Le pilote du Laser PETAL. H. Coïc, G. Deschaseaux, O. Hartmann, E. Hugonnot DLP/SCAL/LOE

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1 Le pilote du Laser PETAL H. Coïc, G. Deschaseaux, O. Hartmann, E. Hugonnot DLP/SCAL/LOE 1

2 Le rôle du pilote Génération de l'impulsion étirée temporellement Création d'une impulsion femtoseconde à spectre large Étirement temporel dans une gamme ns Préamplification du signal en régime monocoup Dans la gamme 100mJ Mise en forme du faisceau qui sera injecté dans la chaîne pour les tirs de puissance Adaptation du profil spatial/amplificateurs et au compresseur fin de chaîne Délivrer un profil temporel répondant aux spécifications Assurer une fonction d'alignement pour les réseaux fin de chaîne 2

3 Energie de l'impulsion : >100mJ Profil spatial Rappel des spécifications requises Section carrée 36mmx36mm à profil plat Intensité spectrale Centrée à 1053nm de Support 16nm Profil temporel Impulsion étirée ("chirpée") avec facteur d'étirement fixé Support 9ns et comprimable à t<500fs par les réseaux fin de chaîne Synchronisation de l'impulsion sur cible / référence LIL jitter <15ps Fournir un faisceau continu (spectre large) pour l'alignement Puissance >10mW 3

4 Choix de l'architecture (1) Dossier faisabilité 2004: Création de l'impulsion : Source commerciale Étirement temporel : Étireur de type öffner Système présentant peu de défauts de phase Pré-amplification : Architecture OPA (Optical Parametric Amplification) L'amplification classique ne préserve pas l'aspect spectre large Principe de l'opa : amplification par mélange d'onde Signal et Pompe dans un cristal non linéaire Expériences préliminaires sur ALISE Validation d'opa fonctionnant à saturation Régime de fonctionnement différent (Gain limité à 40 contre 10 9 pour le pilote PETAL) POMPE = élément fondamental dont les performances sont essentielles Le signal amplifié acquiert les propriétés de la pompe (spatiales et temporelles) 4

5 Choix de l'architecture (2) Création de l'impulsion Etirement temporel Préamplification Femtosecond Oscillator Pump Laser 14W continuous 532nm Pulse Selector Öffner Stretcher Optical Fiber (PM) Signal Output 300mJ/1053nm/9ns/16nm single shot Femtosecond Laser MHz 1053 nm 3nJ - 100fs - 16nm Pockels Cell Phase corrector Collimator collimator Beam shaper BBO BBO Driver Power supply + Driver fibered Source Regenerative Amplifier Power amplifier Fibered oscillator monochromatic Acousto-optic Modulator Temporal shaping Modulator Collimator Diode pumped head Pockels Cell Active Beam Shaper FlashPumpedhead SHG (KTP) Pump 1.2J/526nm/9ns/monochromatic Single shot Laser de Pompe 5

6 Source nominale (salle E9) Schéma de la source (1) Source commerciale Mira pompé par Verdi 18W : Puissance : 400mW à λ=1053nm Durée d'impulsion :100fs, λ=16nm Fréquence 77.76MHz (f/2 de la LIL) 4nJ/impulsion Système synchro-lock : Pilotable LIL Jitter<1ps/consigne cette fonction assure la synchronisation par rapport à l'installation 6

7 Schéma de la source (2) Etireur de type Öffner : 100fs 9ns (8 passages sur le réseau) Réseau 1810 traits/mm 460mm x 210mm Miroir primaire D=400mm R courbure =3m Injection Extraction OUT h=120 MIRA 900 h=197 IN h=120 Verdi V18 Table optique Mur 7

8 Caractérisation de la source Mesures Spécifications Profil temporel 10ns 0,035 0,03 0,025 Largeur totale à mi-hauteur > 9ns±0.1nm Support 10nm intensity (a.u.) 0,02 0,015 0,01 Support profil temporel > 9ns±0.1nm 0, ,5 5 7, , , ,5 25 Profil spectral 17nm centrée à 1053nm 1 time (ns) Input Largeur totale à mihauteur>16nm Output Support 17nm Intensity (a.u) 0,5 Support 16nm±0.5nm centré à 1053±0.5nm wavelength (nm) Fréquence 77.76MHz (mesuré à l'analyseur de spectre RF) 77.76MHz Puissance de sortie OK (20mW en sortie de cristaux) >10mW sortie MPA 8

9 MPA : démonstration sur table Étape permettant de valider l'architecture avant intégration Réalisée à l'échelle 1, avec déploiement sur table (salle E9) Prise en compte des contraintes d'encombrement Surfaces et volumes limités dans le caisson MPA intégré sur chaîne Objectifs: Validation de l'architecture : Dimensionnement de la pompe : énergie, qualité spatiale et temporelle Dimensionnement des étages OPA : énergie, qualité spatiale et temporelle de l'impulsion amplifiée Validation de la procédure de réglage des cristaux Validation des Synchronisations/installation Utilisation Maître et esclave synchro LIL 9

10 Démonstration sur table : Evolutions (1) Dimensionnement initial : 2 cristaux de BBO Gestion recouvrement spatial pompe/signal (Walk-off) délicate 1er étage BBO 17mm 2 LB0 25mm Dimensionnement initial : Amplification sur t=9ns ( λ=16nm) Répartition : 200mJ sur 2mmx2mm 1ier étage 800mJ sur 4mmx4mm sur2ième étage : 180mJ extraits MAIS : Pb tenue au flux sur les tubes à vide P=550MW/cm 2, Fluence moyenne>5j/cm 2 Passage à t=4.5ns ( λ=8nm) P=550MW/cm 2, Fluence moyenne 2.5J/cm 2 Incidence sur les performances minime * 10

