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Records de doublement et triplement de fréquenceRecords de doublement et triplement de fréquenceRecords de doublement et triplement de fréquence Records de doublement et triplement de fréquence à forte énergie dans le à forte énergie dans le triboratetriborate de lithium LBOde lithium LBO
Gabriel Mennerat, O. BonvilleÉCommissariat à l’Énergie Atomique, CESTA, Bordeaux (France)
Dominique Lupinski, Philippe VillevalCristal Laser SA, Messein (France)
12011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
MotivationMotivation
Les applications sociétales des lasers de très haute intensité demandent des cadences de tir beaucoup plus élevés que les grandes installations scientifiques actuelles (NIF, LMJ, LULI…)
Les chaînes laser à très haute intensité mettent en œuvre des amplificateurs de puissance à large bande passante pompés dans le vert par des lasers à solides doublés en fréquence très énergétiques en régime ns
L f i l é it l i d l’UV d t i f d itLa fusion par laser nécessite la conversion dans l’UV du rayonnement infrarouge produit par les lasers à néodyme.
La montée en cadence induit une augmentation de charge thermique dans les milieux amplificateurs laser qui dégrade le front d’onde.
On recherche de nouveaux cristaux convertisseurs de fréquence combinant 1 Une bonne tolérance aux aberrations du faisceau fondamental1. Une bonne tolérance aux aberrations du faisceau fondamental2. Des propriétés thermiques intrinsèques compatibles avec la conversion à forte
puissance moyenne3 Une extrapolation potentielle à de grandes ouvertures3. Une extrapolation potentielle à de grandes ouvertures
On sait depuis une décennie que le triborate de lithium LiB3O5 alias LBO répond bien aux critères 1 & 2. Nous démontrons ici son potentiel pour la forte énergie.
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Plan de l’exposéPlan de l’exposé
Introduction, facteurs de mérite, caractéristiques chaîne Alisé… Cf : http://cmdo cnrs fr/IMG/pdf/J1 Mennerat JNCO2009 pdfCf : http://cmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/J1_Mennerat_JNCO2009.pdf
Choix des géométries de doubleursChoix des géométries de doubleursEssais en doublement de fréquence
Choix des géométries de tripleursEssais en triplement de fréquence
Perspectives
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Large LBO boules Large LBO boules growngrown by Cristal Laserby Cristal Laser
Growth of high quality - large size LBO crystals for high energy second harmonic generationA. Kokh, N. Kononova, G. Mennerat, Ph. Villeval, S. Durst, D. Lupinski, V. Vlezko, K. KokhJournal of Crystal Growth Volume 312 Issue 10 pp 1774-1778 1 May 2010
Ø 50mmCfCf session session plénièreplénière JeanJean--Paul Paul ChambaretChambaretpp
MercrediMercredi 6 6 juilletjuillet 17h0017h00
42011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Conventions pour l’orientation du Conventions pour l’orientation du triboratetriborate de lithium de lithium LiBLiB33OO55
52011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– coefficient noncoefficient non--linéairelinéaire efficaceefficace
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ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– coefficient noncoefficient non--linéairelinéaire efficaceefficace
Type II
LBO : 0,62 pm/V KDP : 0,33 pm/V
Type I
LBO : 0,83 pm/V KDP : 0,26 pm/VKDP : 0,26 pm/V
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ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– acceptance acceptance angulaireangulaire critique critique
Recherche de l’axe critique « à 360° » hors plans-principaux
Type II
LBO : 9,1 mrad.cm KDP : 2,1 mrad.cmKDP : 2,1 mrad.cm
Type I
LBO : 3,9 mrad.cm KDP : 1 1 mrad cmKDP : 1,1 mrad.cm
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Calcul de la tolérance angulaireCalcul de la tolérance angulaire
1. Nous visons un rendement de conversion η de 80% à une intensité Iop = 1 GW/cm2 (compatible avec la tenue au flux du module convertisseur))
