Introduction. Applications récentes. Cavité Fabry-Perot en mode pulsé Asservissement d une cavité en mode pulsé

Transcription

1 F. Zoer

2 Introduction Cavité Fabry-Perot en ode pulsé Asservisseent d une cavité en ode pulsé Applications récentes Spectroscopie Interaction laser-électron

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4 Expression du chap d un faisceau laser à blocage de ode n e( t) e t nt exp i t nt n n c ce Aplitude Gaussienne ou sécante hyperb. Cf. Frederic Druon n T. Ude et al. Nature 416 (2002) 233 Transforée de Fourier TF e t Aplitude Gaussienne ou sécante hyperb. E ( ) E ( ) c T ce ~10 6 ce f f f f 2 2 rep rep rep ce

5 Chap dans une cavité Fabry-Perot r ( ) = ( )exp(i ( )) Pico/feto Mode locked laser t( ) Chap incident E( ) E Principe de linéarité Ecirc ( ) E, L Super iroirs circ E t E r e, circ 0 c i L / c 4 4i L / c r e t E 0 c 2 1 e x p i et 2 L c Pour chaque ode on retobe sur la fonction d Airy, coe en régie continu

6 Définition du Gain et de la Finesse g E 0 E, circ c exp t i 2 g,ax ConditionS de résonance L 2 2 p, p, c

7 La différence avec le régie continu : Dépendence en de r ( ) = ( )exp(i ( )) Revêteents iroirs : couches SIO 2 /Ta 2 O 5 ( ) La phase ( ) ~ c c c c c ' Et ( c ) 0 Mesure pour c =850n & 35 couches /4 (T=14.6pp F=215000, g ax =68000) PRA 64 (2001)033804

8 2L 2 ' 2 ' ( ) c c c c c c ConditionS de résonance 2 p, p, Avec 2 frep frep ce 2 frep fce 2L 1 frep 2 c ' frep ISL, c av ec ISL c 1 2L c L 1 c ' ISL = Interval Spectral Libre 2 ' ( ) ce ce, cav c c c c ce ce, cav f ISL 2

9 En résué : résonance si FP ISL ISL 2 ce, cav f f 2 2 rep rep ce frep ISL MAIS ce, cav dépend de ~( c - )2 ce ce, cav Tous les odes ne peuvent pas être résonants en êe teps

10 Effet de la dispersion sur le couplage laser/cavité Puissance intra-cavité au axiu de la résonance P circ E t E0 c, circ sin P P circ circ Dispersion dans les coatings baisse du couplage laser/cavité ( 0) ( 0) + le pulse est court + la finesse doit être faible

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12 Précision requise sur le contrôle de f rep et pour que le gain soit axial? ce g 1 2 exp t i 2 g Gain pour finesse g f rep,ax, g =g,ax /2 ce g 1,ax, f rep 2 f rep g ~10 6,ax FP en khz Question de la fin des 90 s Les oscillateurs feto sont-ils stabilisables Car ~ f rep f rep )~0.3Hz pour f rep =76MHz

13 Stabilité? niveau de bruit de phase RF des oscillateurs feto? z ( t) z sin t ( t) RF Tere de bruit de phase Oscillateur de référence à = 0 1 RF Déphasage LO Mixer Mesure du bruit de phase z ( LO t ) z sin ( ) 1 0t 1 t 1 Passe Bas IF Ti:sa oscillator phase noise easureent free 1/PLL_gain z ( ) ( ) PB t 0 t locked Experientaleent : pas de bruit de phase au-delà de~10khz Pour le Ti:sa techniques de feedback applicables noise floor Ivanov et al. IEEE Trans Ultr, 50(2003)355

14 Coent jouer sur les 2 paraètres f rep et ce? On peut ontrer que f v rep ce c g Vitesse de groupe dans laser v 1 1 g v p on change ce Vitesse de phase dans laser en jouant sur la dispersion dans le laser On change f rep en jouant sur la longueur de cavité laser Aplitude odulation 1ps/100fs Phase odulation

15 Méthode de feedback Pound-Dever-Hall f rep =76MHz Modulation qques MHz 3 coposantes - + Il faut 2 signaux d erreurs pour contrôler f rep et ce FP Autour de 0 V P DH FP

16 Exeple d Ipléentation du feedback Pound-Dever-Hall MIRA VERDI 6W 532n AOM M1 MOTOR EOM AOM M2 PZT +/- Driver Aplifier Driver Driver Driver grating 5MHz OSC + Phase Adjust PDH #1 Front end PDH #2 Front end SLITS TRANS Front-end Pound-Drever-Hall Schee Transission Signal +/- Serial RS232 Laser Length Control Laser ce Control DAQ

