STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS

1. STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Contrôle temporel & spectral :façonnage d’impulsions Jean-Christophe Delagnes CPMOH, Université Bordeaux 1 jc.delagnes@cpmoh.u-bordeaux1.fr

2. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

3. Compensation de la dispersion • Course aux impulsions ultracourtes  Compenser la dispersion Impulsion courtes  Spectre large Milieux matériels (air, verre, …) Dispersion Compensation n(w) variation significative  Dispersion temporelle Effet toujours présent et additif Pour des impulsions très courtes même l’air est dispersif (Dt<20fs) ? J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

4. 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) J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

5. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

6. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

7. Oscillateur Façonneur Ampli CPA Expérience/Utilisation Algorithme Mesure(s) Opérateur Mise en forme programmable • Dispositif de mise en forme • Contrôlable par ordinateur • Taux de rafraîchissement rapide J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

8. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

9. 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 fs Façonneur temporel Façonnage temporel direct IMPOSSIBLE J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

10. Champ électrique Champ réel  Représentation complexe Transformée de Fourier  Spectre complexe Formalisme Une autre approche : Mise en forme spectrale • Contrôle du profil temporel • Mise en forme de l’amplitude spectrale • Mise en forme de la phase spectrale J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

11. Mise en forme spectrale • Lasers ultracourts • Spectre large + modes de cavité • Blocage de mode • Profil temporel • A0 cos(w0t + f0) • A1 cos(w1t + f1) • A2 cos(w2t + f2) • … • Contrôle de l’amplitude spectrale A(w) et de la phase spectrale f(w) • A(w) : Choix des A0,A1,A2,… • f(w) : Choix des f0,f1,f2,… J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

12. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

13. Ligne « 4-f » Au plan de Fourier : Étalement spatial des composantes spectrales J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

14. Ligne « 4-f » : Masque fixe J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

15. Ligne « 4-f » : Masque ajustable J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

16. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

17. Principe de fonctionnement J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

18. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

19. Dispersion spatiale Xw = f . g . w f : Distance focale g : Dispersion angulaire Tache focale Xw . dX= l0 . f / dx f : Distance focale l0 : Longueur d’onde centrale dx : Diamètre sur le réseau Ligne « 4-f » : Paramètres J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

20. Défauts Couplages spatio-temporels Masque pixellisé : répliques temporelles Dispositif complexe Qualités Éprouvé, bien caractérisé Tous taux de répétition Forte puissance de sortie « Accordable » l0 et Dl Ligne « 4-f » : Résumé Description des couplages spatio-temporels : Matrice de Kostenbauder (généralisation des matrices ABCD) J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

21. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

22. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

23. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

24. 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) J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

25. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

26. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

27. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

28. 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 J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale

29. FIN • Remerciements : • A. Monmayrant • B. Chatel • B. Girard J.C.Delagnes - Formation Lasers Intenses - Mise en forme temporelle et spectrale