Brevet FR2585894A1 — publié le 19870206

PROCEDE ET APPAREILLAGE DE PRODUCTION D'IMPULSTONS LASER DE TRES COURTE DUREE. L'invention se rapporte à un procédé de production ttimpulsions laser de très courte durée, bien inférieure à la nanoseconde. Ce procédé met à profit un processus récemment decouvert et spécifique des lasers pulsés utilisant un milieu amplificateur à bande spectralement homogène (tels que les lasers à colorent, à centres colorés ou à semi-conducteurs) : le glissement spectral du maximum de l'intensité intracavité pendant l'émission de l'impulsion. Ce processus d'évolution spectro-temporelle a été rnis en évidence et numériquement calculé pour différents types de lasers à colorant pulsés Cc Y. Meyer, P. Flamant : "A basic property of dye lasers : spectral evolution"; Opt. Commun. 19 20 (1976), et P. Juramy, P. Flamant, Y. Meyer : "Spectral properties of pulsed dye lasers"; IEE JQE QE13 855 (1977)).On a constaté que le glissement en fréquence, appelé aussi évolution ou balayage spectral, pouvait être très rapide dans une cavité résonnante de caractéristiques appropriées, et qu'il pouvait se produire même en présence d'oscillations de relaxation entre les populations moléculaires et l'intensité intracavité. Le procédé selon l'invention consiste essentiellement à créer, à l'aide d'un oscillateur laser pulsé à fréquence glissante utilisant un milieu amplificateur à bande spectralement homogène, une impulsion de lumière dont la longueur d'onde évolue au cours de la durée de l'impulsion, et à soumettre cette impulsion a une sélection spectro-temporelle de façon à y isoler une composante correspondant à une longueur d'onde déterminée, qui constitue l'impulsion courte désirée. Ce procédé, suivant lequel on filtre par sélection spectrale l'omission d'un oscillateur à fréquence glissante, permet d'obtenir une impulsion brève, offrant une durée de l'ordre de quelques picosecondes ou moins, cette impulsion, spectralement fine, pouvant en outre être accordée en faisant varier les conditions de sélection spectrale et les caractéristiques de l'oscillateur. Il convient de choisir la longueur d'onde sélectionnée parmi celles qui apparaissent au début de l'impulsion émise par l'oscillateur laser à fréquence glissante. Pour obtenir des impulsions courtes, on sélectionne préférablement les grandes fréquences du spectre. En effet, le glissement se trouve être plus rapide pour ces fréquences, qui sont émises principalement au début de l'impulsion. Il est également possible, mais dans une moindre mesure, d'obtenir un raccourcissement d'impulsion en utilisant les fréquences les plus basses. Par contre, dans la région centrale du spectre total, le racourcissement est faible, pour devenir quasiment nul au voisinage de la fréquence "ultime" définie dans l'article de IEE JQE cité plus haut, et située à proximité du maximum du spectre intégré, du côté des basses fréquences. L'invention a en outre pour objet un appareillage de production d'impulsions laser de très courte durée, faisant application du procédé défini ci-dessus. Cet appareillage comprend un oscillateur laser pulsé à fréquence glissante utilisant un milieu amplificateur à bande spectralement homogène (par exemple, laser à colorant, à centres colorés ou à semi-conducteurs) excité par une impulsion de pompage, et un dispositif de sélection spectrale placé en aval de l'oscillateur laser. Ce dernier dispositif, qui joue en même temps le rôle de porte temporelle, peut comprendre un élément dispersif formant un spectre à partir de l'impulsion qu'il reçoit du laser, et un sélecteur spatial isolant dans ledit spectre une composante de longueur d'onde déterminée, qui forme l'impulsion courte produite par l'appareillage. L'élément dispersif peut être constitue' par un réseau, un prisme ou un coin interférentiel. Le sélecteur spatial peut être constitue' par un écran sur lequel est formé le spectre et qui comporte une fente déterminant