Source Laser impulsionnelle à haute cadence dans l ultraviolet. Sébastien Forget

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1 Source Laser impulsionnelle à haute cadence dans l ultraviolet Sébastien Forget 20 Novembre 2003

2 Introduction Objectif : répondre à un besoin exprimé par nos collègues biologistes. Quel besoin? Expériences de mesure de temps de vie de fluorescence : excitation par laser de molécules biologiques.

3 Principe mesure de temps de vie de fluorescence I t τ > 50 ns C = 1/T < quelques MHz Intensité LASER I 1 I 2 T laser I 3 I4 I 5 I n Objectif de microscope Impulsion «excitatrice» temps

4 Cahier des charges C laser t laser λ laser P laser = quelques MHz = moins d une nanoseconde = ultraviolet = quelques mw seulement Compacité et simplicité maximales

5 État de l art Laser à verrouillage de modes + sélection d impulsion + conversion de fréquence Diodes laser déclenchées par le gain + amplification + conversion de fréquence Diodes laser déclenchées par le gain ultraviolettes Synchrotron

6 Notre source laser doit être : Efficace Notre choix Robuste Compacte POMPAGE PAR DIODES LASER Entièrement passive Diodes efficaces : 808 nm, 980 nm Cristaux lasers efficaces : proche infrarouge ( 1,06 µm) : Dopage au néodyme Répondant au cahier des charges - ultraviolet, accordable, impulsionnel.

7 Notre source laser doit être : Efficace Notre choix Robuste Compacte POMPAGE PAR DIODES LASER Entièrement passive Répondant au cahier des charges - ultraviolet, accordable, impulsionnel. CHOIX DE LA SOURCE

8 Notre source laser doit être : Efficace Notre choix Robuste Compacte POMPAGE PAR DIODES LASER Entièrement passive Répondant au cahier des charges CHOIX DE LA SOURCE - ultraviolet, accordable, impulsionnel. OPTIQUE NON- LINEAIRE

9 Problématique Laser solide pompé par diode : INFRAROUGE Besoin de convertir la longueur d onde jusqu à L ULTRAVIOLET Or les rendements de conversion sont proportionnels à la PUISSANCE crête de la source. Besoin de puissance : AMPLIFICATEUR

10 Sommaire La source laser L amplification La conversion de fréquence Conclusion

11 Sommaire La source laser L amplification La conversion de fréquence Conclusion

12 Quelle source pour quelles impulsions? Type de laser impulsionnel Durée des impulsions Taux de répétition Déclenché (Q-switch) 1 10 aines ns qql 10 aines à qql 100 aines khz Verrouillage de mode 1 10 aines ps qql 10 aines MHz

13 Quelle source pour quelles impulsions? Taux de répétition 100 MHz Verrouillé en phase 10 MHz 1 MHz 100 khz déclenché 10 khz 1 ps 10 ps 100 ps 1 ns 10 ns 100 ns Durée des impulsions

14 Solution Verrouillage de mode : diminuer la cadence Cadence c 2 L Augmenter L jusqu à plus de 100 m Déclenchement : diminuer la durée t L Pertes Diminuer L jusqu à moins de 500 µm

15 1/ Laser à verrouillage de mode : la cavité géante Principe : augmenter la taille de la cavité grâce à une cellule multipassage. Herriott and Kogelnik, 1965 C = 1 MHz L = 150 mètres

16 1/ LVM : le schéma Diode laser fibrée Miroirs concaves Système d imagerie de la pompe SESAM sur son support de cuivre Cristal laser Nd:YVO 4 avec un miroir HR 1064 nm déposé sur la face arrière Miroirs plans Coupleur de sortie Sortie

17 Miroirs concaves Alimentation de la diode de pompe Boîte de protection Miroirs plans Fibre de la diode laser de pompe Cristal Nd :YVO 4 Lentilles de collimation/focalisation de la pompe SESAM Miroirs de repli

