Brevet FR2793612A1 — publié le 20001117

I DISPOSITIF DE CORRECTION D'ABERRATIONS D'UNE CHAINE LASER A IMPULSIONS ULTRACOURTES La présente invention se rapporte à un dispositif de correction d'aberrations d'une chaîne laser à impulsions ultracourtes. Les sources laser à impulsions ultracourtes (de l'ordre de la femtoseconde: 10-15 s) sont utilisées dans des applications industrielles, par exemple le micro-usinage. Ces sources doivent avoir une puissance crête relativement élevée. Elles sont généralement constituées d'un oscillateur laser suivi d'une chaîne de traitement dite " chaîne CPA " (" Chirp Pulse Amplifier ") comportant des dispositifs d'étirement, d'amplification et de compression d'impulsions ultracourtes. La traversée de cette chaîne lo provoque des aberrations (chromatiques et géométriques) des impulsions. Ces aberrations limitent la puissance des impulsions. On connaît des dispositifs de correction d'aberrations chromatiques, ainsi que des dispositifs de correction d'aberrations géométriques différents des premiers. Pour pouvoir corriger toutes les aberrations, il faut disposer en cascade ces deux types de dispositifs de correction, ce qui rend l'ensemble encombrant. La présente invention a pour objet un dispositif de correction des deux sortes d'aberrations précitées pouvant affecter des impulsions ultracourtes, dispositif qui soit compact, moins onéreux que l'association en cascade précitée, et dont les performances soient au moins aussi bonnes que celles de cette association. Le dispositif de correction conforme à l'invention comporte une valve optique dont la majeure partie de la surface utile est adressée optiquement par un modulateur spatial de lumière, et dont le reste de la surface utile, de forme oblongue, est disposé au milieu d'une ligne non dispersive 4F recevant le faisceau laser incident à corriger, le faisceau issu de la ligne 4F étant renvoyé sous forme divergente vers ladite majeure partie de la surface utile de la valve optique, à la sortie de laquelle est récupéré le faisceau corrigé. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une vue en coupe d'une valve optique telle qu'utilisée par la présente invention; la figure 2 est une vue partielle, en coupe simplifiée de la valve de la figure 1 lorsqu'elle est éclairée par un faisceau lumineux d'adressage; la figure 3 est un schéma simplifié d'un dispositif d'adressage optique de la valve de la figure 1; la figure 4 est une vue en plan de la valve de la figure 1, montrant ses deux zones de correction; e la figure 5 est un schéma simplifié d'un dispositif de correction conforme à l'invention; * la figure 6 est un schéma simplifié de la ligne 4F non dispersive de la figure 5, et, À la figure 7 est un bloc-diagramme d'une source laser avec son dispositif de correction conforme à l'invention. L'invention est décrite ci-dessous en référence à une source laser dite " à impulsion ultracourte " c'est-à-dire produisant des impulsions d'une durée de l'ordre de la femtoseconde, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour des impulsions plus longues (par exemple d'une durée allant jusqu'à la picoseconde). Bien qu'en théorie, la durée des impulsions puisse être quelconque, en pratique l'invention ne se justifie que pour des impulsions de durée inférieure à la picoseconde. Par ailleurs, le dispositif de l'invention n'est pas limité à la seule correction d'aberrations, et peut être mis en oeuvre pour produire des impulsions de forme déterminée ou pour produire plusieurs impulsions à partir d'une seule, de préférence pour des impulsions ultracourtes. La valve optique 1 représentée en figure 1 comporte un substrat 2 en verre sur lequel sont successivement déposés: une première électrode 3 transparente aux longueurs d'ondes utilisées, une cellule 4 à cristaux liquides, une couche 5 de matériau photoconducteur et une deuxième électrode 6. Les électrodes sont généralement en ITO (oxyde d'étain et d'indium), et le matériau photoconducteur est par exemple du BSO (oxyde de bismuth et de silicium) ou du silicium amorphe. Comme représenté en figure 2, lorsque l'on éclaire localement la valve 1 par un faisceau lumineux 7 (cohérent ou non), ayant une longueur d'onde à laquelle est sensible le matériau de la couche 5, les molécules de cristal liquide se trouvant sur le trajet de ce faisceau subissent une rotation (du fait que le faisceau d'adressage crée dans la couche photoconductrice une surface S d'iso-potentiel non plane), alors que les autres restent à leur état initial (parallèles à la surface de la couche). Ainsi, sur le trajet du faisceau 7, le cristal liquide présente un indice optique différent de celui qu'il a en l'absence