Frédéric Druon & Patrick Georges

1. Compression jusqu'à 20 fs dans une fibre à cristaux photoniques injectée par un laser Yb:SYS émettant à 1070 nm Frédéric Druon & Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique - UMR 8051 du CNRS, Orsay, France JNOG 2004

2. Plan • Principe • Dispositif expérimental • Compression d’impulsions • Limitation • Conclusion JNOG 2004

3. Principe • Lasers à base de cristaux dopés Yb3+ efficaces, mais durée ≈100fs • ID: réduire la durée par élargissement spectral (SPM)puis compression Laser Fibre compresseur Automodulation de phase (SPM) Dispersion anormale Élargissement spectral Remise en phase du spectre JNOG 2004

4. Intensité (u.a.) Durée (ps) Propagation (m) Problématique • Problème: les lasers dopés à l’Yb3+ émettent vers 1µm : • Forte dispersion de vitesse de groupe (GVD) dans les fibres « classiques » à cette longueur d’onde Zone effective pour effets NL JNOG 2004

5. Silice Air Défaut de périodicité (cœur) Utilisation de fibres microstructurées • Qu’est ce que c’est ? • fibre en silice • à trous • avec une structure périodique • souvent en nid d’abeille Photos : http://www.blazephotonics.com/ JNOG 2004

6. Dispersion dans les fibres microstructurées Fibres microstructurées Silice Dispersion-zero accordable Fibres classiques Dispersion (ps/km.nm) Contrôle de la dispersion du mode => Contrôle de D=0 Longueur d’onde (µm) JNOG 2004

7. Fibre utilisée • Fibre utilisée D=0 @ 1065 nm Diamètre de cœur : 5 ± 0.2 µm Longueur : 20 cm Efficacité de couplage: ≈30% 50 25 D [ps/nm/km] 0 Laser (1070 nm) -25 950 1000 1050 1000 1150 1200 Longueur d’onde [nm] JNOG 2004

8. Laser femtoseconde Cristal Cristal Miroirs dichroïques x6 Yb:SYS Yb:SrY4(SiO4)3O 16 mm 80 mm SESAM // junction Diode Laser 4 W Dopage: 5.5% Longueur: 3mm Prisme (SF10) Fente Prisme (SF10) Coupleur de sortie Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide, Paris, France Durée: ≈110 fs Longueur d’onde:1070 nm Dt.Dn: 0.37 Puissance moyenne: 400 mW Cadence: 98 MHz F. Druon & al., Opt. Lett. 27 1914-1916 (2002). JNOG 2004

9. Schéma global Oscillateur femto (400 mW, 110 fs, @ 1070 nm) Compresseur à prismes 30 mW Yb:SYS Prisme (SF10) ≈20 fs SESAM Prisme (SF10) Laser Diode (4W) Prisme (SF10) Coupleur de sortie dièdre l/2 l/2 Prisme (SF10) 110 fs 4 mm 8 mm Fibre microstructurée Faisceau Diamètre de cœur: 5 ± 0.2 µm Longueur: 20 cm Couplage Maximum: 30% Zéro dispersion: 1065 nm Courteously provided by JNOG 2004

10. Élargissement spectral dans la fibre par SPM Puissance couplée dans la fibre Spectres (log) Longueur d’onde JNOG 2004

11. Comparaison avec le modèle :le spectre 1 Théorie: SPM seule (46 mW) 0,8 Théorie: SPM, TOD, SS (46mW) Expérience (45 mW) 0,6 102 nm Puissance (a.u.) 0,4 0,2 0 950 1000 1050 1100 1150 1200 Longueur d’onde (nm) Asymétrie due à la dispersion du 3ème ordre (TOD) et au self-steepening (SS) JNOG 2004

12. Expérience (45mW) Théorie (46mW) Puissance (u.a.) Délai (fs) Comparaison avec le modèle :autocorrélation Autocorrélation Impulsion théorique Puissance (u.a.) Durée (fs) Relativement bon accord => durée ≈ 21 fs JNOG 2004

13. Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de l’impulsion Spectre expérimentale algorithme de minimisation PICASO autocorrélation X expérimentale Données initiales : Solution théorique PICASO method : J.W. Nicholson & al., Opt. Lett. 1774-76 (2003) Impulsion retrouvée Méthode précise mais converge mal si impulsions satellites importantes JNOG 2004

