Brevet FR2793959A1 — publié le 20001124

DISPOSITIF POUR CONTROLER LA DISPERSION D'UN SIGNAL OPTIQUE, ET SON APPLICATION A LA COMPRESSION DES IMPULSIONS OPTIQUES ULTRACOURTES. La présente invention se rapporte aux dispositifs pour contrôler la dispersion d'un signal optique, plus particulièrement les impulsions produites par un laser. Elle permet également de mettre en forme les impulsions optiques courtes, en particulier d'une part dans les oscillateurs du type "femtoseconde" et d'autre part dans les amplificateurs et les oscillateurs paramétriques optiques. Dans tous les cas l'invention permet de compenser la plus grande partie de la dispersion apportée par les autres organes du système où elle est employée, en particulier à cause du comportement non linéaire en fréquence des milieux traversés. On sait qu'un laser à impulsions est formé d'un barreau de matériaux susceptible d'être pompé optiquement disposé entre deux miroirs parallèles formant une cavité résonante. Ces miroirs peuvent être du type diélectrique. Un tel miroir diélectrique est formé d'un empilement de couches minces non métalliques déposées sur un substrat. Son facteur de réflexion est très élevé sur une bande spectrable cible. Il est par exemple supérieur à 99 % . L'épaisseur et l'indice de chacune des couches minces sont déterminés soit suivant une formule préétablie, soit par optimisation d'une fonctionnelle décrivant les qualités attendues du miroir. Un miroir de type Rmax est déterminé conventionnellement par une formule du type S #(HL)P, où S représente le substrat, H un matériau d'indice élevé et d'épaisseur quart-d'onde Çk/4), L un matériau d'indice bas et d'épaisseur X/4, et p le facteur de répétition de la séquence HL. Le matériau H peut être du Ti02 (indice 2. 3 à 800 nm, ou 375 THz), et le matériau L peut être du Si02 (indice 1. 45 à 800 nm). Les lasers à impulsions permettent d'obtenir des impulsions très courtes dont on sait que le spectre, par applications des théories de Fourier, est d'autant plus large que l'impulsion est étroite. Or les matériaux transparents utilisés dans un système optique sont le plus souvent dispersifs, c'est à dire que la vitesse de la lumière à l'intérieur de ces matériaux varie en fonction de la fréquence de cette lumière. En conséquence les différentes composantes d'une impulsion courte se propagent à des vitesses différentes. Ce phénomène se produit en particulier dans le barreau actif qui est à l'origine du phénomène laser. Ceci entraîne un élargissement de l'impulsion obtenue, ou tout au moins l'impossibilité d'obtenir une impulsion très courte. En fonction du montage optique où se situe le laser, ce même phénomène peut se reproduire dans les composants optiques utilisés en transmission, les lentilles par exemple. Les conséquences en sont les mêmes, mais souvent avec un effet plus faible. Parmi les dispositifs qui ont été proposé pour compenser cet effet, on connaît depuis 1964 t'interféromètre de Gires-Tournois. Celui-ci permet le contrôle de la dispersion sur des bandes limitées et peut donc être utilisé pour les lasers du type "picoseconde". Le principe consiste à disposer essentiellement deux couches supplémentaires sur un miroir de type Rmax (ou sur un miroir métallique) : une couche relativement épaisse assurant principalement la dispersion, et une plus mince réglant le facteur de réflexion à l'entrée dans l'interféromètre. Si le miroir sous-jacent est parfait, c'est-àdire de facteur de réflexion à l'entrée dans l'interféromètre. Si le miroir sousjacent est parfait, c'est-à-dire de facteur de réflexion 100% dans la bande utile, l'interféromètre de Gires-Tournois introduit uniquement une dispersion donnée sur une impulsion se réfléchissant sur lui. Il faut noter que la loi de dispersion ne peut pas être arbitraire. Pour augmenter les performances et obtenir des lasers du type femtoseconde, on a proposé de contrôler la dispersion à l'aide d'un miroir diélectrique dont toutes les couches participent à la fonction