Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramtriquesNicolas Forgettudes de lamplification paramtrique optique drive de frquence et du blocage de modes dans les oscillateurs paramtriques optiques

Plan Introduction Lamplification paramtrique optique en quelques mots Lamplification paramtrique optique drive de frquence Les oscillateurs paramtriques optiques modes bloqus Conclusions

Plan Introduction Lamplification paramtrique optique en quelques mots Lamplification paramtrique optique drive de frquence Les oscillateurs paramtriques optiques modes bloqus Conclusions

IntroductionUn problme concret : amplifier des impulsions courtes 1054 nm impulsions courtes spectre large100 fs16 nm pour amplifier (>106) uniformment toutes les frquences optiques, il faut un amplificateur large bande Nd:verregain fort, faible bande Yb:verregain moyen, faible bande Ti:saphirgain faible, large bandeInsuffisant cause du rtrcissement spectral par le gain

IntroductionUne solution : lamplification paramtrique optique (OPA) ? Les amplificateurs paramtriques optiques : large bande trs fort gain accordables en longueurs donde transparents (moins deffets thermiques)

IntroductionUne solution : lamplification paramtrique optique ?

IntroductionUne solution 1054 nm ?Premire dmonstration*Dbut thse+* A. Dubietis, G. Jonusaukas and A. Piskarkas, Opt. Comm. 88 (1992)

Gain > 1010 nergie >1 J Largeur spectrale Qualit spatiale Haute cadence >kHz Phase spectrale?Contraste temporel?

IntroductionLa problmatique du sujet de thseLimites de la technique OPCPA ? Quel est le contraste temporel des impulsions amplifies ?Peut-on gnrer des impulsions courtes directement partir dun oscillateur paramtrique optique pomp en rgime continu ? et pourquoi pas et plus particulirement

IntroductionEcole PolytechniqueUniversit Paris-sudONERAVille de PalaiseauVille dOrsayPlateau de SaclayCatherine LE BLANCJi-Ping ZOULes laboratoires daccueil

IntroductionEcole PolytechniqueUniversit Paris-sudONERAVille de PalaiseauVille dOrsayPlateau de SaclayEmmanuel ROSENCHERMichel LEFEBVRELes laboratoires daccueil

IntroductionEcole PolytechniqueUniversit Paris-sudONERAVille de PalaiseauVille dOrsayPlateau de SaclayLes laboratoires daccueil

IntroductionPatrick GEORGESEcole PolytechniqueUniversit Paris-sudONERAVille de PalaiseauVille dOrsayPlateau de SaclayLes laboratoires daccueil

Introduction et de nombreuses collaborations Lawrence Livermore National Laboratory,Livermore, CalifornieLaboratory for Laser Energetics, Rochester, New YorkVincent BAGNOUDJonathan D. ZUEGEL

Plan Introduction Lamplification paramtrique optique en quelques mots Lamplification paramtrique optique drive de frquence Les oscillateurs paramtriques optiques modes bloqus Conclusions

Physique de lOPAPrincipe de lamplification paramtrique optique (OPA)OPA = amplificateur paramtrique optique

Physique de lOPAOPA et amplification laserOPA

Amplification laserAmplification paramtriqueGrandeur pertinentefluence (J/cm)intensit (W/cm)Mcanisme rsonnantouinonAccordabilitlimite(transition laser)ouiStockage de lnergiemilieu laser (s, ns)impulsion de pompe(ns,ps)Saturation Jsatpuisement de lnergieGain petit signalexponentielexponentielPompage optiquecohrent ou noncohrent

Physique de lOPAAccords de phase et OPA large bandeCarte de gain dans BBOAccord de phase par birfringenceAngle pompe-signal ()Longueur donde (m)Pompe 527 nm, 500 MW/cm

Physique de lOPAAccords de phase et OPA large bandeCarte de gain dans BBOAccord de phase par birfringence~80 nmPompe 527 nm, 500 MW/cmAngle pompe-signal ()Longueur donde (m)

Physique de lOPAAccords de phase et OPA large bandeCarte de gain dans BBOOPA quasi-colinaire et quasi-dgnrOPA non colinaire et non dgnrSystmatiquement large bandeLarge bande langle magiqueAccord de phase par birfringenceAngle pompe-signal ()Longueur donde (m)

