Brevet FR2104672A1 — publié le 19720421

La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la durée d'une impulsion de lumière ultra-brève et un dispositif comportant application dudit procédé. L'invention permet de mesurer très commodément des durées d'impulsions lumineuses aussi courtes que quelques picosecondes (LO-12 12s). Elle s'applique donc avantageusement domaines des lasers. En effet, des générateurs laser d'un type particulier, appelés lasers à modes bloqués, émettent des trains d'impulsions ultra-brèves dont les durées s'échelonnent entre 0,4 nanosecondes pour le laser a gaz hélium-néon, a moins de 2 pico-secondes pour le laser solide à verre dopé au néodyme. Ces impulsions sont séparées dans le temps par le temps de transit b des photons dans la cavité laser (L étant la longueur de la cavité et C la vitesse de la lumière). Ce temps de transit est, en général, de quelques nanosecondes. A l'aide de dispositifs appropriés, on peut éventuellement isoler une seule impulsion lumineuse appartenant auxdits trains d'impulsions ultra-brbves émisespar les lasers a modes bloqués. L'utilisation d'impulsions lumineuses aussi courtes est dans certains cas très intéressante pour améliorer la précision de certaines mesures, en télémétrie laser par exemple, ou encore pour l'étude de phénomène de physique fondamentale telle que l'interaction du rayonnement laser avec la matière. Cependant il faut pouvoir déterminer avec suffisamment de précision la durée de ces impulsions lumineuses ultra-brèves. A cette fin, différentes méthodes ont jusqu'ici été employées mais leur utilisation est plus ou moins commode et demande de mettre en oeuvre des énergies lumineuses importantes. Certaines méthodes nécessitent plusieurs manipulations successives alors que pour d'autres, dites directes, la mesure est effectuée en une seule fois sur une impulsion unique. De ce fait, seules ces dernières méthodes sont réellement intéressantes. Une première méthode directe consiste a envoyer le faisceau lumineux sur une photocathode sensible a la longueur d'onde d'émission du rayonnement incident, a accélérer dans une direction les électrons arrachés à la photocathode puis a effectuer un balayage du faisceau d'électrons formés, perpendiculairement a la direction d'accélération, a l'aide d'un champ magnétique ou électrostatique très puissant, et enfin, à mesurer la longueur de l'impact du faisceau d'électrons défléchis' sur- un écran fluorescent placé perpendiculairement' à la-direction d'accélération.Ce balayage se différencie des balayages usuels employés dans les tubes cathodiques en ce qu'il nécessite une intensité de champ de déflexion très grande puisque-les impulsions lumineuses sont spatialement très courtes, Cette méthode très pratique nécessite- cependant des moyens-de déflexion difficiles à mettre en oeuvre et, pour cette-raison, est peu utilisée et en est encore au stade du laboratoire. Une deuxième méthode est basée--sur l'émission de fluorescence de solutions organiques sous '1-' action simultanée de deux photons. Une cuve;. contenant une solution organique appropriée et fermée à l'une de ses -extrémités par un miroir, est placée sur le trajet du faisceau lumineux. Le miroir renvoie le faisceau lumineux qui traverse alors--la-cuve une deuxième fois. L'émission de lumière par fluorescence-de-ces solutions organiques, pratiquementnégligeable sous l'action d'un seul photon et par contre relativement importante pour.'deux' -photons agissant simul tanément, se trouve renforcée lo,rsque -les impulsions ultra-brèves des faisceaux lumineux incident et réfléchi sont en coincidence. Ce phénomène est enregistré à l'aide-dSun- appareil photographique et il suffit alors de mesurer la longueur-des zones pour laquelle l'émission lumineuse .par fluorescence-est -renforcée. Pour les lasers dont la longueur d'onde se situe à 1,06 , la solution organique utilisée est une solutionne rhodamine. Dans une autre méthode, on provoque, sous l'action simultanée de deux photons, le noircissement d'un film ou d'une plaque photographique dont la sensibilité est très faible sous l'effet d'un seul photon. L'inconvénient,majeur de ces--inéthodes est leur manque de sensibilité pour des impulsions ultra-trèves de très faible énergie. I1 est en effet nécessaire de disposer d'impulsions ayant chacune une énergie d'au moins quelques centaines de millijoules. Ces méthodes ne peuvent donc pas être-employëes pour mesurer la durée d'impulsions lumineuses issues dlun générateur laser ne comportant pas d'amplificateur. De plus, la méthode utilisant des solutions organiques est d'un emploi très peu commode puisque ces solutions subissent un effet de fatigue en présence de lumière: elles doivent de ce fait etre--employées dans l'obscurité et renouvelées fréquemment. La présente invention