groupe « etoile laser » du lsp (grenoble) irène courtillot (post/doc cnrs, sept. 2004) irène...
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Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble)Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble)
Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, Irène Courtillot (Post/Doc CNRS, sept. 2004) sept. 2004)Vincent Fesquet (Doctorant)Vincent Fesquet (Doctorant)Jean-Paul Pique (DR CNRS)Jean-Paul Pique (DR CNRS)
Jean-Louis Cheval (IE, Jean-Louis Cheval (IE, déc. 2004) déc. 2004)Corinne Félix (IE, 30%)Corinne Félix (IE, 30%)
OverviewOverview
1. The modeless laser for ELPOA1. The modeless laser for ELPOA
break saturation limitationbreak saturation limitation
2.2. Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)
transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers
3.3. Visible SmVisible Sm3+3+ fiber laser fiber laser
dye laser dye laser solid state laser solid state laser
Incoherent excitationIncoherent excitation
1.1. Maximum population of the 4DMaximum population of the 4D5/25/2 state : state : 1/6 (~17%)1/6 (~17%) (Foy et al. 1995) (Foy et al. 1995)
2. Saturation sodium transitions2. Saturation sodium transitions
* * 3S3S1/21/2 3P 3P3/23/2 : : 185 W/m185 W/m22 (Foy et al. 95), (Foy et al. 95), 95 W/m95 W/m22 (Morris 97) (Morris 97)
* * 3P3P3/2 3/2 4D 4D5/25/2 : : 450 W/m450 W/m22 (Foy et al. 95), (Foy et al. 95), 225 W/m225 W/m22 (Morris 97) (Morris 97)
3. Doppler/Hyperfine linewidth : 3. Doppler/Hyperfine linewidth : ~ 3 GHz (1 GHz)~ 3 GHz (1 GHz)
4. ~4 104. ~4 101212-0.5 10-0.5 101212 Na atoms Na atoms (spot size: 50 cm)(spot size: 50 cm)
* * JanuaryJanuary column density: 2 10column density: 2 1099 at./cm at./cm2 2
* * JuneJune column density: 0.25 10column density: 0.25 1099 at./cm at./cm2 2 (Megis et al. 88)(Megis et al. 88)
5. For a return flux at 330nm > 5. For a return flux at 330nm > 7 107 1055 photons/s/m photons/s/m2 2 (Schöck et al. 2001)(Schöck et al. 2001)
We must excite all the velocity classes We must excite all the velocity classes
two 20 W two 20 W modeless lasersmodeless lasers (15 kHz, 50 ns, 589 +569 nm) (15 kHz, 50 ns, 589 +569 nm)
A modeless laser A modeless laser for unsaturated sodium excitationfor unsaturated sodium excitation
J.P. Pique et al., JOSA B (2003)J.P. Pique et al., JOSA B (2003)
2 2 11 2
21 2
( , , ) ( , , )( , , ) ( ' ) ( , , ') ' ( , , ) ( ' ) ( , , ') '
N t N t gN t t d N t t d
t g
r r
r r r r
Temporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic modelTemporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic model
= homogeneous absorp. = homogeneous absorp. cross section cross section NN11, N, N22= population of levels= population of levels
3S3S1/21/2, 3P, 3P1/21/2
= laser photon density= laser photon density
0 25 50 75 100 125 1500
1
2
3
4
5
6
x 106
Laser mean power (PLav, W)
D2 f
luor
esce
nce
flux
(
D2, p
hoto
ns/s
/m2 )
0 50 100 150
1
3
5
7
9
3 GHz modeless-laser
1 MHz laser+ double phase modulation
1 MHz single-mode-laser
*
laser: 70 ns, 30 kHz; beam diameter: 40 cm
Fluorescence of the D2 star (589 nm)
At least, we expect At least, we expect
a mult. factor a mult. factor
of 10 for the UV (330 nm)of 10 for the UV (330 nm)
star intensitystar intensity
dk
ak ' a
a
2 a
Bragg Bragg
'd i a
i d
k k kk k
ak
'dk
'ik
ik
ak
a=40 MHz
Remarkable properties of an accoustoptic modulatorRemarkable properties of an accoustoptic modulator
• index grating (spectral filter index grating (spectral filter ≡ Lyot filter≡ Lyot filter))
• frequency shifter (2frequency shifter (2aa after one round-trip) after one round-trip)