Physique de lOPAAccords de phase et OPA large bandeCarte de gain dans BBOOPA quasi-colinaire et quasi-dgnrOPA non colinaire et non dgnrSystmatiquement large bandeLarge bande langle magiqueAccord de phase par birfringenceAngle pompe-signal ()~130 nmPompe 532 nm, 500 MW/cmLongueur donde (m)

Plan Introduction Lamplification paramtrique optique en quelques mots Lamplification paramtrique optique drive de frquence tude dun pramplificateur mJ 1054 nm tude du contraste temporel des impulsions amplifies Les oscillateurs paramtriques optiques modes bloqus Conclusions et perspectives

OPCPA : principePrincipe de lamplification drive de frquence (CPA)Ide matresse : abaisser lintensit crte pour rester en dessous des seuils de dommage

OPCPA : principePrincipe de lamplification paramtrique drive de frquence (OPCPA)OPCPA = OP(A) + CPA

Pramplificateur OPCPAtude dun pramplificateur OPCPALaser de pompe : 30 mJ, 7 ns, dclench, inject cavit instable (profil supergaussien)

Pramplificateur OPCPAtude dun pramplificateur OPCPA : vue du montage30 mJ7 ns0,5 nJ2,3 ns

Pramplificateur OPCPAtude dun pramplificateur OPCPAPompe 1.2 mmSignal150 mRendement de 2,3 %Gain thorique (rgime linaire)Amplification jusqu 600 Jrecouvrementwalk-off

Gainx nergiexLargeur spectrale Qualit spatialeContraste temporel

Pramplificateur OPCPAtude dun pramplificateur OPCPAnon amplifiamplifiCoupe profil amplifiAjustement gaussienPompe 1.2 mmSignal150 mAmplification jusqu 600 Jrecouvrementwalk-off

Gainx nergiexLargeur spectrale Qualit spatialexContraste temporel

Pramplificateur OPCPAtude dun pramplificateur OPCPAnon amplifinon amplifi15 nmnon amplifiamplificomplmentaire

Gainx nergiexLargeur spectralexQualit spatialexContraste temporel

Pramplificateur OPCPANouveau montage pramplificateur OPCPA265 fs (12 nm)

Pramplificateur OPCPAConclusions des expriences sur le pramplificateur Point sensible de la technique : synchronisation laser de pompe oscillateur fs Pour de faibles nergies de pompe, le rendement est limit par double rfraction Avec des gains >106, la qualit des traitements antireflets est critique Bonnes performances mais :Deux voies de rechercheAmlioration du rendement(cristaux priodiquement retourns)

Sjour au LLNLEtude du contraste temporel grande dynamiqueI. Jovanovic, C. G. Brown, C. A. Ebbers, CP. J. B. Barty, N. Forget, C. Le Blanc, Opt.Lett. 30, 1036-1038 (2005)

Contraste temporelMesure du contraste grande dynamiqueMesure exprimentaleAjustementGaussien265 fsFond de 10-7 100 psPidestalImpulsionAutocorrlation du second ordreAutocorrlation du troisime ordrePidestal inattendu !Post-impulsion(artefact)

Contraste temporelPremire mesure (historique) du contraste grande dynamique Fond 10-8 Pidestal long (60 ps)?Limite quantique !V. Bagnoud, J. D. Zuegel, N. Forget, C. Le Blanc, High-dynamic-range temporal measurement of short-pulses amplified by OPCPA, IFSA 2005 soumis Optics Express

Contraste temporelPidestal : quelles explications ? Mauvais contraste oscillateur ? Effet de coupure spectrale ? Fluorescence ? Autre phnomne li lOPA ?Nouveau montageModlisations et mesures

Contraste temporelMontage ddi ltude du contrasteImpulsions de 750 ps amplifies de 200 J 6 mJ

Contraste temporelMesure du contraste avec et sans amplification paramtrique200 J6 mJ300 J6 mJConclusion : le pidestal est li lamplification paramtrique mme faible gain Hypothse : peut-on relier ce phnomne aux modulations spectrales observes ? Bruit ?

