Gabriel Mennerat, Jacques Rault, Odile Bonville, Olivier...

2009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance 1

Doublement de frDoublement de frééquence quence àà trtrèès forte s forte éénergie dans LBO nergie dans LBO Rendements extrêmes et tolRendements extrêmes et toléérancesrances

Gabriel Mennerat, Jacques Rault, Odile Bonville, Olivier Hartmann, Laurent Marmande, Philippe Canal, Loïc Patissou

Commissariat à l’Énergie Atomique, CESTA, Bordeaux (France)[email protected]


Plan de lPlan de l’’exposexposéé

• Introduction - Motivation• Cristaux candidats pour la conversion à haute énergie• Optimisation de la chaîne laser Alisé pour ces essais• Essais de différents cristaux• Méthodes d’évaluation indirecte du rendement• Bilan et conclusion


MotivationMotivation

• Les applications sociétales des lasers de très haute intensitédemandent des cadences de tir beaucoup plus élevés que les grandes installations scientifiques actuelles (NIF, LMJ, LULI…)

• Ces chaînes laser mettent en œuvre des amplificateurs de puissance àlarge bande passante pompés dans le vert par des lasers à solides doublés en fréquence très énergétiques en régime ns

• La montée en cadence induit une augmentation de charge thermique dans les milieux amplificateurs laser qui dégrade le front d’onde.

• On recherche de nouveaux cristaux doubleurs de fréquence combinant 1. Une bonne tolérance aux aberrations du faisceau fondamental2. Des propriétés thermiques intrinsèques compatibles avec la conversion à

forte puissance moyenne3. Une extrapolation potentielle à de grandes ouvertures

• On sait depuis une décennie que le triborate de lithium LiB3O5 alias LBO répond bien aux critères 1 & 2. Nous examinons ici le point 3.


Architecture gArchitecture géénnéérale des charale des chaîînes nes àà ultraultra--haute intensithaute intensitéé

Oscillateur fsà modes bloqués

Sélecteur d’impulsion& étireur Préamplificateur

Ampli depuissance Compresseur

Ti:Saor OPCPA

Laser de pompe ns

Doublement de fréquence

Laser de pompe ns Doublement de fréquence

Gamme PW


1. Nous visons un rendement de conversion de 80% à une intensité Iopcompatible avec la tenue au flux du module convertisseur.

2. Nous en déduisons l’épaisseur L du cristal dépendant de paramètres intrinsèques regroupés dans la puissance critique Pc

3. La tolérance aux aberrations résiduelles du faisceau incident est caractérisée par l’acceptance angulaire de l’accord de phase à 80% du maximum × L

4. La puissance moyenne maximum que le cristal peut accepter sans que le rendement ne se dégrade de plus de 20% par rapport au fonctionnement à tirunique est

(refroidiss. par la tranche, régime thermiquestationnaire)

Coefficients de mCoefficients de méérite pour la conversion de frrite pour la conversion de frééquence quence àà forte puissance moyenneforte puissance moyenne

1

80% 4,2−

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

∂Δ∂

×<Tk

ακP

Lk×⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

∂Δ∂

=Δ−1

%80 5,2θ

θ

op

07,2IPL c=⇒≡⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= %80tanh2 L

PI

c

η

CdM front d’onde

CdM puissance moyenne


Candidats pour le doublement de frCandidats pour le doublement de frééquence quence àà forte puissance moyenneforte puissance moyenne

6540852030500diamètre utile [mm]

25025120153516kJgamme d’énergie (8 ns)

0.0050,50,10,10,10,1absorption [%/cm]

3,53,330,8n.d.1,3conduct. therm. [W/m/K]

602,2503,8n.d. 1,9CdM puissance moyenne [kW]

3,2284738223,6tolérance en température [K]

4,69,10,30,50,70,7tolérance angulaire [mrad]

94124,210,214,8épaisseur [mm]

LBOLBOKTPKTPYCOBYCOBBBOBBOCLBOCLBODKDPDKDP


Boule de LBO de grandes dimensions produite (Cristal Laser)Boule de LBO de grandes dimensions produite (Cristal Laser)

Ø 50mm


Salle d’expériences

Hall d’amplification laser

Banc d’énergie Salle pilote

Poste de commande de tir

Salle haut flux

Salles haut fluxSalle de conduite de tir

Laser Laser AlisAliséé : un grand instrument ouvert pour les : un grand instrument ouvert pour les éétudes laser tudes laser et det d’’interaction laserinteraction laser--plasmaplasma


