Compression de pulse laser.
Compression de pulses laser.
Deux possibilités: fibre pleine et fibre creuse cela dépend de l'énergie injectée et de la durée désirée.
La compression de pulses picosecondes et femtosecondes à lieu dans les fibres optique dont le coeur est en verre ou en quartz pour des puissances instantanée dans le domaine du kW ! Cette compression se produit par l'élargissement spectral dû à la variation de l'indice de réfraction non linéaire n2 produit par la forte intensité lumineuse qui parcoure la fibre.
On utilise ce genre de fibre pour produire de la lumière blanche sans miroirs de recompression.
Si l'on utilise des miroirs "chirpés" on recomprime le pulse. Le facteur de recompression dépend de la durée de pulse à l'entrée de la fibre, de la longueur d'onde du pulse laser et de la longueur de la fibre.
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 | Dans la filamentation différents phénomène physique se produisent
de la diffraction, dispersion de la vitesse de groupe,
auto-focalisant par effet Kerr, auto-raidissement de l'impulsion,
focalisation spatio-temporelle, diffusion Raman,
ionisation, défocalisation du plasma
ainsi que la photo-absorption et la
recombinaison du plasma.
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La compression par fibre creuse rigide et structurée (souple) appelée Kagomé. (régime monomode)
Deux possibilité: avec air et avec gaz rares :
La compression dans la fibre creuse remplie d'air rigide ou souple se produit par auto-modulation de phase qui est le résultat d'un changement de l'indice non linéaire de réfraction n2 dans le gaz (environ 1000 fois plus petit que dans un solide comme le verre composant le coeur de la fibre). Pour compenser cette situation plus défavorable on se limite à des longueurs pratiques de l'ordre du mètre,on augmente la puissance crête du KW au GW ( facteur de 1million).
Après un parcoure de l'ordre du mètre on peut obtenir des facteurs de compression de 10 à 20 . Dans ce cas, il faut comprimer le pulse aux moyens de miroirs "chirpés".
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Cas ou la fibre creuse rigide est remplie d'un gaz rare ( He ; Ar ; Ne ; Kr ; Xe ) ayant un gros diamètre de l'ordre de 250 fois la longeur d'ondes (régime multimodes) et une longueur de 3 mètres on peut obtenir des pulses de 400 attosecondes en partant d'un pulse de 10 femtosecondes "sans miroirs chirpés de recompression" Projet HISOL John.C. Travers Heriot Watt University à la pointe de cette technique.
Le principe est la formation de solitons de haute énergie dans les fibres à capillaires creuses remplie de gaz rares provoque une altération extrême de la forme temporelle et spectral d'une impulsion lumineuse qui se propage dans la fibre.
Un soliton optique est une impulsion électromagnétique se propageant sans déformation. Par sa nature même, elle est solution stable de l'équation de propagation dans le milieu qu'elle traverse .Le soliton naît d'un équilibre entre deux effets qui se compensent. Dans le cas d'un soliton optique, ces effets sont essentiellement l'auto modulation de phase et la dispersion anormale.
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 | L'auto modulation de phase décale vers les plus basses fréquences (donc
les plus grandes longueurs d'onde) le front de l'impulsion, et
inversement décale vers les courtes longueurs d'onde la traîne de
l'impulsion. La dispersion anormale décale vers le front de l'impulsion
les hautes fréquences, les basses fréquences se retrouvant à la traîne
(le rouge se propage ici moins vite que le bleu, contrairement au cas
d'une dispersion normale). Donc, entre l'auto-modulation de phase qui
agissant sur le spectre de l'impulsion tend à rendre le front plus rouge
et la traîne plus bleue, et la dispersion anormale qui agissant sur le
profil temporel de l'impulsion tend à rendre le front plus bleu et la
traîne plus rouge, l'impulsion trouve une forme qui équilibre les deux
effets. La théorie montre qu'il s'agit d'une forme en sécante
hyperbolique c'est le soliton optique !
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Deux cas de figures:
A. Energie inférieur à 1mJ
On produit dans la fibre uniquement de l'auto-modulation de phase ce qui conduit à un élargissement spectral symétrique pour obtenir le pulse comprimé il faut utilisé des miroirs "chirpés"
B. Energie supérieur à 1mJ
On produit de l'auto-modulation de phase + de la ionisation du gaz(dispersion anormal) contenu dans le canal de la fibre, qui va produire un spectre plus large décalé vers le bleu donc asymétrique. De ce fait on aura une compression plus élevée, donc une durée de pulse plus courte. Pour des énergie supérieur à 1mJ on utilisera une polarisation circulaire favorisant le rendement. Ici on travail en régime de solitons haute énergie.
