Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification...

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Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de l’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage de modes dans les oscillateurs paramétriques optiques

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Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques

Nicolas Forget

Études de l’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage de modes dans les oscillateurs

paramétriques optiques

Page 2: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Plan

• Introduction

• L’amplification paramétrique optique en quelques mots

• L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

• Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués

• Conclusions

Page 3: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Plan

• Introduction

• L’amplification paramétrique optique en quelques mots

• L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

• Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués

• Conclusions

Page 4: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Introduction

Un problème concret : amplifier des impulsions courtes à 1054 nm

Ti:Saphir

• impulsions courtes spectre large

100 fs 16 nm

• pour amplifier (>106) uniformément toutes les fréquences optiques, il faut un amplificateur large bande

• Nd:verre gain fort, faible bande

• Yb:verre gain moyen, faible bande

• Ti:saphir gain faible, large bande

Insuffisant à cause du rétrécissement spectral par le gain

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Introduction

Une solution : l’amplification paramétrique optique (OPA) ?

• Les amplificateurs paramétriques optiques :

large bande

très fort gain

accordables en longueurs d’onde

transparents (moins d’effets thermiques)

Bande de gain Ti:Saphir

(à 820 nm)

Bande de gain OPA LBO colinéaire

(à 1054 nm)

Bande de gain OPA LBO non colinéaire

(à 930 nm)

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Introduction

Une solution : l’amplification paramétrique optique ?

Nd:YAG

532 nm

1 nJ

1 mJ

1 mJ

Cristal non

linéaire

OPA

Ti:Saphir Polariseur

Cellule de Pockels

Nd:YAG

Cellule de Pockelsou rotateur de Faraday

nJ

mJ

Cavité régénérative

DièdreTi:S

Nd:YAG

1 nJ/1 mJ

532 nm

f f f f

Amplificateur multipassage

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Introduction

Une solution à 1054 nm ?

Gain > 1010

Énergie >1 J

Largeur spectrale

Qualité spatiale

Haute cadence >kHz

Phase spectrale ?

Contraste temporel ?

1992 1994 1996 1998 2000 2002 20040

2

4

6

8

10

No

mb

re d

e p

ub

lica

tion

s

Année

1992 1994 1996 1998 2000 2002 20040

2

4

6

8

10

No

mb

re d

e p

ub

lica

tion

s

Année

Première démonstration*

Début thèse

+

* A. Dubietis, G. Jonusaukas and A. Piskarkas, Opt. Comm. 88 (1992)

Page 8: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Introduction

La problématique du sujet de thèse

Limites de la technique OPCPA ?

Quel est le contraste temporel des impulsions amplifiées ?

Peut-on générer des impulsions courtes directement à partir d’un oscillateur paramétrique optique pompé en régime continu ?

… et pourquoi pas …

et plus particulièrement

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Ecole Polytechnique

Université Paris-sud

ONERA

Ville de Palaiseau

Ville d’Orsay

Plateau de Saclay

Introduction

Catherine LE BLANC

Ji-Ping ZOU

Les laboratoires d’accueil

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Ecole Polytechnique

Université Paris-sud

ONERA

Ville de Palaiseau

Ville d’Orsay

Plateau de Saclay

Introduction

Emmanuel ROSENCHER

Michel LEFEBVRE

Les laboratoires d’accueil

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Ecole Polytechnique

Université Paris-sud

ONERA

Ville de Palaiseau

Ville d’Orsay

Plateau de Saclay

Introduction

Cyril DRAG

Fabien BRETENACKER

Les laboratoires d’accueil

Page 12: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Introduction

Patrick GEORGES

Ecole Polytechnique

Université Paris-sud

ONERA

Ville de Palaiseau

Ville d’Orsay

Plateau de Saclay

Les laboratoires d’accueil

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Introduction

… et de nombreuses collaborations

Lawrence Livermore National Laboratory,Livermore, Californie

Igor JOVANOVIC

Christopher P. G. BARTY

Laboratory for Laser Energetics, Rochester, New York

Vincent BAGNOUD

Jonathan D. ZUEGEL

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Plan

• Introduction

• L’amplification paramétrique optique en quelques mots

• L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

• Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués

• Conclusions

Page 15: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Physique de l’OPA

Principe de l’amplification paramétrique optique (OPA)

Pompe atténuée

Signal amplifié

Faisceau complémentaire

Cristal non linéaire

Faisceaux superposés

(spatialement)