La chaLa chaîîne dne d’’amplification amplification AlisAliséé

Chaîne en imagerie confocale

RF 150 mm

3 amplis 50 mm

3 CP 50 mm

1 ampli 150 mm

2 amplis 94 mm

RF 94 mm

FS

FS

Sortie de chaînejusqu’à 250 J

RF : Rotateur de Faraday

CS : Cellule de Pockels

FS : Filtrage Spatial

Entrée de chaîne : 5 mJpilote 100 fs étiré ou

ns avec MFT


Modélisation de la chaîne amplificatriceParamétrage de la chaîne laser (60 éléments) avec prise en compte :

• De données techniques de la chaîne

• De paramètres provenant des mesures de gainEntrée de chaîne

Fin de chaîne

Le logiciel MirLe logiciel Miróó


• Simulation avec le code Miro a permis :En calcul direct : de quantifier la saturation subie par une impulsion en fonction de sa durée et de l’énergie demandée en fin de chaîne laser

MaMaîîtrise de la forme temporelle de ltrise de la forme temporelle de l’’impulsionimpulsion

2 4 6 8 ns 2 4 6 8 ns

En mode inverse : d’établir les formes temporelles à injecter en fonction du cahier des charges de fin de chaîne (durée + énergie)

Entrée de chaîne laser Sortie de chaîne laser


Validation expérimentale

Mesure effectuée en entrée de chaîne (après la cavité régénérative)

Résultat issu de la simulation Miro

MaMaîîtrise de la forme temporelle de ltrise de la forme temporelle de l’’impulsionimpulsion

Mesure effectuée en fin de chaîne laser

6 12 18 ns 6 12 18 ns 6 12 18 ns6 12 18 ns


Mise en forme spatiale du faisceau laserMise en forme spatiale du faisceau laser

Objectifs : - Mieux profiler le faisceau en réduisant les modulations d’amplitude : utilisation d’un « trou dur » appelé apodiseur

- Gain d’énergie

Principe :utilisation d’un apodiseur crénelé associé à un trou de filtrage permet de mieux profiler les bords du faisceau tout en éliminant les hautes fréquences spatiales apportées par la structure dentelée

Moyens :-Dimensionnement analytique d’apodiseur crénelé

-Étude comparative et optimisation avec le logiciel Miro

-Essais expérimentauxRéférence : « D8 – Apodiseur à dents : mise en forme spatiale et filtrage », C. Gouédard*, J.P. Zou, C. SauteretRapport LULI 2004-2005

Rint

Rext

Rint

Rext


Optimisation de la profondeur des dents (N=80)Mise en forme spatiale du faisceau laserMise en forme spatiale du faisceau laser

P = 0,85 mm P = 2 mm P = 4 mm


TypicalTypical monomode monomode AlisAliséé beambeam


NarrowNarrow intensityintensity distribution to distribution to enhanceenhance conversion conversion efficiencyefficiency


Profil dProfil d’’intensitintensitéé en champ lointainen champ lointain

Δt=60 min, 5 mars 2008

AVEC correction de surface d’onde

Doublement de fréquence dans LBOStrehl=0,7 ou 1,1× la lim

ite de diffraction


Banc du conversion de frBanc du conversion de frééquence de lquence de l’’installation installation AlisAliséé

HBS 3ω0,05%, 10°

�

�

�

�

� �

�

�

�

Scale

KeyRed = 1ω, Green = 2ω, Blue = 3ω

� : input energy and near-field profile

�

Auxiliary beam for alignment

�

HBS 2ω0,05%, 10°

HBS 1ω0,05%, 10°

∅ 36 mm

Order �2< 25 μJ @ 3ω

Nd:YLF 1 ; 10 ns10 Hz, 15 mJ

KTiOPO4doubler5 mm-thick 3x3 mm²

LiB3O5 type-I tripler 15 mm-thick 3x3 mm²

λ/2 λ/2

λ/2

KH2PO4 type-I doubler 12 mm-thick 150x150 mm²

KD2PO4 type-II tripler 9 mm-thick 100x100 mm²

∅90

mm

� : generated or residual energy, �1 diffraction order, joulemeter 150 mJ� : temporal pulse profile, �1 diffraction order, phototube 60 ps, 8 GHz oscilloscope� : near-field fluence profile, �2 diffraction order, 12-bit CCD camera, 80µm resolution� : far-field fluence profile, �2 diffraction order, 12-bit CCD camera, 1µrad resolution� : main beams available to experiments, 0 diffraction order,

