Etirement d`impulsions courtes avec des réseaux de Bragg fibrés

Composants passifs et Optique intégrée
A4.3
ETIREMENT D’IMPULSIONS COURTES AVEC DES RESEAUX DE BRAGG FIBRES
POUR LES LASERS DE PUISSANCE
Nicolas Péraud1 et Hervé Coïc1
1
CEA Cesta, avenue des Sablières, BP 2, 33114 Le Barp
nicolas.pé[email protected]
RESUME
Nous étudions l’utilisation de réseaux de Bragg fibrés pour l’étirement d’impulsions
courtes à 1053 nm pour le laser PETAL développé au CEA/CESTA. Le facteur
d’étirement souhaité (x100000) et le niveau d’énergie en sortie d’étireur (>1nJ)
orientent le dimensionnement vers des réseaux de Bragg fibrés cascadés sur des fibres
à grand mode. Ce document présente les tests envisagés sur des réseaux de Bragg
fibrés de 10cm, cascadés, mis en phase et gravés sur une fibre LMA de 16 microns à
maintien de polarisation.
MOTS-CLEFS : laser PétaWatt ; fibres à réseaux de Bragg ; étireur fibré ;effets nonlinéaires ; fibres spéciales ;
1. INTRODUCTION
Le projet PETAL consiste en la mise en place d’un laser PétaWatt sur l’installation LIL
(Ligne d’Intégration Laser) au CEA/CESTA [1]. Aujourd’hui, la partie étirement de l’impulsion et
sa préamplification avant l’injection dans la chaîne de puissance est opérationnelle [2] et se fait en
faisceau libre. L’étirement est réalisé par un système à réseaux de type Öffner. Cependant,
l’encombrement, la mise en oeuvre et la maintenance d’un tel dispositif est difficilement
compatible avec le mode d’exploitation d’une grande installation. C’est la raison pour laquelle nous
cherchons à remplacer l’étirement faisceau libre actuel par un système entièrement fibré. A ce titre
nous étudions les possibilités technologiques actuelles offertes par les réseaux de Bragg, les fibres
microstructurées et LMA (Large Mode Area) pour l’amplification et l’étirement d’impulsions
courtes.
2. L’ETIREMENT D’IMPULSIONS COURTES POUR LE PROJET PETAL
Le projet PETAL consiste à étirer, amplifier, comprimer et focaliser une impulsion de la
gamme 500 fs et de 3,6 kJ sur cible à l’échéance 2011. Pour limiter les effets d’intégrale de rupture
et pour respecter la tenue au flux des grandes optiques dans la chaîne d’amplification d’énergie, il
est nécessaire d’étirer l’impulsion initiale de 100 fs jusqu’à une valeur de 9 ns. La FIG. 1 représente
le schéma de type Öffner actuellement en œuvre sur l’installation. La source est un laser Mira 900
centré à 1053 nm de durée 100fs (largeur spectrale 16nm environ) et cadencé à 77,76 Mhz avec une
énergie de 4 nJ par impulsion. Pour parvenir au facteur d’étirement souhaité, il est nécessaire
d’effectuer 4 passages sur le grand réseau (1810 traits/mm), avec une transmission globale du
système de T=25% seulement. En sortie d’étireur, l’impulsion, d’énergie 1nJ environ, est couplée
dans une fibre à maintien de polarisation (longueur 100 m) pour être distribuée dans le module de
préamplification (MPA).
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FIG. 1 : Schéma d’étirement actuel du laser PETAL
Pour remplacer l’Öffner par un système entièrement fibré, il est nécessaire de prendre en
compte les deux aspects fondamentaux qui sont d’une part le très important facteur d’étirement, qui
amène à dimensionner de très long RBF, et d’autre part l’énergie par impulsion (~nJ), qui amène à
prendre en compte les effets non linéaires et s’orienter vers des fibres à grand mode (LMA).
