Brevet FR2063098A1 — publié le 19710709

3110/ 0 20 63098 La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la durée d'impulsions ultra-brèves de lumière sensiblement monochramatique et un dispositif comportant application dudit procédé. L'invention permet de mesurer très commodément des durées d'im- r — 12 pulsions lumineuses aussi courtes que quelques picosecondes [10 s). Elle s'applique donc avantageusement au domaine 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 à gaz hélium-néon, à moins de 2 picosecondes pour le laser solide à verre dopé au néodyme. Ces impulsions sont 2 L séparées dans le temps par le temps de transit —p— des photons dans la L» 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-brèves émises par les lasers à 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 phénomènes de physique fondamentale telle que l'interaction du rayonnement laser avec la matière. Cependant il faut oouvoir déterminer avec suffisamment de précision la durée de ces impulsions lumineuses ultra-brèves. Dans ce but, 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, à envoyer le faisceau lumineux sur une photocathode sensible à la longueur d'onde d'émission du rayonnement inciccnc:, à accelcrer dans une direction les électrons arrachés à la photocathode puis à effectuer un balayage du faisceau d'électrons formés, perpendiculairement à la direction d'accélération, à 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 BAD ORIGINAL 69 31107 2 20 63098 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 5 laboratoire » Une deuxième méthode est basée sur 1'émission de fluorescence de solutions organiques sous Inaction 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 10 renvoie le faisceau lumineux qui traverse alors la cuve une deuxième fois. L'émission de lumière par fluorescence de ces solutions organiques, pratiquement négligeable sous l'action d'un seul photon et par contre relativement importante pour deux photons agissant simultanément, se trouve renforcée lorsque les impulsions ultra-brèves des faisceaux lumineux incident et ré-15 fléchi sont en coïncidence. Ce phénomène est enregistré à l'aide d'un 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 1,06p. , la solution organique utilisée est une solution de rhodàmine. 20 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 majeurde ces méthodes est leur manque de sensibilité pour des impulsions ultra-brèves de très faible énergie. Il est en effet 25 nécessaire de disposer d'impulsions ayant chacune une énergie d'au moins quelques centaines de millijoules. Ces méthodes ne peuvent donc pas être employées pour mesurer la durée d'impulsions lumineuses issues d'un générateur laser ne comportant pas d'amplificateur. De plus, la méthode utilisant des solutions organiques est d'un emploi très peu commode puisque ces solu-30 tions subissent un effet de fatigue en présence de lumière : elles doivent de ce -fait être employées dans l'obscurité et renouvelées fréquemment. La présente invention fournit un procédé et un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il ne présenté pas les inconvénients ci-dessus.. L'inven-35 tion vise en particulier à obtenir une méthode de mesure d'impulsions lumineuses ultra-brèves dont l'énergie peut être très faible, quelques milli-joules, et à l'aide d'une seule impulsion. Ceci est réalisé grâce à une amplification: des phénomènes utilisés pour la mesure de la durée de ces impulsions. 69 31107 20 63098 De façon plus précise, la présente invention propose un procédé de mesure de la durée d'impulsions brèves de lumière sensiblement monochromatique caractérisé en ce qu'il consiste : - à dédoubler le faisceau lumineux polarisé en deux faisceaux 5 identiques, - à faire interférer lesdits deux faisceaux dédoublés, ayant parcouru le même chemin optique,,sur une photocathode constituée d'une couche mince métallique placée sous vide et telle que la valeur de l'énergie d'extraction des électrons de ladite couche soit supérieure à l'énergie des 10 photons incidents, - à obtenir, à l'aide d'électrons arrachés à ladite photocathode suivant un processus multiphotonique par des photons en coïncidence appartenant auxdits deux faisceaux lumineux, et non pas à un seul faisceau, l'image