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									Lasers à impulsions ultra-brèves
        pompés par diode

        Habilitation à Diriger des Recherches

                   Frédéric Druon

   Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique
                                 Contexte de mes travaux de recherche

   • Équipe Lasers Solides et Applications du LCFIO
                             Patrick Georges

            – Recherches sur des nouvelles sources laser pompées
              par diode
                    • Mon activité de recherche (2000-2008)
                    • Développement de sources laser à impulsions courtes

            – Les points clefs
                    •    Matériaux laser
                    •    Optique ultrarapide : dispersion, effets non-linéaires
                    •    Oscillateurs laser femtoseconde
                    •    Fibres optiques



HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                  2
                                                                                  2
                                 Pourquoi des lasers à impulsions courtes?

   • Applications
            – Industrielles : micro-usinage
            – Médicales : chirurgie oculaire
            – En physique fondamentale :
              sources secondaires (HHG,
              attoseconde)
   •Il faut des sources !
            – Durées très brèves
            – Fortes énergies
            – Des hautes cadence
            – Fortes puissances moyennes

                                                           MPQ

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                         3
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                                 État de l’art en 2000
                        Laser impulsionnel = Ti:saphir !
                          absorption
                                                        • Spectre large
  Intensité (u.a.)




                                                          Durée ultra-brève 5 fs
                                             émission
                                                        • Bonnes propriétés
                                                          thermiques (κ = 35 W/m/K) :
                                                          supporte la puissance
                           Longueur d’onde (nm)


        • Cristal idéal mais …                              Pompé dans le vert
                     Les problèmes sont liés au système de pompe
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                        4
                                                                                        4
                                 Le revers de la médaille du Ti:saphir


                                      • Pompé dans le vert

                                  •Laser Nd:YVO4 pompé par diode
                                   puis doublé en fréquence


                                            Nd laser      SHG

                   Diode de très forte
                   puissance




          Systè
          Systèmes peu compacts, peu efficaces, complexes et chers

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                         5
                                                                         5
                                 Pour la puissance avec le saphir…


                                        • Consommation électrique
                                          – ~ 100 W électrique donne 1 W
                                            optique (efficacité élec-opt = 1%)


                                        • Refroidissement



                                        • Coût
                                          – fabrication, utilisation, entretiens,
                                            etc.

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                    6
                                                                                    6
                                 Nouvelle génération de sources
        • Le but visé :
               Des sources délivrant des impulsions les plus
               courtes possibles sans les inconvénients du
               Ti:Saphir

        C’est à dire
                 –     Efficaces
                 –     Simples
                 –     Compactes
                 –     Robustes
                 –     Fiables
                 –     Moins chères

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
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                                                               7
                                 La solution du pompage par diode

        • Efficacité électrique-optique
                 50 à 70%
        •      Compacité                            3 mm


        •      Fiabilité (10 000 heures)
        •      Sans maintenance
        •      Fortes puissances disponibles : 1W à kW
        •      Mais longueurs d’onde :
                 800 nm, 900-980 nm
              Il faut des matériaux qui
              absorbent à ces longueurs d’onde…
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                    8
                                                                    8
                                 Les « bons » matériaux

                 Les matériaux pompés par diode pour la forte
                                 puissance
                         dopé
          • Les cristaux dopés à l’Yb3+
                                         efficacité duré
                           • Avantages : efficacité, durées courtes,
                                           trè
                                           très forte puissance moyenne
                             Inconvé
                           • Inconvénients : le gain faible


                       dopé
          • Les fibres dopées Yb3+ et Er3+
                           • Avantages : très fort gain, durées courtes
                           • Inconvénients : effets non-linéaires


                         dopé
          • Les cristaux dopés au Nd3+
                                         trè
                           • Avantages : très fort gain
                             Inconvé         limité     ré
                           • Inconvénients : limités au régime picoseconde

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                             9
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                                 Plan


        • Introduction : lasers à base de matériaux dopés à
          l’ytterbium

        • Oscillateurs femtoseconde
                 – Durées courtes
                 – Montée en puissance

        • Extension des performances
                 – Compression d’impulsions
                 – Amplification dans les fibres

        • Conclusion et perspectives


HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                              10
                                                               10
                                 Intérêts des matériaux dopés Yb3+
                                                Pompage par diode à 980nm (diode
            Nd3+
                                 Yb3+           efficace)


                                        2F      Seulement 2 niveaux : pas d’effets
                                                parasites
                                          5/2



                                        2F
                                          7/2   Faible défaut quantique => faible
                                   Champs       charge thermique
                                   cristallin
                                                Forte puissance moyenne
                                                Spectres larges
                                                Durées courtes
                                                Laser quasi-3-niveaux, réabsorption
                                                Gain faible
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                     11
                                                                                      11
                                 Yb3+ : un spectre sous influence
• désordre                                                                                                                                 • ordre
Verres                               Cristaux de structure complexe                                                            Cristaux de structure simple
(maté
(matériaux amorphes)                            d’
                                     (beaucoup d’atomes par maille)                                                                 d’
                                                                                                                               (peu d’atomes par maille)

      Durées
      Duré
                                 • Largeur spectrale d’émission
      courtes


                                           Un gr thermique
                                 • Conductivitéand écart                                                                                                 Forte
                                                                                                                                                       puissance


                                 • Sections efficaces (gain)
                                                                                                                                                       Efficacité
                                                                                                                                                       Efficacité

                                                                      2      Yb:YAG
                                                                             Yb:verre

            Verre                                                                                                                              YAG
                                       Section efficace d'emission




                                                                     1.5


          Conductivité
          Conductivité                                                                                                                      Conductivité
                                                                                                                                            Conductivité
           thermique                                                  1                                        9nm                           thermique
            (W/m/K)                                                                                                                           (W/m/K)
                   non-dopé
          (cristal non-dopé)                                         0.5                                                                             non-dopé
                                                                                                                                            (cristal non-dopé)
                                                                                                     35nm
                 0,8                                                  0
                                                                                                                                                   11
                                                                       950    970       990   1010      1030     1050   1070    1090
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008                                                                Longueur d'onde (nm)
                                                                                                                                                                    12
                                                                                                                                                                     12
                                         État de l’art en 2000
    • Oscillateurs laser femtoseconde à base de
      matériaux dopés à l’ytterbium
                                                                                ’époque
                                                                       Choix à l’époque simple :
                     10000                                             Verres ou YAG?
                                                                             Yb:GdCOB

                                                                             Yb:glass
             .




