{"id":3590,"date":"2025-10-11T20:20:28","date_gmt":"2025-10-11T18:20:28","guid":{"rendered":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/?p=3590"},"modified":"2025-10-12T09:56:37","modified_gmt":"2025-10-12T07:56:37","slug":"laser-tea-n2-mopa-batio3-cern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/?p=3590","title":{"rendered":"laser TEA N2 MOPA BaTiO3 CERN pour tests de calibration de d\u00e9tecteurs \u00e0 d\u00e9rives"},"content":{"rendered":"

Ce laser se compose d’un disque de titanate de barium de 120mm de diam\u00e8tre sur lequel sont mont\u00e9 2 \u00e9lectrodes de d\u00e9charge principal en alumunium avec un profil de \u00ab\u00a0BRUCE\u00a0\u00bb ainsi que les \u00e9lectrodes de pr\u00e9-ionisations et 2 \u00e9lectrodes de d\u00e9charge en inox pour l’oscillateur eux-m\u00eame r\u00e9glable par un syst\u00e8me microm\u00e9trique.Un \u00e9clateur coaxial est situ\u00e9 dessous la t\u00eate laser. Lors de la d\u00e9charge l’oscillateur \u00e9met un pulse de 600 picosecondes qui part sur un miroir \u00e0 45degr\u00e9s puis passe \u00e0 travers un t\u00e9lescope 10X et un diaphragme pour diminuer la divergence puis est renvoyer par un prism en quartz sur le miroir \u00e0 45 degr\u00e9s et inject\u00e9 dans l’amplificateur.<\/h3>\n

Il faut savoir que l’inversion de population dans l’amplificateur ne dure que 600 picosecondes et la synchronisation entre l’arriv\u00e9e du pulse issu de l’oscillateur doit \u00eatre pr\u00e9cis \u00e0 50 ps.<\/h3>\n

Ce laser est le laser \u00e0 azote le plus complex jamais r\u00e9alis\u00e9 \u00e0 ce jour au monde!!!<\/h3>\n

Je l’ai d\u00e9velopp\u00e9 pour un physicien du CERN en 1978 Dr.H. Hilke<\/h3>\n<\/div><\/section><\/div>\n
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Dans ce laser vendu au CERN pour de la calibration de d\u00e9tecteur\u00a0 j’ai construit un laser MOPA sur un di\u00e9lectrique en titanate de barium (c\u00e9ramique). <\/span><\/h3>\n

Il se compose d’un laser oscillateur suivi d’un laser amplificateur tout cela \u00e0 pression atmosph\u00e9rique, donc la dur\u00e9e de vie de l’\u00e9tat excit\u00e9 est de 600 picosecondes. Le delais entre l’oscillateur et l’amplificateur est de 1 nanosecondes dans cet espace se trouve un t\u00e9l\u00e9scope pour obtenir un faisceau limite de diffraction avant d’\u00eatre inject\u00e9 dans l’amplificateur.<\/span><\/h3>\n

Peux tu me dire comment on obtient la bonne synchronisation des cavit\u00e9s de d\u00e9charge entre l’oscillateur et l’amplificateur ?<\/span><\/h3>\n<\/div><\/section><\/div>\n

Tr\u00e8s bon sujet \u2014 merci pour la mise en contexte (CERN, UA1, MOPA sur c\u00e9ramique). Je r\u00e9ponds en pratique : pourquoi il faut synchroniser, quelles m\u00e9thodes on utilise, et un plan concret pour obtenir une synchronisation \u00ab utile \u00bb quand la dur\u00e9e de vie de l\u2019\u00e9tat excit\u00e9 est ~700 ps.<\/p>\n

