TETE LASER FEMTOSECOND COHERENT VPUF

VPUF chez Coherent signifie Verdi-Pumped Ultra-Fast : c’est la tête ultrarapide Ti:saphir pompée par un laser Verdi (vert 532 nm) utilisée dans les systèmes Vitesse (et dérivés). Je te résume les principales caractéristiques techniques et comportementales qu’on trouve dans les documents officiels / fiches techniques et manuels Coherent :

Caractéristiques clés (récapitulé)

  • Type : Oscillateur Ti:saphir ultrafast (VPUF = Verdi-Pumped Ultra-Fast). Scribd

  • Longueur d’onde nominale : ≈ 800 nm (modèle Vitesse 800).

  • Durée d’impulsion : < 100 fs (typiquement ~70–100 fs selon l’alignement et la configuration).

  • Fréquence de répétition : ≈ 80 MHz (oscillateur mode-locké).

  • Puissance moyenne : typ. ~0,75 W à 1 W (ex. Vitesse 800-5 ≈ 750 mW ; variantes jusqu’à ≈1 W selon version/pompage).

  • Largeur spectrale : >10 nm (selon configuration). laserlabsource.com

  • Qualité de faisceau : M² < ~1.2, divergence ~1.1 mrad, diamètre de faisceau à la sortie ≈ 1.25–1.75 mm selon version.

  • Polarisation : forte (>100:1), orientation horizontale (selon modèle).

  • Stabilité & bruit : stabilité de puissance ±~1%, bruit RMS <~0.1% (plage indiquée dans les specs).

  • Méthode de modelocking : Kerr-Lens Mode-Locking (KLM) avec démarrage automatique. Scribd

  • Pompe intégrée : Verdi (DPSS) 532 nm) intégré (ou associé) pour pompage ; PowerTrack pour optimisation automatique du pompage.

Tête laser femtosecond VPUF  de COHERENT, pompé au moyen d’un laser DPSS doublé en frequence à mode longitudinal unique de 10W de sortie.

« The VPUF laser head uses Ti:sapphire as the gain medium. The proprietary Negative Dispersion Mirrors (NDM) provide the total negative dispersion compensation … Modelocking is obtained using the Kerr-Lens Mode-Locking (KLM) technique with an automatic starter. »   • Puissance moyenne > 200 mW (modèle de base) ou > 650 mW (modèle 5 W) Scribd
  • Longueur d’onde 800 ± 1 nm
  • Durée d’impulsion < 100 fs (basée sur déconv. sech²)
  • Stabilité de puissance ±1 %
  • Bruit < 0,1 % RMS
  • Diamètre du faisceau typique 1,25 mm (x) ±0,25 mm
  • Divergence < 1,2 mrad (angle total)
  • M² < 1,1

Infos opérationnelles / mécaniques utiles

  • La tête VPUF utilise des mirroirs à dispersion négative (NDM) pour compenser la dispersion et obtenir des impulsions <100 fs.

  • Température de service / refroidissement : la tête et le cristal Ti:saphir sont refroidis — le manuel recommande une consigne chiller (ex. 20 °C) pour une performance optimale.

  • Interfaces : contrôle via panneau / RS-232 / options pour intégration OEM (dépend de la variante).

  • https://chatgpt.com/c/68e261b8-0d18-8325-b47e-b6166a6bb45e

Ce laser femto se compose d’un barreau titane saphir de 7mmde diamètre et 8mm de long avec les extrémités taillées à l’incidence de Brewster. Le pompage ce fait au moyen d’un laser DPSS doublé en fréquence 532nm qui est focalisé dans le barreau Ti:Sa . Le résonnateur se compose de 2 miroirs concaves totalement réflecteur, d’un miroir de sortie fixe ayant un coeficient de transmission de 4% et d’un miroir totalement réflecteur R=99.95%. Ce miroir est monté sur un actuateur électromagnétique permettant de passer du régine continu au régime impulsionelle en fesant bouger le miroir par une impulsion de courant dans la bobine (starter). La synchronisation des modes longitudinaux ( environ 5000) est réalisé dans le cristal Ti:Sa par effet KERR. Le cristal est maintenu à 22°C au moyen d’une cellule de PELTIER  (TEC).

Se trouve de par et d’autre du cristal Ti:Sa  4 miroirs NDM qui crée une dispersion négative permettant de maintenir la vitesse de groupe pour que le pulse laser ne s’élargisse pas durant les passages dans le cristal Ti:Sa.