de la zone d'interaction multiphotonique sur ladite photocathode, 15 - à mesurer l'étendue 1 de ladite zone et à en déduire ladite durée à t de l'impulsion lumineuse. Lorsque lesdits électrons arrachés à ladite photocathode sont peu nombreux, ce qui a lieu lorsque l'énergie contenue dans l'impulsion lumineuse dont on veut connaître la durée est très faible, on multiplie ces élec- 20 trons au préalable avant de les utiliser pour former ladite image de ladite zone d'interaction multiphotonique. L'invention propose également un dispositif comportant application dudit procédé caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur permettant de dédoubler le faisceau de lumière en deux faisceaux identiques, une photo- 25 cathode constituée d'une couche métallique de faible épaisseur placée sous vide et des moyens appropriés pour former l'image de la zone d'interaction multiphotonique desdits deux faisceaux sur ladite photocathode à l'aide d'électrons arrachés à ladite couche métallique suivant un processus multiphotonique. 30 Suivant une première forme de réalisation avantageuse, ledit dis positif comporte un système multiplicateur desdits électrons arrachés à ladite couche métallique placé juste après la photocathode et des moyens d'analyse desdits électrons multipliés, lesquels peuvent être sait une plaque photographique, soit un écran fluorescent. 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un mode d'wiécution de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel la 69 31107 4 20 63098 figure 1 représente schématiquement un dispositif de mesure d'impulsions lumineuses ultra-brèves conforme à l'invention. Ledit procédé utilise l'effet photoélectrique non linéaire observé sur les métaux tels que l'or, le césium, l'argent, 1b nickel. Les photons 3 ayant une énergie h-0 inférieure à l'énergie d'extraction des électrons du métal ne donnent lieu à une émission photoélectrique que sous l'action simultanée de plusieurs photons. On dit alors que l'on a affaire à un phénomène multiphotonique. L'expérience montre que, dans ce cas, le nombre n d'électrons extraits est donné par la relation : pa 10 n = k E dans laquelle k est une constante, E le champ électrique associé à l'onde lumineuse et a un coefficient dépendant de la nature du métal constituant la photocathode et de la longueur d'onde des photons incidents. La valeur du coefficient oc est égale au rapport de l'énergie 1 d'extraction des électrons du métal à l'énergie h*) des photons incidents. Ainsi a est égal à 2 pour le césium, et à 6 pour l'or et l'argent. Pour une onde plane se propageant dans un milieu non magnétique d'indice de réfrac -tion n, la puissance lumineuse est reliée à la valeur du champ électrique E par la relation : j_ 1 / E o \ 2 £ W = -i- n ( ) E 2 \ U-n / 20 W „ .. , P-o 2 ^o -g— étant l'impédance du vide, soit 377il . Le procédé consiste alors à faire interférer deux faisceaux lumineux, formés à partir d'un seul faisceau sensiblement parallèle de lumière monochromatique constitué d'impulsions lumineuses ultra-brèves que 25 l'on veut mesurer, lesdits faisceaux ayant parcouru le même chemin optique, sur une photocathode dont la valeur de l'énergie d'extraction des électrons est supérieure à celle de l'énergie des photons incidents. Le dédoublement du faisceau initial permet de faire interférer deux impulsions identiques à l'impulsion de durée à mesurer contenue dans le faisceau initial. Sur la 30 photocathode, constituée d'une couche métallique mince placée sous vide, une interaction du type multiphotonique se produit entre les photons en coïncidence des deux faisceaux et les électrons de la couche métallique. Un certain nombre de ces électrons sont alors éjectés. Si E^t) et E^(t) désignent les valeurs à un instant t du champ électrique associé à l'onde 25 lumineuse de chacun des deux faisceaux, le champ électrique résultant de l'interférence des deux faisceaux en un point de la photocathode est de la forme E(t) = E^ (t) + E (t +T ], t représentant le retard entre les deux 69 31107 s 20 63098 ondes lumineuses interférant au point considéré de la photocathode. 