17 Exeple de ise en oeuvre du feedback Pound-Dever-Hall Ex. MIRA 1ps F=30000 Preière boucle d asservisseent PDH1 Une zone de fréquence frep est asservie à la cavité en jouant sur

18 Ex. MIRA 1ps F=30000 Laser locké avec le signal d erreur PDH1 (contre réaction sur piézo Puis variation en créneaux du frequency shifter ( fce) frep) Signal coande piezo Signal PDH1 (lock) Signal PDH2 Signal transis par la cavité Régie pico haute finesse régie feto basse finesse

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20 Ex. avec un oscillateur Ti:sa Finesse cavité = 3000 Beat note avec un laser cw stabilisé 20fs Ti:sa laser Utilisation pour de la spectroscopie

21 Perforances des stabilisation avec des cavités FP Laser à fibre+apli fibre Systèe pour stocker de la puissance production d haroniques 75fs, 13W f rep =136MHz Gain cavité ~ 230 3kW average power 230MW peak power Au LAL finesse en régie picoseconde avec Ti:sa (précédents slides) pour les interactions laser-électrons

22 0 Stabilisation d un oscillateur feto par une cavité FP auvaise perforance autres éthodes cf. Poster J. Millo I Spectroscopie II Production de rayons X, gaa par interaction laser-électrons Source onochroatique, ~ cohérente E X =qques kev-100kv et t ~ qques ps Applications - Médicales - Art - Physique des hautes énergies - Enterreent des déchets nucléaire (surveillance) -

23 Spectroscopie avec cavité FP + peigne fréquence (Refs. fournies par N. Picqué) Spectroscopie dans le visible/infrarouge Vers une spectro. précise de haute résolution sur un large intervalle spectral Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy Cavity Ring Down spectroscopy CRDS Spectroscopie directe dans l XUV: High Haronics Generation HHG CEAS Vers une source XUV haute cadence (>MHz) copacte

24 Signaux et sources laser en spectroscopie 1 Transitions du fondaental des gazs nobles 2 3 Transitions du fondaental des alcalins 4 5Transitions entre niveaux excités atoes/olécules 6 transitions du fondaental des olécules 7 Transitions overtones ro-vibration des olécules 8 9 vibrations olécules Source Ti:sa, Er3+, Yb avec élargisseent spectral Tiré de Appl. Phys. B91 (2008) 91 Processus non linéaires utilisés pour couvrir tout l intervalle spectral : HHG, DFG, OPO SHG, SFG

25 1 ot sur l extension des spectres

26 P Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy CEAS Principe Gaz dans la cavité absorption Mesure de la puissance transise par la cavité asservie avec ET sans gaz ( ) P ( ) 2L F P t, avec t, sans inc ( ) L F=finesse cavité Plus F grande, plus la sensibilité sur Avec un laser feto, on esure et pour n nf rep f ce est grande dans un intervalle

27 2 odes de esures CAES 1 Cavité asservie Cf slide précédent éthode pour s affranchir du bruit d aplitude (NICEOHMS, en régie cw) Asservisseent difficile en régie feto Dispersions gaz&coatings& asservisseent liitent 2 Cavité NON asservie On balaye la fréquence du laser (ou la longueur de la cavité) et on enregistre le signal transis avec/sans gaz On intègre ou on analyse la fore du signal On obtient aussi Balayage seule la dispersion des coatings liite sensibilité pour calibration vitesse de balayage(~1khz) oins bonne

28 Cavity Ring Down spectroscopy CRDS On asservie la cavité avec ET sans gaz On coupe le laser On esure la puissance transise en fonction du teps On esure avec ( ) ( ) sans ( sans ) (par un fit siple) F L ( ) exp( -t/ ) Aussi 2 odes : cavité asservie et non-asservie Insensible aux fluctuations d intensité Systèe d acquisition difficile Grande quantité de data à stocker en régie feto (t, )

29 Méthodes et systèes de détection pour CAES & CDRS en régie feto Preière éthode de détection : esure puissance du + gd nb de odes possible siultanéent du peigne en sortie de cavité Peigne de fréquence asservi à la cavité < 10% (dépend de la finesse de la cavité) esure Balayage de fréquence ~15% (ne dépend pas de la finesse) Ex. : 100n@1.5µ F=30000 Tiré de Appl. Phys. B91 (2008) 91

30 Méthode de détection du peigne de fréquence en sortie de iode cavité pour la CEAS

31 Jusque 800MHz (Appl. Phys. B91(2008) 91) linewidth cavité khz résolution due au VIPA

32 Perettrait de diagnostiquer certaines patologies Opt. Expr. 16 (2008) 2387

33 Pour la CRDS Sapling rate >1MHz detectors (photodiode array) NIST H 2 O overtone near 820n 5 torr 15 torr

34 Deuxièe éthode de détection Le vernier de fréquence On scan les fréquences du peigne une à une et on esure la puissance transise avec/sans gaz Les éléents du peigne de fréquence résonnent un par un dans la cavité Peigne asservi dans la cavité Peigne décalé cavité Exp. de déonstration : Finesse = 1000 Résolution ~ 1GHz à priori unliited dépend du nb de pixels (4THz 40THz)

