fr´equence
4.2.1
Principe
La technique OPCPA, une variante de la technique CPA, consiste `a utiliser dans une chaˆıne CPA un amplificateur param´etrique optique en lieu et place des amplificateurs laser. Plus pr´ecis´ement, le milieu `a gain est un cristal non lin´eaire pomp´e par une impulsion optique de forte ´energie et orient´e de fa¸con `a ˆetre `a l’accord de phase pour la longueur d’onde que l’on souhaite amplifier.
Fig. 4.2 – Amplificateur param´etrique optique `a d´erive de fr´equence
4.2.2
OPCPA et NOPA
S’il a fallu attendre 1997 pour que l’article fondateur de Ian Ross [91] ´etablisse l’OPCPA comme une technique viable et prometteuse, la premi`ere d´emonstration exp´erimentale de l’OPCPA par Dubietis et ses collaborateurs [27] remonte `a 1992. A ce sujet, il faut remar- quer que l’id´ee mˆeme d’amplifier des impulsions br`eves par amplification param´etrique n’est pas une id´ee si r´ecente puisque les amplificateurs param´etriques non colin´eaires fem- tosecondes (NOPA en anglais) ont ´et´e tr`es largement d´evelopp´es `a travers le monde dans les ann´ees 90. Les NOPA ont permis de g´en´erer des impulsions optiques parmi les plus courtes jamais produites [96] et ont ´egalement permis d’´etendre la gamme spectrale des sources ultra-courtes depuis le proche ultra-violet jusqu’`a l’infrarouge lointain. En r´ealit´e, rien ne distingue un OPCPA d’un NOPA dans son principe mˆeme : les deux techniques consistent `a amplifier par amplification param´etrique des impulsions br`eves ´etir´ees.
A la diff´erence d’un NOPA toutefois, les impulsions signal et pompe d’un OPCPA ne proviennent pas, en g´en´eral4, du mˆeme laser mais de deux lasers synchronis´es : un oscilla-
teur femtoseconde g´en´ere les impulsions `a amplifier, un laser picoseconde ou nanoseconde
g´en`ere les impulsions de pompe. Une seconde sp´ecificit´e tient aux ordres de grandeur mis en jeu. Dans un OPCPA les impulsions sont ´etir´ees jusqu’`a la dur´ee des impulsions de pompe, c’est-`a-dire jusqu’`a quelques dizaines de picosecondes [27][60] ou quelques nano- secondes [66], puis amplifi´ees sur une demi-douzaine ou une dizaine d’ordres de grandeur typiquement. Enfin, les cristaux utilis´es sont le plus souvent tr`es ´epais, depuis quelques millim`etres jusqu’`a une dizaine de centim`etres, ce qui contraste avec les cristaux utilis´es pour les NOPA qui sont tout au plus de quelques millim`etres.
4.2.3
OPCPA et amplificateurs r´eg´en´eratifs
L’int´erˆet principal de cette technique est de se poser en alternative aux cavit´es r´e- g´en´eratives [66], et aux amplificateurs laser multi-passages couramment utilis´ees pour amplifier des impulsions femtosecondes. L’OPCPA permet, en effet, de s’affranchir d’un grand nombre des contraintes li´ees `a l’utilisation des mat´eriaux laser. Dans un OPA, il n’y a pas de fluence de saturation, ni d’effets thermiques car le processus d’amplification ne fait pas intervenir de transition ´electronique r´esonnante. De plus, certains cristaux non lin´eaires autorisent des bandes de gain extrˆemement larges et uniformes (plusieurs cen- taines de cm−1) mˆeme pour des gains d´epassant 106 et ne pr´esentent quasiment pas de
r´etr´ecissement spectral par le gain. Enfin et surtout, l’amplification param´etrique permet d’amplifier sur plusieurs ordres de grandeur en simple passage et sur des distances tr`es courtes (quelques centim`etres) ce qui r´eduit d’autant la complexit´e et l’encombrement des montages.
Fig. 4.3 – Bandes de gain compar´ees d’un OPA en LBO (`a gauche, OPA colin´eaire, `a droite, OPA non colin´eaire)
L’OPCPA ne permet pas seulement de reproduire les performances des cavit´es r´eg´en´e- ratives `a base de Ti : Saphir, mais ouvre ´egalement de nouveaux horizons. Cette technique pourrait, par exemple, ˆetre adapt´ee `a toute la gamme spectrale couverte par les NOPA, c’est-`a-dire du visible `a l’infrarouge moyen et, en particulier, aux longueurs d’onde peu ou pas couvertes par les amplificateurs laser. Ainsi, `a 1053 nm, le gain du Ti : Saphir est tr`es faible et les milieux dop´es au N´eodyme ne poss`edent pas une bande de gain suffisante pour amplifier des impulsions br`eves (<100 fs) sur une demi-douzaine d’ordres de gran- deur. L’OPCPA, en revanche, en est capable et permet, de plus, de se servir des chaˆınes
R´ef´erence Ann´ee λp λs τp τs Ep Gain τcompr Cristal Lc η (nm) (nm) (ns) (ns) (mJ) (fs) (mm) (%) Dubietis et al. [27] 1992 527 1055 0,008 0,005 3 2 104 70 BBO 8 3 Ross et al. [89] 2000 527 1054 0,6 0,3 2 500 1010 300 LBO+KDP 20+30 20 Yang et al. [110] 2002 532 1064 0,5 0,15 5 000 4 1010 155 LBO2 +KDP 15+18+30 18 Jovanovic et al. [65] 2002 532 1054 8,5 3 510 6 107 310 BBO3 15+15+10 6 Waxer et al. [108] 2003 527 1054 1 0,7 25 6 106 470 LBO2 25+23 14 Yoshida et al. [113] 2003 532 1053 9,5 3 290 108 350 BBO2 15+15 23 Bagnoud et al. [4] 2005 527 1054 2,5 2,5 1 000 3 108 350 LBO3 30+30+ ? ?
Tab. 4.2 – Articles exp´erimentaux parus depuis 1992 sur des OPCPA de forte ´energie (plus de quelques mJ) `a 1 µm. λp : longueur d’onde de pompe. λs : longueur d’onde signal centrale. τp : dur´ee des impulsions de pompe. τs : dur´ees des impulsions ´etir´ees. Ep : ´energie par impulsion de pompe. τcompress : dur´ee des impulsions recomprim´ees. Lc : longueur des cristaux. η : rendement de conversion.
laser d´evelopp´ees pr´ec´edemment `a 1053 nm (apr`es doublement de fr´equence). Deux ´etudes publi´ees par Ian Ross et al. en 1997 [91] et 2002 [90] montrent qu’en se pla¸cant aux seuils de dommage des composants optiques disponibles en 2002, il serait possible de g´en´erer par cette technique des impulsions de 22 fs atteignant 22 kJ `a 1053 nm, soit une puis- sance crˆete de plus de 1017 PetaWatt (soit plus d’un ExaWatt). A la date de r´edaction de ce manuscrit, l’OPCPA le plus puissant ayant fait l’objet d’une publication est celui du groupe de Yang [110] avec des impulsions amplifi´ees depuis une fraction de nJ jusqu’`a 570 mJ et recomprim´ees jusqu’`a 155 fs.