e. cormier jnog 2008 amplificateurs fibrés à dérive de fréquence dans le régime linéaire et...

E. Cormier JNOG 2008E. Cormier JNOG 2008

Amplificateurs fibrés à dérive de fréquence dans le régime

linéaire et non-linéaire : application à la haute

puissanceJ. BoulletJ. Boullet11, Y. Zaouter, Y. Zaouter1,21,2, E. Mottay, E. Mottay22, S. Petit, S. Petit11 et et E. CormierE. Cormier11

11 CELIA, Université Bordeaux 1, France CELIA, Université Bordeaux 1, France 22 Amplitude Systèmes, Pessac, FranceAmplitude Systèmes, Pessac, France


1. Motivations

2. Solutions technologiques

3. Système FCPA très forte énergie

1. FCPA Classique

2. FCPA non-linéaire

4. Conclusions

PlanPlan


INITIAL GOALApplications des lasers à fibres femtoseconde:

Procédés lasers et micro-usinage 10 à 100 µJ, 100 kHz à 1 MHz,

grande qualité de faisceau

Physique attoseconde: mesure d’évènement rares: Génération d’impulsions XUV à très haute

cadence I = 1014 W/cm2, 100 kHz à 1

MHz, < 300 fs

Amplification paramétrique optique (OPA, OPCPA, …)

100 kHz, 10-100 MW, qualité du faisceau et du front d’onde


INITIAL GOAL

Production de rayonnement ou X par diffusion Compton

180 MHz, 100 W, 4 ps

Champ fort en physique atomique et moléculaire

I = 1014 W/cm2, 100 kHz à 1 MHz, < 100 fs

e-

h

Theory Experiment

Applications des lasers à fibres femtoseconde:


Pulse quality: TEM00

Pulse duration: <300 fs

Pulse energy: 1-1000 µJ

Repetition rate 100 kHz - 1 MHz

Average power up to 100 W

Vers des sources lasers femtoseconde de 100 W moyen

INITIAL GOALPerformances requises:

Amplificateurs à fibres dopées et à dérive de fréquence


Beaucoup d’énergie

Impulsions courtes

Propagation dans une fibre monomode

INITIAL GOALContraintes et solutions:

Effets non linéaires majeurs (SPM, SRS, Autofoc, …)

Réduction des effets non-linéaires

Dans le temps:Technique CPA

Dans l‘espace:Fibres à large coeur


Fibres microstructurées Rod type

Ø = 40 µm

Ø = 300 µm

Fused silica

Ø = 1.2 mm

• ON gaine = 0.7

• 22 db/m

• 0.5 à 1.5 m


Amplification à dérive de fréquence:

D. Strickland and G. Mourou, “Compression of amplified optical pulses,” Opt. Comm. 56, 3, 219 (1985).


FCPA Yb haute énergieFCPA Yb haute énergie

1000 800 600 400 200 0

10

100

1000 1 GW

200 MW

50 MW

500 MW

Eff

ecti

ve

Pu

lse

En

erg

y (µ

J)

Pulse duration (fs)

JenaImraCeliaSouthamptonCornell


1000 800 600 400 200 0

10

100

1000 1 GW

200 MW

50 MW

500 MW

Eff

ecti

ve

Pu

lse

En

erg

y (µ

J)

Pulse duration (fs)


P = 50 W @ 50 kHz

E ~ 1 mJ

p ~ 800 fs

Röser et al OL 32, 3495 (2007)



1000 800 600 400 200 0

10

100

1000 1 GW

200 MW

50 MW

500 MW

Eff

ecti

ve

Pu

lse

En

erg

y (µ

J)

Pulse duration (fs)


P = 1 W @ 150 kHz

E ~ 6 J

p ~ 240 fs

Wise et al OL,



1000 800 600 400 200 0

10

100

1000 1 GW

200 MW

50 MW

500 MW

Eff

ecti

ve

Pu

lse

En

erg

y (µ

J)

