Brevet FR2922326A1 — publié le 20090417

- 1 - Homogénéiseur à fibre optique." La présente invention se rapporte à un système pour homogénéiser une impulsion laser émise par une source laser afin d'illuminer de façon homogène une cible. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de pompage par laser de milieux solides amplificateurs io femtoseconde intense. En effet l'homogénéité du pompage laser des amplificateurs femtoseconde basés notamment sur la technologie Ti:Saphir est un paramètre essentiel, en raison de la difficulté de pomper les amplificateurs de façon efficace (du point de vue de l'extraction d'énergie), et robuste (du 15 point de vue de l'endommagement du matériau laser). Le seuil de dommage du Ti:Saphir, en régime nanoseconde, est estimé entre 5 et 10J/cm2. Cette valeur ne découle pas d'une étude systématique mais d'une estimation basée sur l'expérience. L'incertitude sur la valeur du seuil oblige les � laseristes �, pour préserver les cristaux des risques 20 d'endommagement, à pomper les matériaux actifs à peine au-delà de la fluence de saturation, soit 1J/cm2, avec une extraction d'énergie peu efficace (20%). Dans le cas d'un pompage à 4J/cm2, par exemple, l'efficacité serait trois fois plus grande (60%). Dans un tel cas, le seuil de dommage du 25 matériau serait très proche de la fluence de pompage nécessaire à une bonne extraction d'énergie dans les amplificateurs de puissance, et toute inhomogénéité du laser de pompe se traduirait en un risque d'endommagement majeur, donc à une réduction forte de la fiabilité ou par là même à une dégradation des performances entraînant l'une et l'autre un 30 surcoût important. Cette inhomogénéité est due à des profils de pompe jamais totalement maîtrisés avec les techniques d'imagerie utilisées aujourd'hui. Ces profils présentent des modulations ou des points chauds souvent importants et conduisent donc souvent à la destruction des cristaux laser 35 qui de plus sont excessivement chers, leur prix atteignant plusieurs dizaines de milliers d'euros pour les plus grands, et longs à faire croître, jusqu'à lan. - 2 -Si l'on considère que entre 60% à 70% du prix d'un amplificateur laser est dû aux lasers de pompes, il est évident que l'on identifie là dans le contrôle de la qualité spatiale des faisceaux laser de pompage, un paramètre majeur pour le développement de systèmes plus performants. Pour limiter les modulations dans les profils de pompe, on peut songer au fait que lorsque le faisceau se propage sur quelques mètres, sans sortir de la zone de Rayleigh, les modulations sont minimes. Par exemple si nous considérons un laser de pompe qui délivre 1J/cm2 (à 532nm et à 10Hz) sur un faisceau gaussien de diamètre de 10mm, la zone de Rayleigh io aura une extension de 140m. Mais en réalité les profils typiques des lasers de pompe sont plus proches d'un profil � top-hat � (supergaussien) que d'une gaussienne car cette forme est imposée pour optimiser la conversion en fréquence et les performances de la source en terme d'énergie utile. Dans le cas d'un profil supergaussien, avec les autres caractéristiques de 15 l'exemple considéré ci-dessus, déjà après quatre mètres de propagation seulement des modulations apparaissent et peuvent devenir dangereuses pour les optiques et les cristaux laser, même si la zone de Rayleigh est largement plus longue. A cause de ces modulations il est difficile d'utiliser dans la pratique une distance de propagation supérieure à 3 û 4 mètres. 20 L'approche de la propagation dans la zone de Rayleigh implique donc des contraintes très fortes sur la configuration des amplificateurs, à cause des faibles distances sur lesquelles le faisceau conserve effectivement son homogénéité. Autrement, pour limiter les modulations dans les profils de pompe, on 25 peut aussi utiliser la technique consistant à transporter le champ proche (supposé homogène) du faisceau laser de pompage, par imagerie sur le cristal amplificateur. Mais cette technique ne protège en rien ce dernier de toute variation d'intensité éventuelle pouvant apparaître au cours du temps sur le laser de pompage utilisé. 