les lasers femtoseconde de forte intensité et de forte...

Date : 22/09/04CESTA/DLP/SCAL/LSL N. Blanchot 1

Les lasers femtoseconde de forte

intensité et de forte énergie

N. BlanchotCEA/CESTA - DLP

École thématique Femto 2004


Contexte de l’exposé : PW - kJ

RAL Vulcan PW

ILE Gekko XIILLE - Omega EP

1 PW

E (kJ)

10

1

0.1

100

1 10 0.1 t (ps)

NIF-PW v2

NIF-PW v1Sandiav2Omega

EP

LULIRAL

GEKKOXIIPHELIX

Orion

Firex v1

Firex v2

MPWHE-LIL

10 PW

Sandiav1

NIF - HEPW

- Durée d’impulsion : 500 fs - 5 ps- Énergie : 500 J - qq kJ- Cadence : 1 h - qq h


LULI : Pico 2000

EtireurOscillateur

Amplificateurrégen.

(35mJ,1Hz)

Power Amplifiers

Compressor400J, 400fs

PC50

RA50

SF94

SF150

SF208

DA 94 DA150

FR94

SF

FR208

RA50 RA50

FR150

Amplificateurs à disques φ=208 mm

50SF

DA 94

InteractionChamber


CEA-CESTA : PW-LIL• performances du PW : 3,6 kJ ; 500 fs ; 7,2 PW• couplés à 8 faisceaux LIL : 7,5 kJ @ 3 ω ; qq ns• intensité sur cible > 1021 W/cm²

HE-LIL : faisceau PW + 8 faisceaux LIL

Salle de Focalisation :compression

8 faisceaux LIL séparés

Faisceau PW


Sommaire

• Quel type de laser choisir ?

• matériaux

• amplification kJ-fs

• Chaîne de puissance à Nd:verre

• Spécificités des lasers kJ-ps

• obtention de l ’énergie sur cible

• contrôle de la durée d’impulsion

• contrôle de la tache focale

• Conclusion


Paramètres pour l’amplification kJ

• Obtenir le maximum d ’énergie extraite :

• Estockée importante : grand volume amplificateur

• Durée de vie de l ’état excité >> durée d ’impulsion

• Éviter la déformation de l ’impulsion due à la saturation du gain

• limitation de l ’énergie extraite

• Fsat importante


Les matériaux pour l’amplification kJMilieux amplificateurs Fluence de

Saturation ( J/cm2)Durée de vie

de l'état excité∆λ

(nm / fs )

KrF 0,002 2 ns 5 /

Colorants 0,005 qq ns 10 /

Ti:Saphir 1 3 µs 150 / 8

Cr3+:LiSAF 10 80 µs 45 / 25

Nd:verres Phosphate 3,5 400 µs 22 / 80

Nd:verres Silicate 5 400 µs 28 / 60

Yb:verres 30 2500 µs 200 / 8

• Nd:verres et Yb:verre : Fsat importante + grand volume

• Yb : rendement pompage - laser important mais donne quasi 3 niveaux :

pompage permanent et seuil laser élevé

⇒ Chaîne à verre de grande dimension : Nd:phosphate, λo = 1053 nm


Amplification Nd:verre

Extraction d’énergieFluence = Fluence de saturation

(3 - 5 J/cm²)

Effets non - linéairesIntensité < Intensité seuil

(1 - 5 GW/cm²)

Durée > Intensité seuil

Fluence de saturation = qq nanosecondes


Principe d’un laser de forte puissance : CPA

t

I

t

II

t t

I

I

tt

I

Technique CPA (Chirped Pulse Amplification)

Source à impulsion courte (100 fs)

Etirement de l’impulsion (qq ns)

Amplification dans lachaîne laser (qq kJ)

Recompression de l’impulsion (ps)

D. Strickland and G. Mourou, Optics Communication, 1985.


Principe optique du compresseur

Réseau

Réseau

Miroir

Impulsion d’entréeétirée

Impulsion de sortiecourte


Principe d’un laser de forte puissance : CPA

t

I

t

II

t t

I

I

tt

I

Technique CPA (Chirped Pulse Amplification)

Source à impulsion courte (100 fs)

Etirement de l’impulsion (qq ns)

Amplification dans lachaîne laser (qq kJ)

Recompression de l’impulsion (ps)

I

Rétrécissement par le gain


Le rétrécissement spectral par le gain

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100

λ (nm )

σ( λ

)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1033 1043 1053 1063 1073

14 nm

FluoSpectre initial

Spectre amplifié

λ

Combattre le rétrécissement spectral : amplification à 2 étages

• pré-amplification (∆λ grand, faible énergie) puis N:verre

• Ti:saphir, cavité à mise en forme spectrale, OPCPA,...

