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Journées cavités LAL 2-3 avril 2009
Génération d’harmoniques d’ordres élevés à haute cadence
E. ConstantCentre Laser Intenses et ApplicationsUniversité Bordeaux 1, CNRS, CEA
- Introduction à la génération d’harmoniques d’ordres élevés
- Modèle en trois étapes- Caractéristiques spectrales de l’émission XUV
- Génération à « basse » énergie - Réponse de l’atome unique- Accord de phase et effets collectifs
- Génération dans les cavités passives- Génération CPA « haute » cadence- Conclusion
Plan
Émission XUVChamp laserfondamental
Generation d’harmoniques d’ordres élevés
- Source XUV compacte, ultracourte, synchronisée avec l’impulsion de départ, cohérente etc
- Riche de >15 années de recherche (compréhension, contrôle, utilisation).M. Ferray et al, J. Phys. B 21, L31 (1988)Mc Pherson et al, JOSA B 4, 595 (1987)
- Harmoniques impaires du fondamental
- Relation de phase entre ces harmoniques (atto)
- Perturbatif – plateau - coupure
- Loi de coupure hmax = Ip + 3.2 Up
- Efficacités typiques de 2-5 10-5 (Xe, Kr) à 10-8 – 10-9 (He Ne)
Generation d’harmoniques d’ordres élevés
Le modèle semi classique(champs forts, basse fréquence, P. B. Corkum 1994)
1: Ionisation 2: Oscillation 3: recombinaison radiativeEmission XUV
Intensité, longueur d’onde et harmoniques
Isat
(W/cm2)Ordre max
(800 nm)Up: 6 eV/1014
Ordre max
(2 µm)Up: 37.5 eV/1014
Xe Ip=12.13 eV
8x1013 17 (26.3 eV, 47 nm)
175(108 eV, 11.4 nm)
Kr Ip=13.99 eV
1.5x1014 27(41.8 eV, 30 nm)
313(194 eV, 6 nm)
ArIp = 15.75 eV
2.5x1014 41(63 eV, 19 nm)
509(315 eV, 3.9 nm)
NeIp=21.56 eV
8.6x1014 119(185 eV, 6.7 nm)
1699(1053 eV, 1.2 nm)
HeIp=24.58 eV
1.5x1015 201(311 eV, 4 nm)
2943(1824 eV, 6.7 Å)
HHG à haute cadence = HHG à basse énergie
• Deux problèmes:
• Générer efficacement les harmoniques.
• Les extraire (si besoin).
HHG à haute cadence
• Réponse de l’atome unique
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
-10
-5
coupure = H19 pour 4.3 1013
W/cm2
Réponse de l'atome uniquegénération de l'harmonique 19par un atome d'argon excité à 800 nm.(Fournis par P. Salières)
Dip
ôle
calc
ulé
Intensité (1014
W/cm2)
Effets macroscopiques
Milieu gazeux
- Accord de phase (généralisé) PRA 55, 3204 (1997)
- Ré-absorption des harmoniques PRL 82, 1668, (1999)
Génération d’harmoniques dans les cavités
Génération d’harmoniques dans les cavités
Injection: 100 MHz, 48 fs, 8 nJ
Cavité Input coupler T = 0.1 %Rmax 750 – 850 nmDispersion <~ 10 fs2
Finesse ~2500Amplification : ~ 600 (4.8 µJ)Durée : 60 fsPcréte = 80 MW, <P> = 480 WImax 3x1013 W/cm2
H3: 10 µW (eff. 10-8)
Pble: effets non lin. dans saphire
Deux expériences réalisées simultanément en 2005
Injection : 20 fs, 112 MHz, 7.7 nJ (850 mW)
Cavité : T = 1%, Amplification : 54 (calcul : 100)Durée 28 fs, 339 nJPcrete = 12 MW, <P> = 38 WImax = 5x1013 W/cm2.