de faisceau d'éclairage. On crée ainsi une " lame de phase " lo optique qui permet de moduler la surface d'onde (p (qui peut être plane ou non) d'un faisceau laser, surface (p qui devient la surface T après traversée de la valve. On a représenté en figure 3 le schéma simplifié d'un dispositif d'adressage optique de la valve 1, qui est placée sur le trajet d'un faisceau 8 à corriger. Ce dispositif d'adressage comprend une source lumineuse 9 éclairant via un dispositif optique 10 condenseur et collimateur un modulateur spatial de lumière 11 suivi d'un dispositif optique imageur 12 et d'une lame dichroïque 13 disposée à 45 sur le trajet du faisceau 8, en amont de la valve 1. Le modulateur spatial de lumière est du type à matrice à cristaux liquides adressée électriquement. La lame dichroïque réfléchit (vers la valve 1) la lumière à la longueur d'onde de la source 9 (par exemple de la lumière visible), mais est transparente à la longueur d'onde du faisceau laser 8. Le faisceau lumineux 14 en aval de la valve 1 a une surface d'onde modulée en phase par la valve, cette modulation pouvant aussi bien être utilisée pour corriger des dispersions de phase du faisceau laser 8 (pour qu'il soit à " onde plane ") que pour conférer une forme d'onde bien déterminée à ce faisceau. On a représenté en figure 4 la répartition des zones utiles de la valve 1. Cette valve comporte une surface utile de forme carrée, dont le côté est compris entre 20 et 30 mm environ. Cette surface est divisée en deux régions, 15 et 16. La région 15 occupe la majeure partie de la surface et est sensiblement carrée, tandis que la région 16 occupe une zone très étroite (ayant par exemple une largeur d'environ 100 à 200 pm) le long d'un des côtés de la surface utile de la valve 1, et s'étend sur toute la longueur de ce côté. La région 16 est séparée de la région 15 par une bande étroite 17, dont la largeur a sensiblement la même valeur que celle de la région 16. Les largeurs des bandes 16 et 17 sont fonction de la résolution de la couche 4 de cristaux liquides de la valve 1; ces largeurs doivent être au moins égales à l'épaisseur des cristaux liquides de la couche 4. La région 15 est destinée à la correction de la phase spatiale du faisceau laser, tandis que la région 16 est destinée à la correction de la phase spectrale. La région 15 est adressée optiquement par projection de l'image issue de la matrice 11. Cette image génère une répartition spatiale de tension (voir surface S de la figure 2) qui induit localement une orientation des molécules de cristal liquide de la couche 4. Il en résulte que le faisceau laser 7 (infrarouge ou à une longueur d'onde non absorbée par la couche photoconductrice 5 de la valve 1) subit, après traversée de la région 15 de la valve 1 une modulation spatiale de phase. La loi de modulation de phase peut être programmée pour réaliser une forme d'onde quelconque à l'aide de l'image affichée sur la matrice active 11. Cette programmation peut être figée, ou bien évoluer dans le temps (comme expliqué ci-dessous en référence à la figure 7). La région 16, lorsqu'elle est placée dans la zone (pratiquement unidimensionnelle) dans laquelle est étalé le spectre d'une impulsion ultracourte, permet de réaliser un contrôle actif de la phase de chaque composante spectrale de l'impulsion. Ainsi, on peut compenser les effets de dispersion subis par l'impulsion au cours de sa propagation dans une chaîne laser (comportant, par exemple, des circuits d'étirement, d'amplification et de compression d'impulsions). On a représenté en figure 5 le schéma simplifié d'un dispositif 18 conforme à l'invention. Le faisceau incident 19 (issu d'un oscillateur laser) est envoyé sur un réseau dispersif 20 fonctionnant en transmission (ou éventuellement en réflexion). Sur le trajet du faisceau issu du réseau 20, on dispose une lentille 21 (de distance focale F) dans le plan focal de laquelle est disposée la région 16 de la valve 1. Le spectre des impulsions du faisceau incident 19 est étalé dans ce plan focal, dans la région 16. Après traversée de la valve 1, le faisceau laser traverse une deuxième lentille 22 identique à la lentille 21 et un réseau dispersif 23, identique au réseau 20. La lentille 22 est symétrique de la lentille 21 par rapport à la couche 4 de cristaux liquides de la valve 1. L'ensemble des éléments 20 à 23 est équivalent à une ligne 4F non dispersive. Le faisceau laser cylindrique issu du réseau 23 est réfléchi par un ensemble de trois miroirs comportant deux miroirs 24, 25 orthogonaux entre eux, et un miroir 26 disposé à 45 par rapport au miroir 25. Ces miroirs sont disposés de façon à renvoyer vers la région 15 le faisceau