Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence

1. Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence Ambre NELET

2. Fusion par Confinement Inertiel-FCI Projet HiPER (UE) Laser MégaJoule-LMJ Potentialité? Réactions nucléaires Défense Astrophysique… Source d’énergie Centrale nucléaire Allumage rapide? PETawatt Aquitaine Laser-PETAL Pré-amplicateur Technique OPCPA Introduction générale

3. Énergie Puissance = Temps Énergie Temps Système régénératif Système multipassage Milieu laser Technique OPCPA Cristal non-linéaire Contraintes Réponse Élevé Gain simple passage faible Transfert d’énergie Stockage d’énergie Négligeable Charge thermique critique Fluorescence paramétrique Émission parasite (ASE) Introduction «Le façonnage d’impulsionsultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Accroître la puissance d’un laser

4. Recompression: Haute puissance crête OPA Cristal non-linéaire (2) Source pompe - ωp Haute énergie Signal amplifié CPA: impulsion étirée Pompe déplétée Source signal - ωs Impulsions ultracourtes Onde complémentaire - Idler - ωi Haute énergie ωp= ωs+ ωi Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» CPA+OPA = OPCPA Dubietis et al., Opt. Comm. 88, 437-440 (1992)

5. lorsque Configuration dégénérée / non-dégénérée Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence» Gain OPA Module du gain OPA Phase du gain OPA

6. De nouvelles fonctionnalités et finalités Extraction énergie Cavité Train d’impulsions Rétrécissement spectral Ip(t) Mise en forme spatio-spectrale Pré-amplificateur OPCPA Impulsion ultracourte Désaccord de phase Codage spectral de l’amplification PPLN de type éventail Introduction «Le façonnage d’impulsions ultracourtes par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence»

7. Cavité Amplification et duplication d’impulsions ultracourtes par OPCPA Motivations Extraction d’énergie et duplication Onde idler

8. (b) Pompe 532 nm R1=∞ BBO externe Signal 830 nm Idler 1,48 µm R2= 20 cm Montage Ascenseur Verdi Oscillateur Ti:Saphir 830 nm 180 fs 76 Mhz l/2 Réseau Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz 50% /2 Prisme de recompression (c) (a) BBO f=1m Isolateur de Faraday Réseau Cavité OPA Polariseur Photodiode Ascenseur (d) Pockels Caméra Absorbeur de faisceau 290 ps

9. R1= ∞ R2= 20 cm Simple-passage Multi-passage Déplétion onde pompe Principe 1,5ºinterne2,4º Pompe 532 nm, 6ns BBO Photodiode externe Signal 830 nm, 290 ps Idler 1,48 µm

10. Spectre typique Accordabilité interne=2,4° p s i i’ Signal entrée Spectre moyen multipassage OPO • 6 nm sans rétrécissement spectral • 15 nm avec gain constant Résultats expérimentaux Gain en énergie Signal étiré: 1,3 nJ / impulsion Multipassage: 3.105 nJ / train Simple passage ~250 Multi-passage >2.105 Gain en énergie:

11. Signal entrée • Train de répliques amplifiées, =2° (a) (c) 6 nm 6 nm Mesure Fit gaussien (b) (d) τ= 178 fs τ= 183 fs Résultats expérimentaux Durée d’impulsion typique

12. Angle d’interaction Acceptance spectrale BBO type I Pp= 300 MW/cm² (b) Plage spectrale: Résultats expérimentaux Influence de l’angle d’interaction (a)

13. Conclusion Extraction d’énergie et duplication p Cavité Onde idler haute énergie externe s Train de répliques amplifiées du signal i • Haute énergie • Haute cadence • Accordable Résultats expérimentaux Taux de répétition Longueur de cavité: 15 cm Cadence: 1 GHz Ajustable 160 MHz<Cadence<3GHz

14. Motivations Rétrécissement spectral par le gain Amplificateur de puissance Pré-amplicateur Mise en forme spectrale Mise en forme spatio-spectrale du signal par mise en forme temporelle du faisceau pompe et OPCPA Pré-amplificateur Pompe Ip(t)

15. (a) (b) α OPA Coupe spatiale Spectre Montage: maquette de Petal Mise en forme temporelle Générateur de fonctions d’onde + Modulateur électro-optique +Amplificateur fibré Pompe Amplificateur régénératif Nd:phosphate à lame de phase, doublé en fréquence λp=527 nm / 35 mJ / 3 ns Signal Amplificateur régénératif Ti:saphir λs=1054 nm / Δλs=5 nm / 500 ps / 150 μJ

16. Domaine spectral Onde signal (a) (b) FWHM=9 nm Et la phase spectrale? Mise en forme du signal Domaine spatial Faisceau pompe Faisceau signal

17. ΦOPA compensée Puissance Crête? ΦOPA non-compensée Sur maquette lorsque or Signal pré-amplifié et pré-sculpté par NOPCPA et modulation temporelle de la pompe Amplificateur régénératif Milieu laser Compresseur Influence sur la puissance crête Conservation du spectre Validation: phase spectrale OPA? Phase du gain OPA

