Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques

Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques Études de l’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence et du blocage de modes dans les oscillateurs paramétriques optiques Nicolas Forget

Plan • Introduction • L’amplification paramétrique optique en quelques mots • L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence • Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués • Conclusions

Ti:Saphir Introduction • Un problème concret : amplifier des impulsions courtes à 1054 nm • impulsions courtes spectre large 100 fs 16 nm • pour amplifier (>106) uniformément toutes les fréquences optiques, il faut un amplificateur large bande • Nd:verre gain fort, faible bande • Yb:verre gain moyen, faible bande • Ti:saphir gain faible, large bande Insuffisant à cause du rétrécissement spectral par le gain

Bande de gain Ti:Saphir (à 820 nm) Bande de gain OPA LBO colinéaire (à 1054 nm) Bande de gain OPA LBO non colinéaire (à 930 nm) Introduction • Une solution : l’amplification paramétrique optique (OPA) ? • Les amplificateurs paramétriques optiques : • large bande • très fort gain • accordables en longueurs d’onde • transparents (moins d’effets thermiques)

Cavité régénérative Amplificateur multipassage Nd:YAG 532 nm Nd:YAG Polariseur Ti:Saphir 1 nJ/1 mJ Ti:S Cellule de Pockels nJ Dièdre Cellule de Pockels ou rotateur de Faraday mJ OPA 1 nJ 1 mJ Nd:YAG 532 nm 1 mJ Cristal non linéaire f f f f Introduction • Une solution : l’amplification paramétrique optique ?

Introduction • Une solution à 1054 nm ? + Début thèse Première démonstration* * A. Dubietis, G. Jonusaukas and A. Piskarkas, Opt. Comm. 88 (1992)

Introduction • La problématique du sujet de thèse Limites de la technique OPCPA ? Quel est le contraste temporel des impulsions amplifiées ? et plus particulièrement … et pourquoi pas … Peut-on générer des impulsions courtes directement à partir d’un oscillateur paramétrique optique pompé en régime continu ?

Introduction • Les laboratoires d’accueil Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Ville de Palaiseau Catherine LE BLANC Ji-Ping ZOU Université Paris-sud Ville d’Orsay

Introduction • Les laboratoires d’accueil Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Emmanuel ROSENCHER Michel LEFEBVRE Ville de Palaiseau Université Paris-sud Ville d’Orsay

Cyril DRAG Fabien BRETENACKER Introduction • Les laboratoires d’accueil Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Ville de Palaiseau Université Paris-sud Ville d’Orsay

Introduction • Les laboratoires d’accueil Plateau de Saclay Ecole Polytechnique ONERA Ville de Palaiseau Patrick GEORGES Université Paris-sud Ville d’Orsay

Igor JOVANOVIC Christopher P. G. BARTY Introduction • … et de nombreuses collaborations Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Californie Vincent BAGNOUD Jonathan D. ZUEGEL Laboratory for Laser Energetics, Rochester, New York

Signal amplifié Faisceau pompe Pompe atténuée Faisceau complémentaire Faisceau signal Cristal non linéaire Faisceaux superposés (spatialement) Impulsions synchronisées (temporellement) + + Accord de phase Transfert d’énergie Physique de l’OPA • Principe de l’amplification paramétrique optique (OPA) OPA = amplificateur paramétrique optique

Laser Relaxation non radiative Relaxation non radiative Physique de l’OPA • OPA et amplification laser OPA

OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique Physique de l’OPA • Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO Longueur d’onde (µm) Pompe à 527 nm, 500 MW/cm² Angle pompe-signal (°)

OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique Physique de l’OPA • Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO ~80 nm Longueur d’onde (µm) Pompe à 527 nm, 500 MW/cm² Angle pompe-signal (°)

Physique de l’OPA • Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré Longueur d’onde (µm) Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique Angle pompe-signal (°)

Physique de l’OPA • Accords de phase et OPA large bande Accord de phase par biréfringence Carte de gain dans BBO OPA quasi-colinéaire et quasi-dégénéré OPA non colinéaire et non dégénéré ~130 nm Longueur d’onde (µm) Pompe à 532 nm, 500 MW/cm² Systématiquement large bande Large bande à l’angle magique Angle pompe-signal (°)

Plan • Introduction • L’amplification paramétrique optique en quelques mots • L’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence • Étude d’un préamplificateur mJ à 1054 nm • Étude du contraste temporel des impulsions amplifiées • Les oscillateurs paramétriques optiques à modes bloqués • Conclusions et perspectives

OPCPA : principe • Principe de l’amplification à dérive de fréquence (CPA) Idée maîtresse : abaisser l’intensité crête pour rester en dessous des seuils de dommage

OPCPA : principe • Principe de l’amplification paramétrique à dérive de fréquence (OPCPA) OPCPA = OP(A) + CPA