18 1/ LVM : les résultats 1 Intensité (U.A.) ,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 Temps (µs) 884 KHz/170m P moyenne = 100mW E = 113 nj

19 1/ LVM : les résultats 1 Intensité (U.A.) ,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 Temps (µs) 1,2 MHz/125m P moyenne =470mW E = 390 nj

20 1/ LVM : les résultats 1 Intensité (U.A.) ,5 0 0,5 1 Temps (µs) 2,3 MHz/65m P moyenne = 1W E = 435 nj

21 1/ LVM : les résultats autocorrélation ps 0,5 50 Gauss Fit 470 mw 1.23 MHz t p =16.3 ps P peak =23 KW Waist (mm) 0,4 0,3 0,2 0,1 M 2 =1, Delay (ps) 0, Distance (mm)

22 1/ LVM : Conclusion Taux de répétition ajustable autour de quelques MHz Durée des impulsion de moins de 20 ps Faisceau de bonne qualité spatiale (M² =1,1) Puissance crête autour de 25 kw Encombrement : environ 2 m² Robustesse : dépendante du SESAM

23 2/ Laser déclenché : la micro-cavité cavité Principe : Diminuer la taille de la cavité afin de diminuer la durée des impulsions produites. Utiliser un milieu laser à fort gain et un absorbant saturable bien choisi pour atteindre les cadences voulues

24 2/Laser déclenché : Principe Pertes Absorbant saturable N temps Intensité temps t temps

25 Cavité courte 2/Laser déclenché : L absorbant saturable Transmission (%) absorption résiduelle variation de transmission ( R) Choix de R possible Puissance (Unités arbitraires) Fonction miroir + Ab. Sat.

26 2/Laser déclenché : Dimensionnement On peut montrer que : t = 4S p R Tr C = 2 σ L η p A hν P p p τ ( P 2τ R + R) t < 500 ps L = 400 µm C = 1 MHz R = 6%

27 2/Laser déclenché : Schéma Monture Cuivre SESAM 200 µm -Nd:YVO 4 Coupleur de sortie

28 2/Laser déclenché : Schéma Miroir dichroïque HR 1064 nm AR 808 nm POMPE (808 nm) Lentille de focalisation Faisceau laser 1064 nm

29 2/Laser déclenché : La pompe Miroir 808 nm Vers un ampli ON = 0,2 1,5 W Φ = 200 µm Laser Diode laser de pompe fibrée

30 2/Laser déclenché : Résultats Cadence (khz) Durée des impulsions (ps) Puissance de pompe (mw) 600

31 2/Laser déclenché : Cadence des impulsions Gigue temporelle > 2%

32 2/Laser déclenché : Durée des impulsions Intensité (U. A.) t 400 ps Temps (ps)

33 2/Laser déclenché : Profil spatial Pompe forte M² = 2 Pompe faible M² = 1,1 Ajustement théorique M² Waist (µm) Position (mm)

34 2/Laser déclenché : Energie Energie (nj) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Puissance de pompe (en W) Energie très faible : 60 nj soit 60 mw à 1 MHz

35 1/ Laser déclenché : Conclusion Taux de répétition autour de 1 MHz Encombrement : très réduit Durée des impulsion de 400ps Robustesse : dépendante du SESAM Faisceau de bonne qualité spatiale (M² =1,1) Puissance crête autour de 150 W

36 Sommaire La source laser L amplification La conversion de fréquence Conclusion

37 L amplification Multipassage géométrique classique : Zone de gain Cristal Signal Passage 1 Passage 2 Pompe Passage 3 Passage 4 Vue de coupe Zone pompée inutilisée pour l amplification

38 L amplification 3D Zone de gain Pompe 8 passages du signal Cristal amplificateur

39 L amplification 3D en pratique Miroir M Doublet L Cristal amplificateur Pompe F 1 Entrée F F 2 Sortie F 4 F 3 Ω f Réflecteur

