Soutenance de thèse, Talence 11/09/2007
Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive
de fréquence
Ambre NELET
Ambre NELET 2/26
Allumage rapide?
Pré-amplicateurTechnique OPCPA
Source d’énergieCentrale nucléaire
Potentialité?
PETawatt Aquitaine Laser-PETAL
Introduction générale
Réactions nucléairesDéfense
Astrophysique…
Laser MégaJoule-LMJProjet HiPER (UE)
Fusion par Confinement Inertiel-FCI
Ambre NELET 3/26
Introduction
Accroître la puissance d’un laser
«Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence»
Puissance =ÉnergieTemps
Énergie
Système régénératifSystème multipassageMilieu laser
Gain simple passage faible
Stockage d’énergieCharge thermique critiqueÉmission parasite (ASE)
Contraintes
Temps
Technique OPCPACristal non-linéaire
Élevé
Transfert d’énergieNégligeable
Fluorescence paramétrique
Réponse
Ambre NELET 4/26
Introduction
Pompe déplétée
CPA: impulsion étirée
Source signal - ωs
Impulsions ultracourtes
Source pompe - ωp
Haute énergie Signal amplifié
Recompression:Haute puissance
crête
«Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence»
Dubietis et al., Opt. Comm. 88, 437-440 (1992)
Onde complémentaire - Idler - ωi
Haute énergieωp= ωs+ ωi
OPA
Cristal
non-linéaire
(2)
CPA+OPA = OPCPA
Ambre NELET 5/26
Introduction
«Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence»
Gain OPA
2
( ) 1 sinh ²( )OPAG L L
Module du gain OPA
( ) arctan tanh( )2 2OPAk k
L L L
Phase du gain OPA
2 22
0
8 eff
s i p s i
pd
n
I
n n c
22
2
k
p s ik k k k DDDDDDDDDDDDDD
sk
EEEEEEEEEEEEEE
pkEEEEEEEEEEEEEE ik
EEEEEEEEEEEEEE
0k 0s s lorsque
,p pI t I x
Configurationdégénérée / non-dégénérée
Ambre NELET 6/26
Introduction
Rétrécissement spectralIp(t)Mise en forme spatio-spectrale
Extraction énergieCavitéTrain d’impulsions
Désaccord de phaseCodage spectral de l’amplificationPPLN de type éventail
«Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence»
Impulsionultracourte
Pré-amplificateurOPCPA
De nouvelles fonctionnalité
set finalités
Ambre NELET 7/26
Amplification et duplication d’impulsionsultracourtes par OPCPA
Motivations
Onde idler
Extraction d’énergie et duplication
Cavité
Ambre NELET 8/26
Montage
Isolateur de Faraday
Polariseur
Ascenseur
Photodiode
Prisme derecompression
Absorbeur de faisceau
BBO
50%
Caméra
/2
Réseau
Ascenseur
f=1m
/2 Réseau
Verdi
Q-switched Nd:Yag532 nm, 6 ns, 10 Hz
OscillateurTi:Saphir
830 nm 180 fs76 Mhz
CavitéOPA
Pockels
(a)
R1=∞
R2= 20 cmIdler 1,48 µm
BBO
Pompe 532 nm
Signal 830 nmexterne
(b)
(c)
(d)
290 ps
Ambre NELET 9/26
Principe
BBO
Signal 830 nm, 290 ps
R1= ∞
R2= 20 cm
Photodiode
1,5ºinterne2,4º
Pompe 532 nm, 6ns
externe
Simple-passage
Idler 1,48 µm
Multi-passage Déplétion onde pompe
-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 150,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsité
[a.u
.]Temps [ns]
Ambre NELET 10/26
Résultats expérimentaux
Simple passage~250
Gain en énergie Signal étiré: 1,3 nJ / impulsionMultipassage: 3.105 nJ / train
Gain en énergie:Multi-passage
>2.105
815 820 825 830 835 8400,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Longueur d'onde [nm]
interne=2,4°
Spectre typique
Signal entréeSpectre moyen multipassageOPO
6 nm sans rétrécissement spectral15 nm avec gain constant
Accordabilité
i
p
s
i’
Ambre NELET 11/26
Résultats expérimentaux
Durée d’impulsion typique
810 820 830 840 8500,0
0,5
1,0
In
tens
ité s
pect
rale
[u.a
.]