la longueur d'onde sélectionnée, à travers laquelle passe l'impulsion courte. Il peut aussi être constitue' par l'oscillateur laser lui-ême, auquel est renvoyé le spectre formé par l'élément dispersif, I'oscillateur agissant comme amplificateur uniquement pour une petite partie du spectre qui détermine la longueur d'onde sélectionnée dans ce dernier. Le dispositif de sélection spectrale peut aussi être constitue' par un filtre interférentiel ou un filtre du type Fabry Pérot. Etant donné que l'intensité de l'impulsion brève ainsi ohtenue est relativement faible, il convient de prévoir, à la sortie du sélecteur spectral, un dispositif amplificateur optique qui fournit, à partir de l'impulsion courte issue dudit dispositif de sélection, une impulsion de même durée, mais de niveau énergétique rehaussé. A la suite de l'appareillage décrit peut etre placé un second appareillage de structure semblable, ces appareillages formant deux étages de rétrécissement d'impulsion en cascade, I'oscillateur laser du second étage recevant comme impulsion de pompage l'impulsion courte émise par le premier étage. En cas de besoin, derrière ledit second étage peut encore etre placé en cascade au moins un autre étage semblable à celuici. Ainsi, par répétition du processus de rétrécissement d'impulsion laser, on peut obtenir une impulsion beaucoup plus courte. Il convient d'adjoindre à l'appareillage selon l'invention un laser d'excitation qui fournit l'impulsion de pompage de l'oscillateur à fréquence glissante - ou du premier oscillatEur à fréquence glissante si plusieurs étages en cascade sont utilisés ainsi que de chaque dispositif amplificateur optique mis en oeuvre pour renforcer l'impulsion courte obtenue. En conclusion, l'appareillage proposé permet de transformer, par voie entièrement optique, des impulsions lumineuses de quelques nanosecondes produites par un laser pulsé d'un type commercial courant, fournissant l'impulsion de pompage, en impulsions de quelques picosecondes ou moins, accordables à différentes longueurs d'onde et uniques (une seule impulsion à chaque tir laser). Une durée égale à la valeur limite donnée par la transformée de Fourier de la forme spectrale peut être obtenue par la mise en oeuvre du nouveau procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. - La figure 1 montre un exemple de la structure spectrotemporelle d'une impulsion émise par un laser à glissement de fréquence, - la figure 2 montre une impulsion courte créée à partir de l'impulsion de la figure 1 conformément au prccédé selon l'invention, - la figure 3 représente schématiquement un appareillage de production d'impulsion courte selon l'invention, - la figure 4 montre de façon détaillée la constitution de l'appareillage de la figure 3, - la figure 5 est une photographie d'une impulsion courte délivrée par l'appareillage de la figure 4, obtenue à l'aide d'une caméra à balayage de fente, - la figure 6 représente une trace d'autocorrélation des impulsions courtes délivrées par l'appareillage de la figure 4 (moyenne sur un grand nombre de coups, obtenue par la méthode d'autocorrélation par doublage non colinéaire dans un cristal de KDP), - la figure 7 représente une variante de réalisation d'un appareillage selon l'invention, comprenant deux étages en cascade, - la figure 8 représente une trace d'autocorrélation des impulsions courtes délivrées par l'appareillage de la figure 7 (obtenue de la même manière que la trace de la figure 6), - la figure 9 représente une variante de réalisation du sélecteur spatial d'un appareillage selon l'invention. La figure 1 montre qu'une impulsion I émise par un laser à milieu amplificateur à bande spectralement homogène (ici un laser à colorant) peut être décomposée en impulsions plus étroites de longueurs d'onde A1, A2,... différentes. Ce fait traduit un balayage spectral lié à un processus d'évolution spectre temporelle au cours de l'omission de l'impulsion