                              1000                                           Yb:YAG
             Puissance (mW)




                              100




                               10
                                     0    200   400   600     800   1000
                                                 Durée (fs)                                        13
                                                                                                    13
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                          État de l’art en 2000
    • Oscillateurs laser femtoseconde à base de
      matériaux dopés à l’ytterbium
                      10000
                                                                           Yb:GdCOB            ’époque
                                                                                      Choix à l’époque simple :
                                                                           Yb:glass   Verres ou YAG?
              .




                               1000                                        Yb:YAG
              Puissance (mW)




                                                                                        Explorer de
                                100


                                                                                        nouveaux cristaux
                                10
                                      0   200   400   600     800   1000
                                                 Durée (fs)


                                                      Durée courte avec des nouveaux cristaux
                                                      Bandes d’émission larges (≠Yb:YAG)
           BUT ?
                                                      Forte puissance moyenne =>
                                                      Des bonnes propriétés thermiques
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008                        Impossible avec les verres !                                14
                                                                                                                   14
                                 Intérêts de nouveaux cristaux

                                     Durée courte avec des nouveaux cristaux
                                     Bandes d’émission larges (≠Yb:YAG)
            BUT ?
                                     Forte puissance moyenne =>
                                     Des bonnes propriétés thermiques
                                     Impossible avec les verres !


    • Stratégie de cristallogenèse
      en collaboration avec les chimistes
         Laboratoire de Chimie              Centre de recherche       CEA-
                                                                      CEA-LETI Grenoble
                   Matiè
             de la Matière                    sur les Ions les
          Condensé
          Condensée de Paris                  Maté
                                              Matériaux et la
                                                Photonique




                 Chimie Paris

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                          15
                                                                                           15
                                 Stratégies suivies?
                                                       Avancées en
                                                       cristallographie
                                 Laser
                                                       Yb:GdCOB (1999)
      • Identifier les cristaux
      • Tester les performances
        en régime continu
      • Concevoir l’oscillateur                        Yb:BOYS (2001)
        femtoseconde pour
        obtenir des durées plus                        Yb:SYS (2002)
        courtes
      • Réaliser une chaîne laser
        CPA                                            Yb:YSO (2003)
      • Évaluer leur potentiel à                       Yb:CaF2 (2004)
        forte puissance
                                                       Yb:CALGO (2005)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                          16
                                                                           16
                                 Plan


        • Introduction : lasers à base de matériaux dopés à
          l’ytterbium

        • Oscillateurs femtoseconde
                 – Durées courtes
                 – Montée en puissance

        • Extension des performances
                 – Compression d’impulsions
                 – Amplification dans les fibres

        • Conclusion et perspectives


HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                              17
                                                               17
                                        Les cristaux pour les durées courtes
   • À la recherche de spectres larges et lisses
                                    Yb:GdCOB                Yb:BOYS                  Yb:SYS
                                 Yb:Ca4GdO(BO3)3          Yb:Sr3Y(BO3)3          Yb:SrY4 (SiO4)3O


                                                                                                    Conductivité
                                                                                                    Conductivité
                                                                                                     thermique
   Section efficace d’émission




                                                                                                      (W/m/K)
                                                                                                             non-dopé
                                                                                                    (cristal non-dopé)

                                                                 Bandes larges
                                                                                                         2.1
                                                                                                         1.8
                                                                                                           2

                                                            BOYS           SYS
                                                                                                         0.8


                                                        GdCOB      Verre


HdR Frédéric Druon 15 mai 2008                     Longueur d’onde (nm)                                                  18
                                                                                                                          18
                                 Oscillateur femtoseconde



                                                                      Cristal   Miroirs
                                                                                dichroïques

                                        16 mm




                                                              80 mm
                                                   x6
                                                // junction                                   SESAM
                                 Diode laser
                                   4 W cw                              Prisme (SF10)
                                 @ ≈ 976 nm
                                                                          Fente
                                                                      Prisme (SF10)
                                      Miroir de sortie




HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                      19
                                                                                                       19
                                 (SESAM) Miroir absorbant saturable à base de semi-conducteur




                                                                      Énergie de saturation
                                                     1.00
                                  Transmission (%)


                                                                                                           absorption résiduelle

                                                     0.95         T
                                                                                                           variation
                                                                                                            de transmission:
                                                     0.90


                                                     0.85
Régime continu
                                                                                                           Régime fs
Puissance crête faible                               0.80   6 8       2   4   6 8       2   4   6 8    2   Puissance crête élevée
Absorbant non-saturé                                          0.1                   1             10       Absorbant saturé
Fortes pertes                                                         Puissance crête (a.u.)               Faibles pertes
Régime défavorisé                                                                                          Régime favorisé
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                    20
                                                                                                                                     20
                                 Oscillateur femtoseconde



                                                                      Cristal   Miroirs
                                                                                dichroïques

                                        16 mm




                                                              80 mm
                                                   x6
                                                // junction                                   SESAM
                                 Diode laser
                                   4 W cw                              Prisme (SF10)
                                 @ ≈ 976 nm
                                                                          Fente
                                                                      Prisme (SF10)
                                      Miroir de sortie




HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                      21
                                                                                                       21
                                       Résultats avec le Yb:SYS
                                                  Thèse de Pierre Raybaut (2000-2003)

                    Les impulsions les plus courtes                                   1
                                                                                             Spectre
                            ∆t ≈ 70 fs ∆λ ≈ 17 nm
                                                                                     0,8




                                                                  Puissance (u.a.)
                                                                    Power (a.u.)
                                                                                                                             17 nm
                                 ∆ν∆t ≈ 0.33                                         0,6



                     Pout(2%) ≈ 156 mW @ 93 MHz                                      0,4


                                                                                     0,2

                    1
                         Autocorrélation                                              0
                                                                                      1030    1040    1050   1060   1070   1080   1090   1100
                   0,8
Puissance (u.a.)




