Brevet FR2751094A1 — publié le 19980116

DISPOSITIF DE CONTROLE D'IMPULSIONS LUMINEUSES PAR UN DISPOSITIF PROGRAMMABLE ACOUSTO-OPTIQUE L'invention concerne un dispositif de contrôle d'impulsions lumineuses par un dispositif programmable acousto-optique et son application à des dispositifs de traitement d'impulsion et notamment à une source laser à impulsions ultra-courtes. On connaît dans la technique des dispositifs mettant en oeuvre l'intéraction de dispositifs acoustiques sur le comportement de signaux optiques. Si on considère un milieu acoustique et notamment un milieu élasto-optique anisotrope dans lequel on introduit une onde acoustique qui a pour effet d'induire des variations d'indices optiques dans ce milieu et si on introduit dans ce milieu une onde optique colinéaire à la direction de propagation de l'onde acoustique, on a, une intéraction entre l'onde acoustique et l'onde optique. Cette intéraction est due aux variations d'indices sur l'onde optique. Si l'onde optique et l'onde acoustique sont colinéaires, on a un couplage d'une onde optique diffractée Kd à une onde optique incidente Ki par une onde acoustique Kac comme celà est représenté en figure 1 et on a: Kd = M + Kac Cette intéraction acousto-optique couple l'onde incidente optique de nombre d'onde ss1, à l'onde diffractée optique de nombre d'onde ss2 par l'intermédiaire d'une onde acoustique de nombre d'ondes K dans un matériau élasto-optique anisotrope. Posant Ass = ss1 - ss2 + K (1) I'amplitude A2(z) du champ électrique E2 de l'onde optique diffractée est couplée à l'amplitude A1 (z) du champ électrique E1 de l'onde optique incidente par les relations: K étant la constante de couplage. Les solutions des équations (2) s'écrivent pour A2(0) = o - o étant la pulsion optique, - c la vitesse de la lumière dans le vide, - n1 et n2 les indices optiques associés respectivement à l'onde incidente et à l'onde diffractée, - p la constante élasto-optique, - S la contrainte acoustique, - K la constante de couplage, - p la masse spécifique du matériau, - v la vitesse acoustique et Iac l'intensité acoustique. A une distance Z la fraction d'énergie transférée de A1 vers A2 est: La totalité de l'énergie de l'onde incidente est transférée sur une onde diffractée à une distance Lc, appelée longueur de couplage, lorsque: Si l'onde optique incidente porte un signal si (t) et l'onde acoustique de couplage un signal a (t), I'onde optique diffractée dans une intéraction colinéaire portera le signal de la forme: Sd(t)= Sj(t)*a(t) traduisant la convolution des signaux si (t) et a (t). Le signal sd (t) est le résultat du filtrage de si (t) par un filtrage de réponse impulsionnelle a (t). En particulier, si le signal si (t) est une impulsion optique très courte et le signal a (t) une impulsion acoustique longue modulée en amplitude ou en fréquence de produit BT (bande passante x durée), le signal sd (t) sera une impulsion optique longue modulée en amplititude ou en fréquence de même produit BT recopiant fidèlement le code de l'onde acoustique tel que Ass = 0 - fopt étant la fréquence optique, - fac la fréquence acoustique, - Bopt la bande passante optique - et Bac la bande acoustique. Dans les montages d'amplification d'impulsions lumineuses modulées en fréquence appelés CPA (Chirp Pulse Amplification), le problème consiste à générer à partir d'une impulsion optique très courte un signal optique long modulé en fréquence qui sera recomprimé après l'amplification laser. Le dispositif de compression soumis à des puissances crêtes élevées, ne peut pas être programmable. II est donc souhaitable que le dispositif d'extension qui opère à signal optique faible soit rendu programmable en fonction des défauts et des instabilités de la chaîne d'amplification laser. En effet, lorsque le dispositif d'extension est parfaitement adapté au dispositif de compression en l'absence de chaîne d'amplification laser, le signal recomprimé est quasi-identique au signal optique très court de départ avant l'extension. Mais en présence de la chaîne d'amplification qui déforme les signaux, le signal recomprimé n'est