Gabriel Mennerat, Jacques Rault, Odile Bonville, Olivier...
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2009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance 1
Doublement de frDoublement de frééquence quence àà trtrèès forte s forte éénergie dans LBO nergie dans LBO Rendements extrêmes et tolRendements extrêmes et toléérancesrances
Gabriel Mennerat, Jacques Rault, Odile Bonville, Olivier Hartmann, Laurent Marmande, Philippe Canal, Loïc Patissou
Commissariat à l’Énergie Atomique, CESTA, Bordeaux (France)[email protected]
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Plan de lPlan de l’’exposexposéé
• Introduction - Motivation• Cristaux candidats pour la conversion à haute énergie• Optimisation de la chaîne laser Alisé pour ces essais• Essais de différents cristaux• Méthodes d’évaluation indirecte du rendement• Bilan et conclusion
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MotivationMotivation
• Les applications sociétales des lasers de très haute intensitédemandent des cadences de tir beaucoup plus élevés que les grandes installations scientifiques actuelles (NIF, LMJ, LULI…)
• Ces chaînes laser mettent en œuvre des amplificateurs de puissance àlarge bande passante pompés dans le vert par des lasers à solides doublés en fréquence très énergétiques en régime ns
• La montée en cadence induit une augmentation de charge thermique dans les milieux amplificateurs laser qui dégrade le front d’onde.
• On recherche de nouveaux cristaux doubleurs de fréquence combinant 1. Une bonne tolérance aux aberrations du faisceau fondamental2. Des propriétés thermiques intrinsèques compatibles avec la conversion à
forte puissance moyenne3. Une extrapolation potentielle à de grandes ouvertures
• On sait depuis une décennie que le triborate de lithium LiB3O5 alias LBO répond bien aux critères 1 & 2. Nous examinons ici le point 3.
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Architecture gArchitecture géénnéérale des charale des chaîînes nes àà ultraultra--haute intensithaute intensitéé
Oscillateur fsà modes bloqués
Sélecteur d’impulsion& étireur Préamplificateur
Ampli depuissance Compresseur
Ti:Saor OPCPA
Laser de pompe ns
Doublement de fréquence
Laser de pompe ns Doublement de fréquence
Gamme PW
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1. Nous visons un rendement de conversion de 80% à une intensité Iopcompatible avec la tenue au flux du module convertisseur.
2. Nous en déduisons l’épaisseur L du cristal dépendant de paramètres intrinsèques regroupés dans la puissance critique Pc
3. La tolérance aux aberrations résiduelles du faisceau incident est caractérisée par l’acceptance angulaire de l’accord de phase à 80% du maximum × L
4. La puissance moyenne maximum que le cristal peut accepter sans que le rendement ne se dégrade de plus de 20% par rapport au fonctionnement à tirunique est
(refroidiss. par la tranche, régime thermiquestationnaire)
Coefficients de mCoefficients de méérite pour la conversion de frrite pour la conversion de frééquence quence àà forte puissance moyenneforte puissance moyenne
1
80% 4,2−
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
∂Δ∂
×<Tk
ακP
Lk×⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
∂Δ∂
=Δ−1
%80 5,2θ
θ
op
07,2IPL c=⇒≡⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= %80tanh2 L
PI
c
η
CdM front d’onde
CdM puissance moyenne
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Candidats pour le doublement de frCandidats pour le doublement de frééquence quence àà forte puissance moyenneforte puissance moyenne
6540852030500diamètre utile [mm]
25025120153516kJgamme d’énergie (8 ns)
0.0050,50,10,10,10,1absorption [%/cm]
3,53,330,8n.d.1,3conduct. therm. [W/m/K]
602,2503,8n.d. 1,9CdM puissance moyenne [kW]
3,2284738223,6tolérance en température [K]
4,69,10,30,50,70,7tolérance angulaire [mrad]
94124,210,214,8épaisseur [mm]
LBOLBOKTPKTPYCOBYCOBBBOBBOCLBOCLBODKDPDKDP
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Boule de LBO de grandes dimensions produite (Cristal Laser)Boule de LBO de grandes dimensions produite (Cristal Laser)
Ø 50mm
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Salle d’expériences
Hall d’amplification laser
Banc d’énergie Salle pilote
Poste de commande de tir
Salle haut flux
Salles haut fluxSalle de conduite de tir
