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STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS

STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS. Application de l’ONL. Sébastien MONTANT. CELIA montant@celia.u-bordeaux1.fr. Applications de l’Optique Non Linéaire. Conversion de fréquence : Doublage / Triplage Limitations / Contraintes Amplification OPA , OPCPA

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STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS

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Presentation Transcript

  1. STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Application de l’ONL Sébastien MONTANT CELIA montant@celia.u-bordeaux1.fr

  2. Applications de l’Optique Non Linéaire • Conversion de fréquence : • Doublage / Triplage • Limitations / Contraintes • Amplification OPA , OPCPA • OPA : Topas un produit commercial • OPCPA : « Basse » Énergie : pilote • OPCPA : « Haute » Énergie : chaîne PW

  3. Équations de Maxwell dans un milieu Non linéaire • Optique non linéaire est le résultat d’une réponse (polarisation) non linéaire d’un matériau au champ. • Quelle est l’effet produit par cette polarisation ? • Le second terme : 2w = second harmonique • La génération de second harmonique est un effet particulier parmi beaucoup d’autres plus « exotique »

  4. Conversion de fréquence • But : • Augmenter la gamme spectrale accessible (spectroscopie, pompage laser,…) • Améliorer le contraste spatiale et / ou temporelle • Augmenter l’effet lors d’une interaction laser – matière • Comment ? • Processus non linéaire basé sur un matériau à susceptibilité d’ordre 2 : E2w(x,t)c(2)Ew2(x,t)

  5. Cristal SHG E 2(t) E (t) w 2w Le moyen : un cristal non linéaire • Nécessité d’un cristal avec des propriétés non centro symétriques Ew(x,t) → -Ew(x,t) E2w(x,t) → -E2w(x,t) Matériau centro symétriques : c(2) constant. Alors : -E2w(x,t) c(2) [-Ew(x,t) ]2 = c(2)Ew(x,t)2 = E2w(x,t) Malheureusement la plupart des matériaux sont soit isotrope soit centro symétrique !

  6. Les cristaux : une zoologie • Les plus courants : • Le KDP (KH2PO4), Potassium Dihydrogen Phosphate , deff=0,4pm/V • Le BBO (b-BaB2O4), Beta-Barium Borate, deff =2,3 pm/V • Le LBO (LiB3O5), Lithium Triborate, deff =0,8 pm/V • Le KTP, LiNbO3, KNbO3, …

  7. Un peu d’histoire • La première démonstration: P.A. Franken, et al, Physical Review Letters 7, p. 118 (1961) On remarquera que la « preuve » est absente car l’éditeur a supposé que c’était une poussière sur l’épreuve originale !

  8. OA ki ks Q W kp a Conditions à respecter pour obtenir la conversion de fréquence • Conservations de l’énergie : • Conservations du moment : conditions d’accord de phase :

  9. Et si on ne les respecte pas ?

  10. Refractive index Frequency Comment les respecter Conservations du moment : conditions d’accord de phase : Soit : n(2w) = n(w) Mais la dispersion des matériaux empêchent cette égalité Une solution : Utiliser la biréfringence des matériaux. Les matériaux biréfringents possèdent deux indices différents (ordinaire et extra ordinaire) pour 2 polarisations croisées.

  11. Refractive index AO q kw n0(2w) ne(2w,q) n0(w) Frequency ne(w,q) Accord de phase à l’aide de cristaux biréfringents Soit : no(2w) = ne(w) Indice extraordinaire dépend de la direction de propagation dans le milieu. Une orientation adaptée du cristal permet l’indice de réfraction à la longueur d’onde de travail.

  12. Une méthode alternative • Accord de phase dans des milieux polarisés périodiquement : Exemples : PPLN, PPKDP

  13. Autres conditions à remplir : • Conservation de l’énergie : w+w=2w • Énergie : E1(w)=E2(w)=E3(2w) • photons : n1(w)=n2(w)=n3(2w) • Superposition temporelle et spatiale • Différentes configurations de polarisations : • Type I : ooe : onde 1 ordinaire, onde 2 ordinaire, onde 3 extraord. • Type II : oee : onde 1 ordinaire, onde 2 extraord., onde 3 extraord. • Beaucoup de configurations possibles  Choix nécessaire

  14. Doublage d’impulsions nanosecondes: l’objectif • Cas de la pompe OPCPA du pilote PETAL • 2 faisceaux de 1 J chacun à 1053 nm d’une durée de 9 ns • Configuration non colinéaire • Cristal de KDP 1J à 1053 nm KDP >1J à 527 nm 1J à 1053 nm

  15. Doublage d’impulsions nanosecondes:les paramètres • Choix • Angle de coupe du cristal  code numérique (SNLO) • Taille des faisceaux 1w • Longueur du cristal L cordialement • Optimisation des deux derniers paramètres en tenant compte de la tenue au flux (marge de sécurité KDP Fseuil ~ 3GW/cm2 ) • Résultat : • Angle de coupe du cristal type II : q = 59,2 ° • paramètres d’interactions : wo=1cm*1cm, L = 2 cm • Simulation Miro : h = 0,54

  16. Triplage d’impulsions nanosecondes : Cas de la LIL/LMJ • En deux étapes : générations d’une onde à 2w puis sommation d’une onde à w et celle à 2w. • Pour être efficace on doit être equi photonique lors de la sommation w + 2w=3w • photons : n4(3w)=n3(2w)= n1(w) et n1(w)=n2(w)=n3(2w)

