Brevet FR2906898A1 — publié le 20080411

DISPOSITIF DE COMPENSATION AJUSTABLE DE RETARD PUPILLAIRE DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention a trait à un dispositif permettant de compenser le retard pupillaire ayant lieu lors de la propagation d'impulsions lumineuses brèves, en particulier dans des appareils laser. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'amplification d'une impulsion brève dans une chaîne laser provoque différentes distorsions du paquet d'ondes. On s'intéresse ici aux distorsions 15 particulières associées à l'utilisation de lentilles pour la propagation du faisceau laser. En effet, les lentilles sont des composants optiques couramment utilisées dans une chaîne laser, par exemple pour augmenter la taille du faisceau, pour filtrer les 20 fréquences spatiales indésirables et pour transporter l'image d'un plan. Dans la plupart des cas, on utilise des systèmes afocaux constitués de deux lentilles. Une difficulté supplémentaire apparaît lorsque le diamètre du faisceau laser devient 25 important. Dans ce cas, les différences d'épaisseur de verre constatées du centre au bord d'une lentille créent une distorsion particulière liée à un terme de retard de propagation entre le rayon central et les rayons de la périphérie du faisceau. Cette distorsion a 30 pour principal effet de retarder l'énergie lumineuse du 10 2906898 2 centre du paquet d'ondes par rapport à l'énergie de la périphérie. Dans les chaînes dites femtosecondes de forte énergie, ce retard est souvent du même ordre de grandeur que la durée de l'impulsion. On précise qu'une chaîne femtoseconde délivre des impulsions lumineuses de quelques dizaines de femtosecondes (1 fs = 10-15s) et une énergie de quelques joules (pour les lasers de cent Térawatts) à quelques dizaines de joules (pour les lasers Pétawatt). Le problème des chaînes femtosecondes est qu'à cause du retard, la cible matérielle qui reçoit au final l'énergie du paquet d'ondes focalisé en fin de chaîne est éclairée durant un temps supérieur à la durée de l'impulsion. En conséquence, le chauffage instantané de la cible est rapidement moins efficace et l'intensité crête du confinement, exprimée en watts par cm2 n'est plus optimisée. Il est donc important de pouvoir corriger le retard apparaissant dans ces chaînes laser afin d'obtenir des impulsions brèves à forte énergie ayant le minimum de défauts. C'est en 1988 que furent calculés pour la première fois, par Bor (document [1]), les effets spatio-temporels créés par l'utilisation de lentilles. Ces effets se décomposent en un terme de dispersion de vitesse de groupe et un terme de retard de propagation (retard pupillaire). Les distorsions induites sur l'impulsion lumineuse par le retard pupillaire sont prépondérantes non seulement dans les chaînes lasers, mais aussi dans les systèmes de microscopie dans lesquels des optiques de forte ouverture sont nécessaires, et dans l'instrumentation de 2906898 3 caractérisation des lasers ultra-brefs (tels que les autocorrélateurs et les spiders utilisant des lentilles). Bor démontra que l'effet du retard pupillaire sur l'élargissement temporel de l'impulsion 5 pouvait être deux à trois fois plus grand que l'élargissement temporel induit par la dispersion des vitesses de groupe. Une impulsion lumineuse peut être décrite comme étant un paquet d'ondes constitué d'une porteuse 10 1, qui oscille à la fréquence de l'onde, multipliée par une fonction enveloppe 2. Une impulsion lumineuse est illustrée sur la figure 1. La porteuse et l'enveloppe ne se propagent pas à la même vitesse dans un milieu optique. En effet, 15 la porteuse se déplace à la vitesse de phase v,p de l'onde et l'enveloppe se déplace à la vitesse de groupe vg. Nous avons ainsi, dans un milieu dispersif d'indice n, les relations suivantes v,p = X.v= c/no et vg = v~ - X. (dv,p/dX) où a, est la longueur d'onde moyenne dans le milieu, v la fréquence de l'onde, c la vitesse de la lumière dans le vide et no l'indice à la longueur d'onde moyenne Xo dans le vide (X = Xo/no). A noter que 1/vg peut s'écrire en fonction des paramètres du milieu et de la longueur d'onde moyenne X0 : 1/vg = no/c û nu.Xo/c où nu = (dn/dX) Xo 20 25 2906898 4 Le faisceau propageant l'impulsion incidente est représenté sur la figure 2 par cinq rayons lumineux. Le faisceau lumineux traverse ici une lentille convergente et les cinq rayons incidents 5 convergent au foyer F de la lentille. Comme la lentille est