de dispersion. Ce principe est illustré sur la figure 1 et généralise en quelque sorte le principe de t'interféromètre de Gires-Tournois. Une impulsion courte incidente sur le miroir possède un spectre large s'étendant conventionnellement du rouge (fréquences basses) au bleu (fréquences élevées). Pour un spectre donné, l'impulsion la plus courte est obtenue quand la phase spectrale est nulle ou constante (dispersion nulle). La dérivée première de la phase spectrale est le temps de groupe, dont le sens physique est un décalage temporel entre chaque composante spectrale de l'impulsion. La dérivée seconde de la phase spectrale, ou dispersion de temps de groupe, est également souvent employée. A la réflexion sur le miroir, chaque composante spectrale acquiert un certain retard par propagation qui est le temps de groupe spécifié. Comme représenté sur la figure 1 de manière schématique, le miroir est composé d'un substrat 101 comportant un nombre important de couches superposées dont on n'a représenté que les couches superficielles 102 et les couches 104 proche du substrat. L'ensemble des couches intermédiaires 103 n'a pas été représenté pour alléger la figure. Les composants spectrales respectivement de grande fréquence #1, de fréquence moyenne #2, et de faible fréquence #3, sont ainsi réfléchies chacune à une profondeur moyenne particulière à la longueur d'onde. Sur la figure, #1 est réfléchie sur les couches superficielles 102, #2 sur les couches intermédiaires 103, et #3 sur les couches profondes 104. Le retard de propagation ainsi apporté aux différentes fréquences vient se combiner avec le retard correspondant à la dispersion dans le milieu actif. Cette combinaison permet, dans certaines limites, une compensation globale de cette dispersion. De cette manière une impulsion courte 105 peut être comprimée temporellement pour obtenir une impulsion ultra courte 106. On pourrait aussi, pour des besoins particuliers, étendre cette impulsion pour obtenir une impulsion plus large que l'impulsion initiale. On connaît par exemple un miroir qui permet d'imprimer un temps de groupe décroissant linéairement avec la fréquence, spécifié par une valeur de dispersion de temps de groupe de -45fs2, sur une bande de 80 THz autour de 375 THz (soit de 720 à 890 nm) . Ce miroir comporte 42 couches alternées de Ti02 et de Si02. L'enjeu principal d'un miroir à dispersion contrôlée est d'assurer une loi de dispersion donnée sur la bande spectrale relative la plus large possible. En effet, cette quantité gouverne directement la durée de l'impulsion, une impulsion étant d'autant plus courte que la bande spectrale relative est importante. Le miroir cité ci-dessus possède une bande spectrale relative de 0,21. Le record connu en la matière est de 0,44 (bande de 180 THz autour de 410 THz). Ces miroirs sont le plus souvent obtenus par optimisation d'une fonctionnelle. On connaît cependant une technique particulière pour obtenir analytiquement un miroir à dispersion contrôlée, mais avec des limites importantes. Donc d'une part la dispersion apportée par un interféromètre de Gires-Tournois ne peut pas être arbitraire, et n'est dans la pratique utilisable que sur une bande limitée. D'autre part l'augmentation de la bande des miroirs à dispersion contrôlée passe nécessairement par l'augmentation du nombre des couches minces. Cependant, d'une part ce nombre est limité pratiquement par la machine de dépôt, et d'autre part passé un certain nombre de couches plus aucune amélioration ne se fait sentir. En définitive les techniques connues ne permettent d'obtenir qu'une compensation au second ordre, dans laquelle la courbe représentative du temps de groupe en fonction de la longueur d'onde ne s'éloigne pas trop d'une droite. Pour surmonter ces limitations, l'invention propose un procédé pour contrôler la dispersion d'un signal optique, qui comprend sur le trajet de ce signal un miroir diélectrique comprenant un premier ensemble de couches diélectriques empilées