Brevet FR2572196A1 — publié le 19860425

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MODULATION DE PHASE OPTIQUE CONTROLABLE STABLE. La présente invention concerne un procédé de modulation de phase optique pour l'obtention de déphasages optiques supérieurs à 2r radians dans des faisceaux de structure géométrique régulière. Pour de nombreuses applications optiques, il est nécessaire de disposer d'ondes modulées en phase avec des déphasages optiques supérieurs à 27 radians. On a déjà réalisé des modulations de phase optiques à partir d'ondes planes de type gaussien, c'est-à-dire présentant une intensité de champ plus intense au centre que sur les bords, en utilisant l'effet Kerr optique qui est la propriété pour certains matériaux de présenter des variations auto-induites d'indice de réfraction lorsqu'ils sont parcourus par une onde à puissance variable. De tels matériaux à propagation non linéaire permettent ainsi de créer des déphasages de l'onde plane lorsque celle-ci pénètre dans le matériau non linéaire. Toutefois, lorsque la puissance de l'onde plane est trop faible, le déphasage reste inférieur à 2'ï radians et reste trop faible pour permettre des applications intéressantes. Au contraire, lorsque la puissance de l'onde plane est élevée, il se produit au sein du matériau non linéaire une autofocalisation qui correspond à un phénomène de modulation de phase instable et non contrOlable et provoque une explosion de l'onde au sein de la matière. Il se pose ainsi le problème de pouvoir créer dans un faisceau lumineux une modulation de phase stable et contrOlable qui soit suffisamment importante sans provoquer d'explosion du faisceau lumineux en sortie d'un matériau non linéaire. On a déjà proposé, notamment dans l'article de M.Vampouille et J. Marty intitulé "modulation de phase contrôlée dans les fibres optiques monomodales", paru dans la revue '"Optical and Quantum Electronics N.13 de 1981 pp.393-400, de réaliser une modulation de phase contr6lée à partir d'impulsions non gaussiennes, profilées à volonté suivant des lois temporelles appropriées, et transmises à travers des fibres optiques monomodales non dispersives. L'utilisation de fibres optiques monomodales pour créer une modulation de phase contr6lée représente cependant une contrainte importante qui limite fortement les applications. En effet, les fibres monomodes présentent un coeur de petit diamètre et ne peuvent transporter sans dominmage qu'une très faible puissance. Pour certains domaines de longueur d'onde, il n'est plus possible, en pratique, de travailler qu'avec des fibres réalisées en silice, c'est-à-dire en un matériau monomode peu non linéaire qui ne permet pas d'obtenir des performances réellement intéressantes. Le phénomène d'autofocalisation d'un faisceau laser composé d'impulsions d'une durée initiale de l'ordre de 30ps, lorsque le faisceau laser pénètre dans un matériau présentant l'effet Kerr optique, a été analysé dans l'article de M.Vampouille, B.Colombeau et C. Froehly, intitulé "Application du contrâle de l'autofocalisation dans CS2 au raccourcissement d'impulsions laser picoseconde, paru dans la revue "Optical and Quantum Electronics N.14 de 1982, PP.253-261. Si l'article précité indique certaines conditions expérimentales de maîtrise spatiale du phénomène d'autofocalisation dans des matériaux optiques non linéaires et présente les caractéristiques des effets de modulation obtenus, il ne présente aucun moyen visant à éviter l'autofocalisation des ondes planes incidentes qui sont toujours de type gaussien. Les applications des dispositifs décrits dans cet article sont donc limitées et ne permettent pas de créer un faisceau stable évoluant de façon parfaitement maîtrisée avec des déphasages non linéaires supérieurs à 2i radians. L'invention a donc précisément pour objet de créer une modulation de phase stable et bien contr6lée dans un faisceau de structure géométrique régulière avec des déphasages supérieurs à 2 r radians. Ces buts sont atteints grâce à un procédé selon lequel, conformément à l'invention, on propage une onde fragmentée en cellules régulières constituant un pavage sinusoidal bidimensionnel dans un matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction. On produit l'onde fragmentée à partir d'un faisceau laser auquel on a fait traverser un dispositif interférentiel ou de modulation spatiale périodique. On utilise un faisceau laser délivré par une source laser à modes bloqués afin d'obtenir des déphasages dépendant de l'espace et du temps suivant une loi prédéterminée. Selon une caractéristique avantageuse, on réalise dans le dispositif interférentiel par bi-réfringence une division d'amplitude du faisceau laser pour former quatre ondes dont la valeur moyenne du produit de corrélation est nulle. Selon un mode particulier