Compte rendu NOPA

Compte rendu du transfert de savoir-faire sur la
technologie du NOPA.
par Christophe Lefumeux (LPPM-Orsay) et Julien Réhault (LASIR-Lille1)
([email protected], [email protected])
Nous avons bénéficié d’une bourse d’échange du Réseau Technologique Femtoseconde
pour acquérir les techniques nécessaires à la réalisation, la caractérisation et la maintenance
d’un Amplificateur Paramétrique Optique Non colinéaire (NOPA). Nous avons donc passé une
semaine (du 27/09 au 1/10/2004) dans le laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR)
à Toulouse, où nous avons été accueillis par Béatrice Chatel.
Il s’agit ici de faire la synthèse des travaux effectués pendant cette semaine et de
préciser les savoir-faire acquis lors de nos expériences.
Le travail a consisté à monter un NOPA simple passage et s’est déroulé en plusieurs
étapes :
1°) Caractéristiques du faisceau d’entrée, génération de la pompe.
2°) Travail sur la génération du continuum et son trajet optique.
3°) Géométrie de l’amplification paramétrique.
4°) Compression des impulsions et caractérisations.
5°) Exemple d’un NOPA 2 passages.
Schéma du NOPA simple passage
1°) Caractéristiques du faisceau d’entrée, génération de la pompe :
La chaîne laser femtoseconde (oscillateur Ti/Sa maison pompé par un Millenia Spectra
Physics et un amplificateur régénératif Spitfire pompé par un YLF Merlin Spectra Physics)
dont dispose le LCAR délivre des impulsions d’environ 120 femtosecondes au kilohertz à
800nm pour une puissance moyenne de 700mW et permet ainsi de pomper simultanément deux
NOPA. Le faisceau est polarisé horizontalement.
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Pour éviter tout problème jour après jour de désalignement du NOPA lors du réglage en
amont de la chaîne, il est indispensable de faire rentrer le faisceau à l’aide de deux miroirs et de
positionner des diaphragmes dans le système.
La pompe (400nm) qui sert à l’amplification paramétrique est générée à partir du
fondamental (800nm, Pmoy=220mW) dans un premier cristal de BBO de 1 mm d’épaisseur et
taillé à θ=29° avec des rendements de 25% environ, sa polarisation étant verticale.
2°) Travail sur la génération du continuum et son trajet optique.
La génération de continuum est un paramètre très critique pour obtenir un NOPA stable
et spectralement ″propre″. Ce continuum est obtenu en prélevant quelques µJ de l’impulsion à
800nm puis en focalisant avec une lentille de préférence courte (f=75mm) dans une lame de
saphir de 2mm. Le centrage du faisceau sur la lentille est très important et est effectué en
introduisant sur le même support de la lentille un diaphragme parfaitement centré sur celle-ci.
Cet ensemble est lui même placé sur des platines de translation pour pouvoir centrer au mieux
le faisceau et régler sa focalisation. Une densité optique variable est aussi utilisée pour agir sur
l’énergie incidente.
La combinaison de ces trois paramètres (focalisation, énergie et fermeture du
diaphragme) est cruciale pour générer un continuum stable et ne peut être négligée.
Après génération, le continuum est divergent et est donc recollimaté puis focalisé par
une lentille (f=50 ou 100mm) sur le cristal de BBO pour l’amplification paramétrique. Le
centrage de la lentille et la distance de focalisation sont des paramètres importants et doivent
être facilement ajustables d’ou l’utilisation de translations XYZ. A noter que la hauteur du
continuum servira de référence et donc doit rester constante tout au long de son trajet quelle
que soit la longueur d’onde générée.
3°)Géométrie de l’amplification paramétrique.
Tout d’abord, il est indispensable que les trajets optiques du continuum et du faisceau
de pompe soient égaux. Pour cela, on dispose d’une ligne à retard sur la pompe qui permettra
ensuite d’ajuster la longueur d’onde du NOPA. L’incidence sur le miroir placé sur la
translation doit être la plus normale possible pour éviter des problèmes de modification du
recouvrement des deux faisceaux lors du déplacement de cette ligne à retard.
Pour obtenir la meilleure acceptance spectrale, il faut rentrer la pompe dans le cristal de
BBO (1mm, taillé à 30°) avec un angle de 6,4° par rapport au continuum (soit 3,7° d’angle
interne) en focalisant le faisceau quelques centimètres devant le cristal grâce à un miroir
sphérique de focale 250 mm. La géométrie adoptée pour la focalisation de la pompe et du
continuum est dans un plan vertical pour minimiser l’étendue du système et déterminer
facilement l’angle pompe-continuum à partir de la hauteur du faisceau et de sa distance au
cristal (le continuum est à hauteur fixe tandis que la pompe monte dans le cristal).
