Efficient diode-pumped Yb3+:Y2SiO5 and Yb3+:Lu2SiO5 high-power femtosecond laser operation

International audienceWe report the mode-locked operation of two new Yb-doped oxyorthosilicates, Y2SiO5 (YSO) and Lu2SiO5 (LSO), that are longitudinally diode pumped. Yb:YSO supplied pulses as short as 122 fs with 410mW of output power at 1041 nm. More than 2.6W of average output power, for pulse durations of 198 fs at 1044 nm and 260 fs at 1059 nm for Yb:YSO and Yb:LSO, respectively, were provided. These are, to our best knowledge, the highest values ever obtained and the most efficient mode-locked laser in such a classic fibercoupled diode-pumping configuratio

High peak-power stretcher-free femtosecond fiber amplifier using passive spatio-temporal coherent combining

International audienceWe report on the passive coherent combining of up to 8 temporally and spatially separated ultrashort pulses amplified in a stretcher-free ytterbium-doped fiber system. An initial femtosecond pulse is split into 4 temporal replicas using divided-pulse amplification, and subsequently divided in two counter-propagating beams in a Sagnac interferometer containing a fiber amplifier. The spatio-temporal distribution of the peak-power inside the amplifier allows the generation of record 3.1 µJ and 50 fs pulses at 1 MHz of repetition rate with 52 MW of peak-power from a stretcher-free fiber amplifier and without additional nonlinear post-compression stages

Temporal cleaning of a high energy fiber-based ultrafast laser using cross-polarized wave generation

International audienceWe report the use of cross-polarized wave generation to perform both pulse shortening and temporal cleaning of a high-energy ytterbium-doped fiber-based femtosecond laser system. The nonlinear processes allow both a highly efficient nonlinear conversion of 20% and a large compression ratio of 3.5, with inherently improved coherent and incoherent contrasts. This results in the generation of 37 μJ, 115 fs pulses at a repetition rate of 100 kHz with high temporal quality

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

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 d’impulsions ultra-courtes en régime non-linéaire dans les fibres dopées aux ions Ytterbium