Kowalski et al. (1988) •Ring cavity: progressive wave•Closed on 0th order•Pump power: 8 W• : 30 GHz
This work•Linear cavity: standing wave•Closed on 1st order•Pump power: 3 W• : 3 GHz
• Oscillator (modeless): 3 GHz = Oscillator (modeless): 3 GHz = DD22) )
Dye jetAOS
cw-YAG, 3W
FP
M1
M2
M3
Modeless oscillator
1
0F
F
1.Laser Sans Mode1.Laser Sans Modebut : s’affranchir de la saturation de Nabut : s’affranchir de la saturation de Na
J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)
0 3 6 9 12
modeless
multi mode
single-mode
GHz
0 400 800 1200 1600
10
0
ELP-OA
KECK
D2-l
ine
flu
ore
scen
ce i
nte
nsi
ty
(arb
itra
ry u
nit
s)
Power density: Pw (kW.m-2)
single mode 1MHz modeless 4.5 GHz modeless 3.0 GHz
Etoile Laser 5 fois plus
intense
On excite toutes les classes de
vitesse
Ordre 0
Ordre 1
Spectre de la raie laser
Modeless laser modelModeless laser model
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01E-6
1E-4
0.01
1
100 modeless multimode model
spontaneous emission
Out
put
pow
er (
mW
)
Pump power: Pp (W)
( 2 , ) ( , ) [ ( ) ( ') ( ) ( , ) ( ) ( , )] 'ct
a c c s
t
n t n t G N t G N n t n t dt
Photon densityPhoton density Spontaneous Spontaneous emissionemission
LossesLossesStimulated Stimulated emissionemission
2
22
( ) ( ) ( )
.
.
2( ) ( )
2 4( ) ln[1 sin ( )]
(1 )
c out Grating FP
c c
out c
Gratingc Grating
FPc FP
X isl
T isl
R
R isl
( )out out outP h n d
G(): gain by molecule
Ns: nb. excited molecules
c: round trip time
a: acoustic frequency
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
2
4
6
8
10
experiment model
Sp
ectr
al li
ne-
wid
th (
GH
z)
Pump power: Pp (W)
• Oscillator (modeless): 3 GHz = Oscillator (modeless): 3 GHz = DD22) )
• Intracavity preamp.: MIntracavity preamp.: M22 ≥≥1.05, gain~101.05, gain~1044, 8 µJ/pulse , 8 µJ/pulse V. Fesquet V. Fesquet
• Amplifier: 20-25 W (we hope an efficiency ~30%) Amplifier: 20-25 W (we hope an efficiency ~30%) I. Courtillot I. Courtillot
• All-optical, compactAll-optical, compact
Dye jetAOS
cw-YAG, 3W
LyotFP
M1
M2
M3
Modeless oscillatorjet
QS-YAG 15kHz, 80 ns, 2W
PreampliAmpliMode coupling
Pump Laser : CuHBr orYAG
Jet
/2
mètre
1
0F
F
1.Laser Sans Mode1.Laser Sans Modebut : s’affranchir de la saturation de Nabut : s’affranchir de la saturation de Na
J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)J.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003)
Modeless laser with its preamplifierModeless laser with its preamplifier
LSP laser/ KECK laserLSP laser/ KECK laser
KeckKeck• saturation saturation • modulationmodulation• osc. pump: 50 Wosc. pump: 50 W• preamp. pump: 50 Wpreamp. pump: 50 W• preamp: 4-8 µJ/pulsepreamp: 4-8 µJ/pulse• ampli: 4x60 Wampli: 4x60 W• electronicselectronics• big installationbig installation
This workThis work• no saturation (star int. X 3) no saturation (star int. X 3) • modelessmodeless• osc. pump: 3 Wosc. pump: 3 W• preamp. pump: 2 Wpreamp. pump: 2 W• preamp: 5 µJ/pulsepreamp: 5 µJ/pulse• ampli: 1x60 W (we hope !)ampli: 1x60 W (we hope !)• all-opticalall-optical• compact (2 channels on 1 table)compact (2 channels on 1 table)
YAG 1 50W
26 kHz
YAG 6 50W
26 kHz
YAG 2 60 W
13 kHz
YAG 4 60W
13 kHz
YAG 3 60W
13 kHz
YAG 5 60W
13 kHz
Grazing incidence dye master oscillator
3mW, 589nm seed pulse
delivered by single-mode
fiber
Préamplifier Amplifier
300-600 mW
100-200 mW
15-20W 589nm 26 kHz
3,9-7,7J/pulse
AOS
cw-YAG 3W
FP
QS-YAG 2WCuHBr orYAG 60 W
/2
1
0 AOS
cw-YAG 3W
FP
QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W
/2
1
0
OverviewOverview
1. The modeless laser for ELPOA1. The modeless laser for ELPOA
break saturation limitationbreak saturation limitation
