frédéric druon & patrick georges
DESCRIPTION
Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm. Frédéric Druon & Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France. Plan. Principe Dispositif expérimental - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
JNOG 2004
Compression jusqu'à 20 fs dans Compression jusqu'à 20 fs dans une une
fibre à cristaux photoniques fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS injectée par un laser Yb:SYS
émettant à 1070 nm émettant à 1070 nm
Frédéric Druon & Patrick GeorgesLaboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France
JNOG 2004
PlanPlan
• Principe• Dispositif expérimental• Compression d’impulsions• Limitation• Conclusion
JNOG 2004
PrincipePrincipe
• Lasers à base de cristaux dopés Yb3+ efficaces, mais durée ≈100fs
• ID: réduire la durée par élargissement spectral (SPM) puis compression
Automodulation de phase(SPM)
Dispersion anormale
Élargissement spectral Remise en phase du spectre
Laser Fibre compresseur
JNOG 2004
ProblématiqueProblématique
• Problème: les lasers dopés à l’Yb3+ émettent vers 1µm :
• Forte dispersion de vitesse de groupe (GVD) dans les fibres « classiques » à cette longueur d’onde
Durée (ps)
Inte
nsité
(u.
a.)
Propagation (m)
Zone effectivepour effets NL
JNOG 2004
Utilisation de fibres Utilisation de fibres microstructuréesmicrostructurées
• fibre en silice • à trous • avec une structure
périodique• souvent en nid d’abeille
• Qu’est ce que c’est ?
Photos : http://www.blazephotonics.com/
Silice
Air
Défaut de périodicité(cœur)
JNOG 2004
Dispersion dans les fibres Dispersion dans les fibres microstructuréesmicrostructurées
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5
Longueur d’onde (µm)
Dis
pers
ion
(ps/
km.n
m)
Fibres classiques
Fibres microstructuréesSilice
Dispersion-zero accordable
Contrôle de la dispersion du mode=> Contrôle de D=0
JNOG 2004
Fibre utiliséeFibre utilisée
• Fibre utilisée D=0 @ 1065 nm
D [p
s/nm
/km
]
10001000 11501050950
0
25
-25
50
1200
Longueur d’onde [nm]
Laser Laser (1070 nm)(1070 nm)
Diamètre de cœur : 5 ± 0.2 µmLongueur : 20 cmEfficacité de couplage: ≈30%
JNOG 2004
Laser femtosecondeLaser femtoseconde
// junction
x6
80
mm
16
mm
Cristal
Diode Laser 4 W
Miroirs dichroïques
Prisme (SF10)
Prisme (SF10)
SESAM
Coupleur de sortie
Fente
Durée: ≈110 fsLongueur d’onde: 1070 nmt.: 0.37Puissance moyenne: 400 mWCadence: 98 MHz
Dopage: 5.5% Longueur: 3mm
Cristal
Yb:SYSYb:SrY4(SiO4)3O
F. Druon & al., Opt. Lett. 27 1914-1916 (2002).
Laboratoire de Chimie Appliquée de
l'État Solide, Paris, France
JNOG 2004
Schéma globalSchéma global
DDiamètre de cœur: 5 ± 0.2 µmLLongueur: 20 cmCCouplage Maximum: 30%ZZéro dispersion: 1065 nm
Prisme (SF10)
dièdre
Prisme (SF10)
Fibre microstructurée
Yb:SYS
Laser Diode (4W)
Prisme (SF10)
Prisme (SF10)
SESAM
Coupleur de sortie
Oscillateur femto (400 mW, 110 fs, @ 1070 nm)
4 m
m
8 m
m 110 fs
Compresseur à prismes
≈20 fs
30 mW
Courteously provided byCourteously provided by FFaisceau
JNOG 2004
Élargissement spectral dans Élargissement spectral dans la fibre par SPMla fibre par SPM
950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Wavelength (nm)
Sp
ec
tra
(lo
g)
49 mW
39 mW
28 mW
20 mW
12 mW
1mW
a Puissance couplée dans la fibre
Longueur d’onde
Sp
ectr
es (
log
)
JNOG 2004
Comparaison avec le Comparaison avec le modèle :modèle :
le spectrele spectre
Asymétrie due à la dispersion du 3Asymétrie due à la dispersion du 3èmeème ordre (TOD) et ordre (TOD) et au self-steepening (SS)au self-steepening (SS)
Longueur d’onde (nm)
Pu
issan
ce (
a.u
.)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
950 1000 1050 1100 1150 1200
102 nm
Théorie: SPM seule (46 mW)
Théorie: SPM, TOD, SS (46mW)
Expérience (45 mW)
JNOG 2004
Comparaison avec le modèle :Comparaison avec le modèle :autocorrélationautocorrélation
Relativement bon accord => durée Relativement bon accord => durée ≈ 21 fs≈ 21 fs
Autocorrélation Autocorrélation Impulsion théoriqueImpulsion théorique
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-300 -200 -100 0 100 200 300Time (fs)
Po
wer
(a.
u.)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Ph
ase
(rad
)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
950 1000 1050 1100 1150 1200
Wavelength (nm)
Po
wer
(a.
u.)
