Brevet FR2827679A1 — publié le 20030124

ETIREUR D'IMPULSIONS ULTRACOURTES COMPACT ET ADAPTATIF La présente invention se rapporte à un étireur d'impulsions ultracourtes compact et adaptatif. Les matériaux lasers disponibles actuellement présentent une très large bande spectrale, typiquement supérieure à 100 nm. Avec de tels matériaux, on peut réaliser des sources laser qui, après blocage de modes, émettent des impulsions optiques ultracourtes dont la durée est typiquement comprise entre 10 et 100 fs. Avec ces sources, pour produire des impulsions à très haute puissance crête (supérieure à 1 TW), on réalise une chaîne d'amplification mettant en oeuvre la technique classique dite C. P. A (Chirped Pulse Amplification). Selon cette technique, une impulsion ultracourte issue d'un oscillateur est dispersée et allongée temporellement, puis amplifiée dans un amplificateur et comprimée à sa durée initiale, ce qui permet d'obtenir un gain important pour sa valeur de crête (typiquement, cette valeur crête peut passer de 1 TW à 100 TW). Les processus d'extension et de compression d'impulsions sont habituellement mis en oeuvre par des disperseurs à réseaux. Ce sont, par exemple des étireurs de Martinez ou de Offner, et des compresseurs de Tracy. Ces dispositifs connus sont encombrants et ne permettent pas de contrôler la phase de chaque composante spectrale, et sont généralement onéreux. La présente invention a pour objet un étireur d'impulsions ultracourtes qui soit compact, simple, peu onéreux, et qui permette de contrôler la phase de chaque composante spectrale des impulsions étirées. L'étireur d'impulsions conforme à l'invention comporte au moins un bloc optique dans le volume duquel est formé un réseau d'indice, les strates de ce réseau étant avantageusement inclinées par rapport à l'axe du bloc, les impulsions à étirer étant envoyées dans l'axe de ce bloc. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est un diagramme simplifié expliquant le processus permettant d'augmenter la puissance crête d'impulsions optiques ultracourtes ; + la figure 2 est une vue simplifiée en coupe d'un bloc optique tel que mis en oeuvre par la présente invention ; . la figure 3 est une vue simplifiée en coupe d'un bloc optique similaire à celui de la figure 2, associé à un modulateur spatial ; + la figure 4 est une vue simplifiée en coupe d'un dispositif similaire à celui de la figure 3, mais fonctionnant en réflexion ; . les figures 5 à 7 sont des schémas illustrant le processus d'inscription de réseaux de volume ; + la figure 8 est une vue simplifiée en coupe d'une variante du dispositif de la figure 3, permettant à la fois le contrôle de phase et d'amplitude des composantes spectrales des impulsions ; et + la figure 9 est une vue simplifiée en coupe d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention utilisant un matériau électro-optique. On a illustré en figure 1 le principe, connu en soi, d'amplification d'impulsions optiques ultracourtes (d'une durée pouvant être comprise, par exemple, entre 10 et 100 fs). Un oscillateur optique 1 produit des impulsions ultracourtes 2. Ces impulsions sont étirées par un dispositif 3 de dispersion et d'allongement temporel, puis amplifiées par un amplificateur optique 4, à la sortie duquel on recueille des impulsions 5 d'une durée beaucoup plus longue que celle des impulsions initiales (par exemple de quelques dixièmes de ns). Les impulsions élargies 5 sont ensuite comprimées par un dispositif de compression 6, à la sortie duquel on recueille des impulsions 7 aussi courtes que les impulsions initiales 2, mais d'une amplitude crête beaucoup plus grande. On a représenté en figure 2 un premier mode de réalisation 8 d'un dispositif d'étirement d'impulsions conforme à l'invention. Ce dispositif 8 est essentiellement constitué par un bloc optique 9 dans lequel est inscrit holographiquement un réseau en volume 10. Le bloc 9 est un bloc de matériau, par exemple en forme de parallélépipède rectangle allongé, en matériau photosensible, dans le volume duquel un rayonnement approprié peut former des variations d'indice de réfraction par strates successifs. Ces strates sont à faces parallèles entre elles et inclinées par rapport à l'axe longitudinal 11 du bloc 9. Le matériau photosensible est par exemple un matériau photopolymère ou un cristal photoréfractif. Soient A et B les points d'intersection de l'axe 11 avec le premier élément du réseau 10 (premier plan de changement d'indice) et avec le dernier élément, respectivement, et 0 le point d'intersection de l'axe 11 avec l'élément central de ce réseau. L'inverse de la fréquence spatiale (ou pas des strates) A-1 du réseau 10 varie linéairement de A à B dans le présent exemple. Le fonctionnement du dispositif 8 repose sur le principe suivant. Soit To la durée d'une impulsion ultracourte incidente (durée à mi-hauteur). 