convergente, les deux rayons périphériques traversent une faible épaisseur de verre et atteignent les premiers le foyer F. Le rayon central, qui traverse la plus grande épaisseur de 10 verre, arrive au foyer F avec un retard 8. Les deux rayons moyens arrivent au foyer avec un retard intermédiaire. Nous observons que le front de phase est représenté en amont de la lentille par le plan P et en 15 aval par l'arc de cercle C, dont le centre est situé au niveau du foyer F. La phase de l'onde est donc véhiculée jusqu'au foyer F de la lentille sans déformation, alors que l'énergie transportée par l'impulsion, représentée par l'arc de cercle E, 20 présente une distorsion sensible par rapport au front de phase. Nous noterons que pour une lentille divergente, le retard 8 serait inversé et le rayon central serait cette fois-ci en avance par rapport aux 25 autres rayons. Le retard pupillaire 8 se calcule à partir de la formule suivante : 8 = (3.T. (h2/2f) Nous allons expliquer comment cette formule 30 est obtenue. 2906898 5 Pour cela et afin d'éviter des calculs compliqués, la figure 3 présente une lentille plan-convexe mince dont l'orientation par rapport au faisceau est choisie uniquement pour clarifier la 5 présentation. Dans cette figure, R est le rayon de courbure de la face convexe de la lentille et no représente l'indice du milieu à la longueur d'onde lumineuse moyenne. Selon le principe de Fermat, le chemin 10 optique effectivement suivi par la lumière entre deux points est stationnaire. Cela signifie que tous les trajets optiques des rayons partant du plan équi-phase P et allant au foyer F sont identiques. Nous avons donc nécessairement: 15 HF = OS + SF no .x + SF = no.x + f où f représente la distance focale de la lentille. 20 Pour cette lentille mince, nous avons les relations suivantes . R= (noû 1).f et x = h2/2R Le retard pupillaire entre les rayons 25 périphériques et le rayon central est donc le suivant : 8 = (HFùf) /c ù (x/vg) = (no.x/c) ù x. (no/c ù nu.Xo/c) = (na/ (no-1)) . Xo.h2/2c.f En posant R = n2/ (no-1) (terme dispersif) et 30 T = Xo/c (période de l'onde), l'expression de 8 est alors . 2906898 6 8 = (3.T. (h2/2f) On peut remarquer que le retard pupillaire 8 possède une symétrie axiale. En effet, tous les rayons périphériques se propageant sur une ouverture de 5 rayon h possèdent le même retard 8 par rapport au rayon central. Dans une lentille convergente, le retard pupillaire 8 est négatif grâce au terme de dispersion P. Le retard 8 dans une lentille convergente est alors 10 une avance temporelle. Inversement, le retard pupillaire 8 sera positif dans une lentille divergente et les rayons périphériques possèderont un réel retard par rapport au rayon central. 15 Nous noterons que le retard temporel bT total d'une chaîne est la somme de tous les retards algébriques des lentilles présentes. Ainsi par exemple, pour un système afocal de grandissement axial de -1 constitué de deux lentilles minces, convergentes et 20 identiques, de focale f, le retard pupillaire est de 28, soit (3.T.h2/f. Les lentilles minces (convergentes ou divergentes) sont généralement réalisées dans un matériau tel que le verre ou la silice. C'est pourquoi 25 les lentilles minces sont également appelées lentilles réfractives. C'est pour cette raison que le retard pupillaire et le terme dispersif des lentilles réfractives sont repérés ci-dessous par l'indice r (Vr et (3r) 2906898 7 Ainsi, pour une lentille mince en verre BK7 conventionnel d'indice no = 1,5068, nous avons, à la longueur d'onde de 1053 nm (la période T d'une onde à 1053 nm étant de 3,5 fs), na, = -1,33.10-5 nm-1 et Pr = 5 262 cm-1. Pour une lentille mince en silice d'indice no = 1,45, utilisée à la même longueur d'onde, nous avons n2. = -1,22.10-5 nm-1 et Pr = - 271 cm-l. Les composants qui utilisent la diffraction 10 d'un réseau pour assurer la convergence ou la divergence des faisceaux lumineux sont qualifiés de lentilles diffractives. Les lentilles diffractives sont par exemple réalisées en gravant une densité déterminée de traits sur la face d'un dioptre. Si cette gravure 15 est réalisée sur une face d'une lame à faces planes et parallèles, le retard pupillaire et le terme dispersif de ces lentilles diffractives sont repérés par l'indice d et sont les suivants : bd = Rd T (h2/2f) avec Rd = 1/X0 20 Nous constatons que le terme dispersif 3d ne dépend que de la longueur d'onde et que son signe est inverse de celui d'une lentille réfractive. Si cette gravure est réalisée sur l'une des faces d'une lentille réfractive alors le retard 25 pupillaire s'écrira comme la somme des retards pupillaires des parties réfractives et diffractives respectivement. Nous montrerons par la suite que la contribution réfractive est en pratique négligeable et le retard pupillaire s'écrit comme précédemment. 