Principe \u00e0 respecter<\/span><\/h3>\n

Pour un MOPA N\u2082 en atmosph\u00e8re o\u00f9 la dur\u00e9e de vie excit\u00e9 \u03c4 \u2248 700 ps<\/strong>, l\u2019impulsion de l\u2019oscillateur (seed) doit traverser l\u2019amplificateur pendant la fen\u00eatre d\u2019inversion<\/strong> de l\u2019amplificateur \u2014 autrement dit l\u2019amplificateur doit \u00eatre excit\u00e9 (d\u00e9charg\u00e9) au bon moment<\/em> et avec un retard relatif inf\u00e9rieur \u00e0 \u03c4 (id\u00e9alement bien inf\u00e9rieur). Les travaux et descriptions de MOPA N\u2082 insistent sur ce point : \u00ab l\u2019impulsion du MO doit atteindre le PA au moment du maximum d\u2019inversion \u00bb (donc synchronisation pompe \u2194 arriv\u00e9e optique).<\/p>\n

Strat\u00e9gies employ\u00e9es (principales, \u00e9prouv\u00e9es)<\/span><\/h3>\n
    \n
  1. \n

    Source HV commune + sorties synchronis\u00e9es (Blumlein partag\u00e9)<\/strong><\/p>\n

      \n
    • \n

      Utiliser un g\u00e9n\u00e9rateur d\u2019impulsions (Blumlein ou lignes coaxiales) commun dont la sortie est divis\u00e9e vers les deux cavit\u00e9s. En variant la longueur des lignes \/ la position du switch \/ l\u2019imp\u00e9dance on fixe l\u2019instant de d\u00e9charge relatif entre MO et PA. Ce type d\u2019architecture est classique pour N\u2082 TEA \/ Blumlein.<\/p>\n<\/li>\n

    • \n

      Avantage : jitter commun r\u00e9duit (le bruit temporel du driver est commun aux deux cavit\u00e9s).<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

    • \n

      D\u00e9lais r\u00e9gl\u00e9s par lignes de retard (coaxiales ou optiques)<\/strong><\/p>\n

        \n
      • \n

        Faire partir la m\u00eame impulsion de commande vers les deux cavit\u00e9s mais ins\u00e9rer une ligne de retard calibr\u00e9e<\/strong> (coaxiale) pour d\u00e9caler l\u2019excitation du PA de la valeur souhait\u00e9e.<\/p>\n<\/li>\n

      • \n

        Alternative : d\u00e9clenchement optique (fibre) vers un d\u00e9clencheur local (photodiode \u2192 driver haute tension) pour des retards plus pr\u00e9cis.<\/p>\n<\/li>\n

      • \n

        Remarque pratique : les lignes coax ont un facteur de vitesse typique \u2248 0.6\u20130.7 ; 1 ns \u2248 0.20 m (\u224819.8 cm si v\u22480.66c). Pour 100 ps il faut \u224820 mm de diff\u00e9rence de c\u00e2ble. (Formule : distance = c\u00b7vf\u00b7\u0394t ; c=3\u00b710\u2078 m\/s).<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n

        Calculs (chiffres \u00e0 conserver) :<\/p>\n

          \n
        • \n

          v\u22480.66c \u21d2 distance par ns = 3\u00b710\u2078\u00b71e\u22129\u00b70.66 = 0.198 m \u2192 19.8 cm\/ns.<\/p>\n<\/li>\n

        • \n

          donc 100 ps \u2248 19.8 mm ; 200 ps \u2248 39.6 mm.
          (Adapt\u00e9 si on conna\u00eet le facteur de vitesse exact du c\u00e2ble utilis\u00e9.)<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

        • \n

          Trigger optique \/ d\u00e9tection directe de l\u2019oscillateur (injection + trigger)<\/strong><\/p>\n

            \n
          • \n

            Prendre un \u00e9chantillon optique de la sortie de l\u2019oscillateur, le d\u00e9tecter sur une photodiode ultrarapide, puis utiliser un circuit de d\u00e9lai \u00e9lectronique ultra-rapide (comparateur + ligne de retard RF ou d\u00e9lai num\u00e9rique \u00e0 faible jitter) pour d\u00e9clencher l\u2019amplificateur. Permet d\u2019ajuster la temporisation en valeur positive (amplificateur apr\u00e8s l\u2019oscillateur). N\u00e9cessite \u00e9lectronique \u00e0 faible jitter (<< \u03c4)<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

