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Amplification Fibrée pour les pilotes des lasers de puissance
D. Bigourd, L. Lago et E. Hugonnot (CEA) A. Mussot, A. Kudlinski et M. Douay (PhLAM)
E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
2E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
• LMJ: 22 ensembles de 8 faisceaux nanosecondes
• PETAL: 1 faisceau picoseconde de 3.5kJ
Système deConversion de fréquence
et de Focalisation(SCF)
Transport
Mi4
Pilote
Section Amplificatric
e
Chambre
Schéma de détail
Système deConversion de fréquence
et de Focalisation(SCF)
Transport
Mi4
Pilote
Section Amplificatric
e
Chambre
Schéma de détail
Les lasers de puissance du CESTA
40 cm
40 cm
40 cm
40 cm
Section Amplificatrice
6kJ
3.2nm, 1.8ns
400x400 mm2
Pilote OPCPA
∆λ∆λ∆λ∆λ=8nm, ∆∆∆∆t=4.5ns
E>100mJ
40x40 mm 2
Compression
3.5kJ
500fs
Focalisation
1021W/cm 2
3E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Vers Section Amplificatrice
MPA
Flash-pumpedNd:Glass rod
Diode-pumpedNd: Glass
PC
Amplificateur régénératif Amplificateur de puissance
AWG RF
AOMEOM PM YDFAYDFADFB
@1053nmYDFAYDFA
Source fibrée
Mise en Forme Spatiale active
Le pilote nanoseconde LMJ
4E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Flash-pumpedNd:Glass rod
Diode-pumpedNd: Glass
PC
Amplificateur régénératif Amplificateur de puissance
Oscillateur femtoseconde
@1053nm
Etireur Öffner
AWG
AOMEOM YDFAYDFADFB
@1053nm
Source nanoseconde
MPA
2 LBO BBO
Doublage en fréquence
Source femtoseconde
Étages OPA
Pompens
Mise en Forme Spatiale active
OPCPA=CPA+OPA
Le pilote femtoseconde OPCPA de PETAL
E. Hugonnot, G. Deschaseaux, O. Hartmann and H. Coïc, Appl. Opt. 46, 8181 (2007)
S.A.
5E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Intérêts des architectures fibrées
• Compacité, facilité d’utilisation, stabilité→→→→ amélioration de l’exploitabilité des pilotes
• Augmentation puissance moyenne →→→→ alignement, diagnostics, …
• Possibilité de réaliser des architectures modulaires
• Objectif: développement de « briques de base » pour la réalisation de pilotes (ns et fs) entièrement fibrés
• Premiers pas vers un driver laser entièrement fibréC. Labaune, D. Hulin, A. Galvanauskas and G. Mourou, Opt. Commun. 281, 4075 (2008)
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Source nsMFT
MFSp
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
6
Amplification fibrée nanoseconde
DC-200/40-PZ-Yb
100 µm
DC-200/40-PZ-Yb
100 µm
Choix du milieu amplificateurForte énergie → fibre double gaine à gros cœurQualité de faisceau → fibre monomodeAmplification à 1053nm → dopage YtterbiumPolarisation linéaire →→→→ fibre PM ou PZCompacité, facilité d’utilisation, alignement→ fibre souple potentiellement intégrable
Objectif: évaluer les performances de l’amplification fibrée pour les pilotes ns
7E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
OI
AWG
F1
RF
OI
Signal
F2 AOMEOMPM YDFA1YDFA1DFB
@1053nmYDFA2YDFA2YDFA3YDFA3
• Mise en forme temporelle ajustable et taux de répéti tion variable
