Brevet FR2909229A1 — publié le 20080530

SYSTEME LASER À EMISSION D'IMPULSION PICOSECONDES L'invention se rapporte à un dispositif pour générer des impulsions courtes. Afin de générer des impulsions courtes, typiquement de l'ordre de quelques dizaines ou quelques centaines de picosecondes, il est connu d'utiliser des lasers à modes bloqués. Toutefois, le coût moyen d'un tel laser à modes bloqués est très élevé. Par ailleurs, il nécessite une importante maintenance pour garder ses performances du fait de sa complexité. Enfin, l'énergie de l'impulsion d'un laser à modes bloqués est faible du fait de son grand taux de répétition. L'invention vise à pallier ces inconvénients des dispositifs de génération d'impulsions courtes connus. Un but de l'invention est donc d'abord de fournir une alternative moins coûteuse et/ou plus compacte aux dispositifs pour générer des impulsions courtes comprenant un laser à modes bloqués. Un autre but de l'invention est de fournir une alternative aux lasers à 25 modes bloqués permettant d'obtenir de bons niveaux de puissance. Selon l'invention, ce but est atteint en fournissant un dispositif comprenant un laser impulsionnel ayant une certaine durée d'impulsion, et en réduisant cette durée d'impulsion pour obtenir une 30 impulsion courte en sortie. Le principe général de la réduction de la durée d'une impulsion a déjà été décrit par exemple dans la publication de Stolen et al. Intensity discrimination of optical pulses with birefringent fibers , 35 Optics letters, octobre 1982. 2 2909229 Cette publication enseigne un dispositif comprenant : un laser impulsionnel polarisé ayant une direction de 5 polarisation ; - une fibre optique biréfringente ayant des axes de biréfringence, ladite direction de polarisation n'étant pas colinéaire auxdits axes de biréfringence ; un polariseur de sortie positionné en sortie de ladite fibre, ledit 10 polariseur étant apte à sélectionner une polarisation en sortie de ladite fibre. Dans cette publication, on décrit précisément pourquoi le fait que la direction de polarisation du laser ne soit pas colinéaire aux axes de 15 biréfringence de la fibre permet, par rotation de polarisation sur les deux axes utilisant l'effet Kerr, de réduire la durée de l'impulsion en sortie du polariseur de sortie. Il est décrit dans cette publication que la durée d'impulsion est réduite et que les pattes de faible puissance de l'impulsion sont supprimées. Le polariseur de sortie permet de 20 récupérer la partie de l'impulsion dont la polarisation a tourné en utilisant l'effet Kerr. Dans cette publication, le laser impulsionnel est un laser à argon à modes bloqués. Le dispositif de la publication précitée permet donc de générer des impulsions courtes, mais à partir d'un laser impulsionnel générant lui-même déjà des impulsions courtes. L'utilisation d'un laser à modes bloqués a donc les inconvénients cités plus haut. Par ailleurs, la diminution de la durée d'impulsion décrite dans la publication précitée est trop faible pour être utilisée avec en entrée un laser de durée d'impulsion assez longue que l'on désirerait fortement réduire. 3 2909229 Au contraire, on sait que les lasers déclenchés, plus couramment appelés lasers Q-switch en langue anglaise, sont relativement simples, peu coûteux, et robustes. 5 Toutefois, on sait que ces lasers déclenchés ne délivrent que des impulsions de l'ordre de plusieurs centaines de picosecondes. De ce fait, les lasers Q-switch ne sont pas utilisés comme fournisseur d'impulsions courtes (quelques dizaines de picosecondes) ou 10 ultracourtes (quelques dizaines de femtosecondes). L'invention vise à pallier ces inconvénients de l'art antérieur. L'invention a notamment pour but de fournir une alternative moins 15 coûteuse et/ou plus compacte aux dispositifs pour générer des impulsions courtes comprenant un laser à modes bloqués. L'invention a également pour but de fournir un dispositif pour générer des impulsions plus courtes que celles pouvant être générées par un 20 simple laser déclenché. Au moins un de ces buts est atteint selon l'invention qui concerne un dispositif pour générer des impulsions courtes, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : 25 un laser impulsionnel polarisé ayant une direction de polarisation ; - une fibre optique biréfringente ayant des axes de biréfringence, ladite direction de polarisation n'étant pas colinéaire auxdits axes de biréfringence ; 30 -un polariseur de sortie positionné en sortie de ladite fibre, ledit polariseur étant apte à sélectionner une polarisation en sortie de ladite fibre ; dans lequel ledit laser impulsionnel est un laser quasi-monomode longitudinalement. 