Coherent beam combining with an ultrafast multicore Yb-doped fiber amplifier

International audienceActive coherent beam combination using a 7-non-coupled core,polarization maintaining, air-clad, Yb-doped fiber is demonstrated as amonolithic and compact power-scaling concept for ultrafast fiber lasers. Amicrolens array matched to the multicore fiber and an active phasecontroller composed of a spatial light modulator applying a stochasticparallel gradient descent algorithm are utilized to perform coherentcombining in the tiled aperture geometry. The mitigation of nonlineareffects at a pulse energy of 8.9 μJ and duration of 860 fs is experimentallyverified at a repetition rate of 100 kHz. The experimental combiningefficiency results in a far field central lobe carrying 49% of the total power,compared to an ideal value of 76%. This efficiency is primarily limited bygroup delay differences between cores which is identified as the maindrawback of the system. Minimizing these group delay issues, e.g. by usingshort and straight rod-type multicore fibers, should allow a practical powerscaling solution for femtosecond fiber systems

Amplification of femtosecond pulses in Ytterbium doped bulk amplifiers

Le développement de sources laser générant des impulsions femtoseconde à très haut taux de répétition est l'un des axes de recherche les plus porteur de ces 10 dernières années, et ouvre la voie pour de nombreuses applications industrielles et scientifiques. Les lasers à fibres permettent d'obtenir des sources de forte puissance moyenne, mais le fort confinement de la lumière générant de fortes non-linéarités, limite l'énergie des impulsions de sortie. Les amplificateurs à cristaux quant à eux, ne permettent généralement pas d'obtenir des impulsions aussi courtes que dans les lasers à fibres principalement à cause des propriétés spectroscopiques des cristaux, mais cependant ils permettent d'obtenir des énergies bien plus élevées. La post-compression par effets non-linéaires est une des solutions permettant de réduire la durée de ces impulsions. Cependant, les non-linéarités sont généralement préjudiciables, et limitent les performances des lasers (principalement en terme de qualité temporelle des impulsions). Une technique mise en oeuvre pour contrôler et exploiter positivement ces non-linéarités afin d'obtenir des impulsions courtes et de bonne qualité, tout en atteignant des énergies élevées dans les amplificateurs régénératifs à cristaux, est présentée dans cette thèse.L'application d'un étirement négatif à l'impulsion avant amplification, permet de compenser dans certaines conditions, la dispersion positive des composants de l'amplificateur ainsi que la phase non-linéaire accumulée durant l'amplification . Nous avons donc étudié théoriquement et expérimentalement les différents régimes d'amplification non-linéaire, afin de trouver les paramètres optimaux. Ceci à permis de démontrer des impulsions ultracourtes et d'excellentes qualités temporelles même avec de fortes intégrales B. En considérant le couplage de la dispersion et des effets non-linéaires, ainsi que la bande de gain des milieux à gain, nous avons pu générer des impulsions sub-100 fs pour des puissances crêtes de plusieurs centaines de MW. Ces résultats obtenus dans des amplificateurs à très fort gain (50 dB) nous ont permis d'établir de nouveaux records de durées pour ce type d'architectures.Une autre étude sur la montée en puissance a permis de dimensionner une nouvelle gamme d'amplificateurs à cristaux, exploitant la géométrie pavé (usuellement appelée "slab") pour optimiser l'évacuation thermique. Une source de plus de 60 W a été réalisée, démontrant le potentiel de montée en puissance de ce type d'amplificateurs. Nous avons également mis en évidence les limites de cette architecture, en montrant des dégradations spatiales liées aux effets thermiques, problèmes majeurs lors de la montée en puissance.5 articles ont été rédigés grâce à ces résultats théoriques et expérimentaux. Ces travaux ont été présentés dans dix conférences. Enfin, ils ont permis à la société Amplitude Systèmes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits : un laser compact et intégré et le TANGOR 100 W.The development of laser sources delivering femtosecond pulses at high repetition rate is one of the main axe of reaserch of these 10 past years and is a key for many industrial and scientific applications. In one hand, fiber lasers allow to reach high average power sources, but the strong confinment of the light leads to high nonlinearities limiting output pulse energy. In the other hand, bulk amplifiers cannot provide as short pulse duration as fiber lasers because of crystals spectroscopic properties. However they can reach higher energy. Usually nonlinear effects are deletarious and limit output temporal pulse quality. A technic to tailor and exploid positively these nonlinearities in order to obtain shorter pulses together with high pulse energy in bulk regenerative amplifier is presented in this thesis.Negative dispersion managment prior amplification permits to precompensate the amplifier positive dispersion together with the accumulated nonlinear phase aquired during amplification. In order to deliver ultrashort pulses with an excellent temporal quality theoritical studies have been carried out to optimise the paramaters. By considering dispersion, nonlinearities and limited gain bandwidth, we could demonstrated sub-100 fs pulses with a peak power of hundreds of MW. These results established new pulse duration record in high gain (50 dB) bulk amplifiers.Another study allowed to design new amplifier geometries for power scaling. This has been done by using slab crystal geometry to improved heat dissipation. More than 60W average power has been demonstrated, highlighting the potential of such architecture for high power lasers. We also studied limitations of such design, especially thermal degradation effects, which are one of the main issues of high power bulk amplifier.5 articles have been written thanks to these theoritical and experimental results and have been presented in 10 conferences. As industrial results Amplitude Systemes has lunched into market two new lines of products: a compact and all integrated laser and a TANGOR 100 W