11 Démonstration sur table : Evolutions (2) Procédure de réglage des cristaux : mise en œuvre d'un "by pass" Réglage en régime monocoup (1tir/5min) impossible : Réglage simultané des superpositions spatiales, du réglage des angles d'incidence sur les 3 cristaux By pass = faisceau de pompe récurrent (1Hz) Sortie de l'amplificateur régénératif directement doublé dans le KTP sans passer par l'amplificateur de puissance Section 0.5mmx0.5mm Energie à 527nm : 20mJ Densité de puissance suffisante pour amplifier le signal dans les cristaux et donc les régler 11

12 Démonstration sur table : Laser de Pompe (1) Injection de la pompe à 1053nm (partie fibrée) : Laser fibré IDIL + modulateur Electro-Optique (MFT) piloté par Rack Kentech Donne les caractéristiques temporelles et spectrales de la pompe Faisceau monochromatique λ<100pm (limite de la mesure) Bon rapport signal sur bruit : 60bB Profil temporel MFT : compense la saturation de la pompe et fabrique la forme du gain avec une précision de 100ps Impulsion monochromatique (échelle log) Mise en forme temporelle 1,2 1 normalized intensity 0,8 0,6 0,4 0, time (ns) Electrical shape Optical shape 12

13 Démonstration sur table : Laser de Pompe (2) Premier étage d'amplification de la pompe : Amplificateur régénératif à 1053nm (faisceau libre) Cavité régénérative repliée type LIL Amplification : 1nJ 50mJ Section 2.5mmx2.5mm mise en forme spatialement avec une lame de phase SILIOS Fonctionnement à 1Hz Profil spatial en sortie de cavité 13

14 Démonstration sur table : Laser de Pompe (3) Mise en forme spatiale active : MFS Hamamatsu Rôle : Affiner le profil spatial en sortie de MPA Pré-compenser du profil de gain de la chaîne Mise en œuvre prochaine Optimisation du profil=boucle d'asservissement sur quelques tirs+calcul MFS active Hamamatsu 1,0 Energy 0,5 50 0, Grey level 14

15 Démonstration sur table : Laser de Pompe (4) Amplification d'énergie à 1053nm: Tête Quantel SFC325 Nd Verre (diamètre 25mm) pompée par flash Amplification 50mJ 2J en deux passages Section d'amplification : 15mmx15mm Monocoup (1 tir/5 minutes) Profil spatial de sortie 15

16 Démonstration sur table : Laser de Pompe (5) Doublement de fréquence : passage de 1053nm à 527nm Cristal de KTP : section 20mmx20mm, longueur 4.5mm Section de faisceau : 7.5mmx7.5mm Rendement de conversion : 60% (2J 1.2J) Profil temporel en sortie de doubleur (avec mise en œuvre MFT) Profil spatial en sortie de doubleur 1,4 1,2 intensité (u.a.) 1 0,8 0,6 0,4 0, temps (ns) 16

17 Démonstration sur table : Etage d'amplification paramétrique (1) Préamplification du signal : Réalisation d'un gain G=10 9 (0.1nJ 0.1J) Réalisé en 2 étages d'amplification division du faisceau de pompe en 2 Pompe 2nd étage 1 er étage 2 cristaux de LBO (10mmx10mmx25mm) Signal injecté 2 ème étage 1 cristal de BBO (10mmx10mmx15mm) Pompe 1er étage 17

18 Démonstration sur table : Etage d'amplification paramétrique (3) Mesures spécifications Profil spatial M=20% (sans diaphragme crénelé et sans MFS) M=10% Profil temporel Intensité 1 0, Durée 4.5ns ( profil supergaussien d'ordre 6) 4.5ns* (9ns) Temps (ns) Profil spectral Intensité normalisée) 1 0,5 8nm 8nm* (16nm) Longueur d'onde (nm) Energie 150mJ >100mJ 18

19 Recompression : Démonstration sur table : expériences à venir Compresseur local monté A venir :Mesure de la durée d'impulsion comprimée (autocorrélateur) Mise en forme spatiale (MFS) : Améliorer le profil de sortie (taux de modulations M) Besoin d'un faisceau creusé (compensation du gain des chaînes) avec des trous (4 sous pupilles) Mesure de la phase spectrale (test SPIRITED) 19

20 Intégration du pilote (1) Source : localisée en salle E9 (phases 1 et 2) MPA : intégration optomécanique dans un caisson type MPA LIL (conception SCAL/LOM) : livraison début 2007 Boitier d'interface Alimentation/Commande Du MPA Âme centrale du MPA 20

21 Intégration du pilote (2) MPA : Schéma optique d'intégration Schéma optique déployé sur table Partie "Pompe" Partie "Amplification" Alimentations et servitudes 4 demi-baies (cablages et équipements dimensionnés) Pilotage (SLIL/LSPV) : test des équipements en cours de finalisation Recette pilotage local (OMI) site début

22 Conclusion Démonstration sur table Nécessaire pour validation Performances démontrées : E=150mJ ( t=4.5ns, λ=8nm) Mesure de la durée d'impulsion recomprimée et de la phase spectrale à venir Architecture et méthode d'alignement validées Caractérisation complète du faisceau à faire : Mesure de contraste court après compression : difficulté de la mesure en monocoup (Diagnostics) Evaluation du bruit (ASE) : contraste "long" Intégration Conception en parallèle de la démonstration sur table Début intégration opto-mécanique début 2007 jusqu'à mi