Journées cavités LAL 2-3 avril 2009

1. Génération d’harmoniques d’ordres élevés à haute cadence Journées cavités LAL 2-3 avril 2009 E. Constant Centre Laser Intenses et Applications Université Bordeaux 1, CNRS, CEA

2. Plan Introduction à la génération d’harmoniques d’ordres élevés Modèle en trois étapes Caractéristiques spectrales de l’émission XUV Génération à « basse » énergie  Réponse de l’atome unique Accord de phase et effets collectifs Génération dans les cavités passives Génération CPA « haute » cadence Conclusion

3. Generation d’harmoniques d’ordres élevés Champ laser fondamental Émission XUV • Source XUV compacte, ultracourte, synchronisée avec l’impulsion de départ, cohérente etc • Riche de >15 années de recherche (compréhension, contrôle, utilisation). M. Ferray et al, J. Phys. B 21, L31 (1988) Mc Pherson et al, JOSA B 4, 595 (1987)

4. Generation d’harmoniques d’ordres élevés • Harmoniques impaires du fondamental • Relation de phase entre ces harmoniques (atto) • Perturbatif – plateau - coupure • Loi de coupure hnmax = Ip + 3.2 Up • Efficacités typiques de 2-5 10-5 (Xe, Kr) à 10-8 – 10-9 (He Ne)

5. Le modèle semi classique(champs forts, basse fréquence, P. B. Corkum 1994) 3: recombinaison radiative Emission XUV 1: Ionisation 2: Oscillation phénomène périodique et cohérent: Génération d'harmoniques

6. Intensité, longueur d’onde et harmoniques Influence de la durée (Isat augmente), efficacité décroit avec la longueur d’onde d’excitation.

7. HHG à haute cadence = HHG à basse énergie • Deux problèmes: • Générer efficacement les harmoniques. • Les extraire (si besoin).

8. HHG à haute cadence • Réponse de l’atome unique

9. Effets macroscopiques Milieu gazeux • Accord de phase (généralisé) PRA 55, 3204 (1997) • Ré-absorption des harmoniques PRL 82, 1668, (1999)

10. Génération d’harmoniques dans les cavités

11. Génération d’harmoniques dans les cavités Injection: 100 MHz, 48 fs, 8 nJ Cavité Input coupler T = 0.1 % Rmax 750 – 850 nm Dispersion <~ 10 fs2 Finesse ~2500 Amplification : ~ 600 (4.8 µJ) Durée : 60 fs Pcréte = 80 MW, <P> = 480 W Imax 3x1013 W/cm2 H3: 10 µW (eff. 10-8) Pble: effets non lin. dans saphire

12. Deux expériences réalisées simultanément en 2005

13. Injection : 20 fs, 112 MHz, 7.7 nJ (850 mW) Cavité : T = 1%, Amplification : 54 (calcul : 100) Durée 28 fs, 339 nJ Pcrete = 12 MW, <P> = 38 W Imax = 5x1013 W/cm2.

14. Et en 2008 (MPQ) Injection: 10.8 MHz, 38 fs, 139 nJ, 1.5 W Cavité sous vide, 27.8 m de long Amplification : ~ 100 (~13.9 µJ) Durée : 57 fs Pcréte = 244 MW, <P> = 100 W Imax >5x1013 W/cm2 W0 = 13 µm

15. Et en 2008 (Boulder) Injection: 1070 nm, 136 MHz, 75 fs, 73 nJ, 10 W Cavité Input coupler T = ?% Rmax 1070 nm Dispersion ? fs2 Finesse ~ Amplification : ~ 260 (~19 µJ) Durée : 100 fs Pcréte = 190 MW, <P> = 2600 W Imax > 4x1013 W/cm2 W0 ~ 10 µm conversion H13: 10-9 Pble: harmoniques dispersées, tenue au flux, harmoniques basses Yb CPA haute cadence

16. Autres approches pour accéder à l’XUV • Miroir troué (mode d’ordre supérieur) • problème de pertes • et d’accord de phase • Mise en forme du faisceau laser: • Géométrie non colinéaire Mise en forme du milieu générateur Reflection rasante xuv avec autres matériaux Utiliser (ou observer) l’xuv directement dans la cavité ?

17. CPA haute cadence Yb:KGW 100 kHz – 1 MHz Entrance slit Detection : Dual Multi-Channel Plate Detector coupled to a phosphor screen imaged on a cooled CCD camera J. Boullet et al. Opt. Lett. Accepted

18. HHG à 100 kHz Gas jet Odd High Order Harmonics Of the fundamental (1030 nm) XUV grating FCPA output Intensité 7x1013 W/cm2 f =100 mm 33.2 nm @ 100 kHz Rep. Rate Spectres XUV émis dans Ar E ~ 100 µJ PP ~ 340 MW I ~7.1013 W/cm2

19. HHG à 1 MHz Gas jet Odd High Order Harmonics Of the fundamental (1030 nm) XUV grating FCPA output Intensity several 1013 W/cm2 f =100 mm lens At 1 MHz Rep. Rate Down to 68.7 nm !!! XUV spectrum generated in Xe E ~ 30 µJ <P> = 28 W PP ~ 100 MW I ~2.1013 W/cm2

20. HHG results Gas jet Odd High Order Harmonics Of the fundamental (1030 nm) XUV grating FCPA output Intensity several 1013 W/cm2 f =100 mm lens Estimation de la puissance accessible dans l’XUV: Efficacité (/harm) = 10-6 à 10-9 P = 30 µW à 30 nW Travaux en cours :milieu générateur, collection de l’xuv & laser + fiabilisation

21. XUV IR Vers le recyclage de photons? 100 kHz – MHz XUV source Rateout = Ratein >99% de l’énergie IR « perdue » IR XUV OK sans gain MHz – 10 MHz XUV Rateout > Ratein Energie IR recyclée Relache les contraintes Sur la cavité Mais encore mieux Avec gain

22. En conclusion • Émission d’harmoniques d’ordre élevés à haute cadence observée. • Puissance crête nécessaire: 10 ~ 100 MW • Beaucoup de potentiel et améliorations possibles • kW ds cavité + 10-6 = source XUV mW ultracourte • extrapolable à d’autres longueur d’onde de fondamental: keV? • Peignes de fréquence dans l’XUV • Test intracavité non destructif, génération dans milieux exotiques

23. H27 H29 H31 H25 H41 H51 Generation d’harmoniques d’ordres élevés • Harmoniques impaires du fondamental • Relation de phase entre ces harmoniques (impulsions attosecondes) • Trois domaines perturbatif – plateau - coupure • Loi de coupure hnmax = Ip + 3.2 Up • Efficacité typiques (/harm.) de 2-5 10-5 (Xe, Kr) à 10-8 – 10-9 (He Ne)

24. Effets macroscopiques: Influence de la propagation Accord de phase : kq = q k1 + K t2 k1 t1 K = Fat Ph. Balcou et al., PRA 55, 3204 (1997) Conditions d’accord de phase influent directement sur l’efficacité du processus (relation Zr Lmed, P, Labs, taux d’ionisation etc)