Home
L`amplificateur régénératif - Centre Lasers Intenses et Applications
Contents
1. 1 061 arc allum et eteint Bien faire attention la modification de la propagation du faisceau Voir TP thermique LASER Nd YAG PULSE A Etude du milieu amplificateur Le milieu amplificateur ici peut tre excit l aide d une lampe flash dont la cadence peut varier entre quelque hertz et le coup unique La t te amplificatrice est similaire celle d crite dans le cas du laser Nd Y AG continu cavit r flectrice dor e de forme quasi elliptique La dynamique du gain dure environ quelques millisecondes et tant que la cadence reste faible on peut supposer que le milieu amplificateur a compl tement relax entre chaque excitation A cette fin un syst me de refroidissement semblable celui utilis dans le laser continu minimise les effets thermiques qui pourrait s accumuler et modifier le fonctionnement en cadence du laser Il est aussi possible de faire varier la puissance lectrique dans la lampe flash en faisant varier la haute tension de d charge Toutefois on n tudie pas ici la variation de gain en fonction de l excitation car d autres ph nom nes lasers compliquent cette approche en mode puls et l on pr f re en g n ral utiliser ces oscillateurs puissance laser donc puissance de pompe constante Les modes temporel seront ici particuli rement tudi s L nergie des impulsions laser sont ici aussi TRES importantes et le suivi des r gles de s curit s est imp ratif PORT DE LUNETT
2. El il PIN 0 gt 7 BORDEAUX 1 ciences Technologies STAGE LASERS INTENSES gt ee Du 15 au 19 mai 2006 FASCICULES DE TRAVAUX PRATIQUES PYLA o STAGE o DJ UNIVERSITE a LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TRAVAUX PRATIQUES He Ne alignement mesures spatiales modes transverses spectre Claude AGUERGARRAY Doctorant UNIVERSITE BORDEAUX 1 CELIA TP _ Etude d un laser a gaz HeNe Introduction Le faisceau lumineux fortement collimat rouge A 6328 du laser gaz h lium n on HeNe est tr s utilis dans les laboratoires scientifiques en milieu industriel et m me la caisse dans la plupart des supermarch s Ces lasers HeNe sont fabriqu s en grande quantit bas pris et 1ls peuvent fournir des milliers d heures de service Quoique les diodes lasers semi conducteurs puissent maintenant fournir des faisceaux lumineux rouges des intensit s comparables ceux obtenues avec les lasers de HeNe on pr voit que le laser de HeNe restera un composant courant de l instrumentation scientifique et technique de l avenir Dans cette exp rience vous assemblez un laser HeNe de 3mW Dans une phase pr liminaire le gain du milieu amplificateur est mesur Ensuite l alignement de la cavit de laser HeNe en utilisant deux configurations diff rentes de miroir de fin cavit est r alis Enfin vous visualiserez la structure transversale du faisceau de sortie de lase
3. quivalent celui du laser continu en utilisant aussi la torche laser 1 06u repr sent sur la figure suivante Amplificateur NdY AG puls M1 annexe M2 annexe D tecteur 1 Mini YAG puls Oscilloscope p a D tecteur 2 Le d tecteur 2 permet de visualiser sur l oscilloscope le niveau continu DC correspondant la transmission du barreau Nd YAG 1 06 u Lors du tir du flash le faisceau de sonde est amplifi avec une enveloppe temporelle sensiblement quivalente a la dur e du flash vu par le d tecteur 1 D marrer le laser en mode manuel avec le groupe froid en fonctionnement Puis passer en mode r p titif 2 Hertz La difficult essentielle de ce travail consiste synchroniser correctement l oscilloscope sur un tir basse cadence Evaluer le gain dynamique de ce syst me Comparer avec la mesure du gain d un amplificateur continu EFFETS NON LINEAIRE Gestion de la thermique lentille et bir fringence induite Mesure de la focale thermique en fonction de l intensit d excitation A l aide du faisceau laser He Ne d alignement observer qualitativement la variation de la tache de sortie sur un cran loign en fonction de l excitation du barreau Nd Y AG Une m trologie de la focale thermique n cessite d utiliser un faisceau colimat de diametre suffisant pour sonder au moins 50 de l ouverture utile du milieu amplificateur A cette fin r aliser un expanseur de faisceau laser
4. 980 nm Une tude des moyens de compensation de la dispersion de vitesse de groupe et du m canisme de verrouillage des modes en phase sera galement entam e afin de pouvoir appr cier l architecture de l oscillateur ainsi que les contraintes inh rentes au design d une cavit d un laser femtoseconde pomp par diode laser Les tudiants seront amen s maniper sur un oscillateur fonctionnant une cadence relativement faible i e 45MHZ et ainsi pourront sentir la finesse des r glages pour ce type de cavit longue Buts du TP 1 Compr hension du chemin optique et des tailles de mode dans un oscillateur complexe 2 Compr hension des m canismes physiques mis en jeu 3 Stabilit et alignement de la cavit 3 R glage et optimisation de la cavit laser sans m canisme de verrouillage des modes en phase 4 R glage et optimisation de la cavit laser avec le m canisme de verrouillage des modes en phase 5 Caract risation des impulsions par auto corr lation non lin aire Pour toutes informations compl mentaires Yoann Zaouter Centre Laser Intenses et Applications CELIA T l 05 40 00 38 32 zaouterOcelia u bordeaux l fr PYLA co STAGE o DJ UNIVERSITE ED LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TRAVAUX PRATIQUES Pompage par diodes Martin DELAIGUE Doctorant CNRS Les mat riaux utilis s pour la production et l amplification d impulsions br ves sont des milieux faible gai