35 Espoir pour échapper aux problèes de dispersion : «pris ring-down cavity» (Brevet déposé pas encore de publications) Des finesses de l ordre de sont envisagées pour les largeurs spectrales de 80% (à coparer au 15% des coatings diélectriques ); dixit Appl. Phys. B91 (2008) 91

36 Application en Spectro_Astro : Nature 452 (2008) 610 Recherche d exo planètes : esure vitesse rotation par effet doppler en spectroscopie Actuelleent : 5xM terre MAIS M terre oscillateur à 40GHz stabilisé Laser stabilisé sur horloge atoique <1kHz Cavité finesse 250 stabilisée par une diode stabilisée

37 High Haronics Generation HHG 3 step odel (cf. T. Ruchon) Systèe : Un chap feto intense focalisé dans un gaz Step 1 : effet tunnel, l électron d un atoe passe dans le continuu Step 2 : l électron oscille dans le chap du laser Step 3 : il peut être recapturé par l atoe et ce faisant un photon XUV peut être éis Pour créer des haroniques XUV de la sorte à haute cadence cavité Fabry-Perot

38 Le gros problèe est de sortir les haroniques de la cavité Solution 1 Fenêtre en saphir : Angle de Brewster pour 800n Réflexion pour les XUV Pertes Bande passante réduite Effets non linéaires pour le 800n si on augent la puissance

39 Pour cette expérience Caractéristiques du faisceau laser au point de production des XUV : = 28fs et f rep =76MHz peak power =20MW, intensité = W/c 2 Gain cavité 54 (liité par la dispersion intra-cavité) puissance oyenne=38w Spectre des haroniques produites

40 Solution 1 : Aéliorations copensation de la dispersion intra-cavité Utilisation de iroirs chirpés Augentation puissance crête Réduction frep Waist=13µ Gain de 4 ordres de grandeurs grâce à la dépendance en I n de la production des haroniques Aélioration : dispersion copensée avec indice non linéaire?

41 Solutions 2 grating à la place de la fenêtre de saphir =100fs Gain cavité = 260 Puissance oyenne=2.6kw surface faisceau=960µ 2 (waist ~ 17µ) Résultats

42 Solution rejeté un trou dans un iroir pour sortir les XUV Solution proposée géoétrie non colinéaire Expérience de déonstration Évite les atériaux intra-cavité plus fortes puissances envisageables Seble être difficile à optiiser Fore du jet de gaz, balance intensité

43 Applications de l intéraction Copton laser-électrons Ce qui a été fait auprès des gds accélérateurs à rayonneent synchrotron avec les rayons X et que l on voudrait refaire dans une petite salle Ex. ESRF (Grenoble) : E électrons ~6GeV, I e ~200A (1-992 pacquets) (Cf P. Zeitoun)

44 Caractéristiques des faisceaux de rayons X Énergie faisceau réglable E x =10-100keV Faisceau onochroatique Faisceau à rayons parallèles Polarisation définie Cohérence (taille source=petite) iagerie coe en optique

45 Iagerie édicale K-edge Injection agents de contrastes (iode, Gd,Pt ) Irradiation E X E Kedge ~30keV iode ~50keV Gadoliniu ~78keV Platine Puis, Irradiation E X E Kedge Puis soustraction des 2 iages Phase contraste iaging utilise la bonne cohérence des sources X pour reconstruire la phase Toographie pour reconstruction 3D Total Cross section[b/ato] Total Cross Section of X-ray attenuation for various eleents K 1s: kev Iodine (Z=53) Gives high contrast Carbon (Z=12) Oxygen (Z=16) Hydrogen(Z=1) X-ray energy [kev] E Kedge Intérêt des agents de contrastes à Z élevés X-ray energy [kev]

46 John Lewin, M.D.- University of Colorado Health Sciences Center K-edge iaging Étude clinique à ELLETRA (Trieste) High Energy - Low Energy - Iodine Iage

47 Illustration de la éthode phase contraste iaging avec des rayons X Détection d une fore grâve d arthrite chondropathie = dégénerescence du cartilage forte douleur + handicapes 12% de la population des 7 ajor phara. arket Activités de recherche autour de la radiographie

48 phase contrast iaging +Toographie détection arthrite et étude iplant étallique E X =50keV

49 Applications en paléantologie & art Phase contraste iaging K-edge iaging sur les éléents lourd de pigents (Pb blanc, Hg verillion ) Scarabé du cétacé(145-65ma av. JC) dans de l abre opaque (E X =20keV) Mais ~30keuros d assurance pour 2 jours achine copacte dans un usé Souhaitée algue de l océan Téthys J. Dik et al., Analytical Cheistry, 2008, 80, 6436 Cours d histoire de l art sur cette étude!