Pour un RBF linéairement chirpé, le facteur d’étirement en fonction de la longueur de réseau
s’écrit comme suit [3] :
F
§ neff .L.S .'O ·
¸
1 ¨¨
2 ¸
© ln(2).O B ¹
2
(1)
Pour O
1053 nm, 'O 16 nm, neff 1,45 et F 100000 , on trouve une longueur de réseau
gravé nécessaire L | 1 m . Les technologies actuelles permettent à certains industriels de produire de
tels réseaux mais pas à 1053 nm. La limite actuelle pour des RBF à 1053 nm est d’environ 15 cm.
L’idée est donc de s’intéresser à la mise en cascade de dix réseaux de 10 cm, concaténés et en
accord de phase, simulant ainsi un réseau de 1m.
3. SIMULATION DE FIBRES A RESEAUX DE BRAGG
L’étude préliminaire que nous envisageons est la réalisation expérimentale de la
concaténation de deux RBF de 10 cm, l’extrapolation de cette expérience permettant alors de
valider en grande partie la réalisation avec 10 réseaux. Le résultat de la simulation pour deux RBF
chirpés de 10 cm et en accord de phase est présenté en FIG. 2. Le spectre d’entrée est de 16 nm de
largeur spectrale à mi-hauteur (soit 100 fs) et l’impulsion réfléchie est bien étirée à 1,8 ns, en accord
avec la théorie. On retrouve les propriétés d’un RBF unique de 20 cm étirant une impulsion de 100
fs à une durée d’environ 2 ns.
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1,8ns
16nm
FIG. 2 : Simulation de deux RBF de 10cm en cascade et en accord de phase
4. ARCHITECTURE D’UN DEMONSTRATEUR D’ETIREUR FIBRE
Pour la partie expérimentale, en sortie de RBF fibré, nous allons comprimer l’impulsion avec
un système de compresseur à réseaux. Des mesures de durée d’impulsion (autocorrélation),
d’intensité spectrale (spectromètre) et d’interférométrie spectrale (SPIRITED) pour la mesure de
phase spectrale permettront de qualifier la qualité de l’étirement.
Dans un premier temps, l’étude se fera pour des réseaux de Bragg inscrits sur une fibre
standard PM type Corning 980, puis nous évoluerons vers des fibres spéciales microstructurées
LMA et PM de 16 µm de diamètre de cœur, et LMA de 25 µm de coeur, ce qui est novateur par
rapport aux études précédentes pour ces applications qui portaient sur des RBF inscrits sur des
fibres standard non PM [4]. Notre objectif avec l’utilisation de ces fibres exotiques est de
s’affranchir des effets non linéaires apparaissant dans les fibres optiques pour des impulsions
courtes énergétiques.
CONCLUSION
Les grandes installations, comme le laser PETAL, présentent de réelles contraintes en terme
d’exploitation. Remplacer l’étireur standard à réseaux de diffraction en faisceau libre par un
système fibré permet de s’affranchir des problèmes de réglages complexes et de gagner en
compacité. Les simulations prouvent la faisabilité d’un tel système fibré par l’utilisation de RBF.
Cependant, une telle action présente de réelles difficultés technologiques.
REFERENCES
[1] N. Blanchot et al. “Multi - Petawatt High Energy Laser Project on the LIL Facility in Aquitaine”, Proc.
Of SPIE, Vol 5975, 59750C (2006).
[2] E. Hugonnot, G. Deschaseaux, O. Hartmann, H. Coïc, “Design of PETAL multipetawatt highenergy laser front end based on optical parametric chirped pulse amplification”, APPLIED OPTICS,
Vol. 46, No 33, Nov 2007.
[3] A. Othonos, K. Kalli, “Fiber Bragg Gratings“, Artech House Publishers Boston-London (1999).
[4] G. Olivié, “étirement d’impulsions courtes avec des réseaux de Bragg fibrés pour les chaînes lasers de
forte puissance“, thèse de doctorat, université Bordeaux 1 (2003).
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