Longueur d'onde [nm]
6 nm
Signal entrée
Mesure
Fit gaussien
(a)
-600 -400 -200 0 200 400 6000,0
0,5
1,0
Inte
nsité
[u.a
.]
Temps [fs]
τ = 178 fs
(b)
800 810 820 830 840 850 8600,0
0,5
1,0
Inte
nsité
spe
ctra
le [u
.a.]
Longueur d'onde [nm]
6 nm
Train de répliques amplifiées, =2°
(c)
-600 -400 -200 0 200 400 6000,0
0,5
1,0
Inte
nsité
[u.a
.]
Temps [fs]
τ = 183 fs
(d)
Ambre NELET 12/26
Résultats expérimentaux
1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4180
200
220
240
260
280
Angle d'interaction non-collinéaire [°]
Dur
ée m
oyen
née
des
répl
ique
s am
plifi
ées
[fs]
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
Produit
temps*largeur de bande
Influence de l’angle d’interaction
Angle d’interaction
Acceptance spectrale
max
2OPA
GG Plage spectrale:
(a)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Acc
epta
nce
spec
tral
e [n
m]
Angle d'interaction non-colinéaire [°]
BBO type IPp= 300 MW/cm²
(b)
Ambre NELET 13/26
Résultats expérimentauxTaux de répétition
Longueur de cavité: 15 cmCadence: 1 GHz
externe
i
p
sAjustable160 MHz<Cadence<3GHz
Onde idler haute énergie
Train de répliques amplifiées du signalHaute énergieHaute cadenceAccordable
Conclusion
Extraction d’énergie et duplication
Cavité
Ambre NELET 14/26
Mise en forme spatio-spectrale du signalpar mise en forme temporelledu faisceau pompe et OPCPA
Motivations
Rétrécissement spectral par le gain
Pré-amplicateurAmplificateurde puissance
Mise en forme spectrale
Pré-amplificateurPompe Ip(t)
Ambre NELET 15/26
Montage: maquette de Petal
SignalAmplificateur régénératif Ti:saphir
λs=1054 nm / Δλs=5 nm / 500 ps / 150 μJ
Mise en forme temporelleGénérateur de fonctions d’onde+ Modulateur électro-optique
+Amplificateur fibré
PompeAmplificateur régénératif Nd:phosphateà lame de phase, doublé en fréquence
λp=527 nm / 35 mJ / 3 ns
110 120 130 140 1500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Am
plitu
de n
orm
alis
ée [u
.a.]
Temps [u.a]
0 1 2 3
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Am
plitu
de n
orm
alis
ée [u
.a.]
Temps [ns]
(a)
(b)
Coupe spatialeSpectreOPA
α
Ambre NELET 16/26
Mise en forme du signalDomaine spatial
Faisceau pompe Faisceau signal
1052 1056 1060 1064 10680,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Longueur d'onde [nm]
(b)
FWHM=9 nm
1052 1056 1060 1064 10680,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Longueur d'onde [nm]
(a)
Domaine spectral
Et la phase spectrale?
Onde signal
Ambre NELET 17/26
Validation: phase spectrale OPA?
ΦOPA
non-compensée
Compresseur
ΦOPA
compensée
PuissanceCrête?
( ) arctan tanh( )2 2OPAk k
L L L
Phase du gain OPA
pI t
0 (2)
2( )s
ct
t
0k 0s s lorsque
Sur maquette2p s 0 or
Signal pré-amplifiéet pré-sculpté par NOPCPA
et modulation temporelle de la pompe
Influence sur la puissance crête
OPA
AmplificateurrégénératifMilieu laser
OPA
Conservation du spectre
Ambre NELET 18/26
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
200
210
220
230
240
250
260
270
Dur
ée d
e l'i
mpu
lsio
nre
com
prim
ée [f
s]
Angle d'interaction non-colinéaire interne
[°]
(d)
Après chaîne de puissance
Validation: phase spectrale OPA?
Simulations numériques
-1000 -500 0 500 10000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Am
plitu
de n
orm
alis
ée [a
.u.]