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 | Une présentation exhaustive des fibres Kagomé par F.Benabid
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 | Ici on peut voir l'intensité laser en W/cm2 que l'on peut introduire dans la fibre creuse avec les différents gaz avant d'obtenir la ionisation de ceux-ci.
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Partie expérimentale création d'un pulse mono-cycle optique.
En
ce qui me concerne, je dispose d'une table optique de 3m x 1.5m avec un
laser femtoseconde de 1mJ à 1kHz et de 120 fs model CLARK MXR2010
voir sous http://www.swissrocketman.fr/mxr1020-regenerative-amplifier-clark,fr,3,367.cfm
Dans cette expérience, je recherche à généré une impulsion laser à cycle unique en partant du laser CLARK MXR2010.
Pour cela j'envisage de faire une compression en 3 étages :
Une première compression par filamentation dans l'argon à 760 torr dans un tube de verre PYREX.
Pour cela, je réduis le diamètre du faisceau au moyen d'un télescope inverse de 3 fois pour éviter que la lentille de mise au point ne crée une intensité trop élevée dans le foyer qui serait trop forte et sera en mesure de détruire le filament. La lentille L2 en silice est traitée AR 800nm avec une longueur focale de 1 mètre.
Le tube PYREX a un diamètre intérieur de 50 mm et une longueur de 1600 mm, avec 2 fenêtres en silice d'une épaisseur de 0,5 mm à l'incidence de Brewster. À la sortie du tube, le faisceau divergent est rendu parallèle par un miroir concave d'une longueur focale de 1 m avec un revêtement diélectrique multicouche avec 99,95%R à 775nm. Après le passage sur les miroirs chirpés, j'espère obtenir des impulsions de 30 fs avec 0,5mJ d'énergie.
Une deuxième compression utilisant une fibre de quartz creuse de 250 microns de diamètre et 600 mm de long dans un tube de verre PYREX de 20 mm de diamètre intérieur et 32 mm de diamètre extérieur.
La lentille L3 dirige le faisceau vers la fibre creuse de 250 microns.
La pression du gaz néon l'intérieur du tube est de 4000 torr.
Autre possibilité envisagée est l'utilisation d'une fibre KAGOME de type hypocycloïde à 19 cellules HCPCF-19.
Je fais de la recompression au moyen d'un compresseur-étireur utilisant deux miroirs holographiques à réseau de BRAGG A TRANSMISSION VOLUMIQUE que je possède. A ce niveau, je pense que j'aurai un pulse de 6fs et 0,2mJ.
Une troisième compression utilisant des lames de silice de 0,5 mm d'épaisseur.
Une enceinte en verre de 50 mm de diamètre intérieur avec 4 lames de silice de 0,5 mm d'épaisseur situées près du foyer optique et espacées d'environ 8 cm entre chaque lames. Le miroir argenté M5, d'une longueur focale de 600 mm, concentre le faisceau sur les lames.
Le miroir M4 d'une longueur focale de 600 mm redresse le faisceau pour le rendre parallèle, puis il est envoyé vers une dernière paire de miroirs chirpés pour former une impulsion de lumière monocycle de 2.5fs !
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Le spectre de l'impulsion laser est élargi en raison d'interactions non linéaires, telles que l'effet Kerr optique ou l'ionisation dans une fibre creuse à âme structurée remplie de gaz rare. L'impulsion de sortie de ces fibres creuses type "KAGOME HC-PCF" peut avoir un spectre sufisamment large pour générer une impulsion à cycle unique; cependant, une structure de phase complexe se développe pendant la propagation dans les milieux optiques non linéaires.
L'impulsion laser peut-être comprimée jusqu'à la limite de quelques cycles seulement lorsque la dispersion du second ordre est compensée à l'aide de miroirs chirpés. Si l'on veut compresser d'avantage, la dispersion du troisième ordre et des ordres supérieurs doit être compensé à l'aide d'un miroir chirpé d'ordre supérieur.
Dans la troisième compression je vais utiliser des lames de SiO2 ou de CaF2 pour l'élargissement spectral. Pour éviter la focalisation Kerr dans les lames j'utilise des lames de 0.5mm d'épaisseur orientées à l'incidence de Brewster dans un tube à vide. Les lames seront disposées proche du foyer du miroir concave argenté de 200mm de focale.
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