pas identique au signal initial même lorsque l'extenseur et le compresseur sont parfaitement adaptés. Le seul moyen de compenser les défauts de l'amplification et de la compression est de disposer d'un filtre d'extension programmable. L'invention concerne donc un dispositif acousto-optique programmable comprenant un milieu élasto-optique muni d'un transducteur acoustique capable de généré dans le milieu élasto-optique une onde acoustique modulée selon une direction déterminée, ainsi que des moyens de couplage d'une onde optique incidente polarisée dans le milieu élastooptique. L'onde acoustique et l'onde optique incidente sont colinéaires ou quasi-colinéaires. De plus, le dispositif comporte un circuit de programmation de la modulation de l'onde acoustique. L'invention est applicable à une source laser délivrant des impulsions ultra-courtes. En effet, I'amplification d'une impulsion lumineuse se heurte aux limitations du milieu amplificateur. L'invention concerne donc une source laser comprenant un dispositif acousto-optique tel que décrit ci-dessus dans lequel le dispositif acousto-optique reçoit une impulsion optique incidente polarisée à amplifier, et fournit une impulsion optique étendue. Ce dispositif comporte un amplificateur optique amplifiant l'impulsion optique étendue ainsi qu'un dispositif de compression optique effectuant une compression de l'impulsion optique étendue puis amplifiée. Dans un oscillateur en cavité, les miroirs qui ferment cette cavité introduisent des dispersions en fréquences du signal optique. Pour pallier cet inconvénient, I'invention prévoit d'insérer dans la cavité optique un dispositif acousto-optique programmable ainsi décrit. 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 diagramme des ondes-optique et acoustique qui interfèrent dans le milieu acoustique; - les figures 2a et 2b, un exemple de réalisation du descriptif de l'invention; - les figures 3a et 3b, des exemples de signaux optiques étendues obtenus avec le système de l'invention; - les figures 4a à 4d, des exemples de réalisation du dispositif d'expansion acousto-optique selon l'invention; - les figures 5a à 5c, des exemples d'application de l'invention à des architectures lasers générant une impulsion ultra-courte; - la figure 6, un exemple d'application de l'invention à un oscillateur à cavité. Le dispositif de l'invention comporte une cellule élasto-optique 1 comportant une électrode ou un transducteur piézoélectrique 2 auquel est appliqué un signal électrique 3 induisant une onde acoustique a(t) dans le transducteur 1. Ce signal est modulé en fréquences par une succession de fréquences de modulation ou par une modulation variant continûment en fréquences. Un tel signal est représenté en figure 2a. Une onde acoustique a(t) présentant les mêmes modulations en fréquences se propage donc dans le transducteur et induit des variations d'indices constituant différents réseaux (R1, R2, R3, ..., Rn) dont les pas correspondent aux fréquences de modulation. C'est ainsi que sur la figure 2b, le réseau R1 correspond à une fréquence de modulation fl, le réseau R2 correspond à une fréquence de modulation f2, ie réseau R3 correspond à une fréquence de modulation f3, etc... Le transducteur reçoit par ailleurs une onde optique polarisée linéairement se présentant sous la forme d'une impulsion de courte durée et comportant différentes fréquences. Des moyens de couplage de l'onde optique dans le milieu élasto-optique seront décrit ultérieurement. Le milieu élasto-optique est un matériau birefrinquent. Les fréquences de modulation de l'onde optique sont telles que chaque fréquence de l'impulsion lumineuse diffracte sur un réseau (R1, R2, R3,..., Rn) ou sur une partie de réseau. Cette diffraction a pour effet de réaliser une conversion de mode de polarisation de l'onde lumineuse. Par exemple, une onde polarisée TM est convertie en onde TE. Le matériau du milieu élasto-optique 1 étant birefringent et l'impulsion lumineuse étant polarisée TM (par exemple), à la fréquence fi la polarisation TM de l'impulsion est convertie en polarisation TE par le premier