  17. Pilote Injection Polariseur M T 1 Amp1 Amp2 L3 L4 L2 L1 M1 Pockels Demi tour Réseau 1w MT Transport KDP Cible Hublot Schéma de la chaîne LIL

  18. Forme temporelle sur la LIL

  19. Configuration du Système de Conversion de Fréquence 3w • Doubleur : • Angle de coupe du cristal type I : q = 41,2 ° • paramètres d’interactions : wo=40cm*40cm, L = 1,25 cm • Tripleur • Angle de coupe du cristal type II : q = 59,1 ° • paramètres d’interactions : wo=40cm*40cm, L = 0,9 cm

  20. Résultat sur la LIL • Énergie à 1w : 20 kJ • Énergie obtenue à 3w : 9,5 kJ

  21. Contraintes et limitations : • L’acceptance spectrale (impulsion courte) • L’acceptance angulaire • Quel efficacité envisageable ?

  22. Refractive index Wavelength Acceptance Spectrale • Efficacité de conversion : • Désaccord de phase : • L’accord de phase ne fonctionne qu’à une fréquence !

  23. Cas du BBO et du KDP • L’acceptance spectrale est faible. Elle augmente quand : • L’épaisseur du cristal diminue • Quand la dispersion diminue BBO KDP

  24. La différence de vitesse de groupe • A l’intérieur d’un cristal 2 impulsions à 2 longueurs d’onde ont 2 vitesses de groupe différentes. • Si on suppose qu’une impulsion courte rentre à l’entrée du cristal • Il faut toujours vérifier : L . GVM << tp • Acceptance spectrale du à la DVG : (Impulsion gaussienne : t  = 0.442/c) =.44 2/c 1/ t =.44 2/c 1/(L GVM) Or 1/vg=l/c n’(l) donc : La DVG est équivalente à l’acceptance spectrale

  25. Refractive index Wavelength AO q kw n0(2w) ne(2w,q) n0(w) ne(w,q) Acceptance Angulaire • Acceptance spectrale : domaine spectral • Acceptance angulaire : domaine vectoriel

  26. Quel efficacité ? • Des efficacités >80% ont été obtenues pour la SHG d’impulsion monochromatique • Mais les contraintes précédentes limitent l’efficacité pour les impulsions courtes : • La dispersion de vitesse de groupe • Les non linéarités d’ordre supérieur : le c(3) modifient l’indice en fonction de l’intensité. • Pour augmenter l’efficacité il est alors nécessaire de travailler la phase spectrale de l’impulsion, de disperser l’onde, …

  27. w1 w1 "signal" w2 = w3-w1 w3 w3 w2 "idler" w1 w1 w1 w3 w2 w3 w2 miroir miroir Amplification paramétrique, Différence de fréquence , … • La différence de fréquence (w2=w3-w1) prend différentes formes : Différence de fréquence (DFG) Générateur Paramétrique Optique (OPG) Amplificateur Paramétrique Optique (OPA) Oscillateur Paramétrique Optique (OPO)

  28. Un OPA commercial : TOPAS

  29. TOPAS : Couvrir le spectre

  30. CPA Amplification paramétrique d ’impulsions à dérive en fréquence (OPCPA) 3 (pompe) Amplification:OPA 1 Transfert d’énergie del’onde pompe à l’onde signalCristal = Catalyseur 1 (signal) 3 2 (idler) Avantages: pas de stockage d’énergie (aucun effet thermique) grand gain large bande de gain grande qualité de faisceau

  31. Utilisation d’un OPCPA dans le cadre d’un laser PW 1. OPCPA pour l’injection d’une chaîne laser PW Chaîne laser(Alisé, LIL,…) PW Compresseur Préamplificateur paramétrique Avantages par rapport à amplificateur régénératif: Pas de rétrécissement spectral Possibilité de faire de la mise en forme spectrale Simplicité

  32. Utilisation d’un OPCPA dans le cadre d’un laser PW 2. OPCPA en tant qu’étage d’amplification PW Pompe par laser de grande énergie: Alisé (300 J),…. PW Cristaux non-linéaires de grande taille: KDP,...

  33. Des projets de PW basés sur l’OPCPA 1/2

  34. Des projets de PW basés sur l’OPCPA 2/2

  35. Code gratuit de calcul : SNLO • Logiciel dans le domaine public maintenue par Arlee Smith du Sandia National Labs. • Utile pour choisir le meilleur cristal pour votre application particulière • Permet également quelques simulations de processus non linéaire dans les cristaux. • Les fonctions de SNLO: 1. Propriétés des cristaux 2. Calcul de nombreux paramètres en fonction de la géométrie et du cristal choisi. 3. Calcul de stabilité de cavité, d’interactions non linéaires, …

  36. Effet Electro Optique • Appliquer une tension à un cristal induit de la biréfringence. En fait cela correspond à de la sommation de fréquence avec un faisceau à la fréquence nulle (champ constant ≠ 0). • Quelques kV peuvent transformer un cristal en lame demi ou quart d’onde. V Si V = 0, la polarisation de l’impulsion ne varie pas. Polarizer “Cellule de Pockels” (tension transverse où longitudinale) Si V = Vp, la polarisation de l’impulsion est tournée de 90° Changer brutalement la tension à une cellule de Pockels permet d’aiguiller une impulsion sur des sorties différentes !

  37. L’effet Pockels est un processus du second Ordre: dc field Après Bascule Avant bascule Polariseur Miroir Polariseur Miroir Pockels avec ses axes à 0° or 90° Pockels avec ses axes à ±45° La « Pockels » :

  38. Nettoyage d’impulsion par XPM

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