Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives

1. Lasers à impulsions ultracourtes haute cadence : état de l’art et perspectives Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Campus Polytechnique, Palaiseau, France patrick.georges@institutoptique.fr 01 64 53 34 26

2. Plan de l’exposé Lasers à impulsions courtes à base de cristaux de saphir dopé au titane Lasers à impulsions courtes à base de cristaux pompés directement par diode laser de puissance Lasers à impulsions courtes à base de fibres optiques pompés directement par diode laser de puissance

3. Production d’impulsions courtes - Il faut disposer d’un milieu amplificateur possédant une large bande de fluorescence (20 fs à 800 nm --> 34 nm) - Il faut en plus que tous les modes longitudinaux aient la même phase --> système à transmission non linéaire Nd:YAG ou Nd:YVO4 2 Kerr Lens Mode-locking (KLM) (University of St Andrews) Saphir dopé au titane (Ti3+:Al2O3 ) D. Spence et al «60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser» Opt. Lett., 16, 42 (1991) P. F. Moulton, "Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3," J. Opt. Soc. Am. B 3, 125 (1986) --> Nouvelle génération de lasers femtoseconde solides (< 10 fs, qq W)

4. Amplification d’impulsions courtes Chirped Pulsed Amplification (CPA) (University of Rochester) D. Strickland et G. Mourou, "Compression of amplified chirped pulses", Opt. Comm, 56, 219 (1985) Systèmes laser fs commerciaux --> 25 fs, qq mJ, 1-5 kHz --> 30 fs, 3 J, 10 Hz (100 TW) Projet ILE : Institut de la Lumière Extrême (Plateau de Saclay) 10 PW : 150 J, 15 fs à la cadence d’un tir par minute L’absorption du saphir dopé au titane est dans le vert Le pompage directe par diode est impossible !!!!

5. Chaine laser fs haute cadence Ti:Sapphire fs oscillator 800 nm, 20-50 fs, 1 W 100 MHz Etireur 30 fs, @ 800 nm qq mJ, 1 – 10 kHz Pmoyenne : 20-30 W Nd:YVO4 laser @ 532 nm 5 à 10 W, diode pumped Compresseur Nd:YLF laser @ 523 nm 50 – 100 W, 1 to 5 kHz diode pumped Ti:Sapphire Regenerative amplifier or multipass amplifiers • Limitations : • technologie des lasers de pompe • - effets thermiques dans les cristaux de saphir dopé au titane (cm3)  cryostat

6. Lasers de pompe Lasers solides pompés par diode à base de cristaux dopés Néodyme (1064 nm) doublés en fréquence pour produire le rayonnement vert Cristal non linéaire Continu : 5 à 20 W Impulsionnel : 50 à 100 W, 1-5 kHz, < 45 mJ Rendements elec./opt. faibles : qq % max Cristal dopé Nd 1064 nm 532 nm Diode laser @ 808 nm

7. Exemples de chaine lasers fs kHz Quelle solution pour produire des impulsions ultracourtes à haute cadence d’un oscillateur ou d’un amplificateur, donc avec uneforte puissance moyenne ?

8. Pompage direct par diode Problème : - pas de pompage direct du saphir dopé au titane par diode Solution : - utiliser un milieu amplificateur pouvant être pompé directement par diodes diodes de puissance Diode en AlGaAs autour de 808 nm pour le pompage des matériaux dopés avec des ions neodyme Diode en InGaAs émettant entre 915 et 980 nm pour le pompagedes matériaux dopées avec des ions ytterbium LIMO400 W @ 976 nm, 400 µm, ON: 0,22 Rendement elect / opt : > 35 % IPG 100 W @ 915 nm, 105 µm, ON: 0,12 DILAS, JENOPTIK, OCLARO 250 W @ 808 nm, 200 µm, ON : 0,22

9. Lasers Nd:YVO4 picosecondes • Impulsions de 10 à 20 ps à 1064 nm car faible large de fluorescence du Néodyme • Charge thermique importante par le pompage à 808 nm / émission à 1064 nm (30 % de la puissance optique en chaleur !!!) • Solution : - pompage à 888 nm pour réduire le défaut quantique 888 nm 1064 nm 808 nm Configuration oscillateur - amplificateur 111 W, 110 MHz, 30 ps 1064 nm (50% rendement optique / optique) L. McDonagh et al, Optics Letters, 32, pp1259-1261 (2007)

10. Laser ps Nd:YVO4 ps commercial Laser industriel Oscillateur + ampli pompé par diode @ 888 nm Pas de CPA (simplicité !!!) Impulsions < 15 ps Energie par impulsion : jusqu’à 125 µJ 50 W à 1064 nm @ 2 MHz