réseau RI ; à la fréquence f2, la polarisation TM est convertie en TE par le réseau R2 et ainsi de suite. La cellule est orientée de telle manière que l'impulsion lumineuse incidente a sa polarisation TM orientée suivant un axe z pour lequel l'indice optique est l'indice extraordinaire ne du milieu acousto-optique. Chaque onde optique diffractée est polarisée suivant un axe pour lequel l'indice optique est l'indice ordinaire nO. Comme on le sait les vitesses de propagation des ondes sont différentes aux indices ne et nO. Si on considère différentes fréquences de l'impulsion optique fl, f2, ..., fn: - à la fréquence f1, I'onde subit une conversion de polarisation dès le réseau R1 et parcourt la longueur du transducteur à la vitesse vO correspondant à l'indice nO. - etc, - à la fréquence n. I'onde parcourt le transducteur à la vitesse ve, excepté le réseau Rn, par lequel est diffractée. On voit donc que les différentes fréquences de l'onde optique parcourent la longueur du transducteur à des vitesses moyennes différentes. En sortie du transducteur les différentes ondes lumineuses aux différentes fréquences sont réparties dans le temps. L'impulsion lumineuse est donc étalée dans le temps. L'énergie d'une impulsion de courte durée est répartie dans une impulsion optique de longue durée. Le signal 3 appliqué à l'électrode du transducteur piézoélectrique est un signal électrique modulé en fréquences avec variation dans le temps de la fréquence de modulation. Le signal est fourni par un circuit de modulation 5 commandé par un signal de commande de modulation Cm (circuit 6) qui définit la loi de modulation. Par exemple, le signal Cm peut être un signal de variation linéaire et commande une variation linéaire dans le temps de la fréquence de modulation. Les différents réseaux Ri et Rn varieront alors continûment. Selon l'invention, il est important de commander à volonté la forme du signal de commande Cm. Cela permet de programmer la variation dans le temps de la fréquence de modulation. On aura alors des réseaux de longueurs différentes et on pourra avoir une impulsion optique étendue de sortie d'une forme adaptée du type par exemple de celui de la figure 3a. Egalement, on pourra avoir une impulsion étendue dont la répartition des fréquences est choisie en fonction de la programmation (voir en figure 3b par exemple). Le dispositif acousto-optique décrit permet d'étendre de façon programmable une impulsion lumineuse. II est réalisé dans un matériau uniaxe tel que le LiNbO3 ou le CaMoO4, ou même le TeO2 dans des conditions de quasi-colinéarités des ondes acoustiques et optiques.A titre d'exemple, prenons comme matériau le niobate de lithium LiNbO3, comme axe de propagation l'axe y du niobate de lithium, I'axe C étant porté par l'axe z. Couplons une onde acoustique transversale de vitesse = v = 4.000m/sec polarisée suivant l'axe x du niobate de lithium à une onde optique incidente polarisée suivante l'axe z (ou c), pour laquelle l'indice optique est l'indice extraordinaire n1 = ne = 2,20. Dans ces conditions, I'onde optique diffractée sera une onde polarisée suivant l'axe x pour laquelle l'indice optique est l'indice ordinaire n2 = nO = 2,29. Pour une longueur d'onde optique dans le vide de ho = 0,8 soit une fréquence optique fg = 375 THz, la fréquence de l'onde acoustique transversale devra donc être: v 4.10 fac -|ne - no|.fo = .0,09.3,75.10l4 = 450MHz (g) 3.10 Si l'impulsion optique courte a une durée de 20 fsec et couvre une bande passante de Bopt = 0,5.1014Hz, la bande passante acoustique devra être de: Bac=v|ne-no| no|Bopt = 60MHz (10) Pour étendre 1.000 fois cette impulsion courte pour la porter à 20 psec, la durée Tac de l'impulsion acoustique devra être de: c Tac= T,pt g To#t= 16,7 sec (11) et la longueur du cristal de niobate de lithium: Lac = v. Tac = 66,8mm. (12) Lorsqu'une impulsion longue de durée T est modulée linéairement en fréquence dans une bande B, une fréquence particulière du spectre B occupe une durée Tf: Pour que la conversion de l'onde optique incidente vers l'onde optique diffractée soit totale (100% de rendement de