fournit- -un: -procédé et un dispositif correspondant mieux que;-ceu:x-d-l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment-en ce qu'ils ne présentent pas les inconvénients ci-dessus-. L'invention vise en particulier a obtenir un procédé de mesure de la durée d'une seule impulsion lumineuse ultra-brève, la mise en oeuvre dudit procédé étant reLativemant simple. De façon plus précise, la présente invention propose un procédé de mesure de la durée d'une impulsion de lumière ultra-brève, ladite lumière étant émise. sous forme d'un faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il consiste: - à polariser linéairement ladite lumière, - a séparer ledit faisceau de lumière polarisée en deux parties, - à faire diffuser l'une desdites deux parties dans un matériau diffusant, - à faire traverser la cuve, contenant un milieu diélectrique anisotrope, d'un obturateur effet Kerr par l'autre desdites deux parties, ce qui pour effet d'ouvrir ledit obturateur pendant un temps dlouverture égale à ladite durée de ladite impulsion, les chemins.-optiques des photons appartenant aux deux dites parties et arrivant dans ladite cuve étant égaux, - et à mesurer ledit temps dlouverture dudit obturateur. L'invention a également pour objet un dispositif comportant application dudit procédé, caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur de faisceaux divisant le faisceau lumineux incident en deux parties, un matériau diffusant provoquant la diffusion des photons de l'une des deux 'dites parties, un obturateur à effet Kerr composé d'une cuve contenant-run' milieu diélectrique anisotrope placée entre un polariseur et un analyseur, ladite cuve étant traversée par les photons diffusés -dans ledit matériau diffusant et par les photons contenus dans l'autre des deux dites parties et les chemins optiques depuis ledit séparateur de faisceau jusqura ladite cuve suivis par les photons des deux dites parties étant égaux, et des moyens pour photographier la propagation de l'une des deux dites parties dans ledit matériau diffusant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel la fig. unique représente schématiquement un-dispositif de mesure de la durée d'une impulsion lumineuse uitra-brève, dispositif conforme à l'invention. On sait qu'un rayon de lumière polarisée linéairement peut etre assimilé à une vibration électromagnétique dont le vecteur champ électrique E est perpendiculaire au plan de polarisatton,,le vecteur champ magnétique étant situé dans le plan de polarisation. Lorsque l'on fait agir un champ électrique de direction uniforme sur les molécules d'un milieu diélectrique anisotrope, tel qu'un liquide, il apparaît une biréfringence du milieu (effet Kerr). Cette biréfringence du milieu est due à une orientation préférentielle des molécules dans la direction du champ électrique appliqué.L'expérience montre que, pour une radiation donnée, la différence n - n des deux indices e 0 optiques~principaux (ordinaire et extraordinaire) est proportionnelle-au carré de l'intensité E du champ électrique appliqué. On traduit cette loi par l'une ou l'autre des formules suivantes: aans iesquëiies B designe la constante de Kerr du liquide étudié pour la radiation de longueur d'onde #, # le retard de phase entre deux composantes perpendiculaires de l'onde se propageant dans le liquide, l'une étant parallèle au > $1an de polarisation, # la différence de marche entre ces deux composantes et'l l'epaisseur~de liquide traversée par la radiation.Si l'on dispose une cuve contenant le liquide soumis au champ électrique E entre un polariseur et un anlyseur dont les axes optiques sont croisés, on réalise un obturateur, appelé obturat'eur à effet Kerr, qui n'est ouvert que pendant la durée d'application d champ électrique E. Ce dernier est généralement produit à l'aide d'une paire de plaques parallèles immergées dans le liquide et entre lesquelles on applique une différence de potentiel élevée. Une autre solution, toute récente, consiste à faire agir le champ électrique associé à une onde lumineuse polarisée linéairement sur:les molécules du liquide. La valeur du champ électrique a appliquer pour obtenir lteffet Kerr étant relativement élevée ta titre d'exemple , plusieurs milliers de Volts/cm au minimum), il est necessaire que la puissance transportée par le faisceau lumineux interagissant avec le liquide soit suffisamment élevée. En effet, on sait que la puissance W transportée par une onde plane se propageant dans un milieu.de constante diélectrique C et de perméabilité p est liée au champ électrique E associé à l'onde. plane par la relation: + w - ( ) E 2 T On dispose ainsi d'un moyen très commode pour commander l'ouverture ou la fermeture d'un obturateur a effet Kerr: on fait agir un faisceau de lumière polarisée linéairement sur le