2.2. Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)
transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers
3.3. Visible SmVisible Sm3+3+ fiber laser fiber laser
dye laser dye laser solid state laser solid state laser
Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, 569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz)569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz)
• Fibre monomode : Fibre monomode : ~ 3µm ~ 3µm Raman (SiO) ~ Raman (SiO) ~ 3-10 mW3-10 mW
• Fibre PCF à cœur plein : Fibre PCF à cœur plein : ~ 30 µm ~ 30 µm Raman (SiO) ~ Raman (SiO) ~ 0.3-1 W0.3-1 W
Fibre HC-PCF : cœur d’air ou vide Fibre HC-PCF : cœur d’air ou vide (P. Russell 2001)(P. Russell 2001)
Raman négligeableRaman négligeable seuil de dommage très élevéseuil de dommage très élevé interface d’entrée air/air interface d’entrée air/air
(réflexion de Fresnel très faible <10(réflexion de Fresnel très faible <10-3-3)) dispersion nulle (large bande)dispersion nulle (large bande)
Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux)Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux)(« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance »)(« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance »)
2. Fibre creuse à cristal photonique 2D 2. Fibre creuse à cristal photonique 2D HC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal FiberHC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal Fiber
=580 nm;
pertes: 0.3dB/m;
95% énergie dans l’air
100 kW crête
démontré
à 800 nm !
OverviewOverview
1. The modeless laser for ELPOA1. The modeless laser for ELPOA
break saturation limitationbreak saturation limitation
2.2. Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF)
transport of high power nanosecond lasers transport of high power nanosecond lasers
3.3. Visible SmVisible Sm3+3+ fiber laser fiber laser
dye laser dye laser solid state laser solid state laser
3. Laser à Fibre3. Laser à Fibre
2 projets Lasers Fibres pour LGS:2 projets Lasers Fibres pour LGS:
• LLNL: LLNL: diode laser à 938 nm diode laser à 938 nm + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à AL)AL)+ laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) + laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) + ampli à fibre à 1583 nm+ ampli à fibre à 1583 nm+ somme de fréquences dans un cristal PPLN+ somme de fréquences dans un cristal PPLN
• ESO: ESO: laser à fibre à 1178 nm (monomode) laser à fibre à 1178 nm (monomode)+ ampli Raman (silice pompée à 1020 nm)+ ampli Raman (silice pompée à 1020 nm)+ doublage de fréquence dans un cristal PPLN + doublage de fréquence dans un cristal PPLN
Il n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visibleIl n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visible
3. Laser à Fibre dopée Sm3. Laser à Fibre dopée Sm3+3+
Objectif: Etude d’un Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nmObjectif: Etude d’un Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nm• Université de Leeds : Université de Leeds : Préforme Préforme • IPHT Jena IPHT Jena : : FibreFibre• LSP LSP :: LaserLaser
I. Ion SmI. Ion Sm33++
L’émission de l’ion SmL’émission de l’ion Sm3+3+ dépend fortement du verre hôte dépend fortement du verre hôte Peut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µmPeut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µm
Figure 1
0
5
10
15
20
25
1060 nm938 nm
708646599563 1060 nm938 nm
488 nm
6P5/2
4M15/2
4I9/2
4G7/2
4F3/24G5/2
6H5/2
Ener
gy(x
103
cm-1
)
Sm3+
550 600 650 700 7500
500000
1000000
1500000
2000000
590 nm
FWHM 12 nm
708
646
599
563
Inte
nsity
(a.u
.)