Impulsions synchronisées

(temporellement)

Accord de phase 0p s ck k k k

Transfert d’énergie

+ +

Faisceau pompe

Faisceau signal

OPA = amplificateur paramétrique optique

Page 16: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Physique de l’OPA

OPA et amplification laser

Amplification laser

Amplification paramétrique

Grandeur pertinente

fluence (J/cm²) intensité (W/cm²)

Mécanisme résonnant

oui non

Accordabilitélimitée

(transition laser)

oui

Stockage de l’énergie

milieu laser (µs, ns)

impulsion de pompe(ns,ps)

Saturation Jsatépuisement de

l’énergie

Gain petit signal exponentiel exponentiel

Pompage optique cohérent ou non cohérent

LaserRelaxation non radiative

Relaxation non radiative

p L

OPA

ps

c

Page 17: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Physique de l’OPA

Accords de phase et OPA large bande

Angle non colinéaire (°)

Lon

gueu

r d'

onde

m)

-2 -1 0 1 20.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x 105

Carte de gain dans BBO

OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré

OPA non colinéaire et non dégénéré

Systématiquement large bande

Large bande à l’angle magique 

Accord de phase par biréfringence

Angle pompe-signal (°)

Long

ueur

d’o

nde (

µm

)

Pom

pe à

52

7 n

m, 5

00

MW

/cm

²

Page 18: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Physique de l’OPA

Accords de phase et OPA large bande

Angle non colinéaire (°)

Lon

gueu

r d'

onde

m)

-2 -1 0 1 20.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x 105

Carte de gain dans BBO

OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré

OPA non colinéaire et non dégénéré

Systématiquement large bande

Large bande à l’angle magique 

Accord de phase par biréfringence

~80 nm

Pom

pe à

52

7 n

m, 5

00

MW

/cm

²

Angle pompe-signal (°)

Long

ueur

d’o

nde (

µm

)

Page 19: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Angle non colinéaire (°)

Lon

gueu

r d'

onde

m)

2.3 2.35 2.4 2.45 2.50.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x 105

Physique de l’OPA

Accords de phase et OPA large bande

Carte de gain dans BBO

OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré

OPA non colinéaire et non dégénéré

Systématiquement large bande

Large bande à l’angle magique 

Accord de phase par biréfringence

Angle pompe-signal (°)

Long

ueur

d’o

nde (

µm

)

Page 20: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Angle non colinéaire (°)

Lon

gueu

r d'

onde

m)

2.3 2.35 2.4 2.45 2.50.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x 105

Physique de l’OPA

Accords de phase et OPA large bande

Carte de gain dans BBO

OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré

OPA non colinéaire et non dégénéré

Systématiquement large bande

Large bande à l’angle magique 

Accord de phase par biréfringence

Angle pompe-signal (°)

~130 nm

Pom

pe à

53

2 n

m, 5

00

MW

/cm

²

Long

ueur

d’o

nde (

µm

)

Page 21: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Plan

• Introduction

• L’amplification paramétrique optique en quelques mots

• L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

• Étude d’un préamplificateur mJ à 1054 nm

• Étude du contraste temporel des impulsions amplifiées

• Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués

• Conclusions et perspectives

Page 22: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPCPA : principe

Principe de l’amplification à dérive de fréquence (CPA)

Idée maîtresse : abaisser l’intensité crête pour rester en dessous des seuils de dommage

EI

S

Page 23: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPCPA : principe

Principe de l’amplification paramétrique à dérive de fréquence (OPCPA)

OPCPA = OP(A) + CPA

Page 24: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Préamplificateur OPCPA

Étude d’un préamplificateur OPCPA

Laser de pompe :

• 30 mJ, 7 ns, déclenché, injecté

• cavité instable (profil supergaussien)

Sélecteur d’impulsions 10 Hz

f=1m

/2

BBO 115 mm

BBO 215 mm

Dichroïque

Signal 0.5 nJ, 2,3 ns, 15 nm, 10 Hz

Oscillateur femtoseconde250 mW, 80 MHz, 100 fs1054 nm, =15 nm

Réducteur + filtre + imageriePolariseurs

Laser de pompe

Signal 600 µJ

Etireur

80 Mhz, 2.3 ns

z

vue de dessusz

Accord de phase de type I

s

sz

vue de face

s

s

s

sz

zz

Energie de pompe

Compensation de la double réfraction

Page 25: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Préamplificateur OPCPA

