Brevet FR2828024A1 — publié le 20030131

La présente invention concerne une source laser compacte ultrabrève à spectre large. Depuis la réalisation par Ippen et Shank en 1974 [Appl. Phys. Letters ; 24, (1974) 373] du premier laser émettant des impulsions plus courtes que la picoseconde (1 ps = 10's), la durée des impulsions laser n'a cessé de raccourcir. Les lasers qui génèrent des impulsions dont la durée est inférieure à la picoseconde sont dénommés"Lasers ultrabrefs". Ils suscitent un vaste engouement et d'intenses efforts de recherche dans la communauté scientifique parce que les impulsions ultrabrèves qu'ils génèrent permettent l'étude temporelle de la dynamique de processus ultrarapides (inférieur à 10-los) jusqu'alors inaccessibles à la plupart des détecteurs. Avec ces sources de lumière ultrabrève, de nouveaux champs d'investigations et d'applications s'ouvrent comme dans les processus de fragmentation et/ou désorption de molécules adsorbées multiphotoniques, la métrologie, les études non destructives de mécanismes chimiques dans les cellules biologiques, etc.. La génération de signaux optiques ultrabrefs à large bande spectrale est devenue routinière. Les lasers utilisant comme milieu amplificateur un cristal de saphir dopé au titane (TiAOs) et disponibles commercialement génèrent des impulsions ayant une durée approchant les 10 fs (1 fs = 10-15 s) ce qui correspond à une largeur spectrale de l'ordre de 100 THz (1 THz = 1012 Hz). Ces impulsions sont largement accordables. Cependant, les lasers utilisant le saphir dopé Titane nécessitent pour fonctionner une source laser de pompe indépendante. Cette source est en général un laser ionique (Argon) ou un laser Nd : YAG pompé par diodes et doublé en fréquence. Cette source laser de pompe indépendante nuit fortement à l'encombrement du système Laser et à la fiabilité de l'équipement. En outre, cette source rend le coût total d'un système laser ultrabref relativement cher. On connaît, par ailleurs, des lasers générant des impulsions ultrabrèves faisant intervenir des milieux amplificateurs à ions terre rare (Ytterbium (Yb), Néodyme (Nd),..). Ces lasers présentent l'avantage de pouvoir être pompes directement par un laser semi-conducteur. Ils présentent donc des caractéristiques très attractives puisqu'ils sont compacts, fiables et peu onéreux. Cependant la largeur de fluorescence de tels milieux lasers limite fortement le spectre de l'impulsion émise et par conséquent la gamme spectrale sur laquelle le laser est accordable. Typiquement, pour un laser Yb : YAG, la largeur de fluorescence est de 6 nm (1 nm = 10-9 m), la largeur spectrale est d'environ 3 nm et il n'est pas accordable. Ces chiffres sont à comparer avec ceux du Laser utilisant le Saphir dopé titane qui présente une largeur de fluorescence de 200 nm, une largeur spectrale supérieure à 100 nm et une plage d'accordabilité entre 750 et 950 nm. L'objectif de la présente invention est donc de proposer une source laser ultrabrève simple dans sa conception et dans son mode opératoire, compacte, peu onéreuse et permettant d'obtenir des impulsions à spectre large ou largement accordable et mettant en oeuvre des lasers utilisant des ions terres rares. A cet effet, l'invention concerne une source laser ultrabrève à spectre large comportant : - une source primaire laser à ions terre rare recevant un flux lumineux de pompe centré sur une longueur d'onde ÂD, ledit flux étant émis par une source de pompe laser solide, ladite source primaire comportant un matériau actif et émettant un flux lumineux primaire centré sur une longueur d'onde ÂL de largeur spectrale AIL. Selon l'invention, elle comprend : - une fibre à cristaux photoniques ayant une longueur L, une section d, et un ensemble de cavités de diamètre , - une optique d'injection envoyant le flux lumineux primaire émis par la source primaire dans la fibre à cristaux photoniques, - une optique de couplage collectant le flux lumineux à la sortie de la fibre à cristaux photoniques, ledit flux étant centré sur une longueur d'onde A. et de largeur spectrale Xi. Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - elle comporte un dispositif de sélection en longueur d'onde, - le dispositif de sélection en longueur d'onde comprend un réseau de filtres interférentiels, - la source de pompe laser solide est un laser semiconducteur, - le matériau actif comprend des ions ytterbium, - le matériau actif comprend des ions néodyme, - la largeur spectrale AA, F est comprise entre 10 et 500 nm, - le diamètre des cavités, la longueur L et la section d de la fibre à cristaux photoniques, l'espacement entre les cavités sont pris tels que la dispersion du flux lumineux primaire centré sur la longueur d'onde il, dans ladite fibre à cristaux photoniques est minimale, - la dispersion du flux lumineux primaire centré sur la longueur d'onde AL dans la fibre à cristaux photoniques est nulle. L'invention concerne également un dispositif de mesure d'un échantillon par microscopie confocale multiphotonique comprenant : - un microscope confocal comportant un objectif, - une source de lumière émettant un flux lumineux, - des moyens aptes à diriger ledit flux lumineux sur un échantillon au travers du microscope, - des moyens de détection de l'intensité du flux lumineux produit par l'interaction du faisceau lumineux émis par la source de lumière sur l'échantillon et collecté par le microscope, - des moyens de traitement du signal produit par les moyens de détection. Selon l'invention, la source de lumière est une source laser ultrabrève à spectre large du type indiqué plus haut, émettant un flux lumineux centré sur une longueur d'onde As et de largeur spectrale Als. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une source laser ultrabrève, selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une fibre à cristaux photoniques dans laquelle est injecté le flux lumineux émis par la source primaire laser, selon l'invention ; La source laser ultrabrève à spectre large de l'invention associe une source laser 1 utilisant des ions terre rare à une fibre optique à cristaux photoniques 2. Cette fibre à cristaux photoniques 2 est une fibre 3 avantageusement en silice présentant un réseau périodique de cavités 4 qui lui assurent des propriétés optiques particulières. Il est ainsi possible d'élargir le spectre d'un flux lumineux introduit dans celle-ci de façon extrêmement importante. Un dispositif de filtres 5 en longueur d'onde permet alors si nécessaire de sélectionner une longueur d'onde d'émission particulière. La source laser ultrabrève comporte une source primaire 6. On appelle-source primaire-une source laser ultrabrève à ions terre rare. Cette source primaire 6 émet un flux lumineux primaire 7 centré sur une longueur d'onde AL de largeur spectrale . AL. AL est typiquement compris entre 1000 et 1100 nm et AIL est typiquement de l'ordre de quelques nm. La source primaire 6 comporte un matériau actif pompé par une source laser de pompe 8. Cette source laser de pompe 8 est un laser solide émettant un flux lumineux de pompe 9 centré sur une longueur d'onde AD. Dans un mode de réalisation préféré, la source laser de pompe 8 est un laser semi-conducteur. La longueur d'onde AD sur laquelle est centré le flux lumineux de pompe 9 est typiquement comprise entre 800 nm et 1 u. m. Les ions terre rare utilisés dans le matériau actif de la source primaire sont choisis parmi un des matériaux suivants : Ytterbium (Yb), Néodyme (Nd) ou tout autre matériau équivalent. La source laser ultrabrève comprend également une optique d'injection 10 envoyant le flux lumineux primaire 7 centré sur une longueur d'onde AL et émis par la source laser primaire 6 dans une fibre à cristaux photoniques 2. A titre d'exemple non limitatif, cette optique d'injection 10 comporte au moins une lentille. La fibre à cristaux photoniques 2 a une longueur L et une section d. La fibre à cristaux photoniques 2 comprend un réseau périodique de cavités 4 de diamètre qui sont des trous remplis d'air parcourant toute la longueur L de ladite fibre 