Laser Laser AlisAliséé : un grand instrument ouvert pour les : un grand instrument ouvert pour les éétudes laser tudes laser et det d’’interaction laserinteraction laser--plasmaplasma
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La chaLa chaîîne dne d’’amplification amplification AlisAliséé
Chaîne en imagerie confocale
RF 150 mm
3 amplis 50 mm
3 CP 50 mm
1 ampli 150 mm
2 amplis 94 mm
RF 94 mm
FS
FS
Sortie de chaînejusqu’à 250 J
RF : Rotateur de Faraday
CS : Cellule de Pockels
FS : Filtrage Spatial
Entrée de chaîne : 5 mJpilote 100 fs étiré ou
ns avec MFT
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Modélisation de la chaîne amplificatriceParamétrage de la chaîne laser (60 éléments) avec prise en compte :
• De données techniques de la chaîne
• De paramètres provenant des mesures de gainEntrée de chaîne
Fin de chaîne
Le logiciel MirLe logiciel Miróó
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• Simulation avec le code Miro a permis :En calcul direct : de quantifier la saturation subie par une impulsion en fonction de sa durée et de l’énergie demandée en fin de chaîne laser
MaMaîîtrise de la forme temporelle de ltrise de la forme temporelle de l’’impulsionimpulsion
2 4 6 8 ns 2 4 6 8 ns
En mode inverse : d’établir les formes temporelles à injecter en fonction du cahier des charges de fin de chaîne (durée + énergie)
Entrée de chaîne laser Sortie de chaîne laser
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Validation expérimentale
Mesure effectuée en entrée de chaîne (après la cavité régénérative)
Résultat issu de la simulation Miro
MaMaîîtrise de la forme temporelle de ltrise de la forme temporelle de l’’impulsionimpulsion
Mesure effectuée en fin de chaîne laser
6 12 18 ns 6 12 18 ns 6 12 18 ns6 12 18 ns
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Mise en forme spatiale du faisceau laserMise en forme spatiale du faisceau laser
Objectifs : - Mieux profiler le faisceau en réduisant les modulations d’amplitude : utilisation d’un « trou dur » appelé apodiseur
- Gain d’énergie
Principe :utilisation d’un apodiseur crénelé associé à un trou de filtrage permet de mieux profiler les bords du faisceau tout en éliminant les hautes fréquences spatiales apportées par la structure dentelée
Moyens :-Dimensionnement analytique d’apodiseur crénelé
-Étude comparative et optimisation avec le logiciel Miro
-Essais expérimentauxRéférence : « D8 – Apodiseur à dents : mise en forme spatiale et filtrage », C. Gouédard*, J.P. Zou, C. SauteretRapport LULI 2004-2005
Rint
Rext
Rint
Rext
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Optimisation de la profondeur des dents (N=80)Mise en forme spatiale du faisceau laserMise en forme spatiale du faisceau laser
P = 0,85 mm P = 2 mm P = 4 mm
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TypicalTypical monomode monomode AlisAliséé beambeam
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NarrowNarrow intensityintensity distribution to distribution to enhanceenhance conversion conversion efficiencyefficiency
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Profil dProfil d’’intensitintensitéé en champ lointainen champ lointain
Δt=60 min, 5 mars 2008
AVEC correction de surface d’onde
Doublement de fréquence dans LBOStrehl=0,7 ou 1,1× la lim
ite de diffraction
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Banc du conversion de frBanc du conversion de frééquence de lquence de l’’installation installation AlisAliséé
HBS 3ω0,05%, 10°
�
�
�
�
� �
�
�
�
Scale
KeyRed = 1ω, Green = 2ω, Blue = 3ω
� : input energy and near-field profile
�
Auxiliary beam for alignment
�
HBS 2ω0,05%, 10°
HBS 1ω0,05%, 10°
∅ 36 mm
Order �2< 25 μJ @ 3ω
Nd:YLF 1 ; 10 ns10 Hz, 15 mJ
KTiOPO4doubler5 mm-thick 3x3 mm²
LiB3O5 type-I tripler 15 mm-thick 3x3 mm²
λ/2 λ/2
λ/2
KH2PO4 type-I doubler 12 mm-thick 150x150 mm²
KD2PO4 type-II tripler 9 mm-thick 100x100 mm²
∅90
mm
� : generated or residual energy, �1 diffraction order, joulemeter 150 mJ� : temporal pulse profile, �1 diffraction order, phototube 60 ps, 8 GHz oscilloscope� : near-field fluence profile, �2 diffraction order, 12-bit CCD camera, 80µm resolution� : far-field fluence profile, �2 diffraction order, 12-bit CCD camera, 1µrad resolution� : main beams available to experiments, 0 diffraction order,
energy 2-300 J, ∅36mm, duration 0.5-20 ns
�
�
�
�
�
�
10 20 30 40 50 cm0