L’élaboration de sources laser compactes à impulsions ultracourtes et de fortes puissancesmoyennes est primordiale pour le développement d’applications industrielles variéeset pour la poursuite de travaux de recherches fondamentales sur l’interaction laser matière.Aussi, des efforts considérables sont mis en oeuvre pour développer de nouvelles architecturesde sources laser à impulsions ultracourtes et à très hautes cadences basées sur lesamplificateurs à fibres optiques dopées aux ions Ytterbium. La géométrie de ce type de milieuamplificateur lui confère des facultés de dissipation de l’énergie thermique propices àla délivrance de très fortes puissances moyennes. En revanche, le fort confinement des impulsionslumineuses dans le coeur de la fibre, combiné aux grandes longueurs d’interaction,favorise l’accumulation de phénomènes non-linéaires et dispersifs. Ces deux effets sont enprincipe préjudiciables et induisent de fortes distorsions sur les impulsions amplifiées. Celalimite les performances de ce type d’amplificateur. Le développement de stratégies novatricesde gestion des non-linéarités et des effets dispersifs est au coeur des travaux menésdurant cette thèse.L’accumulation d’auto-modulation de phase lors de l’amplification d’impulsions à spectreslarges initialement étirées à l’aide d’une dérive de fréquence négative est d’abord utiliséepour générer des impulsions picoseconde de puissances crêtes records à très hautes cadencesavec une largeur spectrale proche de la limite de Fourier. Par la suite, l’étude des limitationsde la stratégie d’amplification directe d’impulsions femtoseconde en régime parabolique, apermis de repousser significativement les performances de ces architectures. En prenant encompte les effets coopératifs de l’auto-modulation de phase, de la dispersion, de l’extensionfinie de la bande de gain du milieu amplificateur, nous avons pu générer des impulsionssub-100 fs avec des puissances crêtes records à des cadences très élevées. Enfin, nous avonsdéveloppé au cours de ces travaux une stratégie originale d’amplification à dérive de fréquenceen régime non-linéaire fondée sur l’utilisation de systèmes désaccordés de gestionde la dispersion. Cela nous a permis de compenser la phase non-linéaire induite durantl’amplification. Des impulsions de très fortes énergies et dotées d’une très bonne qualité177178 CHAPITRE 6. CONCLUSIONtemporelle ont été générées permettant ainsi d’établir de nouveaux records d’énergie et depuissance crête pour ce type d’architecture.Les résultats expérimentaux ont abouti à la rédaction de onze articles et ont conduitau dépôt de deux brevets. Par ailleurs, ces résultats ont été présentés dans trente-quatreconférences (dont six conférences invitées). Enfin, ils ont permis à la société AmplitudeSystemes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits :TANGERINE et SATSUMAThe elaboration of high power compact laser sources of ultrashort pulses is paramountfor the development of various industrial applications and for carrying on fundamental researcheson laser-matter interaction. Therefore, considerable efforts are implemented todevelop new architectures of ultrafast laser sources at very high repetition rate based onYtterbium-doped fiber laser amplifiers. The geometry of this gain medium allows for aneasy dissipation of the thermal load, propitious to the extraction of very high average power.On the other hand, the tight confinement of the ultrashort pulses in the core of thefiber, combined with the long interaction length, favours the accumulation of non-linearand dispersive phenomena. In principal, these two effects are prejudicial and induce largedistortions on the amplified pulses, limiting the performances of this kind of amplifiers.The development of new strategies of non-linearity and dispersive effects management aretherefore central in this thesis.First, the accumulation of self-phase modulation during the amplification of ultrashortpulses with large spectra, which are initially stretched in time owing to negative chirp, isused to generate record peak power picosecond pulses at very high repetition rate with anamplified spectral bandwidth close to the Fourier limit. Afterwards, the study of the limitationsof the direct amplification of femtosecond pulses in the parabolic regime allows tosignificantly pushing the limitations of this kind of architecture forward. By taking into accountthe interplay between self-phase modulation, dispersion and the finite gain bandwidthof the amplification medium, we generated sub-100 fs pulses with record peak power at veryhigh repetition rate. Finally, we developed an original chirped pulse amplification strategybased on the management of non-linearities thanks to the implementation of mismatcheddispersion units. It allows for the compensation of a large quantity of non-linear phase shiftsgenerated during the amplification. We, thus, demonstrated the generation of high energy,high temporal quality ultrashort pulses while setting new records of peak power.The experimental results led to the writing and the publication of eleven articles andthe filling of two patents. Moreover, these results were presented in thirty four conferences179180 CHAPITRE 6. CONCLUSION(including six invited conferences). As a result Amplitude Systemes has launched into themarket two new lines of products : TANGERINE and SATSUMA

Amplification d’impulsions ultra-courtes en régime non-linéaire dans les fibres dopées aux ions Ytterbium