2. Avantageusement, le coeur de la fibre à cristaux photoniques 2 comporte une cavité supplémentaire 11. Dans un mode de réalisation préféré, la fibre à cristaux photoniques 2 est en silice. Dans un autre mode de réalisation, le matériau constitutif de la fibre à cristaux photoniques 2 est le verre ou tout autre matériau équivalent. Dans un mode de réalisation, la géométrie et le diamètre de ces cavités 4 ainsi que la longueur et la section d de la fibre à cristaux photoniques 2 sont pris tels que la fibre 2 présente une dispersion minimale pour la longueur d'onde À. L. Préférentiellement, la géométrie et le diamètre des cavités 4 ainsi que la longueur et la section d de la fibre à cristaux photoniques 2 sont pris tels que la fibre 2 présente une dispersion nulle pour la longueur d'onde AL. Il est alors possible d'obtenir un élargissement spectral extrêmement important du flux lumineux primaire 7. Cet élargissement reste très important même pour un flux lumineux primaire 7 présentant une puissance crête limitée. Avantageusement, en sortie de la fibre à cristaux photoniques 2, la largeur spectrale AF du flux lumineux 12 est comprise entre 10 et 500 nm. Cet élargissement spectral est centré sur une longueur d'onde Àp et a lieu de part et d'autre de la longueur d'onde IL. Une approche théorique a été développée pour expliquer l'élargissement spectral observé du flux lumineux primaire 7 injecté dans la fibre à cristaux photoniques 2. Selon cette théorie, les cavités 4 forment un réseau périodique de défauts créant une bande interdite photonique dans la fibre 2. Des modes électromagnétiques ayant des fréquences comprises dans ladite bande interdite peuvent alors se propager le long de ces défauts. Les effets non linéaires (génération d'harmoniques, auto-modulation de phase) liés à la puissance crête du flux lumineux primaire 7 injecté dans la fibre à cristaux photoniques 2 se cumulent tout au long de la propagation dudit flux lumineux primaire 7 pour conduire à un élargissement spectral extrêmement important. Une optique de couplage 13 est placée en sortie de la fibre 2 à cristaux photoniques pour collecter le flux lumineux 12. Ce flux lumineux 12 est centré sur une longueur d'onde IF et a une largeur spectrale AA, F. Avantageusement, la source laser ultrabrève comporte un dispositif de sélection 5 en longueur d'onde. En sortie de ce dispositif de sélection 5, le flux lumineux émis par la source laser est centré sur une longueur d'onde Is et a une largeur spectrale A, g. Cette largeur spectrale dépend alors du filtre utilisé. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif de sélection 5 en longueur d'onde comprend un réseau de filtres interférentiels. L'invention concerne également un dispositif de mesure d'un échantillon par microscopie confocale multiphotonique. L'arrangement comprend un microscope comportant un objectif et une source laser ultrabrève, selon l'invention, émettant un flux lumineux d'excitation centré sur une longueur d'onde s et de largeur spectrale As. Des moyens aptes à diriger ledit flux lumineux d'excitation envoient celui-ci sur un échantillon au travers du microscope. Avantageusement, l'échantillon est placé dans le plan focal de l'objectif. L'interaction du flux lumineux d'excitation avec l'échantillon à analyser crée un volume confocal d'analyse. Des moyens assurent la détection de l'intensité du flux lumineux produit par l'interaction du flux lumineux d'excitation centré sur la longueur d'onde s avec l'échantillon et collecté par le microscope. Ces moyens comportent avantageusement des capteurs CCD. Des moyens de traitement permettent l'analyse du signal produit par les moyens de détection. Associé à la résolution spatiale du microscope confocal, l'utilisation de flux lumineux de durée ultrabrève permet, selon un mode de mise en oeuvre, l'étude des phénomènes chimiques cellulaires in vivo. Le flux lumineux détecté est dans un mode de mise en oeuvre un flux luminescent produit par les particules d'intérêt dans le volume confocal. Ce