Upload
amity
View
34
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives. Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Campus Polytechnique, Palaiseau, France [email protected] 01 64 53 34 26. Plan de l’exposé. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Lasers à impulsions ultracourtes haute Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectivescadence : état de l’art et perspectives
Patrick GEORGESLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique
Campus Polytechnique, Palaiseau, [email protected]
01 64 53 34 26
2Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 2
Plan de l’exposéPlan de l’exposé
Lasers à impulsions courtes à base de cristaux de saphir dopé au titane
Lasers à impulsions courtes à base de cristaux pompés directement par diode laser de puissance
Lasers à impulsions courtes à base de fibres optiques pompés directement par diode laser de puissance
3Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 3
Production d’impulsions Production d’impulsions courtescourtes
- Il faut disposer d’un milieu amplificateur possédant une largebande de fluorescence (20 fs à 800 nm --> 34 nm)- Il faut en plus que tous les modes longitudinaux aient la même phase
--> système à transmission non linéaire
D. Spence et al «60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser» Opt. Lett., 16, 42 (1991)
Kerr Lens Mode-locking (KLM) (University of St Andrews) Saphir dopé au titane (Ti3+:Al2O3 )
P. F. Moulton, "Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3," J. Opt. Soc. Am. B 3, 125 (1986)
--> Nouvelle génération de lasers femtoseconde solides (< 10 fs, qq W)
Nd:YAG ou Nd:YVO4 2
4Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 4
Amplification d’impulsions Amplification d’impulsions courtescourtes
Chirped Pulsed Amplification (CPA) (University of Rochester) D. Strickland et G. Mourou, "Compression of amplified chirped pulses", Opt. Comm, 56, 219 (1985)
Systèmes laser fs commerciaux --> 25 fs, qq mJ, 1-5 kHz --> 30 fs, 3 J, 10 Hz (100 TW)
Projet ILE : Institut de la Lumière Extrême (Plateau de Saclay) 10 PW : 150 J, 15 fs à la cadence d’un tir par minute
L’absorption du saphir dopé au titane est dans le vertLe pompage directe par diode est impossible !!!!
5Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 5
Chaine laser fs haute cadenceChaine laser fs haute cadence
Ti:Sapphire fs oscillator800 nm, 20-50 fs, 1 W
100 MHz
Nd:YVO4 laser @ 532 nm 5 à 10 W, diode pumped
Nd:YLF laser @ 523 nm 50 – 100 W, 1 to 5 kHz
diode pumped
Ti:SapphireRegenerative amplifieror multipass amplifiers
Etireur
Compresseur
30 fs, @ 800 nmqq mJ, 1 – 10 kHzPmoyenne :20-30 W
Limitations : - technologie des lasers de pompe- effets thermiques dans les cristaux de saphir dopé au titane (cm3) cryostat
6Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 6
Lasers de pompeLasers de pompe
Lasers solides pompés par diode à base de cristaux dopés Néodyme (1064 nm) doublés en fréquence pour produire le rayonnement vert
Cristal dopé Nd Cristal non linéaire
Diode laser@ 808 nm
Continu : 5 à 20 WImpulsionnel : 50 à 100 W, 1-5 kHz,
< 45 mJ
Rendements elec./opt. faibles : qq % max
532 nm
1064 nm
7Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 7
Exemples de chaine lasers fs Exemples de chaine lasers fs kHzkHz
Quelle solution pour produire des impulsions ultracourtes à hautecadence d’un oscillateur ou d’un amplificateur, donc avec uneforte puissance moyenne ?
8Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 8
Pompage direct par diode Pompage direct par diode
Diode en AlGaAs autour de 808 nm pour le pompage des matériaux dopés avec des ions neodyme
Diode en InGaAs émettant entre 915 et 980 nm pour le pompagedes matériaux dopées avec des ions ytterbium
Problème : - pas de pompage direct du saphir dopé au titane par diode Solution : - utiliser un milieu amplificateur pouvant être pompé
directement par diodes diodes de puissance
LIMO400 W @ 976 nm, 400 µm, ON: 0,22 Rendement elect / opt : > 35 %
IPG100 W @ 915 nm, 105 µm, ON: 0,12
DILAS, JENOPTIK, OCLARO250 W @ 808 nm, 200 µm, ON : 0,22
9Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 9
Lasers Nd:YVOLasers Nd:YVO44 picosecondes picosecondes- Impulsions de 10 à 20 ps à 1064 nm car faible large de fluorescence du Néodyme
808 nm888 nm 1064 nm
L. McDonagh et al, Optics Letters, 32, pp1259-1261 (2007)
Configuration oscillateur - amplificateur111 W, 110 MHz, 30 ps 1064 nm (50% rendement optique / optique)
- Charge thermique importante par le pompage à 808 nm / émission à 1064 nm (30 % de la puissance optique en chaleur !!!)Solution : - pompage à 888 nm pour réduire le défaut quantique
10Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 10
Laser ps Nd:YVOLaser ps Nd:YVO44 ps ps commercialcommercial
Laser industrielOscillateur + ampli pompé par diode @ 888 nmPas de CPA (simplicité !!!)Impulsions < 15 psEnergie par impulsion : jusqu’à 125 µJ50 W à 1064 nm @ 2 MHz
11Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 11
Intérêt de l’ion ytterbiumIntérêt de l’ion ytterbium