30 On sait aujourd'hui que pour effectivement limiter ces modulations dans les profils de pompe, il faut homogénéiser la source, ce qui implique la maîtrise complète du transport de l'énergie, à partir des lasers de pompe vers le matériau actif. Grâce à cette maîtrise, il serait possible de pomper les lasers à des régimes à haut rendement d'extraction, mais proches du 35 seuil de dommage et d'éviter les surintensités susceptibles d'endommager - 3 - les cristaux amplificateurs. D'une façon générale, le but d'un homogénéiseur est d'assurer une répartition d'énergie homogène sur le cristal amplificateur quelque soient les répartitions spatiales initiales des faisceaux incidents. Dans ce cadre, on connaît un homogénéiseur réfractif à matrices de microlentilles. Un tel homogénéiseur à sous-pupilles réfractif est constitué de deux parties : un élément optique matriciel composé par un ensemble de microlentilles et un composant focalisant. Chaque microlentille représente un sous-pupille. Les microlentilles séparent le faisceau incident en plusieurs segments, et le composant focalisant superpose la projection de chaque io sous-pupille sur le plan focal. Cette technique s'appuie sur la faible cohérence spatiale du faisceau laser à l'entrée pour obtenir un effet de moyennage (somme en intensité) des contributions des différents sous-éléments repartis sur toute la zone à pomper. Cette technique a montré de bonnes performances sur des systèmes 15 de pompage à faible cohérence spatiale. Cependant, sur des systèmes de pompage presque parfaitement cohérentes spatialement, la matrice de microlentilles a induit des modulations de 100%. Même dans le cas des faisceaux à faible cohérence spatiale les meilleures performances d'homogénéisation sont obtenues hors du plan focal, car celui-ci est modulé 20 par les effets de diffraction des structures périodiques, dit effet Talbot. En d'autres termes, cet effet Talbot empêche d'utiliser la répartition d'énergie au plan focal et nécessite d'utiliser des plans où la répartition d'énergie est peu modulé mais moins proche du � top-hat � idéal. On connaît le document US4521075 décrivant un système pour 25 rendre incohérent spatialement un faisceau laser dirigé vers une cible. Ce système comprend entre la source laser et la cible : - un composant optique pour introduire une incohérence spatiale entre plusieurs parties du faisceau laser, et - une lentille de focalisation pour diriger le faisceau laser sur la cible. 30 Il se produit alors un brouillage qui limite les interférences au niveau de la cible. Cependant, l'expérience a montré que ce système ne permettait pas d'homogénéiser des sources de lumière autres que celles très incohérentes, comme les diodes lasers et les lasers excimères. 35 - 4 - La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un système d'homogénéisation éliminant les effets d'interférence et de diffraction. Un autre but de l'invention est de proposer un système capable de garantir une configuration de pompage robuste et fiable pour les amplificateurs à grande puissance moyenne dans les systèmes laser femtoseconde, mis en oeuvre dans un nombre croissant d'installations et destinés à atteindre des puissances crête par exemple au delà du Petawatt. La présente invention a aussi pour but un système efficace du point io de vue de l'extraction d'énergie, permettant de maîtriser l'intensité du faisceau laser sur la cible. La présente invention a encore pour but un homogénéiseur pour des lasers de pompe fortement cohérent spatialement et temporellement. On atteint au moins des objectifs précités avec un système pour 15 homogénéiser une impulsion laser émise par une source laser afin d'illuminer de façon homogène une cible, ce système comprenant entre la source laser et la cible : - un disperseur comprenant au moins une fibre optique multi-modes destinée à générer de nombreux modes spatio-temporels à partir de 20 l'impulsion laser injectée à l'entrée; ces modes spatio-temporels dus à la fibre optique présentent un temps de retard Tr tel que : Tc Le système selon l'invention permet d'obtenir l'homogénéisation d'un 15 quelconque laser de pompe pour les amplificateurs de puissance tels que ceux basés sur le saphir dopé au Titane, Ti:Saphir. Les performances sont supérieures aux techniques existantes car cette approche utilisant l'homogénéisation par fibre optique élimine les modulations parasites dues aux effets d'interférence et de diffraction (effet 20 Talbot). Le système selon l'invention est également avantageux en matière d'extraction d'énergie, ce qui permet de réduire le nombre nécessaire de lasers de pompe pour une énergie donnée, et par là même le coût du système global. Cet intérêt s'accompagne d'une plus grande fiabilité en 25 protégeant les cristaux amplificateurs onéreux de tout risque d'endommagement. Le système selon l'invention permet également d'utiliser la longueur d'une fibre optique pour augmenter la distance entre le laser de pompe et l'amplificateur. En pratique, cela permet d'installer le laser de pompe dans 30 une salle et l'amplificateur dans une autre. Avantageusement, chaque fibre optique présente une longueur L déterminée par la relation suivante : L 2.nc.c.Tr/92 , avec ne l'indice de réfraction du coeur de la fibre, � c � la vitesse de la lumière et 9 l'ouverture numérique de la fibre optique. - 6 - La relation entre le temps de retard et la longueur de la fibre est linéaire, ce qui permet de retarder les figures de tavelure d'une valeur arbitraire, avec comme seule limite la durée de l'impulsion, car si les parties du faisceau sont trop retardées elles ne vont plus se recouvrir temporellement. Le plan à la sortie de la fibre optique multi-modes est l'endroit où toutes les tavelures spatiales se superposent, et en imageant ce plan sur le cristal amplificateur on peut profiter du retard maximal entre les modes et obtenir le meilleur lissage. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le disperseur io comprend une matrice constituée d'une pluralité de ladite au moins une fibre optique ; le système comprenant en outre des moyens d'injection pour injecter une partition de l'énergie de l'impulsion laser dans chacune des fibres optiques de la matrice. Les moyens d'injection peuvent comprendre une lame de phase 15 constituée d'une pluralité de sous-pupilles aptes à générer une pluralité de faisceaux élémentaires dirigés chacun vers l'entrée d'une fibre optique. Une information de phase est gravée sur chaque sous-pupille de façon à ce que chaque faisceau élémentaire présente une forme donnée identique. Cette forme consiste à la fois à une forme géométrique et à la forme � top-hat � 20 en intensité. A la sortie de la matrice, on somme en intensité les différentes parties du faisceau sur l'ensemble de la zone à éclairer. Les moyens de focalisation sont positionnés pour que les faisceaux élémentaires issus des sous-pupilles viennent se superposer les uns sur les autres. Il y a recouvrement complet 25 des faisceaux élémentaires. Au contraire, dans le système décrit dans le document US4521075, les faisceaux peuvent se chevaucher mais ne se superposent pas. Le système optique d'homogénéisation selon la présente invention permet de garantir une répétabilité du profil spatial en intensité sur le 30 cristal. Cela permet d'obtenir des amplificateurs de puissance plus robustes. La robustesse est liée à la maîtrise de la répartition d'énergie, qui garanti de travailler sans modulations et de ne pas endommager les composants optiques. 2922326 - 7 - A titre d'exemple, chaque faisceau élémentaire présente une forme cylindrique dont la dimension transverse est sensiblement inférieure au diamètre du coeur de chaque fibre optique. Selon l'invention, les moyens de focalisation peuvent comprendre une 5 lentille convergente, dite lentille de champ, disposée de telle sorte que la cible se trouve à la distance de focalisation de cette lentille convergente. Cette lentille convergente permet notamment d'obtenir le champ lointain (la transformée de Fourier) du produit entre le profil du faisceau incident et la fonction de transfert optique de la fibre optique. io Selon une caractéristique de l'invention, pour un niveau de contraste F souhaité de la tache homogène, le temps de retard Tr est déterminé par la relation suivante : Tr Tc/F2. D'une façon générale, le contraste peut être défini comme une mesure statistique de l'homogénéité du profil spatial d'un laser. Il est défini comme le rapport entre l'écart type et la moyenne, 15 c'est à dire F = sigma(I)/ , I étant l'intensité. La raison d'une caractérisation statistique de l'homogénéité d'un faisceau vient du fort couplage spatio-temporel présent dans les impulsions laser, à cause du couplage des modes du à la cohérence partielle spatiale et temporelle. La statistique qui gouverne le contraste est décrite par le modèle 20 mathématique des figures de tavelure (� speckle �). Le théorème d'ergodicité est valable et la statistique qui décrit une réalisation instantanée est valable aussi pour décrire l'évolution dans le temps. Par ailleurs, pour un niveau de contraste F souhaité de la tache homogène, on détermine le nombre N de fibres optiques constituant la 25 matrice par la relation : N 1/F2. En fait N est un nombre entier le plus proche de la valeur 1/F2. La présente invention permet de faire le lien entre l'intensité de la tache homogène, caractérisée ici par son contraste, et le nombre de fibres optiques. 