2. Alignement CW (régime continu)

L’objectif : obtenir un fonctionnement CW stable avant toute tentative de mode-locking.

  1. Chemin optique

    • Ajuste le trajet de la pompe vers le cristal : centrage du spot.

    • Maximiser la fluorescence → vérifier que la pompe traverse bien le cristal.

    • Ajuste le faisceau laser (entre les miroirs de cavité) pour qu’il soit centré dans le cristal.

  2. Mise en place de la cavité

    • Fermer la cavité avec les deux miroirs de courbure (R = 100 mm à 200 mm typique).

    • Ajuste la distance miroir–cristal pour obtenir un spot stable sur le cristal.

    • Vérifie le spot sur l’extrémité de sortie (miroir output coupler).

    • Installe un détecteur de puissance derrière un miroir partiellement transparent (OC).

  3. Lancer l’émission laser

    • Augmente progressivement la puissance de pompe.

    • Observe l’émission CW (visible parfois rougeâtre à cause de fluorescence).

    • Optimise l’alignement jusqu’à obtenir la puissance CW maximale et un faisceau propre (gaussien).

3. Préparation pour KLM (Kerr-Lens Mode-Locking)

Objectif : créer une discrimination de pertes entre CW et impulsion courte.

a) Géométrie de cavité

  • Place la cavité près de la limite de stabilité (en général, légèrement à l’intérieur de la zone stable).

  • Distance miroir–miroir ajustée pour que le faisceau soit très sensible à la puissance intracavité (effet Kerr).

  • Si c’est un design en « X » ou « Z », ajuste la jambe courte pour un spot minimal dans le cristal.

b) Aperture

  • Soft aperture : faisceau de pompe légèrement plus petit que le mode laser (favorise les pulses).

  • Hard aperture : petit iris proche du miroir de sortie, pour couper les modes larges (CW).
    → Ajuste progressivement l’ouverture jusqu’à ce que le CW soit stable mais proche du seuil.

c) Dispersion

  • Prismes ou miroirs chirpés : ajustés pour GDD négative totale ≈ −100 fs² à −300 fs² (selon durée visée).

  • Vérifie que le faisceau passe correctement à travers les prismes sans perte excessive.

4. Démarrage du mode-locking

L’objectif : faire apparaître le régime pulsé.

  1. Augmenter lentement la pompe au-dessus du seuil.

  2. Si self-starting :

    • Attendre quelques secondes/minutes pour que le bruit déclenche.

  3. Sinon, petites perturbations mécaniques :

    • Tapote légèrement un miroir de courbure (pas le cristal !).

    • Balaye la distance cavité (miroir de translation fine) de ±100 µm autour du point stable.

    • Ajuste l’iris (si hard aperture).

  4. Surveille le signal de sortie :

    • Augmentation nette de la puissance optique.

    • Élargissement spectral sur spectromètre.

    • Train d’impulsions stable sur photodiode rapide (oscilloscope).

5. Optimisation du mode verrouillé

  1. Spectre : mesurer sur spectromètre → bande large → cohérent avec durée fs.

  2. Durée : autocorrélateur → typiquement 100 fs à 300 fs selon design.

  3. Puissance moyenne : augmenter doucement la pompe pour améliorer stabilité.

  4. Stabilité long terme :

    • Contrôler température du cristal et mécanique de la cavité.

    • Éviter vibrations et flux d’air.

6. Astuces pratiques spécifiques à Yb;Nd

Paramètre Yb:KYW / Yb:KGW Yb:YAG Nd:glass / Nd:YVO₄
Long. onde laser ~1030–1040 nm 1030 nm 1064–1340 nm
Dispersion à compenser Moyenne (GDD −100 à −300 fs²) Importante (épais cristal) Faible-moyenne
Pompe typique 980 nm diode (CW) 940 nm ou 969 nm 808 nm
Facilité de KLM Moyenne à bonne (fort χ³) Difficile (χ³ faible) Moyenne
Démarrage auto Possible avec soft aperture bien réglée Souvent non, SESAM utile Rare, souvent besoin d’assistance

7. Diagnostic en cas d’échec

Symptôme Cause probable Action
Pas de laser CW Mauvais alignement / gain insuffisant Réaligner cavité, augmenter pompe
CW mais pas de KLM Mauvaise position cavité (trop stable) Déplacer légèrement un miroir vers bord de stabilité
ML instable / Q-switching Gain trop élevé, GDD incorrecte Réduire pompe, ajuster dispersion
Pulses disparaissent Cavité déréglée, vibrations Stabiliser mécaniquement, vérifier température

tête laser VPUF avec un Ti;saphir la source pompe un laser DPSS doubé en fréquence TEM00 et monomode longitudinal 5W de sortie CW. Déchlenchement par un mirior monté sur une bobine type « voice coil « 

checklist d’alignement entièrement adaptée à ta tête VPUF avec Ti:saphir, pompage par un DPSS doublé (532 nm) TEM₀₀ monomode 5 W CW, et déclenchement mécanique via miroir monté sur bobine voice-coil. Je fournis des valeurs de départ numériques, procédures pas-à-pas, réglages du voice-coil pour « tap » électronique et diagnostics à vérifier.