1 Sa largeur spectrale Au est telle que : l1u= (2-cor1, soit : 2 A=-x-- (c : vitesse de la lumière dans le milieu considéré). c 210 La longueur d'onde centrale du spectre de cette impulsion est notée #o, et et elle correspond à une fréquence centrale uo. A titre d'exemple, si la source laser d'impulsions est à base de Saphir-Titane, on a . o = 0,8 um, ce qui donne un AX compris entre 150 et 200 nm environ. Au point 0 (centre du réseau 10), la strate est sous l'incidence de Bragg pour la longueur d'onde au (angle du plan de la strate par rapport à l'axe 11). La section du réseau est égale ou supérieure à la section du faisceau laser incident. Selon un exemple de réalisation, la section du réseau est un carré de 3 mm de côté. La longueur L du réseau 10 (distance entre A et B) correspond au temps de retard que l'on souhaite introduire entre les deux composantes spectrales extrêmes du spectre de l'impulsion incidente. Ce retard correspond à la durée T de l'impulsion allongée (-c To) avant son passage 2 dans l'amplificateur 4. On a : T=- nL, n étant l'indice du matériau dans c lequel est enregistré le réseau 10. Le facteur 2 est dû au fait que l'on fait passer l'impulsion successivement dans deux dispositifs tels que le dispositif 8 pour être suffisamment allongée, comme expliqué ci-dessous en référence à la figure 3. Autour du centre 0 du réseau 10, la fréquence spatiale locale oo, suivant l'axe 11, vaut, pour un angle de Bragg de 450 dans le matériau du bloc 9 : 0"0 = (n/c) euo. A l'entrée A du réseau et à la sortie B du réseau, on a respectivement : Au/2 étant la différence de fréquences entre le point 0 et le point A ou le point B. De façon plus générale, la fréquence spatiale ax en un point x quelconque du réseau, sur l'axe 11 est : Ainsi, le réseau 10 réalise une répartition spatiale des fréquences spectrales qui constituent l'impulsion ultracourte issue de l'oscillateur (oscillateur 1 en figure 1). Pour reconstituer, à partir des raies spectrales étalées de l'impulsion optique incidente, une impulsion allongée, on utilise un second dispositif identique à celui de la figure 2. L'impulsion optique allongée a une durée 1 et présente une dérive de fréquence. La loi de dérive de fréquence est linéaire si le réseau 10 présente selon l'axe 11 une répartition de fréquence spatiale o (x) donnée par : soit : a (x) X Uo-x-e-, avec-L/2 (x (+L/2 C C T. To La loi de variation de la modulation spatiale n (x) de l'indice de réfraction du réseau 10 le long de l'axe 11 est : La fonction d'étirement des impulsions incidentes est réalisée par le dispositif de l'invention dans les conditions suivantes : - chaque composante spectrale ux de l'impulsion incidente est diffractée dans le premier dispositif 8 en un point x du réseau 10 et subit un retard xi =-x±avec-- (x (c 2 2 2 - la phase de chaque composante spectrale est avantageusement contrôlée à l'aide d'un modulateur spatial de phase 1 D (à une dimension). Ce modulateur permet d'ajuster la phase spectrale entre 0 et 2 TI pour réaliser une compensation des effets de chaque impulsion optique se propageant dans la chaîne de traitement de ces impulsions (amplificateurs et compresseur). Un tel modulateur spatial est représenté en figure 3. Le modulateur 12 est utilisé en transmission et disposé entre un premier réseau 13 et un second réseau 14, identiques au réseau 9 de la figure 2. Le modulateur 12 est un modulateur spatial classique à lame de cristaux liquides adressés électriquement ou optiquement, dont le plan est parallèle aux axes des réseaux 13 et 14. Le premier réseau 13 diffracte chaque composante spectrale de chaque impulsion optique incidente, tandis que le deuxième réseau 14 diffracte les composantes spectrales selon son axe longitudinal Ox, ce qui fait qu'il produit, pour chaque impulsion incidente ultracourte ainsi diffractée une impulsion allongée, de durée T= (2L/c)en à dérive de fréquences. En figure 4, on a représenté une variante du dispositif de la figure 3, pour laquelle le modulateur spatial 12A fonctionne en réflexion (et non plus en transmission comme en figure 3). Les réseaux 13A et 14A, identiques aux réseaux 13 et 14 respectivement, sont parallèles entre eux et à une lame demi-onde 15 qui est insérée entre eux. Le modulateur spatial 12A est disposé à l'extérieur de l'ensemble 13A-15-14A, du côté du réseau 13A, une lame quart. d'onde 16 étant disposée entre le modulateur 12A et le réseau 13A. Le modulateur 12A fonctionne alors en miroir adaptatif (adaptation de la phase de chaque composante spectrale diffractée par le réseau 13A). La