                                                                                                          Wavelength (nm)
                                                                                                       Longueur d’onde (nm)
 Power (a.u.)




                   0,6
                             1.54x 70 fs

                   0,4                                                                                 Plus forte puissance
                                                                                                             moyenne
                   0,2                                                                                ∆t ≈ 110 fs ∆λ ≈ 11.5 nm

                    0
                                                                                                              ∆ν∆t ≈ 0.33
                     -500       -300       -100     100     300                       500            Pout(6%) ≈ 420 mW @ 98 MHz
                                            Delay (fs)
                                            Délai (fs)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                          22
                                                                                                                                           22
                                 État de l’art en 2004
    • Oscillateurs laser femtoseconde à base de
      matériaux dopés à l’ytterbium
                                                10000
                                                                                                           Yb:SYS
                                 Puissance moyenne (mW)
                                     Average power (mW) .



                                                                                                           Yb:BOYS

                                                                                                                      Durées les plus
                                                                                                                      Duré
                                                        1000

                                                                                                           Yb:GdCOB   brè
                                                                                                                      brèves avec des
                                                                                                                                 dopé
                                                                                                                      cristaux dopés à
                                                            100            (KLM)
                                                                                                           Yb:KYW         l’ytterbium

                                                                                                           Yb:KGW

                                                             10
                                                                  0   50     100     150       200   250   Yb:YAB
                                                                            Durée (fs)
                                                                           Pulse duration (fs)




        • Étape 2 la montée en puissance…

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                         23
                                                                                                                                          23
                                 Plan


        • Introduction : lasers à base de matériaux dopés à
          l’ytterbium

        • Oscillateurs femtoseconde
                 – Durées courtes
                 – Montée en puissance

        • Extension des performances
                 – Compression d’impulsions
                 – Amplification dans les fibres

        • Conclusion et perspectives


HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                              24
                                                               24
                                 Stratégies suivies?
            Caractérisation des                  Augmentation de la
            propriétés thermiques                  puissance des
      • Banc thermique                             oscillateurs fs
               – Thermographie                 • Yb:SYS forte puissance
               – Lentille thermique              (sans détérioration)
      • Performances laser à                   • Examiner des voies de
                                                 compromis
        forte puissance en
                                                 puissance /durée
        continu                                     – Cristaux
                                                    – Cavités
   Thèse de Sébastien Chénais (2000-2002)
                                               • Examiner des cristaux
   Thèse de Mathieu Jacquemet (2002 -2005)
                                                 avec d’autres intérêts
                                               Thèse de Andrea Lucca (2002-2005)
                                               Stage de Guillaume Debourg (2004)
                                               Thèse de Florent Thibault (2003-2006)
                                               Stage de Yoann Zaouter (2004)
                                               Thèse de Justine Boudeile (2005…)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                       25
                                                                                        25
                                                  Quid du Yb:SYS à forte puissance?
• Et si on pompe plus fort ?
                                                                                                  Thèse de Sébastien Chénais (2000-2002)
                    Puissance Laser (W)   4




                                                                                                                Température (K)
                                          3       Yb:SYS//YAG                                                                 550
                                          2                                                                                   500
                                                                                  Fracture                                                         Yb:SYS massif
                                          1                                                                                   450




                                                                                                                Tempé
                                                             Yb:SYS (2,8mm)
                                          0                                                                                   400
                                              0    2     4        6                 8                                         350
                                                             absorbé
                                          Puissance de pompe absorbée (W)                                                                  YAG            Yb:SYS
                                                                                                                              300
                                                                                                                                 0     0,5    1     1,5     2      2,5    3
• La solution de l’hétero-assemblage                                                                                                              Longueur (mm)

                                                   Yb:SYS//YAG
                                      Pompage                            Pompage                                  dopé
                                                                                                          YAG non dopé                            Yb:SYS (5,5%)
 388                                                             535
                                                                                                                                  1,3 mm     1,5 mm
                                                  YAG
  Température (K)




                                                                Température (K)




                                                                                                                                   Forte diminution de
                                                                                                                                    ’échauffement (150°
                                                                                                                                   l’échauffement (150°K)
  Tempé




                                                                Tempé




                                                                                                                                         l’
                                                                                                                                   avec l’assemblage
                                           Yb:SYS                                            Yb:SYS
 300                                                             300

                             tempé
Simulations des températures avec Lascad (15W 980 nm)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                                                         26
                                                                                                                                                                          26
                                             Résultats avec le Yb:SYS//YAG

                                                                                         • 1 W pour 13 W de
                                                                                           pompe, durée 130 fs


          • Changement d’architecture pour favoriser
            l’efficacité : réduire les pertes
                          Miroir GTI
                                                                                                            1    Experiment
                     1
 Puissance (u.a.)




                                                                                           Power (u.a.)
                            Pulse 122 fs (0.49 W)                                                                sech fit




                                                                                         Puissance(a.u.)
                            Pulse 130 fs (1 W)
    Power (a.u.)




                            Pulse 200 fs (1.16 W)
                                                                                                           0,5
                    0,5

                                                                                                                              130 fs
                                                                                                            0
                     0
                     1050     1055    1060    1065   1070    1075   1080   1085   1090                     -400 -200 0       200       400
                                        Longueur d’onde (nm)
                                                Wavelength (nm)
                                                                                                                   Délai (fs)
                                                                                                                   Delay(fs)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                             27
                                                                                                                                              27
                                                      Résultats avec le Yb:SYS//YAG
                                                                                                 • 1W
                                                                                                 • 130 fs

                                        10000                                                     Yb:CALGO
                                                                                                  Yb:SYS
                           .




