soutenance_070911 - TEL (thèses-en
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Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Ambre NELET Soutenance de thèse, Talence 11/09/2007 Introduction générale Fusion par Confinement Inertiel-FCI Projet HiPER (UE) Potentialité? Source d’énergie Centrale nucléaire Laser MégaJoule-LMJ Réactions nucléaires Défense Astrophysique… Allumage rapide? PETawatt Aquitaine Laser-PETAL Pré-amplicateur Technique OPCPA Ambre NELET 2/26 Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Accroître la puissance d’un laser Énergie Puissance = Temps Énergie Temps Système régénératif Système multipassage Milieu laser Technique OPCPA Cristal non-linéaire Contraintes Réponse Gain simple passage faible Stockage d’énergie Charge thermique critique Émission parasite (ASE) Élevé Ambre NELET Transfert d’énergie Négligeable Fluorescence paramétrique 3/26 Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» CPA+OPA = OPCPA Dubietis et al., Opt. Comm. 88, 437-440 (1992) Recompression: Haute puissance crête OPA Source pompe - ωp Haute énergie Cristal Signal amplifié non-linéaire CPA: impulsion étirée Pompe déplétée Source signal - ωs Impulsions ultracourtes Ambre NELET (2) ωp= ωs+ ωi Onde complémentaire - Idler - ωi Haute énergie 4/26 Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Gain OPA Module du gain OPA Phase du gain OPA 2 GOPA ( L) 1 sinh ²( L) 2 ns ni n p s i 0 c k 2 2 2 k k p k s k i Ambre NELET k k L arctan tanh( L) 2 2 I p t , I p x 8 d eff I p 2 2 OPA ( L) k 0 lorsque s s 0 Configuration dégénérée / non-dégénérée ks kp ki 5/26 Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» De nouvelles fonctionnalités et finalités Pré-amplificateur OPCPA Extraction énergie Cavité Train d’impulsions Rétrécissement spectral Ip(t) Mise en forme spatio-spectrale Impulsion ultracourte Désaccord de phase Codage spectral de l’amplification PPLN de type éventail Ambre NELET 6/26 Amplification et duplication d’impulsions ultracourtes par OPCPA Motivations Extraction d’énergie et duplication Cavité Onde idler Ambre NELET 7/26 Montage Ascenseu r Oscillateur Ti:Saphir Verdi /2 Réseau Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz 50% 830 nm 180 fs 76 Mhz /2 Prisme de recompression (c) BBO f=1m Réseau Cavité OPA (a) Isolateur de Faraday Polariseur Photodiode Ascenseur (d) Pockels Caméra Absorbeur de faisceau 290 ps (b) R1=∞ Pompe 532 nm BBO externe Signal 830 nm Idler 1,48 µm R2= 20 cm Ambre NELET 8/26 Principe Pompe 532 nm, 6ns 1,5ºinterne2,4º R1 = ∞ BBO Photodiode externe Signal 830 nm, 290 ps Idler 1,48 µm Simple-passage R2= 20 cm Multi-passage Déplétion onde pompe 1,0 Intensité [a.u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 Temps [ns] Ambre NELET 9/26 15 Résultats expérimentaux Gain en énergie Signal étiré: Multipassage: 1,3 nJ / impulsion 3.105 nJ / train Simple passage Gain en énergie: ~250 Intensité normalisée [u.a.] Spectre typique 1,0 Multi-passage >2.105 Accordabilité interne=2,4° 0,8 0,6 p 0,4 s 0,2 0,0 815 820 825 830 835 i i’ 840 Longueur d'onde [nm] Signal entrée Spectre moyen multipassage OPO Ambre NELET 6 nm sans rétrécissement spectral 15 nm avec gain constant 10/26 