18. Phase OPA signal Profil temporel signal Profil temporel pompe (b) (c) (a) Initial 15% 50% 80% Après chaîne de puissance Conclusion (d) Mise en forme spatio-spectrale + ΦOPA OPCPA - Ip(t) Conservation du spectre Chaîne de puissance Contrôle ΦOPA Validation: phase spectrale OPA? Simulations numériques

19. Motivations Phase OPA additionnelle Gain supérieur Cristal à polarisation périodique OPCPA et codage spectral de l’amplification Cristal de type éventail Codage spectral de l’amplification

20. (a) (b) Amplitude du champ amplifié [u.a.] Cristal à polarisation périodique De type éventail (c) 0 deff élevé 0 6 2 4 8 Distance z/Lcoh Monodomaine Polarisations périodiques Amplification homogène de toutes les composantes spectrales Adressage spectral Ligne à dispersion nulle Mais faible tolérance spectrale Motivations Cristal non-linéaire classique deff L Δk≠0 sauf à ωs0 Grande acceptance spectrale Mais gain OPA limité par

21. Signal amplifié Signal étiré (b) Pompe 532 nm Signal 805 nm PPLN Montage Ascenseur Verdi Oscillateur Ti:Saphir 805 nm 180 fs 76 Mhz l/2 Réseau Q-switched Nd:Yag 532 nm, 6 ns, 10 Hz 50% /2 Prisme de recompression (c) (a) BBO f=1m Isolateur de Faraday Réseau Ligne 4f OPA Polariseur Photodiode Ascenseur (d) Pockels Caméra Absorbeur de faisceau

22. 0,5 mm 15 mm z 30 mm y (a) x 390 K 370 K 350 K (b) (b) 431,5 K 353 K Face +z (a) Choix du cristal LiNbO3 congruent – PPLN sip=yyz T>350 K Type I ooe Taille des périodes Coût

23. Puissance surfacique du faisceau pompe Gain spectral signal (a) (b) 1,3 nm 5,7 nm Spectre signal Autocorrélation signal (c) (d) Initial Amplifié τ168 fs τ 674 fs FWHM x 4 FWHM/4,4 Simulations Influence de la répartition gaussienne de la puissance surfacique

24. Gain Gain global Gain spectral (c) (b) Pp=225 MW/cm² T=156°C T=156°C Fit gaussien Spectre et durée calculés (d) Spectre (e) Autocorrélation Signal entrée τ=168 fs τ372 fs 2,6 nm 5,7 nm Signal amplifié FWHM x 2,2 FWHM/2,2 Résultats expérimentaux Dispersion (a) PPLN éventail Dispersion mesurée

25. Puissance pompe et gain spectral Spectre signal (a) (b) 5,7 nm Autocorrélation signal (c) Initial Initial Amplifié Amplifié τ233 fs τ=168 fs Optimisation Simulations: répartitionpuissance surfaciqueadaptée Conclusion Démonstration Adressage spectral du gain Rétrécissement spectral par le gain de l’OPA

26. -Robustesse -Précision angle α Chaîne FCI -Train de répliques amplifiées (Hautes intensité & cadence, Accordable) -Modèle acceptance spectrale fonction de l’angle α -Mise en forme spatio-spectrale -Simulations phase spectrale OPA -Amplificateur de puissance -Recompression Mesure de la phase spectrale Chaîne type Petal -Amplification par codage spectral -PPLN en éventail+ligne 4f -Rétrécissement spectral par le gain OPA -Montage -Cristal -Recompression Mesure de la phase OPA Chaîne moyenne puissance Conclusion générale Pré-amplificateur OPCPA Réalisation Amélioration Perspective

27. Impulsions UV Ablation de la surface Saturation: Conversion élevée D+T Conversion faible Drive KDP Efficacité globale restreinte Foot Solution: maintenir une illumination quasi-constante Train d’impulsions ultra-rapide et haute cadence Drive Foot Ref.:J. E. Rothenberg, Appl. Opt. 39, 6931-6938 (2000) Application: «ultrafast picket fence» Fusion par confinement inertiel

28. Train de répliques amplifiées du signal Idler Pompe Impulsion IR + Train d’impulsions ultrarapide OPA Signal Amplificateur de puissance Impulsion IR FCI Application: «ultrafast picket fence» Technique: OPCPA régénératif

29. Caractéristiques Acceptance spectrale n=1 n≠1 Surface du cristal

30. 170 fs 148 fs 169 fs 5,7 nm 155 fs Sortie Mira Signal après LDN+PPLN Sortie Mira Signal après LDN Spectrale Sortie Mira Signal après LDN+PPLN Ligne à dispersion nulle Temporelle: autocorrélation

31. Superposition spatiale des faisceaux (entrée PPLN) Axe z (a) (b) Axe y Signal Pompe Ligne à dispersion nulle

32. (c) y (b) (a) z (d) Pompe z y z y Signal Caractéristiques Spatiale: coupes tranverses des faisceaux y z