72
Thomas Südmeyer Time/Frequency Laboratory, Physics Institute, University of Neuchatel Grenoble, Dautreppe 2015 Photonique, 7. Dec. 2015 Ultrafast lasers Laboratoire Temps – Fréquence (LTF) 7.12.2015

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Thomas Südmeyer Time/Frequency Laboratory, Physics Institute, University of Neuchatel Grenoble, Dautreppe 2015 Photonique, 7. Dec. 2015

Ultrafast lasers

Laboratoire Temps – Fréquence (LTF) 7.12.2015

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

What is ULTRAFAST?

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser pulses

Access ultrashort time scales

Broad optical spectrum

Concentrate in time and space

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Resolving fast events

Cinema: time between images 124 Hz

= 42 ms

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

The horse in motion

Baronet, 1794

www.wikipedia.org

George Stubbs (1724-1806): English painter, best known for his paintings of horses.

Whistlejacket, 1762

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Fast mechanical shutter photography E. Muybridge in 1878: understand horse gallop using fast photography in the ms-domain

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Fast mechanical shutter photography E. Muybridge in 1878: understand horse gallop using fast photography in the ms-domain

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Fast flash photography Harold E. Edgerton (1903-1990): understand fast processes using flash light (limited by duration of flashes to µs-domain)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Fast flash photography Harold E. Edgerton (1903-1990): understand fast processes using flash light (limited by duration of flashes to µs-domain)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Fast flash photography Harold E. Edgerton (1903-1990): understand fast processes using flash light (limited by duration of flashes to µs-domain)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Fast flash photography Harold E. Edgerton (1903-1990): understand fast processes using flash light (limited by duration of flashes to µs-domain)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Femtochemistry by A. H. Zewail in 1994 A. H. Zewail in 1994: understand transition states in chemical reactions using fs-pulses

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1999/illpres/reaction.html

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Femtochemistry by A. H. Zewail in 1994 A. H. Zewail in 1994: understand transition states in chemical reactions using fs-pulses

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Scales

picosecond 10–12 s

femtosecond 10–15 s

nanosecond 10–9 s

Time

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Scales

The Lunar Laser Ranging Experiment from the Apollo 11 mission

A laser beam from the Apache Point Observatory heads toward the moon

𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐤𝐤𝐤𝐤𝒄𝒄

= 𝟏𝟏.𝟐𝟐𝟐𝟐 𝒔𝒔

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

A 5 fs pulse

Electric field 𝐸𝐸𝑥𝑥(𝑟𝑟0, 𝑡𝑡)

Time t

2.7 fs =wavelength

𝑐𝑐=

800nm𝑐𝑐

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

A 5 fs pulse

speed of light

𝟐𝟐 𝐟𝐟𝐟𝐟 ⋅ 𝒄𝒄 = 𝟏𝟏.𝟐𝟐 µ𝒎𝒎

Distance y

Distance z

Distance x

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser pulses

Observe and use fast dynamics • understand chemical reaction dynamics • fast communication • …

Access ultrashort time scales

interconnects optical clocking

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser pulses

Observe and use fast dynamics • understand chemical reaction dynamics • fast communication • …

Access ultrashort time scales

Broad optical spectrum

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Key advantage of laser light: coherence

Spatial coherence Propagation over long distances & reduced divergence…

… or extremely small spot & high divergence

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Key advantage of laser light: coherence

Long duration and very small spectrum …

… or short pulses and wide spectrum

⇒ Ultrafast lasers and frequency combs!

Spatial coherence Temporal coherence Propagation over long distances & reduced divergence…

… or extremely small spot & high divergence

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Continuous-wave laser

Light circulates in resonator

Losses compensated by gain in laser medium (which is externally pumped)

Gain saturates to a level that it compensates the losses

Light emission typically continuous

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Passively modelocked laser

Short pulse circulates in cavity (fs-ps)

High repetition rate pulse train at the output (MHz-GHz)

Pulse formation process initiated and stabilized by saturable absorber in the laser cavity

Steady-state pulse parameters: governed by interplay of gain, (saturable) loss, dispersion, Kerr nonlinearity, etc.

