Panorama fonctionnel des cristaux convertisseurs de fréquence à forte énergie

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1 Panorama fonctionnel des cristaux convertisseurs de fréquence à forte énergie Gabriel MENNERAT Direction des Applications Militaires Département des Lasers de Puissance Centre d Études Scientifiques et Techniques d Aquitaine 1

2 Conversion de fréquence à forte énergie Principales grandes installations laser pour la FCI Spécifications sommaires des faisceaux de chauffage ultraviolet Final optics assembly vs Système de conv. de fréq. & focalisation Perfomances typiques Pompes pour amplificateurs d impulsions d ultra-haute intensité Amplificateurs paramétriques à dérive de fréq. (OPCPA) Amplificateurs à saphir dopé au titane exemple : capacités des autres cristaux doubleurs Amplificateurs paramétriques à dérive de fréquence (OPCPA) Faisceaux annexes pour installations FCI Lasers futurs pour la fusion Chaînes d ultra-haute intensité (10 27 W/cm²) Conclusion 2

3 3 voies possibles pour la fusion par confinement inertiel 1 - Attaque directe 2 - Attaque indirecte (LMJ/ NIF) paroi en or laser laser laser rayons X laser gaz 3 - Allumage rapide 1 : formation d un canal 2:électrons/protons relativistes et chauffage du DT Impulsions courtes et intenses ( ps, > W/cm²) Nécessité d un éclairement «uniforme» et de «grande» dimension (mm²) Limiter les sur-intensités qui développent des effets non-linéaires 3

4 National Ignition Facility (NIF) National Ignition Facility laser performance status Applied Optics Vol. 46, No. 16 June 2007 p

5 Le LMJ en m m 100 m 100 m m 3 de béton tonnes de fers à béton 5

6 Le LMJ russe (projet)... 6

7 et la LIL chinoise... TIL Optical Architecture The prototype for for SG-? has has 8 beamlines of of 30-cm aperture. Ö Å ó¼ 4 8 г ϵͳ SF1 ¹âÊøÔ ³ Õï ϵ Ôª T Õæ Õ ÐÊÒ TC SF2 PAM2 Amp2.(6) Ö Å ó¼ Õï ϵ Ôª Ç Ë PAM1 CM Amp1.(8) PC2 PAM4 PAM3 Ô Å¼ Ô Å ¼ Õï ϵ Ôª Prototype de Shenguang III, qui comprendra 48 faisceaux de 40x40 cm² (fin 2012) ²ÎÊý²âÁ 11 th De s. Mianya ng 7

8 Comparaison des schémas de base LMJ et NIF : structure de la partie amplificatrice à 1053 nm LMJ : amplificateur 4 passages «linéaire» Demi-tour M1 Polariseur FSC FST L1 L2 L3 L4 PEPC Amplificateur de cavité Amplificateur de transport Injection NIF : amplificateur régénératif + booster sur 2 plans 8

9 Comparaison des schémas de base LMJ et NIF variantes LMJ (multiplexage angulaire) et NIF (régénératif) 240 faisceaux configuration 9/9 ou 9/ plaques lasers 4 passages = le faisceau traverse 72 (64) plaques pilote 0.5 J par faisceau fin de chaîne à 2 réseaux dont le 3ω focalisant 192 faisceaux configuration 11/ plaques lasers Ampli régénératif + 1 Ampli 2 passages «booster» = le faisceau traverse 54 plaques pilote 3J par faisceau fin de chaîne classique à lentille et prisme 9

10 Cahier des charges sommaire des faisceaux 3ω3 Diagramme EP profil temporel typique Modulations de phase LM J NIF Anti-Brillouin 2 GHz 3 GHz Lissage 14 GHz 17 GHz élargissement spectral de 0,5 nm typ. à 1053 nm 10

11 Configuration retenue : doubleur Type I - tripleur Type II (ord) E 1ω (ext) θ D = 41,19 ψ = 0 Axe Optique θ D + θ (ord) Ε 2ω E 1ω θ T = 59,07 θ T (ext) k Axe Optique Ε 3ω Il y a 3 autres configurations possibles 11