30 Les chercheurs ont mis en oeuvre diverses solutions pour compenser le retard pupillaire. Ces 2906898 8 solutions sont celles couramment mises en oeuvre pour la correction de chromatisme longitudinal, c'est-à-dire par exemple le remplacement des lentilles par des doublets achromatiques, l'insertion de réseau dont la 5 dispersion est inverse de celle d'un élément réfractif... Cependant, de récents travaux (document [2]) ont démontré que pour une utilisation dans un laser de puissance avec un fort retard à compenser (c'est-à-dire de quelques ps), seules les solutions 10 diffractives sont viables. Les solutions pour compenser le retard pupillaire sont donc encore restreintes. Le principal inconvénient des solutions actuelles est leur caractère statique. En effet, une fois que le retard à compenser a été évalué et que le 15 système de correction a été dimensionné et implanté dans le système optique, la correction est figée. Ainsi, s'il reste un retard à compenser, qu'il soit dû à une imperfection de l'évaluation précédente ou de la fabrication de l'élément compensateur, ou qu'il soit dû 20 à une modification du schéma optique du système optique à compenser (par exemple une chaîne laser), le retard résiduel ne peut être corrigé que par un changement du ou des éléments optiques de compensation. Le but de l'invention consiste à fournir un 25 dispositif de compensation ajustable. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but et d'autres encore sont atteints, conformément à l'invention par un dispositif de 30 compensation de retard pupillaire destiné à être inséré sur le chemin optique d'un faisceau convergent ou 2906898 9 divergent dans une position réglable sur l'axe de propagation dudit faisceau de manière à ajuster la compensation d'un retard pupillaire de symétrie axiale dudit faisceau, le dispositif étant composé d'un 5 système afocal comprenant un ou plusieurs composants optiques passifs disposés sur l'axe de propagation du faisceau, au moins un desdits composants étant un composant diffractif focalisant. Par ailleurs, on entend par système 10 afocal un système qui, éclairé par un faisceau de rayons parallèles, délivre un autre faisceau de rayons parallèles. On appelle grandissement le rapport algébrique du diamètre du faisceau de rayons parallèles 15 de sortie sur celui du diamètre du faisceau de rayons parallèles d'entrée. Avantageusement, le composant diffractif focalisant est un composant diffractif de phase ou un composant diffractif de volume. 20 Avantageusement, le composant diffractif focalisant est choisi parmi une lentille diffractive, une lentille de Fresnel diffractive, un réseau de diffraction ou similaires. Avantageusement, les composants optiques 25 passifs sont des lentilles et sont choisis de telle sorte que : - le système est afocal et présente un grandissement de 1 et - au moins une des lentilles est 30 diffractive. 2906898 10 Selon un mode de réalisation, le système afocal du dispositif de compensation est constitué de deux lentilles possédant la même valeur absolue de focale fo, une lentille convergente et une lentille 5 divergente, l'une des lentilles étant réfractive et l'autre lentille étant diffractive. Les dispositifs de compensation selon l'invention peuvent être insérés sur tout type de faisceau convergent ou divergent, dans une position 10 réglable sur l'axe de propagation pour ajuster une parfaite compensation du retard pupillaire de symétrie axiale. Les dispositifs selon l'invention peuvent ainsi être utilisés dans une chaîne laser. Le dispositif selon l'invention fournit une 15 solution simple et originale pour apporter un retard ajustable du paquet d'ondes afin de compenser le retard qui apparaît entre le rayon central et les rayons périphériques lors de la propagation d'une impulsion brève dans une chaîne femtoseconde contenant des 20 lentilles. Cette compensation optimise le confinement du champ électromagnétique sur la cible. On notera que ce retard, de symétrie axiale, varie comme le carré de la dimension spatiale transverse du paquet et peut 25 également être vu comme étant un chromatisme