                                                                                                  Yb:SYS//YAG
                           Puissance moyenne (mW)




                                                                                                  Yb:BOYS
                                                    1000                                          Yb:GdCOB           Premiè
                                                                                                                     Première
                                                                                                  Yb:CaF2                     d’
                                                                                                                 réalisation d’un
                                                                                                  Yb:LSO
                                                                                                                oscillateur fs avec
                                                                                                                             ro-
                                                                                                                    un hétéro-
                                                                                                  Yb:YSO
                                                     100            (KLM)
                                                                                                                   assemblage
                                                                                                  Yb:KYW
                                                                                                  Yb:KGW
                                                                                                  Yb:KLuW

                                                      10                                          Yb:YVO4

                                                           0   50      100    150    200   250    Yb:Sc2O3
                                                                        durée (fs)                Yb:YAB




HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                      28
                                                                                                                                       28
                                 Cristaux Yb:YSO, un juste milieu
 • Compromis entre                          Thèse de Mathieu Jacquemet (2002-2005)
                                            Thèse de Florent Thibault (2003-2006)
          – spectres larges
                   • Dl = 25 nm                                                                             Yb:Y2SiO5
          – Gain
                   • s = 0.5 10-20 cm2
          – Propriétés thermiques
                   • k = 3.5 W/m/K                                                          Site Y2
                                                                                                                                    Site Y1




                                                                      ross-sections (10
Autre avantage :
Technique de croissance connue
                                                                            1.6
                                                                        1,6E-20




                                                 Section efficace d’émission
                                                                                                                                 Emission
                                                                            1.4
                                                                        1,4E-20                                             Emission
(Ce:YSO utilisé dans les scintillateurs)                                    1.2
                                                                        1,2E-20




                                                                     C
                                                                                                                            X Polarization
                                                                            1.0
                                                                        1,0E-20
                                                                                                                            Z Polarization
                                                                            0.8
                                                                        8,0E-21

                                                                            0.6
                                                                        6,0E-21

                                                                            0.4
                                                                        4,0E-21

                                                                            0.2
                                                                        2,0E-21
                                                                       0.0
                                                                   0,0E+00
                                                                                          950         970    990   1010   1030    1050        1070   1090

                                                                                                  Longueur d’onde (nm)
                                                                                                       Wavelength (nm)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                                            29
                                                                                                                                                             29
                                                            Résultats avec le Yb:YSO

                         cristal

                                                             doublets
                                                             doublets
                                                             doublets
                                                                     60 mm
                                                                     60 mm
                                                                     60 mm




                                                              doublets
                                                              doublets
                                                                      60 mm
                                                                      60 mm
                                                                                          15W @ 980 nm

                                                                                           Diode laser                                   • 2,61W
                                                                                                                                         • 207fs
                                                                                                                 miroir GTI




                                                             SESAM
                                                                                                miroir GTI
                                                                                                             Coupleur de sortie




                                                10000                                                                                   Yb:CALGO
                                                                                                                                        Yb:SYS
                                   .




                                                                                                                                        Yb:SYS//YAG
                                   Puissance moyenne (mW)




                                                                                                                                        Yb:BOYS         Record
                                                            1000                                                                        Yb:GdCOB        efficacité
                                                                                                                                                      d’efficacité
                                                                                                                                        Yb:CaF2        elec-
                                                                                                                                                       elec-opt :
                                                                                                                                        Yb:LSO            9%
                                                                                       (KLM)
                                                                                                                                        Yb:YSO
                                                             100
                                                                                                                                        Yb:KYW
                                                                                                                                        Yb:KGW
                                                                                                                                        Yb:KLuW

                                                                         10                                                             Yb:YVO4

                                                                              0   50      100    150                     200      250   Yb:Sc2O3
                                                                                           durée (fs)                                   Yb:YAB


HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                                                     30
                                                                                                                                                                      30
                                 La Fluorine : structure cubique simple …
                                                      Thèse de Andrea Lucca (2002-2005)
                 trè             dopé
         Cristal très connu (non dopé) :              Thèse de Justine Boudeile (2005…)
                                                     prouvé
         - cristal massif, techniques de croissance éprouvées
                                                  jusqu’à
              (Czochralski, Bridgman), dimension jusqu’à 30 cm
         - céramiques                                                                                                           Ca                         Ca
                                                                                                                                         F          F
                                   LPE.…
         - disques minces (MBE, LPE.…) Schott
                                                                                                                                          Ca
                                                                                                                                         FYb3+:CaF2
             proprié                thermo-
      Bonnes propriétés optiques et thermo-optiques :                                                                             Ca
                                                                                                                                                F
                                                                                                                                                      Ca
         - transparence sur une large gamme (150 nm - 9 µm)
                 conductivité
         - bonne conductivité thermique (= 9.7 W.m-1.K-1)
                                                                                            0.6




                                                             Cross-sections ( x10-20 cm2)
           Yb:CaF2
                                                                                            0.5


                                             Duré
                                             Durées
                                                                                                                                     Absorption
                                                                                                                                     Emission
                                                                                            0.4



                                             brè
                                             brèves                                         0.3




          dé
Dopage => désordre
                                                                                            0.2


                                                                                            0.1


                                                                                            0.0
                                                                                               860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100


      Ca2+                   Yb3+                Conductivité           ré
                                                 Conductivité thermique réduite
                                                                                                                  Wavelength (nm)




                                                 mais pas trop
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008                   (k= 6 W.m-1.K-1 pour un dopage 2.5 %)                                                                      31
                                                                                                                                                             31
                                 …et connue
     dopé
Même dopée : W.J. Humphreys, “On the Presence of Yttrium and Ytterbium in
                                                    1904)
Fluor-Spar”, Astrophysical Journal, vol. 20, p.266 (1904
                                                    1904




                                                               Un dopage
                                                                  naturel




    Yb:CaF2 est un cristal de bonne composition !
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                            32
                                                                             32
                                                             Résultats avec le Yb:CaF2
               cristal                                                      15W @ 980 nm                           cristal                      15W @ 980 nm
                                                                                                                              60 mm
                                                                                                                                     60 mm
                                                                                                                                    60 mm




                                          60 mm
                                                                                                                                     60 mm
                                                                                                                                    60 mm
                                                   60 mm
                                                  60 mm
                                                   60 mm
                                                  60 mm




                                                                            Diode laser                                                         Diode laser
                                                                                                                             doublets
                                                                                                                              doublets
                                                                                                                             doublets
                                                                                                                              doublets
                                                                                                                             doublets




                                         doublets
                                          doublets
                                         doublets
                                          doublets
                                         doublets




                                                                                                                                                                      miroir GTI


                                                                                                                             SESAM
                                          SESAM
                                                                                                                                                      miroir GTI
                                                                                                                                                                   Coupleur de
                                                                                                                                                                   sortie
                                                                 prismes




                                                                                                                                             • 1,4 W
                                                                 LAK31



• 150 fs
                                                                                Coupler de sortie




• 0,9 W10000                                                                                                             Yb:CALGO            • 220 fs
                                                                                                                         Yb:SYS
                         .