12 Conversion de fréquence et focalisation LIL & LMJ réseau 1 ω L L L L réseau 3 ω focalisant DKDP KDP 3ω NIF 12

13 SCF : Système de Conv.. de fréq.. & Focalisation LIL Calorimètre étalon Inserable Lame de prélèvement insérable SCF Sténopé X Senseur 3ω SAT3ω 13

14 Doublement de fréquence à spectre large 14

15 D X Cristaux de grandes dimensions utilisés (ext) C Z A Doubleur type I B (ord) Y dimension des boules de KDP bx by bz 50,1 cm 50,1 cm 27,2 cm largeur = 395 ± 1 mm (387 utile) hauteur = 410 ±0,2 mm (400 utile) épaisseur LIL = 12,5 ± 0,1 mm LMJ = 14 ± 0,5 mm X D C Z (ext) A B Tripleur type II dimension des boules de DKDP (ord) Y bx by bz 21,4 cm 40 cm 34,8 cm largeur = 400 ± 1 mm (387 utile) hauteur = 410 ± 0,2 mm (400 utile) épaisseur LIL = 9 ± 0,05 mm LMJ = 10 ± 0,5 mm 2 ω 1 ω 3 ω Diffusion Raman Diffusion Raman = pertes d énergie et endommagement des cristaux Il faut deutérer et biseauter les tranches 15

16 Conversion à spectre large par dispersion angulaire (ord) (ext) Axe Optique θ D + θ θ T (ext) Axe Optique k (ord) Solution proposée par Volosov et al. (Sov. J. Quant. 1979) : dispersion angulaire du spectre dans le plan principal du tripleur 16

17 Aptitude au triplement de fréquence à spectre large 17

18 Performances typiques NIF & LIL Rendement NIF 84% Tache focale LIL Impulsions de 3,5 & 5 ns Record de 3ω : 9,3 kj Important : ajustement de l angle d accord de phase du doubleur ( µrad) pour assurer le ratio équi-photonique du tripleur 18

19 Conversion de fréquence à forte énergie Principales grandes installations laser pour la FCI Spécifications sommaires des faisceaux de chauffage ultraviolet Final optics assembly vs Système de conv. de fréq. & focalisation Perfomances typiques Pompes pour amplificateurs d impulsions d ultra-haute intensité Amplificateurs paramétriques à dérive de fréq. (OPCPA) Amplificateurs à saphir dopé au titane exemple : capacités des autres cristaux doubleurs Amplificateurs paramétriques à dérive de fréquence (OPCPA) Faisceaux annexes pour installations FCI Lasers futurs pour la fusion Chaînes d ultra-haute intensité (1027 W/cm²) Conclusion 19

20 Lois de dimensionnement : épaisseur Rendement de doublement de fréquence: ondes planes, sn Jacobi η = tanh 2 I 2 kl L sinc Pc 2 où la puissance critique ε ocn1n2 n3λ² Pc = π ² d eff ² À l accord de phase ( k=0) on obtient un rendement η=80% pour I x L²= 1,44 x P c Or l intensité opérationnelle I op est limitée par la tenue au flux en fluence J max = I TFL x τ [J/cm²] les effets non-linéaires indésirables, en intensité I max [MW/cm²] On choisit la plus petite des deux valeurs limites I TFL et I max avec une marge de sécurité liée au profil d emploi, à la cadence Ce qui définit 1,44Pc L = Iop 20 5 n 1 n d 2 n λ² eff 3 ²

