Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble)

1. Groupe « Etoile Laser » du LSP (Grenoble) Irène Courtillot (Post/Doc CNRS,  sept. 2004) Vincent Fesquet (Doctorant) Jean-Paul Pique (DR CNRS) Jean-Louis Cheval (IE,  déc. 2004) Corinne Félix (IE, 30%)

2. Overview • 1. The modeless laser for ELPOA •  break saturation limitation • Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF) •  transport of high power nanosecond lasers • Visible Sm3+ fiber laser •  dye laser  solid state laser

3. Incoherent excitation • Maximum population of the 4D5/2 state : 1/6 (~17%) (Foy et al. 1995) • 2. Saturation sodium transitions • * 3S1/2  3P3/2 : 185 W/m2 (Foy et al. 95), 95 W/m2 (Morris 97) • * 3P3/2  4D5/2: 450 W/m2 (Foy et al. 95), 225 W/m2 (Morris 97) • 3. Doppler/Hyperfine linewidth : ~ 3 GHz (1 GHz) • 4. ~4 1012-0.5 1012 Na atoms (spot size: 50 cm) • * January column density: 2 109 at./cm2 • * June column density: 0.25 109 at./cm2 (Megis et al. 88) • 5. For a return flux at 330nm > 7 105 photons/s/m2 (Schöck et al. 2001) • We must excite all the velocity classes •  two 20 W modeless lasers (15 kHz, 50 ns, 589 +569 nm)

4. A modeless laser for unsaturated sodium excitationJ.P. Pique et al., JOSA B (2003) Temporal, spatial and frequency gaussian numerical kinetic model • s = homogeneous absorp. cross section • N1, N2= population of levels 3S1/2, 3P1/2 • F= laser photon density Fluorescence of the D2 star (589 nm) At least, we expect a mult. factor of 10 for the UV (330 nm) star intensity

5. na=40 MHz Remarkable properties of an accoustoptic modulator • index grating (spectral filter ≡ Lyot filter) • frequency shifter (2na after one round-trip) • Kowalski et al. (1988) • Ring cavity: progressive wave • Closed on 0th order • Pump power: 8 W • Dn: 30 GHz • This work • Linear cavity: standing wave • Closed on 1st order • Pump power: 3 W • Dn: 3 GHz

6. 0 1 Etoile Laser 5 fois plus intense On excite toutes les classes de vitesse Spectre de la raie laser Ordre 0 Ordre 1 1.Laser Sans Modebut : s’affranchir de la saturation de NaJ.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003) M3 Modeless oscillator n<-->n+2F AOS Dye jet cw-YAG, 3W F M1 FP M2 • Oscillator (modeless): 3 GHz = Dn(D2)

7. Photon density Spontaneous emission Stimulated emission Losses G(n): gain by molecule Ns: nb. excited molecules tc: round trip time na: acoustic frequency Modeless laser model

8. Preampli Ampli lmètre Mode coupling 0 jet 1 Jet Lyot l/2 QS-YAG 15kHz, 80 ns, 2W Pump Laser : CuHBr orYAG 1.Laser Sans Modebut : s’affranchir de la saturation de NaJ.P. Pique and S. Farinoti, JOSA B (2003) M3 Modeless oscillator n<-->n+2F AOS Dye jet cw-YAG, 3W F M1 FP M2 • Oscillator (modeless): 3 GHz = Dn(D2) • Intracavity preamp.: M2≥1.05, gain~104, 8 µJ/pulse  V. Fesquet • Amplifier: 20-25 W (we hope an efficiency ~30%)  I. Courtillot • All-optical, compact

9. Modeless laser with its preamplifier

10. l l 0 0 1 1 l/2 l/2 QS-YAG 2W QS-YAG 2W CuHBr orYAG 60 W CuHBr orYAG 60 W AOS AOS cw-YAG 3W cw-YAG 3W FP FP LSP laser/ KECK laser • Keck • saturation • F modulation • osc. pump: 50 W • preamp. pump: 50 W • preamp: 4-8 µJ/pulse • ampli: 4x60 W • electronics • big installation • This work • no saturation (star int. X 3) • modeless • osc. pump: 3 W • preamp. pump: 2 W • preamp: 5 µJ/pulse • ampli: 1x60 W (we hope !) • all-optical • compact (2 channels on 1 table)

11. Overview • 1. The modeless laser for ELPOA •  break saturation limitation • Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF) •  transport of high power nanosecond lasers • Visible Sm3+ fiber laser •  dye laser  solid state laser

