Lasers à impulsions ultra-courtes

Nos recherches repoussent les frontières de la science des lasers ultrarapides, en se concentrant sur le développement et le raffinement des systèmes laser à disques massifs et minces avec une précision sans précédent. Nous sommes spécialisés dans la modélisation de lentilles Kerr à solitons, une technique qui exploite l’effet Kerr optique non linéaire pour obtenir des impulsions ultrarapides stables et auto-entretenues. Ces impulsions sont caractérisées de manière exhaustive, en examinant des paramètres tels que la durée, l’intensité et la forme de l’impulsion, jetant ainsi les bases d’optimisations ultérieures.

Pour améliorer le potentiel de ces systèmes, nous abordons également des aspects clés de la performance des lasers, notamment la réduction du bruit, la stabilisation du taux de répétition et la stabilisation du décalage porteuse-enveloppe (CEO). Ces améliorations sont essentielles pour les applications exigeant une précision et une stabilité élevées, qu’il s’agisse d’instruments scientifiques ou de processus industriels.

Notre approche repose sur l’utilisation de systèmes laser pompés par diode, un choix qui offre non seulement un bon rapport coût-efficacité, mais aussi une grande compacité. En tirant parti des pompes à diodes, nous visons à rendre ces technologies laser sophistiquées plus accessibles et plus polyvalentes sans compromettre les performances, en ciblant des durées d’impulsion exceptionnellement courtes qui sont prometteuses pour un large éventail d’applications.

Grâce à ce travail, nous aspirons à repousser les limites des capacités des lasers ultrarapides, en contribuant au développement de systèmes innovants et performants qui peuvent répondre aux exigences rigoureuses des applications scientifiques et technologiques modernes.

Les lasers ultrarapides et leurs applications

Les oscillateurs laser ultrarapides permettent de générer des impulsions optiques extrêmement courtes de l’ordre de la femtoseconde à la picoseconde. Depuis deux décennies, un nombre croissant d’applications scientifiques et industrielles ont suscité un effort de recherche important pour développer de nouvelles sources laser ultrarapides permettant des puissances moyennes élevées, des durées d’impulsion courtes et des performances de bruit élevées. Les sources laser ultrarapides ont déjà révolutionné une grande variété d’applications en biologie, en médecine, ainsi que dans l’industrie et la recherche. Par exemple, elles ont conduit à l’émergence de nouveaux outils et techniques pour la spectroscopie, permettant la détection ou la mesure de nombreuses molécules simultanément avec une grande précision.

Au LTF, nous nous attachons à repousser les limites des performances des lasers ultrarapides. Notre mission est de développer des oscillateurs laser puissants et à large bande qui constituent la prochaine génération de sources lumineuses pour des applications exigeantes. Pour relever ce défi, notre groupe s’est spécialisé dans le verrouillage par lentille de Kerr (KLM), une technique qui utilise l’effet optique non linéaire de Kerr pour produire des impulsions ultracourtes, intenses et à large bande. Cette technique est particulièrement bien adaptée à la génération d’impulsions dans le régime femtoseconde et permet la génération d’impulsions à large bande, ce qui est un avantage clé pour les applications en spectroscopie. Pour répondre aux divers besoins des applications du monde réel, nous développons nos sources laser en utilisant diverses plates-formes de gain telles que le matériau de gain en vrac ou en disque mince.

Activités liées aux oscillateurs laser de masse

Un aspect essentiel de notre travail est la conception et l’optimisation d’oscillateurs laser KLM basés sur des supports à gain massif. Ces systèmes sont compacts, économiques et capables de fournir des puissances de sortie de l’ordre du watt, ce qui les rend polyvalents pour diverses applications.

Vers des performances accrues .Notre objectif est d’améliorer les performances des oscillateurs laser à verrouillage de mode et d’explorer de nouveaux régimes de fonctionnement afin d’exploiter pleinement leurs capacités. Par exemple, nous avons récemment développé un schéma de pompage à polarisation croisée (Fig. 1a) pour générer efficacement des impulsions de quelques cycles avec des matériaux à gain présentant des défauts à faible quantité quantique [1]. En utilisant cette approche de pompage sur un oscillateur laser KLM Yb:CALGO, nous avons pu démontrer des impulsions de 20 fs et une puissance moyenne de niveau Watt avec une efficacité beaucoup plus élevée que les méthodes de pompage conventionnelles, comme le montre le graphique de la Fig. 1b.

Figure 1: (a) Schematic of cross-polarization pumping. (b) Efficiency vs pulse duration for several ultrafast mode-locked lasers.