Résultats expérimentaux Durée d’impulsion typique Signal entrée Train de répliques amplifiées, =2° 1,0 (a) 6 nm 0,5 0,0 810 Mesure Intensité spectrale [u.a.] Intensité spectrale [u.a.] 1,0 820 830 840 850 (c) 0,5 6 nm 0,0 800 810 Longueur d'onde [nm] 850 860 (d) Intensité [u.a.] Intensité [u.a.] 840 1,0 (b) 0,5 830 Longueur d'onde [nm] 1,0 Fit gaussien 820 τ = 178 fs 0,0 -600 -400 -200 0 200 Temps [fs] Ambre NELET 400 600 0,5 τ = 183 fs 0,0 -600 -400 -200 0 200 Temps [fs] 400 600 11/26 Résultats expérimentaux Influence de l’angle d’interaction 0,75 0,70 260 0,65 240 0,60 220 0,55 0,50 200 180 1,4 0,45 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 Angle d'interaction non-collinéaire [°] Plage spectrale: GOPA Gmax 2 Angle d’interaction Acceptance spectrale 110 Acceptance spectrale [nm] (a) Produit temps*largeur de bande Durée moyennée des répliques amplifiées [fs] 280 100 (b) BBO type I Pp= 300 MW/cm² 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Angle d'interaction non-colinéaire [°] Ambre NELET 12/26 Résultats expérimentaux Taux de répétition Longueur de cavité: 15 cm Cadence: 1 GHz Ajustable 160 MHz<Cadence<3GHz p externe s i Conclusion Extraction d’énergie et duplication Cavité Onde idler haute énergie Train de répliques amplifiées du signal Haute énergie Haute cadence Accordable Ambre NELET 13/26 Mise en forme spatio-spectrale du signal par mise en forme temporelle du faisceau pompe et OPCPA Motivations Rétrécissement spectral par le gain Pré-amplicateur Amplificateur de puissance Mise en forme spectrale Pré-amplificateur Pompe Ip(t) Ambre NELET 14/26 Amplitude normalisée [u.a.] Montage: maquette de Petal Mise en forme temporelle Générateur de fonctions d’onde + Modulateur électro-optique +Amplificateur fibré 1,0 (a) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 110 120 130 140 150 Amplitude normalisée [u.a.] Temps [u.a] Pompe Amplificateur régénératif Nd:phosphate à lame de phase, doublé en fréquence λp=527 nm / 35 mJ / 3 ns 1,0 (b) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 Signal Amplificateur régénératif Ti:saphir λs=1054 nm / Δλs=5 nm / 500 ps / 150 μJ Ambre NELET α 1 2 3 Temps [ns] OPA Coupe spatiale Spectre 15/26 Mise en forme du signal Domaine spatial Faisceau pompe Faisceau signal Domaine spectral Onde signal 1,0 Intensité normalisée [u.a.] Intensité normalisée [u.a.] 1,0 (b) 0,8 0,6 0,4 FWHM=9 nm 0,2 0,0 1052 1056 1060 1064 Longueur d'onde [nm] Ambre NELET 1068 (a) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1052 1056 1060 1064 1068 Longueur d'onde [nm] Et la phase spectrale? 16/26 Validation: phase spectrale OPA? Phase du gain OPA OPA ( L) s (t ) 2 c 0 I p t t k k L arctan tanh( L) 2 2 k 0 lorsque Sur maquette p 2s or s s 0 (2) Influence sur la puissance crête ΦOPA compensée Puissance Crête? OPA Signal pré-amplifié et pré-sculpté par NOPCPA et modulation temporelle de la pompe OPA Amplificateur régénératif Milieu laser 0 ΦOPA non-compensée Compresseur Conservation du spectre Ambre NELET 17/26 Validation: phase spectrale OPA? Simulations numériques Profil temporel signal Profil temporel pompe (a) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -3 -2 0 Temps [ns] 1 2 (b) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 3 -1000 -500 Après chaîne de puissance 270 Initial 50% 260 Durée de l'impulsion recomprimée [fs] -1 1,0 15% 80% Phase OPA temporelle [rad] Amplitude normalisée [a.u.] Intensité normalisée [a.u.] 1,0 0 Temps [ps] 500 1000 Phase OPA signal 0,6 (c) 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -300 -200 -100 0 100 200 Temps [ps] Conclusion (d) OPCPA - Ip(t) 250 240 Mise en forme spatio-spectrale + ΦOPA 230 Chaîne de puissance 220 210 200 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Angle d'interaction non-colinéaire interne [°] Ambre NELET Conservation du spectre Contrôle ΦOPA 18/26 300 OPCPA et codage spectral de l’amplification Motivations Phase OPA additionnelle Gain supérieur Cristal à polarisation périodique Cristal de type éventail Codage spectral de l’amplification Ambre NELET 19/26 Motivations Cristal non-linéaire classique Grande acceptance spectrale Mais gain OPA limité par Cristal à polarisation périodique deff L Δk≠0 sauf à ωs0 De type éventail Amplitude du champ amplifié [u.a.] deff élevé (a) (b) (c) 0 0 6 2 4 Distance z/Lcoh 8 Monodomaine Polarisations périodiques Amplification homogène de toutes les composantes spectrales Adressage spectral Ligne à dispersion nulle Mais faible tolérance spectrale Ambre NELET 20/26 Montage Ascenseu r Oscillateur Ti:Saphir Verdi /2 Réseau Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz 50% 805 nm 180 fs 76 Mhz /2 Prisme de recompression (c) BBO f=1m Réseau Ligne 4f OPA (a) Isolateur de Faraday Polariseur Photodiode Ascenseur (d) Pockels Caméra Absorbeur de faisceau (b) Pompe 532 nm PPLN Signal amplifié Ambre NELET Signal étiré Signal 805 nm 21/26 Choix du cristal LiNbO3 congruent – PPLN sip=yyz T>350 K Type I ooe Taille des périodes Coût 2000 1800 m 183 μm (a) 1600 Période [m] 1400 1200 1000 800 0,5 mm 390 K 370 K 350 K 30 mm 400 z y max 200 0 800 Face +z 15 mm 600 810 820 830 840 850 860 0 x 870 M 249 μm Longueur d'onde [nm] 250 240 (b) 431,5 K (b) Periode [m] 230 353 K 220 210 200 190 800 802 804 806 808 Longueur d'onde [nm] Ambre NELET 810 (a) 22/26 Simulations Influence de la répartition gaussienne de la puissance surfacique Puissance surfacique du faisceau pompe Gain spectral signal 250 8000 (a) 200 (b) 150 Gain Ip [MW/cm²] 6000 100 4000 2000 50 0 800 802 804 806 808 0 800 810 802 Spectre signal 810 1,0 (c) 1,3 nm 5,7 nm FWHM/4,4 0,0 790 795 800 805 810 815 Longueur d'onde [nm] Ambre NELET 820 Amplitude normalisée Intensité normalisée 808 Autocorrélation signal 1,0 0,5 806 Longueur d'onde [nm] Longueur d'onde [nm] Initial Amplifié 804 (d) 0,5 τ168 fs τ 674 fs FWHM x 4 0,0 -2000 -1000 0 1000 2000 Temps [fs] 23/26 Résultats expérimentaux Dispersion Gain global 14 (a) 12 808 (b) 25 Gain 10 806 804 802 PPLN éventail Dispersion mesurée 800 Gain spectral 30 (c) 20 Gain 810 8 15 10 6 Pp=225 MW/cm² T=156°C Fit gaussien T=156°C 5 4 798 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2 0 80 100 120 140 160 180 200 802 803 804 805 806 807 Longueur d'onde [nm] Puissance surfacique du faisceau pompe [MW/cm²] Position [mm] Spectre et durée calculés Signal entrée Signal amplifié Spectre (d) 0,5 2,6 nm 5,7 nm FWHM/2,2 0,0 