energy 2-300 J, ∅36mm, duration 0.5-20 ns

�

�

�

�

�

�

10 20 30 40 50 cm0


FreqFrequencuencyy conversion conversion benchbench

15x15cm²KDP doublerset apart

Calorimeter300J range

Simultaneous recording for each shot

yesyesyesSpectrum

HASO64Wavefront

Near-fieldFar-field

Near-fieldFar-field

Near-fieldFar-field

Fluence profiles

yesyesyesTemporal profiles

1 sensor2 sensors2 sensorsEnergy

residual1ω

generated2ω

Input1ω

Ø5cmLBOdoubler

fundamental beamfrom laser hall


Cristaux de LBO de type I & II taillCristaux de LBO de type I & II tailléés dans les plans principaux XY et YZs dans les plans principaux XY et YZ

•• Ø50mm épaisseur 12 mm

• Ø25mm épaisseur 20 mm

Longueur d’onde fondamentale : λIR=1053 nm

•• Ø65mm épaisseur 12 mm


Premier record : mars 2008 maisPremier record : mars 2008 mais…… éécart expcart expéériencesriences--simulations simulations àà «« forte intensitforte intensitéé »»


Tirs toutes les 15 minutes, sans correction de surface dTirs toutes les 15 minutes, sans correction de surface d’’ondeonde

Champ lointain senseur S3

10 tirs consécutifs Δt=15 min

14 novembre 2008

divergence et stabilité de pointé

1ω incident

Instabilitéde pointé < 25µrad RMS 2 axes

Très largement suffisant y compris pour KDP/DKDP


NovNov 2008 : Campagne haut rendement dans LBO2008 : Campagne haut rendement dans LBO

Variance de l’histogramme d’intensité 25% (constante)

A réduire (couronne) avant de reprendre les tirs en fs !


Bilan des tirs de conversion Bilan des tirs de conversion àà haut rendementhaut rendement

Mesures de tolérancesOptimisation des réglages par rampes en énergie106 tirs 1ier bras Alisé dont

• 40 tirs de rendement > 80 %

• 17 tirs de rendements > 90 %


VVéérification par simulations numrification par simulations numéériques spatioriques spatio--temporellestemporelles

Simulations numériques

à partir du senseur S3Spatial : 64x64 points

Temporel : 236 pointsSimulation dépendante de l’étalonnage énergétique du 1ω incident


«« VVéérificationrification »» du ddu déépeuplement : impacts papier thermiquepeuplement : impacts papier thermique

Ø13mm

Impacts face avant sur la voie 1ω résiduel 1ω incident : 3 J

LBO désaccordé : pas de conversion

LBO optimisé


VVéérification par mesure du drification par mesure du déépeuplement du fondamentalpeuplement du fondamental

Mesure relative indépendante des étalonnages énergétiques


• Résolution analytique générale des équations de Schrödinger non-linéaires pour la conversion de fréquence

• Approximations– Enveloppe lentement variable– Ondes planes monochromatiques, colinéaires – Sans absorption ni effets non-linéaires d’ordre > 2

• Processus

ModModèèle analytique en ondes planesle analytique en ondes planes

( )( )

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛ Δ++=

2010

22

20104/1

20102

20103 442snatanh

21tanh)(

NN

kIPNN

LPINNNNILI t

c

c

tt

212eff

321

²8λλ

πε

dnnncP o

c = ttt II

II

IIN 103010

3

310 2=+=

ωω

ttt II

II

IIN 202020

3

320 2=+=

ωω

03030 ==

tIIN

302010 IIIIt ++=

)( 221133

321

ωωωωωω

nnnk +−=Δ=+

Puissance critique

Intensité incidente totale :

Conditions initiales doublement

de fréquence


Effets du dEffets du déésaccord de phase saccord de phase àà ll’é’équilibre photoniquequilibre photonique

• Équilibre photonique N20=N10

• Le rendement peut être reformulé ainsi :

où

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Γ

Δ+Γ== 2

22

3 1612snatanh

21tanh/)( kLIzI tη

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Γ

= mmLm 4/1

2 2snη

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Γ

Δ+

ΓΔ

−Γ

Δ+= 2

2

2

2

2

2

161

162

81 kkkm


éévolution des volution des acceptancesacceptances avec le rendementavec le rendement

Désaccord de phase se traduit par des interférences destructives entre le rayonnement harmonique induit localement par le fondamental avec sa propre phase et l’harmonique produit enamont.

