Projet ANR-12-BS09-0033 – Pampero : Pompage haute brillance des matériaux laser Yb
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Eric CORMIER (Centre Lasers Intenses et Applications)
Partenaires : Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique; Centre des Lasers Intenses et Applications; Laboratoire Charles Fabry
Montant : 520000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Les impulsions des quelques cycles optiques, la stabilisation de la phase de la porteuse, les impulsions ultra-courtes de très haute énergie sont des outils lasers indispensables à l’étude actuelle de la physique en champ fort. La découverte il y a 25 ans de la technique de « Chirped Pulse Amplification » (CPA) et l’invention du laser Ti:Saphir ont ouvert une voie vers l’augmentation progressive de l’intensité des impulsions autour de 800 nm. En revanche la puissance moyenne de ces systèmes est limitée à environ 20 W, fixant l’état de l’art actuel à une puissance crête d’1 TW pour un taux de répétition de 1 kHz. Le but du projet présenté est l’introduction d’une technologie de rupture basée sur l’ion Yb, permettant à la fois une forte augmentation de la puissance moyenne et de l’énergie de systèmes femtoseconde infrarouge. Bien que les matériaux dopés Yb soit bien adaptés à la montée en puissance (chaleur parasite réduite par rapport au Ti:Saphir), il n’existe actuellement aucun amplificateur Yb large bande capable de générer des impulsions supérieures à quelques mJ pour un taux de répétition de quelques kHz. Les problèmes actuellement limitant sont la faible brillance des diodes de pompage et les difficultés de dissipation de la chaleur dans le cristal laser. Dans ce projet, les partenaires apportent des compétences complémentaires qui se combinent parfaitement pour la résolution de l’ensemble de ces problèmes. Ce projet est basé sur le concept novateur de pompage optique haute brillance pour l'amplification dans des matériaux actifs long à base d’Yb. La mise en œuvre de ce projet repose sur le développement d’un laser de pompe à fibre à 976 nm de très forte puissance et brillance,  de la réalisation de matériaux actifs long à base d'Yb et enfin des architectures lasers et amplificateurs adaptées. Le CIMAP est spécialisé dans la croissance de matériaux Yb. Le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique (LCF)  travaille depuis de nombreuses années sur les oscillateurs et amplificateurs femtoseconde pompés diodes notamment à base de cristaux et de fibres dopés à l’ytterbium. La startup locale ALS mettra ses compétences industrielles pour la réalisation de modules de pompe fibrées intégrées. Enfin le CELIA s’est spécialisé depuis plusieurs années dans le design de fibres actives novatrice (Rod-type fibers et plus récemment fibre de Bragg) et développe depuis sa création des systèmes lasers femtoseconde énergétiques à haute et ultra haute cadence.  Le CELIA est aussi à l’origine du développement des lasers fibrés à 976 nm de très forte puissance et naturellement force de proposition du concept breveté de pompage haute brillance des matériaux Yb. Le travail collaboratif proposé dans ce projet contient plusieurs phases pendant lesquelles nous testerons différentes approches pour l’optimisation de l’extraction d’énergie dans le système. La source finale, avec une puissance moyenne de 100 W et une durée d’impulsion inférieure à 200 fs, produira des énergies dans la gamme de 1 à 20 mJ pour des cadences de 5 kHz à 100 kHz. Cette source unique, à la fois intense et de forte puissance moyenne, pourra être utilisée soit comme source directe pour la génération de trains d’impulsions attoseconde par génération d’harmoniques d’ordre élevé soit comme laser de pompe d’amplificateur paramétrique optique produisant des impulsions de quelques cycles à 2 µm ou dans le proche infrarouge afin de générer ensuite des impulsions attoseconde uniques. Bien que ce projet demande beaucoup d’innovation technique, notre but est le développement des solutions compactes et fiables pour des applications concrètes en physique des champs forts. Le système de 5-100 kHz sera parfaitement bien adapté à des expériences avancées d’imagerie en coïncidences (Coincidence Momentum Imaging) et des expériences pompe-sonde avec des impulsions XUV.