Brevet FR2633732A1 — publié le 19900105

DISPOSITIF D'AMPLIFICATION D'IMPULSIONS LUMINEUSES LAINEUSES DE COURTE DUREE La présente invention concerne un dispositif d'amplification d'impulsions lumineuses de courte durée généralement de l'ordre de la pico-seconde. Les applications de telles sources lumineuses sont très nombreuses par exemple dans le domaine des télécommunications, l'étude des réactions chimiques, la photographie ultra-rapide, les radars optiques... Et de nombreuses recherches sont menées pour augmenter la puissance des impulsions. L'amplification directe des impulsions brèves n'étant possible que dans un domaine d'énergie limité , il est maintenant courant de recourir à une méthode détournée selon laquelle une impulsion brève est d'abord élargie, ensuite amplifiée et enfin comprimée à nouveau. L'élargissement du spectre de l'impulsion initiale est obtenu en créant de nouvelles fréquences par un effet non linéaire ; après amplification, ces fréquences sont remises en phases à l'aide d'une ligne à retard dispersive. Cette technique est par exemple écrite dans l'article de la REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUEE (Décembre 1987, page 1657) sous le titre *EN ROUTE VERS LE PETAWATTW présenté par l'équipe de G. MOUROU. Dans cette publication, il est proposé différents moyens pour produire l'allongement des impulsions avant leur amplification - Selon le premier de ces moyens, les impulsions sont couplées dans une fibre optique monomode. La propagation de ces impulsions dans la fibre produit un étalement temporel par les effets combinés de l'automodulation de phase et de la dispersion de vitesse de groupe. - Lors de la mise en oeuvre du deuxième moyen proposé, l'étalement des impulsions est produit par un système de deux réseaux entre lesquels est inséré un téléscope du type astronomique. L'étalement est alors produit par la génération de dispersion de la vitesse de groupe. Ces deux moyens permettent l'obtention d'une modulation de phase d'un même signe, notée différemment selon les auteurs que nous considérerons ici comme étant positive. La remise en phase des fréquences peut être obtenue dans ces deux cas par l'introduction d'un système de réseaux qui introduit une dispersion négative (toujours selon la notation retenue ici) et ainsi annulant la modulation de phase, diminue la longueur de l'impulsion et peut la ramener à sa durée initiale. On comprend qu'ainsi, selon l'article cité qui reprend une proposition de MARTINEZ, l'insertion d'un téléscope (le téléscope est un système optique afocal constitué de deux éléments convergents) entre deux réseaux a permis de changer le signe de la dispersion de vitesse de groupe produit par l'ensemble des réseaux. Ces réseaux soumis à une énergie élevée sont des réséaux travaillant par réflexion et recouvert d'une couche d'or. Leur efficacité de diffraction est voisine de 90qu. Par ailleurs, la réalisation d'objets optiques de phase à base de gélatine bichromatée a été décrite par exemple dans le brevet français FR 2 591 765 et dans le brevet US 4 545 646. L'objectif de la présente invention est la réalisation d'un dispositif d'amplification d'impulsions de courte durée qui permet un taux d'amplification élevé et donc assure la réalisation d'impulsions de courte durée ayant une puissance instantanée importante. A cet effet, le dispositif d'amplification d'impulsions de courte durée selon l'invention comporte des moyens de production d'une impulsion courte, des moyens dlélargissement du spectre de ces impulsions courtes, des moyens d'allongement temporel des impulsions, des moyens d'amplification de ces impulsions, des moyens de compression des impulsions amplifiées. La compression de l'impulsion est réalisée par un système optique comportant un ensemble de réseaux. Le système optique de compression des impulsions est composé d'éléments supportant sans déterioration des concentrations d'énergie élevées. Selon l'une des caractéristiques préférées de l'invention, le système optique de compression des impulsions incorpore un système optique afocal galiléen placé entre les réseaux. De plus, selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les réseaux du système optique de compression sont des réseaux de phase réalisés par holographie sur une gélatine bichromatée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins dans lesquels La figure 1 représente le dispositif de l'invention, la figure 2 représente un mode de réalisation particulier du système optique de compression de l'impulsion, la figure 3 représente la réalisation du réseau par