Brevet FR2877444A1 — publié le 20060505

La présente invention concerne un dispositif pour le contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses issues d'un mélangeur optique. Elle a plus particulièrement pour objet d'obtenir des impulsions de forte 15 énergie, à large bande spectrale, dont la durée, l'amplitude et le contenu en phase spectrale ou en fréquence sont programmables. D'une façon générale, on sait que les sources lasers à impulsions permettent d'obtenir une grande variété de longueurs d'ondes différentes par des procédés d'optique non linéaire. Par exemple, une source de longueur d'onde interagissant dans un cristal non linéaire produira un faisceau lumineux de longueur d'onde moitié X/2 par doublage de fréquence. Plus généralement deux sources de fréquences col et w2 produiront un faisceau résultant de fréquence: w3 = w1+w2 et/ou un faisceau résultant de fréquence: w3 = kwl-w2l. Lorsque l'on dispose d'une source à impulsions, on peut réaliser une mise en forme temporelle des impulsions qui peut être décrite comme l'introduction d'une amplitude et d'un retard dépendant de la fréquence sur le spectre de la source. Dans la cadre des interactions optiques non linéaires, on peut envisager de réaliser cette opération par un procédé dit indirect , dans lequel la mise en forme est réalisée sur l'un des deux faisceaux d'origine et la mise en forme souhaitée est produite sur le faisceau résultant de l'interaction non linéaire. La difficulté inhérente à cette approche est que l'interaction optique non linéaire exige la simultanéité des deux impulsions, c'est à dire leur recouvrement temporel. Il est donc clair, que pour satisfaire à cette condition de recouvrement temporel, la mise en forme sera limitée à des retards de valeur inférieure à la durée de la plus longue des deux impulsions. Il est possible de réduire cette contrainte en allongeant la durée de l'une au moins des impulsions par un dispositif dispersif qui produit un retard dépendant approximativement linéairement de la fréquence (dérive de fréquence). On produit alors une impulsion résultante en sortie du mélange non linéaire qui a également une dérive de fréquence et qui peut être comprimée ensuite par un dispositif dispersif présentant un retard en fonction de la fréquence opposé à celui de l'allongement. Les dispositifs pour réaliser ces fonctions d'allongement et de compression sont connus par ailleurs et utilisent en général des combinaisons de réseaux diffractifs ou de prismes dispersifs. Cependant l'allongement des impulsions va réduire la puissance optique instantanée de celles-ci et va donc diminuer l'efficacité de l'interaction non linéaire. Une telle approche ne sera donc efficace que dans une configuration permettant un rendement de conversion élevé malgré l'augmentation de la durée des impulsions. Le rendement de conversion des interactions non linéaires est fortement déterminé par une condition d'accord de phase entre les deux faisceaux incidents et le faisceau résultant. En effet, le mélange de deux signaux optiques E1 et E2 dans un cristal optique non linéaire pour obtenir un signal de sortie E3 dont la fréquence w3 est la somme ou la différence des fréquences w1 et 0)2 des signaux E1 et E2, n'est véritablement efficace que lorsque les signaux E1 et E2 sont des signaux a bande spectrale très étroite, voire des signaux à fréquence pure. Lorsque la bande spectrale de l'un des signaux augmente, l'accord de phase qui est nécessaire, n'est plus réalisé, pour toutes les fréquences, dans le cristal que sur une faible longueur de ce cristal. Celui-ci doit alors être choisi peu épais et le rendement de conversion des signaux d'entrée vers le signal de sortie décroît car la longueur d'interaction n'est pas suffisante. Plus la bande spectrale de l'un des signaux est grande, plus le cristal doit être mince et plus le rendement de conversion diminue. Pour pallier ces inconvénients, des cristaux constitués d'un empilement de cristaux peu épais dont la biréfringence est inversée périodiquement ont été réalisés pour augmenter artificiellement la longueur d'interaction. Des interactions non colinéaires ont également été proposées. Dans une interaction non colinéaire, l'accord de phase varie avec l'angle d'incidence et la fréquence de l'un des signaux pour élargir la bande spectrale dans laquelle l'accord de phase est maintenu. Cependant plutôt que d'envisager une variation de l'accord de phase avec l'angle qui dépend de la fréquence, on peut envisager une variation de l'accord de phase avec le temps à condition qu'à chaque instant de l'interaction les deux signaux E1 et E2 présentent dans le cristal une paire de fréquences col et col qui satisfasse la condition d'accord de phase. Dans ces conditions les deux signaux E1 et E2 doivent avoir à peu près la même durée pour interagir constamment dans le cristal et doivent présenter des variations de leurs fréquences dans le temps telles qu'à chaque instant l'accord de phase soit réalisé. Lorsqu'une variation de fréquence dans le temps est donnée sur l'un des signaux E1 par exemple au moyen d'un étireur d'impulsions, la variation de fréquence dans le temps du signal E2 est imposée par l'orientation du cristal optique non linéaire choisie et par la loi de fréquence du signal E1.Ceci a été réalisé par Boscheron et al. en 1996 dans le cadre du triplement de fréquence des impulsions d'un laser Nd:verre pour optimiser le rendement de conversion du triplement dans la bande du Nd:verre. Il s'avère que toutes ces méthodes de l'état de l'art font appel à des montages optiques complexes et qu'aucune d'entre elles ne permet de programmer en amplitude et en phase avec un rendement élevé et une grande largeur de bande, les impulsions issues d'un mélangeur optique. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient. La présente invention consiste à associer un procédé de mise en forme temporelle indirecte à une technique d'extension qui conserve l'accord de 15 phase dans une grande largeur spectrale. Elle propose à cet effet un dispositif de contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses en sortie d'un mélangeur optique M effectuant l'interaction colinéaire de signaux optiques issus de deux voies VI, V2, comprenant: sur les susdites voies VI, V2, respectivement deux étireurs d'impulsions SI, S2 allongeant les impulsions lumineuses brèves générées respectivement par deux sources lasers L1, L2, sur au moins l'une des susdites voies VI, V2, un contrôleur 25 programmable PI, P2 de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions SI, S2, et en sortie du susdit mélangeur optique M un compresseur C des impulsions issues dudit mélange optique M. Avantageusement un deuxième contrôleur programmable PI, P2 de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions SI, S2, est inséré sur la deuxième voie VI, V2. Les susdits étireurs SI, S2 des impulsions brèves à large bande génèrent des impulsions longues modulées en fréquence de durée essentiellement identique et au moins dix fois plus grande que la durée minimale des impulsions brèves, pour permettre à la fois le maintien approché de l'accord de phase dans une large bande passante et la programmation de l'amplitude et de la phase des impulsions issues du mélangeur. Par ailleurs, le rapport des bandes spectrales des signaux générés par les susdites sources laser LI, L2, et le signe des pentes des signaux modules en fréquence issus des étireurs sont déterminés par le cristal mélangeur et son orientation afin d'optimiser le rendement de conversion de ce cristal mélangeur dans une très large bande passante. Avantageusement, les susdits contrôleurs programmables PI, P2, de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs 20 d'impulsions SI, S2, pourront être: - des filtres acousto-optiques dispersifs programmables dénommés AOPDF, ou - des lignes à retard optique à dispersion nulle comportant un plan focal intermédiaire dans lequel est placé un dispositif de contrôle spatial de la 25 phase et/ou de l'amplitude. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention, La figure 2 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention destiné à un premier exemple d'application, et La figure 3 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention destiné à un deuxième exemple d'application. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, deux sources laser L1 et L2 génèrent des impulsions brèves E1(t) et E2(t) 10 de fréquences optiques centrales (Bi et col, deux étireurs d'impulsions Si et S2 transforment les impulsions brèves E1(t) et E2(t) de durées il et r2 et de largeurs spectrales B1 et B2, en impulsions longues E' 1(t) et E'2(t) de même largeurs spectrales B 1 et B2 et de durées Ti et T2 de dix à cent fois plus longues que les impulsions initiales E1(t) et E2(t), deux contrôleurs programmables P1 et P2 contrôlent l'amplitude et la phase des impulsions E'1(t) et E'2(t), un mélangeur optique M, constitué d'un cristal optique non linéaire épais, effectue l'interaction colinéaire des signaux E"1(t) et E"2(t) issus 20 des dispositifs de contrôle programmable P1 et P2, et un compresseur C comprime les impulsions E3(t) de sortie du mélangeur M; la fréquence optique co3 de ces impulsions E3(t) étant donnée par: (03=c01+(02 ou: (03 = 01'w2l Les susdits blocs L1, Si, P1, constituent la voie V1; les susdits blocs L2, S2, P2, constituent la voie V2. Les susdites sources laser LI et L2 génèrent des impulsions brèves qui s'écrivent: E, (t) = A, (t). cos(w,t) E2 (t) = A2 (t). cos(w2t) AI(t) et A2(t) étant les amplitudes temporelles de ces impulsions de durée -ci et T2É A la sortie des susdits étireurs SI et S2 les impulsions E'I(t) et E'2(t) 10 s'écrivent: E', (t) = A', (t). cos(w,t B,t2 /27i) E'2(t) = A'2 (t). cos(w2t B2t2 /2T2) A'1(t) et A'2(t) étant les amplitudes temporelles des impulsions allongées, 15 modulées en fréquence de durée TI et T2. A la sortie des susdits contrôleurs programmables PI et P2 les impulsions E" 1(t) et E "2(t) s'écrivent au 1 er ordre: E"1(t) = E',(t) H,(t/a,) E "2 (t) = E'2 (t) H2 (t/a2) où HI(t/al) et H2(t/a2) sont les réponses impulsionnelles, en amplitude et en phase, des contrôleurs programmables PI et P2, générées par des signaux électriques H1(t) et H2(t) appliqués aux contrôleurs programmables, al et 