Mesure expérimentale d’interféromètrie spectrale à basse puissance

La première expérience de mesure d’intégrale B est réalisée pour une très faible puissance de pompage de la fibre barreau (environ 3W). La puissance amplifiée qui en sort est alors proche de 1W. Pour cette raison, nous éteignons fortement le bras de référence à l’aide de la lame demi-onde et du cube polariseur, ce qui assure l’équilibre entre les deux bras de l’interféromètre. Le montage expérimental est rigoureusement semblable à celui de la figure 2.64 mais à basse puissance.

1015 1020 1025 1030 1035 1040 1045 1050 −200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Longueur d’onde (nm)

Intensité spectrale (u. a.)

(a) Interférogramme mesuré

1029 1030 1031 1032 1033 1034 1035 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Longueur d’onde (nm)

Phase résiduelle (rad)

(b) Phase résiduelle calculée FIGURE2.68 – Résultats de l’expérience d’interféromètrie spectrale à basse puissance.

La figure 2.68(a) montre l’interférogramme obtenu, alors que la figure 2.68(b) présente la phase résiduelle reconstruite par la méthode de Fourier décrite dans la partie précédente.

Nous constatons que l’amplitude des variations de phase autour de la longueur d’onde cen- trale (1030nm) se révèle très faible car elle ne dépasse pas 1rad. Nous pouvons raisonnablement conclure que pour une si faible puissance à la sortie de la fibre barreau, quasiment aucun effet d’au- tomodulation de phase ne se produit dans la fibre, et par conséquent il n’y a pas d’influence sur la recompression des impulsions.

2.3.5.5 Mesure expérimentale d’interféromètrie spectrale à forte puissance

Dans un deuxième temps, nous avons effectué la même mesure dans un régime de forte amplifi- cation pour lequel la puissance à la sortie de la fibre barreau est d’environ 60W. Le montage visible sur la figure 2.64 reste à nouveau inchangé.

La figure 2.69(a) montre l’interférogramme mesuré. Nous pouvons remarquer que contraire- ment à l’interférogramme obtenu à basse puissance (voir figure 2.68(a)), le contraste des franges a très fortement diminué, passant de V ≈ 0.9 dans le premier cas, à V ≈ 0.6 dans le deuxième. Pour expliquer ce phénomène nous avons d’abord envisagé de l’imputer à l’augmentation de l’ASE à forte puissance. Cependant, nous en avons mesuré 200mW sur un total de 60W de puissance ampli- fiée, ce qui représente seulement 0.3% du signal et n’explique pas une telle réduction de contraste.

1015 1020 1025 1030 1035 1040 1045 1050 −2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Longueur d’onde (nm)

Intensité spectrale (u. a.)

(a) Interférogramme mesuré

1020 1022 1024 1026 1028 1030 1032 1034 1036 1038 10400 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 λ_centrale=1031.8nm, ∆λ50%max=4.6nm Longueur d’onde (nm)

Intensité spectrale (u.a.)

(b) Spectre de référence 1029 1030 1031 1032 1033 1034 1035 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Longueur d’onde (nm)

Phase résiduelle (rad)

(c) Phase résiduelle FIGURE2.69 – Résultats de l’expérience d’interféromètrie spectrale à forte puissance.

L’autre possibilité que nous envisageons tient dans le fait que la divergence du faisceau varie avec la puissance amplifiée dans la fibre barreau (voir partie 2.4.1)

Par ailleurs, la figure 2.69(c) représente la phase résiduelle résultant de l’analyse de l’interféro- gramme avec la méthode numérique de Fourier. Nous constatons d’importantes variations de phase autour de la longueur d’onde centrale. En effet, celle-ci varie de -1.5 à +3.5rad. D’autre part, en comparant l’allure du spectre de référence à l’allure de la phase spectrale reconstruite, nous voyons que ces profils sont très similaires, ce qui confirme encore une fois l’analyse de Damina N. Schimpf [94]. En se basant donc sur celle-ci, nous pouvons extraire la valeur de l’intégrale B générée dans la fibre barreau, qui correspond à l’amplitude maximale des variations de la phase spectrale, soit 5rad pour environ 60W de signal amplifié.