liquide, ce qui donne lieu à l'apparition d'une biréfringence dans ce dernier, l'état (ouvert ou fermé) de l'obturateur à effet Kerr n'étant modifié que pendant un temps correspondant au passage du faisceau de lumière à travers le liquide.La constante de temps de l'obturateur dépend de la vitesse à laquelle les molécules du liquide s'orientent (ou se désorientent) au moment de l'établissement (ou de la coupure) du champ électrique appliqué. A titre d'exemple, pour le sulfure de carbone très fréquemment utilisé, le temps d'orientation des molécules est de l'ordre de 1,8.10 -12 s. Pour des effets de plus courte durée, on peut utiliser l'effet Kerr dû au mécanisme de distorsion électronique qui a une constante de temps de l'ordre de 10 s. Ainsi, la durée de l'ouverture d'un obturateur à effet Kerr est égale à la durée du signal lumineux commandant l'ouverture. On peut montrer que la transmission de la cellule de Kerr est proportionnelle à sin2 ( Y ) et que la transmission est maximale lorsque =Tr , trepresentant le retard de phase entre deux composantes perpendiculaires de lwonde lumineuse, l'une de ces composantes étant parallèle au plan de polarisation. A titre d'exemple, si la transmission de l'obturateur à effet Kerr est maximale lorsque l'intensité de l'onde lumineuse commandant l'ouverture de cet obuturateur est maximale, la transmission diminue d'un facteur 2 lorsque l'intensité de l'onde lumineuse incidente diminue égalément d'un facteur 2-. Ainsi, la mesure du temps pendant. lequel la transmission de l'obturateur passerd'une valeur. maximale à une valeur moitié correspond à la moitié de la largeur à mi-hauteur du -signal -lumineux ayant traversé la cuve de Kerr. La: mesure de la durée d'ouverture de l'obturateur est obtenue en photographiant la propagation d'une partie du signal lumineux dans un matériau. diffusant, l'autre partie de:l'impul- sion étant - utilisée pour.commander l'ouverture de - l'obturateur. La longueur .du -trait photographié est proportionnelle à cette durée. On peut, par exemple, effectuer une densitométrie du trait photographié, et mesurer la longueur du trait correspondant à la distance séparant l'éclairement maximal-T de l'éclairement moitié T , cette distance étant~proportionnelle à la moitié de la largeur à mi-hauteur du signal lumineux. largeur Surla fig. unique représant schématiquement un dispositif de mesure de la durée d'une impulsion ultra-brève, l'impulsion lumineuse dont on veut déterminer la durée est représentée par -le faisceau lumineux 2. Ce faisceau es-t tout d'abord polarisé linéairement à l'aide d'un polariseur 4, un prisme de Glan par exemple. Le p-olariseur 4 peut être inutile lorsque le faisceau incident 2 est déjà polarisé.- Le faisceau polarisé est ensuite divisé en deux parties à l'aide d'un diviseur de faisceau 6, l'une de ces parties- traversant un matériau diffusant 8 et l'autre partie commandant l'ouverture d'un obturateur à effet Kerr 10. Cet obturateur comprend un polariseur 12, un analyseur 14 et, compris entre l'analyseur et le polariseur, une cuve 16 contenant un liquide anisotrope dont les molécules sont orientables sous 1'action d'un champ électrique, du sulfure de carbone par exemple. Les axes optiques du polariseur 12 et de l'analyseur 14 sont croisés. La partie du faisceau lumineux commandant l'ouverture de 1'obturateur est réfléchie sur un miroir 18 avant de traverser la cuve 16.Une plaque photographique 20 est située à la sortie de l'obturateur à effet Kerr 10. Un objectif 22 forme l'image du matériau diffusant 8 sur la plaque photographique 20. On photographie, a travers l'obturateur à effet Kerr 10, la propagation d'une partie du faisceau lumineux à l'intOrieur du matériau diffusant 8. Les photons venant impressionner la plaque photogrspkique 20 sont les photons diffuses par le matériau 8; ils sont représentés par le faisceau 24 sur la fig. unique. Cependant, il est nécessaire que les photons diffusés traversent l'obturateur a effet Kerr 10 lorsque celui-ci est ouvert, ce qui signifie que les trajets optiques, compris entre le séparateur de faisceau 6 et la cuve 16, des rayons lumineux ayant passés par le matriau diffusant 8 et par le miroir 18 soient égaux. De cette façon, l'instant d'ouverture de l'obturateur 10 est synchrone du passage dans l'obturateur de la lumière diffusée par le matériau 8. On effectue une densitométrie du trait obtenu sur la plaque photographique. a largeur àmi-hauteur de l'impulsion lumineuse, correspondant à une réduction de moitié de l'éclairement du trait photographié, est obtenue en divisant la longueur du trait par la vitesse de la lumière dans le matériau diffusant 8 et en tenant compte du grandissement de l'objectif 22. - Le procédé et le dispositif décrits ci-dessus peuvent avaatageusement etre utilisés pour la mesure des