Étude d’un préamplificateur OPCPA : vue du montage

30 mJ7 ns 0,5 nJ

2,3 ns

Page 26: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

0 5 10 15 20 25 30100

101

102

103

104

105

106

Gain

Energie de pompe (mJ)

0 5 10 15 20 25 30100

101

102

103

104

105

106

Gain

Energie de pompe (mJ)

Préamplificateur OPCPA

Étude d’un préamplificateur OPCPA

Gain x

Énergie x

Largeur spectrale

Qualité spatiale

Contraste temporel

Pompe1.2 mm

Signal150 µm

Rendement de 2,3 %

Gain théorique (régime linéaire)

Amplification jusqu’à 600 µJ

recouvrementwalk-off

Page 27: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Préamplificateur OPCPA

Étude d’un préamplificateur OPCPA

Gain x

Énergie x

Largeur spectrale

Qualité spatiale x

Contraste temporel

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

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée (

ua)

X (mm)

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

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée (

ua)

X (mm)

non amplifié

amplifié

Coupe profil amplifié

Ajustement gaussien

Pompe1.2 mm

Signal150 µm

Amplification jusqu’à 600 µJ

recouvrementwalk-off

Page 28: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

(ua

)

Longueur d'onde (nm)

Préamplificateur OPCPA

Étude d’un préamplificateur OPCPA

Gain x

Énergie x

Largeur spectrale x

Qualité spatiale x

Contraste temporel

non amplifié

non amplifié

Oscillations parasites

pour un gain trop important

15 nm

non amplifié

amplifiécomplémentaire

Page 29: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Préamplificateur OPCPA

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té (

ua

)

Délai (fs)

Autocorrélation du second ordre

Nouveau montage préamplificateur OPCPA

265 fs (12 nm)

Page 30: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Préamplificateur OPCPA

Conclusions des expériences sur le préamplificateur

Point sensible de la technique : synchronisation laser de pompe – oscillateur fs

Pour de faibles énergies de pompe, le rendement est limité par double réfraction

Avec des gains >106, la qualité des traitements antireflets est critique

Bonnes performances mais :

Deux voies de recherche

Amélioration du rendement(cristaux périodiquement

retournés)

Séjour au LLNL

Etude du contraste temporel à grande

dynamiqueI. Jovanovic, C. G. Brown, C. A. Ebbers, CP. J. B. Barty, N. Forget, C. Le Blanc, Opt.Lett. 30, 1036-1038 (2005)

Page 31: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Mesure du contraste à grande dynamique

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 801E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

Sig

nal d

e c

orr

éla

tion c

rois

é

Délai (ps)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 801E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

Sig

nal d

e c

orr

éla

tion c

rois

é

Délai (ps)

-800 -600 -400 -200 0 200 400 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té (

ua

)

Délai (fs)

Mesure expérimentale

AjustementGaussien

265 fs

Fond de 10-7 à 100 ps

Piédestal

Impulsion

Autocorrélation du second ordre

Autocorrélation du troisième ordre

Piédestal inattendu !

Post-impulsion(artefact)

Page 32: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Première mesure (historique) du contraste à grande dynamique

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Amplificateur régéneratifchaîne 100 TW du LULI

Cor

réla

tion

croi

sée

norm

alis

ée

Délai (ps)

OPCPA LLE

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

1E

1E

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

1E

1Eseuil de détection

• Fond à 10-8

• Piédestal long (60 ps)

?

Limite quantique !

V. Bagnoud, J. D. Zuegel, N. Forget, C. Le Blanc, “High-dynamic-range temporal measurement of short-pulses amplified by OPCPA”, IFSA 2005 soumis à Optics Express

Page 33: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Piédestal : quelles explications ?

• Mauvais contraste oscillateur ?

• Effet de coupure spectrale ?

• Fluorescence ?