conversion), il faut que la longueur de couplage Lo soit égale à la longueur occupée dans le cristal par une fréquence particulière fac de la bande BaC soit: soit encore, compte-tenu des relations (4): k 2 l) 2 (n1n2)3p2 lac = # Bac (15) 8c #v 4v Tac Posant, comme habituellement, M2 = (n1n1) # (16) #v I'intensité acoustique nécessaire à un transfert total de l'énergie de l'onde incidente vers l'onde diffractée s'écrit donc: Dans le cas particulier du niobate de lithium de notre exemple: p = 4,64.103kgim3, p = 0,151 et M2 = 9,82.10-15 sec3/kg, soit: lac = 7,3W/mm2 (18) avec: LO = 2,1 mm En se reportant aux figures 4a à 4d, on va maintenant décrire différents exemples de réalisation de dispositifs acousto-optiques selon l'invention. Le dispositif de la figure 4a comporte un cristal 1 qui comprend une partie 13 prévue pour la propagation de l'onde optique. Une partie 10 inclinée par rapport à la partie 13 permet la génération d'une onde acoustique dans le dispositif à l'aide d'un dispositif piézoélectrique 2 commandé par les circuits 5 et 6. L'onde acoustique générée est réfléchie par une face inclinée Il vers la partie 13 selon la direction de propagation de l'onde optique. L'onde optique incidente Sj est couplée dans le milieu 13 par une face 12 selon une direction convenablement choisie du cristal 1. Par exemple, comme décrit précédemment, dans le cas du LiNbO3 cette direction est colinéaire avec l'axe y du cristal. L'inclinaison de la face 11 est choisie de façon que la sortie de l'onde optique diffractée Sd se fasse sous incidence de Brewster. L'onde acoustique est générée dans le milieu élasto-optique par un transducteur acoustique 2 commandé, comme on l'a vu précédemment par un modulateur 5 commandé par un circuit programmable 6. De plus, il convient que l'émission de l'impulsion lumineuse incidente Si soit synchronisée, dans le milieu acoustique 13, avec l'onde acoustique. Pour celà, I'impulsion lumineuse Si est fournie par la source 7 dont l'émission est commandée par un circuit de synchronisation 8 qui commande également le fonctionnement du modulateur 5. La figure 4b représente un dispositif dans lequel on a prévu, selon la direction de propagation de l'onde acoustique, des moyens pour réfléchir l'onde optique Si. L'onde acoustique est générée dans la partie 13 du cristal selon un axe du cristal choisi précédemment. Selon cet axe, sont prévus des miroirs 15 et 16 qui permettent la propagation de l'onde acoustique et qui orientée selon un angle (à 45C par exemple) permettent l'entrée de l'onde optique incidente Si et la sortie de l'onde optique diffractée. Ces miroirs 15, 16 sont par exemple des couches en matériaux diélectriques optiques. Ils peuvent être réalisés sous forme de multi-couches (par exemple SiO/Z,O, SjO2/ZnO2) ou en couche mince d'lTO. Pour réaliser un tel dispositif on découpe en biais un élément 1 et on dépose la multi-couche diélectrique sur la face découpée de l'élément 13, puis on recolle les deux éléments découpés pour reconstituer l'élément 1. L'épaisseur des couches de réflexion 15, 16 doit être très petite par rapport à la longueur d'onde acoustique. Les figures 4c, 4d représentent des exemples de réalisation du dispositif acousto-optique selon les techniques de l'optique intégrée. Dans une couche 20 de matériau présentant des propriétés de propagation d'ondes acoustiques (LiNB03) est réalisé un guide optique 23. A la surface de la couche 20 sont prévues des électrodes interdigittées 24,25 (la couche 20 est également piézoélectrique dans ce cas). Selon la figure 4d, une face 29 du dispositif est inclinée par rapport à l'axe des électrodes 24, 25 pour réfléchir l'onde acoustique colinéairement à l'axe du guide optique 23. Dans ce qui précède, il est possible de prévoir, en sortie de l'onde acoustique, des moyens pour absorber l'onde acoustique (couches absorbantes). L'invention est appliquée à l'amplification d'impulsions lumineuses pour la génération d'impulsions lumineuses ultracourtes. Notamment, on veut contrôler la durée de l'impulsion. En effet, I'obtention d'une impulsion lumineuse ultra-courte de