Le RegA 9000 est assez particulier parmi les amplificateurs régénératifs Ti:Sapphire. Contrairement aux systèmes CPA classiques à cellule de Pockels, il utilise principalement une combinaison :

• cavité régénérative synchronisée à 76 MHz,
• modulateur acousto-optique (Q-switch),
• cavity dumper / injecteur acousto-optique,
• pompage continu par laser vert Verdi,
• compresseur à réseau intégré.

Schéma optique simplifié du RegA 9000

D’après les documents techniques Coherent, la nomenclature interne comprend :

• IM1 à IM5 : optique d’injection
• FI : isolateur de Faraday
• TS : cristal Ti:Sapphire
• QS : AOM Q-switch
• CD : cavity dumper
• M0 à M8 : miroirs de cavité
• DG : réseau de diffraction du compresseur
• CM1 à CM3 : optique du compresseur.

Le principe est approximativement :

               Mira 76 MHz
                    |
                    V

          +------------------+
          | Faraday Isolator |
          +------------------+
                    |
                 Injection
                 Optics
                    |
                    V
      ==================================
      |                                |
      |     Cavité régénérative        |
      |                                |
      |   M0------TS------M1           |
      |    \              /            |
      |     \            /             |
      |      M2      M3                |
      |        \    /                  |
      |         QS                     |
      |                                |
      ==================================
                    |
                 CD (Bragg Cell)
                    |
                    V
             Amplified Pulse
                    |
             Grating Compressor
                    |
                    V
                Sortie

Le cristal Ti:Sapphire et l’AOM sont placés dans deux foyers distincts de la cavité. La longueur de cavité est voisine de celle du Mira (~1,97 m) afin de conserver la synchronisation à 76 MHz.

Séquence temporelle

1. Stockage d’énergie

Le Verdi pompe continuellement le cristal Ti:Sapphire.

Pendant cette phase :

• le QS est actif,
• des pertes sont introduites dans la cavité,
• aucune oscillation parasite ne démarre.

Le cristal accumule l’inversion de population.

2. Injection

À l’instant choisi :

• le QS est coupé,
• le cavity dumper injecte une impulsion du Mira.

L’impulsion de départ contient typiquement :

• 5 à 10 nJ,
• 50 à 100 fs.

3. Amplification régénérative

L’impulsion effectue environ :

• 20 à 30 allers-retours,
• typiquement 25 tours.

Chaque passage extrait une partie de l’énergie stockée dans le Ti:Sapphire.

4. Éjection

Lorsque l’énergie désirée est atteinte :

• le cavity dumper est déclenché,
• l’impulsion est extraite.

Énergie typique :

• 3 à 6 µJ,
• jusqu’à environ 1 W moyen à 250 kHz.

5. Compression

Le pulse traverse ensuite :

• un compresseur à réseaux,
• réglable par le miroir DG.

Les impulsions finales sont typiquement :

• <75 fs sur certaines versions,
• 120–200 fs selon la bande spectrale utilisée.

Estimation du gain par passage

On peut faire un calcul approximatif.

Supposons :

• énergie injectée : 5 nJ
• énergie extraite : 5 µJ

Gain total :

Gtot=5 μJ5 nJ=1000G_{tot}=\frac{5\ \mu J}{5\ nJ}=1000Gtot​=5 nJ5 μJ​=1000

soit :

Gtot=103G_{tot}=10^3Gtot​=103

Après environ :

$$N=25$$

tours.

Le gain moyen par tour vaut :

Gtour=Gtot1/NG_{tour}=G_{tot}^{1/N}Gtour​=Gtot1/N​

Gtour=10001/25G_{tour}=1000^{1/25}Gtour​=10001/25

ce qui donne :

Gtour≈1.32G_{tour}\approx1.32Gtour​≈1.32

Donc :

• gain moyen ≈ 32 % par tour.

Comme chaque tour traverse le cristal deux fois, le gain par passage est :

Gpassage≈1.32G_{passage}\approx \sqrt{1.32}Gpassage​≈1.32​ Gpassage≈1.15G_{passage}\approx1.15Gpassage​≈1.15

soit environ :

15 % de gain par traversée du cristal.

Gain réel au cours de l’amplification

Le gain n’est pas constant.

Au début :

Gpassage≈1.3−1.5G_{passage}\approx1.3-1.5Gpassage​≈1.3−1.5

(30 à 50 % par passage)

Puis :

Gpassage→1G_{passage}\rightarrow1Gpassage​→1

lorsque l’impulsion vide l’inversion.

Un profil typique serait :

Ce comportement est caractéristique des amplificateurs régénératifs Ti:Sapphire pompés CW.

Taille du mode dans le cristal

Le RegA utilise un cristal Ti:Sapphire relativement petit (quelques mm de long) placé dans un foyer serré.

Les dimensions typiques du mode intracavité sont estimées à :

Ces valeurs sont cohérentes avec les performances annoncées du RegA 9000 et avec la géométrie de cavité à deux foyers décrite dans la documentation.

Je peux également reconstituer un schéma beaucoup plus détaillé de la cavité interne (position probable de M0 à M8, angles de Bragg de l’AOM TeO₂ à 76 MHz, diamètre du mode dans le cristal et énergie stockée dans le Ti:Sapphire) à partir des paramètres optiques du Mira et du Verdi.