Brevet FR2862452A1 — publié le 20050520

DISPOSITIF D'AMPLIFICATION OPTIQUE ET ENSEMBLE LE COMPORTANT DOMAINE GENERAL DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine technique général des dispositifs 5 d'amplification optique. Plus particulièrement, elle concerne le domaine technique des dispositifs d'amplification optique par pompage. ETAT DE LA TECHNIQUE En général, les dispositifs d'amplification optique reçoivent un signal issu 10 d'un détecteur optique sous forme d'un signal électrique qu'ils amplifient. De tels dispositifs d'amplification n'apportent cependant pas tout à fait satisfaction. En effet, s'ils apportent une amplification correcte pour des signaux optiques d'intensité relativement forte, à savoir des signaux qui engendrent en sortie du détecteur un rapport signal/bruit important, des problèmes 15 apparaissent pour des signaux d'intensité optique très faible. Les amplificateurs n'arrivent plus à amplifier correctement le signal puisqu'ils amplifient également le bruit. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention a pour but de pallier les inconvénients précédents. Un des buts de l'invention est de proposer un dispositif permettant l'observation de signaux optiques de très faibles intensités mais dont la longueur d'onde est précisément connue. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'amplifier des signaux optiques de très faibles intensités mais dont la longueur 25 d'onde est précisément connue. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'effectuer un filtrage d'un signal lumineux en plus de l'amplification. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'amplification optique d'un signal lumineux de travail, caractérisé en ce qu'il comporte une source 30 d'éclairement de pompage optique et un dispositif formant cavité de pompage optique, ledit dispositif étant apte à être placé en amont d'un détecteur optique du signal lumineux de travail. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque combinaison techniquement 5 possible: - la source d'éclairement de pompage est située en regard du dispositif formant cavité de pompage ou latéralement par rapport à la cavité de pompage; - le dispositif formant cavité de pompage optique comporte au moins trois couches superposées les unes sur les autres, la couche d'entrée du signal de travail comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de l'éclairement de pompage, la couche de sortie comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de travail, la couche intermédiaire comportant quant à elle un matériau approprié pour un pompage optique; le dispositif formant cavité de pompage optique comporte au moins trois couches superposées les unes sur les autres, la couche d'entrée du signal de travail comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur apte à l'amplification laser de la longueur d'onde travail, la couche de sortie comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de travail pour être apte à l'amplification laser de la longueur d'onde travail tout en bloquant la longueur d'onde de l'éclairement de pompage, la couche intermédiaire comportant quant à elle un matériau approprié pour un pompage optique; la source d'éclairement de pompage est telle que la longueur d'onde de l'éclairement de pompage a une longueur d'onde bien plus courte que la longueur d'onde de travail du signal de travail. L'invention concerne également un ensemble comportant un tel dispositif. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation possible d'un dispositif d'amplification optique selon l'invention; et la figure 2 représente schématiquement les niveaux d'énergie mis en jeux dans un dispositif selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE L'invention s'applique avantageusement aux signaux optiques de faibles intensités mais dont la longueur d'onde est précisément connue, comme par exemple des signaux optiques astronomiques. Le principe de l'invention est d'amplifier le signal optique avant sa détection par un détecteur. Certes, une amplification du signal en amont d'un détecteur ne peut rien faire contre le bruit poissonnien lié au faible nombre de photons à l'arrivée sur le détecteur. En revanche, l'amplification peut augmenter le rapport du signal au bruit thermique et/ou permettre d'utiliser des détecteurs moins performants. Ainsi, la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale 20 d'un détecteur 3 d'un signal optique 4 de travail à observer et d'un dispositif d'amplification 10 selon l'invention. Ainsi, on dispose un amplificateur 10 devant un détecteur 3 optique. Le détecteur 3 peut être de tout type. Il peut par exemple s'agir d'un dispositif du type objectif de télescope spatial comportant un dispositif avec une matrice à 25 couplage de charges ou charge-coupled device (CCD) selon la terminologie anglo-saxonne. L'amplificateur 10 comporte d'une part un dispositif plan 2 constitué de plusieurs couches 23, 22, 21 superposées les unes sur les autres. Le dispositif plan 2 s'étend sensiblement