Accord de phase de type I Laser de pompe vue de dessus Polariseurs Réducteur + filtre + imagerie z z vue de face p - - - q Signal 0.5 nJ, 2,3 ns, 15 nm, 10 Hz s s s z z q q s s s BBO 2 BBO 1 Signal 600 µJ f=1m 15 mm 15 mm Dichroïque z z Sélecteur d’impulsions 10 Hz Etireur 80 Mhz, 2.3 ns Oscillateur femtoseconde 250 mW , 80 MHz, 100 fs 1054 nm, Dl=15 nm l /2 Compensation de la double réfraction Energie de pompe Préamplificateur OPCPA • Étude d’un préamplificateur OPCPA • Laser de pompe : • 30 mJ, 7 ns, déclenché, injecté • cavité instable (profil supergaussien)

Préamplificateur OPCPA • Étude d’un préamplificateur OPCPA : vue du montage 30 mJ 7 ns 0,5 nJ 2,3 ns

Préamplificateur OPCPA • Étude d’un préamplificateur OPCPA Rendement de 2,3 % Amplification jusqu’à 600 µJ Gain théorique (régime linéaire) recouvrement walk-off Signal 150 µm Pompe1.2 mm

Préamplificateur OPCPA • Étude d’un préamplificateur OPCPA non amplifié Coupe profil amplifié amplifié Amplification jusqu’à 600 µJ Ajustement gaussien recouvrement walk-off Signal 150 µm Pompe1.2 mm

1,0 0,8 0,6 Intensité (ua) 0,4 Oscillations parasites pour un gain trop important 0,2 0,0 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 Longueur d'onde (nm) Préamplificateur OPCPA • Étude d’un préamplificateur OPCPA non amplifié complémentaire amplifié non amplifié 15 nm non amplifié

Autocorrélation du second ordre 1,0 0,8 0,6 Intensité (ua) 0,4 0,2 0,0 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 Délai (fs) Préamplificateur OPCPA • Nouveau montage préamplificateur OPCPA 265 fs (12 nm)

Préamplificateur OPCPA • Conclusions des expériences sur le préamplificateur • Bonnes performances mais : • Point sensible de la technique : synchronisation laser de pompe – oscillateur fs • Pour de faibles énergies de pompe, le rendement est limité par double réfraction • Avec des gains >106, la qualité des traitements antireflets est critique Deux voies de recherche Amélioration du rendement (cristaux périodiquement retournés) Séjour au LLNL Etude du contraste temporel à grande dynamique I. Jovanovic, C. G. Brown, C. A. Ebbers, CP. J. B. Barty, N. Forget, C. Le Blanc, Opt.Lett. 30, 1036-1038 (2005)

1,0 0,8 0,6 Intensité (ua) 0,4 0,2 0,0 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 Délai (fs) Contraste temporel • Mesure du contraste à grande dynamique Autocorrélation du second ordre Autocorrélation du troisième ordre Mesure expérimentale Impulsion Piédestal Post-impulsion (artefact) Ajustement Gaussien 265 fs Fond de 10-7 à 100 ps Piédestal inattendu !

1 0,1 OPCPA LLE 0,01 Amplificateur régéneratif chaîne 100 TW du LULI 1E - 3 1E - 4 Corrélation croisée normalisée 1E - 5 1E - 6 1E - 7 1E - 8 1E - 9 1E 1E 1E - 10 seuil de détection 1E 1E 1E - 11 - - - 160 160 160 - - - 140 140 140 - - - 120 120 120 - - - 100 100 100 - - - 80 80 80 - - - 60 60 60 - - - 40 40 40 - - - 20 20 20 0 0 0 20 20 20 40 40 40 Délai (ps) Contraste temporel • Première mesure (historique) du contraste à grande dynamique • Fond à 10-8 • Piédestal long (60 ps) Limite quantique ! ? V. Bagnoud, J. D. Zuegel, N. Forget, C. Le Blanc, “High-dynamic-range temporal measurement of short-pulses amplified by OPCPA”,IFSA 2005 soumis à Optics Express

Contraste temporel • Piédestal : quelles explications ? • Mauvais contraste oscillateur ? • Effet de coupure spectrale ? • Fluorescence ? • Autre phénomène lié à l’OPA ? Modélisations et mesures Nouveau montage

Etireur Etireur Oscillateur femtoseconde Oscillateur femtoseconde Oscillateur femtoseconde GP GP MD MD TFP TFP PC PC GP GP OPA I OPA I Laser de pompe Laser de pompe Laser de pompe TFP TFP l l /2 /2 MD MD ne 100 TW ne 100 TW rative rative é é n n î î é é g g é é PG PG Compresseur Compresseur r r é é l l /2 /2 Pilote de la cha Pilote de la cha Cavit Cavit OPA II OPA II Autocorrélateur Diagnostics MD MD MD MD Contraste temporel • Montage dédié à l’étude du contraste Impulsions de 750 ps amplifiées de 200 µJ à 6 mJ

1.0 0.8 0.6 Intensité spectrale normalisée 0.4 0.2 0.0 1052 1054 1056 1058 1060 1062 1064 1066 Longueur d'onde (nm) Contraste temporel • Mesure du contraste avec et sans amplification paramétrique 6 mJ 6 mJ 200 µJ Bruit ? 300 µJ Conclusion : le piédestal est lié à l’amplification paramétrique – même à faible gain Hypothèse : peut-on relier ce phénomène aux modulations spectrales observées ?