2. Nous en déduisons l’épaisseur L du cristal dépendant de paramètres intrinsèques regroupés dans la puissance critique Pc
op
07,2I
PL c=⇒≡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= %80tanh 2 L
PI
c
η212eff
321
²8λλ
πε
dnnncP o
c =
3. La tolérance angulaire (aberrations,pointé du faisceau incident, réglages angulaires) est définie comme
opI⎠⎝ c
g g g )
l’acceptance angulaire de l’accord de phase à 80% du max × L
Lk×⎥⎦
⎤⎢⎣⎡∂Δ∂
=Δ−1
%80 5,2θ
θ
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ChoixChoix des orientations : des orientations : doubleurdoubleur –– tolérancetolérance angulaireangulaire
Pour chaque orientation, on ajuste l’épaisseur du cristal en fonction du coeff. NL deffpour atteindre 80% de rendement à l’intensité incidente de 1GW/cm2
Type II
LBO : 10,3 mrad L=6,8mm KDP : 2,1 mrad L=19,1mm
Type IType I
LBO : 5,7 mrad L=8,8mm KDP : 2,1 mrad L=15mm
102011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Type I & type II LBO Type I & type II LBO crystalscrystals cutcut in XY and YZ principal planesin XY and YZ principal planes
Fundamental wavelength : λIR=1053 nm (monomode front-end)
Type I - XY Type II YZType I XY Type II - YZ
• Ø40mm thickness 9 mm• Ø50mm thickness 6 mm • Ø50mm thickness 12 mm (x2)
• Ø50mm thickness 16 mmØ25 thi k 20
• Ø50mm thickness 6 mm
• Ø65mm thickness 12 mm
112011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
• Ø25mm thickness 20 mm
Laser Laser AliséAlisé : un grand instrument ouvert pour les études laser : un grand instrument ouvert pour les études laser et d’interaction laseret d’interaction laser--plasmaplasma
Poste de commande de tirSalles haut flux
Salle de conduite de tir
Salle haut flux
Hall d’amplification laser
Salle d’expériences
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Banc d’énergie Salle pilote
La chaîne d’amplification AliséLa chaîne d’amplification Alisé
Entrée de chaîne : 5 mJ
3 amplis 50 mmFS
Entrée de chaîne : 5 mJpilote 100 fs étiré ou
ns avec MFT
3 CP 50 mm
RF 150 mmFS
1 ampli 150 mm
2 amplis 94 mmRF R t t d F d 2 amplis 94 mm
RF 94 mm
RF : Rotateur de Faraday
CS : Cellule de Pockels
FS : Filtrage Spatial
Chaîne en imagerie confocale
RF 94 mm
Sortie de chaînejusqu’à 500 J
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Typical Alisé intensity distribution
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Profil d’intensité en champ lointainProfil d’intensité en champ lointain
Δt=60 min, 5 mars 2008
AVEC correction deAVEC correction de surface d’onde
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LayoutLayout of of frequencyfrequency conversion conversion benchbench in in AliséAlisé facilityfacility
➍
ScaleKey
R d 1 G 2 Bl 3➍
➏10 20 30 40 50 cm0
➍
➏
yRed = 1ω, Green = 2ω, Blue = 3ω
➊ : input energy and near-field profile ➋ : generated or residual energy, ∓1 diffraction order, joulemeter 150 mJ➌ : temporal pulse profile, ∓1 diffraction order, phototube 60 ps, 8 GHz oscilloscope➍ : near-field fluence profile ∓2 diffraction order 12-bit CCD camera 80µm resolution ➌ ➍
➎➌
➏
➍ : near field fluence profile, ∓2 diffraction order, 12 bit CCD camera, 80µm resolution➎ : far-field fluence profile, ∓2 diffraction order, 12-bit CCD camera, 1µrad resolution➏ : main beams available to experiments, 0 diffraction order,
energy 2-300 J, ∅36mm, duration 0.5-20 ns
➌
➋➋➎ ➎
➊
Nd:YLF 1 ; 10 ns10 Hz, 15 mJ
KTiOPO4doubler5 mm-thick 3x3 mm²
LiB3O5 type-I tripler 15 mm-thick 3x3 mm²
λ/2 λ/2➋
➋
Auxiliary beam for alignment
Order ∓2< 25 μJ @ 3ω
5 mm thick 3x3 mm15 mm thick 3x3 mm
90 m
m
➊
HBS 3ω0,05%, 10°
HBS 2ω0,05%, 10°
HBS 1ω0,05%, 10°
36 mm
< 25 μJ @ 3ω
λ/2
KH PO t I d bl KD PO type II tripler
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KH2PO4 type-I doubler 12 mm-thick 150x150 mm²
KD2PO4 type-II tripler 9 mm-thick 100x100 mm²
Frequency conversion benchfundamental beamfrom laser hall
15x15cm²KDP doubler
Simultaneous recording for each shot
Input1ω
generated2ω
residual 1ω
KDP doublerset apart Energy 2 sensors 2 sensors 1 sensor
Temporal profiles yes yes yes
Ø5cmLBOdoubler 10x10cm²