          • \n

            Pr\u00e9-ionisation commune \/ r\u00e9duction du jitter de d\u00e9charge<\/strong><\/p>\n

              \n
            • \n

              Une pr\u00e9-ionisation (e.g. UV corona, \u00e9lectrodes auxiliaires) dans la cavit\u00e9 r\u00e9duit la variance temporelle de l\u2019amor\u00e7age de la d\u00e9charge et donc le jitter. Les mesures historiques sur lasers \u00e0 d\u00e9charge montrent que la stabilisation active du d\u00e9lai et la pr\u00e9-ionisation peuvent r\u00e9duire la d\u00e9rive\/jitter de ns \u00e0 sous-ns.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

            • \n

              Switches \u00e0 faible jitter<\/strong><\/p>\n

                \n
              • \n

                Utiliser des commutateurs \u00e0 faible jitter : thyratron sp\u00e9cialis\u00e9, spark-gap d\u00e9clench\u00e9 optiquement, ou (pour performances plus strictes) photoconductive semiconductor switches (PCSS) ou d\u00e9clencheurs laser-pilot\u00e9s. Ils fournissent jitter tr\u00e8s r\u00e9duit compar\u00e9 \u00e0 un d\u00e9clenchement libre.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

              • \n

                Injection optique (seeding) \u2192 r\u00e9duit la contrainte temporelle<\/strong><\/p>\n

                  \n
                • \n

                  Si l\u2019amplificateur est fortement saturable et bien \u00ab seed\u00e9 \u00bb par l\u2019oscillateur, l\u2019exigence de timing peut \u00eatre all\u00e9g\u00e9e : l\u2019optical seed d\u00e9clenche l\u2019amplification quasi-instantan\u00e9ment quand l\u2019amplificateur est partiellement excit\u00e9. Mais avec \u03c4=700 ps, on reste sur la n\u00e9cessit\u00e9 d\u2019un d\u00e9lai global <\u03c4 pour obtenir gain utile.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ol>\n

                  Prescription pratique (proc\u00e9dure pas-\u00e0-pas que tu peux appliquer)<\/span><\/h3>\n
                    \n
                  1. \n

                    Mesurer la latence\/jitter de ton driver commun<\/strong><\/p>\n

                      \n
                    • \n

                      Mesurer la forme d\u2019onde \u00e9lectrique de sortie et le jitter du switch (thyratron\/spark) \u2014 c\u2019est la limite fondamentale. Id\u00e9al <100 ps pour confort si \u03c4=700 ps. Utiliser oscilloscope 20+ GHz ou corr\u00e9lation optique pour mesurer jitter r\u00e9el.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

                    • \n

                      Adopter un driver Blumlein commun<\/strong><\/p>\n

                        \n
                      • \n

                        Alimentation commune + s\u00e9paration des lignes vers MO et PA. Si tu veux que le MO sorte avant<\/strong> le PA, ins\u00e9rer dans la voie PA une ligne coaxiale de retard<\/strong> calibr\u00e9 (ou raccourcir celle du MO), ou d\u00e9placer la position du switch sur la ligne (si cela est possible). Voir mod\u00e8les Blumlein d\u00e9crits dans la litt\u00e9rature.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

                      • \n

                        Optimiser l\u2019ordre temporel<\/strong><\/p>\n

                          \n
                        • \n

                          D\u00e9terminer exp\u00e9rimentalement le d\u00e9calage optimal (\u0394t_opt) : l\u2019optimum sera g\u00e9n\u00e9ralement quelques centaines de ps avant<\/em> le maximum d\u2019inversion si on veut que l\u2019oscillateur impose la phase\/forme. Mesurer la puissance amplifi\u00e9e en fonction du retard et choisir \u0394t qui maximise le gain\/signal-\u00e0-bruit. (Exp\u00e9riences et articles MOPA donnent cette recommandation).<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