de réalisation, on produit une fragmentation du faisceau de structure géométrique régulière à l'aide d'un système à dispersion croisée produisant une image à travers un système afocal. Selon une variante de réalisation, onproduit une fragmentation du faisceau de structure gécmétrique régulière par filtrage des fréquences spatiales au moyen d'une double diffraction. L'invention concerne également un dispositif de modulation de phase contr8lable stable comprenant une source d'impulsions laser brèves et un matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction, lequel dispositif, conformément à l'invention, comprend un dispositif d'interférométrie ou de masquage qui est interposé entre la source d'impulsions laser brèves et le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction pour former quatre ondes fragmentées dont la valeur moyenne du produit de corrélation est nulle. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif d'interférométrie comprend un premier prisme de Wollaston à grand angle de déviation interposé sur le trajet de l'onde pulsée principale émise par la source laser, pour réaliser un premier dédoublement de l'onde puisée principale en deux ondes secondaires divergentes situées dans un premier plan Pi, une lame demi- ondedisposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires, des premier et second miroirs disposés sur les trajets des deux ondes secondaires, perpendiculairement audit premier plan P1 pour rendre convergentes les deux ondes secondaires divergentes, un second prisme de Wollaston à grand angle de déviation placé au point de convergence des deux ondes secondaires pour réaliser un dédoublement de chacune des deux ondes secondaires dans des plans perpendiculaires audit premier plan P1 de manière à créer un ensemble de quatre ondes tertiaires divergentes, une seconde lame demi-onde disposée sur le trajet de deux des quatre ondes tertiaires divergentes et des troisième, quatrième, cinquième et sixième miroirs placés sur les trajets des quatre ondes tertiaires divergentes et inclinés par rapport aux premier et second miroirs de manière à faire converger les quatre ondes tertiaires dans le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'interférométrie comprend un premier prisme de Wollaston à petit angle de déviation interposé sur le trajet de l'onde pulsée principale émise par la source laser, pour réaliser un premier dédoublement de l'onde pulsée principale en deux ondes secondaires faiblement divergentes situées dans un premier plan PI, une lame demi-onde disposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires, un second prisme de Wollaston à petit angle de déviation placé sur le trajet des deux ondes secondaires pour réaliser un dédoublement de chacune des deux ondes secondaires dans des plans perpendiculaires audit premier plan P1 de manière à créer un ensemble de quatre ondes tertiaires faiblement divergentes, une seconde lame demionde disposée sur le trajet de deux des quatre ondes tertiaires et un système optique afocal placé sur les trajets des quatre ondes tertiaires faiblement divergentes pour faire converger les quatre ondes tertiaires dans le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif de modulation de phase comprend un dispositif de masquage à quatre ondes constitué successivement par un masque binaire comprenant un réseau d'ouvertures réparties en damier, une première lentille convergente, un filtre spatial muni d'un ensemble de quatre ouvertures réparties en croix, et une seconde lentille convergente pour former un réseau de franges dans le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction. Dans ce cas, le masque binaire et le filtre sont situés dans les plans focaux de la première lentille convergente, tandis que le filtre et le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction sont situés dans les plans focaux de la seconde lentille convergente. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif de modulation de phase comprend un dispositif de masquage à quatre ondes constitué par un réseau de diffraction à deux dimensions par réflexion ou transparence et un système optique afocal pour former un réseau de franges dans le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite de modes particuliers de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexe, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un premier dispositif d'interférométrie à quatre ondes utilisable dans le dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique de côté du dispositif de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III- IIIdes figures 1 et 2, - la figure 4 est une vue schématique de dessus d'un second dispositif d'interférométrie à quatre ondes utilisable dans le dispositif selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique de côté du dispositif de la figure 4, - la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI des figures 4 et 5, - la figure 7 représente une vue schématique en perspective d'un dispositif de filtrage de fréquences spatiales, - la figure 8 est une vue en perspective d'un réseau de diffraction double pouvant être substitué au masque du dispositif de filtrage de la figure 7, et - les figures 8a et 8b représentent le réseau double de la figure 8 vu de face et de côté respectivement. On voit sur les figures 1 à 3 un dispositif d'interférométrie à quatre ondes qui recçoit d'une source laser, non représentée, de préférence du type source laser à modes bloqués, une onde principale 100 de lumière cohérente. Le faisceau principal 100 est appliqué à un premier prisme de Wollaston 11 à grand angle de déviation constituant un polariseur à double faisceau qui dédouble l'onde incidente 1OO pour former deux ondes secondaires divergentes 101, 102 de lumière polarisée présentant des amplitudes réduites par rapport à l'onde principale 100. Une lame demionde 13 est disposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires 101, 102, par exemple l'onde secondaire 102, pour rendre parallèles les polarisations orthogonales créées par le prisme de Wollaston 11. Les ondes secondaires 102,103 divergentes sont ensuite réfléchies aux points 103, 104 par des miroirs plans 15, 16 respectivement, qui sont parallèles l'un à l'autre, se font face et dans la mesure o ils sont disposés perpendiculairement au plan P1 défini par les ondes secondaires 102, 103 et sont symétriques par rapport à l'onde principale 100, assurent une focalisation des ondes secondaires 101,102 en un point 105 o se trouve placé un second prisme de Wollaston 12 à grand angle de déviation, disposé perpendiculairement au premier prisme de Wollaston 11, pour dédoubler chacune des ondes secondaires 101, 102 en deux ondes tertiaires 101a, 101b,102a,102b respectivement dans des plans perpendiculaires au plan P1 de la figure 1. Une seconde lame demi-onde 14 est disposée sur les trajets des ondes tertiaires 101b, 102b tandis que les ondes tertiaires 101a,102a 2 5 72196 poursuivent librement leur chemin. La seconde lame demi-onde 14, d'une manière analogue à la première lame demi-onde 13, est destinée à ramener en parallélisme dans un même plan les polarisations orthogonales créées par le second prisme de Wollaston 12 dans chacun des plans définis par les rayons 101a, lb d'une part et 102a,102b d'autre part. Les ondes tertiaires 101a,lOlb,102a,102b qui divergent à partir du second prisme de Wollaston 12 sont ensuite réfléchies en des points 103a,103b,104a, 104bsur des miroirs plans 17a,17b,18a,18b disposés selon les cotés d'un carré et inclinés de 45 par rapport-aux plans des miroirs 15, 16. Les ondes tertiaires réfléchies 101a,101b,102a,102b convergent alors dans un matériau optique non linéaire 19, par- exemple du sulfure de carbone, pour créer des franges d'interférences qui conduisent à la formation de déphasages stables en sortie du matériau non linéaire 19. A titre d'exemple, la distance entre le premier et second prismes de Wollaston 11, 12 peut être de l'ordre de 50cm tandis que la distance entre le second prisme de Wollaston 12 et le matériau non linéaire 19 peut être de l'ordre de lmètre. Les figures 4 à 6 montrent un dispositif d'interférométrie à quatre ondes qui ressemble an partie à celui des figures 1 à 3, mais met en oeuvre des premier et second prismes de Wollaston 21, 22 qui sont à petit angle de déviation. Le second prisme de Wollaston 22 peut ainsi être placé immédiatement à la suite de la première lame demi-onde 23 disposée apres le premier prisme de Wollaston 21 sur le trajet de l'une 102 des deux ondes secondaires polarisées 101, 102 créées par dédoublemsnt de l'onde principale dans le premier prisme de Wollaston 21. Le second prisme de Wollaston 22 est ainsi placé sur une partie faiblement divergente des ondes secondaires 101, 102 pour dédoubler les orndes secondaires 101, 102 dans des plans perpendiculaires au plan de la figure 4 et former quatre ondes tertiaires divergentes l0la,lOlb,l102a,102bo Un système afocal composé de deux lentilles convergentes 25, 26 permet d'obtenir des faisceaux parallèles entre les deux lentilles 25, 26 et de faire converger les quatre ondes tertiaires 101alOlb102a_,102b dans le matériau non linéaire 19 disposé en aval de la seconde lentille 26. Une seconde lame demi-onde 24 est en outre interposée sur le trajet des ondes tertiaires 10b,102b, derrière la lentille 25 pour ramener en parallélisme le sens des polarisations des diverses ondes tertiaires. Le système afocal réducteur 25, 26 permet de reporter dans le matériau non linéaire 19 les interférences verticales formées à partir des quatre ondes tertiaires. Le système