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Façonnage d’impulsions

Façonnage d’impulsions. Béatrice Chatel LCAR (CNRS-Université de Toulouse). Plan. Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. Principe de la mise en forme d’impulsion Le façonnage passif Une application historique : la compression d’impulsions La ligne 4f Le couplage spatio-temporel

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Façonnage d’impulsions

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Presentation Transcript

  1. Façonnage d’impulsions Béatrice Chatel LCAR (CNRS-Université de Toulouse) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  2. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  3. Intérêt du façonnage d’impulsions • Compression d’impulsions courtes • Filtrage spectral de haute résolution et adaptable • Expérience de contrôle cohérent • Expérience de spectroscopie multidimensionnelle Façonnage d’impulsions complexes Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  4. Galerie d’impulsions Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  5. Rôle de la phase spectrale Développement de Taylor délai Dérive de fréquence Review sur le rôle de la dispersion : Walmsley et al , RSI, 72, 1-29 (2001) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  6. Impulsions à dérive de fréquence : quelques détails Fréquence instantanée pour les grands chirps : Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  7. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  8. Ultracourt: pas de façonnage temporel Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide (électro-optiques ~ 500 fs) Toute l’information est présente dans le domaine spectral Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  9. Principe du façonnage Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  10. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  11. Délai et décalage : Interféromètre de Michelson Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  12. Façonnage passif Essentiellement de la dispersion positive; Idem pour les fibres Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  13. Dispersion angulaire permet la dispersion négative Dispersion en double passage 1/d nombre de traits du réseaux Martinez et al JOSA B 3, 929 (1986) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  14. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  15. Quelques considérations sur la compression : Application historique du façonnage • Une impulsion limitée par TF : Phase constante • Compression : compenser la dérive de fréquence mais aussi tous les ordres supérieurs de la phase • Applications : • Optique non-linéaire • Génération d’harmoniques • Microscopie à deux photons… • Physique des hautes intensités Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  16. Compensation des ordres supérieurs de la phase :Grisms et autres subtilités - utilisation d’un étireur et d’un compresseur ayant des réseaux avec des nombres de traits différents J. Squier et al . Applied Optics-LP V 37,  I 9, p 1638-1641 (20 March 1998). - Ajustement de l’angle des réseaux entre étireurs et compresseurs pour compenser le TOD - Association de prismes + réseaux dans le même but Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09 Zaouter et al Opt Exp, 15,9372(2007)