11. Intérêt de l’ion ytterbium 2F5/2 2F7/2 2F5/2 0.98 µm 1.03 µm 2F7/2 Développement de lasers fs pompées par diode Nd3+ Structure électronique simple - pas d’absorption par les états excités - pas d’«up-conversion» - pas de déclin du temps de fluorescence avec la concentration Yb3+ Absence d’effet parasite • faible défaut quantique • < 10% pour le pompage à 980 nm Peu de charge thermique Diodes InGaAs de forte puissance disponibles à 980 nm (pompage des EDFA en télécom) Champ cristallin Large bande d’émission vers 1030 nm Impulsions femtosecondes Laser quasi-3-niveaux Peuplement thermique => Réabsorption

12. Deux cristaux commerciaux Yb:KYW Yb:YAG Faible conductivité thermique » 2-3 W/m.K Plus grande largeur de fluorescence  Impulsions courtes (200-300 fs) Forte conductivité thermique » 10 W/m.K Faible largeur de fluorescence  Impulsions longues (1 ps)

13. Amplificateur pompé par diode Système CPA (osc + étireur+ ampli + compresseur) à base de cristaux d’Yb:KYW pompés par diodes 976 nm Puissance moyenne est limitée à 5-10 W par les problèmes thermiques dans le cristal d’Yb:KYW

14. Lasers "Thin Disk" femtoseconde Laser Laser diode • Yb:KGW • 240 fs 22W (100 W pump) • 25MHz 0,9µJ • F. Brunner et al. Opt. Lett. 1162 (2002) • «Thin disk» technology • Yb:YAG A Giesen, University of Stutgart Average power 80 W (370 W pump) 57 MHz, 1,4µJ E. Innerhofer et al. Opt. Lett. 2003, (2004) Efficiency ≈ 2 % Crystal 100 à 300 µm Thermal contact Thermal flux Cooper

15. Produit commercial Oscillateur Thin Disk à base d’Yb:YAG

16. Nouveau cristal Yb:Lu2O3 Pmoy : 43 W , 330 fs à 1033 nm, 81 MHz, 0,41 µJ par impulsion (Pcrête: 1,3 MW) (aussi Pmoy : 63 W , 535 fs pour une puissance de pompe de 180 W) Avantage ce cristal : forte conductivité thermique (> 10 W/m.K) avec un spectre de fluorescence plus large que l’Yb:YAG Mais croissance extrêmement difficile !!!!

17. Amplificateurs à fibres optiques Gestion efficace des problèmes thermiques :  fibres optiques double cœur dopées ytterbium de grande longueur (10 m) Diode de pompede forte puissance

18. Fibres optique dopée ytterbium http://www.rp-photonics.com Bande de gain large autour de 1030 nm (> 30 nm) car les ions ytterbium sont insérés dans la matrice en verre

19. Introduction F. Röser et al, "131 W 220 fs fiber laser system," Opt. Lett. 30, 2754-2756 (2005) Friedrich Schiller University Jena, Institute of Applied Physics Jena, Germany

20. Réduction des effets non linéaires 85 cm • Augmentation de l’aire effective du mode fondamental jusqu’à 80 µm • Réduction de la longueur de la fibre à 85 cm • Remplacement de la gaine polymère par une gaine en silice • Concept du « Rod type » fiber (fibre à cristaux photoniques) L = 85 cm fcore = 80 µm fclad = 200 µm

21. Performances P = 50 W @ 50 kHz E ~ 1 mJ p ~ 800 fs Jena Imra Celia Southampton Cornell LCFIO P = 30 W @ 300 kHz E ~ 100 µJ p ~ 270 fs P = 5 W @ 100 kHz E ~ 50 µJ p ~ 200 fs P = 5 W @ 164 kHz E ~ 10 µJ p ~ 110 fs

22. Produit commercial: lasers à fibre fs

23. Conclusion Impulsions ultracourtes avec des cristaux de saphir dopé au titane : < 10 fs oscillateurs < 30 fs amplificateurs Impulsions plus longues à partir de matériaux dopés ytterbium, mais plus forte puissance moyenne (cristaux ou fibres optiques) 200 fs à 1 ps , qq dizaines de Watts Besoins de : - nouveaux cristaux combinant de large bande de fluorescence et de bonnes propriétés thermiques (Yb:CALGO, Yb:CaF2 …..) - fibres optiques à large aire modale, combinaison cohérente d’amplificateurs - gestion des effets non linéaires dans les amplificateurs à fibres dopées ytterbium

24. Introduction MERCI !!!!!!!

25. The "Thin Disk" concept Brevet Université de Stuttgart (Allemagne)

26. Laser Yb:YAG"Thin Disk" continu

27. Suite…..