21 Lois de dimensionnement : criticités L acceptance à mi hauteur vis-à-vis du paramètre ζ est définie comme la plage pour lequel le facteur ( ) 1 sinc 2 k ζ L > où le désaccord de phase 2 2 2π k ( θ, φ, T, λ) = [ 2n3( θ, φ, T, λ / 2) ( n1 ( θ, φ, T, λ) + n2( θ, φ, T, λ)) ] λ Au 1 ier 1 ordre (acc. de phase critique) ζ 1/ 2 5,56 k = L ζ 1 La criticité augmente avec le rendement, pour η o =80% ζ 1 80 % 5,56 k = L ζ 2,2 rendement relatif Doublement de fréquence à 1064,2nm 25.9 C à 80% du maximum pour η ο < 40 % 44.6 C à mi-hauteur pour ηo < 40 % Cristal de KTP type II de 5 mm température [ C] 21

22 Lois de dimensionnement : puissance moyenne Pas de limites de principe à la montée en cadence à condition d orienter longitudinalement les gradients thermiques et de segmenter en épaisseur : Eimerl IEEE J. Quant Elect. QE-23 p575 (1987) difficultés pratiques : déphasage, rigidité, flux laminaire d He supersonique, coût quelles limites au refroidissement radial? Hypothèses : faisceau circulaire top-hat, cristal d extension transverse infinie propriétés thermiques isotropes, refroidissement uniquement radial : gradient parabolique intégration sur section faisceau critère pour η/η o >80% : 1 4π k αp Gettemy et al. IEEE J. Quant Elect. 23 p2231 (1988) αp T soit a rc L = L Pmoy < 13, 5 T50% T κ 50 κ α 22 < 6 κ

23 Paramètres matériaux KDP DKDP YCOB LBO KTP CLBO BBO Type I Type I Type I Type I Type II Type II Type I Phase-matching angles θ=41.0 θ=36.6 θ=149.7 ϕ=0 θ=90 ϕ=12.3 θ=90 ϕ=33.0 θ=42.7 θ=23.0 Nonlinear effective coefficient d eff [pm/v] Refractive index Angular acceptance FWHM [mrad.cm] Temperature acceptance FWHM T 50% [K.cm] > Absorption [%.cm -1 ] Operating intensity [MW/cm²] Thermal conductivity [W/mK] n.a

24 Paramètres de doubleurs à 1053nm KDP DKDP YCOB LBO KTP CLBO BBO Type I Type I Type I Type I Type II Type II Type I Critical power P c [MW] Thickness L [mm] Angular tolerance 2 [mrad] Temperature tolerance 2 [ C] Wavelength tolerance 3 [nm] Clear aperture [cm] Max. fundamental energy 4 16 kj 16 kj 400 J 100 J 50 J 60 J 60 J Max average power [W] n.a Max repetition rate [Hz] n.a. 67 Min pulse duration [fs] for 80% theoretical efficiency at operational intensity Iop (plane waves) 2 full width at 80% of maximum for thickness L 3 full width at half-maximum of fondamental wavelength bandwidth for thickness L 4 for a maximum fluence of 8 J/cm² at fundamental wavelength 5 for 80% of maximum efficiency and maximum fundamental energy 24

25 Banc de conversion de fréquences Alisé Implantation du Banc de Conversion de Fréquences d Alisé Échelle 1/15 ième Légende : Rouge = 1ω Vert = 2ω Bleu = 3ω : mesure d énergie et profil spatial incident (fuite miroir) : mesure d énergie sur ordre de diffraction ±1, calo. gamme 1-50 mj : profil d intensité champ proche, sur ordre de diffraction ±2, caméra CCD 700 pj : profil d intensité champ lointain, sur ordre de diffraction ±2, caméra CCD 700 pj : profil temporel d impulsion, sur ordre de diffraction ±1, phototube 60 ps : faisceau principal utile aux expériences, gamme J LBO tripleur ooe ep. 15mm 3x3 mm λ/2 λ/2 KTP doubleur eoe ep. 5mm 3x3 mm 1ω; 10 ns, 10Hz, 15mJ 90 mm G. MENNERAT SCAL/LSL 2003 KDP doubleur ooe ep. 12mm 150x150 mm HBS 3ω 0,05% λ/2 Ordre 2 <25µJ 3ω KD * P tripleur eoe ep. 9mm 100x100 mm HB S 2ω 0,05 % mm HBS 1ω 0,05% 10

