Brevet FR2742885A1 — publié le 19970627

SYSTEME D'EXPANSION/COMPRESSION LUMINEUSE ET APPLICATION A UN GENERATEUR D'IMPULSIONS LUMINEUSES DE GRANDE ENERGIE L'invention conceme un système d'expansionlcompression lumineuse et son application à un générateur d'impulsions lumineuses de grande énergie. Notamment, le générateur de l'invention permet d'amplifier des impulsions de durée très brève (quelques dixièmes de pico-secondes) avec une amplification de 100 à 1000 voire plus. L'amplification d'impulsions optiques de courte durée peut conduire à avoir des impulsions crêtes dans le matériau amplificateur qui dégraderaient (voir casseraient le matériau laser. Dans ces conditions, il est aujourd'hui classique de chercher à obtenir des sources lasers délivrant des impulsions très courtes avec des puissances crêtes très élevées en mettant en oeuvre les principes suivants : I'impulsion courte incidente de faible énergie est allongée temporellement, amplifiée par multipassage dans un milieu laser puis recomprimée à une valeur proche de l'impulsion courte initiale.Ces fonctions d'allongement et de recompression sont généralement obtenues par des réseaux de diffraction à pas constant, etlou pas variable, fonctionnant par réflexion éventuellement par transmission (Voir documents: -"Grating and prism compressors in the case of finite beam size" de O.E. MARTINEZ, Optical Society of America, Vol. 3, n" 7, July 1986, pp 929-934 - "Non uniform optical diffraction gratings for laser pulse compression" de P. TOURNOIS, Optics Communications 106 (1994) pp 253257 - "Bulk chirped Bragg reflectors for light pulse compression and expansion" de P. TOURNOIS et al, Optics Communications 119 (1995) pp 569-575). L'invention concerne un autre type de dispositif qui ne disperse pas l'impulsion laser initiale et qui induit après réflexion un retard variable en chaque point de la surface d'onde. L'invention concerne donc un système d'expansionlcompression lumineuse, comportant sur la face d'un substrat, un réseau de strates d'indices photoinduites dans le volume d'un matériau photosensible et permettant de réfléchir la lumière d'une longueur d'onde selon une direction non symétrique de la direction incidente par rapport à la normale au plan de la face du substrat. Un tel système d'expansionlcompression d'impulsions lumineuses est appliqué dans un générateur d'impulsions lumineuses de courte durée. L'invention concerne également un générateur d'impulsions optiques de grande énergie appliquant le système, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source émettant des impulsions lumineuses; - un système d'expansion recevant chaque impulsion lumineuse et l'étalant dans le temps; - un amplificateur optique recevant l'impulsion allongée dans le temps et foumissant une impulsion amplifiée; - un système de compression recevant l'impulsion amplifiée et fournissant une impulsion comprimée dans le temps. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures 1 a, lb et 2, un dispositif à réseaux de strates enregistrées selon l'invention; - la figure 3, un système d'expansion d'impulsions lumineuses; - la figure 4, un système d'expansionlcompression d'impulsions lumineuses; - la figure 5, un système d'oscillateurlamplificateur permettant de générer des impulsions de courte durée et de grande énergie; - la figure 6a, une variante du système de la figure 5; - les figures 6b et 7, un système avec miroir sphérique. En se reportant aux figures la, 1 b et 2, on va donc tout d'abord décrire un dispositif permettant d'étendre ou de comprimer dans le temps une impulsion lumineuse. Ce dispositif comporte un réseau fonctionnant par réflexion et enregistré dans le volume d'un matériau à variation d'indice photoinduite (épaisseur d, modulation d'indice don). Selon le schéma d'enregistrement de la figure 1 a, le support photosensible AB disposé sur un substrat SU fait avec l'onde incidente El un angle 0. Une deuxième onde incidente 0'1 (à une même longueur kO que Fl) incidente en sens