5. On utilise alors un filtre non lin aire dont l impl mentation est pr sent e ici Spesticimetari KDP Laser 4 Input Le faisceau est divis en deux parties Une partie est tir e dans un dispositif r seaux de sorte que les fr quences de l impulsion sont fortement tal es dans le temps L autre partie traverse un interf rom tre de Michelson qui g n re les deux r pliques avec un d lair Les 2 faisceaux sont recombin s et focalis s dans cristal non lin aire poss dant une susceptibilit d ordre 2 Comme les 2 impulsions sont d cal es en temps elles interagissent avec l impulsion tir e dont elle voient chacune une fr quence diff rente Les 2 impulsions produites par m lange de fr quence entre chaque r plique et l impulsion tir e sont donc maintenant d cal es en fr quence On mesure alors le spectre une fr quence quasiment double qui constitue un signal spider 3 Mise en uvre pratique Il y a plusieurs tapes pour effectuer une mesure SPIDER Hormis les t che d alignement il faut pouvoir d terminer le d calage 2 Celui ci est obtenu en mesurant pr cis ment le d lai entre les r pliques et la dispersion de l tireur a Mesure de la r f rence la r f rence est le spectre d interf rence produit par les deux impulsions non d cal es Pour l obtenir on enregistre le spectre doubl bleu du bras contenant les 2 r pliques seules b Mesure du signal SPIDER Dans
6. Oscillateur IMRA Param tres g n raux Puissance moyenne 12 15 mW Longueur d onde centrale 780 nm Largeur spectrale 8 9 nm Dur e d impulsion 100fs Taux de r p tition 48MHZ L oscillateur est le maitre dans la chaine d amplification TiSa Principes physiques la technique CPA CPA Chirped Pulse Amplification CPA tireur R seau 2 R seau 1 Le trajet bleu est plus long que le trajet rouge le bleu sortira donc en retard L impulsion tir e est compos e de rouge d abord et de bleu ensuite Impacts sur les r seaux 1 2 3 O gt MT o R seau 1 R seau 2 R seau 2 R seau 1 CPA P tireur de l Alpha 1000 Vue de dessus PR10 BARACCA 5 sana n es a 7 ae ae ie E A RS aman HR11 HR10 Grating Vue de c te CPA P tireur de l Alpha 1000 Impacts sur le r seau Le faisceau initial est inject entre les deux miroirs de l ascenseur HR 12 et HR 13 Il arrive en 1 sur le r seau G10 est diffract sur le miroir concave HR 10 qui le r fl chit le miroir plan HR 11 Le faisceau effectue le chemin inverse et arrive sur le r seau en 2 Puisqu il est d cal il est alors orient sur l ascenseur HR 12 et HR 13 qui le renvoient parall lement une hauteur diff rente sur le r seau en 3 L aller retour suivant lui donne la position 4 puis par le prisme PR10 i
7. angle O que fait l onde avec l axe optique du cristal Pour l accord de phase de type I l onde fondamentale est polaris e ordinairement tandis que l onde harmonique est polaris e extraordinairement Cette m thode est appel e accord de phase de type I et consiste tablir la relation n 20 n z AXE optique Accord de phase type 1
8. quences sur la propagation de l onde laser mise Sa divergence n est pas la m me dans les deux directions 0 5 et 0 40 De plus le profil transverse du faisceau n est pas de m me nature dans les deux directions ce qui modifie les lois qui r gissent sa propagation L volution du rayon du faisceau suivra alors la loi suivante avec M 30 et M l rayon minimal du faisceau facteur de qualit rayon du faisceau position du point focal contact m tallique Positionner les lentilles de sorte obtenir une faces rugueuses tache focale circulaire la plus petite possible Observer l volution de la taille du faisceau autour du point focal Placer le cristal et les deux miroirs et essayer d obtenir l effet laser Emission d une diode laser o M UNIVERSIT STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TRAVAUX PRATIQUES Amplificateur r g n ratif Ti Sapphire Marie Caroline Hernandez Adera PALA Laser femtoseconde amplifi TiSa 780nm Exemple Alpha1000 B M industries modifi Param tres g n raux Dur e d impulsion lt 130 fs Taux de r p tition 1kHz Energie 1kHz gt 750 uJ Longueur d onde 750 nm Principes physiques Oscillateur IMRA laser fibre femto 1 56um doubl Amplificateur Titane Saphir Impulsion femtoseconde Technique CPA tireur compresseur Amplificateur r g n ratif Extraction de l impulsion fs
9. par l oscillateur 2 Amplifier l impulsion laser pi g e dans la cavit 3 Extraire via la polarisation l impulsion laser amplifi e Moyens 1 Pour S lectionner une impulsion en sortie de l tireur cellule de Pockels 2 Pour Amplifier l impulsion laser pi g e dans la cavit Milieu gain 3 Pour Extraire l impulsion amplifi e cellule de Pockels g n rateur de retard lectronique Driver MEDOX CPA amplificateur de l Alpha 1000 Une cellule de Pockels est un cristal qui modifie la polarisation par un contr le lectrique M3 NX cristal Ti Sa M2 P2 P3 MI shutter Cellule de Pockels Pl Rotateur de Faraday Injection Le faisceau venant de l tireur est inject dans l amplificateur r g n ratif en passant par le rotateur de Faraday et les polariseurs P1 et P2 S1 la cellule de Pockels est soumise une tension de 0 V Elle se comporte comme une lame quart d onde L impulsion fait un aller retour et sort de la cavit par le m me chemin P2 PI et le rotateur de Faraday S1 la cellule de Pockels est soumise 3500 V Elle se comporte comme une lame quart demi onde L impulsion est alors pi g e dans la cavit et effectue des allers retours 10 CPA amplificateur de l Alpha 1000 Amplification Pendant que l impulsion s lectionn e tourne dans la cavit Le laser Nd Y If doubl 527 nm pompe le barreau de Ti Sa ce