laser. La sélection de l'une de ces impulsions composantes, de préférence une impulsion correspondant à l'une des longueurs d'onde les plus basses, soit A1, permet d'obtenir une impulsion Ic (fig 2) beaucoup plus courte que l'impulsion I émise par le laser. Dans ce but, on place en aval d'un laser à colorant 1 (fig.3) un dispositif de sélection spectrale 2 qui reçoit l'impulsion I à balayage spectral issue du laser 1 et filtre cette impulsion de manière à isoler sa composante à la longueur d'onde #1 qui constitue l'impulsion courte Ic. Cette impulsion, de faible amplitude, est appliquée à un dispositif amplificateur optique 3 qui fournit une impulsion de sortie Ics de même durée que l'impulsion Tc, mais considérablement renforcée. D'une manière générale, le laser 1, possédant un milieu amplificateur tel qu'indiqué plus haut, doit comporter une cavité résonnante offrant un temps de boucle inférieur au temps de pompage choisi pour faire fonctionner le laser, ainsi qu'un coefficient de surtension peu o éLevé (ses faces servant de miroirs ayant un faible coefficient de réflexion). Plus en détail (fig.4), dans le présent exemple, le laser t est un oscillateur a colorant comprenant une cuve standard de spectroscopie la à faces parallèles, en verre ou en silice, de section Ixion. Les faces de la paroi de la cuve la utilisées comme miroirs pour l'oscillation laser agissent par simple réflexion naturelle, sans aucun revêtement réflecteur. Le temps de boucle est de 100 ps.Dans la cuve circule une solution lb à mole/l de Rhodamine 6G dans l'éthanol, et l'excitation est fournie par une impulsion Iexc de 100 pJ environ à 532 nm, de durée 10 ns, provenant d'un laser déclenché à Nd : VAG standard (Quantel YG480), qui atteint latéralement la cuve la via un miroir semiréfléchissant 4, un atténuateur optique 5 et une lentille cylindrique 6. La région excitée du colorant lb correspond à un segment rectiligne horizontal de longueur 1 cm perpendiculaire aux faces de la cuve la qui servent de miroirs. L'impulsion d'excitation Iexc est de préférence polarisée verticalement, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 4. L'impulsion I émise par le laser 1, dont le spectre se situe entre 559 et 574 nm, est collimatée par une lentille 7 de focale 15 cm, suivie par un polariseur 8 et une lame demi-onde 9 donnant à l'impulsion une polarisation horizontale. Puis l'impulsion tombe sur un réseau plan 10 (à 2400 traits par mm par exemple) sous une incidence de 60 à 800. Le spectre S correspondant à la diffraction du premier ordre est repris par une lentille 11 de focale 50 cm et projeté, via un miroir 27, sur un cran 13 où apparait le spectre total émis par l'oscillateur laser 1, les différentes longueurs d'onde X se succédant dans le temps et dans l'espace suivant un échelonnement horizontal du fait du glissement spectral dont l'impulsion I est le siège. Une fente 14, de largeur égale à I mm environ, pratiquée verticalement dans l'écran 13, laisse passer une petite région du spectre S formé sur l'écran. En raison du glissement spectral, l'impulsion Ic transmise à travers cette fente est plus ou moins raccourcie par rapport à l'impulsion I selon la région du spectre S sélectionnée, que l'on peut choisir par rotation du réseau 10 autour d'un axe vertical.Ainsi qu'il a été mentionné plus haut, pour obtenir une impulsion Ic aussi courte que possible, il convient de sélectionner une région correspondant aux plus petites longueurs d'onde du spectre S, qui sont émises principalement au début de l'impulsion T, avec un glissement de fréquence très marqué (fig. 1) En pratique, l'impulsion Tc obtenue, spectralement fine, est accordable sur différentes longueurs d'onde - soit par rotation de réseau 10 (dans un domaine de quelques dizièmes de nom,) - soit par variation de la concentration du colorant du laser 1 (dans un domaine de quelques nm), - soit par changement de colorant. On a pu obtenir, en sélectionnant