Amplification d'impulsions femtosecondes dans des amplificateurs à base de cristaux dopés Ytterbium

The development of laser sources delivering femtosecond pulses at high repetition rate is one of the main axe of reaserch of these 10 past years and is a key for many industrial and scientific applications. In one hand, fiber lasers allow to reach high average power sources, but the strong confinment of the light leads to high nonlinearities limiting output pulse energy. In the other hand, bulk amplifiers cannot provide as short pulse duration as fiber lasers because of crystals spectroscopic properties. However they can reach higher energy. Usually nonlinear effects are deletarious and limit output temporal pulse quality. A technic to tailor and exploid positively these nonlinearities in order to obtain shorter pulses together with high pulse energy in bulk regenerative amplifier is presented in this thesis.Negative dispersion managment prior amplification permits to precompensate the amplifier positive dispersion together with the accumulated nonlinear phase aquired during amplification. In order to deliver ultrashort pulses with an excellent temporal quality theoritical studies have been carried out to optimise the paramaters. By considering dispersion, nonlinearities and limited gain bandwidth, we could demonstrated sub-100 fs pulses with a peak power of hundreds of MW. These results established new pulse duration record in high gain (50 dB) bulk amplifiers.Another study allowed to design new amplifier geometries for power scaling. This has been done by using slab crystal geometry to improved heat dissipation. More than 60W average power has been demonstrated, highlighting the potential of such architecture for high power lasers. We also studied limitations of such design, especially thermal degradation effects, which are one of the main issues of high power bulk amplifier.5 articles have been written thanks to these theoritical and experimental results and have been presented in 10 conferences. As industrial results Amplitude Systemes has lunched into market two new lines of products: a compact and all integrated laser and a TANGOR 100 W.Le développement de sources laser générant des impulsions femtoseconde à très haut taux de répétition est l'un des axes de recherche les plus porteur de ces 10 dernières années, et ouvre la voie pour de nombreuses applications industrielles et scientifiques. Les lasers à fibres permettent d'obtenir des sources de forte puissance moyenne, mais le fort confinement de la lumière générant de fortes non-linéarités, limite l'énergie des impulsions de sortie. Les amplificateurs à cristaux quant à eux, ne permettent généralement pas d'obtenir des impulsions aussi courtes que dans les lasers à fibres principalement à cause des propriétés spectroscopiques des cristaux, mais cependant ils permettent d'obtenir des énergies bien plus élevées. La post-compression par effets non-linéaires est une des solutions permettant de réduire la durée de ces impulsions. Cependant, les non-linéarités sont généralement préjudiciables, et limitent les performances des lasers (principalement en terme de qualité temporelle des impulsions). Une technique mise en oeuvre pour contrôler et exploiter positivement ces non-linéarités afin d'obtenir des impulsions courtes et de bonne qualité, tout en atteignant des énergies élevées dans les amplificateurs régénératifs à cristaux, est présentée dans cette thèse.L'application d'un étirement négatif à l'impulsion avant amplification, permet de compenser dans certaines conditions, la dispersion positive des composants de l'amplificateur ainsi que la phase non-linéaire accumulée durant l'amplification . Nous avons donc étudié théoriquement et expérimentalement les différents régimes d'amplification non-linéaire, afin de trouver les paramètres optimaux. Ceci à permis de démontrer des impulsions ultracourtes et d'excellentes qualités temporelles même avec de fortes intégrales B. En considérant le couplage de la dispersion et des effets non-linéaires, ainsi que la bande de gain des milieux à gain, nous avons pu générer des impulsions sub-100 fs pour des puissances crêtes de plusieurs centaines de MW. Ces résultats obtenus dans des amplificateurs à très fort gain (50 dB) nous ont permis d'établir de nouveaux records de durées pour ce type d'architectures.Une autre étude sur la montée en puissance a permis de dimensionner une nouvelle gamme d'amplificateurs à cristaux, exploitant la géométrie pavé (usuellement appelée "slab") pour optimiser l'évacuation thermique. Une source de plus de 60 W a été réalisée, démontrant le potentiel de montée en puissance de ce type d'amplificateurs. Nous avons également mis en évidence les limites de cette architecture, en montrant des dégradations spatiales liées aux effets thermiques, problèmes majeurs lors de la montée en puissance.5 articles ont été rédigés grâce à ces résultats théoriques et expérimentaux. Ces travaux ont été présentés dans dix conférences. Enfin, ils ont permis à la société Amplitude Systèmes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits : un laser compact et intégré et le TANGOR 100 W

