Le groupe SLIC mène des programmes de R&D visant à maintenir les plates-formes laser du LIDYL à un haut niveau de performances et à les adapter aux nouveaux besoins de leurs utilisateurs. Dans une moindre mesure, des travaux de R&D plus prospectifs sont menés dans des domaines qui ne concernent pas directement les lasers du LIDYL mais qui reposent sur des techniques liées aux lasers femtosecondes, comme l'utilisation de la technique CPA dans les LEL XUV.
Les principaux sujets de R&D étudiés par le groupe SLIC au cours des dix dernières années concernent:
- Les amplificateurs CPA Titane-Saphir à CEP stabilisée
- Le contrôle de la phase CEP (Carrier Enveloppe Phase) de lasers femtosecondes intenses (E>mJ)
- Les Lasers à Electrons Libres XUV injectés
Amplificateur CPA Titane-Saphir à CEP stabilisée
L'un de nos principaux programmes de R&D concerne le développement de lasers Titane-Saphir intenses à haute puissance moyenne et haute fréquence (1 à 10 kHz) et stabilisés en CEP (Carrier Enveloppe Phase).
Nous avons ainsi étudié et développé avec Amplitude Technologies dans le laboratoire commun de R&D » IMPULSE », de nouvelles architectures d'amplification correspondant aux besoins identifiés à moyen terme pour le laser ATTOLab FAB1/10 d'ATTOLAB. Notre travail s'est focalisé sur une cavité régénérative à 10kHz dont l'originalité est d'inclure deux cristaux. En répartissant les effets thermiques entre les deux cristaux, on parvient à maintenir la qualité du profil spatial même lorsque des énergies de pompage élevées sont utilisées. Cette cavité nous a permis de tripler la puissance délivrée à qualité de faisceau équivalente.
Profil spatial pour différentes puissance de pompage pour les cavités à 1 ou 2 cristaux
Après ré-amplification dans un amplificateur double passage à deux cristaux, la puissance atteint 10W (1 mJ/impulsion).
La meilleure qualité spatiale du faisceau favorise également le fonctionnement du filtre AOPDF (Mazzler) inséré dans la cavité pour atténuer le rétrécissement spectral par le gain, permettant de produire des impulsions de 17fs (spectre de 110 nm en 1 /e2).
Nous avons également pu accorder la longueur d'onde de 760 à 850 nm avec une largeur spectrale de 35 nm (FWHM) et une résolution de 1 nm en sortie de cavité régénérative. La durée des impulsions est alors d'environ 40fs.
Enfin, la CEP a été stabilisée avec un bruit résiduel de 200 mrad sur plusieurs heures (170 mrad sur 1 minute) en utilisant une boucle de stabilisation originale totalement analogique (voir ci-dessous).
Cet amplificateur est installé sur le laser ATTOLab FAB1/10 où il injecte les amplificateurs de puissance. Des impulsions de 17,5fs avec une puissance de 0,9TW (16mJ) et un bruit CEP de 350mrad ont été obtenues sur la voie 1kHz.
Références:
- Golinelli et al., OPTICS LETTERS 42 (12), 2326 (2017)
- Feng et al., OPTICS EXPRESS 21, (21) 25248-25256 (2013)
Contrôle de la Phase Enveloppe-Porteuse (CEP)
La stabilisation de la phase CEP (Carrier Enveloppe Phase) de lasers Titane-Saphir fortement amplifiés est l'un des principaux thèmes de R&D de notre équipe; nous menons les travaux expérimentaux avec Amplitude-Technologies dans IMPULSE depuis 2009.
Nous avons en particulier proposé un dispositif innovant pour contrôler les fluctuations de CEP [O. Gobert et al., Opt. Express 19, 5410-5418 (2011)]. Ce dispositif simple, peu coûteux et compact est basé sur l'utilisation de l'effet électro-optique linéaire dans un matériau massif (LiNbO3 ou RTP par exemple): sous l'action d'un champ électrique appliqué au cristal, les vitesses de phase et de groupe des impulsions laser se propageant à travers le cristal sont modifiées indépendamment, permettant un ajustement fin de la CEP.
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Variation de CEP mesurée en fonction de la tension appliquée |
Ce dispositif a été testé au sein d'IMPULSE. Les mesures, en très bon accord avec les prédictions théoriques, montrent une variation de la CEP d'environ 1 radian pour une tension de 300V appliquée au cristal (LiNbO3, longueur 4cm et épaisseur 4 mm) [J.-F . Hergott et al., Opt. Express 19, 19935-19941 (2011)]. Cette méthode a conduit à un brevet CEA – Amplitude Technologies [O. Gobert et al., Brevet FR2969841 (2010)].
Nous avons également développé un diagnostic de mesure de dérive CEP qui est maintenant commercialisé par Amplitude Technologies. Ce système basé sur l'interférométrie f-2f permet l'utilisation d'une boucle totalement analogique pour mesurer et corriger les fluctuations de CEP. En utilisant une telle boucle, nous avons stabilisé la CEP d'un laser TiS 5W, 10kHz, 23 fs et atteint un bruit résiduel de 200 mrad sur plusieurs heures [Golinelli et al., Opt. Lett. 42 (12), 232925 (2017)]. Ce résultat, l'un des meilleurs pour ce type de laser à notre connaissance, se rapproche des performances des systèmes OPCPA stabilisés passivement.
Depuis 2009, nous sommes impliqués avec le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA), le Sincrotrone Trieste et l'Université de Nova Gorica dans des activités de R&D sur le nouveau LEL XUV injecté FERMI@ELETTRA. Après un travail préparatoire sur le laser LUCA au LIDYL, nous (SLIC, LOA, NOVA GORICA et ENEA-FRASCATI) avons caractérisé les propriétés de cohérence spatiale du LEL d'ELETTRA et étudié expérimentalement et numériquement, les effets induits par le chirp du faisceau d'électrons et du laser d'injection [B. Mahieu et al., Applied Physics B-lasers et Optics 108 (1), 43-49. (2012)] [E. Allaria et al., Nature Photonics 6 (10), 699-704 (2012)].
Plus récemment, une expérience menée à ELETTRA en collaboration avec le Sincrotrone Trieste, le Laboratoire d'Optique Appliquée et l'Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (CNRS-INP) a démontré que la durée des impulsions produites à 37,3 nm par le LEL injecté par un laser externe à 261nm pouvait être sensiblement réduite (de 143fs à 50fs ici) lorsque le schéma d'impulsion de dérive de fréquence est mis en œuvre.