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EnglishRÉSUMÉ
L’amplification d’impulsions à dérive de fréquence (CPA) est un concept d’architecture qui permet d’accéder à des intensités laser extrêmement élevées. Il comprend trois étapes : une impulsion courte est allongée temporellement de plusieurs ordres de grandeur ce qui diminue sa puissance crête ; elle est ensuite amplifiée efficacement dans un milieu laser puis ramenée à une durée proche de celle d’origine. L’objet de cet article est d’expliciter le concept, en donnant les éléments fondamentaux et en présentant différentes méthodes utilisées pour étirer, amplifier et comprimer des impulsions ultracourtes. Des exemples de systèmes représentatifs sont présentés.
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Emmanuel HUGONNOT : Ingénieur chercheur - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, - Centre d’Études Scientifiques et Techniques d’Aquitaine, Le Barp, France
INTRODUCTION
Pour de très nombreuses applications, les énergies des impulsions lasers ultra-courtes délivrées par les oscillateurs à blocage de modes ne sont pas suffisantes et il est nécessaire de les amplifier. Cependant, les intensités obtenues durant l’amplification directe d’impulsions courtes deviennent rapidement très élevées et dépassent les seuils de dommage des optiques. L’amplification à dérive de fréquence (CPA pour Chirped-Pulse Amplification) est un concept d’architecture développé dans le but d’amplifier des impulsions courtes sans dépasser ce seuil de dommage.
Le principe général est de diminuer l’intensité des impulsions pendant la phase d’amplification. La solution évidente qui consiste à augmenter le diamètre des faisceaux au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance crête atteint très rapidement ses limites, non seulement à cause des tailles des optiques nécessaires, de leur encombrement et du coût, mais également parce que la diminution de la fluence conduit à des systèmes lasers fonctionnant loin de la fluence de saturation des matériaux amplificateurs, ce qui les rend très peu efficaces. Le concept CPA consiste alors à augmenter la durée des impulsions, ce qui permet de diminuer uniquement l’intensité des impulsions tout en conservant leur fluence.
Partant d’un oscillateur à blocage de modes, la première étape consiste à allonger temporellement les impulsions laser extrêmement courtes par un système fortement dispersif. On parle alors d’impulsions à dérive de fréquence car la dispersion introduit une relation quasi-linéaire entre la fréquence optique et le temps de groupe. Une impulsion de durée située dans la gamme allant de la femtoseconde à la picoseconde est étirée typiquement dans le domaine nanoseconde. Ce procédé permet ainsi de diminuer de plusieurs ordres de grandeur la puissance crête de l’impulsion, qui peut donc être amplifiée à des niveaux inatteignables autrement. Une fois le niveau d’énergie désiré atteint, l’impulsion est ramenée à une durée comparable à la valeur d’origine par compression temporelle en utilisant un élément de dispersion opposée à celle de l’étireur.
Il s’agit du concept fondamental utilisé pour la réalisation de grandes installations lasers ultra-haute-intensité, atteignant des puissances crêtes dans la gamme du petawatt. La méthode CPA est également utilisée avec succès pour des puissances crêtes inférieures, telles que celles délivrées par des produits commerciaux ou lorsque les impulsions sont aussi courtes que quelques cycles optiques. On trouve aussi de nombreuses applications dans le domaine des lasers fibrés pour lesquels les fortes intensités optiques sont inhérentes au confinement de la lumière dans le cœur des fibres optiques.
L’objet de cet article est de décrire et d’expliciter le concept en donnant les éléments fondamentaux et en présentant différentes technologies utilisées pour réaliser les systèmes. Nous montrons ainsi comment gérer la dispersion et comment amplifier des impulsions ultra-courtes, que ce soit par émission stimulée ou par amplification paramétrique optique. Enfin, des exemples significatifs de systèmes CPA illustrent les atouts majeurs de cette technologie.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.
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5. Conclusion
En permettant d’accéder de manière simple et élégante à des impulsions laser ultra-intenses, la mise au point de la technique CPA dans le domaine optique a révolutionné la physique du laser. De nombreuses innovations scientifiques et technologiques ont rapidement suivi cette invention et la maturité de la technologie permet aux industriels de proposer de nombreux systèmes CPA devenus indispensables, non seulement en recherche scientifique, mais également pour de nombreuses applications industrielles et médicales.
Bien que toutes basées sur le même principe, les architectures sont très variées, allant du système fibré compact capable de délivrer des impulsions à très haute puissance moyenne (de l’ordre de la centaine de watts), mais à puissance crête relativement modeste (inférieur au gigawatt), à la grande installation capable de délivrer des impulsions à très haute puissance crête (supérieure au pétawatt), mais à très faible cadence (du monocoup au hertz). Alors que de nombreux développements continuent à porter sur l’augmentation de la puissance crête (la dizaine de pétawatts et au-delà) ou sur celle de la puissance moyenne (au-delà du kilowatt), une nouvelle voie s’ouvre également, celle de systèmes intermédiaires, susceptibles de combiner puissance crête élevée (térawatt) et forte puissance moyenne (kilowatt). Ainsi, la gamme d’énergie supérieure à 100 mJ à forte cadence (10 kHz) devrait prochainement devenir accessible (par exemple en utilisant l’amplification paramétrique large bande d’impulsions de quelques femtosecondes par un pompage énergétique à forte cadence conçu à base de disques minces pompés par diodes ...
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Commod Pro http://oxalis-laser.com
Fiberdesk http://www.fiberdesk.com
RP Photonics Software http://www.rp-photonics.com/software.html
SNLO http://www.as-photonics.com/snlo
HAUT DE PAGE
RP Photonics Encyclopedia http://www.rp-photonics.com/encyclopedia.html
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Photonics West (SPIE) http://spie.org/photonics-west
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