Injection: 10.8 MHz, 38 fs, 139 nJ, 1.5 W
Cavité sous vide, 27.8 m de longAmplification : ~ 100 (~13.9 µJ)Durée : 57 fsPcréte = 244 MW, <P> = 100 WImax >5x1013 W/cm2
W0 = 13 µm
Et en 2008 (MPQ)
Injection: 1070 nm, 136 MHz, 75 fs, 73 nJ, 10 W
Cavité Input coupler T = ?%Rmax 1070 nmDispersion ? fs2
Finesse ~Amplification : ~ 260 (~19 µJ)Durée : 100 fsPcréte = 190 MW, <P> = 2600 WImax > 4x1013 W/cm2
W0 ~ 10 µmconversion H13: 10-9
Pble: harmoniques dispersées, tenue au flux, harmoniques basses
Et en 2008 (Boulder)
Yb CPA hautecadence
Autres approches pour accéder à l’XUV • Miroir troué (mode d’ordre supérieur) problème de pertes et d’accord de phase
• Mise en forme du faisceau laser:• Géométrie non colinéaire
Mise en forme du milieu générateur
Reflection rasante xuv avec autres matériauxUtiliser (ou observer) l’xuv directement dans la cavité ?
CPA haute cadence Yb:KGW 100 kHz – 1 MHz
Entrance slit
Detection : Dual Multi-Channel Plate Detector coupled to a phosphor screen imaged on a cooled CCD camera
J. Boullet et al. Opt. Lett. Accepted
HHG à 100 kHz
FCPA output
f =100 mmIntensité
7x1013 W/cm2
Gas jet
XUV grating
Odd High Order HarmonicsOf the fundamental (1030 nm)
Spectres XUV émis dans Ar
E ~ 100 µJ
PP ~ 340 MW
I ~7.1013 W/cm2
@ 100 kHz Rep. Rate
33.2 nm
XUV spectrum generated in Xe
E ~ 30 µJ
<P> = 28 W
PP ~ 100 MW
I ~2.1013 W/cm2
HHG à 1 MHz
FCPA output
f =100 mmlens
Intensity several 1013 W/cm2
Gas jet
XUV grating
Odd High Order HarmonicsOf the fundamental (1030 nm)
Down to 68.7 nm !!!
At 1 MHz Rep. Rate
HHG results
FCPA output
f =100 mmlens
Intensity several 1013 W/cm2
Gas jet
XUV grating
Odd High Order HarmonicsOf the fundamental (1030 nm)
Estimation de la puissance accessible dans l’XUV: Efficacité (/harm) = 10-6 à 10-9
P = 30 µW à 30 nW
Repetition rate 100 kHz 300 kHz 500 kHz 1 MHz
Pulse Energy 100 µJ 83 µJ 50 µJ 28 µJ
Average Power 10 W 25 W 25 W 28 W
Laser intensity 7.1·1013 W.cm-2 5.9·1013 W.cm-2 3.5·1013 W.cm-2 2·1013 W.cm-2
Gas Ar (H31), Kr (H27)
Xe (H23)
Kr (H25), Xe
(H23)
Kr (H23), Xe (H17) Xe (H15)
Travaux en cours :milieu générateur, collection de l’xuv & laser + fiabilisation
Vers le recyclage de photons?
100 kHz – MHz XUV sourceRateout = Ratein
>99% de l’énergie IR « perdue »
XUV
OK sans gainMHz – 10 MHz XUV Rateout > Ratein
Energie IR recycléeRelache les contraintesSur la cavitéMais encore mieuxAvec gain
IR
XUVIR
Émission d’harmoniques d’ordre élevés à haute cadence observée.
Puissance crête nécessaire: 10 ~ 100 MW
Beaucoup de potentiel et améliorations possibles
kW ds cavité + 10-6 = source XUV mW ultracourte
extrapolable à d’autres longueur d’onde de fondamental: keV?
Peignes de fréquence dans l’XUV
Test intracavité non destructif, génération dans milieux exotiques
En conclusion
- Harmoniques impaires du fondamental
- Relation de phase entre ces harmoniques (impulsions attosecondes)
- Trois domaines perturbatif – plateau - coupure
- Loi de coupure hmax = Ip + 3.2 Up
- Efficacité typiques (/harm.) de 2-5 10-5 (Xe, Kr) à 10-8 – 10-9 (He Ne)
Generation d’harmoniques d’ordres élevés
H25
H27 H29
H31
H41
H51
Effets macroscopiques: Influence de la propagation
Accord de phase : kq = q k1 + K
k1
K = at
Conditions d’accord de phase influent directement sur l’efficacité du processus (relation Zr Lmed, P, Labs, taux d’ionisation etc)
Ph. Balcou et al., PRA 55, 3204 (1997)
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