STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 COURS

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1 STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 COURS Production d impulsions d laser nanosecondes en régime déclenché Directeur de Recherche au CNRS Responsable de l Équipe Lasers Solides et Applications (ELSA) du Laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique Patrick.Georges@iota.u-psud.fr

2 Production d impulsions d laser nanosecondes en régime déclenché

3 Nd 3+ Nd SPECTROSCOPIE DE L ION L Nd 3+ DANS LA MATRICE DE YAG :Y 3 Al 5 O :Y Niveaux d énergie supérieure (peuplés par le pompage) 4 S 3/ F 7/2 4 F 5/ H 9/2 Décroissance rapide non radiative Niveaux d énergie supérieure (métastable) 4 F 3/2 Bandes de pompage 0,73 µm 0,808 µm τ r = 240 µs 4 I 9/2 4 I 15/2 4 I 13/2 4 I 11/2 Etat fondamental 1444 nm 1064 nm 946 nm

4 Cristaux De Nd:YAG Élaborés par SYNOPTICS Litton-Airtron

5 ÉTUDE D UN D LASERS Nd:YAG IMPULSIONNEL POMPÉ PAR LAMPES FLASHS λ/4 Polariseur Barreau de Nd:YAG Cellule de Pockels Lampes flashs Durée des flashs: 200 µs (< temps de vie du niveau supérieure) Spectre visible des lampes flashs --> faible efficacité Taux de répétition limité par les effets thermiques dans le barreau de Nd:YAG --> 10 à 30 Hz Cellule de Pockels pour produire des impulsions de 10 ns par déclenchement de la cavité

6 PRINCIPE DU DÉCLENCHEMENT (Q:SWITCHING) LOSS LOSS GAIN 1 2 LOSS LOSS LASER OUTPUT GAIN GAIN 3 4

7 EXAMPLES DE DISPOSITIFS POUR LE DÉCLENCHEMENT Miroir rotatif (trop lent) Absorbant saturable (élément passif, pas de contrôle, multiple impulsions) Transmission Densité d énergie Dispositif électro-optique ou cellule de Pockels, basée sur un cristal de KDP (KH 2 PO 4 ) Variation rapide de l indice de réfraction avec la haute tension appliquée (qq kv en moins de 3 ns)

8 PERFORMANCES Oscillateur : 400 mj, impulsions de nm et 10 Hz Mirroirs gaussiens, cavités instables pour améliorer la qualité du faisceau Oscillateur + amplificateurs (MOPA): jusqu à 3 10 Hz Compagnies : Spectra Physics (USA) Continuum (USA) Thales Laser (France) Coherent (USA) Quantel (France) CILAS (France, militaire) Applications : - industrielle (usinage, nettoyage laser, opthalmologie) - scientifique (pompage de laser à colorant, effets non linéaires, mesure de vitesse de particules par vélocimétrie,...) - militaire (contre mesures par éblouissement de capteurs, désignation de cibles sur le champ de bataille,...)

9 Quantel (France) Série : Brillant Double tête pour la PIV (Particle Image Velocimetry)

10 COUPLAGE DIODE + LASER τ un système accumulateur d énergie - longue durée de vie de l état excité (0,1 to 10 ms) --> production d impulsions (ns) très énergétiques τ un convertisseur de mode spatial - pompe multimode transverse --> émission monomode τ un convertisseur de fréquence - largeur de raie < largeur spectrale des diodes - transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau monofréquence (par injection ou filtrage) Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Faisceau laser monomode transverse

11 SPECTRE D ABSORPTION D DU Nd:YAG

12 MICROLASER DÉCLENCHÉ PASSIVEMENT Volume : 1 mm 3 Cristal : Nd 3+ :YAG (750 µm, 1,1 % Nd) Diode de 808 nm (AlGaAs, 1 W, 1x100 µm) Miroirs faisceau à 1,064 µm Absorbant saturable Cr 4+ :YAG (30-50 µm) Performances : énergie des impulsions: < 20 µj (exemple) durée des impulsions < 2 ns puissance crête < 30 kw JDS Uniphase-France puissance moyenne < 200 mw Depuis qq mois : taux de répétition < 100 khz Teem Photonics faisceau limité par diffraction monomode longitudinal