Réduire les coûts et la complexité. Un autre objectif est de rendre les lasers femtoseconde plus accessibles en réduisant leur coût, leur complexité et leur encombrement. Notre approche repose sur l’utilisation de diodes multimodes, un choix qui offre non seulement des niveaux de puissance élevés, mais aussi un bon rapport coût-efficacité et une grande compacité. Un exemple notable est le développement d’un laser femtoseconde très compact et stable fonctionnant à un taux de répétition de l’ordre du gigahertz [2] – un régime qui est bénéfique pour diverses applications en spectroscopie. En intégrant complètement ce laser dans un boîtier en aluminium de manière quasi-monolithique (Fig. 2), nous avons démontré des performances de pointe en termes de puissance moyenne, de durée d’impulsion et de stabilité [3]. Ce laser ultrarapide, qui tient dans une boîte de chocolat, représente une avancée significative dans la diffusion de la technologie des lasers à verrouillage de mode.

Figure 2: Picture of our KLM gigahertz laser oscillator integrated quasi-monolithically inside an alluminum housing.

Explorer de nouvelles régions spectrales. Pour répondre à l’intérêt croissant pour la spectroscopie médicale et environnementale, nous développons des lasers ultrarapides qui génèrent de la lumière dans l’infrarouge moyen, où de nombreuses molécules présentent de fortes caractéristiques d’absorption. Notre stratégie consiste à utiliser de nouveaux supports de gain tels que des matériaux dopés au Tm ou au Cr. L’apparition de ces cristaux il y a dix ans a permis de développer des oscillateurs laser qui génèrent directement des impulsions femtosecondes au-dessus de 2 µm, ce qui n’était pas possible auparavant. Actuellement, nous nous concentrons sur l’amélioration de la technologie et le développement de sources stables et à large bande qui présentent des performances idéales pour la spectroscopie dans l’infrarouge moyen.

En outre, nous sommes à l’avant-garde des techniques de conversion de fréquence non linéaire afin d’étendre la portée spectrale de nos lasers. Étant donné que la conversion non linéaire de fréquence nécessite des niveaux de puissance optique relativement élevés pour une conversion efficace, cette technique impose des exigences strictes aux lasers de pompe. Au LTF, nous nous intéressons au développement de nouvelles approches pour réaliser une conversion non linéaire efficace avec des lasers économiques, simples et compacts. Par exemple, dans [4], nous générons des impulsions térahertz à large bande en convertissant en fréquence des impulsions femtosecondes de 1 um produites par un laser Yb:CALGO maison. L’approche repose sur la conduite de la conversion non linéaire directement à l’intérieur de la cavité de l’oscillateur laser afin de bénéficier de niveaux de puissance disponibles beaucoup plus élevés (figure 3). Grâce à cette approche, nous avons pu démontrer des performances térahertz de pointe avec un laser de pompe beaucoup moins cher, plus simple et plus petit que les méthodes conventionnelles.

Figure 3: Scheme of the system used for intracavity THz generation. The nonlinear crystal used for converting the 1-um pulses to the THz domain is placed directly into the laser cavity.

Lasers à disque mince et générations de hautes harmoniques

Un certain nombre d’applications scientifiques sont actuellement à l’origine d’un important effort de recherche visant à développer des sources laser ultrarapides de table permettant d’obtenir des puissances moyennes élevées, c’est-à-dire des sources combinant une puissance de crête élevée et un taux de répétition élevé. Parmi de nombreux exemples, l’une des principales applications est la génération d’harmoniques élevées (HHG), où des taux de répétition plus élevés sont souhaités pour obtenir un flux plus important dans l’ultraviolet, permettant des mesures plus rapides avec un rapport signal/bruit plus élevé. Ces applications nécessitent des niveaux de puissance bien supérieurs à ce que les oscillateurs laser basés sur des matériaux de gain en vrac peuvent atteindre, en raison des effets thermiques importants qui se produisent dans le cristal de gain. Une alternative consiste à utiliser des matériaux de gain à disque mince. La géométrie de ce support (figure 4(a)) présente d’excellentes propriétés thermiques pour la dissipation de la chaleur, ce qui permet de supporter des niveaux de puissance optique très élevés. Poussés par les besoins d’applications telles que le HHG, au LTF nous poussons continuellement les performances des lasers à disque mince [5-8] et établissons des records mondiaux tels que la durée d’impulsion la plus courte générée directement par un oscillateur laser à disque mince [7]. La figure 4(b) illustre un laser à disque mince mis au point au LTF.

Figure 4: (a) Scheme of thin disk. (b) Picture of the overall thin disk laser system housed inside a vaccum chamber.