10. priori pas de d p t d nergie dans le syst me os x 0 Generation de fr quence somme y O7 0250 07 Ce ph nom ne est l analogue du doublage en fr quence de deux photons de fr quences diff rentes Ce ph nom ne est par exemple utilis pour triplet la fr quence des lasers Nd YAG Apr s avoir doubl la fr quence du laser on m lange les ondes a la fr quence et 2 0 pour g n rer une onde la fr quence A 2 X gt Cas de la g n ration du doublement de fr quence Le doublement de fr quence est un cas particulier de la g n ration de fr quence somme en prenant l 02 o et 03 20 l intensit du champs 2 est donn par la relation suivante 2 E 3 sin ol LAO Ak L ui 2 Nous avons tablit ces quations dans le cas de faible d pl tion des ondes pompes Or cette condition ne peut tre maintenue dans le cas Ak 0 car l efficacit de conversion augmente fortement nous verrons dans le chapitre 2 4 comment r aliser cet accord de phase qui revient dans le cas d un accord type I avoir n2 No Il faut alors r soudre le syst me suivant oee He O 1 L LL nc COR K Elo E DE _ 120 Op dz Ina 8 15 Tis 29 E OZ 26 e 0 ch Ke 0 2 ero Z 0 th Ke 0 z 24 C0 EE On trouve comme solution du syst me pr c dent Solutions que nous avons trac es ci dessous x Amphtude nomals e Longeur traverse
11. qu amplifie l impulsion pi g e chaque passage L impulsion effectue quelques allers retours dans la cavit pour un gain de l ordre de 10 Extraction Lorsque l amplification est optimale la cellule de Pockels est soumise une tension de 7000 V Elle se comporte alors comme une lame quart d onde et laisse sortir l impulsion amplifi e Cette derni re sort de l amplificateur r g n ratif par le m me chemin qu elle a suivi pour entrer 11 Les outils de base Puissance m tre Il est important qu il puisse supporter jusqu 15 W pour v rifier le laser de pompe de l ampli r g n ratif Il permet de mesurer l nergie des impulsions amplifi es car nergie Puissance moyenne P riode de r p tition Exemple Si on mesure une puissance moyenne de 800 mW 1 kHz l nergie par impulsion vaut E 800 10 1 10 800 uJ Viewer infra rouge Pour tous les contr les et r glages du laser capot ouvert tireur ampli compresseur Oscilloscope Indispensable pour visualiser le train d impulsions dans l amplificateur r g n ratif Bande passante sup rieure 300 MHZ Adaptation 50 Ohms Photodiode rapide Pour visualiser le profil temporel de l impulsion et d tecter la pr sence de pr et post pulses Des cartes de visite Pour observer le profil spatial du faisceau Une impulsion bien recomprim e sera associ e une tache bleue au centre effet non lin aire Une le
12. ES ANTI LASER OBLIGATOIRE Au cours de ce travail exp rimental on r alisera e l alignement de la cavit laser comprenant le barreau laser un miroir reflexion totale de fond de cavit M et un miroir de sortie M consistant en un talon de Fabry Perot Celui ci permet un affinement spectral de l mission laser 1106 L mission laser s effectue alors en mode relax e La mise en monomode spatial par insertion d un trou de filtrage e Le fonctionnement d clench passif apr s insertion d un absorbant saturable dans la cavit Le dispositif exp rimental pr sent sur les deux photos suivantes t te laser A et alimentation B On remarque dans la cavit Laser un prisme de Glan ensemble bir fringent qui assure des pertes importantes pour la polarisation horizontal Dans ces conditions le laser est bien polaris verticalement et les sorties parasites not es 1 et 2 correspondent en fait l image de l mission laser qui sort effectivement par le miroir Mpp On dispose de plusieurs photo d tecteurs qui permettent de visualiser sur un oscilloscope les variation temporelles de la lumi re Une photodiode rapide plac proximit de la t te laser capte une faible partie de la lumi re du flash Une cellule ultrarapide mont e sur une des sorties parasite ventuellement quip e d att nuateurs Une photodiode rapide permettant d valuer le gain Mesure du gain On r alise pour cela un montage
13. En Une mesure plus pr cise prenant en compte la nature de lentille paisse du milieu amplificateur pompe doit s appuyer sur une mod lisation de la propagation Pour cela une distance D de la sortie du barreau mesurer la taille du faisceau de sonde l aide de la cam ra CCD de contr le ou de la technique de la lame de couteau Voir annexe A l aide du logiciel PARAXIA de mod lisation simuler le faisceau incident sur un l ment poss dant un gradient d indice ic ne et injecter le gradient n cessaire pour obtenir la distance D la taille mesur e Par analogie avec une lentille paisse a partir le la matrice ABCD de l l ment en d duire une valeur de la focale thermique Dimension du barreau Longueur 10 cm Diam tre utile 6mm o UNIVERSIT 2 D qn z D 3 O nu x 5 E O x PYLA 3 STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TRAVAUX PRATIQUES Oscillateur Kit Yb KGW Yoann ZAOUTER Thesard Amplitude Systemes CELIA Oscillateur Kit Yb KGW Introduction au TP Le but de ce TP est d appr hender le fonctionnement d un oscillateur laser femtoseconde pomp par diode laser Le milieu actif de l oscillateur que l on tudiera est un cristal de KGW famille des Tungstate dop par des ions ytterbium Son paisseur est de 800 um et ses faces sont trait es AR HR Le pompage se fait gr ce une diode laser mettant dans la bande d absorption de ce cristal 1 e
14. Figure 2 Evolution de l amplitude des ondes fondamentale et harmonique lors de la g n ration de seconde harmonique l accord de phase On note que l on peut th oriquement obtenir une conversion totale de l nergie de l onde fondamentale vers l onde harmonique mais en pratique beaucoup de ph nom nes limitent le rendement de conversion Nous nous int resserons par la suite quelques uns de ces ph nom nes tablissement l accord de phase Accord par bir fringence Prenons l exemple du doublage de fr quence En g om trie colin aire l tablissement de la condition d accord de phase revient crire 20 A Ak k 2k n 20 2n 0 0 C C Ainsi annuler le d saccord de phase revient imposer que n 20 n 0 La g n ration de seconde harmonique est tr s g n ralement r alis e dans des cristaux anisotropes Dans un cristal amisotrope l indice vu par une onde d pend de sa direction de propagation et de son tat de polarisation Dans un milieu uniaxe on distingue deux indices de r fraction Un indice ordinaire vu par l onde polaris e ordinairement not ny Cet indice ne depend pas de la direction de propagation de l onde dans le milieu L onde polaris e perpendiculairement l onde ordinaire est appel e onde extraordinaire elle voit un indice not n 6 qu d pend de la direction de propagation de l onde dans le milieu L indice extraordinaire d pend en fait de l
