stage lasers intenses du 4 au 8 février 2008 cours contrôle temporel & spectral : façonnage...
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STAGE LASERS INTENSESDu 4 au 8 février 2008
COURS
Contrôle temporel & spectral :façonnage d’impulsions
Jean-Christophe Delagnes
CPMOH, Université Bordeaux [email protected]
J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale 2
Stage Lasers Intenses 2008
PLAN
Pourquoi le façonnage ?• Une étape incontournable
• Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre
• Limitation du façonnage temporel direct
• Passage au domaine spectral Réalisations pratiques
• Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f)
• Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion
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Stage Lasers Intenses 2008
Compensation de la dispersion Course aux impulsions ultracourtes
Compenser la dispersion
Impulsion courtes Spectre large
Milieux matériels (air, verre, …)
1 2 4ln 2t
n() variation significative
Dispersion temporelle
Effet toujours présent et additif
Pour des impulsions très courtes
même l’air est dispersif (t<20fs)
Dispersion Compensation
?
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Comment compenser ?
Compensation à l’aide d’un dispositif de mise en forme pour restaurer l’impulsion ultracourte avant dispersion
Dispersion naturelle : • Éléments d’optique passifs
• Air
• Milieux amplificateur
• Cristaux non linéaires
Dispersion « provoquée » :• Amplification à dérive de fréquence (CPA)
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Amplification à dérive de fréquence (CPA)
Étireur
Facteur d’étirement ~ 104
Amplification
Gain, Dispersif, NL
Compresseur
Compenser l’étireur (en théorie)
Dispositif de mise en forme
Compensation des ordres supérieurs
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Mises en forme plus complexes
Amplificateurs, NOPA, OPCPA• Compensation du rétrécissement par le gain
• Compensation de phases oscillantes, automodulation Également
• Séquences d’impulsions
• Impulsions « carrées »
• Optimisation d’un processus physique donné
Dispositif de mise en forme
Production de profils temporels arbitraires
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Mise en forme programmable
Dispositif de mise en forme• Contrôlable par ordinateur
• Taux de rafraîchissement rapide
Oscillateur Ampli CPAFaçonneur
Algorithme
Expérience/Utilisation
Mesure(s)Opérateur
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PLAN
Pourquoi le façonnage ?• Une étape incontournable
• Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre
• Limitation du façonnage temporel direct
• Passage au domaine spectral Réalisations pratiques
• Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f)
• Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion
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Façonnage temporel (direct) ?
Façonneur temporel• Contrôle de la transmission à l’échelle femtoseconde
• N’existe pas ! (sauf rares phénomènes physiques particuliers)
• Modulateurs rapides > quelques ps
Façonnage temporel direct
IMPOSSIBLE
Façonneur temporel
fs
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Une autre approche : Mise en forme spectrale
Champ électrique• Champ réel
Représentation complexe
• Transformée de Fourier
Spectre complexe
Formalisme
Contrôle du profil temporel• Mise en forme de l’amplitude spectrale
• Mise en forme de la phase spectrale
( ) Re[ ( )]E t E t
1TF TF ( ) ( ) exp ( )E t A t i t
( )( ) exp ( )E iA
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Mise en forme spectrale Lasers ultracourts
• Spectre large + modes de cavité
• Blocage de mode Profil temporel
• A0 cos(0t + 0)
• A1 cos(1t + 1)
• A2 cos(2t + 2)
• … Contrôle de l’amplitude spectrale
A() et de la phase spectrale ()
• A() : Choix des A0,A1,A2,…
• () : Choix des 0,1,2,…
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PLAN
Pourquoi le façonnage ?• Une étape incontournable
• Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre
• Limitation du façonnage temporel direct
• Passage au domaine spectral Réalisations pratiques
• Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f)
• Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion
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Ligne « 4-f »
Au plan de Fourier : Étalement spatial des composantes spectrales
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Ligne « 4-f » : Masque fixe
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Ligne « 4-f » : Masque ajustable
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Ligne « 4-f » réelle
LCD Jenoptik 2x640 pixels f=600mm 2000 traits/mm 0,06 nm/pix à 800nm fenêtre de 35ps pour
100fs 300 GW/cm²
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Principe de fonctionnement
1 2 1 2
1 2 1 2
,
, cos
k k k e k e k
k k k e k e k
V V n V n V
a V V n V n V
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Exemples de mises en forme
Possibilité de réaliser des mises forme (très) complexes• Délais
• Phase quadratique, cubique, …
• Trains d’impulsions
• Carré
• …
Existence de quelques défauts
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Stage Lasers Intenses 2008
Ligne « 4-f » : Paramètres
Dispersion spatialeX= f .
f : Distance focale
g : Dispersion angulaire
Tache focaleX . X= 0 . f / x
f : Distance focale
0 : Longueur d’onde centrale
x : Diamètre sur le réseau
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Ligne « 4-f » : Résumé
Défauts Couplages spatio-temporels Masque pixellisé : répliques
temporelles Dispositif complexe
Qualités Éprouvé, bien caractérisé Tous taux de répétition Forte puissance de sortie « Accordable » 0 et
Description des couplages spatio-temporels : Matrice de Kostenbauder (généralisation des matrices ABCD)
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Ligne « 4-f » : Variantes Géométries :
• Agencement des éléments (minimiser les aberrations géométriques)
• Ligne repliée « 2-f » : Double passage/Miroir déformable Modulateur :
• LCD, Valve optique (non pixellisé)
• AOM
• Miroir déformable Optiques :
• Réseaux ou prismes
• Miroirs cylindriques ou lentilles
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PLAN
Pourquoi le façonnage ?• Une étape incontournable
• Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre
• Limitation du façonnage temporel direct
• Passage au domaine spectral Réalisations pratiques
• Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f)
• Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion
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Une nouvelle approche : AOPDF AcoustoOptic Programmable Dispersive Filter
Interaction colinéaire avec une onde acoustique façonnée (modulateur RF)
Auto-compensation de la dispersion chromatique du cristal
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AOPDF : le « Dazzler » Capacité de façonnage
• Augmente avec la taille du cristal
• Diminue avec la bande spectrale
• Compromis avec l’efficacité Qualités
• Compact
• Géométrie simple
• « Plug-and-Play »
• Taux de rafraîchissement rapide Défauts
• Taux de répétition <10kHz (RF)
• Énergie < MW/cm²
Dazzler TM
(Fastlite)
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PLAN
Pourquoi le façonnage ?• Une étape incontournable
• Des impulsions « à la carte » Mise en œuvre
• Limitation du façonnage temporel direct
• Passage au domaine spectral Réalisations pratiques
• Ligne à dispersion nulle (ligne 4-f)
• Filtre dispersif programmable (AOPDF) Conclusion
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Quel choix ? Réponse complexe en fonction :
• Besoins réels
• Compromis acceptables
Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité
Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe
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Nettoyage d’impulsion avant amplification
Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité
Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe
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Stage Lasers Intenses 2008
Séquence d’impulsions complexes amplifiées
Énergie Contraste Contrôle complet Forte complexité Tx Raf. Compacité
Faible efficacité Répliques Phase seule Faible résolution Tx Raf. faible Dispositif complexe
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FIN Remerciements :
• A. Monmayrant
• B. Chatel
• B. Girard