5 4 2909229 Selon l'invention, on fournit une alternative aux lasers à mode bloqués en réduisant la durée d'impulsion du laser impulsionnel déclenché. Comme dans la publication précitée, ceci est réalisé notamment par un découpage passif utilisant l'effet Kerr dans une fibre biréfringente. Selon l'invention également, le laser impulsionnel choisi est un laser 10 quasi-monomode longitudinalement. Dans le cadre de l'invention, comme de façon générale pour l'homme du métier, on entendra par laser quasi-monomode longitudinalement, un laser comprenant un ou deux modes longitudinaux. 15 Ce laser s'oppose clairement au laser par exemple utilisé dans la publication précitée, qui est un laser à modes bloqués comprenant typiquement 100 à 200 modes longitudinaux. Grâce à ce laser quasi- monomode longitudinalement, l'effet de 20 réduction de la durée d'impulsion est fortement amélioré. En effet, pour un laser produisant des impulsions à modes longitudinaux bloqués en phase, l'effet Kerr mentionné plus haut agit surtout sur la portion d'impulsion dont l'intensité est la plus élevée. 25 Dans ces conditions, seul les faibles énergies synthétisées par les pattes de l'impulsion (généralement de type gaussienne ou sech2) restent inchangées et peuvent alors être diminuées. La diminution temporelle due au profil de l'impulsion reste alors faible devant la durée de l'impulsion, typiquement d'un facteur 1.5 à 3. 30 Au contraire, selon l'invention, pour un laser quasi-monomode, l'effet de réduction de la durée d'impulsion est fortement amélioré, typiquement avec un facteur de réduction pouvant être supérieur à 10 voire à 16. 2909229 5 D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont décrites ci-après. 5 En particulier, le laser impulsionnel peut être un laser déclenché à très faible longueur de cavité. Cette longueur de cavité impose alors un espacement fréquentiel df entre les modes longitudinaux qui doit être supérieur à la largeur de gain Af du matériaux amplificateur du laser. De façon connue en soi, la valeur de l'espacement fréquentiel 10 est df=c/(2.1), avec c la vitesse de la lumière, et 1, la longueur de la cavité Ceci assure que le laser est quasi-monomode longitudinal de façon simple. Par ailleurs, afin d'obtenir un laser impulsionnel ayant une direction 15 de polarisation, il est possible soit, d'utiliser un laser impulsionnel non polarisé associé à un polariseur, soit un laser naturellement polarisé. Ce dernier cas a l'avantage de pouvoir bénéficier de toute la puissance du laser dans la direction de polarisation naturelle. Au contraire, l'avantage du polariseur est que l'on peut facilement 20 choisir la direction de polarisation. Par ailleurs, le dispositif susmentionné peut comprendre en outre une lame demi-onde positionnée entre le laser impulsionnel polarisé et la fibre, et agencé de sorte que la direction de polarisation de l'onde 25 laser en sortie de ladite lame demi-onde ne soit pas colinéaire auxdits axes de biréfringence. De façon alternative, ledit laser impulsionnel polarisé est agencé par rapport à ladite fibre de sorte que ladite direction de polarisation ne 30 soit pas colinéaire auxdits axes de biréfringence. De façon alternative, le dispositif susmentionné peut comprendre des boucles dites de Lefèbvre positionnées en entrée de fibre et agencé de sorte que la direction de polarisation de l'onde laser en sortie 2909229 6 desdites boucles ne soit pas colinéaire auxdits axes de biréfringence de la fibre.. Grâce à ces boucles de Lefèbvre, l'orientation du vecteur polarisation du laser impulsionnel polarisé par rapport aux axes de la fibre peut être contrôlée. Ces boucles de Lefèbvre sont connues de 5 l'homme du métier comme ayant le pouvoir d'orienter le vecteur polarisation d'une radiation se propageant dans une fibre. Par ailleurs, afin d'éviter toute dispersion modale, ledit laser impulsionnel polarisé est apte à émettre une impulsion laser à une 10 longueur d'onde d'émission, et ladite fibre est une fibre monomode transverse à ladite longueur d'onde d'émission. En outre, ladite fibre peut être telle que la longueur d'onde du zéro de dispersion de ladite fibre est supérieure à ladite longueur d'onde 15 d'émission. De la sorte, on évite des effets physiques dits effets soliton qui gênent la réduction d'impulsion telle que précédemment décrite. L'invention se rapporte également à un procédé de génération 20 d'impulsions courte comprenant des étapes dans lesquelles : - on fournit un