15. P t est la polarisation du syst me mat riel soumis au champ lectrique E t du rayonnement lumineux cette polarisation peut tre d velopp e en puissance du champ P E Ll PEO PE O 1PEN O P Py O PL eo 4 E t est la polarisation lin aire classique de susceptibilit lin aire j a et Puy est la polarisation non lin aire qui fait intervenir les susceptibilit s non lin aires optiques ye d ordre n Ces processus sont dans certains cas nuisibles par exemple lorsqu ils perturbent la propagation de faisceaux intenses mais le plus souvent ils sont exploit s pour mettre en oeuvre des exp riences ou des dispositifs originaux en optique classique comme en optique quantique La propagation d un faisceau lumineux dans un milieu mat riel fait intervenir deux probl mes 1 D une part la r ponse du milieu a l onde Dans le cas d un mat riau di lectrique les charges li es du milieu se mettent en mouvement sous l action du champ lectrique oscillant associ au faisceau lumineux Il s agit donc d un probleme de m canique qui doit le plus souvent tre trait dans le cadre de la m canique quantique 2 D autre part l oscillation de ces charges rayonne un champ lectromagn tique qui vient s ajouter londe incidente C est donc un probl me de propagation d onde lectromagn tique que l on doit traiter l aide des quations de Maxwell Il faut en fait r soudre ces deux probl mes simult
16. a cavit FP En effet en variant la longueur du FP de AL les diff rents pics de transmission se d placent en fr quence comme indiqu sur la figure Nous envoyons pour cela des rampes de tension triangulaire p riodique sur la cale pi zo lectrique du FP correspondant a un d placement des pics de transmission gt 8 GHz Nous observons alors sur l oscilloscope les modes du laser qui reviennent p riodiquement tous les 6 GHz pour ce Fabry P rot L axe des temps de l oscilloscope repr sente donc l axe des fr quences 1 Etalonner la base de temps de l oscilloscope en Mhz du FP division oscillo Pour cela utiliser le laser auxiliaire d alignement e 2 Rep rer l intervalle spectral libre Mesurer la distance entre modes du laser en Mhz et deduire la longueur de la cavite laser Mesurer la largeur de la bande de gain Pour aller plus loin Placer un polariseur devant le laser auxiliaire et commenter la polarisation des modes longitudinaux 3 Avec le laser exp rimental pour plusieurs longueur du laser 32cm lt L lt 55 cm mesurer la distance entre modes du laser en Mhz et v rifier que la distance entre mode verifie bien la loi en c 2L Commenter la stabilite fr quentielle du laser et comparer au laser auxiliaire Conclusion Mode Transverses 4 R gler le laser en fonctionnement multi mode transverses par exemple un mode TEM3 1 Que se passe t il au niveau des fr quences des modes longitudinaux Etudier la struct
17. a d pendance temporelle complete de l impulsion Cette m thode est bas e sur l interf rom trie spectrale d calage 1 Principe Ce principe pr voit de cr er une copie E o Q du signal caract riser Elo qui est d cal e en fr quence de la retarder temporellement puis de faire interf rer les deux r pliques dans un spectrometre Le signal alors mesur par le spectrom tre s crit S 0 Elo Elo 2 explior Elo Eo 0 2 0 Elo O cos plo p 0 0 07 L information recherch e est la phase spectrale p w Par une m thode de transform es de Fourier il est possible d extraire la diff rence de phase p w p 0 0 or La r f rence or mesur e initialement en enregistrant le spectre d interf rence des deux copies sans d calage 2 est alors retranch e Enfin par une proc dure de concat nation on obtient gy w a des valeurs discr tes de distantes du d calage 2 La valeur de Q est choisie en fonction de la dur e T estim e de l 1mpulsion et doit v rifier le crit re d chantillonnage de Whittaker Shannon Q lt 277 La valeur N de 7 d lai entre les r pliques est elle choisie de fa on avoir suffisamment de franges sur l tendue du spectre d une part mais pas trop pour que celles ci soient r solues par le spectrom tre 2 Dispositif Il n existe pas de modulateur suffisamment rapide pour d caler spectralement le champ lectrique de l impulsion
18. an ment le champ rayonn induisant lui m me une polarisation du di lectrique qui rayonne un nouveau champ et ainsi de suite On aboutit alors un syst me d quations coupl es L quation d une onde lectromagn tique se propageant dans un milieu non lin aire s crit comme suit Avec Ak k k Classification des non lin arit s Terme du premier ordre Comme nous l avons vu le terme 40 permet de rendre compte des propri t s optiques lin aires indice de r fraction absorption gain bir fringence Il ne permet pas de coupler les ondes Il en r sulte que deux ondes traversant un milieu se propagent sans influence mutuelle Terme du deuxi me ordre Le terme 4 permet de rendre compte de tous les ph nom nes non lin aires d ordre deux On notera y 0 01 02 la susceptibilit associ e la polarisation oscillant la fr quence O 02 o 0 et 0 sont les fr quences des champs permettant de cr er la polarisation non lin aire Nous donnons ci dessous un petit inventaire des diff rents effets non lin aires d ordre deux Generation de second harmonique ye 20 On peut virtuellement comprendre ce ph nom ne comme la fusion de deux photons qui donne naissance un photon a la fr quence 20 Ce ph nom ne est tr s largement utilis pour doubler la fr quence de lasers Ce ph nom ne se produit dans un milieu qui se comporte comme un catalyseur En outre il n y a
