Nonlinear compression of high energy fiber amplifier pulses in air-filled hypocycloid-core Kagome fiber

International audienceWe report on the generation of 34 fs and 50 µJ pulses from a high energy fiber amplifier system with nonlinear compression in an air-filled hypocycloid-core Kagome fiber. The unique properties of such fibers allow bridging the gap between solid core fibers-based and hollow capillary-based post-compression setups, thereby operating with pulse energies obtained with current state-of-the-art fiber systems. The overall transmission of the compression setup is over 70%. Together with Yb-doped fiber amplifier technologies, Kagome fibers therefore appear as a promising tool for efficient generation of pulses with durations below 50 fs, energies ranging from 10 to several hundreds of µJ, and high average powers

High repetition rate femtosecond ytterbium lasers and applications

Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique.This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity

High repetition rate femtosecond ytterbium lasers and applications

Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique.This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity

Développement de sources lasers femtosecondes ytterbium à très haute cadence et applications

This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity.Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique

Ablation of Bone Tissue by Femtosecond Laser: A Path to High-Resolution Bone Surgery

Femtosecond lasers allow for high-precision, high-quality ablation of biological tissues thanks to their capability of minimizing the thermal loads into the irradiated material. Nevertheless, reported ablation rates remain still too limited to enable their exploitation on a clinical level. This study demonstrates the possibility to upscale the process of fs laser ablation of bone tissue by employing industrially available fs laser sources. A comprehensive parametric study is presented in order to optimize the bone tissue ablation rate while maintaining the tissue health by avoiding excessive thermal loads. Three different absorption regimes are investigated by employing fs laser sources at 1030 nm, 515 nm and 343 nm. The main differences in the three different wavelength regimes are discussed by comparing the evolution of the ablation rate and the calcination degree of the laser ablated tissue. The maximum of the ablation rate is obtained in the visible regime of absorption where a maximum value of 0.66 mm3/s is obtained on a non-calcined tissue for the lowest laser repetition rate and the lowest spatial overlap between successive laser pulses. In this regime, the hemoglobin present in the fresh bone tissue is the main chromophore involved in the absorption process. To the best of our knowledge, this is the highest ablation rate obtained on porcine femur upon fs laser ablation

Nickel phytomining from industrial wastes: growing nickel hyperaccumulator plants on galvanic sludges

Nickel (Ni) is used in numerous industrial processes, with large amounts of Ni-rich industrial wastes produced, which are largely sent to landfill. Nickel recovery from waste materials that would otherwise be disposed is of particular interest. Nickel phytomining represents a new technology in which hyperaccumulator plants are cultivated on Ni-rich substrates for commercial metal recovery. The aim of this study was to investigate the possibility of Ni transfer from industrial waste into plant biomass, to support recovery processes from bio-ores. Different industrial galvanic sludges (containing 85–150 g kg−1 Ni) were converted into artificial substrates (i.e. technosols) and the Ni hyperaccumulator Odontarrhena chalcidica (formerly Alyssum murale) was cultivated on these Ni-rich matrices. A greenhouse pot experiment was conducted for three months including an ultramafic soil control and testing fertilized (NPK) and unfertilized replicates. The results showed that fertilization was effective in improving plant biomass for all the substrates and that O. chalcidica was capable of viably growing on technosols, producing a comparable biomass to O. chalcidica on the control (ultramafic soil). On all technosols, O. chalcidica achieved Ni shoot concentrations of more than >1000 mg Ni kg −1 and maximum Ni uptake was obtained from one of the technosols (26.8 g kg −1 Ni, unfertilized; 20.2 g kg −1 Ni, fertilized). Nickel accumulation from three of the technosols resulted to be comparable with the control ultramafic soil. This study demonstrated the feasibility of transferring Ni from toxic waste into the biomass of Odontarrhena chalcidica and that phytomining from galvanic sludge-derived technosols can provide similar Ni yields as from natural ultramafic soils

High average power and high energy transport of femtosecond pulses with a low loss Kagome hollow-core photonic crystal fiber for micromachining

International audienc

Sci Rep

Precise control of tissue temperature during Laser-Induced Thermotherapy (LITT) procedures has the potential to improve the clinical efficiency and safety of such minimally invasive therapies. We present a method to automatically regulate in vivo the temperature increase during LITT using real-time rapid volumetric Magnetic Resonance thermometry (8 slices acquired every second, with an in-plane resolution of 1.4 mmx1.4 mm and a slice thickness of 3 mm) using the proton-resonance frequency (PRF) shift technique. The laser output power is adjusted every second using a feedback control algorithm (proportional-integral-derivative controller) to force maximal tissue temperature in the targeted region to follow a predefined temperature-time profile. The root-mean-square of the difference between the target temperature and the measured temperature ranged between 0.5 °C and 1.4 °C, for temperature increases between + 5 °C to + 30 °C above body temperature and a long heating duration (up to 15 min), showing excellent accuracy and stability of the method. These results were obtained on a 1.5 T clinical MRI scanner, showing a potential immediate clinical application of such a temperature controller during MR-guided LITT.Initiative d'excellence de l'Université de BordeauxL'Institut de Rythmologie et modélisation CardiaqueThermometrie cardiaque haute résolution sur une IRM clinique en utilisant des antennes intracardiaque

Implementing nickel phytomining in a serpentine quarry in NW Spain

In Galicia (NW Spain), ultramafic outcrops represent approximately 5% of the land surface and several mining and quarrying activities take place in these areas.Resulting mine-soils present physical, chemical and biological properties which limit plant growth and soil functioning. Nickel phytomining, an eco-friendly strategy for metal recovery, could potentially be applied to these areas.A one-year field experiment was carried out in a serpentine quarry to evaluate the performance of four Ni hyperaccumulating plant species, comparing the Mediterranean spp. Bornmuellera emarginata and Odontarrhena muralis with the native populations of Noccaea caerulescens and Odontarrhena serpyllifolia. Field plots were established and amended with inorganic NPK fertilisers or composted sewage sludge. Three replicate plots (4 m(2)) were planted for each plant species and fertilisation regime. Amending with compost reduced pH from 7.8 to 6.6, and increased soil cation exchange capacity (CEC), nutrient concentrations and Ni availability. Moreover, compost-amended mine-soil presented higher microbial density and activity, parameters which were further stimulated by plant growth.Plant biomass production of all plant species was significantly higher in compost-amended soils than that after NPK fertilisation, being most pronounced for O. muralis and B. emarginata. Despite the reduction in shoot Ni concentrations observed in plants (except O. muralis) grown in compost-amended plots, the increased biomass production led to significantly higher Ni yields (in kg ha(-1)) in B. emarginata (2.9), N. caerulescens (1.9) and O. muralis (2.3). All plant species were able to establish and grow in the mine-soil (with the Mediterranean species showing a higher capacity for adaptation) and to generate moderate Ni yields.Nonetheless, the results highlight the need for further optimisation in order to enhance the Ni phytoextraction efficiency.Finally, the improvement in soil quality after compost amendment and plant growth support the idea that phytomining systems can be effective approaches for the rehabilitation of soils affected by quarrying operations after mine closure