frédéric druon & patrick georges

24
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 Georges Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France

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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 Presentation

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Page 1: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 2: Frédéric Druon  & Patrick Georges

JNOG 2004

PlanPlan

• Principe• Dispositif expérimental• Compression d’impulsions• Limitation• Conclusion

Page 3: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 4: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 5: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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)

Page 6: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 7: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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%

Page 8: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 9: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 10: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

)

Page 11: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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)

Page 12: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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)

Page 13: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 14: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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)

Page 15: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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 (

%)

Page 16: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

ca

lag

e R

am

an

(n

m)

Page 17: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 18: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 19: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 20: Frédéric Druon  & Patrick Georges

JNOG 2004

ExtraExtra

Page 21: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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).

Page 22: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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)

Page 23: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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

Page 24: Frédéric Druon  & Patrick Georges

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