2.4 Doublage de fréquence
2.4.3 Mise en forme finale de la pompe : doublage dans un cristal de BBO de 1mm
Commençons par préciser que dans ces travaux, une des conditions expérimentales a changé par rapport à la partie précédente. Ce jour-ci, le réglage de l’ensemble de la chaine fournissait à pleine puissance une durée d’impulsion à mi-hauteur de 561fs, déconvoluée par une gaussienne (voir figure 2.76). −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 ∆t50%max=1.41x561fs (SAC−Sfit)/SAC=37% Délais (ps) Intensité (u.a.) Points de mesures Fit gaussienne autocorrélée
FIGURE2.76 – Trace d’autocorrélation correspondant à une puissance de 44W en sortie de compresseur.
De façon à optimiser le doublage à pleine puissance dans le BBO, nous avons commencé par modifier notre dispositif de focalisation du faisceau. Après avoir essayé différentes configurations, un optimum a été trouvé en utilisant deux lentilles de focalesf1=100cm etf2=-25cm, distantes de
77cm, le tout placé à environ 1m de la sortie du compresseur, d’où le faisceau sort collimaté avec un rayon à1/e2assez large d’environ 2.5mm. Avec ce montage, le rayon à1/e2optimal du faisceau
sur le cristal placé à 25cm de la deuxième lentille, est plus large que précédemment (w=680µm). Cependant, il est mieux collimaté, et rentre ainsi d’avantage dans l’acceptance angulaire du cristal (∆θ=10.9mrad pour 1mm de BBO), dont dépend l’accord de phase, et par conséquent l’efficacité de doublage.
A partir de cela, nous avons réalisé deux expériences distinctes visant à mesurer la puissance de l’onde doublée en fonction de celle du fondamental. Dans la première, nous avons fait varier la puissance de pompe de la fibre barreau, et mesuré en fonction la puissance doublée obtenue (voir figure 2.77(a)). Dans la deuxième, nous avons maintenu le pompage de la fibre barreau à sa valeur la plus élevée (≈60W en sortie directe), et utilisé une lame polarisante de type Thin Film
Plate (TFP) précédée d’une lame demi-onde pour contrôler la puissance du fondamental envoyée dans le cristal. 0 12 25 37 49 61 74 86 98 110 123 0 5 10 15
Intensité crête du fondamental à 1030nm sur le cristal (GW.cm−2)
Puissance du second harmonique à 515nm (W)
Puissance du fondamental à 1030nm (W) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500 20 40 Efficacité de doublage (%) (a) 0 12 25 37 49 61 74 86 98 110 123 0 10
Intensité crête du fondamental à 1030nm sur le cristal (GW.cm−2)
Puissance du second harmonique à 515nm (W)
Puissance du fondamental à 1030nm (W) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500 20 40 Efficacité de doublage (%) (b)
FIGURE2.77 – Expérience de doublage de fréquence dans un cristal de BBO de 1mm. Le contraste en puissance est de 93% entre les trains à 100kHz et 77MHZ, et l’ASE est inexistante. A pleine puissance (≈ 50W ), le rayon à 1/e2dans le cristal de BBO est de 680µm,
et la durée à mi-hauteur des impulsions dans le cristal est de 561fs déconvoluée par une gaussienne. L’intensité crête est évaluée à partir de ces valeurs quelle soit la puissance. Nous faisons varier la puissance du fondamental : (a) soit en changeant le pompage de l’amplificateur à forte puissance, (b) soit en tournant une lame demi-onde précédant une lame polarisante de type TFP, située après l’amplificateur à fibre barreau pompée à puissance constante pour fournir environ 60W à l’entrée des lames.
Au départ de la première expérience, nous observons une croissance habituelle de la puissance doublée jusqu’à environ 24W de fondamental. Au delà, elle s’amortie et stagne atteignant une valeur maximale de 13.6W pour 45.8W de fondamental. En parallèle, l’efficacité suit elle aussi dans un premier temps un comportement normal, où elle atteint une valeur de saturation de 43% à partir d’environ 8W jusqu’à 24W de fondamental. Ensuite, elle chute régulièrement jusqu’à 30% à pleine puissance. Cette diminution ne peut être imputée à la production de lumière blanche que nous n’avons pas observé, mais plutôt à la dépendance des caractéristiques spatiales et temporelles des impulsions avec la puissance sortant de l’amplificateur à fibre barreau. L’intensité crête, qui est tracée sur l’échelle en haut de la figure 2.77(a), reste une estimation très grossière et peu fiable. En effet, elle suppose que la durée des impulsions et la taille du faisceau ne changent pas avec la puissance du fontamental, ce qui est faux.
La deuxième expérience offre la possibilité de s’affranchir des variations des caractéristiques spatiales et temporelles du faisceau, car le pompage de la fibre barreau demeure constant. Seul la puissance transmise par la lame polarisante fait varier la puissance du fondamental sur le cristal. Dans ce cas, nous constatons sur la figure 2.77(b), que puissance doublée et efficacité de doublage adoptent un comportement bien plus proche de la théorie (voir équations (2.57) et (2.58), et figure 2.75). En effet, cette courbe d’efficacité expérimentale illustre bien ce comportement typique de croissance puis de saturation. Nous en concluons donc que le changement des caractéristique spa- tiale avec la puissance de fondamental a bien une influence importante sur la qualité du doublage. Aussi, c’est la raison pour laquelle nous avons conservé par la suite le couple lame polarisante et lame demi-onde, pour pouvoir travailler proprement à puissance variable que se soit avec le fonda- mental à 1030nm ou le doublé à 515nm.