L’élaboration de sources laser compactes à impulsions ultracourtes et de fortes puissancesmoyennes est primordiale pour le développement d’applications industrielles variéeset pour la poursuite de travaux de recherches fondamentales sur l’interaction laser matière.Aussi, des efforts considérables sont mis en oeuvre pour développer de nouvelles architecturesde sources laser à impulsions ultracourtes et à très hautes cadences basées sur lesamplificateurs à fibres optiques dopées aux ions Ytterbium. La géométrie de ce type de milieuamplificateur lui confère des facultés de dissipation de l’énergie thermique propices àla délivrance de très fortes puissances moyennes. En revanche, le fort confinement des impulsionslumineuses dans le coeur de la fibre, combiné aux grandes longueurs d’interaction,favorise l’accumulation de phénomènes non-linéaires et dispersifs. Ces deux effets sont enprincipe préjudiciables et induisent de fortes distorsions sur les impulsions amplifiées. Celalimite les performances de ce type d’amplificateur. Le développement de stratégies novatricesde gestion des non-linéarités et des effets dispersifs est au coeur des travaux menésdurant cette thèse.L’accumulation d’auto-modulation de phase lors de l’amplification d’impulsions à spectreslarges initialement étirées à l’aide d’une dérive de fréquence négative est d’abord utiliséepour générer des impulsions picoseconde de puissances crêtes records à très hautes cadencesavec une largeur spectrale proche de la limite de Fourier. Par la suite, l’étude des limitationsde la stratégie d’amplification directe d’impulsions femtoseconde en régime parabolique, apermis de repousser significativement les performances de ces architectures. En prenant encompte les effets coopératifs de l’auto-modulation de phase, de la dispersion, de l’extensionfinie de la bande de gain du milieu amplificateur, nous avons pu générer des impulsionssub-100 fs avec des puissances crêtes records à des cadences très élevées. Enfin, nous avonsdéveloppé au cours de ces travaux une stratégie originale d’amplification à dérive de fréquenceen régime non-linéaire fondée sur l’utilisation de systèmes désaccordés de gestionde la dispersion. Cela nous a permis de compenser la phase non-linéaire induite durantl’amplification. Des impulsions de très fortes énergies et dotées d’une très bonne qualité177178 CHAPITRE 6. CONCLUSIONtemporelle ont été générées permettant ainsi d’établir de nouveaux records d’énergie et depuissance crête pour ce type d’architecture.Les résultats expérimentaux ont abouti à la rédaction de onze articles et ont conduitau dépôt de deux brevets. Par ailleurs, ces résultats ont été présentés dans trente-quatreconférences (dont six conférences invitées). Enfin, ils ont permis à la société AmplitudeSystemes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits :TANGERINE et SATSUMAThe elaboration of high power compact laser sources of ultrashort pulses is paramountfor the development of various industrial applications and for carrying on fundamental researcheson laser-matter interaction. Therefore, considerable efforts are implemented todevelop new architectures of ultrafast laser sources at very high repetition rate based onYtterbium-doped fiber laser amplifiers. The geometry of this gain medium allows for aneasy dissipation of the thermal load, propitious to the extraction of very high average power.On the other hand, the tight confinement of the ultrashort pulses in the core of thefiber, combined with the long interaction length, favours the accumulation of non-linearand dispersive phenomena. In principal, these two effects are prejudicial and induce largedistortions on the amplified pulses, limiting the performances of this kind of amplifiers.The development of new strategies of non-linearity and dispersive effects management aretherefore central in this thesis.First, the accumulation of self-phase modulation during the amplification of ultrashortpulses with large spectra, which are initially stretched in time owing to negative chirp, isused to generate record peak power picosecond pulses at very high repetition rate with anamplified spectral bandwidth close to the Fourier limit. Afterwards, the study of the limitationsof the direct amplification of femtosecond pulses in the parabolic regime allows tosignificantly pushing the limitations of this kind of architecture forward. By taking into accountthe interplay between self-phase modulation, dispersion and the finite gain bandwidthof the amplification medium, we generated sub-100 fs pulses with record peak power at veryhigh repetition rate. Finally, we developed an original chirped pulse amplification strategybased on the management of non-linearities thanks to the implementation of mismatcheddispersion units. It allows for the compensation of a large quantity of non-linear phase shiftsgenerated during the amplification. We, thus, demonstrated the generation of high energy,high temporal quality ultrashort pulses while setting new records of peak power.The experimental results led to the writing and the publication of eleven articles andthe filling of two patents. Moreover, these results were presented in thirty four conferences179180 CHAPITRE 6. CONCLUSION(including six invited conferences). As a result Amplitude Systemes has launched into themarket two new lines of products : TANGERINE and SATSUMA

Amplification d’impulsions ultra-courtes en régime non-linéaire dans les fibres dopées aux ions Ytterbium