2F7/2
2F5/2
0.98 µm
1.03 µm
Développement de lasers fs pompées par diode
Laser quasi-3-niveauxPeuplement thermique => Réabsorption
Diodes InGaAs de forte puissance disponibles à 980 nm (pompage des EDFA en télécom)
Large bande d’émission vers 1030 nmImpulsions femtosecondes
Structure électronique simple- pas d’absorption par les états excités- pas d’«up-conversion»- pas de déclin du temps de fluorescence avec la concentration
Absence d’effet parasite- faible défaut quantique- < 10% pour le pompage à 980 nm
Peu de charge thermique
Champcristallin
Nd3+
Yb3+
2F5/2
2F7/2
12Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 12
Deux cristaux commerciauxDeux cristaux commerciaux
Yb:YAG Yb:KYW
Forte conductivité thermique 10 W/m.KFaible largeur de fluorescence Impulsions longues (1 ps)
Faible conductivité thermique 2-3 W/m.KPlus grande largeur de fluorescence Impulsions courtes (200-300 fs)
13Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 13
Amplificateur pompé par diodeAmplificateur pompé par diode
Puissance moyenne est limitée à 5-10 W par les problèmes thermiques dans le cristal d’Yb:KYW
Système CPA (osc + étireur+ ampli+ compresseur) à base de cristaux d’Yb:KYW pompés par diodes 976 nm
14Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 14
Lasers Lasers ""Thin DiskThin Disk"" femtosecondefemtoseconde
• «Thin disk» technology
Laser
Laser diode
Crystal 100 à 300 µm
Thermal contact
CooperThermal flux
Average power 80 W
• Yb:YAG
(370 W pump)
Efficiency ≈ 2 %
• Yb:KGW
240 fs 22W (100 W pump)
25MHz 0,9µJF. Brunner et al. Opt. Lett. 1162 (2002)
57 MHz, 1,4µJ
E. Innerhofer et al. Opt. Lett. 2003, (2004)
A Giesen, University of Stutgart
15Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 15
Produit commercialProduit commercial
Oscillateur Thin Disk à base d’Yb:YAG
16Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 16
Nouveau cristal Yb:LuNouveau cristal Yb:Lu22OO33
Pmoy : 43 W , 330 fs à 1033 nm, 81 MHz, 0,41 µJ par impulsion (Pcrête: 1,3 MW)
(aussi Pmoy : 63 W , 535 fs pour une puissance de pompe de 180 W)
Avantage ce cristal : forte conductivité thermique (> 10 W/m.K) avec un spectre de fluorescence plus large que l’Yb:YAGMais croissance extrêmement difficile !!!!
17Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 17
Amplificateurs à fibres Amplificateurs à fibres optiquesoptiques
Gestion efficace des problèmes thermiques : fibres optiques double cœur dopées ytterbium de grande longueur (10 m)
Diode de pompede forte puissance
18Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 18
Fibres optique dopée ytterbiumFibres optique dopée ytterbium
http://www.rp-photonics.com
Bande de gain large autour de 1030 nm (> 30 nm) car les ions ytterbium sont insérés dans la matrice en verre
19Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 19
IntroductionIntroduction
F. Röser et al, "131 W 220 fs fiber laser system," Opt. Lett. 30, 2754-2756 (2005)
Friedrich Schiller University Jena, Institute of Applied Physics Jena, Germany
20Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 20
Réduction des effets non Réduction des effets non linéaireslinéaires
Augmentation de l’aire effective du mode fondamental jusqu’à 80 µmRéduction de la longueur de la fibre à 85 cmRemplacement de la gaine polymère par une gaine en silice
Concept du « Rod type » fiber (fibre à cristaux photoniques)
L = 85 cm
core = 80 µm
clad = 200 µm
85 cm
21Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 21
PerformancesPerformances
1000 800 600 400 200 0
10
100
1000 1 GW
200 MW
50 MW
500 MW
Eff
ecti
ve P
uls
e E
ner
gy
(µJ)
Pulse duration (fs)
JenaImraCeliaSouthamptonCornellLCFIO
P = 30 W @ 300 kHz
E ~ 100 µJ
p ~ 270 fs
P = 50 W @ 50 kHz
E ~ 1 mJ
p ~ 800 fs
P = 5 W @ 100 kHz
E ~ 50 µJ
p ~ 200 fs
P = 5 W @ 164 kHz
E ~ 10 µJ
p ~ 110 fs
22Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 22
Produit commercial: lasers à Produit commercial: lasers à fibre fsfibre fs
23Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 23
ConclusionConclusion
Impulsions ultracourtes avec des cristaux de saphir dopé au titane :< 10 fs oscillateurs < 30 fs amplificateurs
Impulsions plus longues à partir de matériaux dopés ytterbium, mais plus forte puissance moyenne (cristaux ou fibres optiques)
200 fs à 1 ps , qq dizaines de Watts
Besoins de : - nouveaux cristaux combinant de large bande de fluorescenceet de bonnes propriétés thermiques (Yb:CALGO, Yb:CaF2 …..)
- fibres optiques à large aire modale, combinaison cohérente d’amplificateurs
- gestion des effets non linéaires dans les amplificateurs à fibres dopées ytterbium
24Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 24
IntroductionIntroduction
MERCI !!!!!!!
25Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 25
The The ""Thin DiskThin Disk"" concept concept
Brevet Université de Stuttgart (Allemagne)
26Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 26
Laser Yb:YAGLaser Yb:YAG""Thin DiskThin Disk"" continucontinu
27Journées Accélérateurs, Roscoff, oct 2009 27
Suite…..Suite…..