30 Avantageusement, ladite au moins une fibre optique présente une ouverture numérique e tel que : e - M2 0/(4a) , M étant le nombre de modes pouvant être générés dans cette fibre optique suivant une direction donnée, 20 étant la longueur d'onde centrale de l'impulsion laser, � a � étant le diamètre du coeur de 35 chaque fibre optique. De préférence, la source laser est un laser de pompe et la cible est un milieu solide amplificateur. La cible peut avantageusement être un cristal de saphir dopé au titane. La source laser peut avantageusement être un laser doublé en fréquence choisi parmi les lasers suivants : Nd :YAG ; Nd :verre, Nd :YLF, Yb :verre, Yb :YAG. Avantageusement, le disperseur (en fait ladite au moins une fibre optique ou bien la matrice de fibres optiques) peut présenter une longueur de plusieurs mètres de sorte que la source laser est déportée à une distance io de plusieurs mètres par rapport à la cible. Le système selon l'invention peut également comprendre plusieurs ensembles disposés en parallèle, chaque ensemble comprenant une source laser associée à un disperseur ; ces ensembles étant disposés de telle sorte que les faisceaux laser issus des différents ensembles se superposent sur au 15 moins une face de la cible. Les sources laser peuvent être de différentes longueurs d'onde. Par ailleurs, lorsque la cible est par exemple un amplificateur, le disperseur de chacun desdits ensembles peut comporter plusieurs fibres optiques, une partie des fibres optiques étant agencée pour éclairer par une première tache homogène une face de la cible, et au moins 20 une autre partie étant agencée pour éclairer par une seconde tache homogène une autre face de la cible. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une application du système pour le pompage de milieux amplificateurs dans une chaîne laser 25 CPA-Ti:Saphir. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : 30 La figure 1 est une vue schématique du système d'homogénéisation à une fibre optique selon la présente invention ; La figure 2 est une vue schématique du principe d'utilisation d'un faisceau lissé en sortie de fibre optique ; La figure 3 est une vue schématique d'un homogénéiseur comprenant 35 une matrice de fibres optiques selon l'invention ; - 9 - Les figures 4 à 6 sont des vues schématiques illustrant l'injection de faisceaux élémentaires dans la face d'une matrice de faisceaux de fibres optiques ; La figure 7 est un graphe illustrant un profil temporel avant et après propagation dans une fibre multi-mode de 30m ;et La figure 8 est un exemple de réalisation d'un système multi source selon l'invention. Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire io l'homogénéisation d'un faisceau laser de pompe pour un amplificateur de puissance Ti:Saphir. Le matériau amplificateur Ti:Saphir a son maximum d'absorption autour de 500nm. La quasi-totalité des systèmes de pompage pour les amplificateurs de puissance sont basés sur l'ion Néodyme qu'il soit dans une maille cristalline YAG ou YLF, ou dans une maille vitreuse. Le choix 15 de ce matériau et son utilisation en régime déclenché sont dictés par des réflexions économiques et technologiques. Ces systèmes Néodyme sont excités par lampe flash à des taux de répétition de plusieurs Hz et émettent à lpm, et ensuite doublés en fréquence pour atteindre les longueurs d'onde d'absorption du Ti:Saphir. 20 Sur la figure 1 on voit un laser de pompe Nd :YAG 1 comportant à sa sortie un cristal doubleur 2 après amplification. Ce laser de pompe 1 émet une impulsion laser 3 à environ 500 nm vers une fibre optique 4 multimodes à saut d'indice. L'injection de l'impulsion dans la fibre optique peut se faire directement, mais de préférence elle est réalisée au moyen d'une 25 optique convergente (non représentée) qui focalise l'impulsion dans la fibre optique 4. La fibre optique 4 génère en son sein plusieurs modes spatio-temporels 5, 6 qui sont retardés les uns par rapport aux autres, ce qui 30 permet de lisser l'impulsion laser 3 qui devient incohérent. Les différents modes de la fibre optique ont des angles de propagation différents, et une injection qui correspond à l'ouverture numérique (typiquement ON = 0.22) permet de les exciter tous. L'ouverture numérique d'une fibre à saut d'indice est définie a partir de l'indice du coeur ne et l'indice de la gaine ng 35 par eext tel que : - 10 - 6~t = n,z - ngz Le principe de base du lissage consiste à utiliser un disperseur pour séparer les longueurs d'onde dans l'espace et permet de transférer une incohérence temporelle vers une incohérence spatiale. Le lissage par fibre optique est une technique de lissage qui utilise comme disperseur une fibre optique multi-modes. Grâce à la propagation dans la fibre optique le couplage spatio-temporel est automatique et aucun composant supplémentaire n'est nécessaire pour réaliser la tavelure, la tavelure (� Speckle � en langue anglaise) étant une figure d'interférence aléatoire. io La tavelure peut également se définir comme des � points chauds � c'est-à-dire des maxima locaux d'intensité dans un volume où un faisceau lissé est focalisé. Selon l'invention, la fibre optique 4 induit un temps de retard Tr qui est plus long que la durée de la cohérence temporelle Tc de l'impulsion laser 15 3. On