13 Étude d une source d impulsions UV haute cadence µlaser ampli 3 ω UV, ps, khz Diode laser Diode laser Microlaser Lentille Cristal doubleur Cristal tripleur Diodes laser 2W par 1x100µm 2 Cristal Nd:YVO 4 Doublet Transfert de technologie : le DualChip

14 Cadence 65 khz Durée (UV) 530 ps Puissance moyenne UV 100 mw Énergie par impulsion UV 1,5 µj Rendement IR UV 11,3 % Qualité spatiale Circulaire gaussien

15 Transfert de technologie : amplificateur 3D multipassage 8 passages du signal Thèse de Sébastien FORGET Zone de gain Pompe Brevet aux USA, Europe et Canada Cristal amplificateur Performances : 6 W à 1064 nm et 600 mw dans l UV à 355 nm Microlaser TwinChip Amplificateur Trois protos (IR, Vert et UV) en tests

16 LASER Nd:YVO 4 DE HAUTE PUISSANCE POMPÉ PAR DES BARETTES DE DIODES FIBRÉES SPECTRA PHYSICS Barette de diode laser fibrée nm Miroir Rmax Nd:YVO 4 Nd:YVO 4 : plus forte absorption que le Nd:YAG Barette de diode laser fibrée nm Miroir de sortie T = 18 % Trou Aussi en régime impulsionnel (ns) par insertion d un modulateur acousto-optique Gestion des effets thermiques!!! > 13 W continu, TEMoo limité par diffraction M 2 > 1,05 (pour 26 W de puissance de pompe --> 53 % efficacité optique/optique)

17 HIPPO : High Intensity and Peak Power Oscillator

18 HIPPO 532nm: Oscillateur 1064nm & Doubleur L oscillateur et le module doubleur sont alignés indépendamment par rapport a une référence mécanique (tiges de guidage). On peut ainsi changer un module 2w, 3w ou 4w sur site sans réalignement.

19 Wavelength 1064nm 532 nm 355 nm 266 nm 40 khz (W) >17 W >40kHz > 11 W > 4.5 W > 2 W 40 khz < 15 ns <13 ns < 11 ns < 11 ns (ns) Spatial mode M 2 < 1.2 < 1.3 < 1.3 < 1.5

20 Power (W) Output Power for SHG and THG vs. Rep rate PRF (khz) PowerIR PowerG PowerUV Conversion efficiency (%) Conversion efficiency for SHG and THG ConvEffG ConvEffUV PRF (khz) 06/19/2001

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22 POMPAGE TRANSVERSE Barreau de Nd:YAG pompé par des concentrateurs paraboliques Tube à circulation (refroidissement) module diode (24 diodes) Livermore (LLNL) Barreau laser Traitement pour réflexion diffuse Barreau laser Modulateurs acousto-optiques pour le déclenchement 450 W cw et nm pour une puissance de pompe de 1200 W

23 Livermore (LLNL) P moy : nm Compétitif par rapport aux lasers à vapeur de cuivre (120 W max) et aux lasers solides pompés par lampes (50 à 100 W)

24 LASER Nd:YAG IMPULSIONNEL POMPÉ PAR DES DIODES LASER IMPULSIONNELLES (configuration MOPA) Recherche issue du LCR de Thomson et commercialisé par Thomson Laser --> série DIVA Laser Nd:YAG entiérement refroidit par air : 0 -- > 20 Hz durée : 10 ns Profil spatial TEMoo nm nm nm nm Puissance électrique : 110 V, < 5A

25 CONFIGURATION : OSCILLATEUR - AMPLIFICATEURS Oscillator 1er amplificateur, 4 passages Lens duc Cellule Polariseur de Pockels Stack de diodes haute luminance refroidit par air cristal Nd:YAG refroidit par air Φ = 6 mm, L = 5 mm λ/4 cristal Nd:YAG cristal Nd:YAG 2ème amplificateur, 2 passages

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