Brevet FR2751435A1 — publié le 19980123

DISPOSITIF DE PROTECTION OPTIQUE L'invention concerne un dispositif de protection optique applicable à la protection de capteurs optiques et permettant notamment une protection contre des faisceaux optiques de forte intensité. Dans de nombreuses applications optroniques, il est nécessaire de protéger les capteurs (optoélectroniques, ...) contre des agressions optiques telles que lasers. Plusieurs solutions sont déjà utilisées ou à l'étude telles que filtres coupe bande, systèmes à absorption saturable inverse, variations d'indices induites par effet Kerr, .. Dans de nombreux cas, ces techniques reposent sur des effets d'absorption qui peuvent entraîner des échauffements importants des dispositifs et même des destructions si la puissance laser incidente dont on cherche à se protéger est trop importante. De plus, dans certains cas, pour obtenir une sensibilité suffisante, on peut être amené à utiliser des interactions du type résonnantes ce qui limite naturellement les gammes spectrales d'utilisation. L'invention présente l'avantage d'utiliser des principes qui dans leur nature sont purement dispersifs (pas d'absorption) et basés sur certaines propriétés des oscillateurs paramétriques. L'invention concerne donc un dispositif de protection optique caractérisé en ce qu'il comporte un élément en matériau non linéaire comportant une face d'entrée et une face de sortie possédant chacune un miroir réfléchissant la lumière vers l'élément en matériau non linéaire, les miroirs d'entrée et de sortie étant au moins partiellement réfléchissant pour les ondes signal et idler générées à partir d'une onde de pompe dans le milieu non linéaire. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation de dispositif; - les figures 2a à 3e des courbes de transmission optiques du dispositif de la figure 1 en fonction des coefficients de réflexion des miroirs du dispositif; - les figures 4 à 7, des courbes caractéristiques mettant en évidence l'efficacité du dispositif de l'invention. En se reportant à la figure 1, on va donc décrire un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte un milieu 1 en matériau non linéaire possédant une face d'entrée 10 et une face de sortie 11. Un miroir d'entrée 2 est disposé du côté de la face d'entrée 10 et un miroir de - sortie est disposé du côté de la face de sortie 11. De façon préférentielle, ces miroirs 2 et 3 sont accolés aux faces respectives 10 et 11. Plus précisément, les faces 10 et 11 peuvent être traitées pour avoir les caractéristiques de réflexion qui seront indiquées ci-après. Le milieu en matériau non linéaire 1 peut être de l'AsGa, du ZnGeP2, du sénélogalathe d'argent (AgGaSe2), du tiogalathe d'argent, du niobate de lithium ou du niobate de potassium. Ce milieu 1 peut être un assemblage de lames ou de couches de matériau non linéaires, lesquels matériaux non linéaires peuvent être choisis dans les matériaux ci-dessus. Le dispositif de protection a pour rôle de protéger un dispositif 4 situé à droite contre des puissances optiques incidentes trop élevées (onde de pompe) arrivant sur le miroir d'entrée. Comme cela va être décrit ultérieurement, I'onde pompe incidente de longueur d'onde Xp pénètre dans le milieu en matériau non linéaire. II y a transformation de l'onde pompe en une onde signal de longueur d'onde Bs et une onde idler de longueur d'onde ki telles que Xs + hui = p. Au-delà d'une puissance déterminée, I'onde de pompe est transformée quasiment totalement en onde signal et onde idler. Au-delà de cette puissance de l'onde pompe le dispositif 4 est donc protégée contre l'action de cette onde. Selon l'invention, on prévoit que le miroir d'entrée 2 est réfléchissant aux ondes signal et idler (réfléchissant vers le milieu npn linéaire). Le miroir de sortie 3 est également réfléchissant aux ondes signal et idler (également vers le milieu non linéaire). De plus, le miroir de sortie 3 peut être transparent à l'onde de pompe. Eventuellement, le miroir d'entrée 2 peut être également transparent (dans les deux sens) à l'onde de pompe. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention repose sur les propriétés particulières des oscillateurs paramétriques optiques (OPO). Si on considère le milieu non linéaire 1 transparent aux longueurs d'ondes optiques utilisées. Ce milieu est placé dans une cavité du type Fabry Pérot formant l'élément de base d'un oscillateur optique. L'onde optique de fréquence flp (onde de pompe) est incidente sur le milieu non linéaire 1. Par effet optique non linéaire du second ordre, on peut montrer que deux nouvelles fréquences Qs et Qj (nus : signal, Zi : fréquence idler) sont générées dans le cristal dont les valeurs exactes dépendent des capacités à réaliser l'accord de phase. Si le gain de l'interaction non linéaire est suffisant, le système