Brevet FR2839816A1 — publié le 20031121

Cabinet DELHAYE t SOURCE LASER D'IMPULSIONS LASER ULTRACOURTES DE PUISSANCE La presente invention se rapporte a une source d'impulsions laser ultracourtes de puissance. Les sources laser actuelles d'impulsions ultracourtes (d'une duree de l'ordre de 100 femtosecondes, par exemple), vent limitees a des impulsions d'energie de l'ordre de 1 a 10 nJ. En effet, certains composants, du fait de l'intensite lumineuse tres elevee due a la concentration d'energie sur un temps extremement bref, peuvent generer des effets nefastes au bon fonctionnement du laser et/ou etre endommages. La presente invention a pour objet une source laser d'impulsions ultracourtes de puissance pouvant delivrer des impulsions d'energie la plus elevee possible, en evitant les risques precedemment cites. La source laser conforme a ['invention comporte une cavite optique de generation de faisceau laser impulsionnel renfermant au moins un milieu a gain, un element non reciproque assurant un fonctionnement unidirectionnei et un systeme de compensation de la dispersion de la cavite (egalisation des chemins optiques pour toutes les composantes spectrales du faisceau laser), et elle est caracterisee en ce qu'elle comporte egalement dans la cavite optique un dispositif d'etalement spectralo-temporel assurant le blocage de mode, et en ce qu'elle comporte eventuellement, hors de ia cavite, un dispositif de compression des impulsions issues de la cavite. Plus precisement, le dispositif d'etalement spectraio-temporel comporte un dispositif de separation spatiale des composantes spectrales des impulsions du faisceau, un modulateur actif induisant une loi de phase et/ou de retard determinee entre lesdites composantes spectrales separees spatialement, et un dispositif de recombinaison spatiale de ces composantes spectrales. La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description detaillee de plusieurs modes de realisation, pris a titre d'exemples non limitatifs et illustres par le dessin annexe, sur lequel: la figure 1 est un bloc-diagramme representant ['ensemble des composants necessaires a la realisation d'une cavite laser conforme a ['invention, la figure 2 est un bloc-diagramme d'un premier mode de realisation du dispositif d'etalement spectralo-temporel faisant partie de la source laser conforme a ['invention, - la figure 3 est un diagramme d'evolution du temps de retard entre composantes spectrales extremes d'un faisceau laser produit et disperse dans le dispositif d'etalement spectralo temporel de ['invention, en fonction de ['angle d'incidence des diverges composantes spectrales par rapport a la face d'incidence de la partie active du modulateur, et ce, pour o plusieurs valeurs de la distance entre composantes extremes, et, - la figure 4 est un exemple de realisation d'un laser incluant ['invention. La cavite laser a (figure 1) est composee au moins d'un milieu amplificateur b connu en soi, d'un dispositif d'etalement spectralo-temporel c, d'un element non reciproque d, connu en soi, induisant un fonctionnement unidirectionnel de la cavite et d'un systeme e, connu en soi, de compensation de la dispersion spectrale induite par les composants de la cavite, y compris le dispositif c. La cavite, connue en soi, est une cavite en anneau ou composee de sous-cavites dont au moins celle contenant les dispositifs c et d est en anneau. Le dispositif c agit pour imposer aux modes longitudinaux de la cavite une relation de phase fixe, comme decrit par la suite. Le laser fonctionne ainsi en regime impulsionnei, mais le but est que ces impulsions soient > (chirpees), c'est a dire que les differentes composantes spectrales de l'impulsion soient retardees les unes par rapport aux autres. La loi de retard est imposee par le dispositif c. Un dispositif f, connu en soi, de compression des impulsions peut etre place en sortie de la cavite laser pour minimiser le de l'impulsion, reduisant ainsi la duree dtimpulsion a une valeur plus faible que dans la cavite. Le d is p ositif d 'etalem ent spectral o-tempo rel 1 rep resente en figure2 re,coit un faisceau laser 2. Ce faisceau 2 arrive sur un element dispersif 3, tel qutun reseau holographique, connu en soi. L'element 3 disperse spatialement les composantes spectrales ka a in du faisceau 2 selon des faisceaux divergents, qui divergent a partir de la sortie 3a de I'element 3. Une lentille convergente 4, dont le foyer source est place au point 3a, collimate ces composantes spectrales en un faisceau plan 5 de rayons paralleles a l'axe optique 6 du faisceau 5 en amont d'un modulateur 7 qui est dispose en aval de la lentille 4. Ce modulateur 7 est un bloc parailelepipedique, de type acousto-optique ou electro- optique. II est dispose de fa,con que ses grandes faces soient paralleles au plan du faisceau 