Brevet FR2802352A1 — publié le 20010615

DISPOSITIF DE COMPRESSION POUR IMPULSION LUMINEUSE TRES __ BREVE. La présente invention se rapporte aux dispositifs de compression qui permettent de comprimer des impulsions lumineuses entrantes pour obtenir des impulsions lumineuses sortantes de très brève durée, de l'ordre de quelques dizaines de femtosecondes ( fs). On sait que l'on a de plus en plus besoin, aussi bien pour des expériences de physique fondamentale, comme l'excitation des noyaux atomiques, que pour des applications industrielles très pratiques telles que du micro-usinage, d'impulsions lumineuses de très forte puissance instantanée, plusieurs térawatts par exemple. Pour des raisons bien connues, ces impulsions sont alors extrêmement courtes, de l'ordre de quelques dizaines de fs. Pour de tels niveaux de puissance, la propagation de l'impulsion électromagnétique correspondant à l'impulsion lumineuse dans les milieux solides, ou même dans l'air, est perturbée par des effets non linéaires provenant de l'action de la valeur élevée du champ électromagnétique local sur les caractéristiques électromagnétiques des milieux traversés. Ces effets non linéaires liés à la puissance de l'impulsion s'ajoutent aux effets linéaires provenant de la dispersion naturelle des milieux traversés. Le résultat de ces effets est une déformation de l'impulsion lumineuse, qui correspond essentiellement à une augmentation de sa durée et corrélativement à une diminution de sa puissance crête. Une technique bien connue pour surmonter ces limitations consiste, comme représenté schématiquement sur la figure 1, à partir d'une impulsion 101 de quelques dizaines de fs provenant d'un oscillateur 100 à mode bloqué en phase et présentant une puissance crête relativement faible n'entraînant pas les défauts cités plus hauts. Cette impulsion est allongée d'un facteur de quelques milliers dans un élargisseur 102 pour donner une impulsion allongée 103 dont le niveau est plus faible que celui de l'impulsion 101 dans un rapport approximativement inverse de celui de l'allongement. Un amplificateur 104 permet d'amplifier cette impulsion 103 pour obtenir une impulsion 105 de même longueur que l'impulsion 103 mais de puissance supérieure. Le coefficient d'amplification est choisi pour que l'énergie totale de l'impulsion 105 soit sensiblement égale à celle souhaitée pour l'impulsion finale. Compte tenu de la puissance crête, qui est beaucoup plus faible que celle souhaitée en sortie, en raison de l'allongement de l'impulsion, les effets néfastes décrits ci-dessus ne se produisent pas pendant l'amplification, Dans une phase finale, on procède alors à la compression de cette impulsion 105 dans un compresseur 106, qui fonctionne en sens inverse de l'élargisseur 102. On obtient alors une impulsion de sortie finale dont la largeur est redevenue sensiblement égale à la largeur de l'impulsion initiale 101 et dont la puissance crête a été augmentée par le facteur multiplicatif de l'amplificateur 104 jusqu'au niveau souhaité. Le schéma de base d'un élargisseur 102 est représenté sur la figure 2. L'impulsion initiale, dont le spectre s'étend par convention du bleu au rouge, correspond à un faisceau 201 sensiblement parallèle. Ce faisceau est diffracté par un premier réseau 202. Ce réseau peut éventuellement être un réseau de diffraction à pas variable, Cet étalement se manifeste par un angle de réflexion des rayons lumineux qui varie en fonction de leur longueur d'onde, Ainsi les rayons rouges sont réfléchis sous un angle plus important que les rayons bleus, et les rayons de couleur (longueur d'onde) intermédiaire s'étalent entre ces deux angles de réflexion. Un système de lentilles, ici 203 et 204, permet de focaliser le faisceau ainsi étalé sur un deuxième réseau 205 dont l'action vient compléter celle du premier réseau, Les angles de réflexion utilisés, ainsi que la puissance des lentilles, sont calculés pour qu'à la fin les rayons bleus et rouges, et bien entendu tous les rayons intermédiaires, soient réfléchis par le réseau 205, pour former un faisceau parallèle. Comme on le voit bien sur la figure, les trajets parcourus par les différents rayons, en particulier les rayons extrêmes rouge et bleu, sont de longueurs différentes, ce qui entraîne un retard du rayon bleu sur le rayon rouge, qui est égal dans le cas de figure à At. On a donc bien étalé l'impulsion incidente. Dans la pratique, et pour résoudre les problèmes purement technologiques qui se posent, on utilise souvent plus de deux réseaux,-- ainsi que des miroirs concaves ou convexes à la place des lentilles et éventuellement d'autres miroirs plans simples pour faciliter la construction de l'ensemble, Tous ces détails de réalisation sont parfaitement connus dans l'art. Le compresseur 106, dont un schéma de principe est représenté sur la figure 3, fonctionne de manière inverse de celle de l'élargisseur 102, Les rayons rouges et bleus parallèles mais décalés dans le temps, qui ont été amplifié par l'amplificateur 104, sont