En conclusion de cette partie, nous avons pu mettre en évidence que la pompe CPA fibrée fonc- tionne dans un régime fortement non linéaire du fait des contraintes matérielles imposées par les dimensions limitées des tables optiques et des réseaux que nous utilisons. La phase spectrale rési- duelle mesurée, résultant de la SPM générée dans la fibre barreau, présente un profil assez chaotique difficile à recomprimer. Cependant, comme nous l’avons vu, en régime fortement étiré, le profil de la phase spectrale ajoutée par la SPM suit la forme du spectre normalisésnorm(ω −ω0). C’est pourquoi,

afin d’envisager une meilleure recompression des impulsions en fin de chaine, il serait intéressant de pouvoir mettre en forme le profil du spectre de manière à obtenir une phase spectrale quadra- tique dont le signe de la dispersion est négatif. Cela permettrait une meilleure compensation de la phase non linéaire ajoutée, soit en insérant simplement une longueur appropriée de matériau de dispersion positive, soit en changeant la distance entre les réseaux du compresseur.

2.3.6 Compression simultanée des deux lignes d’amplification à forte puissance

La partie précédente a mis en évidence une limitation importante liée aux non linéarités pro- duites dans les amplificateurs à forte puissance. Pour augmenter encore la puissance disponible pour le pompage des différents étages de NOPCPA sans accroître d’avantage les non linéarités dans la fibre barreau, nous avons donc choisi de mettre en place un deuxième amplificateur identique au premier et monté en parallèle. Cependant, afin de réduire le coût financier et l’espace occupé par cette deuxième ligne, la compression des deux faisceaux amplifiés a été réalisée dans un seul et même compresseur.

µ

200W

200W

3ième_{étage de}

préamplification Ascenseur et séparateur _{entrée-sortie pour 2}

faisceaux parallèles SHG SHG RTBF5 Ancien Femto+ Miroir d’entrée Miroir de sortie M1 M2

FIGURE2.70 – Montage optique du compresseur à deux faisceaux.

Le montage de ce dispositif est donné sur la figure 2.70. En utilisant les grandes dimensions des réseaux en hauteur (11cm), il a été possible d’injecter chaque ligne d’amplification à l’intérieur du compresseur avec suffisament d’espace pour éviter tout recouvrement. Afin de garantir des tra- jets optiques identiques pour conserver la même compression sur chaque ligne, les deux faisceaux doivent être parfaitement parallèles à l’entrée du dispositif. Un large miroir d’entrée (carré de 2 par 2") à 1030nm permet d’injecter les deux faisceaux dans un ascenseur qui transforme le dé- calage latéral entre les deux lignes parallèles, en un décalage vertical. Les deux faisceaux décalés verticalement sont ensuite alignés dans le compresseur à l’aide de deux grands miroirs à 1030nm. L’ensemble de ces deux miroirs, ainsi que les miroirs de l’ascenseur et du dièdre, sont tous rectan- gulaires, et mesurent 4 par 2". De cette manière, chacun d’eux dispose de l’espace nécessaire pour réfléchir les trajets aller et retour des deux faisceaux dans le compresseur. Enfin, les deux lignes sont extraites du dispositif sur un large miroir de sortie (carré de 2 par 2") à 1030nm, puis des miroirs classiques (1") à 1030nm séparent les deux faisceaux pour être manipulés sur deux lignes indépendantes.

Une fois ce dispositif mis en place, nous avons réalisé différentes mesures d’autocorrélations sur les deux lignes recomprimées. La première mesure visible sur la figure 2.71(a), a été réalisée en optimisant le réglage du couple étireur-compresseur de manière à obtenir la durée la plus courte

possible sur le premier amplificateur à forte puissance monté avec la fibre barreau nommée « Ancien Femto+ ». Celle-ci délivrait alors une puissance amplifiée de 35W avec des impulsions de 374fs.

Par la suite, nous avons conservé ce réglage du couple étireur-compresseur, et mesuré une trace d’autocorrélation (voir figure 2.71(b)) sur la deuxième ligne d’amplification à forte puissance sur la- quelle était montée la fibre barreau nommée RTBF5. La mesure réalisée également à une puissance amplifiée de 35W, donne une durée assez proche du premier amplificateur de 440fs.

Toujours en conservant ce réglage du couple étireur-compresseur, nous avons augmenté le pom- page du deuxième amplificateur pour sortir d’avantage de puissance amplifiée (48W). La trace d’au- tocorrélation alors mesurée (voir figure 2.71(c)), montre que la durée a sensiblement augmenté en passant à 874fs.

Pour finir, nous avons modifié le réglage du couple étireur-compresseur de façon à minimiser la durée de la deuxième ligne d’amplification (RTBF5) tout en conservant une puissance amplifiée de 48W. Nous constatons dans ce cas que la durée minimale est de 391fs (voir figure 2.71(d)).