50 Une application édicale à l ESRF (ligne ID17): radiothérapie pour le traiteent des glioes Pas de traiteent pour le glioblastoe aujourd hui (7 cas/10 5 par an en France ) Idée (cf thèses S. Corde, J.F. Ada, ESRF) fixer un éléent lourd (platine) sur l ADN cancéreuse Puis exciter l atoe par un rayonneent X (78 kev=couche K) pour détruire cette ADN

51 Mesures effectuées à l ISRF sur des rats (auquels on a inoculé le glioe) Phase d essais cliniques à l ESRF (chats et chiens ) 3µg chiio+ 15Gy irradiationà78kev 13 jours après 15Gy irradiation 3µg chiio Non traités [S. Corde et al. cancer reas. 63 (2003)3221] A. Bravin,

52 Machine copacte Intéraction Laser-électron (diffusion Copton J. Appl. Phys. 72(1992)5020) photon(laser)+électron photon +électron Exeple du faisceau laser YAG 1µ énergie des photons du faisceau laser E photon,laser 1eV On peut décrire la diffusion Copton laser électron via le processus éléentaire 1eV +e +e E,ax E faisceau électron ~ 3 GeV

53 IP in the Ring -ray Electron Bea Laser Fro Shiizu-san KEK

54 Quelques intérêts de la diffusion Copton Laser+électron +électron 100 MeV Production rayon X ~10-100keV Réaction à 2corps E (kev) coliateur E electron =50MeV Faisceau ~onoénergétique Électrons ~20-100MeV Applications basses énergie : Médicales radiographie &radiothérapie Sources positons ILC/CLIC Électrons 1GeV Applications hautes énergies : Polariétrie Copton Laser wire [Collisionneur /ILC] (rad) Problèe principal : flux de photon forte puissance oyenne requise pour le faisceau Laser ~100MHz, t~qques ps

55 Solution : un petit anneau de stockage d électrons d environ 50MeV PRL80(1998)976 Et une cavité Fabry-Perot alientée par un laser pulsé finesse 3000, t~30ps, E X ~13keV Spin off de SLAC Machine à ~5M Lycean propose une telle achine Projets/setup siilaires au Japon (Tokyo, AIST Tsukuba, KEK) et en Chine (Pekin, Tsinghua)

56 Projet MIT (souis cette année) achine à ~10M Fro Moncton

57 Projet MIT (souis cette année) Kartner Fro Moncton

58 Projets (en gestation!) Français (achines classiques, cf. V. Malka) Une achine édicale 50 MeV pour des X de ~50 kev-80kev photons/seconde dans 10% BP (CELIA, IGR, Karkhov, LAL, SOLEIL, THALES) Q L B M F P R IP S L R F C M S Une achine pour Le Louvre? Plusieurs énergies de qques kev à 100keV pour faire du K-edge iaging (achine difficile ) (Ministère de la Culture, CEA,CNRS, SOLEIL) R&D financée CELIA, LMA,LAL FP6 puis ANR pour une cavité 4 iroirs haute finesse Application à haute énergie source positrons polarisés & production rayons X K M In je c tio n P.Gladkhikh

59 ANR R&D start Setup the following syste at Bordeaux/Orsay Oscillator P =1.7W, 1030n t~0.9ps frep=178.5mhz Fro Onefive copagny Aplifier Rod type photonic fiber Yb Doped P >100W-200W Fabry-Perot cavity Gain~10000 Nuerical feedback Goal: to reach the MW average power 2. Study theral effects Lyon/Bordeaux (a priori doinated by theral length in the irror substrat) 3. Installation of the syste at ATF/KEK-Japan, in collaboration with the ATF group

60 Laser aplification R&D (CELIA, cf J. Boullet) OneFive laser, 1030 n t=0.9ps, MHz, 1.7W 1rst phase noise easureents up to 80W shows no extra phase noise Laser Diode Doped rod type photonic fibre: Large core diaeter 80 & onoode Possible average power 100W-300W (siulation) Gold grating-based strectcher gives negative chirp for spectral copression

61 Applications en spectroscopie Expériences de déonstrations en Nobreuses applications Vers de nouveaux types de cavités pour coupler plus de spectre dans la cavité Production d haroniques sur la table pour de la spectro directe aintenant envisageable Applications pour la production de rayons X/ Nobreuses applications (édicales, usée, ) Avantage : ~ bonne onochroaticité Cavité haute finesse + laser forte puissance oyenne nécessaires

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