5 et que l'une de ses faces laterales longues, la face 7a en figure 2, soit la face d'incidence du faisceau 5, cette face etant inclinee d'un angle o: par rapport a la perpendiculaire a l'axe 6. Le modulateur 7 est suivi d'une lentille convergente 8, de preference identique a la lentille 4 et d'un element dispersif g, de preference identique a ['element 3. La face d'entree de ['element dispersif 9 (fonctionnant en sens inverse du dispositif 3) est amenee au foyer objet 8a de la lentille 8. Le faisceau 10 est recompose en sortie de ['element 9. Les points dtincidence des composantes extremes La et kn du faisceau 5 sur la face d'entree 7a du modulateur 7 vent respectivement references 1 1 et 12. Le dispositif d'etalement spectralo-temporel 1 decrit ci-dessus fonctionne de la fa,con suivante. Une methode bien connue pour mettre en phase les differentes composantes spectrales d'une cavite laser (blocage de modes ou ) est l'utilisation d'un modulateur AM ou FM (en technologie acousto-optique ou electro-optique). Selon ['invention, on realise ce blocage de mode en y ajoutant un decalage temporel variable suivant la composante spectrale. Pour ce faire, le faisceau incident 2 est premierement etale spatialement en une nappe 5 a ['aide des elements 3 et 4. Deuxiemement, le modulateur est place sur la nappe. Les electrodes (cas d'un modulateur electro-optique) ou le transducteur electroacoustique (cas d'un modulateur acousto-optique) vent paralleles au plan de la figure. On peut se representer ['action du modulateur comme creant des pertes dependent periodiquement du temps, la periode etant choisie pour etre egale au temps de parcours dans la cavite (ou eventuellement un soul-multiple). Dans ces conditions, le laser est impulsionnel (blocage de mode), les impulsions etant synchrones avec les pertes minimales. Dans le dispositif decrit ci-dessus, le modulateur agit comme une . On con,coit ainsi que, si le modulateur est incline dans le plan de la figure 2 suivant un angle x, chaque composante spectrale Na...\n volt la > ouverte a un instant different. On obtient bien la propriete annoncee precedemment de creation d'une impulsion etalee >>. La relation de phase entre les differentes composantes spectrales est imposee par la forme du bord de ['electrode et/ou du transducteur, en particulier de leur bord d'attaque et de leur bord de sortie. Ces bords peuvent etre rectilignes pour obtenir une loi de phase lineeire, ou bien non rectilignes pour une loi de phase differente. Wile peut egalement etre modifiee par un element additif7 tei une lame de phase 4a placee entre la lentille 4 et le modulateur 7. Ainsi, on obtient dans la cavite laser des impulsions > (de largeur comprise entre 1 et 10 ps, par exemple), qu'il est facile d'amplifier dans cette cavite. La puissance crete des impulsions > est beaucoup plus faible que la puissance crete des impulsions ultracourtes (de duree egale a environ 100 fs, par exemple) que l'on obtiendra a l'exterieur de la cavite, apres leur compression. II n'y a done pas de risque d'endommagement des composants disposes dans la cavite laser. Dans le cas ou le bord d'attaque et le bord de sortie des electrodes vent rectilignes, comme represente en figure 2, le temps de retard T introduit entre les composantes n et a est donne par la relation: L T =-=-tgCC C C Dans cette relation, est la largeur du faisceau 5, L la difference des distances des points 11 et 12 a la lentille 4, et c est la vitesse de propagation du faisceau lumineux dans le milieu precedent le modulateur. On a represente en figure 3 I'evolution du temps T de retard entre les composantes spectrales extremes a et.\n (en ps) en fonction de ['angle oc (en ) pour differentes valeurs (1 a 10 mm) du parametre A. Le modulateur est suppose etre place dans l'air ( pour lequel c vaut environ 3.108ms) Ainsi, en faisant varier l'inclinaison du bord d'attaque du modulateur et la largeur du faisceau 5, on volt que l'on peut faire varier dans d'assez larges proportions la largeur des impulsions >, en agissant sur ['angle oc et sur la largeur du faisceau 5. L'exemple de cavite laser representee en figure 4 comporte: une fibre optique amplificatrice 29 pompee via un coupleur 22; une optique de collimation 21a disposee en sortie de la fibre 29 et suivie d'un systeme de controle de l'etat de polarisation compose d'une lame birefringente > 23a et d'une lame birefringente > 23b; un polariseur 24 permettant, conjointement avec le reglage de la lame 23b, de partager le faisceau issu de la lame 23b en un faisceau restart dans ia cavite 24a et un faisceau de sortie 24b; un isolateur optique 25 compose par exemple de deux polariseurs et d'un rotateur de Faraday assurant l'unidirectionnalite du fonctionnement du laser; un dispositif spectralo-temporel 26; un dispositif de focalisation 2Da (similaire a 21a) pour injecter le faisceau dans la fibre optique 29. La fibre 29 est soit directement un port d'entree du coupieur 22 soit une fibre dont la dispersion a ete choisie pour compenser la dispersion de la cavite. Le dispositif spectralo-temporel 26 est dans le cas present compose d'un modulateur 28 et de quatre prismes dispersifs identiques 27a a 27d, les deux premiers etant disposes en amont du modulateur, et les deux autres en aval du modulateur 28. On notera que dans cette configuration, les prismes 27a et 27b jouent le role des elements 3 et 4 de la figure 2 et que les prismes 27c et 27d jouent le r61e des elements 8 et 9. En effet, les differentes composantes spectrales se trouvent disposees sur des faisceaux paralleles entre eux ainsi que requis. On notera egalement que ['ensemble des quatre prismes 27a a 27d peut etre regle pour compenser tout ou partie de la dispersion de la cavite, la compensation residuelle pouvant etre assuree par la fibre 29. On peut envisager de realiser le dispositif spectralo-temporei de fa,con compacte, voire monolithique, soit a ['aide de micro-optiques, soit par l'utilisation d'optique integree sur substrat presentant des proprietes electro optiques ou acousto-optiques. On peut egalement envisager d'utiliser un element absorbent saturable en transmission en lieu et place de ['element acousto-optique ou electrooptique. E)ans ce cas, il peut etre necessaire, pour pouvoir obtenir la saturation de ['element absorbent saturable, de focaliser le faisceau 5 sur cet absorbent dans un plan perpendiculaire a celui de la figure 2 a ['aide d'une lentille (ou d'un miroir) cylindrique en amont de cet element, puis de le re- collimater avec une deuxieme lentille (miroir) cylindrique en aval de cet element. Ci-dessous vent citees trots references decrivant des elements connus en soi dans l'art anterieur: 1. M. Guina et al, >, Opt. Lett. vol 26 n 22, pp 18091811 (15/11/2002) 2. D. J. clones et al, >, IEEE J. Sell Top. Quantum Electron. vol 3 n 4, pp 1076-107g tAout 1g97) 3. H. A. Haus et al, >, IEEE J. Quantum Electron., vol 11 n 3, pp591-598 (Mars 1993) REVENDICATIONS 1. Source d'impulsions laser ultracourtes de puissance, du type comportant une cavite optique (a) de generation de faisceau laser impulsionnel renfermant au moins un milieu a gain (b), un element non reciproque (d) assurant un fonctionnement unidirectionnel, et un systeme (e) de compensation de la dispersion de la cavite, caracterisee en ce qu'elle comporte egalement dans la cavite optique un dispositif (c, 1, 26) d'etalement spectralo-temporel assurant le blocage! de mode. 2. Source d'impulsions laser selon la revendication 1, caracterisee en ce qu'elle comporte, hors de la cavite, un dispositif (f) de compression des impulsions issues de la cavite. 3. Source d'impulsions laser selon la revendication 1 ou 2, caracterisee en ce que le dispositif d'etalement spectralo-temporel comporte un dispositif de separation spatiale (3, 27a-27b, 33-34) des composantes spectrales des impulsions du faisceau, un modulateur actif (7, 28, 35) induisant une loi de phase et/ou de retard determinee entre lesdites composantes spectrales separees spatialement, et un dispositif de recombinaison (8-9, 27c-27d, 36-37) de ces composantes spectrales. 4. Source d'impulsions laser selon la revendication 1 ou 2, caracterisee en ce que le dispositif d'etalement spectralo-temporel comporte un dispositif de separation spatiale (3, 27a-27b, 33-34) des composantes spectrales des impulsions du faisceau, un element absorbent saturable en transmission, induisant une loi de phase et/ou de retard determinee entre iesdites composantes spectrales separees spatialement, et un dispositif de recombinaison (8-9, 27c-27d, 36-37) de ces composantes spectrales. 5. Source d'impulsions laser selon la revendication 4, caracterisee en ce qu'en amont de ['element saturable elle comporte une lentille ou un miroir cylindrique de focalisation, et une deuxieme lentille ou miroir cylindrique de collimation en aval de cet element. 6. Source d'impulsions laser selon l'une des revendications 3 a 5, caracterisee en ce que le dispositif de separation spatiale comporte un element dispersif. 7. Source d'impulsions laser selon la revendication 6, caracterisee en ce que ['element dispersif comporte un reseau holographique (3, 33). 8. Source d'impulsions laser Solon la revendication 6, caracterisee en ce que ['element dispersif comports deux prismes (27a, 27b). 9. Source d'impulsions laser Solon rune des revendications 6 ou 7, caracterisee en ce que le dispositif de recombinaison comports le meme element dispersif (9, 37) que le dispositif de separation spatiale. 10. Source d'impulsions laser selon la revendication 8, caracterisee en ce que le dispositif de recombinaison comporte deux autres prismes (27c, 27d).