• Anti-Brillouin par modulation de phase 2 GHz
→→→→ Typiquement, impulsion mise en forme de 10nJ, 10ns@1 0 kHz
Source « type LMJ »
0
0,5
1
-10 -5 0 5 10
Temps (ns)
Pui
ssan
ce n
orm
alis
ée
0
0,5
1
-10 -5 0 5 10
Temps (ns)
Pui
ssan
ce n
orm
alis
ée
0
0,5
1
-10 -5 0 5 10
Temps (ns)
Pui
ssa
nce
nor
ma
lisée
0
0,5
1
-10 -5 0 5 10
Temps (ns)
Pui
ssa
nce
nor
ma
lisée
8E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
DM
OI
AWG
F1
RF
OI
Signal
F2
OI λ/2
Pré-ampli
DC-105/11-PM-Yb
AOMEOMPM YDFA1YDFA1DFB
@1053nm
LL
YDFA2YDFA2YDFA3YDFA3
L
L
Diode de Pompe @976nm
AOM
Préamplification µJ
DC-105/11/PM-Yb
50µm
DC-105/11/PM-Yb
50µm50µm
L. Lago, A. Mussot, M. Douay and E. Hugonnot, JOSA B 27, 2231 (2010)
En cours d’intégration (adaptateur de mode, combineur)
9E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
DM
OI
AWG
F1
RF
OI
Signal
F2
OI λ/2
Pré-ampli
λ/2 OI λ/2 L L
DC-200/40-PZ-Yb
DM Sortie
DC-105/11-PM-Yb
Amplicateur
AOMEOMPM YDFA1YDFA1DFB
@1053nm
LL
YDFA2YDFA2YDFA3YDFA3
F3
LL
L
Diode de Pompe @976nm
Diode de Pompe @976nm
AOM
Amplification mJ
L. Lago, D. Bigourd, A. Mussot, M. Douay and E. Hugonnot, soumis (2010)
10E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
• Soudure embout
• Préparation au CESTA avec le soutien de la PLF (Alph anov)
DC-200/40-PZ-Yb
100 µm
DC-200/40-PZ-Yb
100 µm
Préparation fibre
11E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
• Calcul num érique basé sur les équations de taux
• Algorithme de contre réaction (m éthode de Gauss-Newton)
• Validation expérimentale avec préamplificateur
850 900 950 1000 1050 1100 11500
1000
2000
3000
Absorption Emission
Cro
ss-s
ectio
ns (10-
27 m
2 )
Wavelength (nm)
0 1 2 3 4 50
10
20
30
40
(a)
Simulation Experiments 0.6 W 0.6 W 0.8 W 0.8 W 1.0 W 1.0 W
Gai
n (d
B)
Fiber Length (m)
Pump Power
0 1 2 3 4 535
40
45
50
55
(b)
Pump PowerSimulation Experiments
0.6 W 0.6 W 0.8 W 0.8 W 1.0 W 1.0 W
O
SN
R (
dB)
Fiber Length (m)
Dimensionnement amplification
−=n
nn
nn dx
xd
nxL
)1(
!2
1)(
20
0,5
1
0 5 10 15 20 25 30
Temps (ns)
Puis
sanc
e no
rm.
Sortie inversée
Fit polynômes de l’impulsion de départ
Fonction amplification
Calcul d’erreur point à point
Ajustement des coefficients de polynôme en fonction de
l’erreur
IN
OUT
Écart à l’objectif ?
0
0,5
1
0 5 10 15 20 25 30
Temps (ns)
Pui
ssan
ce n
orm
.
0
0,5
1
0 5 10 15 20 25 30
Temps (ns)
Pui
ssan
ce n
orm
.
12E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Préamplification µJ
L. Lago, A. Mussot, M. Douay and E. Hugonnot, JOSA B 27, 2231 (2010)
0 500 1000 15000
5
10
15
20
25
Simulation Experiment
(a)
Ene
rgy
(µJ)
Launched Pump Power (mW)0 500 1000 1500
40
42
44
46
48
50
Simulation Experiment
(b)
OS
NR
(dB
)
Launched Pump Power (mW)
1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080-60
-50
-40
-30
-20
-10
0 Experiment Simulation Experiment with ASE filter
Nor
mal
ized
Inte
nsity
(dB
)
Wavelength (nm)-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0,0
0,5
1,0
Experiment In Experiment Out Simulation In Simulation Out
(b)
Pow
er (
a.u.