À intensité élevée, on produit du 2ω très tôt dans le cristal ce qui exacerbe les interférences destructives.


• À l’accord de phase (Δk=0),

• Au niveau du premier rebond, m est petit et on a

• On en déduit rigoureusement :

( )Lo Γ== 2tanhηη

( ) ( )LL Γ=Γ 2tanh12sn

uuuumumusnkLmL

km cos)cossin(

41sin)(;

2;4

4/12

2

−−≈Δ

≈Γ

ΔΓ

≈

( ) 2

cosatanh

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡= PR

o

o

ηη

...4934,4)tan( ≈= PP

Où P est le second zérode l’équation

Ratio premier rebond / pic principal = mesure du rendementRatio premier rebond / pic principal = mesure du rendement

Le ratio entre l’amplitude du premier rebond et le pic central d’accord est une mesure directe du rendement, indépendante des étalonnages énergétiques.Ceci est valable quel que soit le cristal et le type d’accord de phase !


Comparaison modComparaison modèèle analytique / simulations numle analytique / simulations numéériquesriques

( ) 2

cosatanh

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡= PR

o

o

ηη

...4934,4)tan( ≈= PP


VVéérification du rendement par mesure relative drification du rendement par mesure relative d’’acceptanceacceptance angulaireangulaire

• Fit par simulation numérique

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-10 -5 0 5 10

effic

ienc

y

internal angle [mrad]

experimentalηmax=93,4%ηmax=94,1%ηmax=94,6%

2ième mesure relative indépendante des précédentes


Comparaison des Comparaison des acceptancesacceptances avec KDPavec KDP


Effets du dEffets du dééssééquilibre photoniquequilibre photonique• Ajustement du ratio photonique N20/N10 par rotation d’un angle α d’une lame demi-

onde en amont du cristal doubleur

• La projection du champ électrique incident sur les états de polarisation propres du cristal donne :

→ Simple modulation de l’intensité fondamentale incidente par cos2(2α)

→ Modulation de l’intensité fondamentale incidente par cos(4α)

ET effet combiné au désaccord de phase

( ) ( ) ( ) ( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Δ++=

ααα

2cos412cos2snatanh

21tanh2cos 2

22

223

t

co

c

tt I

PkzzP

III

( ) 2/2cos22010 αtIII ==

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

42sin;

42cos 2

202

10παπα tt IIII

( ) ( )( )( )

( )⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛ Δ++=

α

ααα

4cos44

2cos44cos2snatanh

21tanh4cos

22

23

kIP

zzPIII t

c

oc

tt

1. Réglage indépendant de la polarisation et de l’accord de phase

2. L’ajustement de la polarisation ne permet pas de qualifier le rendementType IType I

Type IIType II

1. Il FAUT régler d’abord la polarisation

2. L’ajustement de la polarisation permet de qualifier le rendement


CriticitCriticitéé du rendement visdu rendement vis--àà--vis de lvis de l’é’équilibre photoniquequilibre photonique

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t

angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]

∝ cos

2 γ × sin

2 γ

ηmax=50%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t


ηmax=50%ηmax=78,0%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t


ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t


ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t


ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%ηmax=92,6%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t


ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%ηmax=92,6%ηmax=94,1%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t


ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%ηmax=92,6%ηmax=94,1%ηmax=95,1%

•• accord de phase de type II : accord de phase de type II : sommesomme de de deuxdeux photons photons de de polarisationpolarisation orthogonaleorthogonale

•• LorsqueLorsque toutestoutes les conditions les conditions sontsont rrééuniesunies pour pour convertirconvertir toustous les photons, les photons, ll’é’équilibrequilibre photoniquephotoniquedevientdevient trtrèèss critiquecritique


VVéérification du rendement par mesure relative de tolrification du rendement par mesure relative de toléérance en polarisation rance en polarisation