                                                                                                                         Yb:SYS//YAG
                         puissance moyenne (mW)




                                                                                                                         Yb:BOYS
                                                      1000                                                               Yb:GdCOB
                                                                                                                         Yb:CaF2
                                                                                                                                                Premiers lasers fs
                                                                                                                                                  avec Yb:CaF2
                                                                                                                         Yb:LSO

                                                                                     (KLM)
                                                                                                                         Yb:YSO
                                                           100
                                                                                                                         Yb:KYW                Intérêt industriel,
                                                                                                                                               Inté
                                                                                                                         Yb:KGW              Projet Polaris
                                                                                                                         Yb:KLuW

                                                            10                                                           Yb:YVO4

                                                                 0         50            100    150    200   250         Yb:Sc2O3
                                                                                          durée (fs)                     Yb:YAB


HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                                                                   33
                                                                                                                                                                                    33
                                 Yb:CALGO : un cristal prometteur


                      a             Yb:CaAlGdO4




    c                              Site de AlIII
                                   (Octaedrique)

    Site de GdIII /CaII
    (Coord. 9)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                    34
                                                                     34
                                 Origine du plateau
           • Complémentarité des deux sites différents
           • Excitation sélective des deux sites à 10 K
                                        300 K
                       (excitation non sélective)


                                                                            Excitation vers
                  Spectres d’émission des                                   983 nm
                  deux sites à 10 K

                                                                             Excitation vers
                                                                             978 nm

                                                    1000   1050      1100      1150
                                                            λ (nm)

•Deux sites                                           •Pas trop de désordre donc
complémentaires pour                                  une bonne conductivité
un spectre très large                                 thermique
                                                             (6,3 W/m/K dopé 2,5 %)            35
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008                                                                  35
                                             Résultats avec le Yb:CALGO
               cristal                                                           5W @ 980 nm                                     cristal                      15W @ 980 nm
                                                                                                                                             60 mm
                                                                                                                                                    60 mm
                                                                                                                                                   60 mm




                             60 mm
                                                                                                                                                    60 mm
                                                                                                                                                   60 mm
                                     60 mm
                                    60 mm
                                     60 mm
                                    60 mm




                                                                                 Diode laser                                                                 Diode laser
                                                                                                                                            doublets
                                                                                                                                             doublets
                                                                                                                                            doublets
                                                                                                                                             doublets
                                                                                                                                            doublets




                            doublets
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                            doublets
                             doublets
                            doublets




                                                                                                                                                                                   miroir GTI


                                                                                                                                            SESAM
                            SESAM
                                                                                                                                                                   miroir GTI
                                                                                                                                                                                Coupleur de
                                                                                                                                                                                sortie
                                                               prismes
                                                               LAK31
                                                                                 Coupler de sortie
                                                                                                                       Thèse de Justine Boudeile (2005…)

  Stage de Yoann Zaouter (2004)                                                                                                                             • 520 mW
• 47fs                                                    10000                                                                            Yb:CALGO         • 68fs
• 38 mW
                                                                                                                                           Yb:SYS
                                             .




                                                                                                                                           Yb:SYS//YAG
                                             puissance moyenne (mW)




                                                                                                                                           Yb:BOYS
                                                                      1000                                                                 Yb:GdCOB

      Duré
      Durées les plus                                                                                                                      Yb:CaF2
      brè
      brèves avec des                                                                                                                      Yb:LSO
                 dopé
      cristaux dopés à                                                                            (KLM)
                                                                                                                                           Yb:YSO
                                                                       100
          l’ytterbium                                                                                                                      Yb:KYW
                                                                                               (KLM)                                       Yb:KGW
                                                                                                                                           Yb:KLuW

                                                                        10                                                                 Yb:YVO4

                                                                             0        50               100    150    200   250             Yb:Sc2O3
                                                                                                        durée (fs)                         Yb:YAB

HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                                                                                36
                                                                                                                                                                                                 36
                                 Plan


        • Introduction : lasers à base de matériaux dopés à
          l’ytterbium

        • Oscillateurs femtoseconde
                 – Durées courtes
                 – Montée en puissance

        • Extension des performances
                 – Compression d’impulsions
                 – Amplification dans les fibres

        • Conclusion et perspectives


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                                                              37
                                                               37
                                 « Nouvelles avancées technologiques »

• Nouvelles fibres
        – Fibres microstructurées ou à cristal photonique
                 • Dispersion contrôlée autour de 1 µm
                 • Effets non-linéaires importants
                 • Impulsions plus courtes



        – Fibres dopées à large mode
                 • Réduction des effets non-linéaires
                 • Plus de puissance moyenne



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                                                                         38
                                                                          38
                                    Fibre à dispersion nulle : plus court

  • Fibre utilisée D=0 @ 1065 nm
                                                                  • Permet d’éviter la
                    Diamètre de cœur : 5 ± 0.2 µm
                    Longueur :                   20 cm              dispersion et
                    Efficacité de couplage:      ≈30%               l’élargissement temporel
               50
                                                                  • Profiter d’une grande
                                                                    longueur d’interaction pour
                                                                    les effets non-linéaires
D [ps/nm/km]




               25


               0

                                             Laser                  Automodulation de phase
               -25                           (1068 nm)              par effet Kerr
                      950      1000   1050   1000   1150   1200     Génération de spectre
                            Longueur d’onde [nm]


