TP Laser femtoseconde

TP Laser femtoseconde
— Laser, Matériaux et Milieux Biologiques —
Sécurité laser
ATTENTION : les faisceaux des lasers utilisés dans cette salle sont particulièrement puissants,
jusqu’à 5 W pour le laser de pompe et jusqu’à 650 mW pour le laser femtoseconde.
Ils sont dangereux
et peuvent provoquer des accidents graves en cas d’exposition de l’œil à un faisceau laser ou
même à de faibles réflexions de ces faisceaux :
– La vision directe du faisceau ou des réflexions spéculaires et diffuses provoque des dommages
irréversibles à la rétine.
– L’exposition prolongée de la peau au faisceau peut aussi provoquer des lésions superficielles.
Précautions à prendre
1. Éliminer toute cause de réflexion parasite, même très brève, par des objets qui pourraient
intercepter une partie du faisceau :
–Enlever montres et bagues pendant la durée du TP.
– Éviter de manipuler des objets en métal (tournevis, pinces...) ou en verre à proximité
du faisceau.
2. Ne pas approcher son œil du faisceau pour faire les alignements.
3. Ne jamais insérer un élément optique (lentille, filtre...) dans le montage expérimental
sans avoir au préalable coupé le faisceau laser.
4. Bien fixer tous les éléments optiques insérés dans le faisceau.
5. Bloquer par des dispositifs fixes tous les faisceaux secondaires créés par des éléments insérés
dans le faisceau : lames séparatrices, lames de Brewster, éléments polariseurs...
6. Lors de travail en équipe sur un même laser, surveiller toujours les opérations effectuées
par le coéquipier lorsqu’il est amené à manipuler à proximité du faisceau laser.
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Master 2 professionnel LMMB Année 2012-2013
Table des matières
1 Introduction 3
2 Objectifs 3
3 Matériel 4
4 Fonctionnement en mode continu 5
4.1 Laserdepompe,"Verdi" ............................... 5
4.1.1 Mise en route du laser de pompe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Cavité du Laser Ti:Sa,"Mira900".......................... 6
4.3 Accordabilité et largeur spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.3.1 Filtrebiréfringent............................... 7
4.3.2 Accordabilité sur une grande largeur spectrale . . . . . . . . . . . . . . . 8
5 Fonctionnement en mode impulsionnel 9
5.1 Superposition de modes longitudinaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.2 Représentation théorique des impulsions fs ..................... 10
5.2.1 Relation entre le spectre et la durée de l’impulsion . . . . . . . . . . . . . 11
5.2.2 Formalisme et notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5.3 Effets optiques en régime fs ............................. 12
5.3.1 Dispersion de la vitesse de groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.3.2 Automodulation de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.3.3 Autofocalisation................................ 14
5.4 Passage en régime impulsionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.4.1 Autofocalisation et Kerr Lens Mode Locking . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.4.2 Caractérisation initiale du train d’impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.5 Mesure de la durée d’impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6 Application:le laser blanc 17
6.1 La fibre à cristal photonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2 Effets non liéaires:réalisation d’un supercontinuum . . . . . . . . . . . . . . . . 18
TP Laser femtoseconde Partie expérimentale 2