Theory (46mW)
Experiment (45 mW)
102 nm
-300 -200 -100 0 100 200 300
Time delay (fs)
Po
wer
(a.
u.) Experiment (45 mW)
Theory (46 mW)
Expérience (45mW)
Théorie (46mW)
Délai (fs)
Pu
issan
ce (
u.a
.)
Pu
issan
ce (
u.a
.)
Durée (fs)
JNOG 2004
autocorrélation X autocorrélation X expérimentale expérimentale
Méthode PICASO pour Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de retrouver le profil exacte de
l’impulsionl’impulsion
PICASO method :J.W. Nicholson & al., Opt.
Lett. 1774-76 (2003)
Méthode précise Méthode précise mais converge mal si impulsions satellites importantesmais converge mal si impulsions satellites importantes
Spectre Spectre expérimentaleexpérimentale
Données initiales :Données initiales :Solution théoriqueSolution théorique
algorithme algorithme de minimisation de minimisation
PICASO PICASO
Impulsion retrouvée Impulsion retrouvée
JNOG 2004
Impulsions compresséesImpulsions compressées
Autocorrélation Autocorrélation Impulsion retrouvéeImpulsion retrouvée
45 mW après la fibre45 mW après la fibre30 mW après le compresseur30 mW après le compresseurPuissance moyennePuissance moyenne
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-300 -200 -100 0 100 200 300Time (fs)
Po
wer
(a.
u.)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Ph
ase
(rad
)
PICASO (20 fs)
Theory (21 fs)
PICASO (phase)
Theory (phase)
-300 -200 -100 0 100 200 300
Time delay (fs)
Po
wer
(a.
u.)
ExperimentTheoryPICASO
Délai (fs)
Pu
issan
ce (
u.a
.)
Durée (fs)
Durée de l’impulsion : 20 Durée de l’impulsion : 20 ± 1± 1 fs fs
Pu
issan
ce (
u.a
.)
ExpérienceThéoriePICASO
PICASO (20fs)
Théorie (21fs)
PICASO (phase)
Théorie (phase)
JNOG 2004
Optimum :Optimum :Avec satellitesAvec satellites
< 20%:< 20%:SPM≈2
Équivalent à ≈45 mW couplés
durée :durée :2020±1±1 fs fs0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
10 20 30 40 50 60
Coupled power (mW)
Pu
lse
du
rati
on
(fs
)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Am
pli
tud
e o
f th
e p
re-p
uls
e (
%)
Pulse duration (theory)
Pulse duration (experiment)
Satellite amplitude (%)
Optimisation Optimisation durée / impulsions satellitesdurée / impulsions satellites
Déphasage SPM : SPM=PpL0 2
Avec l’autocorrélation interférométrique
Avec PICASODurées théoriques
Durées expérimentales
Amplitude des satellites
Puissance couplée (mW)
Du
rée d
es im
pu
lsio
ns (
fs)
Am
plitu
de d
es s
ate
llit
es (
%)
JNOG 2004
900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Wavelength (nm)
Sp
ectr
a (l
og
)
113 mW
100 mW
90 mW
80 mW
70 mW
60 mW
55 mW
Raman
2nd Raman
Limitation due à l’effet Limitation due à l’effet RamanRaman
Autodécalage en fréquence de solitonAutodécalage en fréquence de soliton(SSoliton SSelf-FFrequency SShift)
À cause de l’effet Raman SStimulated RRaman SScattering
1er Raman
LLimitation spectrale et donc de la compression
Longueur d’onde
Sp
ectr
es (
log
)
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100 120
Puissance couplée (mW)
La
rge
ur
sp
ec
tra
le e
ffe
cti
ve
(n
m)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Dé
ca
lag
e R
am
an
(n
m)
JNOG 2004
Qualité temporelle des Qualité temporelle des impulsionsimpulsions
Limitation donnée par le modèle < 5 fs
Limitation expérimentale > 11 fs
Nombreuses impulsions satellites
Zoom
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Delay (fs)
Po
wer
(a.
u.)
ExperimentTheory
Délai (fs)
Pu
issan
ce (
u.a
.)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-150 -100 -50 0 50 100 150Delay (fs)
Po
we
r (a
.u.)
