Amplification paramtrique optique dimpulsions drive de frquence OPCPA

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Amplification paramétrique optique d’impulsions à dérive de fréquence (OPCPA): propriétés et applications Journées des

Amplification paramétrique optique d’impulsions à dérive de fréquence (OPCPA): propriétés et applications Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 Emmanuel HUGONNOT (CEA CESTA, Département Laser de Puissance) 1

Vers l’ultra-haute intensité Oscillateurs ultracourts ( 10 fs) Puissances crêtes de l’ordre du MW

Vers l’ultra-haute intensité Oscillateurs ultracourts ( 10 fs) Puissances crêtes de l’ordre du MW Certaines applications réclament des puissances plus importantes Interaction laser-matière dans des conditions extrêmes (radiographie, physique atomique et nucléaire, allumage rapide, … ) Eclairement 1020 -21 W/cm 2 Puissance 1015 W (PW) Radiographie X Mécanismes nucléaires au cours de l’interaction d’un laser PW avec un solide Nécessité d’amplifier les impulsions ultracourtes issues des oscillateurs Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 2

CPA: amplification à dérive de fréquence Il n’est pas possible d’amplifier directement (Effets non-linéaires,

CPA: amplification à dérive de fréquence Il n’est pas possible d’amplifier directement (Effets non-linéaires, dommages) - Augmentation de la taille spatiale des faisceaux Lasers k. J, ns faisceaux de 40 cm x 40 cm. - Etirement temporel de l’impulsion ultra-courte Utilisation d’un élément dispersif: ajout à la phase d’une dépendance quadratique en temps (dérive en fréquence linéaire) CPA D. Strickland et G. Mourou, Opt. Commun. 56, 219 (1985) Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 3

OPA: amplification paramétrique optique Amplification Grand nombre d’architectures basées sur l’émission stimulée Amplification simple

OPA: amplification paramétrique optique Amplification Grand nombre d’architectures basées sur l’émission stimulée Amplification simple passage, multipassage, régénérative Titane: saphir, Matrices dopées Néodyme ou Ytterbium, … De la table optique à la grande installation Thermique, ASE, rétrécissement spectral par le gain Puissances de l’ordre du PW difficiles à obtenir Il existe une autre manière d’amplifier…. Amplification Paramétrique Optique (OPA) Accord de phase Mélange d’onde (effet NL d’ordre 2) Phénomène instantané: pas de stockage d’énergie Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 4

Amplification paramétrique d’impulsions à dérive en fréquence CPA Chirped Pulse Amplification OPA Optical Parametric

Amplification paramétrique d’impulsions à dérive en fréquence CPA Chirped Pulse Amplification OPA Optical Parametric Amplification OPCPA Optical Parametric Chirped Pulse Amplification 1ère démonstration expérimentale Journées des Phénomènes Ultrarapides Proposition d’utilisation pour laser PW 27 avril 2009 5

Système OPCPA ps à ns Oscillateur fs Etirement Compression (2) Synchronisation Pompe Focalisation Idler

Système OPCPA ps à ns Oscillateur fs Etirement Compression (2) Synchronisation Pompe Focalisation Idler Pompe résiduelle Un ou plusieurs étages d’OPA Accord de phase par biréfringence (BBO, LBO, KDP, …) Quasi accord de phase (pp. LN, pp. KTP, …) Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 6

Quelques propriétés de l’OPCPA Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 7

Quelques propriétés de l’OPCPA Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 7

Amplificateur Paramétrique s, ks p, kp (2) i= p- s L Equations couplées Cas

Amplificateur Paramétrique s, ks p, kp (2) i= p- s L Equations couplées Cas colinéaire: k=ki+ks-kp Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 8

Amplificateur paramétrique Résolution analytique (pour mêmes vg) à l’accord de phase ( k=0) avec:

Amplificateur paramétrique Résolution analytique (pour mêmes vg) à l’accord de phase ( k=0) avec: Intensités (ua) pompe Gain en régime petit signal (z<<z 0) G=Is(L)/Is(0) signal idler Longueur du cristal Journées des Phénomènes Ultrarapides Exemple: BBO 15 mm, Ip=1 GW/cm 2 G 106 Déplétion complète de la pompe pour z=z 0 : saturation z>z 0 : reconversion 27 avril 2009 9