dispositif tel que précédemment décrit ; - le laser impulsionnel polarisé génère des impulsions longues ; - les impulsions longues sont découpées dans la fibre optique biréfringente de sorte à générer les impulsions courtes; 25 - on récupère les impulsions courtes en sortie du polariseur de sortie. Dans ce procédé, la Demanderesse a montré que la durée d'impulsion des impulsions courtes peut être 10 à 16 fois plus 30 courtes que la durée d'impulsion des impulsions longues. On décrit maintenant un mode de réalisation en référence aux figures annexées dans lesquelles : 2909229 7 - FIG. 1 représente un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; FIG. 2A et 2B représentent respectivement l'impulsion générée par le laser impulsionnel en entrée du dispositif selon 5 l'invention et l'impulsion obtenue en sortie du dispositif selon l'invention. Illustré FIG. 1, un dispositif 1 selon l'invention comprend un laser impulsionnel 2, un polariseur d'entrée 3, une lame demi-onde 10 d'entrée 4, une lentille d'entrée 5, une fibre biréfringente 6, une lentille de sortie 7, une lame demi-onde de sortie 8, et un polariseur de sortie 9. Le laser impulsionnel 2 est un laser pouvant émettre des impulsions 15 d'une durée de l'ordre de la nanoseconde. De façon plus générale, le laser 2 peut être un laser émettant des impulsions d'une durée supérieure à 100 picosecondes. En dessous de cette limite une réduction de durée est difficile à mettre en oeuvre. 20 La fréquence d'émission est d'environ 6 kHz. Cette fréquence peut également être variable dans le cadre de l'invention, typiquement jusqu'à 100 kHz. Le laser 2 émet dans le proche infrarouge avec une longueur d'onde 25 de 1064 nanomètres. Le laser 2 est longitudinalement monomode ou bimode au plus, par exemple un laser déclenché. Le laser 2 est également monomode ou bimode transverse avec dans ce cas un seul mode longitudinal par 30 mode transverse. Ceci est réalisable si la cavité laser est agencée de sorte que les peignes de mode longitudinaux induits par chaque mode transverse sont espacés de plus de c/(2.1), avec c la vitesse de la lumière et l la longueur de la cavité de sorte à ce qu'un seul mode 8 2909229 longitudinal soit dans la zone de gain du matériau amplificateur de laser. Le polariseur d'entrée 3 est placé en sortie du laser pour polariser le 5 faisceau de sortie du laser. L'ensemble comprenant le laser 2 et le polariseur 3 forme un laser polarisé 10 auquel on se référera par la suite. Si le laser 2 est directement polarisé, ce polariseur peut être 10 supprimé du mode de réalisation. Dans ce cas, le laser polarisé 10 est constitué uniquement du laser impulsionnel 2. La fibre 6 est une fibre monomode transverse à la longueur d'onde d'émission de 1064 nanomètres du laser. C'est une fibre biréfringente 15 comprenant donc des axes de biréfringences, également appelés axes neutres. La lame d'onde 4 est placée entre le laser polarisé 10 et la fibre 6 pour orienter l'axe de polarisation du laser polarisé 10 par rapport 20 aux axes de biréfringence de la fibre 6. Selon l'orientation du laser polarisé 10 par rapport à la fibre 6, la lame d'onde 4 oriente l'axe de polarisation du laser polarisé 10 de sorte que la direction de polarisation ne soit pas parallèle aux axes 25 de biréfringence de la fibre 6. Si le laser polarisé 10 est directement orienté par rapport à la fibre 6 de sorte que la condition précédente soit réalisée, on peut également se passer de la lame d'onde 4 dans le cadre de l'invention. 30 La lentille 5 forme un moyen d'injection du signal laser issu de la lame d'onde 4 dans la fibre 6. Le signal laser traverse la fibre 6 et subit les effets de non-linéarités de la fibre dues à la biréfringence. Ces effets sont par exemple des 9 2909229 effets d'automodulation de phase ou de modulation de phase croisée correspondant à un élargissement spectral. En particulier, comme il a été montré dans la publication précitée, l'effet Kerr induit une rotation du vecteur de polarisation du signal laser. Cet effet se produit 5 lorsque la direction de polarisation du signal en entrée de la fibre n'est pas colinéaire aux axes de biréfringences, de sorte que les projections du vecteur de polarisation sur les deux axes sont non nulles. 