les fréquences vertes du spectre de la rhodamine 6G, des impulsions Ic de durée inférieure à 100 ps à mi-hauteur, de 0,01 nm de largeur spectrale à 563 nm et d'une énergie de quelques nJ. Des mesures de durées concordantes ont été faîtes en coup par coup, avec une caméra à balayage de fente (résolution 10 ps) (fig.5) et en valeur moyenne par autocorrélation par doublage de fréquence nùn-colinéaire (fig.6). Afin de renforcer son niveau énergétique, l-e faisceau issu de la fente 14 est, après collimation par une lentille 15 de 10 cm de focale, envoyé dans une chaîne 3 d'amplificateurs Al, A2, A3 excites par la même impulsion d'excitation Iexc de 10 ns à 532 nm que le laser 1. Les deux premiers amplificateurs Al, A2 sont de même type. Ils comportent des cuves amplificatrices 16 excitées en pompage transversal par l'impulsion Toxo via un miroir semi-réfléchissant 17, un atténuateur optique 18 et une lentille cylindrique 19. L'amplificateur A7 reçoit le faisceau à amplifier avec un angle d'incidence de quelques degrés dans le plan horizontal, de telle sorte que sa fluorescence propre amplifiée soit émise dans une direction distincte de celle du faisceau incident. Son énergie d'excitation est limitée à 100 pJ et son gain est de 50 environ. Le deuxième amplificateur A2 a un gain de 10 environ. L'impulsion Ic ainsi amplifiée est envoyée au troisième amplificateur A3 via un dispositif optique 20 qui lui confère une polarisation verticale, un diaphragme 21 et un miroir 22. Cet amplificateur est du type à pompage longitudinal et à triple passage; il reçoit son excitation d'un miroir 23 via une lentille sphérique 24 de focalisation sur son élément amplificateur 25. Son gain est de 20 environ. Il fournit une impulsion amplifies de sortie Ics de 20 pu, offrant la même durée (100 ps), la même longueur d'onde (563 nm environ) et la même largeur spectrale (0,01 nm environ) que l'impulsion To issue de l'impulsion I du laser oscillateur 1 après sélection spectrale par la fente 14 de l'écran 13. On observera que l'impulsion Ic comporte un certain retard par rapport au début de l'impulsion d'excitation Texc, dû au chemin optique 1-10-27-13, de sorte qu'elle se présente devant le dispositif amplificateur 3 à peu près au moment où l'impulsion Iexc est à son maximum, ce qui conduit à une amplification optimale. Comme le montre la figure 7, on peut, afin d'obtenir une impulsion encore plus courte, faire suivre les éléments 1,2,3 de la figure 1, constituant un premier étage, d'un second étage 1',2',3' de constitution analogue. L'impulsion Ics produite par le premier étage est alors utilisée pour exciter un deuxième oscillateur laser à colorant 1' à temps de boucle plus faible que le premier. Une cuve standard l'a de i mm de parcours optique, préférablement à circulation, convient pour constituer cet oscillateur. On utilise un colorant qui absorbe bien l'omission du premier oscillateur 1 (tel que la Rhodamine 640).Les faces de la cuve l'a, non revêtues, constituent une cavité de 3,2 mm, de temps de boucle 32 ps.Cette cavité est excitée longitudinalement en focalisant par une lentille 26 le faisceau amplifié issu du premier oscillateur de façon à fonctionner de 4 à 20 fois environ au-dessus du seuil laser. Dans ces conditions, on peut avantageusement produire une ou plusieurs oscillations de relaxation décrites dans le cas des cavistes courtes (cf C. LTN, "Studios of Relaxation Oscillations in Organic Dye Lasers"; IEEE J. QE qE71 602 (1975) et références incluses). L'impulsion I' émise est envoyée, comme dans le cas du premier étage, sur un sélecteur spectral 2' essentiellement constitue' par un rÉseau 10' et une fente 14', de telle sorte que seules les fréquences élevÉes du spectre résultant soient transmises.L'impulsion courte I'c (de l'ordre de 15 ps) ainsi produite est amplifiée au moyen d'une chatne 3' d'amplificateurs A4, A5, A6 à Rhodamine 640, dont les cuves 16' sont excites directement