afocal est conçu de manière à ne pas créer de point de focalisation réel dans l'air afin d'éviter que se produise une ionisatin de l'air, compte tenu des puissances mises en jeu (de l'ordre du Gigawatt). On notera que le dispositif des figures 1 à 3, du fait de l'utilisation de miroirs 17a, 17b,18a,18b, évite lui aussi la création de points de focalisation dans l'air entre le second prisme de Wollaston 12 et le matériau non linéaire 19. L'encombrement d'un dispositif à miroirs est cependant un peu plus grand que celui d'un système afocal à lentilles. Le dispositif de la figure 7 représente un autre mode de réalisation d'une onde fragmentée en cellules régulières. A la place des systèmes interférométriques des figures 1 à 6, on utilise un masque 31 percé d'ouvertures 310 de forme carrée disposées régulièrement en damier, pour former une grille, lequel masque est placé sur le trajet du faisceau principal 130 émis par une source laser, non représentée. Le masque 31 est placé dans le plan focal objet d'une première lentille convergente 33 dont le plan focal image contient un filtre 32 muni de quatre ouvertures 321 réparties en croix pour ne laisser passer que quatre taches lumineuses 131, 132, 133, 134 parmi la multiplicité de taches créées à partir de la grille 31. Une seconde lentille convergente 34 dont le plan focal objet contient le filtre 32 et dont le plan focal image est situé au niveau du matériau non linéaire 19 permet la formation, au sein du matériau non linéaire 19, d'une image du pavage lumineux bidimensionnel du masque 31, avec la présence de franges qui correspond à la production de déphasages stables en sortie du matériau non linéaire 19. On notera que sur la figure 7 on a représenté des lentilles 33, 34 ayant la même distance focale. Ceci n'est cependant pas indispensable et des lentilles de distances focales différentes pourraient également être utilisées. Le montage de la figure 7 introduit une certaine perte d'énergie au niveau du filtre 32 mais présente l'avantage de créer de façon très simple une onde fragmentée en cellules régulières. A titre de variante du montage de la figure 7, et pour supprimer la nécessité d'utiliser le filtre 32, la grille de masquage 31 peut être remplacée par un système à dispersion croisée constitué par un réseau de diffraction 41 à deux dimensions, travaillant par réflexion ou transparence, et pouvant être par exemple du type de celui représenté sur les figures 8, 8a et 8b. Le réseau 41 à double gravure peut ainsi comporter une première série de sillons 411 présentant une premiere profondeur de gravure et un premier pas et une seconde série de sillons 412 présentant une seconde profondeur de gravure et un second pas. Les différents dispositifs décrits ci-dessus permettent d'obtenir en sortie du matériau non linéaire 19 des déphasages supérieurs à 2 w radians tout en conservant un faisceau lumineux stable évoluant de façon maîtrisée. Cela est dû au fait que, contrairement aux dispositifs connus dans lesquels une onde plane de type gaussien est appliquée directement au matériau non linéaire (c'est-à-dire à variation auto-induite d'indice de réfraction), selon l'invention, on applique au matériau non linéaire, un ensemble d'ondes fragmentées en cellules régulières formées par division d'amplitude dans un milieu biréfringent, ou obtenues par filtrage spatial. La maîtrise de la phase d'un faisceau lumineux permet des applications nombreuses et variées et autorise notamment la commande des caractéristiques d'un composant optique dépendant adu temps à partir d'un faisceau lumineux externe, ou la commande sans perte en temps réel d'un faisceau lumineux par un autre avec des temps de réaction de l'ordre de la picoseconde. REVENDICATIONS 1. Procédé de modulation de phase optique pour l'obtention de déphasages optiques supérieurs à 2v radians dans des faisceaux de structure géométrique régulière, caractérisépn ce qu'on propage une onde fragmentée en cellules régulières constituant un pavage sinusoidal bidimensionnel dans un matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on produit l'onde fragmentée à partir d'un faisceau laser auquel on a fait traverser un dispositif interférentiel ou de modulation spatiale périodique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise un faisceau laser délivré par une source laser à modes bloqués afin d'obtenir des déphasages dépendant de l'espace et du temps suivant une loi prédéterminée. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on réalise dans le dispositif interférentiel par bi-réfringence une division d'amplitude du faisceau laser pour former quatre ondes dont la valeur moyenne du produit de corrélation est nulle. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on produit une fragmentation du faisceau de structure géométrique régulière par filtrage des fréquences spatiales au moyen d'une double diffraction. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on produit une fragmentation du faisceau de structure géométrique régulière à l'aide d'un système à dispersion croisée produisant une image à travers un système afocal. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction est du sulfure de carbone (CS2). 8. Dispositif de modulation de phase optique contrôlable stable, comprenant une source d'impulsions laser brèves et un matériau à variation auto-induite d'indice de réfraction, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'interférométrie ou de masquage qui est interposé entre la source d'impulsions laser brèves et le matériau (19) à variation auto-induite d'indice de réfraction pour former quatre ondes fragmentées dont la valeur - moyenne du produit de corrélation est nulle. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif d'interférométrie comprend un premier prisme de Wollaston (11) à grand angle de dérivation interposé sur le trajet de l'onde pulsée principale (100) émise par la source laser, pour réaliser un premier dédoublement de l'onde pulsée principale (100) en deux ondes secondaires divergentes (101,102) situées dans un premier plan P1, une lama demi-onde (13) disposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires (101,102), des premier et second miroirs (15,16) disposés sur les trajets des deux ondes secondaires (101,102), perpendiculairement audit premier plan P1 pour rendre convergentes les deux ondes secondaires divergentes (101,102), un second prism= de Woallaston (12) à grand angle de déviation placé au point de convergence (105)des deux ondes secondaires (101,102) pour réaliser un dédoublement de chacune des deux ondes sondaires (101,102) dans-des plans perpendiculaires audit pramier plan P1 de manière à créer un ensemble de quatre ondes tertiaires divergentes (101a,101b,102a, 102b), une seconde lame demi-onde (14) disposée sur: le trajet de deux (lOlb, 102b) des quatre ondes tertiaires divergentes (101a,101b,102a,102b) et des troisième, quatrième, cinquième et sixième miroirs (17a_17b_18e_a!8b) placés sur les trajetcs des quatr cndes certiaires divergentes (1l01,101b, 102a,102b) et inclinés par rapport aux premier et second miroirs (15,16) de manière à faire converger less quatra ondes tertiaires lOlao10bb,102ae102b) dans le matériau (19) à variation auko- induite d'indice de réfraction. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif d'interférométrie comprend un premier prisme de Wollaston (21) à petit angle de déviation interposé sur le trajet de l'onde pulsée principale (100) émise par la source laser, pour réaliser un premier dédoublement de l'onde pulsés principale (100) en deux ondes secondaires faiblement divergentes (101,102) situées dans un premier plan Pi, une lame demi-onde (23) disposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires (101,102), un second prisme de Wollaston(23) à petit angle de déviation placé sur le trajet des deux ondes secondaires (101,102) pour réaliser un dédoublement de chacune des deux ondes secondaires (101,102) dans des plans perpendiculaires audit premier plan P1 de manière à créer un ensemble de quatre ondes tertiaires faiblement divergentes (10la,10lb, 102a,102b), une seconde lame demi-onde (24) disposée sur le trajet de deux (101b,102b) des quatre ondes tertiaires (10la,10lb,102a,102b)et un système optique afocal - (25,26) placé sur les trajets des quatre ondes tertiaires faiblement divergentes (10la,lOlb,102a,102b) pour faire converger les quatre ondes tertiaires (lOla,101b,102a, 102b) dans le matériau (19) à variation auto-induite d'indice de réfraction. 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de masquage à quatre ondes constitué successivement par un masque binaire (31) comprenant un réseau d'ouvertures (310) réparties en damier, une première lentille convergente (33), un filtre spatial (32) muni d'un ensemble de quatre ouvertures (321) réparties en croix, et une seconde lentille convergente (34) pour former un réseau de franges dans le matériau (19) à variation auto-induite d'indice de réfraction. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le masque binaire (31) et le filtre (32) sont situés dans les plans focaux de la première lentille convergente (33), tandis que le filtre (32) et le matériau (19) à variation auto-induite d'indice de réfraction sont situés dans les plans focaux de la seconde lentille convergente (34). 13. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de masquage à quatre ondes constitué par un réseau de diffraction à deux dimensions par réflexion ou transparence et un système optique afocal pour former un réseau de franges dans le matériau (19) à variation auto-induite d'indice de réfraction.