Génération de rayons XUV par génération de hautes harmoniques intracavité

L’une des principales applications de nos lasers à disque mince est la production de lumière dans la région de l’ultraviolet extrême (XUV) par génération d’harmoniques élevées. Cette technique non linéaire requiert des niveaux de puissance de crête extrêmement élevés qui sont difficiles à atteindre et nécessitent souvent des systèmes coûteux, massifs et complexes. Au LTF, nous nous concentrons sur le développement de sources XUV efficaces, simples et compactes afin de rendre cette technologie largement disponible. En particulier, nous utilisons les niveaux élevés de puissance de crête intracavité disponibles à l’intérieur de la cavité de nos lasers à disque mince pour piloter la HHG directement à l’intérieur du laser. Contrairement aux systèmes conventionnels basés sur une amplification externe ou des cavités d’amélioration passives, notre approche permet de générer efficacement de la lumière XUV en utilisant un seul étage et un système compact basé sur une poignée de miroirs diélectriques. Au fil des ans, nous avons franchi des étapes importantes vers la génération de lumière XUV de table [9-11], et nous avons récemment démontré la génération de lumière XUV avec des énergies de photons allant jusqu’à 100 eV et 60 nW de puissance moyenne [11], ce qui est comparable, voire supérieur, au flux obtenu par des systèmes conventionnels coûteux, complexes et massifs. Actuellement, nos efforts se concentrent sur l’amélioration des performances et de la stabilité du laser à disque mince et sur le développement d’applications réelles telles que l’imagerie ou la spectroscopie.

Figure 5: Scheme of the intra-oscillator high-harmonic generation experiment setup.

Article : Intra-oscillator high harmonic source…
Article : Efficient few-cycle Yb-doped laser oscillator…
Article : Sub-30-fs Yb:CALGO laser oscillator…

Publications-clés

  • F. Labaye, V. J. Wittwer, M. Hamrouni, N. Modsching, E. Cormier, and T. Südmeyer, « Efficient few-cycle Yb-doped laser oscillator with Watt-level average power, » Opt. Express 30(2), 2528–2538 (2022)
  • M. Hamrouni, F. Labaye, N. Modsching, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Efficient high-power sub-50-fs gigahertz repetition rate diode-pumped solid-state laser, » Opt. Express 30(17), 30012–30019 (2022)
  • M. Müller, M. Hamrouni, K. N. Komagata, A. Parriaux, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Powerful 1-µm 1-GHz optical frequency comb, » Opt. Express 31(26), 44823–44831 (2023
  • M. Hamrouni, J. Drs, N. Modsching, V. J. Wittwer, F. Labaye, and T. Südmeyer, « Intra-oscillator broadband THz generation in a compact ultrafast diode-pumped solid-state laser, » Opt. Express 29(15), 23729–23735 (2021)
  • C. Paradis, N. Modsching, V. J. Wittwer, B. Deppe, C. Kränkel, and T. Südmeyer, « Generation of 35-fs pulses from a Kerr lens mode-locked Yb:Lu2O3 thin-disk laser, » Opt. Express 25(13), 14918–14925 (2017)
  • J. Fischer, J. Drs, N. Modsching, F. Labaye, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Efficient 100-MW, 100-W, 50-fs-class Yb:YAG thin-disk laser oscillator, » Opt. Express 29(25), 42075–42081 (2021)
  • J. Drs, J. Fischer, N. Modsching, F. Labaye, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Sub-30-fs Yb:YAG thin-disk laser oscillator operating in the strongly self-phase modulation broadened regime, » Opt. Express 29(22), 35929–35937 (2021)
  • J. Drs, J. Fischer, N. Modsching, F. Labaye, M. Müller, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « A Decade of Sub-100-fs Thin-Disk Laser Oscillators, » Laser Photonics Rev. 17(8), 2200258 (2023)
  • F. Labaye, M. Gaponenko, V. J. Wittwer, A. Diebold, C. Paradis, N. Modsching, L. Merceron, F. Emaury, I. J. Graumann, C. R. Phillips, C. J. Saraceno, C. Kränkel, U. Keller, and T. Südmeyer, « Extreme ultraviolet light source at a megahertz repetition rate based on high-harmonic generation inside a mode-locked thin-disk laser oscillator, » Opt. Lett. 42(24), 5170–5173 (2017)
  • J. Fischer, J. Drs, F. Labaye, N. Modsching, M. Müller, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Coated grazing incidence plate for XUV out-coupling of intracavity high harmonics from a thin-disk laser oscillator, » in Conference on Lasers and Electro-Optics (2022), Paper STh4L.1 (Optica Publishing Group, 2022), p. STh4L.1.
  • J. Drs, F. Trawi, M. Müller, J. Fischer, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, « Intra-oscillator high harmonic source reaching 100-eV photon energy, » Opt. Express 32(10), 17424–17432 (2024)