Temps [ps]
(b)
Profil temporel signal
-300 -200 -100 0 100 200 300-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
Pha
se O
PA
tem
pore
lle [r
ad]
Temps [ps]
(c)
Phase OPA signal
-3 -2 -1 0 1 2 30,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[a.u
.]
Temps [ns]
(a)
Profil temporel pompe
Initial 15%50% 80%
Contrôle ΦOPA
Chaîne de puissance Conservationdu spectre
OPCPA - Ip(t)Mise en formespatio-spectrale+ ΦOPA
Conclusion
Ambre NELET 19/26
OPCPA et codage spectral de l’amplification
Motivations
Phase OPA additionnelleGain supérieur
Cristal à polarisation périodique
Cristal de type éventailCodage spectral de l’amplification
Ambre NELET 20/26
Motivations
Mais gain OPA limité par
Cristal non-linéaire classiquedeff
LΔk≠0 sauf à ωs0
Amplification homogènede toutes les composantes
spectrales
De type éventail
Adressage spectralLigne à dispersion nulle
Grande acceptance spectrale
deff élevé
Cristal à polarisation périodique
0
0 2 4 6 8
Am
plit
ude d
u c
ham
p
am
plifi
é [
u.a
.]
Distance z/Lcoh
(a)
(b)
(c)
Monodomaine
Polarisationspériodiques
Mais faible tolérance spectrale
Ambre NELET 21/26
Ligne 4fOPA
Montage
Isolateur de Faraday
Polariseur
Ascenseur
Photodiode
Prisme derecompression
Absorbeur de faisceau
BBO
50%
Caméra
/2
Réseau
Ascenseur
f=1m
/2 Réseau
Verdi
Q-switched Nd:Yag532 nm, 6 ns, 10 Hz
OscillateurTi:Saphir
805 nm 180 fs76 Mhz
Pockels
(a)(c)
(d)
PPLN
Pompe 532 nm
Signal805 nm
(b)
Signalamplifié
Signalétiré
Ambre NELET 22/26
Choix du cristalType I ooeTaille des périodesCoût
LiNbO3 congruent – PPLNsip=yyzT>350 K
800 810 820 830 840 850 860 8700
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Pér
iode
[m
]
Longueur d'onde [nm]
(a)
390 K 370 K 350 K
800 802 804 806 808 810
190
200
210
220
230
240
250
Per
iode
[m
]
Longueur d'onde [nm]
431,5 K
353 K
(b)
15 mm
30 mm
0,5 mm
y
x
z
249 μmM
183 μmm
Face +z
max 0
(a)
(b)
Ambre NELET 23/26
Simulations
Influence de la répartition gaussienne de la puissance surfacique
800 802 804 806 808 810
0
50
100
150
200
250
Ip
[MW
/cm
²]
Longueur d'onde [nm]
(a)
Puissance surfacique du faisceau pompe
-2000 -1000 0 1000 20000,0
0,5
1,0
Am
plitu
de n
orm
alis
ée
Temps [fs]
τ168 fs τ 674 fs
(d)
FWHM x 4
Autocorrélation signal
790 795 800 805 810 815 8200,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
Longueur d'onde [nm]
5,7 nm 1,3 nm
(c)
FWHM/4,4
Spectre signal
InitialAmplifié
800 802 804 806 808 8100
2000
4000
6000
8000
Gai
n
Longueur d'onde [nm]
(b)
Gain spectral signal
Ambre NELET 24/26
Résultats expérimentaux Dispersion
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
798
800
802
804
806
808
810
812
Long
ueur
d'o
nde
[nm
]
Position [mm]
(a)
Dispersion mesurée PPLN éventail
802 803 804 805 806 8070
5
10
15
20
25
30
Gai
n
Longueur d'onde [nm]
Pp=225 MW/cm²T=156°C
Gain spectral
Fit gaussien
(c)
80 100 120 140 160 180 2002
4
6
8
10
12
14
Gai
nPuissance surfacique
du faisceau pompe [MW/cm²]
Gain global
(b)
T=156°C
Gain
Spectre et durée calculés
790 795 800 805 810 815 8200,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
Longueur d'onde [nm]
5,7 nm 2,6 nm
FWHM/2,2
Signal entréeSignal amplifié
(d) Spectre
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 8000,0
0,5
1,0
Am
plitu
de n
orm
alis
ée
Temps [fs]