Saturable loss

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Modelocking and frequency combs

http://www.physik.uni-wuerzburg.de/femto-welt/pulsframe.html

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Saturable absorber modelocking

Animation: http://www.rp-photonics.com/mode_locking.html

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Time, light, and extreme precision

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

From: T. Hänsch, „A passion for precision“, Nobel Lecture, Stockholm 2005

𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐩𝐩𝐟𝐟𝟏𝟏 𝐝𝐝𝐝𝐝𝐝𝐝

Time, light, and extreme precision

≈ 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟏𝟏𝟐𝟐

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

The second is the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the cesium 133 atom.

http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter2/2-1/2-1-1/second.html www.wikipedia.org http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/images/csclock.gif

Time, light, and extreme precision

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Scales

http://www.earth-time.org/trollart.html www.wikipedia.org

Formation of moon 𝟑𝟑𝟐𝟐𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐤𝐤𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 𝐝𝐝𝐲𝐲𝐝𝐝𝐲𝐲𝐟𝐟 ∙ 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟏𝟏𝟐𝟐

= 𝟏𝟏𝟑𝟑𝟐𝟐 𝐟𝐟𝐲𝐲𝐬𝐬𝐦𝐦𝐦𝐦𝐝𝐝𝐟𝐟

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Scales

http://www.earth-time.org/trollart.html www.wikipedia.org

Extinction of dinosaurs 65 𝐤𝐤𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 𝐝𝐝𝐲𝐲𝐝𝐝𝐲𝐲𝐟𝐟 ∙ 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟏𝟏𝟐𝟐 = 𝟐𝟐 𝐟𝐟

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

From: T. Hänsch, „A passion for precision“, Nobel Lecture, Stockholm 2005

𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐩𝐩𝐟𝐟𝟏𝟏 𝐝𝐝𝐝𝐝𝐝𝐝

Time, light, and extreme precision

≈ 𝟏𝟏𝟏𝟏−𝟏𝟏𝟐𝟐

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Time, light, and extreme precision

From: T. Hänsch, „A passion for precision“, Nobel Lecture, Stockholm 2005

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Oscillators

Oscillator: repetitive movement

Counter: measure time in practical units

Pendulum: Quartz resonator: Microwave resonator: Typical optical atomic transition:

~ 1 osc/sec ~ 1’000’000 osc/sec

~ 10’000’000’000 osc/sec ~ 100’000’000’000’000 osc/sec

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Oscillators

Oscillator: repetitive movement

Counter: measure time in practical units

Pendulum: Quartz resonator: Microwave resonator: Typical optical atomic transition:

~ 1 osc/sec ~ 1’000’000 osc/sec

~ 10’000’000’000 osc/sec ~ 100’000’000’000’000 osc/sec

How to count?

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

the basic time unit in the SI system

an optical frequency standard

Previous measurements of absolute optical frequencies

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

the basic time unit in the SI system

an optical frequency standard

a heroic frequency chain

Previous measurements of absolute optical frequencies

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

the basic time unit in the SI system

an optical frequency standard

a heroic frequency chain

Previous measurements of absolute optical frequencies

a single frequency

comb laser

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Frequency combs

optical

microwave

Revolution in metrology: stabilization of frequency combs! Allows to compare microwaves with optical frequencies ⇒ Nobel price 2005: T. W. Hänsch, J. L Hall

Phase-stable link between optical and microwave frequencies

Fs-laser based frequency combs

Unknown frequency

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

H. Telle et al., Appl.Phys. B 69, 327 (1999)

CEOCEOf

tϕ∂

=∂

Carrier Envelope Offset (CEO)

http://www.rp-photonics.com/img/ceo.gif

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

CEO stabilization

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

H. Telle et al., Appl.Phys. B 69, 327 (1999)

Octave spanning supercontinuum required (typically achieved by coherent spectral broadening in highly-nonlinear fiber)

Detection of the CEO-phase change No direct measurement possible Indirect f-to-2f-measurement scheme

CEOCEOf

tϕ∂

=∂

CEO detection in the f-2f scheme

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Artist’s rendering of JILA’s molecular fingerprinting system

http://patapsco.nist.gov/ImageGallery/details.cfm?imageid=842

Baxley/JILA

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Dual comb spectroscopy

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Astrocomb

http://www2.mpq.mpg.de/~haensch/comb/Astrocomb/english.html

T. Steinmetz, T. Wilken, C. Araujo-Hauck, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, L. Pasquini, A. Manescau, S. D’Odorico, M. T. Murphy, T. Kentischer, W. Schmidt, T. Udem, “Laser frequency combs for astronomical observations,” Science 321, 1335–1337 (2008)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Yb-lattice atomic clock

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser pulses

Observe and use fast dynamics • understand chemical reaction dynamics • fast communication • …

Access ultrashort time scales

Broad optical spectrum

Generate ultrastable frequency combs • high precision spectroscopy • optical clocks • …