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                                                                                             39
                                                                                              39
                                 Schéma expérimental global
         Oscillateur
               Yb:SYS                                     Lame
                                                          l/2                               FIBRE D=0




                                                                         4 mm




                                                                                                                        8 mm
                                                                                              Automodulation
                                                                                              de phase
                                                       1,00E+15

                                                       1,00E+14

                                                       1,00E+13

                                                       1,00E+12                                                 60 mW
                                                       1,00E+11

                                                       1,00E+10                                                 53 mW




                                      Spectres (log)
                                                       1,00E+09

                                                       1,00E+08                                                 45 mW
                                                       1,00E+07

                                                       1,00E+06
                                                                                                                35 mW
                                                       1,00E+05

                                                       1,00E+04
                                                                                                                28 mW
                                                       1,00E+03

                                                       1,00E+02

                                                       1,00E+01
                                                                                                                20 mW
                                                       1,00E+00




  Impulsion en                                                                                                           Impulsion
                                                       1,00E-01
                                                                                                                12 mW
                                                       1,00E-02
                                                                                                                1mW

  sortie de fibre                                                                                                        comprimée
                                                       1,00E-03


                                                            950   1000   1050    1100      1150   1200   1250
                                                                          Longueur d'onde (nm)




                                      • Compression




HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                 40
                                                                                                                                  40
                                     Résultats

                                     Longueur d'onde (nm)                                       1
                                                                                                                          Theorie (23 fs)
                      930   980      1030   1080     1130   1180    1230                                                  Experience (21 fs)
                     1                                                                         0.8




                                                                            Puissance (a.u.)
                                                            Expérience
                                                                                               0.6
                                                            Théorie
Puissance (Log)




                    0,1
                                                                                               0.4




                   0,01                                                                        0.2




                                                                                                0

                  0,001                                                                        -300   -100                100              300
                                                                                                             Durée (fs)




                      • Impulsions comprimées à 21 fs
                      • Bon accord avec la théorie
                                                                           Stage de Nicolas Sanner (2002)
    HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                               41
                                                                                                                                                41
                                        Oscillateur + fibre à zéro-dispersion

                            • Amélioration des performances : la durée

               10000                                                     Yb:CALGO
                                                                         Yb:SYS
                                                                         Yb:SYS//YAG
  .




                                                                         Yb:BOYS
  Puissance moyenne (mW)




                                                                         Yb:GdCOB
                           1000                                          Yb:CaF2            Duré
                                                                                            Durées les plus
                                                                         Yb:LSO             brè
                                                                                            brèves à 1 µm
                                                                         Yb:YSO
                                                                         Yb:KYW
                                                                         Yb:KGW
                            100                                          Yb:KLuW
                                                                         Yb:YVO4
                                                                         Yb:Sc2O3
                                                                         Yb:YAB
                                                                         Yb:Sc2O3/Yb:Y2O3
                             10                                          Yb:Sc2O3
                                  10                               100   Yb:glass/Yb:KGW
                                       Durée des impulsions (fs)         + fibres



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                                                                                                              42
                                                                                                               42
                                   Fibres LMA : plus puissant
          • Amplificateurs à fibres dopées Yb
                           • Avantages : très fort gain, durées courtes, gestion
                             de la charge thermique
                           • Inconvénients : effets non-linéaires
                                                      fré
                            Amplification à dérive de fréquence en régime linéaire
   1                      Étirement temporel + élargissement du diamètre de cœur de la fibre ⇒
                                 Phase non-linéaire ΦNL<<1,   limite : durées longues (400 fs)

                                        Amplification de similaritons paraboliques
                                           équilibre entre SPM et GVD>0
   2                 Élargissement spectral (durée plus courtes), gestion des effets non-linéaires
                                     limites : bande de gain limitée, compressibilité
                                                     au-delà
                           Amplification parabolique au-delà de la bande de gain
                                                Façonnage de la phase spectrale
   3
                                    Compensation de la TOD ⇒ meilleur compressibilité,
                                          gestion de la limite de la bande de gain
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                                                                                                     43
                                                                                                      43
                                 Schéma expérimental



                                                 YDFA
                                              Fibre 20/400
      Oscillateur Yb:CALGO
      27 MHz, 650 mW, 24 nJ                                                        Diode 25 W
     145 fs,15 nm @~1050 nm                                     Miroir             Φ = 100 µm
                                                             dichroïque



                                    λ/2


                                                                          sortie
                                          Compresseur
                                            à réseaux




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                                                                                                44
                                                                                                 44
                                                          Amplification parabolique
                                                          au-delà de la bande de gain

                                                 Étirement linéaire                      Intensité


                                                                                                          SPM
                                                                  t                 t            λ    t




                                                                       Intensité                 λ               φNL
                                                                                   φNL

                                                                                                            Étirement linéaire
                             -10                                       1.1W                      λ
                                                                       4.5W
                                                                       8.7W
 Normalized Intensity (dB)




                             -15
                                                                      11.5W

                             -20                                              Asymétrie dans le spectre ⇒ φ3 ,
                             -25
                                                                              Modification de la phase d’ordre 3 (TOD)
                                                                              Possibilité de compensation de TOD
                                                                              Meilleure compressibilité
                             -30


                             -35
                                   1020   1040     1060    1080       1100
                                             Wavelength (nm)
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                 45
                                                                                                                                  45
                                                                  Résultats de l’amplification
     Caracté                               autocorré
   • Caractérisation des impulsions par un autocorrélateur
               fré
     résolu en fréquence (FROG) :
                                                                     1.1 W                                                                               8.7 W                                                              540
                                                                                                                                                                                                                                                        11.5 W
                                            530

                                            528
                                                                                                                                                                                                                            535
                                            526
          Trace FROG




                                                                                                                                                                                             S H W a v e le n g th (n m )
                       SH Wavelength (nm)




                                                                                                                                                                                                                            530
                                            524

                                            522                                                                                                                                                                             525

                                            520
                                                                                                                                                                                                                            520
                                            518
                                                                                                                                                                                                                            515
                                            516

                                            514                                                                                                                                                                             510
                                            512
                                                                                                                                                                                                                            505
                                            510
                                             -1500       -1000    -500           0     500         1000    1500                                                                                                                           -400 -300 -200 -100      0       100     200   300   400
                                                                         Delay (fs)                                                                                                                                                                           Delay (fs)



                                                                                                                                                                           70 fs                                                                                                 63 fs
                                            1,0                                                                                      1,0
                                                  27MHz/0.8W/30nJ                                                                           27MHz/6W/220nJ                                                                          1,0
                                                                                                                                                                                                                                          27MHz/7.8W/290nJ
                                                                                                                                           3.1MW peak power                                                                               4.6MW peak power
          impulsion




                                            0,8                                                                                      0,8                                                                                            0,8
                        Intensity (a.u.)




