MESURE D’IMPULSIONS FEMTOSECONDES ULTRA COURTES...

JPU – Rouen – 19 octobre 2011 0

1 GROC∙UJI, INIT, Universitat Jaume I, Castelló, Espagne2 XLIM ‐ UMR CNRS 6172, Université de Limoges, 123 av. Albert Thomas, 87060 Limoges Cedex, France

3 Ultrafast Lab., Physics Dep., Yerevan State University, Arménie. 4 CELIA, Groupe GOLF, 351, Cours de la Libération, F‐33405 Talence cedex, France.

[email protected]

MESURE D’IMPULSIONS FEMTOSECONDES ULTRA‐COURTES PAR INTERFÉROMÉTRIE SPECTRALE RÉSOLUE TEMPORELLEMENT :

WIDEBAND‐SPIRIT

Lluís Martínez‐León,1,2 Tigran Mansuryan,2 Méri Kalashyan,2,3

Jérôme Lhermite,4 Christophe Hazera,4 Stéphane Petit,4

Éric Cormier,4 Alain Barthélémy,2 et Frédéric Louradour2


Motivation

Développement des applications des impulsions femtosecondes :

• Micro‐usinage

• Microscopie non‐linéaire

• Femtochimie

• Physique attosecondeLaser Zentrum Hannover

http://www.cup.uni-muenchen.de/pc/devivie/researchOverview.htmlCouverture, The Journal of Neuroscience, 24-4, 2004

25 ns 12 ps 150 fs

http://www.nat.vu.nl/en/research/physics-light/


Défis lors de la mesure d’impulsions femtosecondes:

• Spectres ultra‐larges

• Énergies faibles

• Impulsions très dispersées

Motivation

http://www.nat.vu.nl/en/research/physics-light/

Laser Ti:Sa, étape d’amplification, Universitat Jaume I


Plan de l’exposé

• Caractérisation d’impulsions fs

• SPIRIT : Caractérisation fs par interférométrie spectrale à décalage

• Atouts de SPIRIT

• Wideband SPIRIT, soin apporté à la phase spectrale

• Résultats expérimentaux de caractérisation d’impulsions ultra‐brèveset peu énergétiques

• « Chirpogramme » : mesure d’impulsions très dispersées

• Conclusions

SPIRIT Wideband, XLIM, Université de Limoges


Plan de l’exposé

• Caractérisation d’impulsions fs






• Conclusions



Techniques de caractérisation des impulsions : SPIDER

SPIDER et variationsSPIDER : Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction

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SPIDER

http://ultrafast.physics.ox.ac.uk/spider/tech.html

Impulsioninitiale

Génération d’une impulsion dispersée

Génération de2 répliques temporelles

Sommation de

fréquence

Spectroscope :Acquisition de

l’interférogramme

Impulsion dispersée

2 répliques

2 répliquesdécalées


Plan de l’exposé

• Caractérisation des impulsions fs






• Conclusions



SPIRIT : SPectral Interferometry Resolved In Time

Impulsioninitiale



Impulsioninitiale

InterféromètreMach‐Zehnder

désaligné



Élément dispersif

Impulsioninitiale


désaligné

Deux spectres décalés spatialement :Interférences qui varient très rapidement

Comment en extraire la phase spectrale ?

ω / x

t / z



Impulsioninitiale Porte temporelle

élargie spatialement



Impulsioninitiale


désaligné

Porte temporelle élargie spatialement

Cristal non‐linéaire

Interférogrammestationnaire

Élément dispersifω / x

t / z


SPIRIT : différentes versions


Plan de l’exposé







• Conclusions



Atouts de SPIRIT

SPIRITRéplication des impulsions + Décalage géométrique

Shear calibré une fois pour toutes

Rôle de la porte temporelle et du cristal non linéaire seulement intensimétrique.

SPIDERRéplication des impulsions + Transposition des fréquences

Shear dépendant du taux de dispersion de l’impulsion initiale

Phases spectrales des répliques éventuellement dépendantes de l’étape de sommation de fréquence qui intervient en dernier.

SPIRIT and SPIDER : Méthodes directes et autoreferencées

SPIDER vs. SPIRIT :

Interférométrie linéaireInterférométrie non linéaire


Plan de l’exposé







• Conclusions



Montage expérimental de Wideband SPIRIT


Montage expérimental de Wideband SPIRIT

Traitement très soigneux de la phase. Le décalage spectrale n’introduit aucun retard :

• Système afocal de deux miroirs entre A et B

• Prisme (point B) et cristal non linéaire (point C) dans les plans focaux du dernier miroir sphérique.

Aussi :

• Miroirs au lieu de lentilles

• Cristal SHG très fin (10 microns)


Plan de l’exposé







• Conclusions



Mesures en temps réel


Mesures d’impulsions de 8 fs, 0.25 nJ

Phase spectrale et spectre Reconstruction du profil temporel

Nous avons pu caractériser sans problème des impulsions de 15 mW, de durée entre quelques fs et 30 fs.Oscillateur Rainbow (FEMTOLASERS GmbH)Largeur de bande 250 nm, 75 MHz, puissance moyenne 300 mW, longueur d’onde centrale 810 nm

Exemple : mesure d’impulsions de 8 fs, 0,25 nJ :


Mesures d’impulsions d’énergie faible

Wideband SPIRIT:Possibilité de travailler avec impulsions d’énergie au‐dessous de 0,2 nJ,avec une barrette CCD linéaire standard.