Generation of 150-fs pulses from a diode-pumped Yb:KYW nonlinear regenerative amplifier

International audienceGeneration of sub-150-fs-level pulses has been obtained from an Yb-doped crystal-based regenerative amplifier by applying an innovative amplification scheme. This scheme is based on optimization of the linear and non-linear phase during the amplification process inside the regenerative amplifier cavity. This technique with Yb:KYW allows to achieve pulse durations from diode-pumped Yb-doped regenerative amplifiers that were up to now only accessible with more complex Ti:sapphire amplifiers. With this Yb-doped tungstate crystal used in regenerative amplifiers, 145 fs pulses centered at 1026 nm with a spectral bandwidth of 14 nm at 50 kHz for an average power of 1.6 W have been generated

Simulation and experimental investigation of higher order beam distortions in end-pumped bulk laser amplifiers (poster)

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Génération d'impulsions de 100 fs dans un amplificateur régénératif a base d'YB:CALGO (poster)

International audienceDes impulsions ultra-courtes d'une durée de 100 fs ont été obtenues dans un amplificateur régénératif utilisant un cristal d'Yb:CALGO. Le rétrécissement spectral par le gain a été minimisé en employant une technique d'amplification non-linéaire utilisant l'effet Kerr

High-energy picosecond source based on an hybrid architecture (orale)

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Generation of sub-100-fs pulses in an Yb: CaGdAlO4 regenerative amplifier by tailored control of linear and nonlinear phase (orale)

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Hybrid Yb-doped-fiber/Yb:YAG architecture for high-energy, high-power, picosecond source tunable in duration (orale)

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Single-stage Yb:YAG booster amplifier producing 2.3 mJ, 520 fs pulses at 10 kHz (Orale)

International audience520fs, 2.3-mJ pulses are demonstrated in a Yb:YAG booster amplifier delivering peak powers up to 4.4GW. To avoid damage and nonlinear-effect issues, passive divided pulse amplification is studied for the first time for bulk-amplifier. Great efforts have been deployed in the development of laser systems delivering femtosecond pulses for industrial and scientific applications. Among all available technologies, fiber lasers came out as one of the best choice due to their capability to deliver short pulse duration (typically 300 to 500 fs) together with high average power within very reliable and robust systems. Nevertheless, one of the main drawbacks remains the limited output energy available for such laser due to the strong confinement of the light. Standard femtosecond fiber lasers can deliver typically up to 10s µJ energy pulses; and lasers based on rod type technology allow to reach up to the mJ level for laboratory systems [1-2] and 200 µJ for industrial systems. We propose here to enhance the energy from fiber sources by implementing a very simple, but optimized, Yb doped YAG booster stage. This booster consists in using a cm-long crystal to have a simple high gain booster together with a rather-modest length to prevent from deleterious nonlinear effects like self-phase modulation and critical self-focusing. Secondly, the use of a simple and passive divided pulse amplification (DPA) setup [3] is also investigated, in order to exceed the energy limitation. We investigate how the DPA permits to overcome the laser threshold limits from 2.9 mJ to 4.1 mJ. This simple and straightforward amplifier geometry allows to deliver, in a nominal and safe regime, ultrashort pulses below 520fs for energy of 3mJ (before compression) 2.3 mJ after. We demonstrated then pulses up to 4.4 GW of peak power. The fiber laser source used is a standard industrial laser-developed by Amplitude Systems-that delivers pulse energy 180µJ up to 100 kHz repetition rate with duration of 350 fs. By limiting output energy below 200µJ, nonlinear effects and damages threshold in the laser are safely avoid. The Yb:YAG booster is implemented between the fiber amplifier and the compresso