τ=168 fs τ372 fsFWHM x 2,2
(e) Autocorrélation
Ambre NELET 25/26
Optimisation
(a)
790 795 800 805 810 815 8200
50
100
150
200
250
300
Longueur d'onde [nm]
Ip [M
W/c
m²]
0
2000
4000
6000
8000
10000
Ga
in
Puissance pompe et gain spectral
785 790 795 800 805 810 815 820 8250,0
0,5
1,0
Inte
nsi
té n
orm
alis
ée
Longueur d'onde [nm]
Spectre signal
InitialAmplifié
5,7 nm
(b)
Simulations: répartition puissance surfacique adaptée
-600 -400 -200 0 200 400 6000,0
0,5
1,0
Am
plit
ud
e n
orm
alis
ée
Temps [fs]
τ=168 fs τ233 fs
(c)
Autocorrélation signal
InitialAmplifié
DémonstrationAdressage spectral du gainRétrécissement spectral par le gainde l’OPA
Conclusion
Ambre NELET 26/26
Conclusion générale
Pré-amplificateurOPCPA
Réalisation Amélioration Perspective
-Train de répliques amplifiées(Hautes intensité & cadence,Accordable)-Modèle acceptance spectralefonction de l’angle α
-Robustesse-Précision angle α
Chaîne FCI
-Mise en forme spatio-spectrale-Simulations phase spectrale OPA
-Amplificateur de puissance-Recompression Mesure de la phase spectrale
Chaîne type Petal
-Amplification par codage spectral-PPLN en éventail+ligne 4f-Rétrécissement spectral par le gain OPA
Chaîne moyennepuissance
-Montage-Cristal-Recompression Mesure de la phase OPA
Ambre NELET 27/26
Train d’impulsionsultra-rapide et haute cadence Drive
Foot
Ref.:J. E. Rothenberg, Appl. Opt. 39, 6931-6938 (2000)
Application: «ultrafast picket fence»
Solution: maintenir une illumination quasi-constante
Efficacité globale restreinte
Fusion par confinement inertiel
D+T
Impulsions UV
Foot
Drive
Ablation de la surfaceSaturation:Conversion élevée
Conversion faible
KDP
Ambre NELET 28/26
Application: «ultrafast picket fence»
Idler
Train de répliquesamplifiéesdu signal
OPAImpulsion IR +
Train d’impulsionsultrarapide
1054nms
Pompe
1054nms
527nmp
Signal
Amplificateurde puissance
Impulsion IRFCI
Technique: OPCPA régénératif
Ambre NELET 29/26
Caractéristiques
Acceptance spectrale Nn=1
Surfacedu cristal
pk
skDDDDDDDDDDDDDD
0sn
sn
ikDDDDDDDDDDDDDD
0in
in
cut
e
p
pe
i
p
p pn
sekDDDDDDDDDDDDDD
pekDDDDDDDDDDDDDD
pkDDDDDDDDDDDDDD
s
0s
k
s
p
se
n≠1
Ambre NELET 30/26
790 795 800 805 810 815 8200,0
0,5
1,0
Am
plitu
de n
orm
alis
ée [u
.a.]
Longueur d'onde [nm]
5,7 nmSortie MiraSignal après LDN+PPLN
Spectrale
Ligne à dispersion nulle
Temporelle: autocorrélation
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Temps [fs]
170 fs148 fs
Sortie MiraSignal après LDN
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Temps [fs]
155 fs169 fs
Sortie MiraSignal après LDN+PPLN
Ambre NELET 31/26
Ligne à dispersion nulle
-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3 0,6 0,9 1,20,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Dimension [cm]
(a) Axe y
-600 -400 -200 0 200 400 6000,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Dimension [m]
(b)
SignalPompe
Superposition spatiale des faisceaux (entrée PPLN)
Axe z
Ambre NELET 32/26
Caractéristiques Spatiale: coupes tranverses des faisceaux
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,80,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Dimension [mm]
y
z
(a) (b)
Pompe
zy
y
z
-3 -2 -1 0 1 2 30,0
0,5
1,0
Inte
nsité
nor
mal
isée
[u.a
.]
Dimension [mm]
(c)
(d)
Signal
zy