peut osciller et constituer ainsi une source optique continûment accordable en modifiant les conditions d'accord de phase déjà mentionnées. Le seuil d'oscillation dépend naturellement des pertes de la cavité et du gain de l'interaction qui est étroitement lié à l'amplitude des non linéarités du matériau utilisé. En impulsionnel, ce seuil dépend également de la longueur de la cavité (temps d'aller et retour de la lumière dans la cavité comparée à la largeur de l'impulsion de pompe). Dès que le seuil est dépassé, toute l'énergie résiduelle dans l'impulsion pompe est, dans un premier temps convertie dans les ondes signal et idler, la puissance pompe se stabilisant au niveau du seuil d'un OPO équivalent fonctionnant en continu. En fait, la réalité est plus complexe car comme les puissances idler et signal dans la cavité sont importantes, on ne peut pas négliger le phénomène inverse de l'interaction qui est la reconversion de I'idler et du signal pour régénérer la pompe. Ces phénomènes sont illustrés dans la figure 2a qui montre les impulsions pompe incidentes et transmises et l'impulsion signal transmise dans le cas où les miroirs sont parfaitement transparents à l'onde de pompe. Le miroir d'entrée est totalement réfléchissant aux ondes idler et signal et le miroir de sortie transparent pour l'idler et partiellement réfléchissant pour le signal. Dans ce cas, on remarque qu'il n'y a pas d'onde de pompe recréée dans la direction contrapropagative à la pompe incidente mais qu'une certaine quantité est transmise par l'OPO. On distingue également clairement le "rebond" dans l'impulsion pompe transmise correspondant à la recréation de la pompe par l'idler et le signal intracavité. L'amplitude de cette régénération de pompe dépend des paramètres de la cavité, de la puissance pompe incidente (fonctionnement de l'OPO plus ou moins au-dessus du seuil), Le phénomène intéressant pour l'invention apparaît quand on considère le cas d'un OPO dont les deux miroirs sont toujours parfaitement transparents pour l'onde de pompe mais partiellement (ou totalement) réfléchissants pour les ondes idler et signal. Quand on augmente les coefficients de réflexion pour les ondes idler et signal, la première conséquence est une diminution du seuil d'oscillation (diminution des pertes par couplage des ondes vers l'extérieur de la cavité). Dans une application où le but est de générer des fréquences idler/signal accordables, on cherchera bien sûr à optimiser la cavité pour obtenir un maximum de puissance à la sortie du système en considérant le compromis sortielseuil. Selon l'invention, on cherche à protéger un dispositif. Une solution est de trouver les conditions de fonctionnement du dispositif qui minimise la puissance pompe transmise et maximise la puissance pompe réfléchie. En conséquence, un capteur situé en aval du dispositif dans la chaîne optique de réception se trouvera ainsi protégé. Un comportement de ce type est illustré par les figures 3 où sont représentés les comportements d'oscillateurs paramétriques dans lesquels les miroirs de la cavité présentent des coefficients de réflexion importants pour les ondes signal et idler et des coefficients de transmission maximums pour l'onde de pompe. Le point important est que, dans ces cas, I'onde de pompe est négligeable en sortie du dispositif (côté miroir de sortie 3) et quasiment totalement réfléchie par l'oscillateur paramétrique dès que le seuil d'oscillation est atteint, formant ainsi un miroir non linéaire qui est bien la fonction recherchée. Les figures 2a, 2b et 3a à 3e représentent les impulsions pompe incidente, puis transmise, et signal de sortie (I'impulsion idler est identique à l'impulsion signal et n'est pas représentée) pour différents modes de fonctionnement du dispositif de l'invention; Dans les figures 2a et 2 b: - I'énergie pompe est de 4mJ - la largeur de l'impulsion pompe à mi-hauteur est de 10 ns - la longueur du milieu non linéaire 1 est de 1 cm et la cavité est constituée par les faces du milieu 1 (longueur de cavité = 1 cm) - le coefficient de non linéarité est deff = 14,2 pmN - le miroir d'entrée a pour coefficients de réflexion : nul pour l'onde de pompe et 0,99 pour l'onde signal et l'onde idler - I'onde de pompe a pour longueur d'onde 1,06 pm et les ondes signal et idler ont une longueur d'onde Xs = Xj = 2,12 pm - le miroir de sortie a un coefficient de réflexion nul pour l'onde de pompe - le rayon du faisceau de pompe est de 1,6 mm. Sur la figure 2a, les coefficients de réflexion du miroir de sortie pour les ondes signal et idler sont de 60 % ; on obtient les énergies suivantes pour les ondes pompe, signal et idler: - onde signal = 0,94 mJ - onde idler = 0,94 mJ - onde pompe transmise = 0,60 mJ - onde pompe réfléchie = 1,52 mJ Sur la figure 2b, les coefficients de réflexion du miroir de sortie pour