Wavelength(nm)
0.1 wt% Sm-doped tellurite glass488 nm laser, 20 mW
0
5
10
15
20
25
1060 nm938 nm
708646599563 1060 nm938 nm
488 nm
6P5/2
4M15/2
4I9/2
4G7/2
4F3/24G5/2
6H5/2
Ener
gy(x
103
cm-1
)
Sm3+
3. Laser 3. Laser VisibleVisible à Fibre dopée Sm à Fibre dopée Sm3+3+
Diode laser collimatée
Gaine interne
Cœur dopé Sm3+
Entaille à 90 °
•Structure: double gaine
•Pompage: diode multimode
• : visible (dont 589 et 569 nm)
•Largeur spectrale: 3 GHz (1 GHz)
•Autres applications : laser de pompe, micro-usinage …
II. Etude théorique et expérimentale d’un Laser à fibre dopée Sm 3+
Gaine externe
Fibre dopée Sm 3+Réseau de Bragg Réseau de Bragg
RmaxR < 1pompe pompe
1. 300 W (monomode) ont été démontrés avec l’ion Yb (1.04 µm)
2. Un absorbant saturable peut être incorporé dans le cœur de fibre laser picoseconde
Remarques:
(a) (b)
Laser 1 3S1/2
4P3/2
4S1/2
D2UV D1
Laser 2
3P3/2
Laser 1
3P3/23P1/2
4P3/2
4D5/2
4S1/2
D2UV D1
Laser 2
3S1/2
D3
Figure 1 : a) monochromatic LGS (high order)
b) alternative for independant tip-tilt correction
Alternative 330 nm excitation for tip-tilt
• 100% adiabatic transfert ?
• back emission ? (increase solid angle collection ?)
Advantages:
• Only one laser channel (cheaper, reliability …)
• if 330 nm laser launch through telescope, we just need to observe the 589 nm star
• tip-tilt system independant from monochromatique LGS system
• not security problem (330 nm is not transmited through windows)
RésuméRésumé
1. Laser Sans Mode1. Laser Sans Mode s’affranchir de la saturation intrinsèque à l’atome de sodiums’affranchir de la saturation intrinsèque à l’atome de sodium 2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W)2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W)
2.2. Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF)Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF) collaboration avec l’équipe de D. Pagnoux de l’IRCOMcollaboration avec l’équipe de D. Pagnoux de l’IRCOM transport de faisceaux lasers de puissancetransport de faisceaux lasers de puissance
3. Expérience à l’OHP3. Expérience à l’OHP démontrer la possibilité de corriger en temps réeldémontrer la possibilité de corriger en temps réel
le « tip-tilt » à l’aide d’une étoile laser polychromatiquele « tip-tilt » à l’aide d’une étoile laser polychromatique OA = seul miroir « tip-tilt » (D/rOA = seul miroir « tip-tilt » (D/r00 ~ 3) ~ 3)
4. Laser à Fibre dopée Sm4. Laser à Fibre dopée Sm3+3+ émettant dans le visible émettant dans le visible s’affranchir des lasers à colorants’affranchir des lasers à colorant
FinFinEndEnd
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