par l'impulsion Iexc à 532 nm via un miroir 17' et une lentille 18' respectifs. On obtient en sortie une impulsion amplifiée I'cs de 600 nm, de même durée extrêmement brève que l'impulsion I'c ainsi que le montre la fonction d'auto-corrélation mesurée (fig.8), une forme lorentzienne pour l'impulsion cotant admise. La largeur de raie mesurée est de 6 GHz, ce qui correspond 2 la largeur spectrale d'une impulsion lorentzienne limitée par transformée de Fourier. La durée minimale des impulsions produites est limite par la longueur de la cavité de l'oscillateur du dernier étage (plus de deux étages successifs peuvent être utilises). Il est possible d'obtenir l'omission laser dans une cuve beaucoup plus courte, mesurant par exemple 100 Vm seulement ou moins, et de réduire la cavité à cette même longueur de 100 pn en donnant aux faces de la cuve un coefficient de réflexion adequat, par exemple R = 0,2. Dans ce cas, le temps de boucle sera de 1 ps, de sorte que l'obtention d'impulsions inférieures à la picosocondo est envisageable. On a représenté sur la figure 9 une variante de réalisation de l'ensemble 1,2 de génération d'impulsion laser et de sélection spectro-temporelle de la figure 4. Cet ensemble 1, 2 est remplacé par un ensemble 12 simplement composé du laser à colorant 1, recevant l'impulsion de pompage Iexc, de la lentille collimatrice 7 et du réseau 10. Toutefois, ce dernier est placé à l'incidence de Littrou, de sorte que le spectre S formé est renvoyé sur la cuve la du laser 1, oll seule l'uns des longueurs dudit spectre est amplifiée, l'impulsion courte Ic résultant de cette sélection apparaissant de l'autre côté de la cuve la du laser. Cette impulsion passe dans un diaphragme 28 disposé de manière à éliminer le faisceau F directement issu de la cuve la du côté opposé au réseau 10.Un deuxième réseau 29 peut être utilisé avantageusement pour éliminer l'émission laser en bande large. Dans cet agencement 12, c'est la région excitée de la cuve la qui joue le rôle de la fente 14 de sélection spatiale pour les radiations dispersées par le réseau 10 selon la figure 4, cette région, définie par la lentille cylindrique 6 que traverse l'impulsion Iexc, délimitant-la partie du spectre qui est amplifiée à son passage dans la cuve la. Le laser d'excitation fournissant l'impulsion de pompage Iexc peut être un laser pulsé de type courant : laser à Nd : VAG, à excimère, à rubis, à alexandrite, etc... I1 est important de noter que le glissement spectral précité se produit quelle que soit la forme temporelle de l'impulsion de pompage, qu'il s'agisse d'une forme: - lisse (cas des lampes à éclairs, des lasers monomodes) - ou hachée en pics irréguliers en intensité et cadence (cas des lasers multimodes relaxés et déclenchés) - ou encore en pics réguliers (cas des lasers à modes bloqués). Dans tous ces cas, le procédé de sélection spectrotemporelle peut s'utiliser. C'est en effet dès que le seuil de l'oscillateur à fréquence glissante est atteint que le glissement se déclenche irréversiblement (tant que l'émission laser dure). Dans le cas d'impulsions de pompage hachées, l'impulsion abrégée transmise par le sélecteur spectro-temporel pourra avoir une sous-structure temporelle due au pompage, mais la durée totale reste limitée par la durée de la porte temporelle définie par le sélecteur. Il existe deux causes de sous-structure de l'impulsion émise par la cavité de l'oscillateur à fréquence glissante (dans le cas où la limite de Fourier n'est pas atteinte) a) le battement des modes de fréquences comprises dans la fente spectrale du sélecteur; b) les oscillations de relaxation entre flux intracavité et populations moléculaires. Dans les deux cas, les impulsions transmises peuvent être plus courtes que la porte temporelle du sélecteur. En particulier dans le cas d'oscillations de relaxation, le sélecteur spectre temporel permet d'isoler la première oscillation et donc de travailler nettement au-dessus du seuil, ce qui est avantageux puisqu'alors l'énergie émise est plus grande, la stabilité est meilleure et la durée de la première oscillation est plus petite. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'impulsions laser de très courte durée, caractérisé par le fait qu'il consiste essentiellement à créer, à l'aide d'un oscillateur laser pulsé à fréquence glissante utilisant un milieu amplificateur à bande spectralement homogène, une impulsion de lumière dont la longueur d'onde évolue au cours de la durée de l'impulsion, et à soumettre cette impulsion à une sélection spectro-temporelle de façon à y isoler une composante correspondant à une longueur d'onde déterminée, qui constitue l'impulsion courte désirée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur d'onde sélectionnée est choisie parmi celles qui apparaissent au début de l'impulsion émise par l'oscillateur laser à fréquence glissante. 3. Appareillage de production d'impulsions laser de très courte durée, caractérisé par le fait qu'il comprend un oscillateur laser pulsé (1) à fréquence glissante utilisant un milieu amplificateur à bande spectralement homogène excité par une impulsion de pompage (Iexc), et un dispositif de sélection spectrale (2) placé en aval de l'oscillateur laser (1). 4. Appareillage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif de sélection spectrale comprend un élément dispersif (10) formant un spectre (S) à partir de l'impulsion (T) qu'il reçoit du laser (1), et un sélecteur spatial (13,14;1) isolant dans ledit spectre une composants de longueur d'onde A1 déterminée, qui forme l'impulsion courte (Tc) produite par l'appareillage. 5. Appareillage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'élément dispersif (10) est constitué par un réseau, un prisme ou un coin interférentiel. 6. Appareillage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le sélecteur spatial est constitué par un écran (13) sur lequel est formé le spectre (S) et qui comporte une fente (14) déterminant la longueur d'onde (X1) sélectionnée, à travers laquelle passe l'impulsion courte (Tc). 7. Appareillage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le sélecteur spatial est constitué par l'oscillateur laser (1) lui-même, auquel est renvoyé le spectre (S) formé par l'élément dispersif, l'oscillateur (1) agissant comas amplificateur uniquement pour une petite partie du spectre qui détermine la longueur d'onde (X1) sélectionnée dans ce dernier. 8. Appareillage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif de sélection spectrale est constitué par un filtre interférentiel ou un filtre du type Fabry-Pérot. 9. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 3 a e, caractérisé par le fait qu'il comprend, à la suite du dispositif de sélection spectrale, un dispositif amplificateur optique (3) qui fournit, à partir de l'impulsion courte (Ic) issue dudit dispositif de sélection, une impulsion (Ics) de meme durée, mais de niveau énergétique rehaussé. 10. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé par le fait qu'à sa suite est placé un second appareillage de structure semblable, ces appareillages formant deux étages de rétrécissement d'impulsion laser en cascade, l'oscillateur laser (1') du second étage (1',2', 3') recevant comme impulsion de pompage l'impulsion courte (Ics) émise par le premier étage (1,2,3). Il. Appareillage selon la revendication 10, caractérisé par le fait que derrière le second étage (1',2',3') est placÉ en cascade au moins un autre étage semblable à celui-ci. 12. Appareillage selon l'uns quelconque des revendications 3 à 11, caractérisé par le fait qu'un laser d'excitation lui est adjoint, qui fournit l'impulsion de pompage (Iexc) de l'oscillateur à fréquence glissante (1) - ou du premier oscillateur à fréquence glissante si plusieurs étages en cascade sont utilisés - ainsi que de chaque dispositif amplificateur optique (3,3') mis en oeuvre.