sur un premier substrat et dont les épaisseurs sont corrigées par rapport au quart de la longueur d'onde centrale du signal à contrôler pour contrôler partiellement la dispersion de ce signal, principalement caractérisé en ce qu'il comprend sur ce trajet du signal optique au moins un deuxième miroir diélectrique de structure semblable à celle du premier et comportant un deuxième ensemble de couches diélectriques dont les épaisseurs sont corrigées pour que la combinaison de ces deux corrections permette de compléter le contrôle de la dispersion du signal. Selon une autre caractéristique, la correction des couches diélectriques est déterminée pour obtenir une correction du troisième ordre de la variation du temps de groupe du signal optique. Selon une autre caractéristique, l'un au moins des miroirs comporte un interféromètre du type Gires-Tournois. Selon une autre caractérisque, tous les miroirs comportent un interféromètre du type Gires-Tournois. Selon une autre caractéristique, il comprend un milieu actif permettant de le faire fonctionner en laser. Selon une autre caractéristique, ce milieu actif est en saphir dopé au titane pour obtenir des impulsions ultra courtes. Selon une autre caractéristique, il est adapté pour former un laser du type "femtoseconde". Selon une autre caractéristique, il est adapté pour former un oscillateur optique permettant de délivrer des impulsions brèves. Selon une autre caractéristique, il est adapté pour former un amplificateur paramétrique optique délivrant des impulsions brèves. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée en regard des figures annexées qui représentent : - la figure 1 , un schéma de principe du contrôle de la dispersion dans l'art connu ; - la figure 2, un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 3, deux graphiques montrant le coefficient de réflectivité et le temps de groupe d'un dispositif comportant quatre miroirs de type Gires-Tournois corrigés selon l'invention ; et - la figure 4, des graphiques montrant les mêmes paramètres pour un dispositif utilisant une paire de miroirs diélectriques corrigés selon l'invention. Pour remédier aux limitations de l'art antérieur, l'invention propose d'utiliser non plus un unique miroir (ou interféromètre), mais deux ou plus simultanément. Dans ce cas, les facteurs de réflexion de chacun des miroirs doivent être multipliés, mais les dispersions s'ajoutent. Ainsi, il n'est plus nécessaire que la dispersion d'un miroir suive une loi prescrite, mais simplement que la somme des dispersions des miroirs suive une telle loi, sans autre contrainte sur la dispersion de chacun des miroirs. Par ailleurs, le produit des réflectivités de chacun des miroirs donnera la qualité du miroir sur la bande considérée. Plus précisément, comme représenté sur la figure 2, une impulsion comprimée 105 est réfléchie successivement sur deux miroirs diélectriques formés respectivement sur deux substrats 201 et 211, avec pour l'un des couches diélectriques 202 à 204, et pour l'autre des couches diélectriques 212 à 214. Selon l'invention, ces couches diélectriques sont corrigées pour chacun des miroirs de manières différentes afin d'obtenir pour les miroirs séparément des courbes de correction distinctes, qui sont en elles-mêmes soumises aux limitations de l'art antérieur. La combinaison de ces deux courbes permet d'obtenir la correction voulue qui échappe à ces contraintes de l'art antérieur. L'Impulsion 106 sortant du deuxième miroir est donc ainsi considérablement comprimée, avec corrélativement une bande passante très importante. Chacun des deux miroirs séparément fonctionne de la manière décrite ci-dessus avec les composantes fréquentielles hautes, moyennes, et basses se réfléchissant sur les couches externes, moyennes, et profondes. L'obtention pratique de la formule des miroirs consiste à optimiser une fonctionnelle décrivant les caractéristiques de réflectivité et de dispersion désirées pour l'ensemble des miroirs (produit des réflectivités