40 L amplification 3D en pratique Choix du cristal : Nd:YVO 4 Section 0,00005 efficace importante : permet de limiter le 0, nombre de passages 0, , Energie de sortie (U.A.) Conductivité thermique médiocre : choix du dopage et 0,00003 de la longueur du cristal capitaux 0, ,00002 Anisotropie 0, : choix des systèmes réflecteurs pour 0,00001 s affranchir des effets de polarisation 0, Utilisation 0 de cristaux peu dopés (0,1 %) et assez longs (1 cm) afin de répartir la charge thermique Nombre de passages Nd:YAG Nd:YVO4

41 L amplification 3D en pratique Sortie amplifiée Cristal amplificateur Coin de cube Entrée laser miroir Diode Laser fibrée

42 L amplification 3D en pratique

43 L amplification 3D l aspect «industriel» Historique : 6 Psortie (W) Partenariat ELSA - Nanolase Gain «petit signal» : Dépôt d un Brevet Transfert de technologie Test ampli 3D Laser Nanolase Résultats très probants! Pentrée (mw) 0,1% - 4 passages 0,3% - 4 passages 0,1% - 6 passages 0,3% - 6 passages

44 L amplification 3D résultats Rappel : en sortie du microlaser peu d énergie profil spatial mauvais On utilise un préamplificateur fibré (fibre double cœur dopée Ytterbium) : - Augmentation de l énergie - Filtrage spatial par la fibre

45 L amplification 3D résultats microlaser YDFA Ampli 3D Quelques mw 100 mw (saturé) 4W (saturé) Puissance de sortie (W) Pcrête 10 kw Cadence (khz)

46 Laser déclenché : Conclusion Taux de répétition autour de 1 MHz Encombrement : très réduit Durée des impulsion de 400ps Robustesse : dépendante du SESAM Faisceau de bonne qualité spatiale (M² =1,1) Puissance crête autour de 10 kw

47 Laser déclenché + ampli: Conclusion Taux de répétition autour de 1 MHz Encombrement : très réduit Durée des impulsion de 400ps Robustesse : dépendante du SESAM Faisceau de bonne qualité spatiale (M² =1,1) Puissance crête autour de 10 kw

48 Rappel: LVM cavité longue Conclusion Taux de répétition ajustable autour de quelques MHz Durée des impulsion de moins de 20 ps Faisceau de bonne qualité spatiale (M² =1,1) Puissance crête autour de 25 kw Encombrement : environ 2 m² Robustesse : dépendante du SESAM

49 Sommaire La source laser L amplification La conversion de fréquence Conclusion

50 Problématique Molécules d intérêt biologique absorbent souvent dans l ultraviolet (parfois le visible). Il est intéressant d avoir une certaine plage d accordabilité en longueur d onde. Nos lasers émettent à 1064 nm dans l infrarouge : il faut abaisser leur longueur d onde : Optique Non-Linéaire

51 Génération d harmoniques Il est «facile» de doubler, tripler ou quadrupler la fréquence de nos lasers : Simple passage dans des cristaux nonlinéaires appropriés.

52 Génération de second harmonique 1064 nm 1064 nm LBO, KTP 532 nm

53 Génération de troisième harmonique 1064 nm 1064 nm 355 nm LBO, KTP 532 nm LBO, BBO =

54 Génération de quatrième harmonique 1064 nm 1064 nm 266 nm LBO, KTP 532 nm BBO

55 Quid de l accordabilité? On veut obtenir une accordabilité de plusieurs dizaines de nanomètres dans le visible. On veut un système passif, en simple passage. Génération Paramétrique Optique

56 Génération Paramétrique Optique Signal λ 1 Pompe λ 3 Complémentaire λ 2 Conservation de l énergie : 1 λ 3 = 1 λ λ 2 Le couple λ 1, λ 2 est fixé par la condition d accord de phase