Enfin, nous terminerons par un commentaire sur l’efficacité de doublage maximale relativement faible (33%), que nous avons réussi à obtenir à pleine puissance (≈50W). Nous sommes en effet bien loin d’atteindre les 50% habituellement attendus pour ce type de chaine. La seule explication repose sur la qualité temporelle parfois médiocre des impulsions sortant du compresseur à pleine puissance. En effet, le jour de cette expérience, la trace d’autocorrélation mesurée en sortie de compresseur à 44W, présente des ailes dont la surface vaut 37% de la surface totale de la trace d’autocorrélation. Par conséquent, ces pré et/ou post-impulsions, dont l’intensité ne sature pas l’ef- ficacité de doublage, expliquent donc le faible rendement de ce proccessus. Précisons cependant que nous avons déjà réussi à obtenir ponctuellement avec un bon réglage de l’ensemble de la chaine, des puissances doublées allant jusqu’à 18W.
2.5
Conclusion
En conclusion, le cahier des charges des deux pompes pour les deux ou trois étages du NOPCPA, a pour principales directives : une haute cadence (100kHz), une grande énergie (plusieurs centaines de microjoules), et une très courte durée d’impulsions (inférieure à 800fs). Avec de telles objectifs, le choix d’une architecture basée sur l’amplification à dérive de fréquence dans des fibres à très gros coeur dopées aux ions Ytterbium, a su rapidement s’imposer.
En effet, la technologie CPA : limite la puissance crête durant la phase d’amplification, abaisse la quantité de non linéarités générées dans les matériaux amplificateurs, et offre ainsi la possibilité d’atteindre des énergies immenses, recompressibles à des durées très courtes.
Par ailleurs, à haute cadence, pour atteindre de fortes énergies, la contrainte principale réside dans la gestion des effets thermiques inhérents à l’importante puissance moyenne émise. C’est pour- quoi, le faible défaut quantique présent dans l’ion Ytterbium (5%), et la géométrie naturellement alongée d’une fibre, font des fibres microstructuées dopées aux ions Ytterbium, les candidats idéaux comme matériaux amplificateur dans nos pompes à haute cadence.
De plus, ces fibres présentent l’avantage de disposer d’un coeur mononode très large, qui limite l’intensité crête, et autorise une amplification vers de très grandes énergies. Grâce à l’exploitation de fibres de type barreau dont le diamètre de coeur mesure 80µm, nous avons démontré avec des impulsions étirées à 1.5ns, qu’il était possible d’atteindre une puissance moyenne de 60W à 100kHz, avec un faisceau de bonne qualité spatiale (M2 ≤1.6) utilisable quotidiennement. Des régimes
record ont été atteint autour de 90W. Cependant, ils présentent de nombreux désavantages : un claquage régulier des faces des fibres, des battements de modes, et un vieillissement accéléré.
Par ailleurs, un certain nombre de limitations d’ordre technologique empêchant une réduction suffisante de l’intensité crête dans les fibres barreaux, ont conduit à l’utilisation des pompes CPA fibrées vers un régime non linéaire. Nous avons pu générer dans ce régime, un train d’impulsions à 100kHz, avec une énergie de 540µJ, et recomprimées à 587fs, soit environ 2 fois la limite de Fourier pour un spectre de 5.3nm de largeur à mi-hauteur, centré autour de 1034nm. Grâce à ce faisceau, nous avons pu générer dans un cristal de BBO une puissance de 12W à 515nm, quotidiennement utilisable pour le pompage des deux premiers étages du NOPCPA.
Cependant, l’allure de la trace d’autocorrélation à forte puissance a montré la présence d’impul- sions secondaires, typiquement provoquées par une phase non linéaire impossible à recomprimer
par des moyens classiques. Plusieurs possibilités sont envisageables pour améliorer cette recompres- sion. La première, consisterait à travailler à nouveau dans un régime linéaire. Ainsi, il conviendrait, au détriment de l’énergie, d’augmenter la cadence du train d’impulsions à l’aide d’une nouvelle cel- lule de Pockels plus rapide, et d’utiliser des fibres plus larges modes telles que les fibres LPF, dont le coeur monomode mesure 135µm. Nous élèverions ainsi le seuil d’apparition des effets non linéaires, ainsi que le seuil de claquage des faces des fibres barreaux dont il faudrait améliorer le procédé de préparation. La deuxième solution, basée sur l’analyse de Damina N. Schimpf en régime fortement étiré, consisterait à maintenir un régime de fonctionnement non linéaire dans lequel le spectre entrant dans la fibre barreau serait mise en forme de façon à produire une phase non linéaire qua- dratique, facilement compensable avec une longueur adéquate de matériau de dispersion positive, placée juste après l’étireur de Öffner.
De manière plus générale, afin de simplifier la chaîne CPA, nous pourions également pré-étirer les 2 mW de signal à 1030nm sortant de l’oscillateur à l’aide d’une fibre passive très longue, de façon à élever le seuil d’apparition des non linéarités dans le premier préamplificateur. On pour- rait ainsi espérer en sortir 3W de puissance, ce qui serait suffisant pour s’affranchir du deuxième préamplificateur, voir en allant au delà, changer la cellule de Pockels par un AOM.
Par ailleurs, afin de faciliter l’utilisation des deux lignes d’amplification, il serait intéressant d’étudier précisément les avantages que présenterait la combinaison cohérente de ces deux lignes à l’entrée du compresseur.
Pour terminer, précisons qu’une des deux lignes d’amplification à 1030nm a été utilisée pour des expériences de génération d’harmoniques d’ordre élevé à haute cadence, avec une puissance de 50W [104].