inverse de l'onde 01 interfère avec celle-ci dans le milieu photosensible. L'onde 0'1 peut être, par exemple, obtenue par réflexion de l'onde 01. Un réseau de strates d'indices AB est ainsi enregistré.Les strates induites dans le matériau fonctionnent par réflexion pour l'onde de lecture 01 (figure 1b) à la longueur d'onde B0. A cette longueur d'onde Âo, le réseau est caractérisé par les deux relations suivantes: - efficacité de diffraction n = th2 # #n - largeur spectrale a # xo x n 2L A la lecture, il existe un retard T = L entre les deux extrémités A c et B du réseau qui dans cette configuration par réflexion se comporte comme une structure non dispersive pour la longueur d'onde k0 autour de l'intervalle spectral AR: :les strates d'indice constituent l'équivalent de miroirs de Bragg pour les composantes spectrales #o # ##/2.On note sur la figure 2 qu'une compensation parfaite des retards en tout point de l'onde incidente peut être obtenue si les deux réseaux sont parallèles et de mêmes caractéristiques (0, A = B012n). Le comportement de ce miroir holographique vis-à-vis d'une impulsion très courte, typiquement 100 fts-l ps peut être décrit comme suit: I'impulsion de courte durée T (figure 3) et de gamme Ak autour de k0. T = 10-12s; ; #f = 1012 Hz Après réflexion de chaque composante spectrale sur le réseau, on obtient comme indiqué sur la figure 3, une impulsion longue dans le plan focal de la lentille L. Cette impulsion est générée par une suite d'impulsions élémentaires de largeur T et arrivant à des instants différents. En d'autres termes, au foyer F, la réponse impulsionnelle temporelle du réseau R qui est non dispersif dans cette configuration, est un créneau de largeur T égale à 2L/c. Sur la figure 3, on a prévu un miroir semi-réfléchissant S permettant d'extraire le faisceau réfléchi par le réseau R1 et de le focaliser au point F1. Un montage symétrique comme indiqué sur la figure 4 permet de compenser les retards après réflexion sur le réseau A'B' identique à AB. Dans ces conditions, on restitue au foyer F2 de L2 une impulsion de durée T identique à l'impulsion incidente sur le foyer F. Notons, que pour éviter les pertes dues aux séparateurs de faisceaux, on prévoit des lames séparatrices S1 et S2 polarisantes. La lumière de l'onde incidente 01 est polarisée linéairement. La polarisation incidente est transmise après passage dans une lame quart d'onde QI, I'onde réfléchie par le réseau possède une polarisation perpendiculaire au plan réfléchie par S1. De meme, une lame quart d'onde Q2 est prévue entre le réseau A'B' et le séparateur S2. L'exploitation de ce principe d'extension temporelle de l'impulsion au niveau du foyer F1, pour la réalisation d'une source laser à impulsion courte (de l'ordre de 100 fts), est décrite sur la figure 5. Soit E l'énergie incidente de l'impulsion de durée T délivrée par un oscillateur. Un milieu laser amplificateur AP pompé diodes placé dans le plan focal F1 (par exemple, cristal saphire-Ti; Cr-LiSAF ...) reçoit l'énergie n t x Ei. - ti = efficacité de diffraction du réseau - t = transmission des composants optiques sur le trajet. La durée d'impulsion dans ce plan étant T > > T, la puissance crête vue par le milieu amplificateur vaut dans ces conditions txE. Pc=GxT' T avec G = gain laser. Dans la mesure où T > > T T la puissance crête est réduite dans le rapport TIT et le matériau laser peut délivrer un gain G élevé sans effets de dommage du cristal (Pc Après amplification avec un gain G et réflexion sur le second réseau A'B' on obtient au foyer F2 une impulsion de durée T et d'énergie Et = rl2t2xG Ei soit Et = GEi Si l'efficacité des réseaux et la transmission du système optique est optimisée à des valeurs supérieures à 95 %. La figure 6a représente une variante du système de la figure 5. Ce système prévoit un double passage dans le milieu amplificateur AP pour obtenir un maximum d'énergie. Le second réseau est remplacé par un prisme en toit permettant d'inverser les trajets optiques des