Pulse duration (fs)


P = 30 W @ 300 kHz

E ~ 100 J

p ~ 270 fs



1000 800 600 400 200 0

10

100

1000 1 GW

200 MW

50 MW

500 MW

Eff

ecti

ve

Pu

lse

En

erg

y (µ

J)

Pulse duration (fs)


P = 12 W @ 100 kHz

E ~ 125 J

p ~ 280 fs

-1000 -500 0 500 10000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Time (fs)

No

rmal

ized

in

ten

sity

(u

a)



Systèmes FCPA classiques

0

FCPA faiblement

non-linéaires

FCPA non-linéaires

t ~ 250 fs

E ~ 100 µJ

Ppower ~ 30-400 MW

Compact setup

B = 2-6

Régime linéaire Régime non-linéaire

t = 300 - 1000 fs

E ~ 100 – 1000 µJ

Ppower ~ 300-1000 MW

Large setup

B = 0-2

Différents régimes de CPADifférents régimes de CPA

AAiAT

Aβ

T

Aiβ

z

A 2

3

33

2

22

262

Intégrale B

t = 250 fs

E ~ 10 µJ

Ppower ~

Compact setup

B = 6-20


Propagation dans les fibres dopéesPropagation dans les fibres dopées

• NLSE :

• Champ :

DispersionDispersion Gain [m]Gain [m]-1-1 Non-linearitéNon-linearité

),(),(),( ziezAzA

30

320

2010 )(

6)(

2)()(

AAiAT

Aβ

T

Aiβ

z

A 2

3

33

2

22

262

Gestion du deuxième et troisième ordre de dispersion


Compresseur

Gestion de la phase spectraleGestion de la phase spectrale

Source femto

Etireur

= 0= 0

= 0= 0

> 0< 0

CPA en régime linéaire

+ + =00

Amplificateurs

+= -

e = -

e

CompresseurSource femto

Etireur

= 0= 0

≠ 0≠ 0

> 0< 0

CPA en régime non-linéaire

+ + =00

Amplificateurs

+< 0> 0


OscillatorOscillator OI

AOM

OI

Source large bandeÉtireur de Offner

Ampli #1

Ampli #2

Compresseur

Dispositif expérimental du CPA classiqueDispositif expérimental du CPA classique


OscillateurOscillateur OI

AOM

OI

Stretcher

Amplifier #1

Amplifier #2

Compressor

Oscillateur: • Yb:KYW• 170 nJ @ 10 MHz • = 1030 nm• t = 390 fs• = 2.5 nm

Dispositif expérimentalDispositif expérimental



AOM

OI

Stretcher

Amplifier #1

Amplifier #2

Compressor

Elargissement spectral par SPM: • 5 cm• LMA 40 µm• passive

1010 1015 1020 1025 1030 1035 1040 1045 1050

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

=9nm

No

rmal

ized

Sp

ectr

um

Wavelength (nm)

NL fiber Oscillator

P = 800 mWE = 80 nJ= 9 nmt = 390 fs (potentiellement 170 fs)

Nouvelle source




AOM

OI

Amplifier #1

Amplifier #2

CompressorEtireur de Offner :• transmission gratings• 85 % efficiency par passage•Overall efficiency ~30%

Pulse picking: • AOM P = 4 – 30 mW

E = 30 nJ= 9 nmt = 600 ps

10MHz10MHz 100 kHz ~ 1MHz100 kHz ~ 1MHz




AOM

OI

Amplifier #2

Compressor

Préamplificateur à fibres microstructurées:• doped core = 40 µm• pump clad = 170 µm• Length = 1.2 m

Diode pumping : • up to 25 W

1010 1020 1030 1040 10500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

= 7nm= 9nm

Sig

nal

Wavelength (nm)

Gain ~ 30dB = 7 nm t ~ 600 ps




AOM

OI

Compressor

Microstructured fiber power amplifier:• doped core = 80 µm• pump clad = 200 µm• Length = 1.2 m

