction non-colinéaire interne

[°]

(d)

Après chaîne de puissance

Validation: phase spectrale OPA?

Simulations numériques

-1000 -500 0 500 10000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Am

plitu

de n

orm

alis

ée [a

.u.]

Temps [ps]

(b)

Profil temporel signal

-300 -200 -100 0 100 200 300-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

Pha

se O

PA

tem

pore

lle [r

ad]

Temps [ps]

(c)

Phase OPA signal

-3 -2 -1 0 1 2 30,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[a.u

.]

Temps [ns]

(a)

Profil temporel pompe

Initial 15%50% 80%

Contrôle ΦOPA

Chaîne de puissance Conservationdu spectre

OPCPA - Ip(t)Mise en formespatio-spectrale+ ΦOPA

Conclusion

Ambre NELET 19/26

OPCPA et codage spectral de l’amplification

Motivations

Phase OPA additionnelleGain supérieur

Cristal à polarisation périodique

Cristal de type éventailCodage spectral de l’amplification

Ambre NELET 20/26

Motivations

Mais gain OPA limité par

Cristal non-linéaire classiquedeff

LΔk≠0 sauf à ωs0

Amplification homogènede toutes les composantes

spectrales

De type éventail

Adressage spectralLigne à dispersion nulle

Grande acceptance spectrale

deff élevé

Cristal à polarisation périodique

0

0 2 4 6 8

Am

plit

ude d

u c

ham

p

am

plifi

é [

u.a

.]

Distance z/Lcoh

(a)

(b)

(c)

Monodomaine

Polarisationspériodiques

Mais faible tolérance spectrale

Ambre NELET 21/26

Ligne 4fOPA

Montage

Isolateur de Faraday

Polariseur

Ascenseur

Photodiode

Prisme derecompression

Absorbeur de faisceau

BBO

50%

Caméra

/2

Réseau

Ascenseur

f=1m

/2 Réseau

Verdi

Q-switched Nd:Yag532 nm, 6 ns, 10 Hz

OscillateurTi:Saphir

805 nm 180 fs76 Mhz

Pockels

(a)(c)

(d)

PPLN

Pompe 532 nm

Signal805 nm

(b)

Signalamplifié

Signalétiré

Ambre NELET 22/26

Choix du cristalType I ooeTaille des périodesCoût

LiNbO3 congruent – PPLNsip=yyzT>350 K

800 810 820 830 840 850 860 8700

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Pér

iode

[m

]


(a)

390 K 370 K 350 K

800 802 804 806 808 810

190

200

210

220

230

240

250

Per

iode

[m

]


431,5 K

353 K

(b)

15 mm

30 mm

0,5 mm

y

x

z

249 μmM

183 μmm

Face +z

max 0

(a)

(b)

Ambre NELET 23/26

Simulations

Influence de la répartition gaussienne de la puissance surfacique

800 802 804 806 808 810

0

50

100

150

200

250

Ip

[MW

/cm

²]


(a)

Puissance surfacique du faisceau pompe

-2000 -1000 0 1000 20000,0

0,5

1,0

Am

plitu

de n

orm

alis

ée

Temps [fs]

τ168 fs τ 674 fs

(d)

FWHM x 4

Autocorrélation signal

790 795 800 805 810 815 8200,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée


5,7 nm 1,3 nm

(c)

FWHM/4,4

Spectre signal

InitialAmplifié

800 802 804 806 808 8100

2000

4000

6000

8000

Gai

n


(b)

Gain spectral signal

Ambre NELET 24/26

Résultats expérimentaux Dispersion

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

798

800

802

804

806

808

810

812

Long

ueur

d'o

nde

[nm

]

Position [mm]

(a)

Dispersion mesurée PPLN éventail

802 803 804 805 806 8070

5

10

15

20

25

30

Gai

n


Pp=225 MW/cm²T=156°C

Gain spectral

Fit gaussien

(c)

80 100 120 140 160 180 2002

4

6

8

10

12

14

Gai

nPuissance surfacique

du faisceau pompe [MW/cm²]

Gain global

(b)

T=156°C

Gain

Spectre et durée calculés

790 795 800 805 810 815 8200,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée


5,7 nm 2,6 nm

FWHM/2,2

Signal entréeSignal amplifié

(d) Spectre

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 8000,0

0,5

1,0

Am

plitu

de n

orm

alis

ée

Temps [fs]

τ=168 fs τ372 fsFWHM x 2,2

(e) Autocorrélation

Ambre NELET 25/26

Optimisation

(a)

790 795 800 805 810 815 8200

50

100

150

200

250

300


Ip [M

W/c

m²]

0

2000

4000

6000

8000

10000

Ga

in

Puissance pompe et gain spectral

785 790 795 800 805 810 815 820 8250,0

0,5

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée


Spectre signal

InitialAmplifié

5,7 nm

(b)

Simulations: répartition puissance surfacique adaptée

-600 -400 -200 0 200 400 6000,0

0,5

1,0

Am

plit

ud

e n

orm

alis

ée

Temps [fs]

τ=168 fs τ233 fs

(c)

Autocorrélation signal

InitialAmplifié

DémonstrationAdressage spectral du gainRétrécissement spectral par le gainde l’OPA

Conclusion

Ambre NELET 26/26

Conclusion générale

Pré-amplificateurOPCPA

Réalisation Amélioration Perspective

-Train de répliques amplifiées(Hautes intensité & cadence,Accordable)-Modèle acceptance spectralefonction de l’angle α

-Robustesse-Précision angle α

Chaîne FCI

-Mise en forme spatio-spectrale-Simulations phase spectrale OPA

-Amplificateur de puissance-Recompression Mesure de la phase spectrale

Chaîne type Petal

-Amplification par codage spectral-PPLN en éventail+ligne 4f-Rétrécissement spectral par le gain OPA

Chaîne moyennepuissance

-Montage-Cristal-Recompression Mesure de la phase OPA

Ambre NELET 27/26

Train d’impulsionsultra-rapide et haute cadence Drive

Foot

Ref.:J. E. Rothenberg, Appl. Opt. 39, 6931-6938 (2000)

Application: «ultrafast picket fence»

Solution: maintenir une illumination quasi-constante

Efficacité globale restreinte

Fusion par confinement inertiel

D+T

Impulsions UV

Foot

Drive

Ablation de la surfaceSaturation:Conversion élevée

Conversion faible

KDP

Ambre NELET 28/26

Application: «ultrafast picket fence»

Idler

Train de répliquesamplifiéesdu signal

OPAImpulsion IR +

Train d’impulsionsultrarapide

1054nms

Pompe

1054nms

527nmp

Signal

Amplificateurde puissance

Impulsion IRFCI

Technique: OPCPA régénératif

Ambre NELET 29/26

Caractéristiques

Acceptance spectrale Nn=1

Surfacedu cristal

pk

skDDDDDDDDDDDDDD

0sn

sn

ikDDDDDDDDDDDDDD

0in

in

cut

e

p

pe

i

p

p pn

sekDDDDDDDDDDDDDD

pekDDDDDDDDDDDDDD

pkDDDDDDDDDDDDDD

s

0s

k

s

p

se

n≠1

Ambre NELET 30/26

790 795 800 805 810 815 8200,0

0,5

1,0

Am

plitu

de n

orm

alis

ée [u

.a.]


5,7 nmSortie MiraSignal après LDN+PPLN

Spectrale

Ligne à dispersion nulle

Temporelle: autocorrélation

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Temps [fs]

170 fs148 fs

Sortie MiraSignal après LDN

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Temps [fs]

155 fs169 fs

Sortie MiraSignal après LDN+PPLN

Ambre NELET 31/26

Ligne à dispersion nulle

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,20,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Dimension [cm]

(a) Axe y

-600 -400 -200 0 200 400 6000,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Dimension [m]

(b)

SignalPompe

Superposition spatiale des faisceaux (entrée PPLN)

Axe z

Ambre NELET 32/26

Caractéristiques Spatiale: coupes tranverses des faisceaux

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,80,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Dimension [mm]

y

z

(a) (b)

Pompe

zy

y

z

-3 -2 -1 0 1 2 30,0

0,5

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

[u.a

.]

Dimension [mm]

(c)

(d)

Signal

zy

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