19. ellipso dale la lampe occupant l autre axe De cette fa on on s assure un bon couplage entre le rayonnement mis par la lampe et le milieu amplificateur Le rendement de conversion lumi re gain laser tant relativement faible une forte partie de l nergie dissip e doit tre vacu e et l ensemble est baign dans un coulement d eau d sionis et refroidi par un groupe froid plac dans l armoire d alimentation Le syst me laser tant ici relativement puissant la puissance de la lampe arc est de l ordre du kilowatt et correspond des courants de plusieurs dizaines d amp res ce qui explique la dimension de l armoire de commande et des pr cautions qu il faut prendre avant toute manipulations La photographie suivante montre le panneau de contr le et la t te laser Arr t Marche i d urgence groupe froid R glage courant lampe Manipulation pr liminaire Pour toute la suite des exp riences on peut tirer grand profit d un rayon laser visible issu d un laser HeNe par exemple qui traverse sur l axe le milieu amplificateur Il servira pour aligner les faisceaux auxiliaires de mesures infrarouge ainsi que les miroirs permettant de faire osciller le laser Mesure du gain On dispose d une source laser 1106 continue de tr s faible puissance sous la forme d une torche Nd YAG pomp e par une diode laser Le faisceau de bonne qualit optique Pmax gt 10 mW peut tre inject dans le m
20. en utilisant un ensemble de focale courte et longue suivant le montage suivant t lescope non inverseur Le r glage du tirage permet d obtenir un faisceau dont le diam tre est tr s sup rieur a celui de l entr e d un facteur 10 avec une divergence r duite dans les m mes proportions Aerandisseur de faisceau Pour le r glage fin de la collimation on dispose d un interf rometre simple compos d une lame paisse talon clair e 45 par le faisceau La division d amplitude et le d calage qui r sultent de la r flexion sur les deux faces du l paisseur finie d ou le nom de Shear Plate conduit un champ d interference de fort contraste qui possede une signature caract ristique de la courbure de l onde incidente sur le dispositif La figure suivante indique le mode d emploi de cet instrument des franges d interf rences parallelles la r f rence indiquent une bonne collimation qui pr sente une fiogure d interf rence varalable selon la collimation un D E A A rare O Si 4 nn Mor E diverging collimated converging beam beam beam Aspect de l cran Observer de fa on grossi re sur un cran la variation tr s importante de la tache laser lorsque l on fait varier l intensit d excitation Une mesure approch e de la focale thermique Fp peut s effectuer en localisant la tache minimale du faisceau en en supposant une lentille mince Milieu amplificateur
21. f re de fa on constructive chaque passage Cette condition s crit d une fa on plus formelle pour un champ lectrique d compos sur une base de faisceaux gaussiens TEMmn comme suit 1 ii ne D RI R2 Z q 1 m n I arccos 1 2 i 5 Cette relation montre que seule les fr quences vamn sont susceptibles de donner lieu l tablissement d ondes constructives dans la cavit choisie La figure ci dessous illustre la r partition quantifi e des fr quences dans une cavit Structure fine L ensemble infini de ces structures transversales gaussiennes s par es en fr quence par c 2d d finit l ensemble des modes longitudinaux d une cavit On remarque que chacun de ces modes poss dent une structure fine qu d pend des nombres entiers m n c est dire de la structure transverse du champ lectromagn tique En g n ral les oscillateurs lasers fonctionnent sur le mode transverse fondamental TEMOO et ils ne poss dent pas de structure fine li e aux variables transverses Les cavit s confocales d RI R2 sont particuli res car elles poss dent des fr quences de r sonance ind pendantes de la structure transverse cf quation ci dessus L annexe 1 pr sente la geometrie transverse de quelques modes TEM mn de type Hermite Gauss qui repr sentent des modes de sym trie axiale tandis que Laguerre Gauss poss de une sym trie cylindrique Emission Laser La figure suivante illustre le fonct
22. ilieu amplificateur et le gain peut tre calcul a partir de deux mesures mesures avec et sans excitation en fonction de l intensit du courant dans la lampe arc Le milieu amplificateur solide tant soumis ici a une tr s forte charge lumineuse il absorbe de l nergie en volume et chauffe Comme 1l est refroidi sur sa p riph rie il s tablit un gradient thermique de sym trie cylindrique qui induit une variation radiale des propri t s optiques l indice lin aire par exemple Ceci a deux cons quences sur le faisceau qui le traverse Si le faisceau est selon l axe avec une tendue finie il subit une focalisation d autant plus forte que la puissance dissip e est grande Le milieu est quivalent une lentille que l on peut consid rer comme mince de focale F n Si le faisceau arrive hors axe il se superpose une d viation du rayon moyen effet mirage qui modifie la propagation Ces deux effet compliquent la mesure du gain et l on peut utiliser un mesureur de puissance large en s assurant que la totalit du faisceau rentre bien dans le d tecteur ou bien utiliser une cam ra CCD et mesurer in situ l intensit du faisceau sonde Utilisez la premi re m thode propos e en r alisant le montage suivant Amplificateur NdY AG Laser d alignement Torche continue Mesureur de NdYAG puissance Figure 1 Mesure du gain A l aide d un mesureur de puissance mesurer l intensit de la sonde