                                                                                                                  Intensity (a.u.)




                                                                                                                                                                                                                 Intensity (a.u.)
                                            0,6                                                                                      0,6                                                                                            0,6
                                                                                 ∆t=143 fs                                                                            ∆t=70 fs                                                                                         ∆t=63fs
                                            0,4                                                                                      0,4                                                                                            0,4


                                            0,2                                                                                      0,2                                                                                            0,2


                                            0,0                                                                                      0,0                                                                                            0,0

                                                  -600     -400   -200       0       200     400     600                               -300    -200   -100        0       100    200   300                                            -300     -200    -100        0         100         200    300
                                                                         Time (fs)                                                                            Time (fs)                                                                                        Time (fs)




          Validation du concept de compensation de TOD
          Durées plus brèves
          Duré        brè                                                                                                                  Post-doc de Dimitris Papadopoulos (2007-2008)
                                                                                                                                           Thèse de Yoann Zaouter (2005…)                46
                                                                                                                                                                                          46
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                        Oscillateur + fibre dopée à l’Yb
                            • Amélioration des performances : la puissance

               10000                                                     Yb:CALGO
                                                                         Yb:SYS
                                                                         Yb:SYS//YAG
  .




                                                                         Yb:BOYS
  Puissance moyenne (mW)




                                                                         Yb:GdCOB
                           1000                                          Yb:CaF2             Duré
                                                                                             Durées les plus
                                                                         Yb:LSO                brè
                                                                                               brèves par
                                                                         Yb:YSO             amplification avec
                                                                         Yb:KYW                        dopé
                                                                                            des fibres dopées
                                                                         Yb:KGW               à l’ytterbium
                            100                                          Yb:KLuW
                                                                         Yb:YVO4
                                                                         Yb:Sc2O3
                                                                         Yb:YAB
                                                                         Yb:Sc2O3/Yb:Y2O3
                             10                                          Yb:Sc2O3
                                  10                               100   Yb:glass/Yb:KGW
                                       Durée des impulsions (fs)         + fibres



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                                                                                                             47
                                                                                                              47
                                 Plan


        • Introduction : lasers à base de matériaux dopés à
          l’ytterbium

        • Oscillateurs femtoseconde
                 – Durées courtes
                 – Montée en puissance

        • Extension des performances
                 – Compression d’impulsions
                 – Amplification dans les fibres

        • Conclusion et perspectives


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                                                              48
                                                               48
                                 Conclusion

    • Oscillateurs à base de matériaux dopés à l’Yb
             – Durées très brèves : 47 fs
             – Puissance élevée et efficacité : 2.6 W, <200 fs
             – Puissance élevée et durées courtes : 500 mW, <70 fs

    • Fibres
             – Compression dans de la fibre non-linéaire : 20 fs
             – Amplification dans la fibre dopée Yb : 63 fs, 8W

    • Projets :
             – Vers des nouvelles architectures et des chaînes laser
               complètes

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                                                                       49
                                                                        49
                                 Nouvelles architectures
    • Exploiter plus le potentiel de l’Yb:CALGO
             – Structure « thin disk » pour plus de puissance
      La                                                       Rapport Surface/volume élevé
        se
          r
                                                rée
                                       Diode fib                            Cristal 100 à 300 µm
                                                                            Feuille d’indium
                                                      Flux thermique
                                                                            Cuivre


             – Structure en fibres cristallines pour des
               amplificateurs forte énergie/forte puissance



                                                                         Rapport Surface/volume élevé
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                                                                                                        50
                                                                                                         50
                                 Chaîne complète haute cadence à 1 m
            • Projet HiPoLYFF (high power lasers based on ytterbium doped fibres
                   in femtosecond regime)
                     – Source fs haute cadence (>100 kHz, 100 µJ, 100 fsfs)
                     – En collaboration avec le Xlim, LOA, Observatoire de la côte
                       d’azur
                                                                                           Thèse d’Igor Martial (oct 2008…)

                      Pre-
                      Pre-ampli à fibre                                       Ampli de puissance
                            non-liné
                     Régime non-linéaire                          étireur           non-liné
                                                                               CPA non-linéaire      compresseur

      Oscillateur                             Dazzler
                                                                                                                    Sub-100 fs/100 μJ
                                                                                                                    Sub-
    femtoseconde
                                                                                                                          nm/0.1-
                                                                                                                   @ 1050 nm/0.1-1 MHz
                   Élargissement             Contrôle actif de                  tré
                                                                             Rétrécissement par le
                  Temporel/spectral        l’amplitude et de la                  compensé
                                                                            gain compensé par SPM
                                                  phase




                                                    Impulsions énergétiques
     Challenges ?                                   et brèves
                                                    Pour une source HHG
                                                    Haute cadence                                                                        51
                                                                                                                                          51
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                    Lasers à fibres à base d’erbium
                                            • Projet GREffe de Cornée (GRECO)                                                                                                      Thèse de Franck Morin (2007…)
                                                   – Source fs à base de fibres dopées Er à 1,6 µm
                                                              (diffusion, absorption)
                                                   – En collaboration avec le LOA, Laboratoire Biotechnologie et Œil,
                                                     Imagine Eye, Amplitude Systèmes
                               100%