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FreqFrequencuencyy conversion conversion benchbench
15x15cm²KDP doublerset apart
Calorimeter300J range
Simultaneous recording for each shot
yesyesyesSpectrum
HASO64Wavefront
Near-fieldFar-field
Near-fieldFar-field
Near-fieldFar-field
Fluence profiles
yesyesyesTemporal profiles
1 sensor2 sensors2 sensorsEnergy
residual1ω
generated2ω
Input1ω
Ø5cmLBOdoubler
fundamental beamfrom laser hall
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Cristaux de LBO de type I & II taillCristaux de LBO de type I & II tailléés dans les plans principaux XY et YZs dans les plans principaux XY et YZ
•• Ø50mm épaisseur 12 mm
• Ø25mm épaisseur 20 mm
Longueur d’onde fondamentale : λIR=1053 nm
•• Ø65mm épaisseur 12 mm
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Premier record : mars 2008 maisPremier record : mars 2008 mais…… éécart expcart expéériencesriences--simulations simulations àà «« forte intensitforte intensitéé »»
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Tirs toutes les 15 minutes, sans correction de surface dTirs toutes les 15 minutes, sans correction de surface d’’ondeonde
Champ lointain senseur S3
10 tirs consécutifs Δt=15 min
14 novembre 2008
divergence et stabilité de pointé
1ω incident
Instabilitéde pointé < 25µrad RMS 2 axes
Très largement suffisant y compris pour KDP/DKDP
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NovNov 2008 : Campagne haut rendement dans LBO2008 : Campagne haut rendement dans LBO
Variance de l’histogramme d’intensité 25% (constante)
A réduire (couronne) avant de reprendre les tirs en fs !
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Bilan des tirs de conversion Bilan des tirs de conversion àà haut rendementhaut rendement
Mesures de tolérancesOptimisation des réglages par rampes en énergie106 tirs 1ier bras Alisé dont
• 40 tirs de rendement > 80 %
• 17 tirs de rendements > 90 %
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VVéérification par simulations numrification par simulations numéériques spatioriques spatio--temporellestemporelles
Simulations numériques
à partir du senseur S3Spatial : 64x64 points
Temporel : 236 pointsSimulation dépendante de l’étalonnage énergétique du 1ω incident
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«« VVéérificationrification »» du ddu déépeuplement : impacts papier thermiquepeuplement : impacts papier thermique
Ø13mm
Impacts face avant sur la voie 1ω résiduel 1ω incident : 3 J
LBO désaccordé : pas de conversion
LBO optimisé
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VVéérification par mesure du drification par mesure du déépeuplement du fondamentalpeuplement du fondamental
Mesure relative indépendante des étalonnages énergétiques
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• Résolution analytique générale des équations de Schrödinger non-linéaires pour la conversion de fréquence
• Approximations– Enveloppe lentement variable– Ondes planes monochromatiques, colinéaires – Sans absorption ni effets non-linéaires d’ordre > 2
• Processus
ModModèèle analytique en ondes planesle analytique en ondes planes
( )( )
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛ Δ++=
2010
22
20104/1
20102
20103 442snatanh
21tanh)(
NN
kIPNN
LPINNNNILI t
c
c
tt
212eff
321
²8λλ
πε
dnnncP o
c = ttt II
II
IIN 103010
3
310 2=+=
ωω
ttt II
II
IIN 202020
3
320 2=+=
ωω
03030 ==
tIIN
302010 IIIIt ++=
)( 221133
321
ωωωωωω
nnnk +−=Δ=+
Puissance critique
Intensité incidente totale :
Conditions initiales doublement
de fréquence
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Effets du dEffets du déésaccord de phase saccord de phase àà ll’é’équilibre photoniquequilibre photonique
• Équilibre photonique N20=N10
• Le rendement peut être reformulé ainsi :
où
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛Γ
Δ+Γ== 2
22
3 1612snatanh
21tanh/)( kLIzI tη
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Γ
= mmLm 4/1
2 2snη
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛Γ
Δ+
ΓΔ
−Γ
Δ+= 2
2
2
2
2
2
161
162
81 kkkm
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éévolution des volution des acceptancesacceptances avec le rendementavec le rendement
Désaccord de phase se traduit par des interférences destructives entre le rayonnement harmonique induit localement par le fondamental avec sa propre phase et l’harmonique produit enamont.