Pour déterminer l’angle d’incidence de la pompe dans le cristal de BBO, il faut observer
le cône de superfluorescence et faire varier l’angle d’incidence jusqu’à ce que toutes les
composantes du spectre de superfluorescence se superposent (voir photos ci dessous). Le cône
est ensuite superposé au continuum (petit point blanc en bas sur les photos page suivante).
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a)
b)
c)
L’anneau de superfluorescence contient toutes les longueurs d’onde générées. Elles se superposent plus ou moins bien en
fonction de l’angle d’incidence dans le cristal. a) et c) :l’angle est mal réglé. b) l’angle est bien réglé, toutes les longueurs
d’onde se superposent.
Une fois l’amplification visible, il s’agit d’optimiser celle-ci. Pour cela, il faut jouer sur
les paramètres suivants :
- la stabilité du continuum (variation de la densité optique, focalisation).
- la focalisation du continuum.
- le recouvrement spatial pompe et continuum (en faisant varier uniquement la
hauteur de la pompe et en respectant l’angle d’incidence)
- la focalisation de la pompe (qq cm devant le cristal pour éviter d’avoir une pompe
″vivante″comme sur les photos).
- la ligne à retard entre la pompe et le continuum. (en prenant soin que le
déplacement de la ligne à retard ne modifie pas le pointé de la pompe et donc le
recouvrement des faisceaux dans le cristal)
L’amplification a lieu quand la pompe se superpose à la longueur d’onde voulue du continuum .
(ici le vert et le jaune)
4°) Recollimatation et Compression des impulsions.
A la sortie du cristal de BBO, le faisceau est fortement divergent et il s’agit de le
recollimater avec une lentille (f=100 ou 200mm) pour pouvoir le transporter sur de grandes
distances.
Ensuite, il faut recomprimer les impulsions. Pour cela deux techniques sont
envisageables, en utilisant des miroirs chirpés ou bien une ligne à prismes. Les impulsions en
sortie de NOPA sont étirées jusqu’à atteindre 200fs (du aux optiques traversées) mais peuvent
être recomprimées jusqu’à 20fs selon la largeur spectrale amplifiée. Nous avons utilisé des
miroirs chirpés qui nous ont permis de mesurer à l’aide d’un autocorrélateur 2ω des impulsions
de 50fs (pour une vingtaine de réflexion sur ces miroirs), ce qui peut être amélioré en jouant sur
leur spectre.
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Nous avons donc fait des mesures de spectres à l’aide d’un petit spectromètre fibré pour
essayer de déterminer les largeurs minimales que nous pourrions espérer atteindre. A 500nm, il
faut en théorie une largeur spectrale de 20nm pour descendre sous les 20fs, contre plus de
40nm à 700nm. On doit donc essayer d’élargir le spectre en sortie du NOPA pour atteindre des
impulsions très courtes. En changeant la lentille de refocalisation du continuum par un
achromat, nous espérions améliorer la forme du faisceau et supprimer les problèmes
d’aberrations dues à l’ancienne lentille. Bien que nous n’ayons pas eu le temps de mesurer le
profil spatial, les premiers résultas paraissaient satisfaisants quant à la forme et l’homogénéité
du faisceau. Par contre, nous nous sommes vite rendus compte que cela diminuait la largeur
spectrale des impulsions à cause du chirp trop important causé par l’achromat qui posait donc
des problèmes pour avoir une impulsion courte en sortie.
Spectre et durée des impulsions pour λ=58 nm en sortie de NOPA.La recompression nécessite 24 passages
sur les miroirs chirpés.
L’énergie obtenue en sortie varie entre 3,3 et 4,7 µJ pour une accordabilité entre 520nm
et 710nm. La polarisation du faisceau est horizontale.
5°) Exemple d’un NOPA 2 passages.
Le laboratoire LCAR dispose aussi d’un NOPA 2 passages permettant d’augmenter
l’énergie de sortie des impulsions. L’amplification a alors lieu sur 2 étages. Le premier étage
permet d’obtenir une impulsion stable mais peu énergétique, tandis que le deuxième étage
amplifie au maximum la sortie du premier étage. Cette configuration permet une accordabilité
entre 500nm et 640nm, une durée de 25fs sur toute la bande pour une énergie de 10 à 12µJ par
impulsions.
Pour les principes de bases et les développements récents du NOPA, lire « Ultrafast
optical parametric amplifiers » par G. Cerullo et S. De Silvestri. (Review of Scientific
Instruments. Vol 74, n°1 de janvier 2003)
Nous tenons à remercier le Réseau Technologique Femtoseconde et la Mission des
Ressources et Compétences Technologiques (MRCT) pour nous avoir permis de réaliser ce stage.
Merci à Bertrand Girard, directeur du LCAR de nous avoir accueilli dans son laboratoire et un
grand merci à Béatrice Chatel pour nous avoir encadrés et aidés tout au long de la semaine.
Merci aussi à Antoine et Arnaud pour leur aide et leur bonne humeur.
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