Contraste temporel • Les modulations spectrales suffisent-elles à expliquer le piédestal ? Calcul à partir des spectres expérimentaux Mesure expérimentale Conclusion : le piédestal est induit par les modulations spectrales

qques ps I(t) pompe I(t) signal recomprimé Contraste temporel • Mécanisme proposé : qques 10 ps x = TF I(t) signal étiré I(t) signal étiré amplifié

Contraste temporel • Conclusions de l’étude sur le contraste • l’OPCPA permet d’atteindre un meilleur contraste à + de 100 ps • des modulations temporelles rapides (quelques ps) de l’impulsion de pompe sont transférées sur les spectres amplifiés et induisent un piédestal dans le domaine temporel après recompression • le gain est instantané dans un OPA : il faut donc des impulsions de pompe sans structures spatio-temporelles et parfaitement « lisses » temporellement • il faut considérer deux sources de bruit en OPCPA : • un bruit incohérent d’origine quantique : la fluorescence • un bruit cohérent : le bruit d’intensité des impulsions de pompe N. Forget, A. Cotel, E. Brambrink, P. Audebert and C. Le Blanc, «Pump-noise transfer in optical parametric chirped-pulse amplification» accepté à Optics Letters (2005)

I(t) signal recomprimé Contraste temporel • Quelles améliorations possibles ? • Améliorer l’injection (couplage, puissance) • Utiliser un laser de pompe à modes bloqués • Utiliser comme pompe une chaîne CPA Mais ces solutions n’évitent pas les modulations temporelles induites par l’émission spontanée amplifiée (ASE ~ 10-3-10-5) : ~largeur spectrale du milieu à gain utilisé pour le laser de pompe dérive de fréquence de l’impulsion signal

OPO à modes bloqués • Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité • Pourrait-on aller jusqu’à remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ? Modulateur optique Impulsion fs à 1054 nm Pompe cw 532 nm Ti:S

Oscillateur paramétrique optique verrouillé en modes • Avec quels bénéfices ? • nouvelles sources primaires ultra-courtes : jusqu’à quelques fs • sources accordables sur tout le spectre IR OPO à modes bloqués • Une idée originale : insérer un OPA dans une cavité • Pourrait-on aller jusqu’à remplacer les cristaux laser par des amplificateurs paramétriques dans les oscillateurs femtosecondes ? Modulateur optique Impulsion fs à 1054 nm Pompe cw 532 nm OPA

OPO à modes bloqués • Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO • Une idée neuve ? • premier article théorique en 1974 ! M. F. Becker, D. J. Kuizenga, D. W. Phillion and A. E. Siegman, « Analytic expressions for ultrashort pulse generation in mode-locked optical parametric oscillators », J. Appl. Phys. 45 (1974) • OPO ultra-court depuis 1995G. M. Gale, M. Cavallari, T. J. Driscoll and F. Hache, « Sub-20-fs tunable pulses in the visible from an 82-MHz optical parametric oscillator », Opt. Lett. 20 (1995) • mais jamais réalisé en continu

OPO à modes bloqués • Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO M4 M4 Modulateur acousto-optique M3 M3 M2 M2 M1 M1 532 nm 532 nm l l MC MC PPLN: PPLN: MgO MgO MC MC f f PG PG /2 /2 Modèle simple : en OPO simplement résonnant on peut produire des impulsions de quelques ps

Favorable pour supporter des impulsions courtes OPO à modes bloqués • Idée directrice : le verrouillage de modes actif dans un OPO Seuil x2 Spectre émis par l’OPO en quasi-continu pompe 1064 nm OPO 40 nm Seuil : 130 mW OPO doublement résonnant, cavité courte

OPO à modes bloqués • Vue du montage

OPO à modes bloqués • Résultats expérimentaux Sans modulation Avec modulation acousto-optique Train d’impulsions

OPO à modes bloqués • Résultats expérimentaux N. Forget, S. Bahbah, C. Drag, M. Lefèbvre, F. Bretenacker and E. Rosencher, soumis à Optics Letters

OPO à modes bloqués • Mais…. pas de régime stationnaire strict pompe 4,5 Au seuil (1,6 W) 4,0 Pompe 1,8 W Pompe 2,3 W 3,5 Pompe 2,4 W 3,0 2,5 2,0 Durée des impulsions (ns) 1,5 1,0 0,5 0,0 80 100 120 140 160 180 Durée depuis début impulsion de pompe (µs) • Élargissement des impulsions : de 550 ps à 4 ns (photodiode 50 ps, oscilloscope 2,5 GHz) • Fond continu

puissance impulsion complémentaire impulsion signal Modulation t t temps tc ts t=0 OPO à modes bloqués • Explications possibles : Écart au modèle : OPO doublement résonnant dispersion dispersion Avec un modèle simple pour un OPO doublement résonnant impulsions de 200-300 ps.

Des amplificateurs laser aux amplificateurs paramétriques