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t rel

atif

angle φ de la lame demie-onde [°]

angle du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]

experimental

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

0 15 30 45 60 75 90

rend

emen

t rel

atif

angle φ de la lame demie-onde [°]

angle du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]

∝co

s2(2

φ)×s

in2 (2

φ)

experimentalηmax=50%ηmax=78%ηmax=86%

ηmax=90,2%ηmax=92,6%ηmax=93,4%ηmax=94,1%ηmax=94,6%ηmax=95,1%

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-3 -2 -1 0 1 2 3

3ième mesure relative indépendante des précédentes


Bilan sur les Bilan sur les éévaluations de rendementvaluations de rendement

94 ±0,5%Bilan

94 ±0,5%Mesure relative de la tolérance à l’équilibre photonique(calorimètres Gentec et Molectron)

94±1%Mesure relative de la tolérance angulaire du cristaldoubleur (calorimètres Gentec et Molectron)

93 ±2%Mesure relative du dépeuplement de l’impulsionfondamentale (phototube Hamamatsu, calibre inchangé sur oscilloscope numérique Tektronix)

94±3%Simulations numériquesspatio-temporelles à partir des données du senseur S3 1ωincident (calorimètre Gentec)

95±6(!?)%Mesure calorimétrique absolue(même calorimètre étalon Gentec pour les faisceaux 1ωincident, 1ω résiduel et 2ω produit)


Record de doublement de frRecord de doublement de frééquence dans LBO : plus de 200 J sur quence dans LBO : plus de 200 J sur AlisAliséé

Valorisation avec PME Cristal-Laser Nancy

Tir 48

J

Rende

ment :

62%

Tir 11

6 J

Rende

ment :

85%

Tir 23

6 J

Rende

ment :

92%

Mon

tée

prog

ress

ive

en é

nerg

ie


ComparisonComparison to to somesome otherother highhigh--energyenergy experimentsexperiments

Alisé CEA 2008single shot

8003 ns94%3,2 J3,4 J


80015 ns85%115 J135 JLBOLBO


80012 ns92%217 J236 J


2008 ns76%52 J82 J

DAPKL TRW 199833 Hz1708 ns59%5 J8.5 JKTPKTP

Mercury LLNL 200810 Hz12015 ns50%32,7 J65 JYCOBYCOB

JAER 2002single shot

37025 ns74%25 J34 JCLBOCLBO

Phébus CEA 1995single shot

30001 ns80%650 J810 J

Nova LLNL 1992single shot

25001 ns74%7,95kJ10,75kJ

Argus LLNL 1982single shot

95001 ns83%346 J417 JKDPKDP

laserlaserreprep. . raterate

IntensityIntensity[MW/cm²]

Pulse Pulse durationduration

conversion conversion efficiencyefficiency

22ωωenergyenergy

11ωωenergyenergy

327 Wav.

power


Bilan des essais de doublement dans LBOBilan des essais de doublement dans LBO

• Rendements de conversion records pour un accord de phase par biréfringence (record absolu: Fejer et al. 99% de dépeuplement dans PPLN qq µJ)

• La saturation de rendement à 85% en accord de phase de type II lors des essais à 115 J était vraisemblablement due à une polarisation ajustée trop grossièrement à faible intensité.

• En accord de phase de type I, 217 J ont été produits avec un rendement de 92%

• De tels rendements sont rendus possibles par – l’excellente homogénéité du LBO, – sa très faible absorption α <5 ppm/cm– son très faible n2 (2×10-16 cm²/W), – un β≅0 (Eg=7,8 eV), – une tenue au flux encore meilleure que KDP…


Perspectives sur la conversion de frPerspectives sur la conversion de frééquence quence àà forte forte éénergie dans LBOnergie dans LBO

• Les ouvertures augmentent peu à peu : les limites ne sont pas

atteintes, un diamètre de 100 mm semble possible à terme

• Les premiers essais en triplement de fréquence sont

prometteurs

• Le LBO est un candidat de premier ordre pour l’amplification

paramétrique vers 800 nm à forte énergie : OPA / OPCPA


Merci de votre attentionMerci de votre attention

et à Dominique Lupinski (Cristal Laser),

et Jean-Paul Chambaret (ILE) pour la mise à disposition des cristaux

Gabriel Mennerat, Jacques Rault, Odile Bonville, Olivier...

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