Fluence profiles
Near-fieldFar-field
Near-fieldFar-field
Near-fieldFar-field
Wavefront HASO64
doublerDKDP triplerset apart
Spectrum yes yes yes
172011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de PuissanceCalorimeter
300J range
94% conversion 94% conversion efficiencyefficiency in type II LBO doublerin type II LBO doubler
Simulations numériquesSimulations numériques
à partir du senseur S3Spatial : 64x64 pointsSpatial : 64x64 points
Temporel : 236 points
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Vérification par mesure du dépeuplement du fondamentalVérification par mesure du dépeuplement du fondamental
Mesure relative indépendante des étalonnages énergétiques
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Bilan sur les évaluations de rendementBilan sur les évaluations de rendement
Mesure calorimétrique absolue(même calorimètre étalon Gentec pour les faisceaux 1ω incident, 1ω résiduel et 2ω produit)
95±6(!?)%1ω résiduel et 2ω produit)
Simulations numériques spatio-temporelles à partir des données du senseur S3 1ω
94±3%
incident (calorimètre Gentec)Mesure relative du dépeuplement de l’impulsion fondamentale (phototube Hamamatsu, calibre inchangé sur oscilloscope 93 ±2%(p , g pnumérique Tektronix)Mesure relative de la tolérance angulaire du cristal doubleur (calorimètres Gentec et Molectron) 94±1%(calorimètres Gentec et Molectron) 94±1%
Mesure relative de tolérance à la polar. du fondamental (calorimètres Gentec et Molectron) 94 ±0 5%(calorimètres Gentec et Molectron) 94 ±0,5%
Bilan 94 ±0,5%
202009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Banc pour le doublement à très forte énergie dans LBO type IBanc pour le doublement à très forte énergie dans LBO type I
212011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Record de doublement de fréquence dans LBO : plus de 200 J sur AliséRecord de doublement de fréquence dans LBO : plus de 200 J sur Alisé
Monttée progreessive enn énergie
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ComparisonComparison to to somesome otherother highhigh--energyenergy SHG SHG experimentsexperiments11ωω 22ωω conversionconversion PulsePulse IntensityIntensity[ reprep laserlaser11ωωenergyenergy
22ωωenergyenergy
conversion conversion efficiencyefficiency
Pulse Pulse durationduration
IntensityIntensity[MW/cm²]
rep. rep. raterate
laserlaser
KDPKDP 417 J 346 J 83% 1 ns 9500 single shot
Argus LLNL 1982shot
10,75kJ 7,95kJ 74% 1 ns 2500 single shot
Nova LLNL 1992
810 J 650 J 80% 1 ns 3000 single Phébus CEA 1995810 J 650 J 80% 1 ns 3000 single shot
Phébus CEA 1995
CLBOCLBO 34 J 25 J 74% 25 ns 370 single shot
JAER 2002 327 Wav
YCOBYCOB 65 J 32,7 J 50% 15 ns 120 10 Hz Mercury LLNL 2008
KTPKTP 8.5 J 5 J 59% 8 ns 170 33 Hz DAPKL TRW 1998
av. power
82 J 52 J 76% 8 ns 200 single shot
Alisé CEA 2006
LBOLBO 135 J 115 J 85% 15 ns 800 single h
Alisé CEA 2008shot
3,4 J 3,2 J 94% 3 ns 800 single shot
Alisé CEA 2008
236 J 217 J 92% 12 ns 800 single Alisé CEA 2009
232011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
236 J 217 J 92% 12 ns 800 single shot
Alisé CEA 2009
Choix des orientations : tripleur – coefficient non-linéaire
Type II
LBO : 0 52 pm/VLBO : 0,52 pm/V DKDP : 0,33 pm/V
Type I
LBO : 0,66 pm/V DKDP : 0,29 pm/V
242011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Choix des orientations : tripleur – acceptance angulaire
Type II
LBO : 3,11 mrad.cm KDP : 1,12 mrad.cm
Type I
LBO : 1 03 mrad cmLBO : 1,03 mrad.cm KDP : 0,74 mrad.cm
252011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Choix des orientations : tripleur – tolérance angulaire
Type II
LBO : 3 8 mrad L=8 2mm Type ILBO : 3,8 mrad L=8,2mm DKDP : 1,0 mrad L=10,7mm
Type I
LBO : 1,7 mrad L=6,1mm DKDP : 0,6 mrad L=12,2 mm
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Tests of LBO Tests of LBO doublerdoubler//triplertripler pair on frequency conversion benchpair on frequency conversion bench
272011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
50 J UV generation with 85% conversion efficiency50 J UV generation with 85% conversion efficiency