longitudinal. On le qualifie dans cette description de retard pupillaire . Le retard pupillaire intrinsèque du dispositif est égal à la somme algébrique des retards 30 des composants optiques constituant le système afocal du dispositif. Si le système afocal du dispositif ne 2906898 11 comporte qu'un seul composant optique, il s'agira dans ce cas d'une lentille diffractive de puissance nulle et le retard pupillaire du dispositif sera égal au retard pupillaire de la face diffractive de la lentille, 5 auquel s'ajoute le retard pupillaire de la lentille réfractive sur lequel la fonction diffractive est réalisée. Si le système afocal comporte plusieurs composants optiques, le retard pupillaire sera la somme des retards pupillaires desdits composants optiques, au 10 moins un des composants étant diffractif. L'avantage du dispositif selon l'invention est qu'il permet de corriger de façon ajustable le retard pupillaire axial, et donc le chromatisme axial, d'un montage optique par le seul ajustement de la 15 position dudit dispositif dans le montage. Le dispositif selon l'invention peut s'introduire dans toute installation optique où le retard pupillaire constitue la baisse principale de performance. Il peut compenser tout type de retard avec une excellente 20 précision. L'invention concerne également un procédé d'ajustement de la compensation de retard pupillaire d'un faisceau convergent ou divergent, comprenant les 25 étapes consistant à : - placer un dispositif composé d'un système afocal comprenant un ou plusieurs composants optiques passifs disposés sur l'axe de propagation dudit faisceau, au moins un desdits composants étant un 30 composant diffractif focalisant, 2906898 12 - déplacer le dispositif selon l'axe de propagation du faisceau jusqu'à obtenir la compensation de retard pupillaire souhaitée, ladite compensation étant la somme algébrique des retards pupillaires de 5 chaque composant optique passif du système afocal et étant comprise dans une gamme de valeurs dont les bornes sont fonctions de la combinaison particulière des composants optiques choisis pour former le système afocal du dispositif de compensation. 10 Selon un mode de réalisation, le système afocal est composé d'un ensemble de lentilles, au moins une des lentilles étant diffractive, le système afocal présentant un grandissement de 1. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins 20 annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente une impulsion lumineuse, - la figure 2 illustre le retard pupillaire subi par une impulsion lumineuse après son passage à 25 travers une lentille, - la figure 3 illustre la différence de distance parcourue par un faisceau central et par un faisceau périphérique à travers une lentille plan-convexe mince, 30 - la figure 4 représente un premier montage incluant le dispositif d'ajustement selon l'invention, 2906898 13 - la figure 5 représente un second montage incluant le dispositif d'ajustement selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 5 Dans le cas d'un dispositif de compensation constitué d'une lentille diffractive convergente Ld de focale +fo et d'une lentille réfractive divergente Lr de focale -fo, le retard pupillaire intrinsèque est bo tel que : 10 So (3d.T. (h2/2fo) + Rr.T. (h2/2fo) .T. (h2/2fo) Dans ce mode de réalisation, nous ne prenons en compte que le retard pupillaire intrinsèque 8(x) calculés pour une ouverture h (x) et induit par la 15 lentille diffractive Ld du dispositif d'ajustement. En effet, le rapport Rd/Pr entre le terme dispersif d'une lentille diffractive et d'une lentille réfractive est de l'ordre de 35. Ainsi, pour une ouverture donnée, lorsque les deux types de lentilles sont présents, on 20 peut négliger le retard pupillaire d'une lentille réfractive devant celui d'une lentille diffractive. Le déplacement du dispositif de compensation dans le faisceau, qu'il soit convergent comme divergent, modifie la hauteur h et donc le retard 25 pupillaire intrinsèque du dispositif. Le pouvoir compensateur du dispositif est donc ajustable. Par exemple, à 1053 nm, pour une ouverture numérique de focale fo/5 (fo est 5 fois plus grande que le diamètre 2h du faisceau laser), exprimé en fs, est de l'ordre de 30 +166.fo (où fo est exprimée en cm). Ainsi, pour une 2906898 14 focale fo de 20 cm, bo est de +3,32 ps. Le retard est ici capable de compenser une avance globale apportée par les lentilles réfractives de la chaîne de 3, 32 ps. 5 Nous allons à présent