différentes impulsions optiques élémentaires. Après une seconde réflexion sur le réseau AB, les retards sont compensés et on obtient en sortie du séparateur S une énergie qui a été amplifiée deux fois Et = G2Ei. La figure 6b représente une variante de réalisation du générateur de la figure 6a. Ce système comporte un miroir M qui réfléchit la lumière amplifiée par l'amplificateur AP et la focalise dans cet amplificateur. La lumière retraverse l'amplificateur AP et est ainsi à nouveau amplifiée. le séparateur S2 aiguille la lumière amplifiée vers le système de compression A'B'. Celuici la réfléchit vers le séparateur S2 qui permet son extraction vers le point de focalisation F2. Le séparateur S2 est un séparateur de polarisations. Les lames quart d'onde Q1, Q2, Q3 associées respectivement aux systèmes d'expansion AB et de compression A'B' et au miroir M, permettent une séparation correcte de la lumière par les séparateurs de polarisation S1 et S2. La figure 7 illustre une autre configuration de source exploitant l'allongement temporel dans le plan focal et constituée par plusieurs étages amplificateurs pompés (AP1, AP2). Les lentilles L1 et L2 ... LN assurent l'imagerie des plans focaux dans le milieu laser. Après réflexion sur le miroir sphérique, selon le schéma de la figure 6b et sur le réseau AB assurant la compensation des retards, on obtient l'énergie de sortie Et = N x G2 Ei. Notons également, sur les figures 6b et 7, que le miroir M peut être avantageusement remplacé par un miroir à conjugaison de phase MC du type cellule Brillouin. Après réflexion de l'onde sur le miroir non linéaire on compense l'ensemble des distorsions introduites sur le trajet optique lentilles thermiques des milieux amplificateurs, lentille Li.. Cette fonction de conjugaison de phase est compatible avec une impulsion longue. En effet, le temps de réponse de l'effet Brillouin étant de l'ordre de une nanoseconde, il n'est pas adapté pour conjuguer en phase une impulsion courte de durée 100 fts par contre il convient pour une impulsion longue. Exemple de réalisation du disPositif Le dispositif selon l'invention est bien adapté aux performances suivantes: - nt l00fis-1ps - T Ins L 15 cm Ll5cm(figuoe3) - hauteur du faisceau H t 5 cm - matériau pour l'enregistrement du réseau: photopolymère fonctionnant par réflexion.Période spatiale A = 0,23 pm - largeur spectrale ## = #o #n ; #n = 6 x 10-2 n soit ## = 30 nm; #o = 800 nm - durée de l'impulsion courte correspondant à cette largeur spectrale - matériau laser; Saphire-Ti; Ao 800 nm pompage laser Nd-YAG doublé #p = 530 nm gain simple passage G = 102 à 103 Exemples de performances - laser maître oscillateur = Al203-Ti: Ei = 100 uJ T = 10 fts - durée de l'impulsion longue dans le plan focal de la lentille L1 T # 1ns - énergie extraite en double passage après compensation des retards par le deuxième réseau:: Et=G2xEi Et = 100 mJ # = 100 fts Les architectures selon l'invention tirent profit de l'allongement apparent de l'impulsion au foyer d'une lentille après réflexion sur un réseau non dispersif mais introduisant un retard T entre les points extrêmes de l'onde incidente. - la structure proposée est très compacte et permet d'obtenir une impulsion de durée de l'ordre de T = 1 ns à partir d'une impulsion courte de l'ordre de 100 fts à 1 ps - après amplification, le meme dispositif est utilisé pour retrouver la valeur initiale de l'impulsion courte - le dispositif est très bien adapté à l'utilisation de matériaux lasers présentant des valeurs élevées du gain (102 à 103) dans un faible volume (AI2 O3 - Ti ; Cr-LiSAF ; Cr-LiCAF NdYVO4 ...). Certains de ces matériaux sont directement pompés par diodes. REVENDICATIONS 1. Système d'expansionlcompression lumineuse, caractérisé en ce qu'il comporte sur la face d'un substrat (SU), un réseau (AB) de strates d'indices photoinduites dans le volume d'un matériau photosensible et permettant de réfléchir la lumière d'une longueur d'onde selon une direction non symétrique de la direction incidente par rapport à la normale au plan de la face du substrat. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de strates est enregistré de telle façon que la direction d'incidence et la direction de réflexion sont colinéaires. 3. Générateur d'impulsions optiques de grande énergie appliquant le système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source (S) émettant des impulsions lumineuses; - un système d'expansion (AB) recevant chaque impulsion lumineuse et l'étalant dans le temps; - un amplificateur optique (AP) recevant l'impulsion allongée dans le temps et fournissant une impulsion amplifiée; - un système de compression (A'B') recevant l'impulsion amplifiée et fournissant une impulsion comprimée dans le temps. 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que: - les systèmes d'expansion et de compression réfléchissent chacun les impulsions lumineuses qu'ils reçoivent selon une direction colinéaire avec la direction d'incidence; - et en ce qu'il comporte un premier séparateur de faisceaux (S1) compris entre la source (S) et le système d'expansion (AB) pour aiguiller la lumière réfléchie par celui-ci vers l'amplificateur, ainsi qu'un deuxième séparateur de faisceaux (S2) compris entre l'amplificateur (AP) et le système de compression (A'B') pour extraire l'impulsion amplifiée et comprimée dans le temps. 5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que: - la lumière émise par la source est polarisée; - une lame quart d'onde (Q1, Q2) est associée à chaque système d'expansion et de compression (AB, A' B'); - les séparateurs de faisceaux (S1, S2) sont des séparateurs de polarisation. 6. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que: - le système d'expansion (AB) et le système de compression (A'B') sont un même système d'expansionlcompression; - et en ce qu'il comporte un dispositif à double réflexion (PR) recevant l'impulsion amplifiée et la réfléchissant dans l'amplificateur optique et vers le système d'expansionlcompression en inversant les parcours des faisceaux élémentaires constituant le faisceau de l'impulsion. 7. Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif à double réflexion comporte un prisme droit recevant le faisceau à réfléchir sur son hypoténuse, les deux autres faces du prisme réfléchissant chacune la moitié du faisceau. 8. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que: - il comporte un miroir (M) recevant l'impulsion amplifiée et la réfléchissant dans l'amplificateur vers le système de compression (A'B'); - un séparateur (S2) étant placé sur le trajet de l'impulsion après réflexion par le miroir (M) et une nouvelle traversée de l'amplificateur pour transmettre l'impulsion au système de compression et pour permettre l'extraction de la lumière réfléchie par le système de compression. 9. Générateur selon l'une des revendications 3 ou 8, caractérisé en ce que les directions de propagation des impulsions lumineuses émises et réfléchies par les systèmes d'expansion et de compression sont colinéaires et en ce qu'un séparateur (S1, S2) associé à chacun de ces systèmes permet d'extraire le faisceau réfléchi par chaque système. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que: - les impulsions lumineuses émises par la source sont en lumière polarisée linéairement; - une lame quart d'onde (Q1, Q2) est située entre chaque séparateur (S1, S2) et le système d'expansion ou de compression associé; - les séparateurs (S1, S2) sont des séparateurs de polarisations. Il. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le miroir (M) est un miroir à conjugaison de phase. 12. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une lentille (L1, L2) associée à chaque système d'expansion et de compression (AB, A'B') pour collimater la lumière sur ces dispositifs et pour focaliser la lumière réfléchie par ces dispositifs vers l'amplificateur (AP). 13. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'amplificateur (AP) est en matériau amplificateur laser pompé par diode.