112 étant des facteurs d'échelle, et 0 le produit de convolution. Lorsque les impulsions E"1(t) et E"2(t) ont la même durée T et sont synchronisées pour arriver en même temps dans le cristal optique mélangeur M, le rendement de conversion de ce cristal mélangeur M est optimum pour toutes les fréquences du mélange, si les modulations en fréquence des impulsions E" 1(t) et E"2(t) sont ajustées par les susdits contrôleurs programmables P1 et P2 et par le choix des pentes: Pi = B1/T et p2 = B2/T des étireurs, respectivement S1, S2, de telle sorte qu'à chaque instant, le cristal non linéaire voit sur son axe d'interaction une paire de deux fréquences: w1(t) et w2(t) pour lesquelles l'accord de phase est réalisé. Ces lois de fréquence: 10 (D1(t) et/ou co2(t) dépendent donc du choix du cristal mélangeur M et du choix de l'axe d'interaction colinéaire. Les exemples représentés sur les figures 2 et 3 sont des applications particulières selon l'invention. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, des impulsions courtes E1(t) de durée:tif= 50fs et de largeur spectrale B1= 20nm, issues d'un laser (Ti:Sa) L dont la longueur d'onde est centrée autour de 1= 800nm (w1=2,35. 1015), sont appliquées: d'une part sur la voie V1 à l'étireur S1 qui délivre des impulsions de 3 a 10ps, - d'autre part sur la voie V2 à un filtre de bande F qui réduit la bande B2 à B2= B1/4 = 5nm et en conséquence, allonge les impulsions courtes à i2=200fs; ces impulsions de 200fs sont alors envoyées dans un amplificateur paramétrique optique APO qui génère un signal "idler" et un signal utile E2(t) de durée t2=200fs centré autour de X2=1350nm (co2=1,40. 10i5) ; ce signal utile E2(t) est ensuite appliqué à l'étireur S2 qui délivre des impulsions de 3 a 10ps. En aval des étireurs S 1 et S2, on retrouve la structure précédemment décrite; les impulsions issues du mélangeur M sont centrées autour de la fréquence: w3=wl+w2=3,75.1015soit X3=500nm. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, sur la voie V2, un amplificateur optique de type régénératif ou multi passage ARO, est placé après le contrôleur programmable P2 et avant un cristal doubleur CR (de génération de 2 d harmonique). La voie V1 est constituée d'un étireur S1 et d'un contrôleur programmable P1. Sur la voie V2, le signal E"2(t) ainsi obtenu avant le mélangeur optique M, est à la fréquence w2= 2w1 et le signal issu du mélangeur optique M est une amplification du signal E"1(t) à la fréquence w3 = w2 - wl = col. - 10 - Revendications 1. Dispositif de contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses en sortie d'un mélangeur optique (M) effectuant l'interaction colinéaire de signaux optiques issus de deux voies (V1, V2), caractérisé en ce qu'il comprend: sur les susdites voies (V1, V2), respectivement deux étireurs d'impulsions (S1, S2) allongeant les impulsions lumineuses brèves générées respectivement par deux sources lasers (L 1, L2), sur au moins l'une des susdites voies (V1, V2), un contrôleur programmable (P1, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (S1, S2), et en sortie du susdit mélangeur optique (M) un compresseur (C) des impulsions issues dudit mélange optique (M). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un deuxième contrôleur programmable (P1, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (S1, S2), est inséré sur la deuxième voie (VI., V2). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits étireurs (Si, S2) des impulsions brèves à large bande génèrent des impulsions longues modulées en fréquence de durée essentiellement identique et au moins dix fois plus grande que la durée minimale des impulsions brèves. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 3, 30 caractérisé en ce que le rapport des bandes spectrales des signaux générés par les susdites sources laser (L1, L2) et le signe des pentes des signaux modules -11.- en fréquence issus des étireurs (SI, S2) sont déterminés par le cristal mélangeur (M) et son orientation afin d'optimiser le rendement de conversion de ce cristal mélangeur dans une très large bande passante. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou let 2, caractérisé en ce que les susdits contrôleurs programmables (PI, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (SI, S2), sont des filtres acousto-optiques dispersifs programmables dénommés AOPDF. 6. Dispositif selon la revendication 1 ou let 2, caractérisé en ce que les susdits contrôleurs programmables (PI, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (SI, S2), sont des lignes à retard optique à dispersion nulle comportant un plan focal intermédiaire dans lequel est placé un dispositif de contrôle spatial de la phase et/ou de l'amplitude. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal en sortie du susdit compresseur (C) a pour 20 fréquence instantanée la somme des fréquences instantanées des signaux générés par les susdites sources laser (LI, L2). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal en sortie du susdit compresseur (C) a pour fréquence instantanée la différence des fréquences instantanées des signaux générés par les susdites sources laser (LI, L2).