                               90%



                                                                                                                                                                                         Chaî
                                                                                                                                                                                         Chaîne laser à fibre Er
                               80%
 Abbsorption de 0.5 mm d'eau




                                                                                                                                              Pertes par diffusion (u.a.) (u.a)
                               70%

                               60%
                                                                                                                                                                                                  Cadence    100 kHz
                               50%
                                                                        Yb
                                                                                                       Er
                                                                                                                                                                                      Puissance moyenne      0,5 W
                               40%
                                                                        Nd                                                                                                           Énergie par impulsion   5 µJ
                               30%
                                                                                                                                                                                                    Durée    500 fs
                               20%
                                                                                                                                                                                  Longueur d’onde centrale   @ 1,6 µm
                               10%

                                0%
                                      0.5   0.6   0.7   0.8   0.9   1    1.1     1.2   1.3    1.4     1.5   1.6   1.7   1.8   1.9   2   2.1

                                                                               Longueur d'onde (µm)



                                                                                         Amplification en bande L
                               Challenges ?                                              de l’Er
                                                                                         Forte énergie / effets non-
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                         linéaires                                                                                                                      52
                                                                                                                                                                                                                         52
                                 Projet ILE

 • Projet Institut de la Lumière Extrême ILE : un laser 10 PW

                   • projet Francilien réunissant 13 laboratoires du plateau de Saclay
                   • mettre à disposition des scientifiques et des industriels une nouvelle
                     génération de lasers
                   • sources intenses et brèves de particules et de rayonnements énergétiques
                   • applications en science fondamentale et appliquée




                              Pilote :                               Compression :
                                           Amplificateurs boosters
                          <10 fs @800 nm                              150 J / 15fs
                                              250 J 1tir /min
                           100 mJ, 10 Hz                                10 PW




HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                            53
                                                                                             53
                                 Cristaux ytterbium pompés par diode

        • Pilote OPCPA du 10 PW ILE
                                       système kHz
                                         Ti:Saphir               Élargissement spectral
                                      30 fs @ 800 nm               < 10 fs @ 800 nm
                                           500 µJ                      100 µJ, kHz                                          10 fs
                                                                                                     OPCPA                @ 800 nm
                                                                                                  (BBO ou LBO)             100 mJ,
                                      Synchronisation                                                                       10 Hz


                      clock                                      Amplificateur Yb:KGW        Compression
                                      Laser fs Yb:KGW                                            et SHG
                                                                     Puis Yb:YAG
                                      Pompé par diode                                          1 à 100 ps          60 %
                                                                   Pompé par diode
                                       300 fs, 200 µJ                                        1 J @ 515 nm
                                                                    2 J @ 1030 nm
                                        @ 1030 nm
                                       50%                 x50           x8
                                                                          1Hz        x5           1
                                                                                                x5 Hz       70 %
                             0.4 mJ               0.2 mJ         10 mJ       80mJ         0.4 J      2J
                                                                                                 1.4 J 0.8 J
                      Osc +       ns stretcher          Ampl #1   Ampl #2 Ampl #3 Ampl #4 10-100 ps SHG
                      Regen                                                               compresseur
                                                         0.8 J @515 nm 1 Hz, 100ps

                                  Post-doc de Dimitris Papadopoulos (2008…)


                                                    Chaîne CPA picoseconde à 1 µm
     Challenges ?
                                                    « Le Joule en Yb pompé diode »
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
                                                                                                                                     54
                                                                                                                                      54
                                 Merci !
                                          •       Chimie Paris                          •   LPPM
                                                   –     Bruno Viana                         –     Sandrine Lévêque-Fort
•     ELSA                                         –     Gérard Aka                          –     Marie-Pierre Fontaine-Aupart
        –     Patrick Georges                      –     Philippe Goldner                    –     Nathalie Picqué
        –     François Balembois                   –     Daniel Vivien                       –     Guy Guelachvili
        –     Gérard Roger                         –     Johann Petit                        –     Julien mandon
        –     Gaëlle Lucas-Leclin                  –     Pierre-Olivier Petit
        –     Sébastien Chénais                    –     Romain Gaumé                   •   ENS Cachan
        –     Pierre Raybaut                       –     Pierre-Henri Haumesser              –     François Treussard
        –     Marc Hanna                                                                     –     Jean-François Roch
                                          •       Cimap
        –     Justine Boudeile
                                                   –     Richard Moncorgé               •   Xlim
        –     Pierre Blandin
                                                   –     Patrice Camy                        –     Vincent Couderc
        –     Franck Morin
                                                   –     Jean-Louis Doualan                  –     Philippe Leproux
        –     Mathieu Paurisse
                                                   –     Vincent Petit                       –     Sébastien Février
        –     Dimitris Papadopoulos
        –     Mathieu Jacquement          •       LETI                                       –     Philippe Roy
                                                   –     Florent Thibault                    –     Christelle Lesvigne
        –     Christoph Gerhard
        –     Sébastien Forget                     –     Daniel Pelenc
        –     Andrea Lucca                                                              •   LOA
        –     Yoann Zaouter
                                          •       Amplitude systemes                         –     Rodrigo Lopez-Martens
                                                   –     Éric Mottay                         –     Karsten Plamann
        –     Guillaume Debourg
                                                   –     Antoine Courjaud                    –     Florent Deloison
        –     Nicolas Sanner
                                                   –     Yoann Zaouter                       –     Donald Peyrot
        –     Delphine Paurisse
                                          •       LULI                                       –     Jean-Paul Chambaret
        –     Damien Sangla
                                                   –     Catherine Leblanc                   –     Gilles Chériaux
        –     Julien DidierJean
        –     Emilie Herault                                                                 –     Gérard Mourou
        –     Marc Castaing           •   Institut Optique
        –     David Paboeuf                   –   Thierry Avignon et les TP             •   ONERA
        –     Benjamin Cocquelin              –   Gilles Colas et l’atelier d’optique        –     Guillaume Canat
        –     Arnaud Dubois                   –   L’atelier de mécanique                     –     Laurent Lombard
                                              –   Service technique
                                              –   Service administratif
HdR Frédéric Druon 15 mai 2008
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