14. Impulsions compressées Autocorrélation Impulsion retrouvée PICASO (20fs) Théorie (21fs) PICASO (phase) Théorie (phase) Expérience Théorie PICASO Puissance (u.a.) Puissance (u.a.) Délai (fs) Durée (fs) Durée de l’impulsion : 20 ± 1 fs 45 mW après la fibre Puissance moyenne 30 mW après le compresseur JNOG 2004

15. Déphasage SPM : FSPM=gPpL 0 p 2p Avec l’autocorrélation interférométrique Durée des impulsions (fs) Amplitude des satellites (%) Avec PICASO Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Puissance couplée (mW) Optimisation durée / impulsions satellites Optimum : Avec satellites < 20%: FSPM≈2p Équivalent à ≈45 mW couplés durée : 20±1 fs JNOG 2004

16. Limitation due à l’effet Raman 1er Raman 2nd Raman Spectres (log) Limitation spectrale et donc de la compression Longueur d’onde Autodécalage en fréquence de soliton (Soliton Self-Frequency Shift) À cause de l’effet Raman Stimulated Raman Scattering JNOG 2004

17. expérience théorie Puissance (u.a.) Délai (fs) Qualité temporelle des impulsions Autocorrélation 70 mW Nombreuses impulsions satellites Zoom expérience théorie Limitation donnée par le modèle < 5 fs Puissance (u.a.) Limitation expérimentale > 11 fs Délai (fs) JNOG 2004

18. FSPM=gPpL 0 p 2p 3p 4p 5p Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Décalage Raman Synthèse des limitations Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Amplitude des satellites (%) Durée des impulsions (fs) Décalage Raman (nm) Puissance couplée (mW) Limitation des satellites : 20 fs Limitation Raman :11 fs JNOG 2004

19. Conclusion et perspectives • Technique simple de compression 20±1 fs expérimentalement obtenues bon accord avec le modèle Technique efficace • Limitations Impulsions satellites Auto décalage de fréquence dû à l’effet Raman • Prévisions avec le modèle oscillateur avec 50 fs conduirait à des impulsions <15 fs avec des satellites d’amplitude faible JNOG 2004

20. Extra JNOG 2004

21. XFROG[Ecompressed,ETF] - XFROG[ETF,ETF] FSPM XFROG[Ecompressed,ETF] XFROG[Efiber,Einput] 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 0 1 0 1 -0.5 0 0.5 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 0 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -300 -300 -300 -300 -300 -300 -300 -300 -300 -300 -300 -300 Délai (fs) 1300 900 1000 1100 1200 p Délai (fs) 1300 1300 1300 900 900 900 1000 1000 1000 1200 1200 1200 1100 1100 1100 2p Délai (fs) 3p Délai (fs) 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 950 950 950 950 950 950 950 950 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150 longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm) Théorie Icompression avec des impulsions de 100 fs Visualisation spectro-temporelle : Porte temporel résolue en fréquence R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, "Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating," Rev. Sci. Instrum. 68, 3277-3295 (1997). JNOG 2004

22. XFROG[Ecompressed,ETF] - XFROG[ETF,ETF] Dti XFROG[Ecompressed,ETF] XFROG[Efiber,Einput] 0 1 0 1 -0.5 0 0.5 50 fs Délai (fs) 100 fs Délai (fs) 500 500 500 500 200 200 200 200 200 200 200 200 400 400 400 400 150 150 150 150 150 150 150 150 300 300 300 300 50 50 50 50 50 50 50 50 200 200 200 200 100 100 100 100 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 50 50 50 50 50 50 50 -100 -100 -100 -100 -200 -200 -200 -200 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -100 -300 -300 -300 -300 200 fs -150 -150 -150 -150 -150 -150 -150 -150 -400 -400 -400 -400 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -200 -500 -500 -500 -500 Délai (fs) 1200 1200 1200 1200 950 950 950 950 1000 1000 1000 1000 1050 1050 1050 1050 1100 1100 1100 1100 1150 1150 1150 1150 400 fs Délai (fs) 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 950 950 950 950 950 950 950 950 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150 longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm) longueur d'onde (nm) Théorie IIcompression jusqu’à 20 fs Amplitude du premier satellite Durée des impulsions incidentes (fs) Produit : Dt.Dn Durée des impulsions incidentes (fs) JNOG 2004

23. Asymmetry : third orders of dispersion (TOD) and self-steepening (SS) Pure SPM Spectrum Power Wavelength SPM, TOD, SS Spectrum Power Wavelength JNOG 2004

24. Impulsion après compression autocorrélations Interferometriques durée : 22.5 fs ± 3 fs JNOG 2004