• Autre phénomène lié à l’OPA ? Nouveau montage

Modélisations et mesures

Page 34: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Montage dédié à l’étude du contraste

Laser de pompe

Ca

vité

régé

néra

tive

Diagnostics

OPA I

OPA II

Etireur

Compresseur

PC

MD

MD MD

MD

/2

/2

TFP

TFPGP

GP

PG

Oscillateur femtoseconde

Pilo

te d

e la

ch

aîn

e 1

00

TW

Laser de pompeLaser de pompe

Ca

vité

régé

néra

tive

Autocorrélateur

OPA I

OPA II

Etireur

Compresseur

PC

MD

MD MD

MD

/2

/2

TFP

TFPGP

GP

PG

Oscillateur femtosecondeOscillateur femtoseconde

Pilo

te d

e la

ch

aîn

e 1

00

TW

Impulsions de 750 ps

amplifiées de 200 µJ à 6 mJ

Page 35: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Mesure du contraste avec et sans amplification paramétrique

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 501E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Sig

nal

de

corr

éla

tion

cro

isée

Délai (ps)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 501E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Sig

nal

de

corr

éla

tion

cro

isée

Délai (ps)1052 1054 1056 1058 1060 1062 1064 1066

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsité

spe

ctra

le n

orm

alis

éeLongueur d'onde (nm)

200 µJ

6 mJ

300 µJ

6 mJ

Conclusion : le piédestal est lié à l’amplification paramétrique – même à faible gain Hypothèse : peut-on relier ce phénomène aux modulations spectrales observées ?

Bruit ?

Page 36: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Les modulations spectrales suffisent-elles à expliquer le piédestal ?

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 301E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Sig

nal d

e co

rrél

atio

n c

rois

ée

Délai (ps)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 301E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Sig

nal d

e co

rrél

atio

n c

rois

ée

Délai (ps)

Mesure expérimentale

Calcul à partir des spectres expérimentaux

Conclusion : le piédestal est induit par les modulations spectrales

Page 37: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Mécanisme proposé :

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 501E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Sig

nal

de

co

rré

latio

n c

rois

éeDélai (ps)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 501E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Sig

nal

de

co

rré

latio

n c

rois

éeDélai (ps)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée

Temps (ns)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée

Temps (ns)-400 -200 0 200 400

0,80

0,82

0,84

0,86

0,88

0,90

Inte

nsi

té n

orm

ais

ée

Temps (ps)

-400 -200 0 200 400

0,80

0,82

0,84

0,86

0,88

0,90

Inte

nsi

té n

orm

ais

ée

Temps (ps)

1052 1054 1056 1058 1060 1062 10640,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée

Longueur d'onde (nm)

1052 1054 1056 1058 1060 1062 10640,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsi

té n

orm

alis

ée

Longueur d'onde (nm)

x=

I(t) signal étiré I(t) signal étiré

amplifiéI(t) signal

recomprimé

TF

I(t) pompe

qques ps

qques 10 ps

Page 38: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Conclusions de l’étude sur le contraste

l’OPCPA permet d’atteindre un meilleur contraste à + de 100 ps

des modulations temporelles rapides (quelques ps) de l’impulsion de pompe sont transférées sur les spectres amplifiés et induisent un piédestal dans le domaine temporel après recompression

le gain est instantané dans un OPA : il faut donc des impulsions de pompe sans structures spatio-temporelles et parfaitement « lisses » temporellement

il faut considérer deux sources de bruit en OPCPA :

un bruit incohérent d’origine quantique : la fluorescence

un bruit cohérent : le bruit d’intensité des impulsions de pompe

N. Forget, A. Cotel, E. Brambrink, P. Audebert and C. Le Blanc, «Pump-noise transfer in optical parametric chirped-pulse amplification» accepté à Optics Letters (2005)

Page 39: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Contraste temporel

Quelles améliorations possibles ?

• Améliorer l’injection (couplage, puissance)

• Utiliser un laser de pompe à modes bloqués

• Utiliser comme pompe une chaîne CPA

Mais ces solutions n’évitent pas les modulations temporelles induites par l’émission spontanée amplifiée (ASE ~ 10-3-10-5) :

I(t) signal recomprimé

2 2lasert

~largeur spectrale du milieu à gain utilisé pour le laser de pompe

dérive de fréquence de l’impulsion signal

Page 40: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Plan

• Introduction

• L’amplification paramétrique optique en quelques mots

• L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

• Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués

• Conclusions

Page 41: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité

• Pourrait-on aller jusqu’à remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ?

Pompe cw 532 nm

Impulsion fs à 1054 nm

Modulateur optique

Ti:S

Page 42: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité

• Pourrait-on aller jusqu’à remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ?

• Avec quels bénéfices ?

nouvelles sources primaires ultra-courtes : jusqu’à quelques fs

sources accordables sur tout le spectre IR

Oscillateur paramétrique optique verrouillé en modes

Pompe cw 532 nm

Impulsion fs à 1054 nm

Modulateur optique

OPA

Page 43: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO

Une idée neuve ?