Diode pumping : • up to 100 W

Gain = 30 - 100 = 5.5 nm t = 470 ps

200 µm

80 µm

120 cm




AOM

OI

= 5.5 nm t = 270 fs

Bulk grating stretcher :

• transmission gratings

• 50 % efficiency



Caractéristique optique-optique

Très bonne efficacité d’extraction


Caractéristique spatialles


Cadence = 100 kHz

25 W avant compression 12,5 W après compression

125 µJ recomprimé

FWHM < 280fs

Caractéristique temporelle

Puissance crête : 450 MW

Trace FROG

Boullet et al CLEO 2008 [CJ-20-TUE]


t = 360 fs

0= 1028 nm

= 3.7 nm

E = 30 nJ

frep = 44 MHz

Dispositif expérimental du CPA non-linéaireDispositif expérimental du CPA non-linéaire


Fiber Stretcher

Pulse picker

t = 360 fs

0= 1028 nm

= 3.7 nm

E = 30 nJ

frep = 44 MHz

Pre-amplifier



Pulse picker

Pre-amplifier PCF coeur= 40µm

Fiber stretcher

L = 25 m

PM LMA

core = 25 µm

L = 1.2 m

PCF 40 / 200 PM



Pulse picker


Fiber stretcher

t = 7 ps

0= 1030 nm

= 9.5 nm

E = 2.7 µJ

frep = 300 kHz

L = 25 m

PM LMA

core = 25 µm

L = 1.2 m

PCF 40 / 200 PM



Pulse picker

IsolatorGrating

Compressor


Fiber stretcher

Power Amplifier Grating

stretcher



Pulse picker

Isolator


Fiber stretcher

Power Amplifier

Grating stretcher

GratingCompressor

t = 250 ps

Transmission gratings

1740 l/mm

TOD/GVD = - 15 fs



GratingCompressor

Power Amplifier

PCF coeur= 80µm

Pulse picker

Grating stretcher

Isolator


Fiber stretcher



CompresseurSéparation des réseauxΣβ2 = 0

EtireurAngle du réseauAjustement de β3/β2

1

2

GratingCompressor

Power Amplifier

Pulse picker

Grating stretcher

Isolator

Pre-amplifier

Fiber stretcher

Réglage du CPA non-linéaireRéglage du CPA non-linéaire

Procédure de réglage


E = 100 µJf = 300 kHzP = 340 MW= 7.2 nmTBP ~ 0.55

GratingCompressor

Power Amplifier

Pulse picker

Grating stretcher

Isolator

Pre-amplifier

Fiber stretcher

Caractéristiques temporelles et Caractéristiques temporelles et spectralesspectrales

Zaouter et al, Optics Letters 33, 1527 (2008)


1. Systèmes fibrés CPA haute énergie

a) Sources large bande

b) Amplificateur basé sur une fibre double gaine Rod type

c) Cadence : 100 kHz to 1 Mhz

d) Durée : 280 fs

e) Energie : > 100 µJ

f) Puissance crète : > 350 MW

2. Perspectives

a) Atteindre 1 mJ avec moins de 300 fs

b) Puissance moyenne 100 W

c) Réduction de la durée à 40 fs par postcompression

d) Applications

ConclusionConclusion


Dépolarisation du faisceau


INITIAL GOALHarmonic generation @ 100-1000 kHz rep. Harmonic generation @ 100-1000 kHz rep. rate rate

First demonstration of HHG production from a FCPA

XUVgaz

CPA Fiber amplifier@1030

Constraints:•Intensity dependent process: ~ 1014 W/cm²•Ionisation must be limited :

< 300 fs

20 30 40 50 60 700

1x106

2x106

3x106

H29

H27

H25

H21

H23

Sig

nal

[au

]

Wavelength [nm]

FCPA performances @100 kHz:

t = 280 fs

E = 125 µJ

Ppower ~ 450 MW

OutlooksOutlooks

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