L’élaboration de sources laser compactes à impulsions ultracourtes et de fortes puissancesmoyennes est primordiale pour le développement d’applications industrielles variéeset pour la poursuite de travaux de recherches fondamentales sur l’interaction laser matière.Aussi, des efforts considérables sont mis en oeuvre pour développer de nouvelles architecturesde sources laser à impulsions ultracourtes et à très hautes cadences basées sur lesamplificateurs à fibres optiques dopées aux ions Ytterbium. La géométrie de ce type de milieuamplificateur lui confère des facultés de dissipation de l’énergie thermique propices àla délivrance de très fortes puissances moyennes. En revanche, le fort confinement des impulsionslumineuses dans le coeur de la fibre, combiné aux grandes longueurs d’interaction,favorise l’accumulation de phénomènes non-linéaires et dispersifs. Ces deux effets sont enprincipe préjudiciables et induisent de fortes distorsions sur les impulsions amplifiées. Celalimite les performances de ce type d’amplificateur. Le développement de stratégies novatricesde gestion des non-linéarités et des effets dispersifs est au coeur des travaux menésdurant cette thèse.L’accumulation d’auto-modulation de phase lors de l’amplification d’impulsions à spectreslarges initialement étirées à l’aide d’une dérive de fréquence négative est d’abord utiliséepour générer des impulsions picoseconde de puissances crêtes records à très hautes cadencesavec une largeur spectrale proche de la limite de Fourier. Par la suite, l’étude des limitationsde la stratégie d’amplification directe d’impulsions femtoseconde en régime parabolique, apermis de repousser significativement les performances de ces architectures. En prenant encompte les effets coopératifs de l’auto-modulation de phase, de la dispersion, de l’extensionfinie de la bande de gain du milieu amplificateur, nous avons pu générer des impulsionssub-100 fs avec des puissances crêtes records à des cadences très élevées. Enfin, nous avonsdéveloppé au cours de ces travaux une stratégie originale d’amplification à dérive de fréquenceen régime non-linéaire fondée sur l’utilisation de systèmes désaccordés de gestionde la dispersion. Cela nous a permis de compenser la phase non-linéaire induite durantl’amplification. Des impulsions de très fortes énergies et dotées d’une très bonne qualité177178 CHAPITRE 6. CONCLUSIONtemporelle ont été générées permettant ainsi d’établir de nouveaux records d’énergie et depuissance crête pour ce type d’architecture.Les résultats expérimentaux ont abouti à la rédaction de onze articles et ont conduitau dépôt de deux brevets. Par ailleurs, ces résultats ont été présentés dans trente-quatreconférences (dont six conférences invitées). Enfin, ils ont permis à la société AmplitudeSystemes de procéder à la mise sur le marché de deux nouvelles gammes de produits :TANGERINE et SATSUMAThe elaboration of high power compact laser sources of ultrashort pulses is paramountfor the development of various industrial applications and for carrying on fundamental researcheson laser-matter interaction. Therefore, considerable efforts are implemented todevelop new architectures of ultrafast laser sources at very high repetition rate based onYtterbium-doped fiber laser amplifiers. The geometry of this gain medium allows for aneasy dissipation of the thermal load, propitious to the extraction of very high average power.On the other hand, the tight confinement of the ultrashort pulses in the core of thefiber, combined with the long interaction length, favours the accumulation of non-linearand dispersive phenomena. In principal, these two effects are prejudicial and induce largedistortions on the amplified pulses, limiting the performances of this kind of amplifiers.The development of new strategies of non-linearity and dispersive effects management aretherefore central in this thesis.First, the accumulation of self-phase modulation during the amplification of ultrashortpulses with large spectra, which are initially stretched in time owing to negative chirp, isused to generate record peak power picosecond pulses at very high repetition rate with anamplified spectral bandwidth close to the Fourier limit. Afterwards, the study of the limitationsof the direct amplification of femtosecond pulses in the parabolic regime allows tosignificantly pushing the limitations of this kind of architecture forward. By taking into accountthe interplay between self-phase modulation, dispersion and the finite gain bandwidthof the amplification medium, we generated sub-100 fs pulses with record peak power at veryhigh repetition rate. Finally, we developed an original chirped pulse amplification strategybased on the management of non-linearities thanks to the implementation of mismatcheddispersion units. It allows for the compensation of a large quantity of non-linear phase shiftsgenerated during the amplification. We, thus, demonstrated the generation of high energy,high temporal quality ultrashort pulses while setting new records of peak power.The experimental results led to the writing and the publication of eleven articles andthe filling of two patents. Moreover, these results were presented in thirty four conferences179180 CHAPITRE 6. CONCLUSION(including six invited conferences). As a result Amplitude Systemes has launched into themarket two new lines of products : TANGERINE and SATSUMA

Compact and versatile OPG-OPA based on a periodically poled nonlinear crystal pumped by femtosecond Ytterbium fiber laser

A 10 mm long PPLN crystal pumped by 125 nJ, 250 fs pulses centered at 1035 nm yielded by Yb3+ femtosecond fiber oscillator generates femtosecond signal and idler pulses tunable in the 1.35 µm-1.65 µm and 2.6 µm-4.2 µm spectral ranges. A numerical model accounting for both second-and third-order nonlinear processes well agree with the recorded signal conversion efficiency (up to 42%), the spectral and temporal profile of the generated pulses. Pulse to pulse stability is drastically improved injecting this compact and versatile device with a continuum generated in a photonic fiber. Further improvements are discussed

600 microJoule, high average power ultrafast fiber laser for micromachining applications (orale)

International audienc