23. ionnement d un laser Fr quences de Pompage du milieu amplificateur Laser cavit milieu r sonance d une cavit Largeur spectrale d emission A amplificateur de longueur L Gain g6 Gain g cL C 2L LP y d y e E r Le sch ma du milieu illustre la bande de gain du milieu amplificateur Les pertes sont galement indiqu es De ce fait l mission laser ne peut avoir lieu que si le gain est sup rieur aux pertes dans notre cavit et cela correspond une largeur de la bande de gain de Avo Le dernier sch ma pr sente les modes longitudinaux qui oscillent r ellement dans ce laser Manipulation Modes longitudinaux Pour analyser les modes longitudinaux ou les fr quences discr tes qui sont emis par un laser H lium N on gaz ionis on utilise une cavit Fabry P rot confocale R1 R2 L gt d intervalle spectral libre c 4L gal 8 GHz La longueur de ce Fabry P rot est ajustable par un piezo lectrique Pic de transmission pour L fix Cdra gt Transmission du Fabry Perot Laser tudier La courbe de transmission de ce Fabry P rot en fonction de la fr quence a l allure indiqu ci dessus pour une longueur L fix e courbe fonc e Si l on envoie le faisceau laser dans le Fabry P rot la transmission a lieu si la fr quence d un mode longitudinal du laser est en coincidence avec un mode de r sonance du FP Afin d explorer tous les modes du laser nous varions la longueur de l
24. l est d cal lat ralement pour les 2 allers retours suivants La position 8 sur le r seau correspond au faisceau sortant 1l est la m me hauteur que le faisceau entrant mais d cal de quelques millim tres Au total 1l y a 8 passages sur le r seau 4 allers retours dans l tireur CPA compresseur R seau 2 R seau 1 Le trajet bleu est plus court que le trajet rouge le bleu rattrape donc son retard L impulsion compress e a donc toutes ses composantes fr quentielles en m me temps Impacts sur les r seaux 2 4 lt 9 R seau 2 R seau 2 R seau 1 Apr s E E CPA le compresseur de l Alpha1000 M2 R1 M3 M4 M4 M1 M3 Vue de c t Vue de dessus PR1 PR Impacts sur le r seau 1 2 3 lt I gt O gt On injecte le faisceau initial par le miroir M1 il arrive sur le r seau Rl en 1 Il est diffract et est d cal lat ralement par le prisme PRL pour tre renvoy en 2 sur le r seau Ce dernier l oriente vers l ascenseur Il est alors renvoy parall lement par les miroirs M3 et M4 de l ascenseur et effectue le chemin inverse position 3 et 4 Il sort par le miroir M2 La distance du prisme au r seau est ajustable via une platine de translation manuelle Principes physiques CPA amplificateur r g n ratif 3 tapes S lectionner via la polarisation une impulsion laser unique provenant du train d impulsions fourni
25. la configuration non lin aire le signal SPIDER est le troisi me faisceau bleu cr e sur la bissectrice des deux faisceaux initiaux dans le cristal non lin aire c Mesure du spectre de l impulsion et reconstruction temporelle Afin d effectuer la reconstruction temporelle complete de l impulsion il faut mesurer en plus de la phase le spectre de l impulsion infrarouge Le logiciel Spider permet de faire l acquisition et le traitement du signal pour obtenir la forme temporelle de l impulsion PYLA o STAGE o DJ UNIVERSITE a LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TRAVAUX PRATIQUES Doublage superfluorescence et amplification param trique OPA Claude AGUERGARRAY Doctorant UNIVERSITE BORDEAUX 1 CELIA OPTIQUE NON LINEAIRE L optique non lin aire concerne les processus intervenant lorsqu un milieu materiel est soumis un faisceau lumineux suffisamment intense pour modifier la r ponse du milieu au champ lectromagn tique De nouveaux processus vont intervenir donnant lieu une grande richesse de ph nom nes comme par exemple la g n ration de nouvelles fr quences Ces ph nom nes sont dits non lineaires quand la r ponse d un syst me a un champ optique appliqu depend de fa on nonlin aire de l intensit de ce champ Par exemple l intensit de la lumi re cr e a la fr quence double s accro t comme le carr de l intensit du laser incident Plus pr cis ment si
26. lation On dispose de deux miroirs M2 de rayon de courbure diff rents Rec 60cm et Rcc et de m me r flectivit R2 0 98 En fonction de la zone de stabilite pour le miroir choisi fixer un des miroirs sur le trajet du faisceau d alignement et pr r gler son orientation en auto collimation pour avoir une cavit de longueur d stable A partir de cette position faire varier d licatement l orientation de ce miroir de fa on accrocher l oscillation laser Eteindre alors le laser auxiliaire Observer et d crire les diff rents modes transverses de fonctionnement de ce Laser Paide d une lentille courte focale de l ordre de 20 mm pour taler la tache du faisceau laser R gler la cavit pour un fonctionnement monomode transverse TEMoo mode gaussien Ins rer un polariseur sur le trajet du faisceau Rep rer l tat de polarisation Commenter Mesurer la puissance de chacun des modes Modes longitudinaux et transverses d une cavit Modes de r sonance Les modes de r sonance de la cavit d crivent les tats stationnaires du champ a l int rieur de la cavit Ils sont obtenus lorsque le champ lectrique se retrouve identique lui m me apr s un aller retour dans la cavit c est dire lorsque la phase du champ lectrique est stationnaire dans la cavit Il faut pour cela que la phase varie d un nombre entier de fois 2m apr s un aller retour Dans ces conditions le champ lectrique inter