lame 16, étant traversée deux fois par ces composantes, est une lame quartd'onde, tandis que la lame 15, traversée une fois, est une lame demi-onde. Dans ce dispositif, la diffraction est efficace sur la polarisation verticale. La lame 16 tourne la polarisation de IV2 et permet aux composantes réfléchies de passer dans le réseau 13A sans être diffractées. A la sortie du réseau 14A, on recueille les impulsions étirées. Dans un exemple de réalisation du dispositif décrit ci-dessus, illuminé par un laser Saphir-Titane, les valeurs des différents paramètres cités ci-dessus étaient les suivantes : L = 6 cm n = 1, 5 . o = 0, 8 um A = 50 nm oo (fréquence spatiale centrale) : 1856 mm Ao (période des strates des réseaux) : 0,53 pm Fréquences spatiales extrêmes (en A et B) : cA = 1914 mm-1 OB = 1797 mm-1 et périodes correspondantes : AA = 0, 518 um As = 0, 560 um Durée de l'impulsion optique incidente (à mi-hauteur) : To = 20 fs Durée de l'impulsion étirée : i = 0,6 ns Matériau constituant le bloc 9 (et les blocs 13,13A, 14, 14A) : c'est un photopolymère PMMA sensibilisé ou bien un cristal photoréfractif fixé par une procédure thermique ou électrique (cristal tel que BaTi03, LiNb03, SBN,...) ou bien encore du verre dopé au plomb et inscrit avec des rayons ultraviolets. Des publications récentes (voir par exemple l'article de X. C. Long et al Composition dépendance of the photoinduced refractive index change in lead silicate glasses paru dans Optic Letters 24,1136, 1999) montrent que ces mécanismes d'inscription holographique en volume permettent l'enregistrement de structures diffractant avec des variations d'indice permanentes photoinduites de l'ordre de 10 à 10 suivant les matériaux utilisés. L'enregistrement du réseau (réseau 10 en figure 2) à dérive de fréquence spatiale peut être réalisé selon l'une des trois techniques suivantes : 10) Par enregistrement holographique d'une onde plane et d'une onde sphérique hors d'axe, comme représenté schématiquement en figure 5. Sur cette figure 5, un bloc 17 de matériau photosensible en volume reçoit une onde plane 18 sous un angle d'incidence moyenne t 80 au centre du bloc 17, cette onde plane interférant avec une onde sphérique 19. L'axe longitudinal Ox du bloc 17 est orienté à 450 de la direction moyenne des franges d'interférence. La longueur d'onde d'inscription du réseau de strates est Ai, telle que : ce qui donne An = = i-0, 4 um pour l'exemple de réalisation décrit ici. On a alors 80 = t 200, avec Ao ~ 0, 53, um. La divergence de l'onde plane est ajustée de façon que l'angle formé entre les faisceaux qui interfèrent induise, dans la direction de l'axe Ox, les fréquences spatiales cA et cB aux points A et B du bloc 17. On obtient alors, en ces points A et B, les angles d'incidences : Oo + AO et 00-AO avecA6= j/V2) (og-oA). 2") Par enregistrement de deux ondes symétriques R et S, respectivement convergente et divergente, comme schématisé en figure 6. Ces ondes R et S arrivent sur le bloc 20 de matériau photosensible de façon symétrique par rapport à l'axe Ox de ce bloc. Les plans des strates sont perpendiculaires à l'axe Ox. Les points R et S sont dans le plan focal de lentilles cylindriques. 3 ) Par enregistrement de la copie du motif d'un masque 21, motif figurant un réseau à dérive de fréquence spatiale (réseau à pas variable), le masque étant disposé sur un bloc optique 22 en matériau photosensible. L'enregistrement se fait par un réseau dirigé perpendiculairement au masque. Cette technique est utilisée classiquement pour l'inscription de réseaux de Bragg chirpés dans les fibres optiques monomodes. Le modulateur spatial 1 D, décrit ci-dessus en référence à la figure 4, peut être soit un modulateur à cristaux liquides dont les pixels sont adressés électriquement ou optiquement, soit un miroir du type à membrane déformable ou du type comportant un ensemble de microactuateurs commandés par un réseau 1D d'électrodes. Le contrôle de la phase de chaque composante spectrale permet de corriger les aberrations temporelles qui s'introduisent lors de la propagation des impulsions optiques étirées dans les composants optiques de la chaîne de traitement (amplificateurs, réseaux de compression...). On a représenté en figure 8 un mode de réalisation du dispositif de l'invention permettant de contrôler à la fois la phase et l'amplitude de chaque composante spectrale des impulsions incidentes. Le dispositif 23 de la figure 8 comporte deux réseaux identiques 24,25 parallèles entre eux, qui sont identiques aux réseaux 10,13 et 14. Le réseau 24 reçoit les impulsions ultracourtes incidentes, et le réseau 25 produit les impulsions étirées correspondantes. Entre ces deux réseaux, on dispose un modulateur spatial 