                        • \n

                          R\u00e9duire le jitter \u00e9lectrique<\/strong><\/p>\n

                            \n
                          • \n

                            Introduire pr\u00e9-ionisation, utiliser commutateurs \u00e0 faible jitter, maintenir temp\u00e9rature\/gaz constantes, et minimiser longueur de c\u00e2bles inutiles.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n

                          • \n

                            Mise au point fine par signal optique<\/strong><\/p>\n

                              \n
                            • \n

                              Pr\u00e9lever un \u00e9chantillon du MO sur une photodiode rapide \u2192 utiliser un d\u00e9lai RF fin (trombone coaxial microm\u00e9trique ou delay-line num\u00e9rique) -> piloter l\u2019\u00e9lectronique de d\u00e9clenchement du PA. V\u00e9rifier jitter final par cross-correlation optique (technique courante pour quantify jitter dans MOPA).<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ol>\n

                              Exigences num\u00e9riques (r\u00e8gles pratiques)<\/span><\/h3>\n
                                \n
                              • \n

                                Cible jitter RMS<\/strong> : id\u00e9alement < 10\u201315%<\/strong> de \u03c4 pour limiter la perte de gain \u2014 donc pour \u03c4=700 ps viser <70\u2013100 ps RMS<\/strong> si possible. Si le jitter monte \u00e0 plusieurs centaines de ps, l\u2019efficacit\u00e9 d\u2019amplification chute rapidement. (r\u00e9f\u00e9rences MOPA et \u00e9tudes de timing).<\/p>\n<\/li>\n

                              • \n

                                Conversion d\u00e9lai \u2194 longueur de c\u00e2ble<\/strong> : avec facteur de vitesse ~0.66, 1 ns \u2248 19.8 cm ; 100 ps \u2248 19.8 mm. (pratique pour usinage\/ajustement de longueurs coax).<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n

                                Mesure et validation<\/span><\/h3>\n
                                  \n
                                • \n

                                  Cross-correlation optique<\/strong> entre MO et PA (technique standard) pour mesurer jitter effectif et d\u00e9rive. Articles et th\u00e8ses montrent l\u2019usage de la corr\u00e9lation pour quantifier jitter et optimiser stabilisation.<\/p>\n<\/li>\n

                                • \n

                                  En compl\u00e9ment : oscilloscope 20\u201340 GHz + photodiode rapide pour mesurer front d\u2019impulsion, plus enregistrement de la puissance amplifi\u00e9e en fonction du d\u00e9lai.<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n

                                  Remarques li\u00e9es \u00e0 ta construction (c\u00e9ramique, atmosph\u00e8re)<\/span><\/h3>\n
                                    \n
                                  • \n

                                    La c\u00e9ramique (forte \u03b5r) et le design Blumlein influencent la constante de temps \u00e9lectrique et la forme d\u2019onde \u2014 donc la latence et la mont\u00e9e de la tension. Quand tu modifies la g\u00e9om\u00e9trie (isolation, distance \u00e9lectrode \u2194 di\u00e9lectrique), tu changes aussi la synchronisation \u00e9lectrique absolue \u2014 il faut recalibrer les d\u00e9lais apr\u00e8s modifications. Les publications sur Blumlein\/N\u2082 discutent ces effets (mod\u00e8le distribu\u00e9).<\/p>\n<\/li>\n<\/ul>\n<\/div><\/section><\/div>\n

                                    <\/div><\/div><\/div><\/div>
                                    <\/div><\/div><\/div><\/div><\/p>\n
                                    <\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"","protected":false},"author":1,"featured_media":3593,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"class_list":["post-3590","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-non-classe"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/3590","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=3590"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/3590\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3607,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/3590\/revisions\/3607"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/3593"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=3590"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=3590"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.swissrocketman.fr\/Wordpress\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=3590"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}