8i la réponse de la phatocaliiode est non liné&ira, elle contiendra un terme proportionnel à la fonction de corrélation g [% ] dr. deux impulsions : Le bruit de fond, autre que celui d'oririne thermique, est constiujû par la réponse multiphotonique de la photocathode sous l'action d'au moins deux photons appartenant à un seul des deux faisceaux dédoublés. Expérimentalement, on note un renforcement de l'émission photoélectrique dans les régions 10 de la photocathode balayées par les impulsions en coïncidence. Les dimensions de ces zones de coïncidence ou d'interaction multiphotonique sont reliées directement à la durée des impulsions ultra-brèves. Lorsque le nombre d'électrons extraits de la couche métallique n'est pas suffisant pour former directement une image de la zone de coïncidence, on les multiplie à l'aide 15 d'un dispositif approprié. procédé, un faisceau parallèle 1 de lumière monochromatique formé par les impulsions ultra-brèves à mesurer est dédoublé à l'aide d'un séparateur 2 constitué d'une lame mince semi-transparente dont le coefficient de ré-20 flexion est égal à 0,5. On obtient alors deux faisceaux 3 et 4 identiques. Ceux-ci sont réfléchis à l'aide des miroirs 5 et S, puis ils interfèrent sur une photocathode 7, disposée dans un plan noivnal au plan déterminé par le champ électrique et la direction de propagation, suivant le même angle d'incidence 6 et après avoir parcouru le même chemin optique depuis le sé-25 parateur 2. L'incidence est tangentielle c'est-à-dire que Q est voisin de 90°. Le choix de la valeur de cet angle est guidé par le fait que, dans ce cas, la valeur du champ électrique E (t) associé à l'onde lumineuse polarisée dans les faisceaux 3 et 4 est maximale puisque la direction du champ E (t) est pratiquement normale à la surface de la photocathode 7. Celle-ci 30 est constituée d'une couche métallique de faible épaisseur placée sous vide secondaire et reliée électriquement à la masse. Derrière la photocathode 7 et en regard de la surface d'interférence des faisceaux 3 et 4, se trouve un réseau de fibres parallèles multiplicatrices d'électrons 8 polarisées à l'aide d'un générateur 9 par une différence de potentiel de l'ordre de quel— r_ • quB2 kilovolts. Chacune de ces fibres, dont le diamètre est de l'ordre de quelques dizaines de microns, se comporte comme un multiplicateur d'électrons à dynodes réparties. Dans la région de la photocathode intéressée par Sur la figure 1 qui représente un mode de mise en oeuvre dudit BAD ORIGINAL ^ 31107 20 63098 l'effet photoélectrique non linéaire, les fibres vont amplifier les élec- g trons reçus. Le facteur multiplicatif peut être très élevé et atteindre 10 . A la sortie des fibres 8, les électrons sont reçus sur un écran fluorescent 10 dont ils excitent la fluorescence. L'enregistrement photographique de cette zone donne la largeur 21.des zones de coïncidence des impulsions ultra-brèves. La valeur de 1 est donnée très simplement par la relation : 1 - c A t — sin 8 àt étant la durée des impulsions ultra-brèves, C la vitesse de propagation de la lurniùre dans le milieu situé au-dessus de la photocathode et Q l'angle d'incidence. Connaissant les valeurs de 1 (par enregistrement photographique) et de Q (par les conditions géométriques), on en déduit très simplement la valeur A t de la durée des impulsions ultra-brèves à l'aide de la relation : A t ^ 5^n ® Les avantages du dispositif schématisé sur la figure 1 sont nombreux. Citons par exemple le fait que la mesure de la durée des impulsions ultra-brèves est une mesure directe, c'est-à-dire qu.'elle peut être faite en une seule fois et sur une seule impulsion. De plus, la méthode de mesure est d'une très grande sensibilité puisque l'effet photoélectrique non linéaire est observable avec des énergies de quelques millijoules seulement, compte g tenu du gain élevé (10 ) des fibres multiplicatrices d'électrons. Il est possible, avec ce dispositif, de mesurer des durées d'impulsions de signaux laser de faibles énergies aussi courtes que quelques picosecondes (10 secondes). 