STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Contrôle temporel & spectral : façonnage...

STAGE LASERS INTENSESDu 4 au 8 février 2008

COURS

Contrôle temporel & spectral :façonnage d’impulsions

Jean-Christophe Delagnes

CPMOH, Université Bordeaux [email protected]

J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale 2

Stage Lasers Intenses 2008

PLAN

Pourquoi le façonnage ?• Une étape incontournable

• Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre

• Limitation du façonnage temporel direct

• Passage au domaine spectral Réalisations pratiques

• Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f)

• Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion



Compensation de la dispersion Course aux impulsions ultracourtes

Compenser la dispersion

Impulsion courtes Spectre large

Milieux matériels (air, verre, …)

1 2 4ln 2t

n() variation significative

Dispersion temporelle

Effet toujours présent et additif

Pour des impulsions très courtes

même l’air est dispersif (t<20fs)

Dispersion Compensation

?



Comment compenser ?

Compensation à l’aide d’un dispositif de mise en forme pour restaurer l’impulsion ultracourte avant dispersion

Dispersion naturelle : • Éléments d’optique passifs

• Air

• Milieux amplificateur

• Cristaux non linéaires

Dispersion « provoquée » :• Amplification à dérive de fréquence (CPA)



Amplification à dérive de fréquence (CPA)

Étireur

Facteur d’étirement ~ 104

Amplification

Gain, Dispersif, NL

Compresseur

Compenser l’étireur (en théorie)

Dispositif de mise en forme

Compensation des ordres supérieurs



Mises en forme plus complexes

Amplificateurs, NOPA, OPCPA• Compensation du rétrécissement par le gain

• Compensation de phases oscillantes, automodulation Également

• Séquences d’impulsions

• Impulsions « carrées »

• Optimisation d’un processus physique donné

Dispositif de mise en forme

Production de profils temporels arbitraires



Mise en forme programmable

Dispositif de mise en forme• Contrôlable par ordinateur

• Taux de rafraîchissement rapide

Oscillateur Ampli CPAFaçonneur

Algorithme

Expérience/Utilisation

Mesure(s)Opérateur



PLAN









Façonnage temporel (direct) ?

Façonneur temporel• Contrôle de la transmission à l’échelle femtoseconde

• N’existe pas ! (sauf rares phénomènes physiques particuliers)

• Modulateurs rapides > quelques ps

Façonnage temporel direct

IMPOSSIBLE

Façonneur temporel

fs



Une autre approche : Mise en forme spectrale

Champ électrique• Champ réel

Représentation complexe

• Transformée de Fourier

Spectre complexe

Formalisme

Contrôle du profil temporel• Mise en forme de l’amplitude spectrale

• Mise en forme de la phase spectrale

( ) Re[ ( )]E t E t

1TF TF ( ) ( ) exp ( )E t A t i t

( )( ) exp ( )E iA



Mise en forme spectrale Lasers ultracourts

• Spectre large + modes de cavité

• Blocage de mode Profil temporel

• A0 cos(0t + 0)

• A1 cos(1t + 1)

• A2 cos(2t + 2)

• … Contrôle de l’amplitude spectrale

A() et de la phase spectrale ()

• A() : Choix des A0,A1,A2,…

• () : Choix des 0,1,2,…



PLAN









Ligne « 4-f »

Au plan de Fourier : Étalement spatial des composantes spectrales



Ligne « 4-f » : Masque fixe



Ligne « 4-f » : Masque ajustable



Ligne « 4-f » réelle

LCD Jenoptik 2x640 pixels f=600mm 2000 traits/mm 0,06 nm/pix à 800nm fenêtre de 35ps pour

100fs 300 GW/cm²



Principe de fonctionnement

1 2 1 2

1 2 1 2

,

, cos

k k k e k e k

k k k e k e k

V V n V n V

a V V n V n V



Exemples de mises en forme

Possibilité de réaliser des mises forme (très) complexes• Délais

• Phase quadratique, cubique, …

• Trains d’impulsions

• Carré

• …

Existence de quelques défauts



Ligne « 4-f » : Paramètres

Dispersion spatialeX= f .

f : Distance focale

g : Dispersion angulaire

Tache focaleX . X= 0 . f / x

f : Distance focale

0 : Longueur d’onde centrale

x : Diamètre sur le réseau



Ligne « 4-f » : Résumé

Défauts Couplages spatio-temporels Masque pixellisé : répliques

temporelles Dispositif complexe

Qualités Éprouvé, bien caractérisé Tous taux de répétition Forte puissance de sortie « Accordable » 0 et

Description des couplages spatio-temporels : Matrice de Kostenbauder (généralisation des matrices ABCD)



Ligne « 4-f » : Variantes Géométries :

• Agencement des éléments (minimiser les aberrations géométriques)

• Ligne repliée « 2-f » : Double passage/Miroir déformable Modulateur :

• LCD, Valve optique (non pixellisé)

• AOM

• Miroir déformable Optiques :

• Réseaux ou prismes

• Miroirs cylindriques ou lentilles



PLAN









Une nouvelle approche : AOPDF AcoustoOptic Programmable Dispersive Filter

Interaction colinéaire avec une onde acoustique façonnée (modulateur RF)

Auto-compensation de la dispersion chromatique du cristal



AOPDF : le « Dazzler » Capacité de façonnage

• Augmente avec la taille du cristal

• Diminue avec la bande spectrale

• Compromis avec l’efficacité Qualités

• Compact

• Géométrie simple

• « Plug-and-Play »

• Taux de rafraîchissement rapide Défauts

• Taux de répétition <10kHz (RF)

• Énergie < MW/cm²

Dazzler TM

(Fastlite)



PLAN









Quel choix ? Réponse complexe en fonction :

• Besoins réels

• Compromis acceptables

Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité

Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe



Nettoyage d’impulsion avant amplification





Séquence d’impulsions complexes amplifiées





FIN Remerciements :

• A. Monmayrant

• B. Chatel

• B. Girard

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