donner quelques exemples non limitatifs de montages optiques dans lesquels le dispositif d'ajustement selon l'invention est inséré. Le premier montage est un système afocal de 10 grandissement axial +1 et est représenté dans la figure 4. Il comprend deux lentilles convergentes et réfractives Lr1 et Lr2 de même longueur focale f et distantes de 2f, et un dispositif d'ajustement du retard constitué d'une lentille convergente diffractive 15 Ld et d'une lentille divergente réfractive Lr. Le dispositif d'ajustement est inséré entre les lentilles Lr1 et Lr2. Le dispositif d'ajustement est disposé à une distance x de la lentille Lr1. Cette distance x est 20 le paramètre d'ajustement. Le retard pupillaire intrinsèque du dispositif est égal à la somme algébrique des retards du ou des composants constituant le système afocal de puissance optique nulle. Dans ce mode de réalisation, 25 nous ne prenons en compte que le retard pupillaire intrinsèque 8(x) calculés pour une ouverture h(x) et induit par la lentille diffractive Ld du dispositif d'ajustement. En effet, comme nous l'avons vu précédemment, on peut négliger le retard pupillaire 30 d'une lentille réfractive devant celui d'une lentille diffractive. 2906898 15 80 = Rd T (h2/2fo) et 8(x) = Rd• T . (h2 (x) /2fo) avec h(x)=h.[1-(x/f)] Le retard calculé 8(x) pour la position x 5 s'exprime alors par : 8(x) = So. (1-x/f)2 La distance x est le paramètre d'ajustement. Le retard pouvant être corrigé par le 10 dispositif selon l'invention est encadré par deux valeurs extrêmes . 80. (1-xmax/f)2 8 (x) 6o Admettons que la valeur maximum de x, notée xmax, soit f/4 (pour des raisons de flux). Dans ces 15 conditions, 8(x) varie entre : (9/16).80 REVENDICATIONS 1. Dispositif de compensation de retard pupillaire destiné à être inséré sur le chemin optique d'un faisceau convergent ou divergent dans une position réglable sur l'axe de propagation dudit faisceau de manière à ajuster la compensation d'un retard pupillaire de symétrie axiale dudit faisceau, le dispositif étant composé d'un système afocal comprenant un ou plusieurs composants optiques passifs disposés sur l'axe de propagation du faisceau, au moins un desdits composants étant un composant diffractif focalisant. 2. Dispositif de compensation de retard pupillaire selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le composant diffractif focalisant est un composant diffractif de phase ou un composant diffractif de volume. 3. Dispositif de compensation de retard pupillaire selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le composant diffractif focalisant est choisi parmi une lentille diffractive, une lentille de Fresnel diffractive, un réseau de diffraction ou similaires. 4. Dispositif de compensation de retard pupillaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les composants optiques passifs sont des lentilles et sont choisis de telle sorte que : 2906898 22 - le système est afocal et présente un grandissement de 1 et - au moins une des lentilles est diffractive. 5 5. Dispositif de compensation de retard pupillaire selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système afocal est constitué de deux lentilles possédant la même valeur absolue de 10 focale fo, une lentille convergente et une lentille divergente, l'une des lentilles étant réfractive et l'autre lentille étant diffractive. 6. Procédé d'ajustement de la compensation 15 de retard pupillaire d'un faisceau convergent ou divergent, comprenant les étapes consistant à : -placer un dispositif composé d'un système afocal comprenant un ou plusieurs composants optiques passifs disposés sur l'axe de propagation dudit 20 faisceau, au moins un desdits composants étant un composant diffractif focalisant, - déplacer le dispositif selon l'axe de propagation du faisceau jusqu'à obtenir la compensation de retard pupillaire souhaitée, ladite compensation 25 étant la somme algébrique des retards pupillaires de chaque composant optique passif du système afocal et étant comprise dans une gamme de valeurs dont les bornes sont fonctions de la combinaison particulière des composants optiques choisis pour former le système 30 afocal du dispositif de compensation. 2906898 23 7. Procédé d'ajustement de la compensation de retard pupillaire selon la revendication précédente, dans lequel le système afocal est composé d'un ensemble de lentilles, au moins une des lentilles étant 5 diffractive, le système afocal présentant un grandissement de 1.