282011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Very High Energy BenchVery High Energy Bench
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PréparationPréparation à la à la montéemontée à à trèstrès forte forte énergieénergie
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RecalageRecalage des gains et des gains et pertespertes de la de la chaînechaîne : 287 J: 287 J
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Angular acceptance of type II LBO Angular acceptance of type II LBO triplertripler
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angular angular tolerance of tolerance of KDP14/DKDP15 KDP14/DKDP15 module module –– mid intensity mid intensity
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ToléranceTolérance angulaireangulaire de la de la configconfig. KDP14/DKDP15 . KDP14/DKDP15 –– HteHte intensitéintensité
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22--axis angular tolerance of KDP14/LBO9.5 module axis angular tolerance of KDP14/LBO9.5 module –– mid intensity mid intensity
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22--axis angular tolerance of axis angular tolerance of KDP / LBO KDP / LBO module module –– high high intensity intensity
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ToléranceTolérance angulaireangulaire de la de la configconfig. LBO4/LBO9.5 . LBO4/LBO9.5 –– Moy Moy intensitéintensité
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ToléranceTolérance angulaireangulaire de la de la configconfig. LBO4/LBO9.5 . LBO4/LBO9.5 –– HteHte intensitéintensité
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MontéeMontée en en énergieénergie : 3 ns : 3 ns –– 128 J128 J
392011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
MontéeMontée en en énergieénergie : 6 ns : 6 ns –– 214 J214 J
402011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
MontéeMontée en en énergieénergie : 12 ns : 12 ns –– 300 J300 J
412011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
MontéeMontée en en énergieénergie : 12 ns : 12 ns –– 450 J450 J
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Endommagement du TAR LBO à 16 J/cm² moyen à 3ω
Traitement le plus fragile….
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Tripleur type II : Bulk for 3ω < 1 ppm/cm @ 355nm X !!!Tripleur type II : Bulk for 3ω < 1 ppm/cm @ 355nm,X !!!
452011-07-07 JNCO MarseilleG. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance
Tenue au flux 1/1 à 532nm sur témoin non traitéTenue au flux 1/1 à 532nm sur témoin non traitéProbabilité d'endommagement 1 on 1
22w
0,7
0,8LBO 0796220003 2w 1 on 1
Tests banc Blanco CESTA pour Cristal Laser
0,4
0,5
0,6
d'en
dom
mag
emen
t
Tests banc Blanco CESTA pour Cristal Laser dommages en volume et face de sortie 6 ns, 487µm à 1/e²
0,2
0,3
Prob
abili
té d
0
0,1
0 20 40 60 80 100 120 140
Fluence blanco (J/cm²)
Ch // diél i X
Thèse Anne Hildenbrandt Institut Fresnel / Cristal Laser
Champ // axe diélectrique X
Tenue au flux en volume 6,5 ns 24µm
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Perspectives sur la conversion de fréquence à forte énergie dans LBOPerspectives sur la conversion de fréquence à forte énergie dans LBO
• Les ouvertures augmentent peu à peu : les limites ne sont pas
atteintes, un diamètre de 100-150 mm semble possible à terme
• Record mondial de puissance moyenne : source commerciale Trumpf
produit 700 W moyens dans le vert !
• Doublement impulsions ultracourtes ( < 50fs) : η=68%Mennerat et al. ICUIL'2010, 26 September–1 October, 2010, Watkins Glen, New York (USA)
• Les premiers essais en triplement de fréquence sont très prometteurs• 50 J avec 85% de rendement en 3 ns• 360 J avec 80% de rendement en 12 ns• Pb de tenue au flux des couches minces dans l’UV résolu : Cf Cristal Laser
• Le LBO est un candidat de premier ordre pour l’amplification• Le LBO est un candidat de premier ordre pour l amplification
paramétrique vers 800 nm à forte énergie : OPA / OPCPA
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