issu du réseau 23, parallèlement au faisceau passant par la lentille 22. A la sortie du miroir 26, on dispose une lentille 27 qui forme, à partir du faisceau cylindrique réfléchi par le miroir 26, un faisceau convergent au foyer 28 de la lentille 27 et qui diverge ensuite de façon à illuminer la 1o quasi-totalité de la région 15 de la valve 1. Une lentille convergente 29 est disposée adjacente à la région 15, par exemple en amont de celle-ci, comme représenté en figure 5. A la sortie de la lentille 29, le faisceau converge à son foyer 30, puis diverge. On dispose sur ce trajet divergent, peu après le foyer , une lentille de collimation 31, à la sortie de laquelle on recueille un faisceau laser cylindrique 32, qui est le faisceau traité par le procédé de l'invention (à aberrations corrigées et/ou dont on a modifié la forme des impulsions). Sur le trajet du faisceau issu de la région 15, entre la valve 1 et le foyer 30, on dispose une lame dichroïque 33, orientée à 45 par rapport à l'axe de ce faisceau. Sur un autre axe, perpendiculaire à l'axe du faisceau et l'intersectant sur la face de la lame 33 en vis-à-vis de la valve 1, on dispose, dans l'ordre, une source lumineuse 34, une matrice active à cristaux liquides et une optique 36, cette dernière étant la plus proche de la lame 33. L'optique 36 produit l'image de la matrice 35 sur la partie de la lame 33 éclairée par le faisceau laser sortant de la valve 1. Grâce à ce dispositif 18 de la figure 5, le faisceau de sortie 32 possède les propriétés suivantes: À la forme des impulsions qu'il véhicule peut être modifiée par rapport à celle des impulsions du faisceau incident 19, et ce, par action sur la phase de chaque composante spectrale de l'impulsion (20, 23); À la phase spatiale de la surface d'onde du faisceau peut être programmable grâce à la commande correspondante de la matrice active 35. On a représenté en figure 6 le schéma, vu dans un plan " horizontal " (c'est-à-dire perpendiculaire au plan de la figure 5 et incluant la région 16), de la ligne " 4F " assurant le contrôle de la phase spectrale du faisceau incident. Les mêmes éléments que ceux de la figure 5 y sont affectés des mêmes références numériques. A la sortie du réseau dispersif , le faisceau laser F1 (qui était cylindrique avant son incidence sur le réseau) a une section de forme quasiment linéaire, parallèle à la région 16, et est divergent. Ses composantes, dont le nombre est fonction de la résolution du réseau 20, ont des longueurs d'onde 1 à X.n, et sont étalées d'une extrémité à l'autre de sa section. La lentille 21 collimate ce faisceau divergent F1 en un faisceau F2 à rayons parallèles, chacun de ces rayons correspondant à une des longueurs d'onde %1 à kn comprises dans le faisceau incident 19. Ce faisceau F2 est dirigé vers la zone 16 de la valve 1, de façon que sa section coïncidence sensiblement avec cette région. La largeur de cette section est faible (par exemple inférieure à 100 pm), et sa longueur peut être pratiquement égale à celle de la région 16 (c'est-à-dire 20 à 30 mm environ, selon le modèle de valve utilisé). Si on admet une résolution de 100 pm pour la couche de cristaux liquides de la valve 1, on peut étaler sur la région 16 de 200 à 300 composantes spectrales du faisceau laser incident, ce qui est nettement supérieur aux besoins habituels (moins de 100 composantes en général). Un dispositif 37 d'adressage de la région 16, imagé sur cette région, en se réfléchissant sur la lame 33, permet de moduler la phase spectrale des différentes composantes %1 à Xn de façon analogue à celle mise en oeuvre pour moduler la phase spatiale par l'intermédiaire de la région 15 de la valve 1. Ce dispositif 37 est similaire au dispositif représenté en figure 3 (éléments 9 à 11) ou à celui représenté en figure 5 (éléments 34 à 36), mais il est unidimensionnel: il lui suffit de moduler optiquement la ligne de cristaux liquides de la région 16. C'est le même écran LCD qui adresse la partie 2D de la modulation spatiale et la partie 1 D de la modulation spectrale. On a représenté en figure 7 le bloc-diagramme d'une source laser 38 à impulsions ultracourtes corrigée conformément à l'invention. Cette source laser 38 comporte un oscillateur laser 39 suivi d'un module de contrôle 40, d'un étireur d'impulsions 41, d'amplificateurs 42 et d'un compresseur d'impulsions 43. Le faisceau de sortie 44 du compresseur 43 constitue le faisceau de sortie de la source 38. Le module de contrôle 40 est réalisé conformément aux figures 5 et 6, et les signaux électriques de commande de ses dispositifs d'adressage optique sont obtenus, de la façon décrite ci-dessous, grâce à une lame 44A disposée à 45 sur