et somme des dispersions individuelles). Ces caractéristiques de réflectivité et de dispersion désirées peuvent alors être arbitraires (en particulier la variation du temps de groupe peut ne plus être monotone en fonction de la fréquence). Dans un premier exemple de réalisation, on a utilisé un dispositif comprenant quatre interféromètres de Gires-Tournois assurant une dispersion spécifiée par une dispersion du troisième ordre pure de-4000 fs3 pour une bande spectrale s'étendant de 750 à 850 nm . La réflectivité et le temps de groupe sont représentés sur la figure 3. Chaque interféromètre est constitué d'un miroir RMAX de formule S#(HL)11(H représentant une couche d'épaisseur quart-d'onde de Ti02, L une couche d'épaisseur quart d'onde de Si02 et S un substrat de verre pour lequel n = 1. 51). La correction est obtenue à l'aide à l'aide de deux couches additionnelles dont les caractéristiques sont données dans le tableau suivant. Gires-Tournois # épaisseur couche 1 (Si02) épaisseur couche 2 (Ti02) 1 225.318 867.907 2 268. 424 754.316 3 233. 317 718.205 ~4~~~~~~~~~48.8719~~~~~~~~~~889.862~~~~~~~~~~ Dans un deuxième exemple de réalisation, on a utilisé un dispositif comprenant une paire de miroirs assurant une pente du temps de groupe de -80 fs2 pour l'incidence normale. Chaque miroir comporte 58 couches alternées de Ti02 et de Si02 sur un substrat de verre (n = 1. 51) . La bande spectrale relative couverte est de 0. 66 (bande de 250 THz autour de 375 THz, ou s'étendant de 600 à 1200 nm). Cette bande couvre par exemple la totalité du spectre de gain du saphir dopé au titane utilisé comme matériau actif dans certains lasers pour impulsions ultracourtes. La correction est obtenue en utilisant pour les couches des épaisseurs listées dans les tableaux suivants. T mat. épaisseur (nm) H # mat. épaisseur (nm) L 1 Ti02 217.568 2.43224 2 SIO2 118.608 0.864738 3 TiO2 199. 741 2. 23295 4 SiO2 142. 331 1. 0377 5 Ti02 175. 296 1. 95967 6 SiO2 189.082 1. 37854 7 Ti02 147. 747 1. 6517 8 SiOz 199. 418 1. 4539 9 TiO2 140. 652 1. 57238 10 Si02 207. 167 1. 5104 11 Ti02 132. 057 1.4763 12 SiO2 184. 89 1. 34798 13 TiO2 130. 206 1.4556 14 SiO2 175. 15 1. 27697 15 Ti02 111. 566 1. 24722 16 Si02 173.494 1. 2649 17 Ti02 111. 506 1. 24655 18 Si02 158. 323 1. 15429 19 TiO2 110. 963 1.24048 - 20 Si02 157. 808 1. 15053 21 Ti02 106. 489 1. 19046 22 Si02 148. 821 1.08501 23 Ti02 98. 5224 1. 1014 24 Si02 145. 604 1. 06156 25 Ti02 94. 1822 1. 05288 26 Si02 147. 229 1. 07341 27 Ti02 88. 8704 0. 993502 28 Si02 133. 59 0. 973968 29 Ti02 89. 7336 1.00315 30 Si02 139. 899 1.01996 31 Ti02 84. 0843 0. 939997 32 Si02 117. 89 0. 859503 33 Ti02 89. 4277 0. 999732 34 Si02 125. 673 0. 916247 35 Ti02 83. 1242 0.929264 36 Si02 110.311 0. 804247 37 Ti02 78. 9665 0. 882784 38 Si02 130.593 0. 952117 39 Ti02 72. 2095 0. 807246 40 Si02 107. 637 0.7847&1 41 Ti02 76. 2756 0. 852702 42 Si02 120. 385 0. 877694 43 Ti02 64. 1728 0. 717402 44 Si02 118.891 0. 866801 45 Ti02 64. 5888 0. 722053 46 Si02 112. 094 0. 817246 47 Ti02 67. 5863 0. 755563 48 Si02 105. 664 0. 770367 49 Ti02 61.8065 0. 690949 50 Si02 105. 106 0. 766299 51 TiO2 68. 6959 0. 767967 52 Si02 93. 2228 0. 679661 53 Ti02 54. 8057 0. 612685 54 Si02 116. 947 0. 852628 55 Ti02 61. 1385 0. 683481 56 Si02 59. 7901 0. 435913 57 Ti02 77. 9524 0. 871448 58 Si02 173. 618 1.2658 #mat. épaisseur (nm) H # mat. épaisseur (nm) L 1 TiOz 155.8-1 1.7421.8 2 Spi02 312.901 2.28127 3 TiO2 75.5238 O.Q4.1298 4 SiO, 270.372 1.97121 5 TiO2 92.7026 1.03634 6 SiO2 216.757 1.53031 7 TiO2 116.267 1.29978 8 SiO2 233.73 1.70406 9 TiO2 118.033 1.31952 10 SiO2 205. 662 1.49942 11 TiO2 118.891 1. 32911 12 SiO2 131.386 1. 32243 13 TiO2 117.75 1. 31635 14 SiO2 130.2 1.31379 15 TiO2 114.123 1.27581 16 SiO2 172.246 1.2558 17 TiO2 111.438 1.24579 13 SiO2 171.039 1.247 19 TiO2 101.69 1.13682 20 SiO2 154.155 1. 1239 21 TiOz 100. 496 1.12347 22 SiO2 158.56 1. 15602 23 TiO2 91. 2961 1. 02062 24 SiO2 140. 201 1.02217 25 TiO2 95.9813 1. 073 26 SiO2. 