réfléchis sur un premier réseau 302 semblable au réseau 202, L'angle de réflexion dépend de la longueur d'onde et les rayons bleus et rouges sont donc réfléchis par ce réseau 302 sous des angles différents, les rayons de longueur d'onde intermédiaire étant répartis entre ces deux rayons extrêmes. Un deuxième réseau 305, semblable au réseau 205, permet de compléter l'action du réseau 202 et de renvoyer tous ces rayons pour obtenir un faisceau parallèle. Un réflecteur 306 renvoie les différents rayons parallèles à eux-mêmes, mais à une hauteur différente. Le faisceau comprimé est disponible sur le trajet 307. Un réflecteur 306 renvoie les différents rayons parallèles à eux-mêmes, mais à une hauteur différente. Le faisceau comprimé est disponible sur le trajet 307. Comme dans l'élargisseur de la figure 2, les trajets des rayons sont différents selon leur longueur d'onde, mais de manière inverse, et l'ensemble est calculé pour qu'en sortie du réseau 302 l'écart de temps At entre les rayons bleus et rouges soient annulé. On a donc comprimé l'impulsion, qui était initialement élargie, pour obtenir une impulsion sensiblement de même largueur que l'impulsion initiale mais dont la puissance crête, compte tenu de l'effet de l'amplificateur 104, est beaucoup plus grande. Si les problèmes liés à la puissance crête ont put être ainsi évités dans l'amplificateur, ils réapparaissent après le compresseur, (en particulier les non-linéarités dans l'air). Une méthode connue pour éviter que ces problèmes ne resurgissent à ce niveau, consiste à effectuer l'étape de compression dans une enceinte où l'on a fait le vide et ou l'on a placé le compresseur de la figure 3. Le rayonnement incident entre dans cette enceinte par une fenêtre transparente qui ne le perturbe pas compte tenu de l'amplitude crête obtenue par l'élargissement de l'impulsion, Au niveau de l'impulsion comprimée par contre on sera la plupart du temps obligé de placer dans le vide la pièce sur laquelle elle doit agir au niveau du trajet 307. En fonction des circonstances, cette pièce sera placée dans la même enceinte que le compresseur si ses dimensions ne sont pas trop importantes, ou bien dans une enceinte dédiée à elle-même et qui sera elle aussi mise sous vide en étant reliée à la première enceinte par une conduite, elle-même sous vide. Ce système fonctionne très bien mais il présente les inconvénients d'être extrêmement coûteux et délicat à mettre en ceuvre. En effet les dimensions du compresseur 106 sont souvent de l'ordre de plusieurs métres, ce qui impose d'utiliser une enceinte sous vide de grandes dimensions, qui est particulièrement coûteuse. En outre, il est nécessaire de pouvoir procéder à des ajustements sur l'ensemble du dispositif optique pendant le fonctionnement de celui-ci, pour éviter de multiples arrêts avec remise sous pression et ouverture de l'enceinte, et pour procéder à ces ajustements de manière rapide et précise en observant directement pendant le fonctionnement de cet appareil le résultat de ces réglages, Ceci nécessite alors des manipulations sous vide, par l'intermédiaire de passages étanches par exemple, dont on connaît la difficulté de réalisation et le coût, Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un dispositif de compression pour impulsion lumineuse très brève, dans lequel on utilise un premier compresseur de grandes dimensions, principalement caractérisé en ce que le taux de compression de ce premier compresseur est limité pour qu'il puisse fonctionner en atmosphère gazeuse, et en ce que l'on utilise un deuxième compresseur de dimensions réduites, mis en série avec le premier pour compléter l'action de ce premier compresseur; ce deuxième compresseur étant placé dans une enceinte sous vide. Selon une autre caractéristique, le deuxième compresseur utilise au moins un miroir de type "chirpés ". Selon une autre caractéristique, le deuxième compresseur utilise un ensemble de miroir "chirpés" permettant simultanément de compresser les impulsions lumineuses et de corriger diverses D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent ; - la figure 1, le schéma de principe de l'amplification d'une impulsion optique avec un élargisseur et un compresseur d'impulsion; - la figure 2, le schéma de principe d'un élargisseur selon l'art connu; - la figure 3, le schéma de principe d'un compresseur selon l'art connu; et - la figure 4, le schéma de principe d'un compresseur selon l'invention. Dans le compresseur selon l'invention représenté schématiquement sur la figure 1, la compression s'effectue en deux étapes. Une première étape utilise, comme avec le compresseur connu de la figure 3, deux réseaux 402 et 405 qui sont ici configurés pour obtenir un taux de compression nettement plus faible que celui nécessaire pour l'ensemble. Ce taux de compression est prévu de telle manière que la puissance crête de l'impulsion obtenue en sortie de ce premier étage n'atteignent pas un niveau tel que les effets non linéaires cités plus haut se manifestent. La durée