parallèlement à la surface de réception du récepteur 3. II comporte également d'autre part un dispositif 1 générateur d'éclairement de pompage 5. Le dispositif 1 d'éclairement peut être situé, comme on le décrit plus loin, premièrement en regard du dispositif 2, de façon à envoyer le signal 5 de 5 pompage parallèlement au signal de travail 4 et ainsi effectuer un éclairement frontal du récepteur 3 et du dispositif 2. Il peut deuxièmement être situé latéralement, afin d'effectuer un éclairement latéral du dispositif 2, c'est-à-dire un éclairement par la tranche du dispositif plan 2. L'éclairement par la tranche s'effectue alors selon une direction perpendiculaire au plan longitudinal du détecteur 3 contenu dans le plan de la figure 1. La première couche 23 du dispositif plan 2 est la plus éloignée du détecteur 3. Elle comporte un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur faible. La troisième et dernière couche 21 est un miroir semi-réfléchissant plus épais que le premier, pour des raisons qui sont exposées plus loin. La deuxième couche 22 située en dessous de la couche 23 et au dessus de la couche 21 est prise en sandwich entre les couches 21 et 23. Elle comporte un matériau approprié pour un pompage optique connus de l'homme du métier. L'espace entre les deux miroirs 23 et 21, matérialisé par la couche 22, est une cavité d'amplification laser entre les deux miroirs 23 et 21. Le réglage de l'amplification laser permet la sélection de la longueur d'onde choisie à amplifier parmi le signal de travail 4. La couche 22 exerce donc la fonction de filtrage. Le matériau de pompage optique de la couche 22 et/ou son épaisseur sont choisis en fonction de la longueur d'onde de pompage 5, qui doit être d'une longueur d'onde bien plus courte que la longueur d'onde de travail du signal 4. La longueur d'onde de pompage 5 doit être environ 10 fois inférieure à la 30 longueur d'onde de travail 4. En effet, la couche 21, qui présente un coefficient d'atténuation de forme exponentielle, doit pouvoir arrêter très efficacement le rayonnement à la longueur d'onde de pompage 5 tout en laissant passer le rayonnement à la longueur d'onde de travail 4. On rappelle, comme le montre la figure 2, que le pompage A généré par l'éclairement 5 aboutit à un changement de niveau d'état énergétique des électrons incidents sur le dispositif 2. Ainsi, le pompage A fait passer les électrons du matériau de pompage par exemple initialement sur un niveau énergétique EO vers un niveau énergétique beaucoup plus élevé, noté E2, qui est relaxé rapidement vers un niveau plus bas intermédiaire El, mais relativement proche du niveau fondamental E0. La transition B entre le niveau plus bas El et le niveau fondamental EO constitue la longueur d'onde 4 de travail. La transition entre EO et E2 est la longueur d'onde 5 de pompage. Le fonctionnement du dispositif 10 est le suivant. Le pompage par la longueur d'onde courte de pompage 5 produite par le 15 dispositif 1 peut être réalisé de deux façons. La première façon utilise l'éclairement frontal. Dans ce cas, l'éclairement de pompage 5 passe le premier miroir 23, dont l'épaisseur faible laisse passer une proportion substantielle de l'éclairage 5 à la longueur d'onde de pompage. L'épaisseur du miroir d'entrée 23 est donc typiquement une fraction de la longueur d'onde de pompage 5. La deuxième façon utilise l'éclairement latéral, c'est-à-dire par la tranche du dispositif 2 et dans la couche 22. La cavité de pompage accordée sur la longueur d'onde de travail, c'est-à-dire la longueur d'onde à filtrer et à amplifier, permet alors un gain multiplicatif important sur chaque photon arrivant sur le dispositif 2 avec la bonne longueur d'onde. Le miroir de sortie 21, plus épais, est tel que la longueur d'onde de travail 4 peut le traverser, mais que la longueur d'onde de pompage 5 ne le peut pas. On évite ainsi la détection du signal de pompage par le détecteur 3. L'épaisseur du miroir de sortie 21 est typiquement une fraction de la longueur d'onde de travail 4. Dans le cas d'un éclairement frontal, la couche d'entrée 23 du signal de travail comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de l'éclairement de pompage 5. La couche de sortie 21 comporte un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de travail 4. La couche intermédiaire 22 comporte quant à elle un matériau approprié pour un pompage optique. Dans le cas d'un éclairement latéral, la couche d'entrée 23 du signal de travail comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur apte à l'amplification laser de la longueur d'onde travail 4. II n'y a pas de contrainte quant à la couche 23 pour la longueur d'onde de pompage 5. La couche de sortie 21 comporte un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de travail 4 pour être apte à l'amplification laser de la longueur d'onde travail 4. Elle doit être assez épaisse cependant pour bloquer la longueur d'onde de l'éclairement de pompage 5. La couche intermédiaire 22 comporte quant à elle un matériau approprié pour