À intensité élevée, on produit du 2ω très tôt dans le cristal ce qui exacerbe les interférences destructives.
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• À l’accord de phase (Δk=0),
• Au niveau du premier rebond, m est petit et on a
• On en déduit rigoureusement :
( )Lo Γ== 2tanhηη
( ) ( )LL Γ=Γ 2tanh12sn
uuuumumusnkLmL
km cos)cossin(
41sin)(;
2;4
4/12
2
−−≈Δ
≈Γ
ΔΓ
≈
( ) 2
cosatanh
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡= PR
o
o
ηη
...4934,4)tan( ≈= PP
Où P est le second zérode l’équation
Ratio premier rebond / pic principal = mesure du rendementRatio premier rebond / pic principal = mesure du rendement
Le ratio entre l’amplitude du premier rebond et le pic central d’accord est une mesure directe du rendement, indépendante des étalonnages énergétiques.Ceci est valable quel que soit le cristal et le type d’accord de phase !
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Comparaison modComparaison modèèle analytique / simulations numle analytique / simulations numéériquesriques
( ) 2
cosatanh
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡= PR
o
o
ηη
...4934,4)tan( ≈= PP
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VVéérification du rendement par mesure relative drification du rendement par mesure relative d’’acceptanceacceptance angulaireangulaire
• Fit par simulation numérique
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-10 -5 0 5 10
effic
ienc
y
internal angle [mrad]
experimentalηmax=93,4%ηmax=94,1%ηmax=94,6%
2ième mesure relative indépendante des précédentes
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Comparaison des Comparaison des acceptancesacceptances avec KDPavec KDP
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Effets du dEffets du dééssééquilibre photoniquequilibre photonique• Ajustement du ratio photonique N20/N10 par rotation d’un angle α d’une lame demi-
onde en amont du cristal doubleur
• La projection du champ électrique incident sur les états de polarisation propres du cristal donne :
→ Simple modulation de l’intensité fondamentale incidente par cos2(2α)
→ Modulation de l’intensité fondamentale incidente par cos(4α)
ET effet combiné au désaccord de phase
( ) ( ) ( ) ( ) ⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛Δ++=
ααα
2cos412cos2snatanh
21tanh2cos 2
22
223
t
co
c
tt I
PkzzP
III
( ) 2/2cos22010 αtIII ==
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +=
42sin;
42cos 2
202
10παπα tt IIII
( ) ( )( )( )
( )⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛ Δ++=
α
ααα
4cos44
2cos44cos2snatanh
21tanh4cos
22
23
kIP
zzPIII t
c
oc
tt
1. Réglage indépendant de la polarisation et de l’accord de phase
2. L’ajustement de la polarisation ne permet pas de qualifier le rendementType IType I
Type IIType II
1. Il FAUT régler d’abord la polarisation
2. L’ajustement de la polarisation permet de qualifier le rendement
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CriticitCriticitéé du rendement visdu rendement vis--àà--vis de lvis de l’é’équilibre photoniquequilibre photonique
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
∝ cos
2 γ × sin
2 γ
ηmax=50%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
ηmax=50%ηmax=78,0%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%ηmax=92,6%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%ηmax=92,6%ηmax=94,1%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t
angle γ du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
ηmax=50%ηmax=78,0%ηmax=86,1%ηmax=90,2%ηmax=92,6%ηmax=94,1%ηmax=95,1%
•• accord de phase de type II : accord de phase de type II : sommesomme de de deuxdeux photons photons de de polarisationpolarisation orthogonaleorthogonale
•• LorsqueLorsque toutestoutes les conditions les conditions sontsont rrééuniesunies pour pour convertirconvertir toustous les photons, les photons, ll’é’équilibrequilibre photoniquephotoniquedevientdevient trtrèèss critiquecritique