puissance crête élevée se heurte aux limites de l'amplificateur optique. L'invention prévoit donc l'application du dispositif de l'invention dans une chaîne du type de la figure 5a. Cette chaîne comporte un oscillateur fournissant des impulsions ultra-courtes qui sont étendues par le dispositif d'extension EXT. Les impulsions étendues sont ensuite amplifiées par un ou plusieurs passages dans des amplificateurs laser (AMP) pompés par flash ou par diodes. La génération d'impulsions ultracourtes est ensuite réalisée par des moyens classiques de compression COMP à partir de paires de réseaux dispersifs par exemple. L'intérêt de l'invention tient à la possibilité de programmer l'extension de l'impulsion par le dispositif d'extension pour pouvoir compenser les effets de dispersions dûs aux milieux amplificateurs et les défauts de dispersions de réseaux de compression. Selon l'invention, on prévoit donc de rendre programmable le fonctionnement du dispositif d'extension de façon à programmer l'extension des différentes fréquences contenues dans les impulsions lumineuses. Une forme de réalisation de l'invention consiste à prévoir dans la chaîne d'amplification de la source un dispositif programmable acoustooptique tel que décrit précédemment, comme représenté en figure 5b, un dispositif acousto-optique 1 est associé à un dispositif d'extension classique EXP du type réseau dispersif. Un oscillateur optique OSC fournit donc des impulsions optiques lopt de courtes durées par exemple 20 fs à un dispositif acousto-optique 1 qui est un dispositif du type décrit précédemment. L'impulsion optique fournie par le dispositif 1 est transmise à un dispositif d'extension EXP qui transforme l'impulsion lopt en un signal de durée plus longue mais d'intensité plus faible. Ce signal est amplifié par un amplificateur AMP et le signal optique amplifié est comprimé pour donner une impulsion de courte durée et de grande amplitude. Dans ce mode de fonctionnement, le dispositif de l'invention permet de corriger l'ensemble des défauts de dispersion dûs respectivement au dispositif d'extension, aux amplificateurs et au dispositif de compression. Celà se fait par programmation du dispositif acousto-optique comme celà a été décrit précédemment. Comme représenté en figures 5a à 5c, il est également prévue une boucle adaptative entre la sortie de la chaîne d'amplification et la commande de modulation du dispositif acousto-optique 1. Cette boucle permet de mesurer l'impulsion de sortie et d'agir par un circuit de traitement CT, à l'aide d'un algorithme de convergence, sur la commande de modulation (sur le circuit de commande 8 de la figure 4a). Selon la figure 5c, on peut prévoir dans certains cas d'application de ne prévoir pour l'extension des impulsions que le dispositif acoustooptique 1 et ne pas prévoir de dispositif d'extension classique. Une autre architecture de laser intégrant un dispositif programmable est représentée en figure 6. A titre d'exemple, elle utilise une cavité dans laquelle le dispositf acousto-optique sert à compenser les effets de dispersion dûs au milieu amplificateur, composants optiques et miroirs constituant la cavité du laser. Selon l'invention, on prévoit donc de placer dans la cavité un dispositif acousto-optique dont le signal acoustique est programmé pour compenser les distorsions. Notamment la modulation du signal acoustique est organisée en conséquence des distorsions en fréquences de tous les composants optiques de la cavité. Dans ces conditions une impulsion ultracourte limitée temporellement par diffraction peut être obtenue sur le faisceau de sortie de cette architecture laser. REVENDICATIONS 1. Dispositif acousto-optique programmable comprenant un milieu élasto-optique (1) muni d'un transducteur acoustique (2) capable de généré dans le milieu élasto-optique une onde acoustique modulée selon une direction déterminée, ainsi que des moyens de couplage d'une onde optique incidente polarisée (Si) dans le milieu élasto-optique caractérisé en ce que l'onde acoustique et l'onde optique incidente sont colinéaires ou quasicolinéaires et en ce que le dispositif comporte un circuit de programmation (6) de la modulation de l'onde acoustique. 