le trajet du faisceau de sortie 44. L'étireur d'impulsions 41 est réalisé de façon connue en soi à partir d'un milieu dispersif, de réseaux,... Le compresseur d'impulsions 43 peut être du type à réseaux. Sur le trajet du faisceau 45 prélevé par la lame 44A, on dispose en cascade une lame à 45 référencée 46 et un miroir 47. La lame 46 dévie une lo partie du faisceau 45 vers un dispositif 48 de mesure de phase spectrale, tandis que le miroir 47 renvoie la partie restante du faisceau 45 vers un dispositif 49 de mesure de phase spatiale. Les dispositifs de mesure 48 et 49, du type à interféromètre, sont bien connus en soi et ne seront pas décrits ici. Les signaux de sortie des dispositifs 48 et 49 sont envoyés à un dispositif 50 de traitement également connu en soi, qui est relié aux dispositifs d'adressage optique (35 et 37) de la valve 1 du module de contrôle 40. Grâce au dispositif de l'invention, les impulsions ultracourtes produites par la source laser 39 ont une largeur d'impulsion proche des limites théoriques tenant compte de la largeur du faisceau et de la bande spectrale du milieu à gain de l'oscillateur. Selon un exemple de réalisation, la valve optique (1) est du type à cristal liquide et photoconducteur en BSO ou du type à cristal liquide et photoconducteur en silicium amorphe, la cellule à cristaux liquides fonctionnant en mode de biréfringence. Les dimensions de la surface utile de cette valve sont de 20 x 20 mm, - la matrice active (11, 35) est du type écran de télévision fonctionnant en mode transmissif (ou réflectif), de résolution typiquement comprise entre 600 x 500 pixels et 800 x 600 pixels. Son adressage est fait en mode vidéo - I'oscillateur laser (39) est du type Saphir-Titane à longueur d'onde nominale %0 = 800 nm avec une bande spectrale de AI = 10 à 50 nm. La durée des impulsions produites peut être comprise entre 20 et 100 fs, suivant la bande spectrale AI utilisée les réseaux dispersifs 20 et 23, qui fonctionnent en transmission ou en réflexion ont une période spatiale A -1 d'environ 1200 à 2000 mm.Si, par exemple, le faisceau diffracté a une direction moyenne de 45 par rapport au faisceau incident, la fréquence spatiale requise pour chacun de -1 ces réseaux est de 2000 mm. Ces réseaux peuvent être du type gravé ou du type holographique inscrit sur un photopolymère. La dispersion d'un réseau est d'environ 101 rd. La focale de la lentille 22, pour une région 16 ayant une longueur utile de 20 mm, est alors F = 20/10 = 200 mm; - I'excursion de phase que peut produire la valve 1 va de 0 à 2 (en mode biréfringent). L'épaisseur de la cellule à cristaux liquides doit être de %O/An = 4 pm pour Xo = 800 nm (comme précisé ci-dessus) et une variation d'indice optique An = 0,2. De façon avantageuse, I'image de la structure " pixélisée " de la matrice active 35 est défocalisée sur le photoconducteur 5 de la valve 1, afin de ne pas introduire de structure de diffraction parasite sur le faisceau laser à contrôler. 9 2793612 REVENDICATIONS 1. Dispositif de correction d'aberrations d'une chaîne laser à impulsions ultracourtes, caractérisé par le fait qu'il comporte une valve optique (1) dont la majeure partie de la surface utile (15) est adressée optiquement par un modulateur spatial de lumière (35), et dont le reste de la surface utile (16), de forme oblongue, est disposé au milieu d'une ligne non dispersive 4F, recevant le faisceau laser incident à corriger (19), le faisceau issu de la ligne 4F étant renvoyé, sous forme divergente (24 à 27) vers ladite majeure partie de la surface utile de la valve, à la sortie de laquelle est récupéré (29, 31) le faisceau corrigé (32), le dispositif contrôlant la phase lo spatiale de l'onde et la phase spectrale de l'impulsion.. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la ligne 4F comporte, d'amont en aval, un premier réseau dispersif (20), une première lentille (21), une seconde lentille (22) et un second réseau dispersif (23), les seconds réseau et lentille étant respectivement symétriques des premiers par rapport à la valve. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la valve optique est du type à cristal liquide - BSO ou du type à cristal liquide - silicium amorphe. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le dispositif d'adressage optique de ladite majeure partie de la surface de la valve optique comporte une source lumineuse (34) éclairant une matrice active (35) et une lame dichroïque (33) placée devant la valve et renvoyant le faisceau modulé issu de la matrice active vers la valve. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'image du modulateur spatial de lumière (35) est défocalisée sur la valve optique.