790 795 800 805 810 815 Longueur d'onde [nm] Ambre NELET 820 1,0 Amplitude normalisée 1,0 Intensité normalisée Longueur d'onde [nm] 812 Gain Autocorrélation (e) 0,5 τ=168 fs τ372 fs FWHM x 2,2 0,0 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 Temps [fs] 24/26 Optimisation Simulations: répartition puissance surfacique adaptée 300 (a) 8000 200 6000 Gain Ip [MW/cm²] 250 150 4000 100 2000 50 0 0 790 795 800 805 810 815 820 Autocorrélation signal Amplitude normalisée Initial Amplifié (c) 1,0 Initial Amplifié (b) 0,5 0,0 785 5,7 nm 790 795 800 805 810 815 820 825 Longueur d'onde [nm] Longueur d'onde [nm] 1,0 Spectre signal 10000 Intensité normalisée Puissance pompe et gain spectral Conclusion Démonstration 0,5 0,0 -600 τ233 fs τ=168 fs -400 -200 0 200 400 Adressage spectral du gain Rétrécissement spectral par le gain de l’OPA 600 Temps [fs] Ambre NELET 25/26 Conclusion générale Pré-amplificateur OPCPA Réalisation Amélioration Perspective -Train de répliques amplifiées (Hautes intensité & cadence, Accordable) -Modèle acceptance spectrale fonction 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 -Montage -Cristal -Recompression Mesure de la phase OPA Chaîne moyenne puissance Ambre NELET 26/26 Application: «ultrafast picket fence» Fusion par confinement inertiel Impulsions UV Ablation de la surface Saturation: Conversion élevée Conversion faible D+T Drive Foot KDP Efficacité globale restreinte Solution: maintenir une illumination quasi-constante Train d’impulsions ultra-rapide et haute cadence Drive Foot Ref.:J. E. Rothenberg, Appl. Opt. 39, 6931-6938 (2000) Ambre NELET 27/26 Application: «ultrafast picket fence» Technique: OPCPA régénératif Pompe p 527nm Idler Train de répliques amplifiées du signal Signal s 1054nm OPA Amplificateur de puissance Impulsion IR + Train d’impulsions ultrarapide s 1054nm Impulsion IR FCI Ambre NELET 28/26 Caractéristiques Acceptance spectrale n=1 N n≠1 n p p p k se pe kp se s cut ks k pe p i ki kp k e s 0 ni 0 ns 0 ns ni Ambre NELET Surface du cristal s p 29/26 Ligne à dispersion nulle Temporelle: autocorrélation 1,0 148 fs 0,0 -400 -300 -200 -100 0 Intensité normalisée [u.a.] 170 fs 0,5 100 200 300 169 fs 0,5 155 fs 0,0 -400 400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Temps [fs] Temps [fs] Sortie Mira Signal après LDN+PPLN Sortie Mira Signal après LDN 1,0 Spectrale Sortie Mira Signal après LDN+PPLN Ambre NELET Amplitude normalisée [u.a.] Intensité normalisée [u.a.] 1,0 5,7 nm 0,5 0,0 790 795 800 805 810 Longueur d'onde [nm] 815 820 30/26 Ligne à dispersion nulle Superposition spatiale des faisceaux (entrée PPLN) 1,0 Axe y (a) Intensité normalisée [u.a.] Signal Pompe Intensité normalisée [u.a.] 1,0 0,5 0,0 -1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3 0,6 Dimension [cm] Ambre NELET 0,9 1,2 Axe z (b) 0,5 0,0 -600 -400 -200 0 200 400 600 Dimension [m] 31/26 Caractéristiques Spatiale: coupes tranverses des faisceaux Intensité normalisée [u.a.] 1,0 (a) Pompe z y y z (b) 0,5 0,0 -0,8 -0,6 -0,4 (c) Intensité normalisée [u.a.] 1,0 Signal z 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 y z (d) 0,5 0,0 -3 y Ambre NELET -0,2 Dimension [mm] -2 -1 0 1 2 3 Dimension [mm] 32/26