  17. Compensation de la dispersion par des microstructures A review of ultrafast optics and optoelectronics Günter Steinmeyer  2003 J. Opt. A: Pure Appl. Opt.5 R1 Nisoli et al, opt. Lett. 22 (1997) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  18. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  19. f f f f dispersion angulaire G1 G2 L1 Plan de Fourier L2 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) Froehly, et al.,Progress in optics, 20, 1983 L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  20. f f f f dispersion angulaire G1 G2 L1 L2 Masque Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  21. f f f f dispersion angulaire G1 G2 L1 L2 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable Weiner, A.M., RSI, 71, (5), 2000 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  22. Ligne 4f Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  23. Ligne 4f • Juste après le masque on peut écrire le champ comme : Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  24. Résolution spatiale dans le plan de Fourier La résolution (FWHM-intensité) est dans le plan de Fourier Application numérique : f= 600 mm 1/d =2000tr/mm, angle proche de Littrow à 800 nm win (FWHM intensité) ~2 mm w0 (FWHM intensité) ~57 mm Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  25. Cas d’un petit diaphragme sur l’axe optique La fonction de transfert du système s’écrit alors : Wefers et Nelson, IEEE J Quant. Elec. 32, 161 (1996) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  26. Construction d’une ligne à dispersion nulle • But : occuper au mieux le masque de longueur finie L • Pour perdre moins de 2% d’énergie, il faut passer 3 fois la bande FWHM Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  27. Design optimisé pour la ligne 4f Avantages : - Pas d’aberrations off-axis - Pas d’aberrations chromatiques ( éléments réfractifs) - Alignement des réseaux facilité par la symmétrie - Meilleure image dans le plan de Fourier Inconvénients : Tilt vertical des composants optiques Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  28. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  29. Ligne 4f • Juste après le masque on peut écrire le champ comme : Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  30. Couplage spatio-temporel Vitesse de couplage spatio-temporelle Application numérique Wefers et Nelson, JOSA B12, 1343 (1995) Sussman et al PRA 77,043416 (2008) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  31. Couplage spatio-temporel Win(FWHM)~ 2.3 mm Win(FWHM)~ 1 mm Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  32. Couplage spatio-temporel pour les prismes Prismes en SF10, lentilles de 50 cm Couplage spatio-temporel dépend de l’élément dispersif Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  33. Plan • Intérêt du façonnage; Quelques rappels basiques. • Principe de la mise en forme d’impulsion • Le façonnage passif • Une application historique : la compression d’impulsions • La ligne 4f • Le couplage spatio-temporel • Les masques disponibles (CL, valve optique, acousto-optique..) • Les cristaux liquides et leurs limitations • Quelques exemples de façonneurs • Le façonnage par transfert de phase • Un exemple particulier de transfert de phase : le Dazzler • Le choix du façonneur • Obtenir l’impulsion souhaitée Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  34. De nombreux masques sont disponibles : Modulation par variation de chemin optique Principe : • Variation de la phase par variation de chemin optique pour chaque composante • Variation de l’amplitude si on place le modulateur entre polariseurs croisés • CL adressés électriquement : npixel(V) , 128 à 640 pixels, Bonne résolution. • CL adressé optiquement (valves optiques ) : modulation de l’illumination d’une couche de photoconducteur placée en série avec les CL (pas de pixellisation) • Miroirs déformables : (cf astronomie), miroir de surface modulable à l’aide d’acuateurs. Faible résolution spatiale • Lame de phase : variations de phase spatiale (modulation statique) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  35. De nombreux masques sont disponibles : Modulation par diffraction Principe : • Diffraction du champ au plan de Fourier sur un réseau spatial. L’impulsion modulée correspond à l’ordre 1 de diffraction. • Modulation de phase et d’amplitude simultanée, • Pb : structures diffractantes, nombreux phénomènes parasites • Acousto-optique : réseau d’indice immobile créé dans le cristal par une onde radio- fréquence transverse • Hologrammes : réalisation d’un hologramme par interférence entre un faisceau de référence et un faisceau signal modulé par un modulateur programmable actif. Diffraction du faisceau de lecture sur l’hologramme (masque passif) placé au plan de Fourier . Efficacité 10% • Photoréfractifs : réseau d’indice dans une structure à puits quantiques photoréfractifs induit par deux faisceaux d’écriture. Pb application possible qu’au spectre étroit (4 nm) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  36. Fonctionnement des cristaux liquides pixellisés seuil de dommage =300 GW/cm2 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  37. Quleques caractéristiques Déphasage introduit Transmission Nécessité de faire des repliements de phase! Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  38. (LC at -45° from x axis) 1 640 (LC at +45° from x axis) 1 640 lineary polarized light X axis ... ... Modulation en phase et en amplitude • Théorie : Amplitude et phase indépendants • Pratique : pas tout à fait exact du fait des gaps non absorbants Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  39. Modulation en polarisation Femtosecond polarization pulse shaping T. Brixner and G. Gerber Opt. Lett. 26,557 (2001) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  40. Ligne à dispersion nulle très dispersive… - tout réflectif et géométrie sans aberration. - réseaux très dispersifs: 2000 traits/mm. - grande focale: f=600 mm. Simplement maximiser la complexité Maximiser la dispersion spatiale. Maximiser le nombre de pixels. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  41. Un exemple de façonneur haute résolution HRPS Performances: - fenêtre de 35 ps (0,06 nm/pixel). - h~220, h maxi de 350. - transmission totale: 70%. - seuil de dommage: 300 GW/cm². Monmayrant et Chatel RSI, 75, (8), 2004 Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  42. Limitations : la pixellisation Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  43. Limitations : Les Gaps Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  44. Limitations : Les Gaps Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  45. Limitations : Dispersion non-linéaire • Etirement des répliques • Importance de la calibration spectrale par la formule de dispersion complète. Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  46. Aménagement de la ligne 4f suivant les masques Miroirs déformables Zeek et al, Opt. Lett 24, 493 (1999) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  47. Façonnage d’impulsionspar diffraction sur une valve à cristaux liquides J.C. Vaughan, T. Hornung, T. Feurer, K.A. Nelson, Opt. Lett. 30, 323-325 (2005) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  48. Valve optique (modulateur spatial de lumière non pixellisé) α-Si:H Photoconductor Parallel Aligned Liquid Crystal Dielectric Mirror Optical Quality Substrate or Fiber Optic Plate Optical Quality Substrate PPM-X8267 Hamamatsu Readout Optical Beam Addressing Optical Beam Anti-Reflection Coating Anti-reflection Coating a- Transparent Electrode Transparent Electrode Driving Voltage Liquid Crystal Alignment Layer P. Aubourg, J.P. Huignard, M. Hareng, R.A. Mullen, Appl. Opt. 21, 3706-3712 (1982) Y. Igasaki et al., Opt. Rev. 6, 339-344 (1999) Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  49. Aménagement de la ligne 4f suivant les masques Acousto-optique Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

  50. Aménagement de la ligne 4f suivant les masques Acousto-optique Ecole des Houches-Façonnage d’impulsions- B. Chatel-Janv09

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