26 Faisceau typique d Alisé pour les essais dans KTP G. Mennerat DLP/SCAL/LSL

27 Code de simulation Mirò 27

28 Doublement de fréquence à haute énergie dans KTP 28

29 KTP : doublement de fréquence d impulsions chirpées 29

30 Doubl.. de fréquence à 1053nm pour le pré-ampli OPCPA Petal Doubleur KTP type II Cristal Laser, 20x20mm², ép. 4,5 mm, (θ,ϕ)=(90,33) 7,5x7,5 mm² 1 Intensité normalisée 0, Temps (ns) 30

31 Doublement de fréquence dans CLBO Deux cristaux de CLBO type II en quadrature (Kogakugiken Ltd Japon) 1. Démonstration forte énergie : #1 : 30 x 30 x 11,5 mm, θ=41,9 #2 : 30 x 30 x 15,5 mm, θ=41,9 25 J à 532 nm pour 34 J à 1064 nm (74%, 330 MW/cm²) Kiriyama et al. Optics Express Vol. 10 (2002) Démonstration forte puissance : Quadrature double passage, 10 Hz #1 & #2 : 18 x 18 x 10 mm 2,7 J à 532 nm pour 3,3 J à 1064 nm (84%) Kiriyama et al. JOSAB Vol 19 (2002)

32 Doublement à haute puissance dans YCOB Prog. LLNL Mercury: prospective de drivers FCI YCOB : 80x50x15,8 mm type I pressé sur plaque de saphir 22,7 J à 523 nm (50%) à 10 Hz pendant 50 min. 3ns 32

33 Conversion de fréquence à forte énergie Principales grandes installations laser pour la FCI Spécifications sommaires des faisceaux de chauffage ultraviolet Final optics assembly vs Système de conv. de fréq. & focalisation Perfomances typiques Pompes pour amplificateurs d impulsions d ultra-haute intensité Amplificateurs paramétriques à dérive de fréq. (OPCPA) Amplificateurs à saphir dopé au titane exemple : capacités des autres cristaux doubleurs Amplificateurs paramétriques à dérive de fréquence (OPCPA) Faisceaux annexes pour installations FCI Lasers futurs pour la fusion Chaînes d ultra-haute intensité (10 27 W/cm²) Conclusion 33

34 Amplification paramétrique d impulsions à dérive en fréquence CPA Amplification:OPA Transfert d énergie de l onde pompe à l onde signal Cristal = Catalyseur ω 1 ω 3 ω 3 (pompe) ω 1 (signal) ω 2 (idler) Avantages: pas de stockage d énergie (aucun effet thermique) grand gain large bande de gain grande qualité de faisceau Difficultés: synchronisation qualité spatiale pompe monomode stabilité 34

35 OPCPA : 2 approches schéma mixte préampli OPCPA + ampli laser spectre large l ampli laser fige la longueur d onde : Nd:Verre, Ti:Saphir... PETAL, Livermore, Rutherford, ILE/ELI... schéma tout OPCPA la bande passante est optimisée dans les étages OPCPA Rutherford II, Luch... 35

36 Pré-amplification OPCPA à 1053 nm dans BBO 6e+06 5e+06 BBO type I ép. 10 mm 2 passages à compensation walk-off 135 mj pompe, diam. 2 mm (2,7 J/cm²) signal amplifié : 10,2 mj spectre amplifié spectre initial x e+06 puissance [W] 3e+06 2e+06 1e ,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 1,055 1,06 1,065 1,07 1,075 1,08 Configuration préampli Alisé : longueur d'onde [µm] signal incident : centré à 1053 nm, durée 100fs, étiré à 1,5 ns pompe monomode à 532,1nm, durée 15 ns gain : 5x