−8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ∆t_50%max=1.41x374fs Délais (ps) Intensité (u.a.) Ancien Femto+ (35W) (a) −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ∆t50%max=1.41x440fs Délais (ps) Intensité (u.a.) RTBF5 (35W) (b) −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ∆t_50%max=1.41x874fs Délais (ps) Intensité (u.a.) RTBF5 (48W) (c) −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 ∆t_50%max=1.41x391fs Délais (ps) Intensité (u.a.) RTBF5 (48W) compresseur réoptimisé (d)

FIGURE2.71 – Compression des deux faisceaux sortant des deux amplificateurs à forte puissance dans un seul et unique compresseur à réseaux. (a) Ancien Femto+ (35W). (b) RTBF5 (35W). (c) RTBF5 (48W). (d) RTBF5 (48W) avec réoptimisation du compresseur.

L’analyse de ces résultats démontre clairement que lorsque la puissance amplifiée est la même dans les deux lignes, la quantité de non linéarités générée dans chaque fibre est sensiblement la même, c’est pourquoi nous obtenons des résultats voisins pour les deux premières mesures de du-

rée (374 et 440fs). Cependant, cette légère variation de 66fs peut être expliquée par la différence de longueur entre les deux fibres barreaux « Ancien Femto+ » et RTBF5. En effet, la première me- sure 112cm contre 121cm pour la deuxième (voir tableau 2.25). Bien que la majeure partie des non linéarités se fasse sur les derniers centimètres d’une fibre, cette différence de longueur (11cm) peut-être à l’origine d’une phase non linéaire plus importante, et par conséquent d’une compression différente en sortie de chaine. Enfin, comme attendu, le fait d’accroître la puissance du deuxième amplificateur sans modifier le réglage du couple étireur-compresseur, conduit à une forte augmen- tation de la durée des impulsions (d’un facteur 2 environ), résultat d’une quantité de phase non linéaire générée dans la fibre barreau plus importante.

En conclusion, pour utiliser ce dispositif de double compression, il est indispensable de travailler à non linéarités égales dans les deux amplificateurs à forte puissance. Pour cela, il faut des puis- sances amplifiées et des longueurs de fibres voisines, ainsi qu’un alignement parfaitement parallèle entre les deux faisceaux traversant le compresseur.

Une alternative possible à la double compression : la combinaison cohérente

L’expérience précédente de compression simultanée des deux lignes d’amplification dans un seul compresseur a posé une nouvelle limitation en terme de puissance disponible. En effet, sachant que nous travaillons dans un régime CPA non linéaire, nous sommes contraints d’égaliser les puissances émises sur chaque amplificateur afin de générer des phases non linéaires identiques, et obtenir les mêmes durées d’impulsions sur chaque ligne après compression. Or, la puissance maximale que l’on peut potentiellement extraire sur chacune des lignes n’est pas forcément la même. Ainsi, nous pou- vons être obligés de limiter un des deux amplificateurs. D’autre part, une contrainte supplémentaire évidente réside dans la difficulté à aligner ce type de compresseur.

Cependant, il serait possible d’envisager une autre technique basée sur la combinaison cohé- rente de faisceaux. Toujours dans le but de limiter les effets non linéaire, cette méthode consiste à amplifier parallèlement deux faisceaux (ou plus) issus d’une même source pour les recombiner ensuite de manière cohérente [100]. Il existe deux méthodes : l’une dite active (voir figure 2.72(a)), et l’autre passive (voir figure 2.72(b)).

Dans la première, le signal est divisé en deux faisceaux dans un cube polariseur. Chacun d’eux est amplifié séparément puis ils sont recombinés dans un deuxième cube. Le déphasage lié au retard de groupe entre les deux lignes est ajusté à l’aide d’une longueur adéquate de fibre passive et d’une ligne retard, puis le déphasage correspondant aux ordres 0, 2, et au delà est ajusté grâce à un modulateur accousto-optique asservi sur le signal de sortie. Bien qu’efficace [101], cette méthode reste assez lourde, et complique sérieusement le dispositif.

La deuxième méthode utilise un interféromètre de type Sagnac dans lequel sont insérés deux am- plificateurs parfaitement identiques. Un polariseur sépare une impulsion d’entrée en deux répliques. Celles-ci parcourent l’interféromètre en sens opposés, et sont amplifiées dans chaque amplificateur de manière à atteindre la même énergie. Si les deux répliques sont autant amplifiées, et qu’elles par- courent le même chemin optique, alors elles accumulent la même phase, et se recombinent dans le cube polariseur. Cette technique de stabilisation de phase passive a déjà fait ses preuves puisqu’elle a permis en 2012 à Yoann Zaouter et son équipe d’obtenir un faisceau recombiné présentant des impulsions de 650µJ à 92kHz, recomprimées à 300fs [103].

(a) (b)

FIGURE2.72 – Deux exemples de montages optiques d’expériences de combinaison cohérente. (a) Méthode active [101]. (b) Méthode passive [102].