137.122 0.999718 27 TiO2 91.4834 1.02271 28 SiO2 130. 44 0. 951002 29 TiO2 86. 8896 0. 971358 30 SiO2 139. 37 1. 01611 31 TiO2 77. 1711 0. 862713 32 Si02 127.91 0.932556 33 TiO2 77. 2498 0. 863593 34 Si02 131. 505 0. 958766 35 Ti02 84.9505 0. 949681 36 Si02 98. 1102 0. 715294 37 TiO2 78. 7775 0. 880671 38 Si02 128. 33 0. 935618 39 Ti02 73. 181 0. 818107 40 Si02 104. 523 0. 762048 41 Ti02 70. 9511 0. 793178 42 SiO2 119. 452 0. 870891 43 Ti02 64. 9929 0.72657 44 Si02 113. 918 0. 830544 45 Ti02 59. 5742 0. 665993 46 SiO2 112. 374 0. 819288 47 Ti02 64. 9881 0. 726517 48 SiO2 101. 972 0. 743449 49 Ti02 58. 9394 0. 658897 50 SiO2 98.4601 0. 717845 51 Ti02 66. 9763 0.748743 52 Si02 88. 2548 0. 643441 53 Ti02 51. 9632 0. 580908 54 Si02 102. 54 0. 747591 55 Ti02 62. 9781 0. 704046 56 Si02 51. 8703 0. 378172 57 Ti02 70.0378 0.782968 58 Si02 167.299 1.21973 Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir une courbe de dispersion arbitraire, et non limitée à une valeur donnée de la pente du temps de groupe. L'angle d'incidence est également arbitraire et indépendant sur chacun des miroirs. Ce procédé n'est pas restreint à l'alternance des deux matériaux Ti02 et Si02, mais s'applique également pour tous les matériaux déposables sous forme de couches minces optiques, y compris en utilisant plus de deux matériaux dans le même empilement. Le procédé selon l'invention, utilisant une paire ou plus de miroirs à dispersion contrôlée, peut être employé dans tous les systèmes de génération, d'amplification, de conversion fréquentielle et de traitement des impulsions ultracourtes, et en particulier pour les sources laser à saphir dopé au titane. On citera notamment les deux applications suivantes : La compensation de la dispersion dans les oscillateurs "femtoseconde" délivrant des impulsions ultracourtes ou accordables, et plus précisément la compensation des dispersions du milieu laser et des éléments optiques dans la cavité. La compensation de la dispersion dans les oscillateurs et amplificateurs paramétriques optiques délivrant des impulsions brèves. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour contrôler la dispersion d'un signal optique (105), qui comprend sur le trajet de ce signal un miroir diélectrique comprenant un premier ensemble de couches diélectriques (202-204) empilées sur un premier substrat (201) et dont les épaisseurs sont corrigées par rapport au quart de la longueur d'onde centrale du signal à contrôler pour contrôler partiellement la dispersion de ce signal, caractérisé en ce qu'il comprend sur ce trajet du signal optique au moins un deuxième miroir diélectrique (211-214) de structure semblable à celle du premier et comportant un deuxième ensemble de couches diélectriques (212-214) dont les épaisseurs sont corrigées pour que la combinaison de ces deux corrections permette de compléter le contrôle de la dispersion du signal. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la correction des couches diélectriques (202-204,212-214) est déterminée pour obtenir une correction du troisième ordre de la variation du temps de groupe du signal optique (105). 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs comporte un interféromètre du type Gires-Tournois. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que tous les miroirs comportent un interféromètre du type Gires-Tournois. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un milieu actif permettant de le faire fonctionner en laser. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ce milieu actif est en saphir dopé au titane pour obtenir des impulsions ultra courtes. 7- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il est adapté pour former un laser du type "femtoseconde". 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est adapté pour former un oscillateur optique permettant de délivrer des impulsions brèves. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est adapté pour former un amplificateur paramétrique optique délivrant des impulsions brèves.