)Time (ns)
10µJ@10kHz
13E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
0 2 4 6 8 100,0
0,5
1,0
1,5
2,0
1 mm
Pul
se E
nerg
y (m
J)
PRF (kHz)
-15 -10 -5 0 5 10 15
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Pow
er (
a.u.
)
Time (ns)
Amplification mJ
1000 1050 1100-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Inte
nsity
(dB
)Wavelength (nm)
10 kHz 1 kHz
L. Lago, D. Bigourd, A. Mussot, M. Douay and E. Hugonnot, soumis (2010)
15 W de pompeCalcul de précompensation
CW
pulsé
14E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
DM
OI
AWG
F1
RF
OI
Signal
F2
OI λ/2
Pré-ampli
λ/2 OI λ/2 L L
DC-200/40-PZ-Yb
DM Sortie
DC-105/11-PM-Yb
Amplicateur
AOMEOMPM YDFA1YDFA1DFB
@1053nm
LL
YDFA2YDFA2YDFA3YDFA3
F3
LL
L
Diode de Pompe @976nm
Diode de Pompe @976nm
AOM
Amplification mJ,ns,kHz
• Réalisation d’un MOPA de haute énergie dans la gamme ns
• 0.43mJ@10kHz, forme temporelle parfaitement contrôlée
• 1.51mJ@1kHz, OSNR>50dB mais SPM et déformation pulse
Perspectives• rod-type, combinaison de faisceaux, pulse stacking, …
• Utilisation pour amplification dans le domaine femto seconde
15
Amplification fibrée femtoseconde
Objectif: réaliser un amplificateur fibré à fort contraste dans le domaine femtoseconde
IRCICA
DMOI λ/2
Preamplifier
λ/2 OI λ/2 L L
DC-200/40-PZ-Yb
DM Output
DC-105/11-PM-Yb
Power Amplifier
LL
F3
LL
L
Pump Diode @976nm
Pump Diode @976nm
Etireur Oscillateur fs
16E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Pourquoi vouloir un fort contraste?
Section Amplificatrice
6kJ
3.2nm, 1.8ns
400x400 mm2
Pilote OPCPA
∆λ∆λ∆λ∆λ=8nm, ∆∆∆∆t=4.5ns
E>100mJ
40x40 mm 2
Compression
3.5kJ
500fs
Focalisation
1021W/cm 2
1020-1021 W/cm 2
Ionisation ≥1011 W/cm 2
→→→→ Utilisation de la technique OPCPA
17E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
PompeSynchronisation
Cristaux Non lineaires
χχχχ(2)
∼ ns
EtireurOscillateur fs Compresseur
ComplémentairePompe résiduelle
Phénomène instantanéPas d’ASE
C. Dorrer, ICUIL 2010
OPCPA
Amplification paramétrique d’impulsions à dérive en fréquenceA. Dubietis et al. Opt. Comm 88 , 437 (1992); I.N. Ross et al. Opt. Comm 144 , 125 (1997)
18E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
PompeSynchronisation
Cristaux Non lineaires
χχχχ(2)
∼ ns
EtireurOscillateur fs Compresseur
ComplémentairePompe résiduelle
OPCPA dans une fibre optique: FOPCPA
19E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
PompeSynchronisationχχχχ(3)
∼ ns
EtireurOscillateur fs Compresseur
ComplémentairePompe résiduelle
OPCPA dans une fibre optique: FOPCPA
Mélange à 4 ondesFOPA
20E. Hugonnot CMDO 25/11/201020 oct. 2010JNOG 2010-Besançon
ωi ωωs ωp
signal
pump
idler∆Ω∆Ω
Condition d’accord de phase :
(κ =0, pour un gain max)
Avec un accord de phase linéaire :
pl Pk γκ 2+∆=
)(2)()( pisl kkkk ωωω ⋅−+=∆
Conservation de l’énergie : isp ωωω +=⋅2
