Très bon sujet — merci pour la mise en contexte (CERN, UA1, MOPA sur céramique). Je réponds en pratique : pourquoi il faut synchroniser, quelles méthodes on utilise, et un plan concret pour obtenir une synchronisation « utile » quand la durée de vie de l’état excité est ~700 ps.

Principe à respecter

Pour un MOPA N₂ en atmosphère où la durée de vie excité τ ≈ 700 ps, l’impulsion de l’oscillateur (seed) doit traverser l’amplificateur pendant la fenêtre d’inversion de l’amplificateur — autrement dit l’amplificateur doit être excité (déchargé) au bon moment et avec un retard relatif inférieur à τ (idéalement bien inférieur). Les travaux et descriptions de MOPA N₂ insistent sur ce point : « l’impulsion du MO doit atteindre le PA au moment du maximum d’inversion » (donc synchronisation pompe ↔ arrivée optique).

Stratégies employées (principales, éprouvées)

1. Source HV commune + sorties synchronisées (Blumlein partagé)

   • Utiliser un générateur d’impulsions (Blumlein ou lignes coaxiales) commun dont la sortie est divisée vers les deux cavités. En variant la longueur des lignes / la position du switch / l’impédance on fixe l’instant de décharge relatif entre MO et PA. Ce type d’architecture est classique pour N₂ TEA / Blumlein.

   • Avantage : jitter commun réduit (le bruit temporel du driver est commun aux deux cavités).

2. Délais réglés par lignes de retard (coaxiales ou optiques)

   • Faire partir la même impulsion de commande vers les deux cavités mais insérer une ligne de retard calibrée (coaxiale) pour décaler l’excitation du PA de la valeur souhaitée.

   • Alternative : déclenchement optique (fibre) vers un déclencheur local (photodiode → driver haute tension) pour des retards plus précis.

   • Remarque pratique : les lignes coax ont un facteur de vitesse typique ≈ 0.6–0.7 ; 1 ns ≈ 0.20 m (≈19.8 cm si v≈0.66c). Pour 100 ps il faut ≈20 mm de différence de câble. (Formule : distance = c·vf·Δt ; c=3·10⁸ m/s).

   Calculs (chiffres à conserver) :

   • v≈0.66c ⇒ distance par ns = 3·10⁸·1e−9·0.66 = 0.198 m → 19.8 cm/ns.

   • donc 100 ps ≈ 19.8 mm ; 200 ps ≈ 39.6 mm.
     (Adapté si on connaît le facteur de vitesse exact du câble utilisé.)

3. Trigger optique / détection directe de l’oscillateur (injection + trigger)

   • Prendre un échantillon optique de la sortie de l’oscillateur, le détecter sur une photodiode ultrarapide, puis utiliser un circuit de délai électronique ultra-rapide (comparateur + ligne de retard RF ou délai numérique à faible jitter) pour déclencher l’amplificateur. Permet d’ajuster la temporisation en valeur positive (amplificateur après l’oscillateur). Nécessite électronique à faible jitter (<< τ)

4. Pré-ionisation commune / réduction du jitter de décharge

   • Une pré-ionisation (e.g. UV corona, électrodes auxiliaires) dans la cavité réduit la variance temporelle de l’amorçage de la décharge et donc le jitter. Les mesures historiques sur lasers à décharge montrent que la stabilisation active du délai et la pré-ionisation peuvent réduire la dérive/jitter de ns à sous-ns.

5. Switches à faible jitter

   • Utiliser des commutateurs à faible jitter : thyratron spécialisé, spark-gap déclenché optiquement, ou (pour performances plus strictes) photoconductive semiconductor switches (PCSS) ou déclencheurs laser-pilotés. Ils fournissent jitter très réduit comparé à un déclenchement libre.

6. Injection optique (seeding) → réduit la contrainte temporelle

   • Si l’amplificateur est fortement saturable et bien « seedé » par l’oscillateur, l’exigence de timing peut être allégée : l’optical seed déclenche l’amplification quasi-instantanément quand l’amplificateur est partiellement excité. Mais avec τ=700 ps, on reste sur la nécessité d’un délai global <τ pour obtenir gain utile.

Prescription pratique (procédure pas-à-pas que tu peux appliquer)

1. Mesurer la latence/jitter de ton driver commun

   • Mesurer la forme d’onde électrique de sortie et le jitter du switch (thyratron/spark) — c’est la limite fondamentale. Idéal <100 ps pour confort si τ=700 ps. Utiliser oscilloscope 20+ GHz ou corrélation optique pour mesurer jitter réel.

2. Adopter un driver Blumlein commun

   • Alimentation commune + séparation des lignes vers MO et PA. Si tu veux que le MO sorte avant le PA, insérer dans la voie PA une ligne coaxiale de retard calibré (ou raccourcir celle du MO), ou déplacer la position du switch sur la ligne (si cela est possible). Voir modèles Blumlein décrits dans la littérature.

3. Optimiser l’ordre temporel

   • Déterminer expérimentalement le décalage optimal (Δt_opt) : l’optimum sera généralement quelques centaines de ps avant le maximum d’inversion si on veut que l’oscillateur impose la phase/forme. Mesurer la puissance amplifiée en fonction du retard et choisir Δt qui maximise le gain/signal-à-bruit. (Expériences et articles MOPA donnent cette recommandation).

4. Réduire le jitter électrique

   • Introduire pré-ionisation, utiliser commutateurs à faible jitter, maintenir température/gaz constantes, et minimiser longueur de câbles inutiles.

5. Mise au point fine par signal optique

   • Prélever un échantillon du MO sur une photodiode rapide → utiliser un délai RF fin (trombone coaxial micrométrique ou delay-line numérique) -> piloter l’électronique de déclenchement du PA. Vérifier jitter final par cross-correlation optique (technique courante pour quantify jitter dans MOPA).

Exigences numériques (règles pratiques)

• Cible jitter RMS : idéalement < 10–15% de τ pour limiter la perte de gain — donc pour τ=700 ps viser <70–100 ps RMS si possible. Si le jitter monte à plusieurs centaines de ps, l’efficacité d’amplification chute rapidement. (références MOPA et études de timing).

• Conversion délai ↔ longueur de câble : avec facteur de vitesse ~0.66, 1 ns ≈ 19.8 cm ; 100 ps ≈ 19.8 mm. (pratique pour usinage/ajustement de longueurs coax).

Mesure et validation

• Cross-correlation optique entre MO et PA (technique standard) pour mesurer jitter effectif et dérive. Articles et thèses montrent l’usage de la corrélation pour quantifier jitter et optimiser stabilisation.

• En complément : oscilloscope 20–40 GHz + photodiode rapide pour mesurer front d’impulsion, plus enregistrement de la puissance amplifiée en fonction du délai.

Remarques liées à ta construction (céramique, atmosphère)

• La céramique (forte εr) et le design Blumlein influencent la constante de temps électrique et la forme d’onde — donc la latence et la montée de la tension. Quand tu modifies la géométrie (isolation, distance électrode ↔ diélectrique), tu changes aussi la synchronisation électrique absolue — il faut recalibrer les délais après modifications. Les publications sur Blumlein/N₂ discutent ces effets (modèle distribué).