27. mes d h lium et peuplent son niveau m tastable 2 s fig 2 En fait d autres tats du n on et de l h lium sont impliqu s dans ces collisions qui donnent par mission de fluorescence la couleur ros e du tube Un certain nombre d atomes d h lium excites rentrent en collision avec les atomes de n on Un transfert d nergie par effet de r sonance lors de la collision porte alors les atomes de n on dans leur tat 3s Cet tat permet l mission recherch e 632 8 nm L inversion de population dans ce syst me est possible car deux conditions sont r alis es Tout d abord la dur e de vie de l tat 2p est beaucoup plus petite que l tat 3s donc les atomes de n on passent plus de temps dans l tat excit ce qui assure l inversion de population Par ailleurs la grande dur e de vie de l tat 2 s de l h lium assure un transfert d nergie efficace avec le n on Mesure du gain du milieu amplificateur R aliser l injection du laser auxiliaire dans le tube amplificateur suivant le montage de la figure suivante A l aide des deux miroirs diriger le faisceau au mieux possible le long de laxe du tube La qualit de l alignement appara t apr s r flexion sur MI apr s un aller et retour dans le tube clairement visible apr s r flexion sur la lame semi transparente LS Une tache brillante bien centr e sur un cercle correspondant la partie diffus e sur les parois du tube est le signe d un bon alig
28. n et il est alors n cessaire d avoir une inversion importante dans le milieu amplificateur Pour cela il faut localement une densit d nergie importante ce qui explique que cette nergie soit apport e de mani re optique en utilisant les propri t s de confinement spatial des lasers On doit alors tre capable d avoir sur la face avant du cristal un clairement sup rieur 1 kKW cr Puissance optique Eclairement Surface du faisceau de pompe De plus le spectre d absorption de ces mat riaux est en g n ral troit quelques nanom tres et il faut donc utiliser des sources monochromatiques S l la longueur d onde centrale de ce spectre se situe dans le proche infrarouge on peut alors utiliser des diodes laser La diode laser est constitu e d un empilement de couches de semi conducteur dont une couche active o les photons lumineux sont produits La couche active doit tre suffisamment fine pour assurer la nature monochromatique de l mission d 0 3um Pour augmenter la puissance lumineuse mise on augmente la surface d emission en largissant la dimension transverse de la couche La surface d mission est donc rectangulaire 0 3um x 200um p Type N Active region Cleaved n Type facet 1001200 Sch ma d une diode laser gt 0bserver le spectre d mission de la diode laser et son d placement en fonction de la temp rature Cette dissym trie de la surface d mission a des cons
29. nde et autocorr lations Laurent SARGER CPMOH Laser femtoseconde Oscillateur PUMP LASER ___ M6 Mira Optima goo D Coherent M7 PUMP LASER ____ LA P2 M6 Mira Optima goo D Reglages Importants Pompage Rendement optimisation cavit en continu 5W pompe gt 0 7W 800 nm Taille de la fente effet Kerr Lancement du Mode Locking Mesures spectrales Mesures Temporelles Autocorr lations a rr rr unnnnnun a LP na Et expl 7 lexpliot En e KE A 7 a N e l lu w Y E Photodiode Zhotodiode photo rhin a Elt Elt u f 1 Mesure de la dur e de impulsion L autocorrelation par absorption deux trois photons dans une photodiode Ga sP permet une utilisation entre 600nm al 360nm dada T i feet 1 Pa autocorrelation Exemple pulse gaussien Elt exp E ealon Na alo ise 4 HO 40 29 A D w AM A0 4 Ty P a Retard fs e i MA Gu Tos Fr OS ES calas i i An H Relation Largeur autoco duree Pulse TP o M UNIVERSIT STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TRAVAUX PRATIQUES Caract risation d impulsions SPIDER Eric Cormier Maitre de Conferences CELIA Caract risation d impulsions ultracourtes par mesure SPIDER La m thode Spider est une m thode de mesure de la phase spectrale d une impulsion qui associ e la mesure du spectre permet de retrouver l
30. nement d tecteur tube HeNe miroir Fig 3 Sch ma pour la mesure du gain avec le laser auxiliaire Disposer le capteur photo lectrique sur ce faisceau r fl chi et mesurer l intensit du laser auxiliaire avec et sans l excitation du tube laser En d duire le gain g de ce syst me On prendra en compte la lumi re non laser provenant de la d charge dans le tube Evaluer le gain en dB metre Conclusions Domaine de stabilit Rappelons tout d abord la stabilit d une cavit optique form e de 2 miroirs sph riques R1 R2 plac s une distance d l un de l autre La r gion gris e du diagramme repr sente les zones stables de fonctionnement du r sonateur On rappelle que ce diagramme est issu d une analyse par l optique g om trique traduisant un grandissement constant apr s n allers retours dans le resonateur et assurant un confinement possible de l nergie dans la cavit Les cavit s particuli res sont indiqu es e Cavit concentrique R1 R2 d 2 e Cavite planaire RI R2 x e Cavit confocale R1 R2 d 4 i Phare die ES i N Se f 1 E 0 R2 ETS y 2 R Re bu NN N y eS N N P S aos AL COMES Etre Contoceale 7 0 1 E Fig 4 Domaine de stabilit pour une cavit a 2 miroirs L in galit 0 lt 1 d R 1 d R gt lt 1 qui repr sente le domaine de stabilit est trac e en gris Mise en oscil
31. ntille de focale 100 mm et un cran pour r gler le compresseur 12 L amplificateur r g n ratif Visualisation 3 crit res d optimisation Une photodiode rapide est mont e derri re le miroir de fin de cavit de l amplificateur r g n ratif M1 pour visualiser l volution de l nergie du faisceau La puissance moyenne en sortie Le profil transverse du faisceau La dur e d amplification de l impulsion 1 Evolution de l nergie dans l amplificateur sans injection de l oscillateur R gime nanoseconde 2 Evolution de l impulsion inject e dans l amplificateur L impulsion est pi g e dans la cavit par r glage du Delay 1 Ce r glage permet de synchroniser la capture de l impulsion avec le maximum de gain dans le cristal 3 Extraction de l impulsion amplifi e par application du Delay 2 Ce r glage permet d extraire l impulsion au moment o elle a le maximum d nergie bn 13 L amplificateur r g n ratif Le laser de pompe Laser B M industries laser Nd Y1f doubl en fr quence intra cavit LBO pomp par flashes 2 flashes de pompe Doublage de fr quence accord de phase en temp rature du LBO autour de 45 C mission 527 nm Mesure de puissance en sortie gt 8 W Attention Si le doublage intra cavit n est pas efficace l exc s d IR dans la cavit peut endommager le barreau de Nd YIf et les optique