impulsions lumineuses ultra-brèves issues d'un générateur laser. Dans ce dernier cas, la lumière laser est généralement polarisée linéairement et il est alors inutile d'utiliser le polariseur 4. Dans le cas d'impulsions lumineuses infrarouges, on peut utiliser des plaques photographiques sensibles à cette longueur d'onde ou encore un convértisseur de fr8quences pour se placer dans le domaine de détection de la plaque photographique 20. Le matériau diffusant 8 peut etre par exemple un verre dépoli ou encore un liquide diffusant. L'analyseur 12 et le polariseur 14 peuvent être des primes de Glan.Lorsque la plaque photographique 20 est impressionnée par la lumière ambiante, il peut étre nécessaire d'enferrer l'obturateur à effet Kerr 10, ainsi que la plaque photographique 20, à l'intérieur d'une chambre noire comportant au moins une fenêtre permettant le passage du faisceau lumineux commandant l'ouverture de l'obturateur et du faisceau de lumière diffusée 24. Afin que la valeur du champ électrique produitpar-î'onde'lumineuse traversant la cuve 16 soit suffisante pour donner lieu à un effet Kerr mesurable, il est nécessaire que le faisceau lumineux 2 soit suffisamment puissant. A titre d'exemple, pour la mesure d'impulsions lumineuses aussi courtes que 10-14 s issues d'un laser, il est nécessaire que la puissance de ce laser soit au moins de 100 mégawatts/cm2. Cette dernière valeur correspond à un champ électrique de 910 statvoltszem dans du sulfure de carbone. -il va-sans dire que la présente invention ne ,se limite pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et que la portée du présent brevet s'étend à 'tout ou partie des dispositions, restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toutes applications de telles dispositions. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la durée d'une impulsion de lumière ultra-brève, ladite lumière étant émise sous forme d'un faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il consiste - a polariser rectilignement ladite lumière, - a séparer ledit faisceau de lumière polarisée en deux parties, - à faire diffuser l'une desdites deux parties dans un matériau diffusant, - à faire traverser la cuve, contenant un milieu diélectrique anisotrope, d'un obturateur à effet Kerr par l'autre desdites deux parties, ce qui a pour effet d'ouvrir ledit obturateur pendant un temps d'ouverture égal à ladite durée de ladite impulsion, les chemins optiques des photons appartenant aux deux dites,parties et arrivant dans ladite cuve étant égaux, - et à mesurer ledit temps d'ouverture dudit obturateur. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mesure dudit temps d'ouverture dudit obturateur est effectuée en photographiant, a travers ledit obturateur, la propagation de l'une des deux dites parties dans ledit matériau diffusant, la distance photographiée de ladite propagation étant proportionnelle à ladite durée de ladite impulsion, et en faisant une densitométrie de l'image de la propagation photographiée. 3. Dispositif comportant application du procédé défini aux revendications 1 et 2,caractérisé en ce qu'il comporte un polariseur, un séparateur de faisceau divisant le faisceau lumineux incident en deux parties, un matériau diffusant provoquant la diffusion des photons de l'une des deux dites parties, un obturateur à effet Kerr composé d'une cuve contenant un milieu diélectrique anisotrope placée entre un polariseur et un analyseur, ladite cuve étant traversée par des photons diffusés dans ledit matériau diffusant et par les photons contenus dans l'autre des deux dites parties et les chemins optiques depuis ledit séparateur de faisceau jusqu'à ladite cuve suivis par les photons des deux dites parties étant égaux, et des moyens pour photographier la propagation de l'une des deux dites parties dans ledit matériau diffusant. 4. Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que lesdits moyens comprennertune plaque photographique et un objectif permettant de former l'image de ladite propaga tison dans ledit matériau diffusant sur ladite plaque,, phot,pgr,- phique. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caraçtérisé en ce que ledit 'milieu diélectrique anisotrope est un liquide. 6. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit polariseur et ledit analyseur sont deux prismes de Glan. 7. Dispositif suivant la revendication 3 ou 6, caractérisé en ce que l'axe optique dudit polarise,ur est a 450 de l'axe optique -dudit analyseur. 8. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que-ledit matériau diffusant est du verre depoli. 9. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que; ledit obturateur à effet Kerr et lesdits moyens sont placés dans une chambre noire comprenant une fenêtre par laquelle pénètrent les 'photons des deux dites parties.