Avoca SPIDER (Del Mar Photonics)100 mW / 100 MHz = 1 nJ

FC SPIDER (APE)100 mW / 80 MHz = 1,25 nJ


Mesures d’impulsions avec dispersion d’ordre 3

Caractérisation d’impulsions avec dispersion de troisième ordre pur.

Oscillateur COHERENT MicraLargeur de bande 100 nm, 80 MHz, longueur d’onde centrale 810 nm

Dispersion d’ordre deux compensée entre 16 cm de verre SF11 et une ligne dispersive àgrisms (grating and prism) ajustable.

SF11

Pierre Tournois : Grism pour opérer avec TOD pur


Mesures d’impulsions avec dispersion d’ordre 3

Caractérisation d’impulsions avec dispersion de troisième ordre pur.Dispersion d’ordre deux compensée entre 16 cm de verre SF11 et une ligne dispersive àgrisms (grating and prism) ajustable.


Plan de l’exposé







• Conclusions



Chirpogramme : Représentations temps ‐ fréquence

spectrogramme

sonogramme

I.A. Walmsley et C. Dorrer, Adv. Opt. Photon., 1, 308, 2009

Porte temporelle

Filtre spectrale

Analyseur spectresoptiques

Analyseur intensitétemporelle

Dispersion o2 Disp. o3

La représentation ω‐t n’est pas toujours intuitive dans le cas du

spectrogramme

La fonction retard de groupe, est retrouvéaisément dans le sonogramme

R. Trebino et al., Rev. Sci. Instrum., 68, 3277, 1997

JPU – Rouen – 19 octobre 2011

2~~2)()(

2)(),( tieREdtgdtS ωωω

πωττ −Ω−−=Ω ∫∫Sonogramme :

27

Chirpographe : Mesure du sonogramme sur la base du montage SPIRIT

La mesure du chirpogramme est adapté aux impulsions fortement dispersées, difficilement mesurées par des méthodes interférométriques

Filtre spectrale

ωPorte temporelle


Chirpogramme: Simulations

freq relatives (2pi Hz)

reta

rd (s

)

chirpogram

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

x 1014

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

x 10-13


reta

rd (s

)

chirpogram

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

x 1014

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

x 10-13

On considère la réponse impulsionelle du spectromètre, sa résolution finie

ph 2 = 155 fs2, ph 3 = 0 fs3 ph 2 = 1000 fs2, ph 3 = 0 fs3

λ = 800 nm, Δλ = 60 nm, Dt = 100 fs


Chirpogramme: Simulations et résultats expérimentaux

Ω (rad/s)0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

480

1.81E+15 2.00E+15 2.19E+15 2.38E+15 2.57E+15 2.76E+15 2.95E+150

126

252

378

504

630

756

882

1008

1134

1260

1386

1512

1638

Δx(μm) τ

(fs)

Impulsion avec dispersion de troisième ordre présentée précédemment : TOD introduite par 16 cm de verre SF11. Dispersion d’ordre deux compensée avec ligne dispersive à grisms.


reta

rd (s

)

chirpogram

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

x 1014

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 10-13

λ = 800 nm, Δλ = 60 nm, Dt = 100 fs, ph 2 = 155 fs2, ph 3 = 8000 fs3


Plan de l’exposé







• Conclusions



Conclusions

Wideband SPIRIT :

• Méthode directe et autoréférencée

• Soin apporté à la phase spectrale de l’impulsion

• Mesure d’impulsions de très faible énergie (0,2 nJ)

• Mesure interférométrique linéaire

• Enregistrement de sonogrammes : représentation intuitive


Remerciements : Réseau FEMTO / MRCT CNRS

1 GROC∙UJI, INIT, Universitat Jaume I, Castelló, Espagne2 XLIM ‐ UMR CNRS 6172, Université de Limoges, 123 av. Albert Thomas, 87060 Limoges Cedex, France

3 Ultrafast Lab., Physics Dep., Yerevan State University, Arménie. 4 CELIA, Groupe GOLF, 351, Cours de la Libération, F‐33405 Talence cedex, France.

[email protected]

MESURE D’IMPULSIONS FEMTOSECONDES ULTRA‐COURTES PAR INTERFÉROMÉTRIE SPECTRALE RÉSOLUE TEMPORELLEMENT :

WIDEBAND‐SPIRIT

Lluís Martínez‐León,1,2 Tigran Mansuryan,2 Méri Kalashyan,2,3

Jérôme Lhermite,4 Christophe Hazera,4 Stéphane Petit,4

Éric Cormier,4 Alain Barthélémy,2 et Frédéric Louradour2

Merci pour votre attention !

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