• premier article théorique en 1974 !

M. F. Becker, D. J. Kuizenga, D. W. Phillion and A. E. Siegman, « Analytic expressions for ultrashort pulse generation in mode-locked optical parametric oscillators », J. Appl. Phys. 45 (1974)

• OPO ultra-court depuis 1995

G. M. Gale, M. Cavallari, T. J. Driscoll and F. Hache, « Sub-20-fs tunable pulses in the visible from an 82-MHz optical parametric oscillator », Opt. Lett. 20 (1995)

• mais jamais réalisé en continu

Page 44: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO

Modulateur acousto-optique

Modèle simple :

en OPO simplement résonnant on peut produire des impulsions de quelques ps

MC MC f

532 nm

PG /2PPLN:MgO

M1M2

M3M4

MC MC f

532 nm

PG /2PPLN:MgO

M1M2

M3M4

Page 45: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO

1020 1040 1060 1080 1100

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Sig

nal (

dBm

)

Longueur d'onde (nm)

1020 1040 1060 1080 1100

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Sig

nal (

dBm

)

Longueur d'onde (nm)

Spectre émis par l’OPO en quasi-continu

1064 nm

40 nm

Favorable pour supporter des

impulsions courtesOPO doublement résonnant, cavité courte

-50 0 50 100 150 2000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsity

(ua

)

Temps (µs)

-50 0 50 100 150 2000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsity

(ua

)

Temps (µs)

pompe

OPO

Seuil x2

Seuil : 130 mW

Page 46: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Vue du montage

Page 47: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Résultats expérimentaux

-100 -50 0 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

(ua

)

Temps (µs)

Signal Pompe Pompe dépeuplée

-100 -50 0 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

(ua

)

Temps (µs)

Signal Pompe Pompe dépeuplée

-100 -50 0 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

(ua

)

Temps (µs)

Signal Pompe Pompe dépeuplée

-100 -50 0 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

(ua

)

Temps (µs)

Signal Pompe Pompe dépeuplée

Sans modulation Avec modulation acousto-optique

Train d’impulsions

Page 48: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Résultats expérimentaux

-15 -10 -5 0 5 10 15

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

700 ps

T

ensi

on (

ua)

Temps (ns)

8,4 ns +/- 50 ps

-15 -10 -5 0 5 10 15

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

700 ps

T

ensi

on (

ua)

Temps (ns)

8,4 ns +/- 50 ps

N. Forget, S. Bahbah, C. Drag, M. Lefèbvre, F. Bretenacker and E. Rosencher, soumis à Optics Letters

Page 49: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

80 100 120 140 160 180

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5 Au seuil (1,6 W) Pompe 1,8 W Pompe 2,3 W Pompe 2,4 W

Dur

ée d

es im

pul

sion

s (n

s)

Durée depuis début impulsion de pompe (µs)

OPO à modes bloqués

• Élargissement des impulsions : de 550 ps à 4 ns (photodiode 50 ps, oscilloscope 2,5 GHz)

• Fond continu

Mais…. pas de régime stationnaire strict

pompe

Page 50: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Explications possibles :

Modulation

impulsionsignal

t=0 tcts

temps

puissanceimpulsion

complémentaire

Écart au modèle : OPO doublement résonnant

Avec un modèle simple pour un OPO doublement résonnantimpulsions de 200-300 ps.

dispersiondispersion

Page 51: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

OPO à modes bloqués

Explications possibles pour l’élargissement des impulsions :

• dérive en fréquence de la pompe mesuré

• effets thermiques ou photoréfractifs détecté

• effets de « clusters » double résonnance

Contre-expériences en cours avec un laser continu à 532 nm

Conclusion de l’étude : il est possible de transposer la technique de verrouillage de modes actif des lasers

aux OPO

délétère en DROPO

Page 52: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Plan

• Introduction

• L’amplification paramétrique optique en quelques mots

• L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

• Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués

• Conclusions et perspectives

Page 53: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Conclusions

Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques

• OPCPA :

• quelques limites d’un préamplificateur mJ en BBO à 1054 nm

• mesure et interprétation du contraste temporel des impulsions amplifiées par OPCPA

• OPO-ML :