• mélange de verres : aplatir la courbe de gain (spectrale)

∆λ réduit : Tétirée ↓ et τcomp ↑


Architecture d’un laser kJ - fs

TCFPré-ampli. Section ampli.Source

Pilote

Oscillateur fs

Préamplification (regen, OPCPA)Mise en forme spatiale

Amplificationde puissance

TransportConversion de fréquenceFocalisation

Mise en forme temporelle

Étireur


Sommaire


• matériaux


• Chaîne laser de puissance à Nd:verre


• obtention de l ’énergie sur cible



• Conclusion


Chaîne de puissance

Filtrage spatial

Amplificateurs

Système Anti-retours

- correction de S.O.- diagnostics

Chaîne Alisé


Amplificateurs à barreau, à disques

42 cm

33 cm

Lampe flashBarreau Ø 50mmTube en verre

protecteurRéflecteur argenté

Enveloppe

Lampesflashs

Disques

Tubeprotecteur

Réflecteur créneléVue de coté Vue de faceBarreauDisques Ø94 et Ø150

Plaque laserLIL/LMJ

(400 x 600 mm²)


Filtrages spatiaux

Lentille defocale F2Lentille de focale F1

F2F1

Diaphragme

Agrandir le faisceau pour éviter le dommage des composants

Réduire les modulations spatiales dans le faisceau, par filtrage de Fourier

Conjuguer optiquement la pupille d ’entrée du système jusqu’au niveau de la

lentille de focalisation afin de limiter l’influence de la diffraction.

Dispositif de protection anti-retour


Systèmes anti-retours

L’effet Pockels = phénomène debiréfringence provoquée par unchamp électrique → porte optiquede courte durée

Cellule de Pockels Rotateur de Faraday

Effet Faraday = phénomène debiréfringence provoquée par unchamp magnétique → diode optiquede longue durée

Tension depolarisation

Chambreplasma

Hublotsilice

KDP

Générateurplasma


Correction de surface d’onde

Systèmes grande dimension :

• miroir à actionneurs

• miroir bimorphe


Sommaire


• matériaux


• Chaîne laser de puissance à Nd:verre


• obtention de l’énergie sur cible



• Conclusion


Obtention de l’énergie

“ Capacité à comprimer et focaliser l’énergie “

Compression d’une énergie de qq kJ

Tenue au flux : 3 J/cm²(section droite)

Faisceau 400 x 400 mm²(337 x 337 mm² carré équivalent)

Angle d’incidence : 77,2°

Dimension des réseaux : 400 x 1800 mm²

Réseaux diélectriques :

MLD

Mosaïque de réseaux :4 réseaux de 420 x 450 mm²

par mosaïque Contrat européen RTD, Grating for Ultra-Bright laser, 1998.


Technologie des réseaux : or et MLD

Substrat poli

Dépôt photorésine

Enregistrement Révélation Gravureionique

Dépôt d’unempilement

multidiéléctrique

Substratpoli

Dépôt photorésine

Enregistrement(1ω)

Révélation Traitement or

+ ∆λ grand, ∆i grand - tenue au flux

+ tenue au flux- ∆λ grand, ∆i grand


Réseaux

- Réseau (LLNL) or (94 cm) - Réseau MLD (42 cm)

Mosaique (LLE) :2 x 42 cm

T.J. Kessler, Optics Letters, 2004.


Mosaique de réseaux

Tilt (rotation autour du trait)

Piston

Basculementdes traits

Basculement du réseau

Glissementdes traits

Distance inter-réseaux

• les challenges :• Tolérances, méthodes et diagnostics d’alignement nouveaux• Mécaniques de précision et de grande dimension


Aberrations spatiales et distorsions temporelles

delay

Pulselength

Durée : 500fs → 500µmRetard : 500fs → 150µm

Chromatisme δi≈10µradPointage δi ≈0.1µradInterference : π → λ/2 = 500 nm

Plan focal

Effet spatial

2 p π

(2 p + 1) π

Effet temporel


Transport et Focalisation

Protection de la parabole : miroir plasma ?