37 Pré-amplification OPCPA à 1053 nm dans LBO 6e+06 5e+06 LBO type I dble passage ép. 20 mm 120 mj pompe, diam. 2 mm (2,1 J/cm²) signal amplifié : 10,3 mj spectre amplifié spectre initial x e+06 puissance [W] 3e+06 2e+06 1e ,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 1,055 1,06 1,065 1,07 1,075 1,08 longueur d'onde [µm] Configuration préampli Alisé : signal incident : centré à 1053 nm, durée 100fs, étiré à 1,5 ns pompe monomode à 532,1nm, durée 15 ns gain : 5x

38 Pré-amplification OPCPA à 1053 nm dans KDP 6e+06 5e+06 KDP type I, ép. 30 mm 4 passages à compensation de walk-off 235 mj pompe, diam. 2 mm (4,1 J/cm²) signal amplifié : 9,8 mj spectre amplifié spectre initial x e+06 puissance [W] 3e+06 2e+06 1e ,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 1,055 1,06 1,065 1,07 1,075 1,08 Configuration préampli Alisé : longueur d'onde [µm] signal incident : centré à 1053 nm, durée 100fs, étiré à 1,5 ns pompe monomode à 532,1nm, durée 15 ns gain : 5x

39 Pré-amplification dans YCOB, hors plans principaux 39

40 Pré-amplification dans YCOB, non-colinéaire, HPP 6e+06 5e+06 YCOB type I ép. 20 mm hors Plans Principaux 2 passages à compensation walk-off 3D! 130 mj pompe, diam. 2 mm (2,4 J/cm²) signal amplifié : 10,8 mj spectre amplifié spectre initial x e+06 puissance [W] 3e+06 2e+06 1e ,025 1,03 1,035 1,04 1,045 1,05 1,055 1,06 1,065 1,07 1,075 1,08 Configuration préampli Alisé : longueur d'onde [µm] signal incident : centré à 1053 nm, durée 100fs, étiré à 1,5 ns pompe monomode à 532,1nm, durée 15 ns gain : 5x

41 «Magic» angle pour différents matériaux 1300 YCOB 3, BBO 2.5 LBO DKDP 3,7 longueur d'onde [nm] LBO 830 nm deff=0,8pm/v BBO 810 nm deff=2pm/v DKDP 911 nm deff=0,2pm/ V YCOB 860 nm deff=0,3pm/v angle d'accord de phase [ ] 41

42 Non-degenerated broadband phase-matching in KD*P. How wide is it? 2000 Pump power = 1GW/cm 2 (527nm) 1600 λ signal =911nm 1000nm DK*P length = 7cm small signal gain nm 800nm 950nm wavelength detuning ν, cm -1 42

43 Dernier résultat russe : 24 J, 47 fs,, 0.56 PW à 910 nm 43

44 Dernier résultat russe : 24 J, 47 fs,, 0.56 PW à 911 nm 44

45 Prochaine étape russe : 150 J, 50 fs ie 3 PW 45

46 Rutherford : OPCPA Vulcain de 1053 nm vers 911 nm 35 J, 85 fs obtenus en 2006 à 1053 nm prochaine étape : passage à 911 nm, 10 PW visés 46

47 Conclusion et perspectives Le couple KDP/DKDP est le seul envisageable aujourd hui pour les très fortes énergies (> 1kJ) performant pour le doublement à large bande et l OPCPA 50 fs essentiellement limité, pour la conversion de fréquence à forte puissance (cadence) par les problèmes thermiques La substitution la plus versatile est apparemment BBO ; toutefois faute de disposer de BBO d ouverture > 3cm : LBO de grandes dimensions pourrait permettre la montée en cadence jusqu à quelques 10 Hz des OPCPA dans la gamme 10 fs YCOB apparaît comme un candidat sérieux pour les applications à très forte puissance moyenne mais est plus limité en acc. ang. Enfin, les travaux prospectifs sur les lasers pour la fusion sont basés sur des sections typiques de 100 cm², probablement accessibles à terme dans certains borates 47