ExperimentTheory
Délai (fs)
Pu
issan
ce (
u.a
.)
expériencethéorie
expérience
théorie
Autocorrélation Autocorrélation 70 mW70 mW
JNOG 2004
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Coupled power (mW)
Pu
lse
du
rati
on
(fs
)
0
20
40
60
80
100
120
Ra
ma
n s
hif
t (n
m)
Pulse duration (theory)Pulse duration (experiment)Satellite amplitude (%)Raman
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Coupled power (mW)
Pu
lse
du
rati
on
(fs
)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Am
plitu
de
of
the
pre
-pu
lse
(%
)
Pulse duration (theory)
Pulse duration (experiment)
Satellite amplitude (%)
Synthèse des limitationsSynthèse des limitationsSPM=PpL
0 2 3 4 5
Limitation des satellites : 20 fs Limitation Raman :11 fsPuissance couplée (mW)
Du
rée d
es im
pu
lsio
ns (
fs)
Am
plitu
de d
es s
ate
llit
es (
%)
Décala
ge R
am
an
(n
m)
Durées théoriques
Durées expérimentales
Amplitude des satellites
Durées théoriquesDurées expérimentalesAmplitude des satellitesDécalage Raman
JNOG 2004
Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives
• Technique simple de compression20±1 fs expérimentalement obtenues
bon accord avec le modèleTechnique efficace
• LimitationsImpulsions satellites
Auto décalage de fréquenceuto décalage de fréquence dû à l’effet Raman
• Prévisions avec le modèleoscillateur avec 50 fs conduirait à des impulsions <15 fs
avec des satellites d’amplitude faible
JNOG 2004
ExtraExtra
JNOG 2004
Théorie IThéorie Icompression avec des impulsions de 100 compression avec des impulsions de 100
fsfs
XFROG[Efiber,Einput] XFROG[Ecompressed,ETF]XFROG[Ecompressed,ETF]
- XFROG[ETF,ETF]SPM
950 1000 1050 1100 1150 1200950 1000 1050 1100 1150 1200
950 1000 1050 1100 1150 1200950 1000 1050 1100 1150 1200
950 1000 1050 1100 1150 1200950 1000 1050 1100 1150 1200
950 1000 1050 1100 1150 1200950 1000 1050 1100 1150 1200
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
300
200
100
0
-100
-200
-300
900 1000 1100 1200 1300
900 1000 1100 1200 1300
900 1000 1100 1200 1300
900 1000 1100 1200 1300
longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm)
Dél
ai (
fs)
Dél
ai (
fs)
Dél
ai (
fs)
Dél
ai (
fs)
0 1 0 1 -0.5 0.50
22
1 2 1 2[ , ]( , ) ( ) ( )ct
iXFROG E E E t E t e dt
Visualisation spectro-temporelle :Porte temporel résolue en fréquence
R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, "Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating," Rev. Sci. Instrum. 68, 3277-3295 (1997).
JNOG 2004
Théorie IIThéorie IIcompression jusqu’à 20 fscompression jusqu’à 20 fs
50 fs
100 fs
200 fs
400 fs
XFROG[Efiber,Einput] XFROG[Ecompressed,ETF]XFROG[Ecompressed,ETF]
- XFROG[ETF,ETF]i
950 1000 1050 1100 1150 1200950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
500400
1000
-100
-400-500
300200
-200-300
950 1000 1050 1100 1150 1200
500400
1000
-100
-400-500
300200
-200-300
950 1000 1050 1100 1150 1200
500400
1000
-100
-400-500
300200
-200-300
950 1000 1050 1100 1150 1200
500400
1000
-100
-400-500
300200
-200-300
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
200
150
50
0
-100
-150
-200
50
950 1000 1050 1100 1150 1200
longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm)
Dél
ai (
fs)
Dél
ai (
fs)
Dél
ai (
fs)
Dél
ai (
fs)
0 1 0 1 -0.5 0.50
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400 500 600
Se
co
nd
pu
lse
l a
mp
litu
de
(%
)
15 fs
20 fs
30 fs
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0 100 200 300 400 500 600Incident pulse duration (fs)
Tim
e-b
an
dw
idth
pro
du
ct
15 fs
20 fs
30 fs
Amplitude du premier satellite
Produit : t.
Durée des impulsions incidentes (fs)
Durée des impulsions incidentes (fs)
JNOG 2004
Asymmetry : third orders of Asymmetry : third orders of dispersion (TOD) and self-dispersion (TOD) and self-
steepening (SS)steepening (SS)
Wavelength
Pow
er
Spe
ctru
m
Wavelength
Pow
er
Spe
ctru
m950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
Wavelength (nm)
Spe
ctra
(log
)
60 mW
49 mW
39 mW
28 mW
20 mW
12 mW
1mW
aPure SPMPure SPM
SPM, TOD, SSSPM, TOD, SS
JNOG 2004
Impulsion après Impulsion après compressioncompression
autocorrélations Interferometriques autocorrélations Interferometriques
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120Delay (fs)
Po
we
r (a
.u.)
ExperimentTheory
durée : 22.5 fs ± 3 fs