de cette impulsion sera donc de l'ordre de quelques centaines de fs, par exemple 200 fs. Dans ces conditions, le premier étage de compression peut parfaitement fonctionner dans l'air et présenter des dimensions importantes, de l'ordre de 1 à 2m. On évite ainsi tous les inconvénients liés à une enceinte sous vide de grandes dimensions et on peut en toute tranquillité procéder aux réglages nécessaires sur ce premier étage. Pour obtenir alors aussi bien la puissance crête très élevée que la durée très faible de l'impulsion souhaitées, l'invention propose de compléter la compression obtenue avec ce premier étage par une compression obtenue à l'aide d'un deuxième étage de dimensions réduites placé dans une enceinte sous vide 406 elle-même de dimension réduite. De cette manière les problèmes d'encombrement et de coût liés à l'usage d'une enceinte sous vide de grandes dimensions seront résolus. Pour éliminer en outre les problèmes de réglages à l'intérieur de l'enceinte sous vide, ainsi que pour minimiser au maximum les dimensions de ce deuxième étage, et donc ceux de l'enceinte 406, l'invention propose en outre de réaliser ce deuxième étage à l'aide de miroirs connus sous le terme anglo- saxon de "miroir chirpés". Ces miroirs sont connus notamment du brevet US N 5,734, 503 de R. SZIPOCS & F. KRAUSZ Ils sont composés d'un empilement de couches diélectriques, une cinquantaine par exemple, sur un substrat en verre. Les épaisseurs et les compositions de ces couches sont étudiées pour que les différentes réflexions sur les interfaces entre les couches procurent un effet de compression optique, En outre ces paramètres peuvent être également ajustés pour permettre de compenser les défauts de dispersion d'ordre supérieur lié aux différentes aberrations des dispositifs utilisés. L'action de ces miroirs étant liée à leur structure, le réglage de leur fixation peut parfaitement s'effectuer dans l'air avant la fermeture et la mise sous vide de l'enceinte 406, et il ne sera pas nécessaire d'effectuer une intervention sur cette fixation à travers les parois de l'enceinte, ce qui simplifie d'autant la fabrication de celle-ci. Dans cet exemple de réalisation, le faisceau 407 sur lequel se propage l'impulsion comprimée une première fois par le premier étage de compression 402-405 pénètre à l'intérieur de l'enceinte sous vide 406 par une fenêtre 408, II est alors réfléchi dans cet exemple de réalisation sur un ensemble de quatre miroir "chirpés" 411 à 414 qui sont positionnés de telle manière que le faisceau sortant 409 soit dans l'axe du faisceau entrant. Cette disposition n'est toutefois nullement nécessaire et on pourrait avoir d'autres systèmes, utilisant par exemple 8 miroirs, pour augmenter les capacités de compression de ce deuxième étage. L'impulsion sortante, dont la durée est alors réduite à quelques dizaines de fs, 20 fs par exemple, sort sur la figure par une fenêtre de sortie 410 dont l'épaisseur est suffisamment faible pour ne pas perturber l'impulsion. En fait dans la pratique on utilisera le plus souvent un tube fixé à la place de cette fenêtre, qui communiquera avec une chambre d'expérience elle-même sous vide, Les dimensions du système optique formé par les quatre miroirs 411à 414 sont de l'ordre de la dizaine de centimètres, ce qui montre bien l'intérêt de l'invention face aux dimensions de l'ordre de plusieurs mètres nécessaires dans la technique connue jusqu'à présent. Les miroirs chirpés pourront être étudiés pour corriger d'autres défauts présents dans l'ensemble du système optique, par exemple au niveau du premier étage de compression en répartissant cette correction sur l'ensemble des miroirs qui peuvent être tous différents. Ceci est d'autant plus facile qu'avec le nombre relativement important de ces miroirs on dispose d'un grand nombre de paramètres de liberté. L'invention a été décrite pour un fonctionnement du premier étage de compression dans l'air, mais il faut bien comprendre que le fonctionnement dans toute atmosphère gazeuse ne nécessitant pas d'enceinte de confinement sophistiquée est parfaitement possible, REVENDICATIONS 1 - Dispositif de compression pour impulsion lumineuse très brève, dans lequel on utilise un premier compresseur (402,405) de grandes dimensions, caractérisé en ce que le taux de compression de ce premier compresseur est limité pour qu'il puisse fonctionner en atmosphère gazeuse, et en ce que l'on utilise un deuxième compresseur (411-414) de dimensions réduites, mis en série avec le premier pour compléter l'action de ce premier compresseur; ce deuxième compresseur étant placé dans une enceinte sous vide (406). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième compresseur utilise au moins un miroir de type "chirpés " (411). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième compresseur utilise un ensemble de miroir "chirpés" (411 415) permettant simultanément de compresser les impulsions lumineuses et de corriger diverses aberrations optiques apparaissant dans l'ensemble du dispositif.