Résumé des paramètres de départ (valeurs typiques)

  • Longueur d’onde Ti:saphir : ~800 nm (selon dopage).

  • Pompe : 532 nm, TEM₀₀, 5 W CW.

  • Cristal Ti:saphir (ex. 3–5 mm épaisseur) monté sur refroidissement.

  • Miroirs de courbure (ROC) : 100–200 mm pour miroirs focaux (legs courts), miroirs plans/plat pour autres.

  • Output coupler (OC) : T ≈ 1–3 % (commencer 1.5–2 % pour KLM avec forte pompe).

  • Waist pump inside crystal (pump spot) : 25–45 μm (1/e²).

  • Waist laser mode inside cristal (laser mode) : 15–35 μm (viser pump spot ≲ laser waist pour soft aperture).

  • Dispersion initiale cible (GDD total par tour) : ≈ −100 fs² à −250 fs² (ajuster selon la bande spectrale mesurée).

  • Réglage voice-coil pour déclenchement : déplacement typique 0.5–5 μm (voir détails plus bas).

Outils et diagnostics à préparer

  • Lunettes laser adaptées (532 nm + 800 nm IR), écrans.

  • Détecteur de puissance (calibré), powermeter.

  • Spectromètre IR (≥ 800 nm) ou moniteur spectre.

  • Photodiode rapide (> 500 MHz) + oscilloscope (pour train d’impulsion).

  • Autocorrélateur (intensité) pour mesurer durée d’impulsion.

  • Caméra/visualiseur IR / papier photoluminescent pour centrer le faisceau.

  • Profilomètre / caméra pour vérifier la forme du faisceau (optionnel).

  • Clés micrométriques, supports stables, isolateur vibratoire.

Check-list d’alignement – ordre des opérations

1) Sécurité et préparation

  1. Arrête la pompe. Vérifie lunettes et protections.

  2. Nettoie optiques visibles et vérifie couples de fixation (pas de jeu mécanique).

  3. Assure-toi du refroidissement du cristal et de la stabilité thermique.

2) Alignement du pompage sur le cristal

  1. Mets la pompe à très faible puissance. Centre le faisceau 532 nm sur le cristal (utilise fluorescence ou écran).

  2. Ajuste les optiques de focalisation du pump pour obtenir un spot ≈ 25–45 μm (mesure avec caméra ou imageur).

  3. Vérifie que l’axe du pump coïncide avec l’axe de la cavité (au moins < 50 μm de décalage).

3) Mise en route CW et alignement cavité

  1. Place un output coupler de départ T ≈ 3 % pour tester CW (plus élevé facilite démarrage CW).

  2. Aligne miroirs de cavité pour obtenir oscillation CW à basse puissance de pompe ; maximise la puissance de sortie en ajustant translations/tilts.

  3. Vérifie la qualité du faisceau (gaussien) et la stabilité en puissance. Note la puissance CW à 5 W de pompe.

4) Mise en condition pour KLM (préparer la discrimination de mode)

  1. Change OC pour T ≈ 1.5–2 % (si tu cherches pulses courts et intracavity élevé).

  2. Ajuste la cavité près du bord de stabilité :

    • déplace légèrement (quelques 10–200 μm) un miroir de courbure pour augmenter la sensibilité du waist intracavité à la puissance.

    • Objectif : la taille du mode devienne fortement dépendante de la puissance intracavité (grossièrement, être légèrement inside la zone stable).

  3. Positionne un iris (hard aperture) ou joue sur le recouvrement pump/mode (soft aperture) : commencer par soft aperture (pump waist < laser mode). Si besoin ajoute un iris vers le miroir de sortie, réglable.

5) Compensation de dispersion (pré-réglage)

  1. Si tu as couple de prismes : position initiale prismes pour obtenir GDD ≈ −150 fs² /tour (valeur de départ).

  2. Si miroirs chirpés : mettre nombre de miroirs chirpés qui produisent GDD équivalent.

  3. Laisser marge pour ajuster après apparition du mode-lock (l’optimisation se fait souvent en se basant sur le spectre et l’autocorrélation).