Master 2 professionnel LMMB Année 2012-2013
1 Introduction
Les lasers à impulsions, contrairement aux lasers continus, concentrent l’énergie du rayonne-
ment pendant un temps très court ce qui leur permet notamment d’augmenter considérablement
la puissance instantanée (ou crête) du faisceau.
Le Q-switching est une méthode pour produire des impulsions à partir d’un laser continu.
Elle consiste à réduire le facteur de qualité Q, donc d’augmenter les pertes de la cavité optique
à l’aide d’un atténuateur. Les pertes réduisent l’émission stimulée et l’inversion de population
croît jusqu’à un niveau de saturation. Si l’atténuateur est variable à une échelle de <µs (switch),
la réduction des pertes conduit à une émission stimulée qui peut prendre en compte toute
l’énergie de l’inversion de population saturée. Le laser émet alors une impulsion très intense
dont la largeur est typiquement de quelques nanosecondes.
Le blocage de modes est une autre méthode qui permet d’obtenir des impulsions - mais
typiques de quelques dizaines de femtosecondes (fs), c’est cette méthode qui sera étudié dans
ce TP.
Les lasers impulsionnels ont de très nombreuses applications. Grâce aux grandes puissances
crêtes (MW....TW) ils sont utilisables pour traiter des matériaux, accélérer des particules ou
créer des plasmas. Ils jouent aussi un rôle très important dans la recherche en chimie ou en
biologie:Les échelles de temps typiques de relaxation d’excitations électroniques dans des mo-
lécules sont de >ps, la dynamique des électrons d’un atome se joue sur des échelles de fs.
Des impulsions fs peuvent donc déclencher des processus atomiques et moléculaires et être une
référence temporelle dans l’analyse de leur comportement.
Lors de sa propagation dans la matière, une haute puissance crête d’une impulsion fs peut
aussi mener à toute une zoologie d’effets non linéaires (génération d’harmoniques, mélange
d’ondes, diffusions inélastiques Raman et Brillouin etc.). Ceci correspond à un décalage des
fréquences présentes ou à la génération de nouvelles fréquences.
Il est en plus possible de confiner des impulsions fs dans une fibre à cristal photonique (ou fibre
micro-structurée). Les effets non-linéaires lors de la forte interaction impulsion-fibre peuvent
générer un spectre optique cohérent qui couvre plus d’une octave. Un tel spectre est appelé
supercontinuum et a de vastes applications en spectroscopie et métrologie.
2 Objectifs
Le but de ce TP est d’étudier le fonctionnement d’un laser femtoseconde à blocage de
modes. Dans un premier temps nous étudierons son fonctionnement en régime continu puis
nous détaillerons les différents éléments nécessaires à son passage en régime impulsionnel avant
de caractériser ces impulsions. Enfin, nous terminerons en visualisant des effets non linéaires
à partir des hautes puissances crêtes en mettant en jeu une fibre à cristal photonique, un
supercontinuum est généré.
TP Laser femtoseconde Partie expérimentale 3

Master 2 professionnel LMMB Année 2012-2013
3 Matériel
– Un laser Verdi V5 d’une puissance de 5 W à 532 nm qui servira de faisceau pompe.
– Un laser Titane:Saphir (Ti:Sa), le Mira 900.
– Un puissancemètre muni de son capteur à thermopile.
– Un spectromètre USB.
– Un autocorrélateur.
– Un oscilloscope numérique.
– Une fibre à cristal photonique (PCF pour Photonic Crystal Fiber)
et son optique d’injection.
Figure 1 – Disposition des éléments sur la table optique
TP Laser femtoseconde Partie expérimentale 4

Master 2 professionnel LMMB Année 2012-2013
4 Fonctionnement en mode continu
4.1 Laser de pompe, "Verdi"
Le Verdi est un laser solide pompé par diode, doublé en fréquence et émettant à 532 nm dont
le schéma de la tête optique positionnée sur la table est représenté en figure 2. Son alimentation
se trouve sous la table et le cordon reliant les deux éléments sert à acheminer la lumière issue
des diodes laser de pompage (2 x 10 W).
Figure 2 – Schéma de la cavité du Verdi
Il s’agit d’une cavité en anneau comportant comme éléments principaux, le milieu ampli-
ficateur, un cristal de vanadate dopé aux ions néodyme (Nd:YVO4) et le cristal doubleur, du
triborate de lithium (LiB3O5ou LBO).
4.1.1 Mise en route du laser de pompe
Les densités optiques très élevées intracavité ainsi que l’alignement très sensible nécessitent
une stabilisation de la température du laser Nd:YVO4(Verdi). Un chiller est à disposition à
cette fin et permet de maintenir la température du Verdi à 20°C. Cet appareil fait circuler de
l’eau à une température fixe dans la base du Verdi.
L’alimentation du Verdi reste en permanence allumée pour maintenir le cristal doubleur
et l’étalon à bonne température (environ 150°C, à l’aide d’un élémént peltier), une extinction
brutale serait très préjudiciable. Il suffit donc de tourner la clé de la position "standby" à "on"
et de choisir le niveau de puissance 2. Un obturateur mécanique de sécurité est placé à la sortie
du laser. Il est controlé par le bouton "shutter". La LED correspondante doit être allumée pour
laisser sortir le faisceau.
TP Laser femtoseconde Partie expérimentale 5