10 En sortie, une lentille 7 de collimation permet d'obtenir un faisceau de faible divergence. Le polariseur 9 permet, selon son orientation par rapport à la fibre 6 ou à la lame demi-onde 8, de sélectionner une durée d'impulsion plus 15 ou moins importante et s'étendant entre la durée de l'impulsion d'entrée et une impulsion raccourcie d'un facteur maximal proche de 16. Lorsque le polariseur 9 est agencé par rapport à la fibre 6 de sorte à 20 sélectionner le signal de sortie, éventuellement par l'intermédiaire de la lame demi-onde 8, seule la puissance ayant subi de façon majoritaire l'effet Kerr est prélevée. On peut ensuite positionner un analyseur temporel, non représenté, 25 pour déterminer le profil temporel du signal ainsi obtenu. La Demanderesse a démontré que l'effet de réduction de l'impulsion était très fort grâce au fait que le laser impulsionnel d'entrée est quasi-monomode longitudinal. Cette utilisation préférentielle de l'effet 30 Kerr permet notamment d'obtenir un facteur de réduction de l'ordre de 10 à 16. La FIG. 2A illustre une impulsion émise par le laser impulsionnel polarisé 10 sous la forme d'une intensité en fonction du temps, en 10 2909229 picosecondes. Le temps caractéristique de la durée d'impulsion est d'environ 730 picosecondes. La FIG. 2B est le signal obtenu en sortie du dispositif 1 selon 5 l'invention sous la forme d'une intensité en fonction du temps, en picosecondes. Le temps caractéristique de la durée d'impulsion est d'environ 45 picosecondes, ce qui correspond à un facteur de réduction de 16. 10 Ce facteur de réduction est beaucoup plus important que les facteurs de réduction qui avait pu être reporté dans les publications concernant l'association d'une fibre biréfringente et d'un laser multimode. 15 Dans le cadre de l'invention, les impulsions obtenues en sortie du dispositif 1 sont donc courtes par rapport aux impulsions obtenues en sortie du laser impulsionnel polarisé 10, qui, en comparaison, génère des impulsions longues. Le rapport entre les impulsions courtes et les impulsions longues peut être environ de un à plus de dix. 20 11 REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) pour générer des impulsions courtes, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : un laser impulsionnel polarisé (10, 2, 3) ayant une direction de polarisation ; - une fibre optique biréfringente (6) ayant des axes de biréfringence, ladite direction de polarisation n'étant pas colinéaire auxdits axes de biréfringence ; - un polariseur de sortie (9) positionné en sortie de ladite fibre, ledit polariseur étant apte à sélectionner une polarisation en sortie de ladite fibre ; dans lequel ledit laser impulsionnel est un laser quasi-monomode longitudinalement. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ledit laser impulsionnel est un laser déclenché. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ledit laser impulsionnel (10, 2, 3) comprend un laser impulsionnel non polarisé (2) et un polariseur d'entrée (3). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre une lame demi-onde (4) positionnée entre le laser impulsionnel et la fibre, et agencé de sorte que la direction de polarisation de l'onde laser en sortie de ladite lame demi-onde ne soit pas colinéaire auxdits axes de biréfringence. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant des boucles de Lefèbvre positionnées en entrée de fibre et agencé de sorte que la direction de polarisation de l'onde laser en sortie desdites boucles ne soit pas colinéaire auxdits axes de biréfringence de la fibre. 12 2909229 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel ledit laser impulsionnel polarisé est agencé par rapport à ladite fibre de sorte que ladite direction de polarisation ne soit pas colinéaire auxdits axes de biréfringence. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit laser impulsionnel polarisé est apte à émettre une impulsion laser à une longueur d'onde d'émission, et ladite fibre est une fibre monomode transverse à ladite longueur d'onde d'émission. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite fibre est telle que la longueur d'onde de zéro de dispersion de ladite fibre est supérieure à ladite longueur d'onde d'émission. 15 9. Procédé de génération d'impulsions courte comprenant des étapes dans lesquelles : on fournit un dispositif (1) selon l'une quelconques des revendications précédentes ; - le laser impulsionnel polarisé (10, 2, 3) génère des impulsions 20 longues ; - les impulsions longues sont découpées dans la fibre optique biréfringente (6) de sorte à générer les impulsions courtes; - on récupère les impulsions courtes en sortie du polariseur de sortie (9). 25 10. Procédé de génération d'impulsions courtes selon la revendication 9, dans lequel, la durée d'impulsion des impulsions courtes est 10 à 16 fois plus courtes que la durée d'impulsion des impulsions longues. 5 10 30