Compression jusqu 20 fs dans une fibre cristaux

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

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

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

Problématique • Problème: les lasers dopés à l’Yb 3+ émettent vers 1µm : • Forte dispersion de vitesse de groupe (GVD) dans les fibres « classiques » à cette longueur d’onde Intensité (u. a. ) Zone effective pour effets NL Du rée ) (p s) JNOG 2004 pa Pro (m n o i gat

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

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

Fibre utilisée • Fibre utilisée D=0 @ 1065 nm Diamètre de cœur : Longueur : Efficacité de couplage: 5 ± 0. 2 µm 20 cm ≈30% D [ps/nm/km] 50 25 0 Laser (1070 nm) -25 950 1000 1050 1000 1150 Longueur d’onde [nm] JNOG 2004 1200

Laser femtoseconde Cristal Dopage: 5. 5% Longueur: 3 mm x 6 Miroirs dichroïques 80 mm Yb: Sr. Y 4(Si. O 4)3 O 16 mm Yb: SYS Cristal SESAM // junction Diode Laser 4 W Prisme (SF 10) Fente Prisme (SF 10) Coupleur de sortie Laboratoire de Chimie Appliquée de l'État Solide, Paris, France F. Druon & al. , Opt. Lett. 27 1914 -1916 (2002). JNOG 2004 Durée: ≈110 fs Longueur d’onde: 1070 nm Dt. Dn: 0. 37 Puissance moyenne: 400 m. W Cadence: 98 MHz

Schéma global Compresseur à prismes Oscillateur femto (400 m. W, 110 fs, @ 1070 nm) Yb: SYS 30 m. W Prisme (SF 10) ≈20 fs SESAM Prisme (SF 10) Laser Diode (4 W) Prisme (SF 10) Coupleur de sortie dièdre l/2 Prisme (SF 10) 4 mm 8 mm 110 fs Fibre microstructurée Faisceau Diamètre de cœur: Longueur: Couplage Maximum: Zéro dispersion: JNOG 2004 5 ± 0. 2 µm 20 cm 30% 1065 nm Courteously provided by

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

Comparaison avec le modèle : le spectre Puissance (a. u. ) 1 Théorie: SPM seule (46 m. W) 0, 8 Théorie: SPM, TOD, SS (46 m. W) Expérience (45 m. W) 0, 6 102 nm 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

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

Méthode PICASO pour retrouver le profil exacte de l’impulsion Spectre expérimentale autocorrélation X expérimentale algorithme de minimisation PICASO 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

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

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

Limitation due à l’effet Raman 1 er Raman Spectres (log) 2 nd Raman 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

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

Synthèse des limitations p 2 p 3 p 4 p 5 p Durée des impulsions (fs) Durées théoriques Durées expérimentales Amplitude des satellites Décalage Raman Puissance couplée (m. W) Limitation des satellites : 20 fs Limitation Raman : 11 fs JNOG 2004 Amplitude Décalagedes Raman satellites (nm) (%) 0 FSPM=g. Pp. L

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 uto décalage de fréquence • Prévisions avec le modèle oscillateur avec 50 fs conduirait à des impulsions <15 fs avec des satellites d’amplitude faible JNOG 2004

Extra JNOG 2004

Théorie I compression avec des impulsions de 100 fs FSPM 2 p R. Trebino, K. W. De. Long, 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, 32773295 (1997). JNOG 2004 3 p Délai (fs) Visualisation spectro-temporelle : Porte temporel résolue en fréquence Délai (fs) 0 XFROG[Efiber, Einput] 0 XFROG[Ecompressed, ETF] - XFROG[ETF, ETF] XFROG[Ecompressed, ETF] 1 0 1 -0. 5 300 300 300 200 200 200 100 100 100 0 0 0 -100 -100 -200 -200 -300 950 1000 1050 1100 1150 1200 -300 900 300 300 200 200 100 100 0 -100 -200 -300 950 1000 1050 1100 1150 1200 300 -300 950 1000 1050 1100 1150 1200 -300 900 300 200 200 100 100 0 -100 -200 -300 950 1000 1050 1100 1150 1200 -300 longueur d'onde (nm) 950 1000 1050 1100 1150 1200 longueur d'onde (nm) -300 900 0 0. 5 1000 1100 1200 1300 longueur d'onde (nm)

Théorie II compression jusqu’à 20 fs Dti Durée des impulsions incidentes (fs) 100 fs Délai (fs) 50 fs XFROG[Efiber, Einput] 0 1 Délai (fs) Amplitude du premier satellite 400 fs Durée des impulsions incidentes (fs) 500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 950 1000 1050 1100 1150 1200 1 950 1000 1050 1100 1150 1200 -0. 5 200 150 50 50 0 0 50 50 -100 -150 0 0. 5 200 -200 950 1000 1050 1100 1150 1200 150 50 50 -200 950 1000 1050 1100 1150 1200 0 0 50 50 -100 -150 -200 950 1000 1050 1100 1150 1200 200 150 50 50 0 0 50 50 -100 -150 -200 950 1000 1050 1100 1150 1200 longueur d'onde (nm) JNOG 2004 0 200 Délai (fs) 200 fs Délai (fs) Produit : Dt. Dn 500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 XFROG[Ecompressed, ETF] - XFROG[ETF, ETF] XFROG[Ecompressed, ETF] -200 950 1000 1050 1100 1150 1200 150 50 50 0 0 50 50 -100 -150 -200 950 1000 1050 1100 1150 1200 longueur d'onde (nm)

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

Impulsion après compression autocorrélations Interferometriques durée : 22. 5 fs ± 3 fs JNOG 2004