les ondes signal et idler sont de 50 % ; on obtient les énergies suivantes pour les ondes pompe, signal et idler: - onde signal = 1,06 mJ - onde idler = 1,06 mJ - onde pompe transmise = 0,84 mJ - onde pompe réfléchie =.1,04 mJ Dans les figures 3a à 3e: - I'énergie de pompe est de 0,1 mJ - la largeur de l'impulsion pompe à mi-hauteur est de 10 ns - le coefficient non linéaire est de deff = 150 pmN - le miroir d'entrée a pour coefficients de réflexion: nul pour l'onde de pompe et 100 % pour l'onde signal et l'onde idler - le miroir de sortie a un coefficient de réflexion nul pour l'onde de pompe Pour les figures 3a à 3c: - le rayon du faisceau pompe est de 1,6 mm - la longueur d'onde est de 1,06 p et les ondes signal et idler ont une longueur d'onde ds = di = 2,12 pm - la longueur du milieu non linéaire 1 (et de la cavité) est de 0,2 cm - les coefficients de réflexion du miroir de sortie pour les ondes signal et idler sont respectivement: 90 % (figure 3a), 95 % (figure 3b) et 99 % (figure 3c) Pour les figures 3d et 3e: - la longueur d'onde de pompe est de 3,5 pm et les ondes signal et idler ont une longueur d'onde ds = di = 7 pm - la longueur du milieu non linéaire 1 (et de la cavité) est de 0,5cm - les coefficients de réflexion du miroir de sortie pour les ondes signal et idler sont 95 % - les rayons du faisceau pompe sont respectivement 1,6 mm (figure 3d) et 0,2 mm (figure 3e). La figure 3d correspond à une onde de pompe focalisée sur un rayon de 1.6 mm et la figure 3e à une de pompe focalisée sur un rayon de .2 mm. On voit ainsi que l'on peut naturellement ajuster le seuil de déclenchement (seuil de l'OPO) en modifiant l'intensité optique incidente. De nouveau, le matériau utilisé peut être semiconducteur avec un accord de phase artificiel. On voit donc qu'une onde de pompe Bp incidente est transformée en deux ondes signal Bs et idler ki qui sont réfléchies par le miroir de sortie 3. Ces deux ondes se recombinent en principe partiellement en une onde de pompe qui traverse le miroir d'entrée 2 et est donc renvoyée en sens sensiblement inverse de l'onde de pompe incidente. Les ondes signal et idler qui ne se sont pas recombinées sont réfléchies par le miroir d'entrée 2. Elles se recombinent pour donner une nouvelle onde de pompe. On constate que cette nouvelle onde de pompe s'annule et n'est pas transmise au dispositif 4. Les figures 4 à 7 mettent en évidence l'efficacité de l'invention. Par exemple, pour un laser de longueur 0,4 pm, une impulsion de faisceau de pompe de largeur à mi-hauteur de 10 ns, un spot d'éclairement de rayon 1,6 mm et un milieu non linéaire de coefficient non linéaire de d = 14 pmN et d'épaisseur Ep = 1 mm avec un miroir de sortie réfléchissant les ondes signal et idler à 0,95 % on obtient les courbes 4 à 6 avec en abscisses les énergies incidentes du faisceau pompe et en ordonnées: - pour la figure 4, I'énergie du faisceau pompe transmise - pour la figure 5, I'énergie du faisceau pompe réfléchie - pour la figure 6, le pourcentage du faisceau pompe transmis. De la même façon, pour un laser de pompe de longueur d'onde 3,5 pm présentant des impulsions de 10 ns, un spot d'éclairement de rayon 1,6 mm et un milieu non linéaire de coefficient non linéaire d = 150 pmN et d'épaisseur Ep = 5 mm avec un miroir de sortie réfléchissant les ondes signal et idler à 95 %, on obtient la courbe de la figure 7 où l'énergie transmise par le dispositif est représentée en fonction de l'énergie de pompe incidente. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection optique caractérisé en ce qu'il comporte un élément en matériau non linéaire (1) comportant une face d'entrée (10) et une face de sortie (11) possédant chacune un miroir (2, 3) réfléchissant la lumière vers l'élément en matériau non linéaire, les miroirs d'entrée et de sortie étant au moins partiellement réfléchissant pour les ondes signal et idler générées à partir d'une onde de pompe dans le milieu non linéaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir de sortie est transparent pour l'onde de pompe. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir d'entrée est transparent pour l'onde de pompe. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs d'entrée et de sortie sont totalement ou quasi-totalement réfléchissants pour les ondes signal et idler. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les coefficients de réflexion des miroirs d'entrée et de sortie (2, 3), pour les ondes signal et idler, sont supérieurs à 90 %. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau non linéaire (1) est du niobate de lithium ou de potassium, du sénélogalathe d'argent (Ag Ga Se2), ou tiogalathe d'argent, du ZnGeP2 ou de 1'AsGa. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau non linéaire (1) est un assemblage de lames ou de couches de matériaux non linéaires.