holographie dans l'un des modes de réalisation préférés de l'invention. Le dispositif de l'invention est destiné à l'amplification d'impulsions 2 de courte durée. Les impulsions 2 sont de préférence de l'ordre de quelques picosecondes (une picoseconde = ro t2 seconde). De telles impulsions sont produites de manière connue par un laser i continu à mode bloqué coxale les lasers à cristaux YAG (Y3AL5 012) On peut également utiliser un laser à colorant en anneau pompé par un premier laser. De manière connue, ces ensembles permettent la production d'impulsions 2 d'une durée inférieure à 0,100 picosecondes à une fréquence de 100MHZ. Ces impulsions 2 sont amplifiées de manière en elles-mêmes connue dans des amplificateurs 3 à colorants ou des lasers à excimères ou par exemple au néodyme. L'amplification ainsi obtenue est relativement limitée car lorsqu'une certaine concentration d'énergie est atteinte le milieu amplificateur 3 est saturé et ne permet plus d'amplification complémentaire. Pour atteindre des taux d'amplification supérieurs, il est nécessaire d'élargir tout d'abord l'impulsion 2. Cet élargissement est obtenu en faisant transiter les impulsions 2 par une fibre optique 4 qui introduit une dispersion positive par la superposition de deux effets d'une part l'automodulation de phase, d'autre part la dispersion de la vitesse de groupe. De manière en elle-même connue, l'étirement de l'impulsion peut également être réalisé par l'introduction d'un système de réseau séparés par un téléscope c'est-à-dire équivalent à un ensemble de deux lentilles convergentes1 le foyer image de la première coïncidant avec le foyer objet de la seconde. Un tel système produit par une dispersion positive l'augmentation de la durée des impulsions. On peut ainsi obtenir des taux d'allongement des impulsions de l'ordre de 10 000. Après avoir été élargies, les impulsions 5 traversent un système amplificateur 3 à colorant ou un laser excimère ou un amplificateur à solide ( Nd3+ = YAG, Nd3+ = YLF, Alexandrite,.Ti : Al203 par exemple). Pour des impulsions de Ins (durée) un coefficient d'amplification de 1010 peut être atteint. Les impulsions ainsi amplifiées 6 sont alors comprimées de manière à ce que leur durée soit proche de ou inférieure à leur durée initiale. Le résultat final de l'ensemble du dispositif est donc l'amplification de l'énergie des impulsions 7 sans augmentation de leur durée et même avec une diminution de la durée si llautomodulation de phase dans la fibre 4 est suffisamment forte. La compression de l'impulsion est obtenue par un système composé d'éléments 8-11 optiques qui supportent sans détérioration des concentrations d'énergie élevées. Selon un mode de réalisation préféré, ce système optique de compression comporte un système optique afocal galiléen 10, 11 qui permet d'introduire une dispersion de vitesse de groupe négative importante tout en limitant l'encombrement du système. Le système afocal galiléen 19, 11 est composé d'un élément convergent 11 et d'un élément divergent 10. Un faisceau parallèle de lumière traversant un tel système ne comporte pas de point de focalisation. L'introduction du système optique permet le rapprochement des réseaux 8a, 8b, 9a, 9b et ce système étant galiléen afocal ne modifie pas le signe de la dispersion de vitesse de groupe introduite. De plus, l'utilisation d'un système afocal galiléen 10, 11 evite la concentration du faisceau qui lorsque des puissances lumineuses élevées sont transportées peut conduire à des phénomènes parasites par exemple le claquage de l'air c est-à-dire la création d'un plasma au voisinage du point de focalisation. Par exemple l'interposition d'un système afocal galiléen 10; 11 ayant un grossissement de 4, avec une première lentille 10 ayant une distance focale de 400mu, une deuxième Il ayant une distance focale de -100x, une distance Z1 entre le réseau Sa et le foyer objet de la première lentille 10a égale à -300mm, une distance Z2 entre le deuxième réseau et le foyer objet de la lentille 10b égale à 210au, on produit avec un encombrement total d'environ 50cm la même dispersion de vitesse de groupe et donc la même compression que des réseaux distants de 3m dans l'absence de système afocal. Les réseaux 8a et 8b comportent 1 700 traits par millimètres. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, un même système de deux roseaux 8a, 8b séparés par un afocal galiléen 10, il est traversé deux fois par le faisceau lumineux. Après sa première traversée un système catadioptrique 12 par exemple un coin de cube renvoie le faisceau sur le réseau 8b puis à travers l'afocal 11, 10 sur le réseau 8a. Un tel système est équivalent à un ensemble de quatre réseaux 8a, 8b, 9a, 9b séparés deux par deux par un système afocal 10, 11. Dans le cas d'impulsions de haute énergie les réseaux 8a, 8b, 9a, 9b sont préférentiellement constitués par des réseaux de phase épais, réalisés sous forme d'hologrammes sur une gélatine bichromatée. En effet, de tels réseaux qui sont connus pour avoir une qualité optique excellente supportent des concentrations d'énergie importantes supérieures à 4 joules/cm2 et ont une efficacité de diffraction supérieure à 90%. Ces réseaux sont obtenus en plusieurs étapes La première étape est la préparation de la plaque sensible. Une couche de gélatine est tout d'abord étalée sur un support. Elle est ensuite durcie à l'aide d'un durcisseur par exemple de l'alun de chrome, puis ensuite fixée par exemple avec de l'hyposulfite de soude. Elle est ensuite sensibilisée avec du bichromate d'ammonium (NHs )2 Cr207 La sensibilisation est réalisée dans de bonne condition avec une solution à 5b à laquelle est adjoint un agent mouillant. La deuxième étape est l'étape d'enregistrement au cours de laquelle on produit une figure d'interférence de deux ondes planes sur un support recouvert de gélatine bichromatée. Lors de l'insolation, la gélatine bichromatée est soumise à des figures d'interférence produites à l'aide d'une source lumineuse monochromatique émettant dans le domaine bleu ou vert qui est leur domaine de sensibilité préférentiel. L'espacement des franges créé dans la figure d'interférence est déterminé de telle sorte que la dispersion en longueur d'onde soit conforme au degré de compression préféré. De plus, les conditions d'utilisation du réseau à la longueur d'onde- de l'impulsion sont choisies pour satisfaire la condition de BRAGG ce qui d'une manière connue assure son meilleur rendement. La sensibilité de la gélatine bichromatée est relativement faible par rapport aux plaques sensibles usuelles, la durée d'insolation doit donc être relativement longue. Une augmentation de la puissance de la source diminue néanmoins le temps d'exposition. La lumière produit dans les zones de forte insolation un durcissement de la gélatine et qui influe sur son aptitude à fixer de l'eau d'hydratation. La troisième étape est le lavage et le séchage qui permet finalement d'obtenir d'une manière connue le composant optique dans lequel des variations d'indices sont fonctions de la quantité de lumière reçue par unité de surface lors de l'insolation. De plus, un traitement anti-reflet des surfaces assure une pleine efficacité au composant aux longueurs d'onde d'utilisation. La gélatine utilisée est une gélatine classique par exemple celle produite par la société xROUSSELOTx. xOn utilise du bichromate d'ammonium ou du bichromate de potassium. Et de manière classique, on assure le tannage de la gélatine. L'épaisseur de la gélatine, la concentration en bichromate, la durée d'exposition et les conditions de développement sont optimisées de manière à produire la meilleure efficacité à la longueur d'onde d'utilisation qui peut être différente de la longueur d'onde d'enregistrement de l'hologramme. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'amplification d'impulsions de courte durée comprenant - des moyens (1) de production d'impulsions courtes (2), - des moyens (4) d'élargissement du spectre et de la durée des impulsions, - des moyens (3) d'amplification des impulsions, - des moyens de compression des impulsions amplifiées comportant un ensemble de réseaux (8a, 8b, 9a, 9b), caractérisé en ce que le système optique de compression des impulsions est composé d'éléments (8-11) supportant sans détérioration des concentrations d'énergie élevées et que, le système optique de compression des impulsions comporte un système optique afocal galiléen (10, 11) placé entre deux réseaux (8, 9). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique de compression des impulsions comporte quatre réseaux (8a, 8b, 9a, 9b) dont les deux premiers et les deux derniers sont respectivement séparés par un système optique afocal galiléen. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de compression des impulsions comporte deux réseaux (8, 9) séparés par un système optique afocal galiléen (10, 11), cet ensemble étant traversé une première fois par le faisceau lumineux puis une deuxième fois par ce même faisceau après réflexion sur un système catadioptrique. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réseaux (8, 9) du système optique de compression sont des réseaux épais de phase traités anti-reflet.