Projet ANR-12-JS09-0005 – FOPAFE : Amplificateur paramétrique fibré d’impulsions femtosecondes à haute énergie
Programme : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur arnaud MUSSOT (Laboratoire de physique laser atomes et molécules)
Partenaires : Physique des Lasers, Atomes et Molécules
Montant : 194938.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Les systèmes lasers entièrement fibrés présentent un grand intérêt en raison de leur compacité, de leur stabilité et de leurs performances au regard des dispositifs massifs. Les progrès récents dans ce domaine ont prouvé leur capacité à délivrer des impulsions de forte puissance/énergie qui sont particulièrement adaptées pour des applications fondamentales dans les processus de l'interaction laser-matière, d’un point de vue civil ou militaire. Les fibres dopées à partir d’ions terres rares sont actuellement les milieux à gain les plus populaires. Toutefois, bien qu'elles constituent l’élément de base de la majeure partie des lasers à fibre actuels et qu’elles donnent lieu à des performances impressionnantes, ces solutions présentent deux inconvénients majeurs. Premièrement, leur bande spectrale de gain optique est limitée, ce qui réduit leur accordabilité spectrale. Deuxièmement, comme ce processus est basé sur une accumulation d'énergie à l'intérieur du milieu, le taux de répétition est limité et le contraste des impulsions lasers est dégradé par le processus d’émission de fluorescence spontanée. Ces problèmes sont complètement résolus en exploitant les propriétés non-linéaires des cristaux massifs pour réaliser des amplificateurs paramétriques qui ne nécessitent pas de stockage d'énergie en leur sein. L’équivalent de la fluorescence spontanée, appelé fluorescence paramétrique, est quasi-instantanément supprimé lorsque la pompe est arrêtée et on obtient en plus une large gamme d’accordabilité spectrale en contrôlant l'orientation du cristal ou sa température. On obtient alors un excellent contraste et leurs performances sont insensibles aux taux de répétition des signaux à amplifier. Cette technologie, combinée avec l’amplification à dérive de fréquence, a constitué une véritable révolution dans le domaine de l'optique est connue sous le nom d'amplification paramétrique d'impulsions à dérive de fréquence (OPCPA) et constitue le coeur des systèmes lasers délivrant des impulsions géantes de plusieurs peta-Watt avec un contraste élevé. Toutefois, en plus du système d’amplification qui est massif, le dispositif d'étirement temporel est également très encombrant et délicat à régler. Cela limite fortement l’intérêt de ces systèmes qui demeurent non-intégrables et complexes d’utilisation. Dans ce projet, nous proposons de solutionner ces problèmes en combinant les avantages des technologies de lasers à fibres, ceux de l’OPCPA et ceux des étireurs fibrés pour réaliser un système OPCPA haute énergie tout-fibré, appelé FOPCPA (Fiber Optical Parametric Chirped Pulse Amplification). Le succès global de ce projet sera associé à la levée de deux verrous technologiques : la réalisation d'amplification paramétrique d'impulsions à haute énergie dans des fibres optiques à larges aires effectives et l'étirement d’impulsions femtosecondes puissantes jusqu’à plus de 10 ns. Il est à noter que nous avons d’ores et déjà commencé à travailler sur ce projet depuis 2 ans. Nous avons déjà publié trois articles remarqués par la communauté (highlight dans la revue Nature Photonics, faits marquants de 2010 dans Optics & Photonics News (OSA), et dans le journal du CNRS et du CEA). Ces travaux constituent une solide base de départ pour notre projet et attestent de nos capacités à le mener à bien. Les objectifs ambitieux de ce travail seront de parvenir à étirer dans un dispositif à base de réseaux de Bragg fibrés une impulsion femtoseconde jusqu’à plus de 10 ns et de développer des fibres spécifiques à large mode qui permettront d’amplifier ce signal dans la gamme de la centaine de micro-Joules. Enfin, l’intérêt de notre dispositif sera mis en avant en remplaçant le premier étage d’amplification du système Peta-Watt que développe le CEA (projet PETAL). Cette étape finale couronnera de succès ce projet et conduira à un rayonnement international des travaux car elle marquera le point de départ d’une nouvelle génération d’architectures lasers pour ce type d’installations.