un pompage optique. Le détecteur 3 situé derrière le dispositif 2 ne voit donc que les photons de la longueur d'onde 4 de travail. Dans le cas où le rayonnement laser d'observation 4 est polarisé, on 20 peut accroître l'efficacité discriminante du dispositif en rendant les miroirs d'entrée 23 et de sortie 21 sensibles à la polarisation, et donc opaques à la polarisation croisée. De plus, la polarisation peut également servir une observation d'un objet quelconque, par l'observation dans la polarisation croisée ou l'observation simultanée dans deux polarisations différentes. Il faut dans ce cas plusieurs dispositifs de détection/filtrage/amplification. On peut également envisager un ensemble comportant plusieurs détecteurs amplifiant plusieurs longueurs d'onde différentes sous des polarisations différentes. L'avantage principal d'un dispositif de filtrage et d'amplification 10 est 30 qu'il est situé en amont du détecteur. Il permet ainsi une amplification de signaux optiques monochromatiques de très faible intensité, mais dont on connaît précisément la longueur d'onde, notamment mais non limitativement dans des applications astronomiques, d'observation de la Terre ou de paysage faiblement éclairés ou non éclairés. Ainsi, les développements qui précèdent s'appliquent avantageusement aux ensembles comportant une lentille de Fresnel en orbite et focalisant un rayonnement lumineux dans l'espace vers un détecteur lui aussi en orbite. L'ensemble comporte des moyens d'émission d'un signal lumineux de travail 4. Préférentiellement, les moyens d'émission comportent au moins une source laser monochromatique. On peut ainsi envisager d'émettre la longueur d'onde de travail sous faible intensité vers un paysage et d'utiliser le dispositif pour observer le paysage. On comprend bien sûr qu'un tel dispositif peut être avantageusement appliqué à n'importe quel ensemble de détection optique, et même à des ensembles de détection n'étant pas en orbite. On peut ainsi avoir un ensemble d'observation optique comportant un détecteur et des moyens de convergence autres que des lentilles du type Fresnel, ou des lentilles de Fresnel n'étant pas en orbite, et utilisant un tel système de filtrage et d'amplification. REVENDICATIONS. 1 Dispositif d'amplification optique d'un signal lumineux de travail (4), caractérisé en ce qu'il comporte une source (1) d'éclairement (5) de pompage optique et un dispositif (2) formant cavité de pompage optique, ledit dispositif étant apte à être placé en amont d'un détecteur (3) optique du signal lumineux de travail. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source 10 d'éclairement de pompage (5) est située en regard du dispositif (2) formant cavité de pompage ou latéralement par rapport à la cavité de pompage. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (2) formant cavité de pompage optique comporte au moins trois couches (23, 22, 21) superposées les unes sur les autres, la couche d'entrée (23) du signal de travail comportant un miroir semiréfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de l'éclairement de pompage (5), la couche de sortie (21) comportant un miroir semi-réfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de travail (4), la couche intermédiaire (22) comportant quant à elle un matériau approprié pour un pompage optique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (2) formant cavité de pompage optique comporte au moins trois couches (23, 22, 21) superposées les unes sur les autres, la couche d'entrée (23) du signal de travail comportant un miroir semiréfléchissant d'épaisseur apte à l'amplification laser de la longueur d'onde travail (4), la couche de sortie (21) comportant un miroir semiréfléchissant d'épaisseur de l'ordre de grandeur d'une fraction de la longueur d'onde de travail (4) pour être apte à l'amplification laser de la longueur d'onde travail (4) tout en bloquant la longueur d'onde de l'éclairement de pompage, la couche intermédiaire (22) comportant quant à elle un matériau approprié pour un pompage optique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source d'éclairement de pompage est telle que la longueur d'onde de l'éclairement de pompage (5) a une longueur d'onde bien plus courte 10 que la longueur d'onde de travail du signal (4) de travail. 6. Ensemble comportant un détecteur (3) d'un signal optique de travail, caractérisé en ce qu'il comporte en amont du détecteur un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est placé sur orbite autour d'un objet dans l'espace. 8. Ensemble selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il 20 comporte une lentille de Fresnel comportant des alternances de zones transparentes et de zones opaques de certaines largeurs pour faire converger le signal de travail vers le récepteur (3). 9. Ensemble selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il 25 comporte des moyens d'émission d'un signal lumineux de travail (4). 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent au moins une source laser monochromatique.