2. Source laser appliquant le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif acousto-optique reçoit une impulsion optique incidente polarisée à amplifier, et fournit une impulsion optique étendue ; et en ce qu'il comporte un amplificateur optique (AMP) amplifiant l'impulsion optique étendue ainsi qu'un dispositif de compression optique (COMP) effectuant une compression de l'impulsion optique étendue puis amplifiée. 3. Source laser selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'extension (EXP) situé entre le dispositif acoustooptique (1) et l'amplificateur (AMP). 4. Dispositif oscillateur à cavité appliquant le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité optique permettant un parcours fermé d'une onde lumineuse, une source lumineuse émettant une onde lumineuse selon ce parcours, ainsi qu'un dispositif acoustique selon la revendication 1 placé dans la cavité. 5. Source laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que la modulation de l'onde acoustique est programmée de façon à compenser les distorsions de l'amplificateur (AMP). 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la modulation de l'onde acoustique est programmée de façon à compenser les dispersions en fréquences des moyens optiques de la cavité. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de boucle adaptative (CC) mesurant les impulsions optiques fournies par le dispositif de compression optique (COMP) et agissant sur le circuit de modulation (5). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde acoustique et l'onde optique incidente (Si) sont colinéaires et dirigées selon un axe du milieu élasto-optique selon lequel un réseau d'indice créé par l'onde acoustique provoque pour certaines fréquences une conversion (TE, TM) du mode de polarisation de l'onde optique incidente. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte une source optique (7) fournissant l'onde optique, un circuit de modulation (5) commandant la modulation de l'onde acoustique sous la commande du circuit - de programmation (6) ainsi, qu'un circuit de synchronisation (8) commandant en synchronisme le fonctionnement de la source optique (7) et le circuit de modulation (5). 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu élasto-optique comporte une première partie (13) de propagation colinéaire de l'onde optique incidente (Sj) et de l'onde acoustique faisant un angle avec la première partie, la jonction entre les deux parties comportant une face de réflexion de l'onde acoustique de la deuxième partie vers la première partie. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite face fait un angle tel avec la direction de propagation de l'onde optique dans le milieu élasto-optique que l'onde optique diffractée peut sortir du milieu sous incidence de Breuster. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu élasto-optique comporte, selon la direction de propagation de l'onde acoustique au moins un miroir optique (15) faisant un angle avec cette direction, recevant l'onde optique incidente (Si) et permettant le couplage dans le milieu élasto-optique de l'onde optique incidente colinéairement avec l'onde acoustique. 13. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comporte: - une couche d'un matériau cristallin (20) présentant des qualités acousto-optiques réalisée sur un substrat (21); - des moyens d'induction d'une onde acoustique dans ladite couche colinéairement avec le guide optique. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens d'induction d'une onde acoustique comporte des électrodes interdigittées localisées au-dessus du guide optique. 15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens d'induction d'une onde acoustique comportent une face (29) de la couche de matériau cristallin (20) inclinée par rapport à l'axe du guide optique et des électrodes interdigittées (24, 25) permettant d'induire une onde acoustique dans la couche (20) vers ladite face (29) qui réfléchit l'onde acoustique colinéairement au guide.