57 L accord de phase Conservation de la quantité de mouvement : k = + soit k k k = k 0 3 k2 k1 Accord de phase par biréfringence : n λ λ = 3 n λ λ 1 n λ λ = Possible en jouant sur la dispersion et les polarisations Fixe les polarisations Détermine le coefficient d eff

58 Le quasi accord de phase k 3 k2 k1 = k 0 Si on inverse périodiquement le coefficient non-linéaire : Λ +χ (2) -χ (2) +χ (2) -χ (2) +χ (2) -χ (2) +χ (2) -χ (2) Lc 2mπ k QAP = k + Λ Où Λ = période d inversion

59 Le quasi accord de phase 5 4 quasi-accord de phase désaccord de phase accord de phase Intensité (UA) Nombre de longueur de cohérence parcourues

60 Le quasi accord de phase 2 d eff, QAP = deff π Mais Plus de contrainte sur les polarisations Possibilité de les choisir afin d avoir accès au meilleur coefficient non linéaire Pas de problème de double réfraction

61 En chiffres et en pratique Cristal le plus utilisé en QAP : le niobate de lithium (ppln) d pm/v donc d eff,qap 17 pm/v Par comparaison en accord de phase «classique» : d eff quelques pm/v

62 Schéma expérimental Source laser à 1 MHz doublée en fréquence λ/2 Miroir HR 532 nm Four Waist = 30 µm Réseau de diffraction Mise en forme du faisceau

63 pompe Lentille de focalisation Signal 660 nm Four contenant le ppln Pompe résiduelle Réseau

64 Résultats : accordabilité 690 Longueur d'onde (nm) µm 9,25 µm 9,5 µm 9,75 µm 10 µm Temperature ( C)

65 Résultats Puissance : quelques dizaines de milliwatts Qualité de faisceau très médiocre Le doublement n est pas trivial

66 Sommaire La source laser L amplification La conversion de fréquence Conclusion

67 Application Laser à cavité géante 3,8 MHz 1064 nm Laboratoire de Photophysique Moléculaire prisme PD Capteur M 532 nm 355 nm Délai électronique ajustable MD Objectif de microscope afocal M Echantillon cellulaire

68 Application image d une coupe de prostate Laboratoire de Photophysique Moléculaire image en transmission image d intensité de fluorescence image des temps de vie de fluorescence

69 Application Intensité de fluorescence intensite fluo 6000 D ata: PIXELSU MMARY_B Mod el: ExpD ec C hi^2 = R ^2 = data ExpDec2 fit of PIXELSUMMARY_B y ± A ± t ±0 A ± t ±0 Laboratoire de Photophysique Moléculaire Data: PIXELSUMMARY_B Mo del: Exp Dec1 Chi^2 = R^2 = Mesure de temps de déclin de fluorescence longs y ± A ± t ± temps (ps)

70 Perspectives Perfectionnement du laser à cavité longue : Encombrement Fiabilité long terme Adaptation aux besoins des utilisateurs Nouvelles longueurs d ondes

71 Conclusion Besoin exprimé et quantifié Réalisation de plusieurs sources Hectolaser Microlaser Amplificateur Application Débouché industriel

72 FIN

73 Equipe de direction Producteur Producteur exécutif Avis féminin Grain de sel Monsieur Patrick Georges Professeur François Balembois Madame la maîtresse Gaëlle Lucas-Leclin Frédéric Druon Avec par ordre d apparition Louis MacDonagh Aude Bouchier Emilie Hérault Stéphanie Le Moal

74 Consulting industriel et scientifique Pierre-Jean Devilder Laurent Lefort Sandrine Lêveque-Fort Décors et costumes Gérard Roger L atelier d Optique L atelier de Mécanique

75 Et aussi Sébastien Chénais Sylvie Yiou Pierre Raybaut Renaud Lebrun Mathieu Jacquemet Celui ou celle que j ai oublié et L ensemble du personnel de l Institut d Optique

76 Merci à tous!