obtient ainsi un lissage efficace et les modes spatio-temporels s'ajoutent en intensité et non en champ. En même temps, le temps de retard Tr induit par le disperseur est plus court que la durée d'impulsion Ar, pour que les modes interfèrent encore. Les conditions sur Tr sont : Tc REVENDICATIONS 1. Système pour homogénéiser une impulsion laser émise par au moins une source laser afin d'illuminer de façon homogène une cible, ce système comprenant au moins entre la source laser et la cible : - un disperseur comprenant au moins une fibre optique multi-modes destinée à générer de nombreux modes spatio-temporels à partir de l'impulsion laser injectée à l'entrée; ces modes spatio-temporels dus à la fibre optique présentent un temps de retard Tr tel que : Tc 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disperseur comprend une matrice constituée d'une pluralité de ladite au moins une fibre optique ; le système comprenant en outre des moyens d'injection pour injecter une partition de l'énergie de l'impulsion laser dans chacune des fibres optiques de la matrice. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'injection comprennent une lame de phase constituée d'une pluralité de sous-pupilles aptes à générer une pluralité de faisceaux élémentaires dirigés chacun vers l'entrée d'une fibre optique. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une information de phase est gravée sur chaque sous-pupille de façon à ce que chaque faisceau élémentaire présente une forme donnée identique. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque faisceau élémentaire présente une forme cylindrique dont la dimension transverse est sensiblement inférieure au diamètre du coeur de chaque fibre optique. 35 5 10 2922326 - 16 - 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de focalisation comprennent une lentille convergente disposée de telle sorte que la cible se trouve à la distance de focalisation de cette lentille convergente. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour un niveau de contraste Fsouhaité de la tache homogène, le temps de retard Tr est déterminé par la relation suivante : Tr Tc/F2 8. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque fibre optique présente une longueur L déterminée par la relation suivante : L 2.nc.c.Tr/92 , avec ne l'indice de réfraction du coeur de la fibre optique, � c � la vitesse de la lumière et e l'ouverture numérique de la fibre optique. 15 9. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que pour un niveau de contraste Fsouhaité de la tache homogène, on détermine le nombre N de fibres optiques constituant la matrice par la relation : N 1/F2. 20 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une fibre optique présente une ouverture numérique e tel que : e - M2 0/(4a) , M étant le nombre de modes pouvant être générés 25 dans cette fibre optique suivant une direction donnée, 20 étant la longueur d'onde centrale de l'impulsion laser, � a � étant le diamètre du coeur de chaque fibre optique. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que la source laser est un laser de pompe et la cible est un milieu solide amplificateur. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cible est un cristal de saphir dopé au titane. 35 2922326 - 17 - 13. Système selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la source laser est un laser doublé en fréquence choisi parmi les lasers suivants : Nd :YAG ; Nd :verre, Nd :YLF, Yb :verre, Yb :YAG. s 14. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un flux de gaz noble pour garder propre la surface d'entrée de la fibre optique. 15. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, io caractérisé en ce que le disperseur présente une longueur de plusieurs mètres de sorte que la source laser est déportée à une distance de plusieurs mètres par rapport à la cible. 16. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs ensembles disposés en parallèle, chaque ensemble comprenant une source laser associée à un disperseur ; ces ensembles étant disposés de telle sorte que les faisceaux laser issus des différents ensembles se superposent sur une face de la cible. 20 17. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que la cible étant un amplificateur, le disperseur de chacun desdits ensembles comportent plusieurs fibres optiques, une partie des fibres optiques étant agencée pour éclairer par une première tache homogène une face de la cible, et au moins une autre partie étant agencée pour éclairer par une 25 seconde tache homogène une autre face de la cible. 18. Application du système selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour le pompage de milieux amplificateurs dans une chaîne laser CPA-Ti:Saphir.30