Contraste temporelLes modulations spectrales suffisent-elles expliquer le pidestal ?Mesure exprimentaleCalcul partir des spectres exprimentauxConclusion : le pidestal est induit par les modulations spectrales

Contraste temporelMcanisme propos :x=I(t) signal tirI(t) signal tir amplifiTFqques 10 ps

Contraste temporelConclusions de ltude sur le contraste lOPCPA permet datteindre un meilleur contraste + de 100 ps des modulations temporelles rapides (quelques ps) de limpulsion de pompe sont transfres sur les spectres amplifis et induisent un pidestal dans le domaine temporel aprs recompression le gain est instantan dans un OPA : il faut donc des impulsions de pompe sans structures spatio-temporelles et parfaitement lisses temporellement il faut considrer deux sources de bruit en OPCPA : un bruit incohrent dorigine quantique : la fluorescence un bruit cohrent : le bruit dintensit des impulsions de pompeN. Forget, A. Cotel, E. Brambrink, P. Audebert and C. Le Blanc, Pump-noise transfer in optical parametric chirped-pulse amplification accept Optics Letters (2005)

Contraste temporelQuelles amliorations possibles ? Amliorer linjection (couplage, puissance) Utiliser un laser de pompe modes bloqus Utiliser comme pompe une chane CPAMais ces solutions nvitent pas les modulations temporelles induites par lmission spontane amplifie (ASE ~ 10-3-10-5) :~largeur spectrale du milieu gain utilis pour le laser de pompedrive de frquence de limpulsion signal

Plan Introduction Lamplification paramtrique optique en quelques mots Lamplification paramtrique optique drive de frquence Les oscillateurs paramtriques optiques modes bloqus Conclusions

OPO modes bloqusUne ide originale : insrer un OPA dans une cavit Pourrait-on aller jusqu remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramtriques dans les oscillateurs femtosecondes ?Pompe cw 532 nmImpulsion fs 1054 nmModulateur optiqueTi:S

OPO modes bloqusUne ide originale : insrer un OPA dans une cavit Pourrait-on aller jusqu remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramtriques dans les oscillateurs femtosecondes ?Pompe cw 532 nmImpulsion fs 1054 nmModulateur optiqueOPA

OPO modes bloqusIde directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPOUne ide neuve ? premier article thorique en 1974 ! M. F. Becker, D. J. Kuizenga, D. W. Phillion and A. E. Siegman, Analytic expressions for ultrashort pulse generation in mode-locked optical parametric oscillators, J. Appl. Phys. 45 (1974) OPO ultra-court depuis 1995 G. M. Gale, M. Cavallari, T. J. Driscoll and F. Hache, Sub-20-fs tunable pulses in the visible from an 82-MHz optical parametric oscillator, Opt. Lett. 20 (1995) mais jamais ralis en continu

OPO modes bloqusIde directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPOModulateur acousto-optiqueModle simple : en OPO simplement rsonnant on peut produire des impulsions de quelques psMCMCf532 nmPGl/2PPLN:MgOM1M2M3M4MCMCf532 nmPGl/2PPLN:MgOM1M2M3M4

OPO modes bloqusIde directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPOSpectre mis par lOPO en quasi-continu1064 nm40 nmOPO doublement rsonnant, cavit courtepompeOPOSeuil x2Seuil : 130 mW

OPO modes bloqusVue du montage

OPO modes bloqusRsultats exprimentauxSans modulationAvec modulation acousto-optiqueTrain dimpulsions

OPO modes bloqusRsultats exprimentauxN. Forget, S. Bahbah, C. Drag, M. Lefbvre, F. Bretenacker and E. Rosencher, soumis Optics Letters

OPO modes bloqus801001201401601800,00,51,01,52,02,53,03,54,04,5 Au seuil (1,6 W) Pompe 1,8 W Pompe 2,3 W Pompe 2,4 WDure des impulsions (ns)Dure depuis dbut impulsion de pompe (s) largissement des impulsions : de 550 ps 4 ns (photodiode 50 ps, oscilloscope 2,5 GHz) Fond continuMais. pas de rgime stationnaire strictpompe

OPO modes bloqusExplications possibles :cart au modle : OPO doublement rsonnantAvec un modle simple pour un OPO doublement rsonnantimpulsions de 200-300 ps.dispersiondispersion

OPO modes bloqusExplications possibles pour llargissement des impulsions : drive en frquence de la pompe mesur effets thermiques ou photorfractifs dtect effets de clusters double rsonnanceContre-expriences en cours avec un laser continu 532 nmConclusion de ltude : il est possible de transposer la technique de verrouillage de modes actif des lasers aux OPOdltre en DROPO