1D référencé 26 et un polariseur 27, ce dernier étant disposé entre le modulateur 26 et le réseau 25. De l'autre côté du réseau 24, on dispose une lame quart-d'onde 28 et un miroir adaptatif 1 D référencé 29, la lame 28 étant disposée entre le réseau 24 et le miroir 29. Dans ce dispositif 23, le modulateur 26 agit sur l'amplitude des composantes spectrales de l'impulsion incidente, tandis que le miroir 29 agit sur leur phase. Ainsi, dans ce dispositif 23, le modulateur 26 permet d'ajuster le gain reçu par chaque composante spectrale lors du passage de l'impulsion étirée à dérive de fréquence dans les amplificateurs. On a représenté en figure 9 un réseau 30 produisant, comme le réseau 10, l'étirement des impulsions incidentes, mais le matériau le constituant est lui-même électro-optique. Ce matériau peut être, par exemple, un cristal de LiNb03. Des électrodes 31.1 à 31. n sont formées sur une face du barreau 32 dans lequel est inscrit le réseau 30. Ces électrodes sont reliées à des potentiels respectifs V1 à Vn. Ce réseau d'électrodes permet d'appliquer au cristal une répartition spatiale déterminée de champ électrique, ce qui entraîne une modification (par rapport à une configuration sans électrodes) de la loi de dispersion des composantes spectrales, donc du temps de retard tex en chaque point du barreau 32. La variation relative de fréquence spatiale Ao/a est égale à An/n (variation relative d'indice d'un bout à l'autre du barreau 32). Cependant, l'amplitude de cette variation est limitée, puisque An est d'environ 10-3 pour les meilleurs matériaux électro-optiques. Selon un autre mode de réalisation de l'invention (non représenté), on cascade plusieurs dispositifs tels que celui de la figure 3 ou de la figure 4. Un tel montage permet d'obtenir des impulsions à dérive de fréquence plus longue. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, on inscrit dans le volume du matériau photosensible un réseau dont la loi de répartition spatiale o (x) n'est plus la loi linéaire des modes de réalisation décrits cidessus, mais une loi différente (exponentielle, cubique...), ce qui permet d'obtenir une dispersion spatiale correspondante des différentes composantes spectrales des impulsions incidentes. Le dispositif étireur d'impulsions ultracourtes (par exemple de durée inférieure à 50 fs) de l'invention, qui permet d'obtenir des impulsions étirées (par exemple d'une durée de l'ordre de la nanoseconde ou plus), est simple et compact. Il peut être adaptatif par adjonction d'un modulateur de phase contrôlant la phase de chaque composante spectrale. Il peut avoir une structure monobloc intégrant les éléments optiques passifs et programmables. Bien entendu, ce dispositif est généralement suivi d'un amplificateur et d'un dispositif de compression, comme représenté en figure 1, ce, afin d'obtenir des impulsions ultracourtes de très forte amplitude. REVENDICATIONS 1. Etireur d'impulsions ultracourtes compact, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un bloc optique (9,17, 20,22, 24,25, 32) dans le volume duquel est formé un réseau d'indices (10,13, 14,13A, 14A, 30), les impulsions à étirer étant envoyées dans l'axe de ce bloc. 2. Etireur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les strates du réseau d'indice sont inclinées par rapport à l'axe du bloc. 3. Etireur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte deux blocs disposés parallèlement entre eux (13-14,13A-14A-24- 25). 4. Etireur selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un modulateur spatial 1 D (12,26) entre les deux blocs. 5. Etireur selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un modulateur spatial 1D à réflexion (12A) disposé à l'extérieur de l'ensemble des deux blocs (13A, 14A), et une lame demi-onde (15) disposée entre les deux blocs. 6. Etireur selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un modulateur spatial 1D (26) et un polariseur (27) disposés entre les deux blocs (24,25), et un modulateur spatial à réflexion (29) et une lame quart d'onde (28) disposés à l'extérieur de l'ensemble des deux blocs. 7. Etireur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'un au moins des blocs optiques (32) est en matériau électrooptique et comporte une série d'électrodes (31.1 à 31. n) sur une de ses faces latérales, ces électrodes étant reliées à des potentiels (V1 à Vn) appliquant au bloc une répartition spatiale déterminée de champ électrique. 8. Etireur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les strates du réseau d'indice sont inclinées par rapport à l'axe du (des) bloc (s) optique (s). 9. Etireur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une cascade de plusieurs blocs ou ensembles de deux blocs.