32. r et d terminerez la polarisation de la lumi re produite par le laser de HeNe Le but principal de cette exp rience est d appr cier le r le donner par chaque element constituant le laser de HeNe et de ma triser la propagation et la manipulation de faisceaux gaussiens He 4 500 0 a Brewster Windows Output Coupler High Reflector Mirror A 99 Mirror Ri 99 77 Laser Alienment HeMe O AA A B ih i Output E Cathode Ballast PFezistor He Lazer Fiama Tute 1400 Y DE Power Supply Fig 1 Sch mas de principe de l exp rience Principe de fonctionnement Le milieu amplificateur du laser est constitu d un tube en quartz rempli d un m lange de gaz H lium et N on dans un rapport 7 pour 1 environ une pression de quelque torr Ce m lange est excit par une d charge lectrique douce continue 10 mA 1500Volts 25 35 ii a m SE PS 25 1 15 um D gt A very fast transition 00 nm Is A 5 he He AS Ground State Extended lifetime due to trapping of resonance radiation environ Un syst me de ballast permet de limiter le courant circulant dans le tube Les conditions sont telles que ce milieu est faiblement amplificateur pour certaines radiations appartenant au spectre d mission du gaz N on particuli rement la longueur d onde 1 632 8 nm Sch matiquement les lectrons acc l r s dans le tube interagissent principalement avec les ato
33. s Si la puissance en sortie est basse Baisser la puissance de pompe et v rifier que l accord de phase du LBO est optimum 14 Le compresseur Le prisme du compresseur est mont sur une platine de translation manuelle Le r glage de cette platine permet de modifier la distance associ e une recompression optimale Crit re n 1 dur e d impulsion N cessite une mesure externe de dur e d impulsion autocorr lateur monocoup On cherchera la dur e minimale Crit re n 2 optimisation de g n ration de continuum qui est fortement d pendante de la puissance cr te donc nergie donn e inversement proportionnelle la dur e Une lentille de focale 100 mm permet au laser amplifi de g n rer dans l air un continuum observable au foyer de la lentille On r gle le compresseur de mani re observer une large vari t de teintes roses sur l cran un point blanc intense et le plus court possible suivant l axe de propagation un son 1 kHz le plus intense possible 15 RECAPITULATIF Oscillateur x Femtolite IMRA Etreur Compresseur K Pockels Nd YIf Amplificateur r g n ratif Groupe de refroidissement 1 Groupe de refroidissement 2 Xx Points de contr les optiques X Photodiodes de contr le Driver MEDOX Delay1 Delay2 o UNIVERSITE D PYLA EU STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 TP Oscillateur femtoseco
34. ure fine de ces modes par rapport l quation 1 En d monstration Le faisceau laser inject dans le FP un seul mode transverse TEM et dans le cas g n ral il n est pas adapt ou align un mode propre de la cavit FP Ainsi si l on observe sur un cran la structure spatiale du faisceaux sortant du FP pour des longueurs L fix es diff rentes de la position confocale on obtiendra un chantillon des modes transverses annexe 1 Annexe 1 Modes de Gauss Hermite Modes de Gauss Laguerre PYLA CCA STAGE LASERS INTENSES Y UNIVERSIT J Du 15 au 19 mai 2006 TP Laser Nd YAG Gain et effets thermiques Laurent SARGER CPMOH LASERS Nd YAG La matrice de YAG pour Yttrium aluminium Garnet de composition chimique Yz A150 rubis d Yttrium et d aluminium est un substrat excellent pour le chromophore N odyme qui se substitue en tant que dopant aux atomes d Yttrium Cet ion est susceptible de pr senter un gain en mission stimul pour quelques longueurs d onde dans le proche infrarouge Le sch ma des niveaux pertinents est pr sent en figure A En effet ces propri t s thermiques et m caniques en font un bon mat riau laser assez facile a produire avec une bonne qualit optique La raie d mission 111064 est la plus connue et la plus utilis e Nd3 YAG Flashlamp CHETEY Eiliptical mirror L excitation de ce milieu amplificateur solide s effectue a
35. vec une source de lumi re soit avec un spectre large lampe arc ou flash dans un montage semblable a la figure B ou de facon plus adapt e avec une diode laser a 0185 qui excite directement l tat F susceptible de laser Nous proposons ici d tudier diff rents type de laser Nd Y AG Laser continu excit par lampe arc Laser puls excit par flash basse cadence 1 5 hertz Le travail exp rimental propos ici concerne les r gime de gain pulse et continus ATTENTION Les lasers que nous allons tudier ici sont des lasers de classe 4 et a ce titre leur rayonnement met l utilisateur en danger non seulement sur le plan du risque oculaire mais aussi sur celui du risque cutan voir annexe SECURITE Au cours des manipulations avec ces syst mes en plus d un soin particulier 1l est instamment demand de porter les lunettes cran laser adapt es au rayonnement Densit optique Do gt 7 pour 1 06u et ventuellement 0 532 u LASER Nd YAG CONTINU A Etude du milieu amplificateur Le syst me se compose conform ment au sch ma suivant et la photographie d un barreau cylindrique de cristal de Y AG dop avec du N odyme 3 et d une lampe arc lectrique Le barreau amplificateur de 3 mm de diam tre et dont les faces sont trait antireflet et l g rement inclin e par rapport l axe pour viter les r flexions parasites est plac sur un des axe d une cavit r flectrice dor e l or de forme quasi
Download Pdf Manuals
Related Search
Related Contents
Samsung PS58P96 Käyttöopas Audiovox DT 911 User's Manual MANUAL USUARIO EBOOK CODEX 401 Copyright © All rights reserved.
Failed to retrieve file