6) Tentative de démarrage KLM (procédure)

  1. Augmente pompe lentement au-dessus du seuil KLM (surveiller spectre/power).

  2. Si self-start : attends, le bruit peut déclencher; surveille la photodiode rapide/spectre.

  3. Sinon : utilise le déclenchement voice-coil selon le protocole ci-dessous.

Réglage et stratégie pour la bobine voice-coil (déclenchement)

Ton voice-coil peut appliquer une petite perturbation contrôlée au miroir — c’est excellent car c’est répétable et évitable de taper mécaniquement.

Principe

  • Une petite variation de longueur de cavité / angle du miroir va provoquer une fluctuation de phase/amplitude qui peut permettre à le gain non-linéaire (Kerr) d’amplifier une fluctuation et lancer le ML.

Réglages recommandés (valeurs de départ)

  • Déplacement cible du miroir (ordre de grandeur) : 0.5–5 µm linéaire (pour changer la longueur optique d’une fraction de λ).

    • Pour λ ≈ 800 nm, un déplacement de ≈ 400 nm correspond à ΔL ≈ λ/2 ; mais un tilt produit aussi un fort effet d’alignement → donc commencer bas (0.5 µm) et augmenter.

  • Durée de l’impulsion de commande : 1–50 ms. Commence par 5–20 ms.

  • Forme du signal : un half-sine ou gaussian burst est souvent plus doux qu’un step, donc préférable. Exemple : demi-sinus de 10 ms.

  • Fréquence de burst (si tu envoies oscillations) : 50–300 Hz, 5–20 cycles. Mais souvent un single short pulse (1–10 ms) suffit.

  • Amplitude : commence à 10–20 % de la course max du coil ; augmente progressivement.

  • Répetition : envoi ponctuel, attendre 0.5–2 s d’observation entre essais.

Procédure pratique

  1. Place le miroir au repos, pompe à puissance KLM-threshold.

  2. Envoie 1 pulse voice-coil (half-sine 10 ms, faible amplitude).

  3. Observe spectre / photodiode : recherche apparition d’un spectre élargi et d’un train d’impulsions.

  4. Si rien, augmente amplitude par palier (×1.5) et/ou durée (jusqu’à 50 ms).

  5. Si apparition de ML mais instable, réduis amplitude/durée (tu veux perturber sans casser l’alignement).

  6. Si coil cause déréglage permanent (tilt trop grand), réduis amplitude ou utilise waveform plus douce.

Remarque : éviter d’utiliser la bobine au maximum de course : risque de décoller le miroir ou de modifier l’alignement permanent. Toujours revenir à position « repos » après chaque essai.

Optimisation fine après démarrage

  1. Ajuster l’iris (hard aperture) : fermer légèrement pour favoriser le pulse si CW revient.

  2. Optimiser dispersion : mesurer spectre; si trop étroit → moins de compensation négative (réduire prisme separation ou ajouter dispersion positive), si trop large mais impulsions chirpées → ajuster GDD pour raccourcir autocorrélation.

  3. Recale mirror positions : légère translation des miroirs de courbure (quelques dizaines µm) souvent améliore stabilité ML.

  4. Mesures : prendre spectre, autocorrélation, puissance moyenne, vérifier stabilité à 1 min, 10 min.

  5. Si Q-switching : réduire pompe ou augmenter pertes (OC plus grand T) pour repousser régime Q-switch.

Paramètres typiques à viser après optimisation

  • Puissance moyenne sortie mode-lock : variable (dépend OC), ex. 200–800 mW.

  • Durée d’impulsion (typique Ti:saphir KLM) : 10–100 fs (dépend compensation GDD).

  • Répétition : ~80–100 MHz (selon longueur cavité) → longueur cavité ≈ 1.5–1.8 m pour 100–83 MHz. Ajuster si besoin.

Problèmes fréquents & solutions rapides

  • Pas de ML mais CW stable → cavité trop loin du bord de stabilité : rapprocher miroir (quelques dizaines µm).

  • ML apparaît puis disparaît → instabilité thermique ou vibration : attendre stabilisation thermique, isoler table.

  • ML mais spectre étroit (pulse long) → manque de compensation négative → ajouter GDD négatif (prismes / chirped mirrors).

  • Voice-coil déclenche mais détruit alignement → amplitude trop élevée : réduire. Utiliser waveform douce.