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VVéérification du rendement par mesure relative de tolrification du rendement par mesure relative de toléérance en polarisation rance en polarisation
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t rel
atif
angle φ de la lame demie-onde [°]
angle du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
experimental
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
0 15 30 45 60 75 90
rend
emen
t rel
atif
angle φ de la lame demie-onde [°]
angle du champ fondamental par rapport au plan YZ [°]
∝co
s2(2
φ)×s
in2 (2
φ)
experimentalηmax=50%ηmax=78%ηmax=86%
ηmax=90,2%ηmax=92,6%ηmax=93,4%ηmax=94,1%ηmax=94,6%ηmax=95,1%
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
-3 -2 -1 0 1 2 3
3ième mesure relative indépendante des précédentes
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Bilan sur les Bilan sur les éévaluations de rendementvaluations de rendement
94 ±0,5%Bilan
94 ±0,5%Mesure relative de la tolérance à l’équilibre photonique(calorimètres Gentec et Molectron)
94±1%Mesure relative de la tolérance angulaire du cristaldoubleur (calorimètres Gentec et Molectron)
93 ±2%Mesure relative du dépeuplement de l’impulsionfondamentale (phototube Hamamatsu, calibre inchangé sur oscilloscope numérique Tektronix)
94±3%Simulations numériquesspatio-temporelles à partir des données du senseur S3 1ωincident (calorimètre Gentec)
95±6(!?)%Mesure calorimétrique absolue(même calorimètre étalon Gentec pour les faisceaux 1ωincident, 1ω résiduel et 2ω produit)
2009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance 39
Record de doublement de frRecord de doublement de frééquence dans LBO : plus de 200 J sur quence dans LBO : plus de 200 J sur AlisAliséé
Valorisation avec PME Cristal-Laser Nancy
Tir 48
J
Rende
ment :
62%
Tir 11
6 J
Rende
ment :
85%
Tir 23
6 J
Rende
ment :
92%
Mon
tée
prog
ress
ive
en é
nerg
ie
2009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance 40
ComparisonComparison to to somesome otherother highhigh--energyenergy experimentsexperiments
Alisé CEA 2008single shot
8003 ns94%3,2 J3,4 J
Alisé CEA 2008single shot
80015 ns85%115 J135 JLBOLBO
Alisé CEA 2009single shot
80012 ns92%217 J236 J
Alisé CEA 2006single shot
2008 ns76%52 J82 J
DAPKL TRW 199833 Hz1708 ns59%5 J8.5 JKTPKTP
Mercury LLNL 200810 Hz12015 ns50%32,7 J65 JYCOBYCOB
JAER 2002single shot
37025 ns74%25 J34 JCLBOCLBO
Phébus CEA 1995single shot
30001 ns80%650 J810 J
Nova LLNL 1992single shot
25001 ns74%7,95kJ10,75kJ
Argus LLNL 1982single shot
95001 ns83%346 J417 JKDPKDP
laserlaserreprep. . raterate
IntensityIntensity[MW/cm²]
Pulse Pulse durationduration
conversion conversion efficiencyefficiency
22ωωenergyenergy
11ωωenergyenergy
327 Wav.
power
2009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance 41
Bilan des essais de doublement dans LBOBilan des essais de doublement dans LBO
• Rendements de conversion records pour un accord de phase par biréfringence (record absolu: Fejer et al. 99% de dépeuplement dans PPLN qq µJ)
• La saturation de rendement à 85% en accord de phase de type II lors des essais à 115 J était vraisemblablement due à une polarisation ajustée trop grossièrement à faible intensité.
• En accord de phase de type I, 217 J ont été produits avec un rendement de 92%
• De tels rendements sont rendus possibles par – l’excellente homogénéité du LBO, – sa très faible absorption α <5 ppm/cm– son très faible n2 (2×10-16 cm²/W), – un β≅0 (Eg=7,8 eV), – une tenue au flux encore meilleure que KDP…
2009-12-03 JNCO 2009G. Mennerat CESTA/Dép. Lasers de Puissance 42
Perspectives sur la conversion de frPerspectives sur la conversion de frééquence quence àà forte forte éénergie dans LBOnergie dans LBO
• Les ouvertures augmentent peu à peu : les limites ne sont pas
atteintes, un diamètre de 100 mm semble possible à terme
• Les premiers essais en triplement de fréquence sont
prometteurs
• Le LBO est un candidat de premier ordre pour l’amplification
paramétrique vers 800 nm à forte énergie : OPA / OPCPA