Transport et focalisation : limitation des effets NL

• connexion sous vide sans hublot

• focalisation par optique réflective :

• parabole hors axe de grande dimension

• tenue au flux du MLD

• intensité maximale recherchée :

• courte distance focale

• parabole dans la chambre


Miroir à plasma

Echantillondiélectrique

Caractérisation du miroir à Plasma :• Reflectivité : efficacité (70%?) contraste ?• Qualité de focalisation de l’impulsion réfléchie quand (τ > 1 ps) ?

Par ionisation, à haute intensité :

→ miroir

Parabole

Miroir

Cible

J.P. Geindre, Rapport LULI 2002, pp.118-121.


Contrôle de la durée d’impulsion

( ) ( ) ( )( ) ( )∫∝

∝

ωωωφωπ

+

-

d tiexpiexp A~ 21 = tE

“ Maitrise de la durée d’impulsion et du contraste temporel”

Durée d’impulsion :

• amplitude et phase

• phase :

• linéaire (étireur/comp., matériaux)

• non-linéaire (effet Kerr )

Contraste temporel :

• contraste court (cohérent) :

• résidu de phase, modulation

d’amplitude

• contraste long (incohérent) :

• ASE, fluo. Parmamétrique, bruit


Maitrise des effets non-linéaires

Les effets non-linéaires : effet Kerr (intégrale B)

L’indice de réfraction n varie avec l’intensité :

n = n0 + n2 I(r,t)

ΦNL(ω) = (2π/λο)∫oL n2 I(z, ω) dz

Contrôle par ↑ de la durée d’impulsion étirée

Exemple (PW-LIL) : étirement de 100 fs @ 16 nm à 9 ns pour B < 1,5 rad


Grand facteur d’étirement : classique et OffnerDièdre

1er réseau 2ème réseau

- 2 Z

injection

extraction

réseau

Coin decube

- 2 Z

Exemple : 100 fs @ 16 nm à 9 ns (4 pass.) -> miroir de 500 mm / réseau 400 mm

G. Chériaux, Optics Letters, 1996.


Grand volume de compression- qq m voire 10 m entre les réseaux- faisceaux de qq dizaines de cm

Compresseur Nova à LLNL :M. Perry, Optics Letters, 1999.

qq m à 10 m


Contrôle de la tache focale

“ Minimiser la tache focale sur cible pour maximiser l’instensité”

Aberrations géométriques :

• qualité des optiques

• thermique des amplificateurs à disques

• alignement de la parabole hors axe

Aberrations chromatiques :

dépendance de la S.O. à λ

• mauvais réglage du compresseur

• utilisation de composants très

ouverts

Effets non-linéaires :

• limitations de l’intégrale B

Miroir déformable, valve optique,...


Chromatisme transverse du compresseur

Réseaux non- parallèles

Réseaux de compression non parallèles Réseaux parallèles


Chromatisme longitudinal• Chromatisme (dispersion) longitudinal :

– Défaut de focalisation

( ) ( )∑=

λ∆=λ∆

N

1i i

2i

2

2

FD

ff

DFz

Linj

L4L3

L1 L2

Ldt

Lfoc

ZR

Dipsersion matériau x ∆λ

O.N. x D

Exemple (PW-LIL) : 4 pass, 13 lentilles avec D


Influence du chromatisme dans le plan focal

Sans dispersion

Largeur de la tache focale

Intensité sur cibledivisé par 50

Distance focale finale f = 2 m : ∆Zdisp = 327 µm pour ZR = 80 µm

Avec dispersion

système de correction ? (réseau, lentille de Fresnel, lentilles achromatiques,...)


Conclusions

L’obtention de faisceau UHI – kJ repose :• sur la capacité à comprimer de forte énergie • sur la maîtrise des paramètres spatio-temporels sur la cible

Les points clés de ces installations sont :• La réalisation d’un pilote : 1 ns à 10 ns, dizaine nm @ 100 mJ à 1 J• La compression d’une énergie dans la gamme kilojoule :

- réseaux de diffraction de grande dimension, de haute TF avec mise en phase

• La focalisation sur cible sur quelques µm : - parabole hors de l’axe de grande dimension, de haute TF- limitation des aberrations géométriques, chromatiques et des effets non-linéaires.

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