Efficacité de conversion A saturation, théo=50% à la dégénérescence ( s= i=2 p) …

Efficacité de conversion A saturation, théo=50% à la dégénérescence ( s= i=2 p) … mais avec des faisceaux mis en forme Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 10

Stabilité Le maximum de stabilité n’est pas obtenu à la saturation Journées des Phénomènes

Stabilité Le maximum de stabilité n’est pas obtenu à la saturation Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 11

Mise en Forme par la pompe Près de la saturation, le signal est mis

Mise en Forme par la pompe Près de la saturation, le signal est mis en forme par la pompe Signal Pompe mise en forme Initial Amplifié Temps Spectre Miró Pompe Hugonnot, Luce et Coïc Applied Optics 45, 377 (2006) Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 12

Accordabilité et acceptance spectrale dépend de la géométrie de l’interaction : angle accord de

Accordabilité et acceptance spectrale dépend de la géométrie de l’interaction : angle accord de phase : angle non colinéaire Exemple: cristal de BBO pompé à 532 nm =0° Accordabilité sur une large bande spectrale Journées des Phénomènes Ultrarapides www. as-photonics. com/SNLO =2. 4° En non-colinéaire, l’acceptance spectrale est suffisante pour des impulsions de 7 fs 27 avril 2009 13

Amplification d’impulsions ultracourtes Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 14

Amplification d’impulsions ultracourtes Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 14

Le contraste de l’OPCPA Regen Ti: saphire OPCPA Y. Kitagawa et al, IEEE J.

Le contraste de l’OPCPA Regen Ti: saphire OPCPA Y. Kitagawa et al, IEEE J. Quantum Electron. 40, 281 (2004) Bagnoud, Zuegel, Forget et Le Blanc, Opt. Express 15, 5504 (2007) Différentes sources de dégradation du contraste - Coupures spectrales dues aux dimensions finies des optiques de l’étireur Solution: pompe fronts mous (supergaussienne d’ordre faible) et p< s - Modulations temporelles pompe (N. Forget et al, Opt. Lett. 30, 2921 (2005) ) Solution: Filtrage laser de pompe (p. ex. VBG, C. Dorrer et al, Opt. Lett. 32, 2378 (2007) ) - Fluorescence paramétrique Solution: Injection OPA avec un signal propre et de forte énergie (H. Kiriyama et al, Opt. Commun 282, 625 (2009) C>1010 à l’échelle ps) Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 15

OPCPA: vers les impulsions PW Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 16

OPCPA: vers les impulsions PW Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 16

OPCPA de forte énergie VULCAN 350 J@1053 nm 35 J Journées des Phénomènes Ultrarapides

OPCPA de forte énergie VULCAN 350 J@1053 nm 35 J Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 17

PETAL Construction d’un laser multi-Petawatt de haute énergie sur la LIL Responsabilité Supervision Scientifique

PETAL Construction d’un laser multi-Petawatt de haute énergie sur la LIL Responsabilité Supervision Scientifique Réalisation Premier pas vers Pilote OPCPA Section Amplificatrice Compression Focalisation =8 nm, t=4. 5 ns 6 k. J 3. 5 k. J 1021 W/cm 2 E>100 m. J 3. 2 nm, 1. 8 ns 500 fs 40 x 40 mm 2 400 x 400 mm 2 Blanchot et al, Plasma Phys. Control. Fusion 50 (2008) 124045 Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 18

Le pilote OPCPA de PETAL E>100 m. J, =8 nm, t=4. 5 ns Hugonnot

Le pilote OPCPA de PETAL E>100 m. J, =8 nm, t=4. 5 ns Hugonnot et al, Appl. Opt. 46, 8181 (2007) Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 19

Conclusion • Ses qualités font de l’OPCPA l’amplificateur idéal pour les laser UHI •

Conclusion • Ses qualités font de l’OPCPA l’amplificateur idéal pour les laser UHI • Qualité temporelle et spatiale (amplitude et phase) de la pompe primordiale • NOPA: <10 fs, quelques dizaines de m. J • OPCPA: quelques k. J dans la gamme ps • La réunion des deux? OPCPA avec injection 10 fs, pompe LMJ ou NIF 1020 W (0. 1 zetawatt) Journées des Phénomènes Ultrarapides 27 avril 2009 20