Plan Introduction Lamplification paramtrique optique en quelques mots Lamplification paramtrique optique drive de frquence Les oscillateurs paramtriques optiques modes bloqus Conclusions et perspectives

ConclusionsDes amplificateurs laser aux amplificateurs paramtriques OPCPA : quelques limites dun pramplificateur mJ en BBO 1054 nm mesure et interprtation du contraste temporel des impulsions amplifies par OPCPA OPO-ML : dmonstration du verrouillage de modes dans un oscillateur paramtrique optique doublement rsonnant pomp en rgime continu

PerspectivesDes amplificateurs laser aux amplificateurs paramtriques OPCPA : une technique prometteuse pour des sources ultra-intenses laser de pompe intense, mis en forme spatialement et temporellement, peu bruit et synchronis ! incontestablement le point dur de la technique OPO-ML : une voie intressante pour dvelopper des sources primaires ultra-courtes et accordables en frquence

PerspectivesGain instantan et localProfil spatial du signal amplifiProfil spatio-temporel de la pompeEspace (mm)Temps (ns)Dlai 1Dlai 2Dlai 3Dlai 1Dlai 2Dlai 3750 psCamra temps de pause ultracourt (1 ps 1 ns) ?

Remerciements John COLLIER Eric FREYSZ Benot BOULANGER

Merci tous

PhilippeBARANGERAlexandreBRESSONAudeDESORMEAUXJean-PierreFALENI AntoineGODARDRiadHAIDARAjmalKHAN MOHAMEDPhilippeKUPECEKJean-MichelMELKONIANMyriamRAYBAUTIsabelleRIBET

SofianeBAHBAHChristopheBLONDELLouisCABARETWalidCHAIBIChristianDELSARTBenot LANTINJean-LouisLE GOUET RogerLEROUXPatriceLEROYIvanLORGERETAnneLOUCHET

JacquesLUCEGabrielMENNERATEmmanuelHUGONNOTClaudeROUYER

Merci tous

Kahina SarahABDELISylvieJACQUEMOTJulieALBRECHTSylvieJANICOT-PROCHASSONPatrickAUDEBERTBatisteJANVIERDidierBALCONMohamedKARROUCHEElsaBAYNARDMichelKOENIGOlivierBEKKAJean ClaudeLAGRONAlessandraBENUZZI-MOUNAIXCatherineLE BRISHlneBONDIGUELStphanieLE MOALJean-MichelBOUDENNEJosephMALTESERodrigueBOUILLAUDBrigitteMARCHESINSverineBOUQUINLucMARTINGilbertBOURDETJean-FranoisMENGUEErikBRAMBRINKAlainMICHARDJean-LucBRUNEAUJean-MarieMORCHAINDanielCAVANNAVirginieMULTANJean-ChristopheCHANTELOUPJean-LucPAILLARDMichelCHATEAUEricPAILLASSAClaudeCHENAIS-POPOVICSHoriaPOPESCUArnaudCOTELJean-PierrePROTATDomingosDA SILVA ALVESMarcRABEC LE GLOAHECJean-PaulDA SILVA NUNESAlessandraRAVASIOCyrilDAMBRINEChristianSAUTERETJean-FranoisDEVAUXAnne-MarieSAUTIVETSandraDORARDSylvainSAVALLELaurenceDROUENCorinneSERRAEmmanuelleDUFOURFranoisSIMONLaurentENNELINStveSIMONDJulienFUCHSDanielleSMADJAAnnabelleFULOPJean-PierreTHEBAULTChristopheGODINHOHenriTIMSITClaudeGOUEDARDEdouardVEUILLOTBrunoHIRARDINBernardVINCENTJi-PingZOU

Et pour vous remercier : le pot de thse

Salle de runion du LULI (bt. 403)

Deja des travaux en 2002 : la technique marcheReste savoir jusqu quel point : question du contrasteEt puisque la technique marche, pourquoi pas en mettre partout ?Et puisque la technique marche, pourquoi pas en mettre partout ?Avant de conclure, jouvre une parenthseLopcpa est une technique sensible lq structure spatio temp et pourrait tre utilise pour.