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 explicatif et que la portée du présent brevet s'étend également aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites, restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toute application de telles dispositions. En particulier, de nombreuses références ont été faites aux impulsions lumineuses issues d'un générateur laser mais il est évident que la présente méthode de mesure s'applique également aux impulsions lumineuses issues d'une source non cohérente mais sensiblement monochromatique. Il est possible également de remplacer l'écran fluorescent 10 par une plaque photographique, la densi.tométrie de cette plaque permettant alors d'évaluer la durée des impulsions par la mesure de la dimension des zones impressionnées par les électrons. La position des miroirs 5 et 6 par rapport à la photocathode 7 est telle que les BAD original 69 31107 20 63098 angles d'incidence 0 des deux faisceaux lumineux 3 et 4 sont égaux : cette égalité des angles d'incidence est commode mais non obligatoire. Lorsque les angles d'incidence n'ont pas la même valeur, la relation liant la durée A t de l'impulsion lumineuse ultra-brève à la demi-largeur 1 de la zone d'interaction multiphotonique sur la photocathode est un peu plus compliquée que celle* citée dans le cas du dispositif décrit à la figure 1. Le système multiplicateur d'électrons n'est pas obligatoirement un réseau de fibres : d'autres moyens appropriés peuvent être utilisés. 69 31107 20 63098 REVENDICATIONS 1°. Procédé de mesure de la durée d'impulsions ultra-brèves de lumière sensiblement monochromatique caractérisé en ce qu'il consiste : - à dédoubler le faisceau lumineux polarisé en deux faisceaux j identiques, - à faire interférer lesdits deux faisceaux dédoublés, ayant parcouru le même chemin optique, sur une photocathode constituée d'une couche mince métallique placée sous vide et telle que la valeur de l'énergie d'extraction des électrons de ladite couche soit supérieure à l'énergie des 10 photons lumineux incidents, - à obtenir, à l'aide d'électrons arrachés à ladite photocathode suivant un processus multiphotonique par des photons en coïncidence appartenant auxdits deux faisceaux lumineux dédoublés et non pas à un seul faisceau, l'image de la zone d'interaction multiphotonique sur ladite photo- 15 cathode, - à mesurer l'étendue 1 de ladite zone et à en déduire ladite durée A t de l'impulsion lumineuse» 2°. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits deux faisceaux dédoublés interfèrent sur ladite photocathode suivant le mime angle d'incidence Q, la durée A t de l'impulsion lumineuse étant alors donnée par la relation ; . 1 sin 0 - ——g—— C désignant la vitesse de la lumière dans le milieu d'arrivée desdits deux faisceaux sur ladite photocathode,, 25 3°„ Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits deux faisceaux dédoublés interfèrent sur ladite photocathode suivant des incidences quasi-tangentielles» 4°. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits électrons arrachés à ladite photocathode sont multipliés avant d'être 30 utilisés pour obtenir ladite image de ladite zone d'interaction multiphotonique. 5°. Dispositif comportant application dudit procédé défini à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur permettant de dédoubler le faisceau de lumière en deux faisceaux identiques, une photo-35 cathode constituée d'une couche métallique de faible épaisseur placée sous vide et des moyens appropriés pour former l'image de la zone d'interaction multiphotonique des deux dits faisceaux sur ladite photocathode à l'aide d'électrons arrachés à ladite couche métallique suivant un processus multiphotonique. 69 31107 20 63098 6°. Dispositif suivant !.. i i,vc:f>Ci>.;..tiOii .5, caractérisé en ce que lesdits moyens appropriés comportent un réseau de fibres parallèles multipli— catrices d'électrons polarisés par une différence de potentiel élevée et placée sous ladite couche métallique et des moyens d'analyse des électrons 3 multipliés. 7°. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'analyse desdits électrons multipliés sont une plaque photographique. B°. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que 10 lesdits moyens d'analyse desdits électrons multipliés sont un écran fluorescent. 9°. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites fibres ont un diamètre très faible, de l'ordre de quelques, dizaines de microns. 13 10°, Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite photocathode est reliée électriquement à la masse» - zzïù.'J. ;-o BAD ORIGINAL '