12. 2. Fibre creuse à cristal photonique 2D HC-PCF (Hollow Core Photonic Cristal Fiber • Transport de faisceaux laser de puissance dans le visible (589 nm, 569 nm, 20 W, 50 ns, 17 kHz) • Fibre monomode : F ~ 3µm •  Raman (SiO) ~ 3-10 mW • Fibre PCF à cœur plein : F ~ 30 µm •  Raman (SiO) ~ 0.3-1 W • Fibre HC-PCF : cœur d’air ou vide (P. Russell 2001) •  Raman négligeable •  seuil de dommage très élevé •  interface d’entrée air/air • (réflexion de Fresnel très faible <10-3) •  dispersion nulle (large bande) • Collaboration IRCOM/LSP (équipe de D. Pagnoux) • (« fibre HC-PCF pour laser visible de puissance ») 100 kW crête démontré à 800 nm ! l=580 nm; pertes: 0.3dB/m; 95% énergie dans l’air

13. Overview • 1. The modeless laser for ELPOA •  break saturation limitation • Hollow core photonic bandgap crystal fiber (HC-PCF) •  transport of high power nanosecond lasers • Visible Sm3+ fiber laser •  dye laser  solid state laser

14. 3. Laser à Fibre • 2 projets Lasers Fibres pour LGS: • LLNL: diode laser à 938 nm • + ampli à fibre à 938 nm (pompé par DL, refroidi à AL) • + laser à fibre Er à 1583 nm (pompé DL) • + ampli à fibre à 1583 nm • + somme de fréquences dans un cristal PPLN • ESO: laser à fibre à 1178 nm (monomode) • + ampli Raman (silice pompée à 1020 nm) • + doublage de fréquence dans un cristal PPLN • Il n’existe pas de laser à fibre lasant directement dans le visible

15. Figure 1 3. Laser à Fibre dopée Sm3+ • Objectif: Etude d’un Laser à fibre lasant directement à 589 nm et 569 nm • Université de Leeds : Préforme • IPHT Jena : Fibre • LSP : Laser • I. Ion Sm3+ • L’émission de l’ion Sm3+ dépend fortement du verre hôte • Peut être pompé à 488 nm, 940 nm ou 1.06 µm

16. pompe pompe R < 1 Rmax Fibre dopée Sm 3+ Réseau de Bragg Réseau de Bragg 3. Laser Visible à Fibre dopée Sm3+ II. Etude théorique et expérimentale d’un Laser à fibre dopée Sm 3+ Diode laser collimatée • Structure: double gaine • Pompage: diode multimode • l: visible (dont 589 et 569 nm) • Largeur spectrale: 3 GHz (1 GHz) • Autres applications : laser de pompe, micro-usinage … Gaine externe Cœur dopé Sm3+ Gaine interne Entaille à 90 ° Remarques: • 300 W (monomode) ont été démontrés avec l’ion Yb (1.04 µm) • 2. Un absorbant saturable peut être incorporé dans le cœur de fibre  laser picoseconde

17. 4D5/2 4P3/2 4P3/2 D3 4S1/2 Laser 2 4S1/2 Laser 2 3P3/2 3P3/2 3P1/2 UV D1 D2 Laser 1 UV D1 D2 Laser 1 3S1/2 3S1/2 (a) (b) Alternative 330 nm excitation for tip-tilt Figure 1 : a) monochromatic LGS (high order) b) alternative for independant tip-tilt correction • 100% adiabatic transfert ? • back emission ? (increase solid angle collection ?) • Advantages: • Only one laser channel (cheaper, reliability …) • if 330 nm laser launch through telescope, we just need to observe the 589 nm star • tip-tilt system independant from monochromatique LGS system • not security problem (330 nm is not transmited through windows)

18. Résumé • 1. Laser Sans Mode •  s’affranchir de la saturation intrinsèque à l’atome de sodium •  2 chaînes (589 nm et 569 nm de 20 W) • Fibre creuse à cristal photonique 2D (HC-PCF) •  collaboration avec l’équipe de D. Pagnoux de l’IRCOM •  transport de faisceaux lasers de puissance • 3. Expérience à l’OHP •  démontrer la possibilité de corriger en temps réel • le « tip-tilt » à l’aide d’une étoile laser polychromatique •  OA = seul miroir « tip-tilt » (D/r0 ~ 3) • 4. Laser à Fibre dopée Sm3+ émettant dans le visible •  s’affranchir des lasers à colorant

19. Fin End