Brevet FR2900247A1 — publié le 20071026

La présente invention concerne un dispositif pour la programmation en amplitude et en phase d'impulsions lumineuses longues à bande spectrale étroite à partir d'un modulateur d'impulsions lumineuses brèves à large bande spectrale. 15 Elle a plus particulièrement pour objet l'adaptation d'un façonneur programmable d'impulsions lumineuses ultra brèves à large bande spectrale, à des impulsions lumineuses longues à bande spectrale étroite. D'une façon générale, on sait que les façonneurs d'impulsions laser ultra 20 brèves à large bande spectrale tels que les masques ou filtres programmables spatiaux (ex : cristaux liquides) placés dans le plan focal d'une ligne à retard optique à dispersion nulle et les filtres acousto-optiques dispersifs programmables, façonnent les impulsions dans le domaine spectral en modifiant, de manière programmable, l'amplitude et la phase de chaque 25 fréquence (ou de chaque longueur d'onde) contenue dans la bande spectrale des impulsions. Ceci permet un façonnage sur une échelle de temps allant de la femtoseconde à quelques picosecondes. Quant aux modulateurs temporels électro-optiques, tels les interféromètres de 30 Mach-Zehnder programmables, réalisés en optique intégrée, ils ne permettent 1 2900247 -2- de façonner, dans le temps, que des impulsions longues de l'ordre de quelques nanosecondes à bande spectrale très étroite. Pour des temps de programmation intermédiaires compris entre 10 picosecondes et 10 nanosecondes environ, il n'existe pas de système de façonnage programmable d'impulsions laser, les systèmes spectraux ne présentant pas une excursion de programmation temporelle suffisante et les systèmes temporels ne présentant pas une bande passante de programmation suffisante. L'objet de l'invention a donc plus particulièrement pour but de combler cette lacune en proposant un dispositif d'adaptation d'un façonneur programmable d'impulsions lumineuses ultra brèves à large bande spectrale, à des impulsions lumineuses longues à bande spectrale étroite, dont la durée est comprise entre 10 picosecondes et 10 nanosecondes. La présente invention consiste à insérer un façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale entre deux mélangeurs optiques non linéaires, un dispositif de dispersion linéaire étant placé en amont du premier mélangeur et les impulsions lumineuses longues, à bande spectrale étroite, portant la modulation, en amplitude et en phase, introduite par le susdit façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale, étant obtenues à la sortie du deuxième mélangeur optique non linéaire. L'invention propose à cet effet un dispositif pour l'adaptation d'un façonneur programmable d'impulsions lumineuses ultra brèves à large bande spectrale, à des impulsions lumineuses longues à bande spectrale étroite, comprenant : une source laser d'impulsions ultra brèves à large bande spectrale, un dispositif de dispersion des impulsions ultra brèves issues de la susdite source laser, 2900247 -3- un premier mélangeur optique non linéaire pour mélanger les impulsions longues modulées issues du susdit dispositif de dispersion avec des signaux longs quasi monochromatiques issus d'un laser de pompe à fréquence pure, 5 - un façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale placé sur une première voie du signal émergeant du susdit premier mélangeur optique non linéaire à la fréquence de la susdite source laser d'impulsions ultra brèves, un second mélangeur optique non linéaire pour mélanger la voie issue 10 du susdit façonneur et une seconde voie émergeant du susdit premier mélangeur optique non linéaire à une fréquence correspondant à la différence ou à la somme des fréquences respectivement du susdit laser de pompe à fréquence pure et de la susdite source laser d'impulsions brèves. 15 Ainsi, le signal de sortie du susdit second mélangeur optique non linéaire est un signal dont la fréquence centrale est égale à celle du susdit laser de pompe ; la durée de ce signal de sortie est égale à la durée d'allongement en sortie du susdit dispositif de dispersion ; la bande spectrale de ce signal de sortie est la 20 bande spectrale résultante donnée par la bande spectrale des susdites impulsions longues issues du dispositif de dispersion affectée du rapport des durées correspondant d'une part à la durée selon laquelle on peut moduler, en amplitude et en phase, une impulsion à l'aide du susdit façonneur, et d'autre part à la durée d'allongement en sortie clu susdit dispositif de dispersion. 