flux luminescent résulte de la fluorescence générée par l'absorption par les particules d'intérêt d'au moins deux photons. Sa densité n'est importante que dans le volume confocal d'analyse d'extension spatiale extrêmement réduite. La détérioration possible de l'échantillon est ainsi limitée. De plus, l'utilisation d'un laser ultrabref émettant un flux lumineux d'excitation centré sur une longueur d'onde As située dans l'infrarouge limite également l'échauffement de matériaux biologiques à analyser. La large accordabilité de la source laser ultrabrève selon l'invention permet avantageusement de sélectionner au moyen d'un dispositif de sélection en longueur d'onde, une longueur d'onde particulièrement optimisée pour l'interaction du flux lumineux d'excitation avec l'échantillon. REVENDICATIONS 1. Source laser compacte ultrabrève à spectre large comportant : - une source primaire laser (6) à ions terre rare recevant un flux lumineux de pompe (9) centré sur une longueur d'onde ÂD, ledit flux (9) étant émis par une source de pompe laser (8) solide, ladite source primaire (6) comportant un matériau actif et émettant un flux lumineux primaire (7) centré sur une longueur d'onde ÂL de largeur spectrale AL, caractérisée en ce qu'elle comprend : - une fibre à cristaux photoniques (2) ayant une longueur L, une section d, et un ensemble de cavités (4) de diamètre , - une optique d'injection (10) envoyant le flux lumineux primaire (7) émis par la source primaire (6) dans la fibre à cristaux photoniques (2), - une optique de couplage (13) collectant le flux lumineux (12) à la sortie de la fibre à cristaux photoniques (2), ledit flux (12) étant centré sur une longueur d'onde ÂF et de largeur spectrale AÀ, F. 2. Source laser ultrabrève à spectre large selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de sélection (5) en longueur d'onde. 3. Source laser ultrabrève à spectre large selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de sélection (5) en longueur d'onde comprend un réseau de filtres interférentiels. 4. Source laser ultrabrève à spectre large selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la source de pompe laser (8) solide est un laser semi-conducteur. 5. Source laser ultrabrève à spectre large selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau actif comprend des ions ytterbium. 6. Source laser ultrabrève à spectre large selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau actif comprend des ions néodyme. 7. Source laser ultrabrève à spectre large selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la largeur spectrale AÂ. F est comprise entre 10 et 500 nm. 8. Source laser ultrabrève à spectre large selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le diamètre des cavités (4), la longueur L et la section d de la fibre à cristaux photoniques (2), l'espacement entre les cavités (4) sont pris tels que la dispersion du flux lumineux primaire (7) centré sur la longueur d'onde AL dans ladite fibre à cristaux photoniques (2) est minimale. 9. Source laser ultrabrève à spectre large selon la revendication 8, caractérisée en ce que la dispersion du flux lumineux primaire (7) centré sur la longueur d'onde AL dans la fibre à cristaux photoniques (2) est nulle. 10. Dispositif de mesure d'un échantillon par microscopie confocale multiphotonique comprenant : - un microscope confocal comportant un objectif, - une source de lumière émettant un flux lumineux, - des moyens aptes à diriger ledit flux lumineux sur un échantillon au travers du microscope, - des moyens de détection de l'intensité du flux lumineux produit par l'interaction du faisceau lumineux émis par la source de lumière sur l'échantillon et collecté par le microscope, - des moyens de traitement du signal produit par les moyens de détection, caractérisé en ce que la source de lumière est une source laser ultrabrève à spectre large, objet de l'une quelconque des revendications précédentes, émettant un flux lumineux centré sur une longueur d'onde AS et de largeur spectrale Ars.