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser pulses

Observe and use fast dynamics • understand chemical reaction dynamics • fast communication • …

Access ultrashort time scales

Broad optical spectrum

Generate ultrastable frequency combs • high precision spectroscopy • optical clocks • …

Concentrate in time and space

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast lasers: material processing

Picture: Stefan Nolte

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast lasers: material processing

https://www.youtube.com/watch?v=S_8nD4OuwX4

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast lasers: material processing

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast lasers: material processing

https://www.youtube.com/watch?v=AD2Oqg0Pnq0

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast lasers: material processing

https://www.youtube.com/watch?v=5VfCiqRWbeA

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser market

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

pulse energy

repetition rate average power ( = Ep frep) pulse duration

peak power ( ∝EP / τP )

Ep

frep Pave

τp Ppeak

𝜆𝜆 Δ𝜆𝜆

time domain TR = 1 / frep

τp

Key parameters of ultrafast lasers

wavelength optical bandwidth

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Frontier: average power and pulse energy

High energy and MHz

T. Südmeyer, et al., “Femtosecond laser oscillators for high-field science”, Nature Photonics 2, 559 (2008)

Industrial applications • increase throughput, • reduce costs per item, …

Scientific applications

• reduce measurement time, • increase signal-to-noise, • MHz XUV sources, …

Nolte, et al., Adv. Eng. Mater. 2, 2000

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Key for high average power: heat removal ⇒ High surface-to-volume ratio

Fiber Slab Thin disk

High average power ultrafast sources

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Key for ultrafast: reduce nonlinearities, avoid damage

High average power ultrafast sources

http://www.amazon.de/Supercontinuum-Generation-Optical-Fibers-Dudley/ http://lidaris.com/glossary-2/laser-induced-damage-morphology/

⇒ Reduce peak intensity ⇒ Reduce interaction volume

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

A. Giesen, et al., Appl. Phys. B 58, 365 (1994)

- Use in reflection: efficient heat removal through back side

- 1D longitudinal heat flow → reduced thermal lensing

- Power scalable by increase of mode diameter D (constant intensities)

Thin disk laser

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Highest average powers and highest energies of any ultrafast oscillator technology

Ep = 80 μJ

τp = 1.07 ps frep = 3 MHz Pav = 242 W

Ep = 17 µJ Pav = 275 W τp = 583 fs frep = 16.3 MHz

C.J. Saraceno, et al., Optics Express 20, 23535 (2012)

SESAM Modelocked Thin Disk Lasers

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Modelocked thin disk laser

Animation by Martin Hoffmann

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Harnessing intracavity nonlinearities

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Key for ultrafast: reduce nonlinearities • Operation at reduced peak intensity • Reduced interaction volume

Chirped Pulse Amplification (CPA)

Dispersion

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Chirped Pulse Amplification (CPA)

https://en.wikipedia.org/wiki/Chirped_pulse_amplification

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Chirped pulse amplification (CPA) in a fiber: 830 W, 640 fs

T. Eidam, et al., Optics Letters 35, 94-96 (2010)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

osci

llato

rs

amplifiers

Towards powerful MHz ultrafast laser sources

Chirped pulse amplification 830 W, 640 fs, 78 MHz

Innoslab amplifier 1.1 kW, 615 fs, 20 MHz P. Russbueldt, et al., Opt. Lett. 35 (2010) T. Eidam, et al., Opt. Lett. 35 (2010)

Thin disk multipass amplifier 1.4 kW, 7.7 ps, 300 kHz

Thin disk oscillators 275 W, 580 fs, 17 MHz

J. P. Negel, et al., Opt. Lett. 38 (2013)

C.J. Saraceno, et al., Optics Express 20 (2012)

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

High energy CPA systems: National Ignition Facility

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

National Ignition Facility: towards laser-based fusion

https://www.youtube.com/watch?v=yixhyPN0r3g

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

What is ULTRAFAST?

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

National Ignition Facility: towards laser-based fusion

N I F WARP CORE https://www.youtube.com/watch?v=wdD5M3Vtdh0

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Ultrafast laser pulses

Observe and use fast dynamics • understand chemical reaction dynamics • fast communication • …

Access ultrashort time scales

Broad optical spectrum

Generate ultrastable frequency combs • high precision spectroscopy • optical clocks • …

Concentrate in time and space Achieve extremely high intensities • material processing, eye surgery, … • biomedical imaging, …. • high field science, …

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Laboratoire Temps – Fréquence (LTF)

Thank you for your

attention !

Ultrafast laser pulses