• démonstration du verrouillage de modes dans un oscillateur paramétrique optique doublement résonnant pompé en régime continu

Page 54: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Perspectives

Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques

• OPCPA : une technique prometteuse pour des sources ultra-intenses

laser de pompe intense, mis en forme spatialement et temporellement, peu bruité et synchronisé !

incontestablement le point « dur » de la technique• OPO-ML : une voie intéressante pour développer des sources primaires ultra-courtes et accordables en fréquence

Page 55: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Perspectives

Gain instantané et local

Position (mm)

Tem

ps (

ns)

1 2 3 4 5 6 7 8

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20Position (mm)

Tem

ps (

ns)

1 2 3 4 5 6 7 8

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-400

-200-300

-1000

100

300200

400

Délai pompe-signal (ps)

-400

-200-300

-1000

100

300200

400

Délai pompe-signal (ps)

Profil spatial du signal amplifié

Profil spatio-temporel de la pompe

Espace (mm)

Tem

ps

(ns)

Délai 1

Délai 2

Délai 3

Délai 1

Délai 2

Délai 3

750 ps

Caméra à temps de pause ultracourt (1 ps – 1 ns) ?

Page 56: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.
Page 57: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Remerciements

John COLLIER

Eric FREYSZ

Benoît BOULANGERPatrick GEORGES

Michel LEFEBVRE

Emmanuel ROSENCHERCatherine LE

BLANC

Cyril DRAG

Fabien BRETENAKER

Ji-Ping ZOU

Alain MIGUS

François AMIRANOFF

Pierre TOUBOUL

Brigitte ATTAL-TRETOUT

Pierre PILET

Page 58: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Merci à tous

Philippe BARANGER

Alexandre BRESSON

Aude DESORMEAUX

Jean-Pierre FALENI

Antoine GODARD

Riad HAIDAR

Ajmal KHAN MOHAMED

Philippe KUPECEK

Jean-Michel MELKONIAN

Myriam RAYBAUT

Isabelle RIBET

Sofiane BAHBAH

Christophe BLONDEL

Louis CABARET

Walid CHAIBI

Christian DELSART

Benoît LANTIN

Jean-Louis LE GOUET

Roger LEROUX

Patrice LEROY

Ivan LORGERET

Anne LOUCHET

Jacques LUCE

Gabriel MENNERAT

Emmanuel HUGONNOT

Claude ROUYER

Page 59: Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Nicolas Forget Études de lamplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage.

Merci à tous

Kahina Sarah ABDELI Sylvie JACQUEMOT

Julie ALBRECHT Sylvie JANICOT-PROCHASSON

Patrick AUDEBERT Batiste JANVIER

Didier BALCON Mohamed KARROUCHE

Elsa BAYNARD Michel KOENIG

Olivier BEKKA Jean Claude LAGRON

Alessandra BENUZZI-MOUNAIX Catherine LE BRIS

Hélène BONDIGUEL Stéphanie LE MOAL

Jean-Michel BOUDENNE Joseph MALTESE

Rodrigue BOUILLAUD Brigitte MARCHESIN

Séverine BOUQUIN Luc MARTIN

Gilbert BOURDET Jean-François MENGUE

Erik BRAMBRINK Alain MICHARD

Jean-Luc BRUNEAU Jean-Marie MORCHAIN

Daniel CAVANNA Virginie MULTAN

Jean-Christophe CHANTELOUP Jean-Luc PAILLARD

Michel CHATEAU Eric PAILLASSA

Claude CHENAIS-POPOVICS Horia POPESCU

Arnaud COTEL Jean-Pierre PROTAT

Domingos DA SILVA ALVES Marc RABEC LE GLOAHEC

Jean-Paul DA SILVA NUNES Alessandra RAVASIO

Cyril DAMBRINE Christian SAUTERET

Jean-François DEVAUX Anne-Marie SAUTIVET

Sandra DORARD Sylvain SAVALLE

Laurence DROUEN Corinne SERRA

Emmanuelle DUFOUR François SIMON

Laurent ENNELIN Stève SIMOND

Julien FUCHS Danielle SMADJA

Annabelle FULOP Jean-Pierre THEBAULT

Christophe GODINHO Henri TIMSIT

Claude GOUEDARD Edouard VEUILLOT

Bruno HIRARDIN Bernard VINCENT

Ji-Ping ZOU

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Et pour vous remercier :

le pot de thèse

Salle de réunion du LULI (bât. 403)