M. E. Marhic, Cambridge university press, 2008
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
Dis
pers
ion
ps/n
m/k
m
Wavelength (nm)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 800
5
10
15
20
25
30
35
40
λs - λp (nm)
Gai
n (d
B)
0=∆ lk
02 =+∆ Pkl γGain
exponentiel
Gain parabolique
Pp=5WL=200mγ=12W-1.km-1
FOPA: un processus non linéaire d’ordre 3
21E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Proposition (pas de démonstration expérimentale)M. Hanna, F. Druon, P. Georges, Opt. Exp. , 14, 2783, 2006
Première réalisation expérimentale C. Caucheteur, D. Bigourd, E. Hugonnot, P. Szriftgiser, A. Kudlinski, M. Gonzalez-
Herraez, A. Mussot, Opt. Lett. , 35, 1786 (2010)
OPCPA dans une fibre optique: FOPCPA
Longueur d’onde telecom (1.55 µm), domaine picoseconde, pompage CW
22E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
IRCICA
FOPCPA à 1 µm
• Passage à 1 µm →→→→ Nécessité d’utiliser une fibre microstructuréepour ajuster la courbe de dispersion qui entre en compte directement dans les conditions d’accord de phase.
23E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
D. Bigourd, L. Lago, A. Mussot, A. Kudlinski,J.F. Gleyze, E Hugonnot Opt. Lett. , 35 3480 (2010)
Pompeλλλλp=1065 nmPRF=10 kHz∆τ∆τ∆τ∆τ=10ns (FWHM)Pc=7W
Signalλλλλs=1053 nmPRF=77.76 MHz∆λ∆λ∆λ∆λ=16nm (au pied)∆τ∆τ∆τ∆τ=9ns (au pied)
FOPCPA à 1 µm
24E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
D. Bigourd, L. Lago, A. Mussot, A. Kudlinski,J.F. Gleyze, E Hugonnot Opt. Lett. , 35 3480 (2010)
Pompeλλλλp=1065 nmPRF=10 kHz∆τ∆τ∆τ∆τ=10ns (FWHM)Pc=7W
Signalλλλλs=1053 nmPRF=77.76 MHz∆λ∆λ∆λ∆λ=16nm (au pied)∆τ∆τ∆τ∆τ=9ns (au pied)
FOPCPA à 1 µm
Pompe FOPCPA
• MOPA Yb ns• DFB →→→→ Diode accordable
25E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
D. Bigourd, L. Lago, A. Mussot, A. Kudlinski,J.F. Gleyze, E Hugonnot Opt. Lett. , 35 3480 (2010)
Pompeλλλλp=1065 nmPRF=10 kHz∆τ∆τ∆τ∆τ=10ns (FWHM)Pc=7W
Signalλλλλs=1053 nmPRF=77.76 MHz∆λ∆λ∆λ∆λ=16nm (au pied)∆τ∆τ∆τ∆τ=9ns (au pied)
FOPCPA à 1 µm
26E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
Impulsion de 660 fs- Rétrécissement spectral par le gain (300 fs ↔ 5nm)- Dispersion (β3) de la fibre- Désaccord entre étireur/compresseur.
Gain supérieur à 30 dB sur 8 nm
FOPCPA à 1 µm
27E. Hugonnot CMDO 25/11/2010
• Modélisation et optimisation performances en cours→→→→ grande influence de la longueur de la fibre
• Réalisation d’un système tout fibré→→→→ étirement par réseau de Bragg fibré chirpé (CFBG)→→→→ amplificateur nanoseconde forte énergie
FOPCPA à 1 µm: perspectives
Wavelength (nm)
Leng
th(m
)
Wavelength (nm)
Leng
th(m
)
28
Conclusion
Source nsMFT
MFSp
Amplificateur Ybforte énergienanoseconde
Fibres microstructurées → fort potentiel d’évolution des pilotes ns et fs
Brique de base → MOPA à fibres monomodes LMA dopées Ytterbium