25 Par conséquent, ce signal de sortie qui n'est plus modulé linéairement en fréquence dans la bande spectrale des impulsions issues de la source laser d'impulsions brèves, porte, dans la bande spectrale réduite, précédemment définie, la modulation, en amplitude et en phase, introduite par le susdit 30 façonneur d'impulsions lumineuses à large bande. La fréquence de la susdite seconde voie émergeant du premier mélangeur optique non linéaire, correspond à la différence ou à la somme des fréquences, respectivement du susdit laser de pompe à fréquence quasi-monochromatique et de la susdite source laser d'impulsions lumineuses brèves. En effet, lorsque la fréquence du susdit laser de pompe est supérieure à la fréquence de la source laser d'impulsions brèves, la fréquence de la seconde voie émergeant du premier mélangeur correspond à la différence des fréquences respectivement du susdit laser de pompe à fréquence quasi-monochromatique et de la susdite source laser d'impulsions lumineuses brèves ; dans ce cas, la pente de modulation des impulsions longues est de signe contraire à celle des impulsions longues injectées dans le premier mélangeur par la source laser d'impulsions brèves. Réciproquement, la fréquence de la seconde voie émergeant du premier mélangeur correspond à la somme des fréquences respectivement du susdit laser de pompe à fréquence quasi-monochromatique et de la susdite source laser d'impulsions lumineuses brèves, si la fréquence du susdit laser de pompe est inférieure à la fréquence de la source laser d'impulsions brèves ; dans ce cas, la pente de modulation des impulsions longues est de même signe que celle des impulsions longues injectées dans le premier mélangeur par la source laser d'impulsions brèves. Avantageusement, le susdit dispositif de dispersion des impulsions ultra 25 brèves issues de la source laser pourra être une fibre optique dispersive ou une paire de réseaux optiques parallèles. Avantageusement, le susdit façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale pourra être un modulateur spatial d'amplitude et de phase placé dans 30 le plan focal d'une ligne à retard optique à dispersion nulle dite ligne 4-f, ou il pourra être également un filtre acousto-optique dispersif programmable. 2900247 -5- 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 une 5 première version de l'invention, La figure 2 est un diagramme temps/fréquence correspondant à la première version de l'invention, La figure 3 est une représentation schématique du dispositif selon une deuxième version de l'invention, et 10 La figure 4 est un diagramme temps/fréquence correspondant à la deuxième version de l'invention. Dans l'exemple représenté sur la figure 1 : une source laser 1 d'impulsions ultra brèves à large bande spectrale 15 délivre des signaux à la fréquence vl, de bande spectrale B1 et de durée brève voisine de 1/B1, - en aval de la susdite source laser 1, un dispositif de dispersion 2 des impulsions ultra brèves issues de la source laser 1, lequel dispositif de dispersion 2 délivre des signaux à la fréquence vl, de bande spectrale B1 20 et de durée T2, - en aval du susdit dispositif de dispersion 2, un premier mélangeur optique non linéaire 4, lequel mélangeur 4 effectue le mélange des impulsions longues issues du susdit dispositif de dispersion 2 avec des signaux longs quasi monochromatiques de durée To supérieure à T2 issus d'un laser de pompe 3 à fréquence pure v2, la fréquence de pompage v2 étant supérieure à la fréquence vl de la source laser 1, - en aval du susdit premier mélangeur optique non linéaire 4, un façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale 5 placé sur une première voie V1 du signal émergeant du susdit premier mélangeur optique non linéaire 4 à la fréquence vl de la susdite source laser d'impulsions ultra brèves 1, en aval du susdit façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale 5, un second mélangeur optique non linéaire 6, lequel mélangeur 6 effectue le mélange des impulsions longues de fréquence vl, de durée T2 issues du susdit façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale 5, et des impulsions émergeant selon la voie V2 du susdit premier mélangeur optique 4 de fréquence v3 = v2 ù VI. Ainsi, en sortie du susdit second mélangeur optique non linéaire 6, le signal de sortie est un signal de fréquence v2, de bande spectrale B2 et de longueur T2 qui n'est plus modulé linéairement en fréquence dans la bande B1, mais porte, dans la bande B2, la modulation, en amplitude et en phase, introduite par le façonneur d'impulsions lumineuses à large bande. Si T1 est le temps sur lequel on peut moduler en amplitude et en phase, une impulsion lumineuse de bande B1 à l'aide du façonneur d'impulsions à large bande, le nombre de points de programmation indépendants est : N = B1T1. La quantité d'information, et donc ce nombre de points, étant conservés dans le dispositif représenté sur la figure 1, la bande de modulation résultante B2 est donnée par : B2 = B1T1/T2. Cette bande est beaucoup plus étroite que B1, puisque T2 est de l'ordre de la nanoseconde alors que T1 est de l'ordre de la picoseconde. La capacité de modulation du façonneur d'impulsions brèves à large bande a donc été transférée à des signaux longs à bande étroite. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, un diagramme temps/fréquence correspondant à la première version de l'invention, indique schématiquement la bande spectrale des signaux lumineux et leur durée aux trois susdites fréquences précédemment citées, à savoir vl, v2, v3, correspondant respectivement aux signaux lumineux de la source laser 1, de la source laser 3 et en sortie du premier mélangeur 4 selon la susdite voie V2. Ainsi, les impulsions lumineuses ultra brèves à large bande spectrale issues de la susdite source laser 1 ont une fréquence vl, une bande spectrale large B1, et une durée ultra courte de l'ordre de 1/B1. Les impulsions lumineuses issues du susdit dispositif de dispersion ont une fréquence vl, une bande spectrale large B1, une durée allongée T2 et une pente croissante (ou décroissante) de modulation de la fréquence en fonction du temps. Les impulsions lumineuses longues quasi monochromatiques issues de la 10 susdite source laser 3 ont une fréquence v2 supérieure à la fréquence vl et une durée longue T'o supérieure à T2. Les impulsions lumineuses issues du susdit premier mélangeur optique 4, selon la voie V2, ont une fréquence v3, égale à v2 ù vl, une bande spectrale 15 large B 1, et une durée T2. A la sortie du susdit dispositif de dispersion, la pente de modulation du signal optique, issu du laser 1, à la fréquence vl, de bande spectrale B1, de durée T2 étant croissante (ou décroissante), la pente de modulation du signal optique, 20 issu du premier mélangeur optique 4 selon la voie V2, à la fréquence v3, de bande spectrale B 1, de durée T2, sera décroissante (ou croissante). Dans l'exemple représenté sur la figure 3 : une source laser 1 d'impulsions ultra brèves à large bande spectrale 25 délivre des signaux à la fréquence vl, de bande spectrale B1 et de durée brève voisine de 1/B1, en aval de la susdite source laser 1, un dispositif de dispersion 2 des impulsions ultra brèves issues de la source laser 1, lequel dispositif de dispersion 2 délivre des signaux à la fréquence vl, de bande spectrale B1 30 et de durée T2, -8 en aval du susdit dispositif de dispersion 2, un premier mélangeur optique non linéaire 4, lequel mélangeur 4 effectue le mélange des impulsions longues issues du susdit dispositif de dispersion 2 avec des signaux longs quasi monochromatiques de durée To supérieure à T2 issus d'un laser de pompe 3 à fréquence pure v2, la fréquence de pompage v2 étant inférieure à la fréquence vl de la source laser 1, en aval du susdit premier mélangeur optique non linéaire 4, un façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale 5 placé sur une première voie V 1 du signal émergeant du susdit premier mélangeur optique non linéaire 4 à la fréquence vl de la susdite source laser d'impulsions ultra brèves 1, en aval du susdit façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale 5, un second mélangeur optique non linéaire 6, lequel mélangeur 6 effectue le mélange des impulsions longues de fréquence vl, de durée T2 issues du susdit façonneur d'impulsions lumineuses à large bande spectrale 5, et des impulsions émergeant selon la voie V2 du susdit premier mélangeur optique 4 de fréquence v3 = v2 + v1. Ainsi, en sortie du susdit second mélangeur optique non linéaire 6, le signal de sortie est un signal de fréquence v2, de bande spectrale B2 et de longueur T2 qui n'est plus modulé linéairement en fréquence dans la bande B1, mais porte, dans la bande B2, la modulation, en amplitude et en phase, introduite par le façonneur d'impulsions lumineuses à large bande. Si T, est le temps sur lequel on peut moduler en amplitude et en phase, une impulsion lumineuse de bande B1 à l'aide du façonneur d'impulsions à large bande, le nombre de points de programmation indépendants est : N = B1T1. La quantité d'information, et donc ce nombre de points, étant conservés dans le dispositif représenté sur la figure 1, la bande de modulation résultante B2 est donnée par : B2 = B1TI/T2. Cette bande est beaucoup plus étroite que B 1, puisque T2 est de l'ordre de la nanoseconde alors que T1 est de l'ordre de la picoseconde. La capacité de modulation du façonneur d'impulsions brèves à large bande a donc été transférée à des signaux longs à bande étroite. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, un diagramme temps/fréquence correspondant à la deuxième version de l'invention, indique schématiquement la bande spectrale des signaux lumineux et leur durée aux trois susdites fréquences précédemment citées, à savoir v1, v2, v3, correspondant respectivement aux signaux lumineux de la source laser 1, de la source laser 3 et en sortie du premier mélangeur 4 selon la susdite voie V2. Ainsi, les impulsions lumineuses ultra brèves à large bande spectrale issues de la susdite source laser 1 ont une fréquence vl, une bande spectrale large B1, et 15 une durée ultra courte de l'ordre de 1/B1. Les impulsions lumineuses issues du susdit dispositif de dispersion ont une fréquence vl, une bande spectrale large B1, une durée allongée T2 et une pente croissante (ou décroissante) de modulation de la fréquence en fonction du 20 temps. Les impulsions lumineuses longues quasi monochromatiques issues de la susdite source laser 3 ont une fréquence v2 inférieure à la fréquence vl et une durée longue To supérieure à T2. Les impulsions lumineuses issues du susdit premier mélangeur optique 4, selon la voie V2, ont une fréquence v3, égale à v2 + v1, une bande spectrale large B1, et une durée T2. 30 A la sortie du susdit dispositif de dispersion, la pente de modulation du signal optique, issu du laser 1, à la fréquence v1, de bande spectrale B1, de durée T2 25 2900247 - 10- étant croissante (ou décroissante), la pente de modulation du signal optique, issu du premier mélangeur optique 4 selon la voie V2, à la fréquence v3, de bande spectrale BI, de durée T2, sera également croissante (ou décroissante). 5 Ainsi, le signal de sortie du second mélangeur optique non linéaire 6 est un signal dont la fréquence centrale v2 est équivalente à celle du laser de pompe 3 ; la durée de ce signal de sortie est égale à la durée T2 d'allongement en sortie du susdit dispositif de dispersion 2 ; la bande spectrale B2 de ce signal de sortie est la bande spectrale résultante donnée par la bande spectrale B I des 10 susdites impulsions longues issues du dispositif de dispersion 2 affectée du rapport T1/T2 des durées correspondant d'une part à la durée TI selon laquelle on peut moduler, en amplitude et en phase, une impulsion à l'aide du façonneur 5, et d'autre part à la durée d'allongement T2 en sortie du dispositif de dispersion 2. La capacité de modulation du façonneur 5 d'impulsions brèves à large bande a donc été transférée à des signaux longs à bande étroite. Revendications 1. Dispositif pour l'adaptation d'un façonneur programmable d'impulsions lumineuses ultra brèves à large bande spectrale, à des impulsions lumineuses longues à bande spectrale étroite, caractérisé en ce qu'il comprend : une source laser (1) d'impulsions ultra brèves à large bande spectrale, un dispositif de dispersion (2) des impulsions ultra brèves issues de la susdite source laser (1), un premier mélangeur optique (4) non linéaire pour mélanger les impulsions longues modulées issues du susdit dispositif de dispersion (2) avec des signaux longs quasi monochromatiques issus d'un laser de pompe (3) à fréquence pure, un façonneur d'impulsions lumineuses (5) à large bande spectrale placé sur une première voie (V1) du signal émergeant du susdit premier mélangeur optique (4) non linéaire à la fréquence de la susdite source laser (1) d'impulsions ultra brèves, un second mélangeur optique (6) non linéaire pour mélanger la voie issue du susdit façonneur (5) et une seconde voie (V2) émergeant du susdit premier mélangeur optique (4) non linéaire à une fréquence correspondant à la différence ou à la somme des fréquences respectivement susdit laser de pompe (3) à fréquence pure et de la susdite source laser (1) d'impulsions brèves. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de la susdite seconde voie (V2) émergeant du premier mélangeur optique (4) correspond à la différence des fréquences respectivement du susdit laser de pompe (3) à fréquence pure et de la susdite source laser (1) d'impulsions lumineuses brèves, si la fréquence du susdit laser de pompe (3) est supérieure à la fréquence de la source laser (1) d'impulsions brèves. 2900247 - 12 - 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de la susdite seconde voie (V2) émergeant du premier mélangeur optique (4) correspond à la somme des fréquences 5 respectivement du susdit laser de pompe (3) à fréquence pure et de la susdite source laser (1) d'impulsions lumineuses brèves, si la fréquence du susdit laser de pompe (3) est inférieure à la fréquence de la source laser (1) d'impulsions brèves. 10 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit dispositif de dispersion (2) des impulsions ultra brèves issues de la source laser (1) est une fibre optique dispersive. 5. Dispositif selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que le susdit dispositif de dispersion (2) des impulsions ultra brèves issues de la source laser (1) est une paire de réseaux optiques. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit façonneur (5) d'impulsions lumineuses à large 20 bande spectrale est un modulateur spatial d'amplitude et de phase placé dans le plan focal d"une ligne à retard optique non dispersive dite ligne 4-f. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit façonneur (5) d'impulsions lumineuses à large 25 bande spectrale est un filtre acousto-optique dispersif programmable.