Brevet FR2977320A1 — publié le 20130104

DISPOSITIF DE GESTION D'IMPULSIONS EN SPECTROSCOPIE POMPE-SONDE La présente invention concerne un dispositif de gestion d'impulsions lumineuses pour mesurer la réaction d'un échantillon exposé à une première impulsion lumineuse dite impulsion « pompe », la mesure étant réalisée par analyse d'un signal lumineux émis par l'échantillon soumis à une seconde impulsion lumineuse, dite impulsion « sonde », décalée par rapport à l'impulsion « pompe » d'un intervalle de temps déterminé. Le domaine intéressé est celui de la spectroscopie pompe-sonde et, de façon générale, toute application qui nécessite l'utilisation de deux impulsions laser ultracourtes écartées d'un retard temporel connu et variable permettant de réaliser le balayage (en anglais « scan ») de l'intervalle temporel total à investiguer. Ces dernières années, les études sur la dynamique des systèmes biologiques ont fait l'objet de nombreux travaux. Il a été notamment démontré qu'une telle dynamique peut présenter, dans certains cas, une évolution continue sur plusieurs ordres temporels pouvant aller de la picoseconde jusqu'à la seconde. La spectroscopie pompe-sonde est une technique qui permet de mesurer la dynamique temporelle d'un système au cours d'une réaction : une impulsion pompe déclenche une réaction, puis une impulsion sonde décalée temporellement mesure les modifications induites. Il est alors nécessaire d'être capable de décaler une impulsion laser par rapport à une autre pendant tout le régime temporel étudié, ce décalage devant être précis à la picoseconde près. Actuellement, il existe trois moyens pour engendrer deux impulsions séparées d'un retard connu et variable. Le premier moyen consiste à utiliser un seul système laser dont le faisceau est séparé en deux bras. L'un des bras est retardé par rapport à l'autre grâce à une ligne à retard mécanique. Ce système est limité par la longueur de la ligne à retard au régime picoseconde - nanoseconde. De plus, il demande une attention particulière pour conserver une stabilité de pointé suffisante pendant le scan mécanique. Le deuxième moyen consiste à utiliser deux oscillateurs laser non synchronisés. Le retard est choisi en sélectionnant, pour l'amplification, le couple d'impulsions avec le retard le plus proche du retard voulu. La sélection est généralement réalisée par l'ouverture-fermeture d'une cellule de Pockels autour de l'impulsion voulue. A cause de l'asynchronisme entre les deux oscillateurs laser et de la gigue temporelle qui en résulte, le retard réel entre les deux impulsions ainsi sélectionnées est connu avec une précision qui ne peut pas descendre en-dessous de la période d'oscillation des cavités laser, soit, typiquement, de l'ordre d'une dizaine de nanosecondes. En contrepartie, ce système permet de réaliser des retards arbitrairement longs. Le troisième moyen consiste à utiliser deux oscillateurs laser synchronisés dont on fait varier le retard en variant leur phase temporelle relative. Associé à une sélection avant amplification comme décrit dans le cadre du deuxième moyen, ce système résout les limites des solutions précédentes en permettant la réalisation de retards longs tout en gardant une précision de l'ordre de la picoseconde. Néanmoins, il demande une mise en oeuvre couteuse et complexe qui ne peut pas être réalisée a posteriori sur des oscillateurs laser commerciaux standards, à moins que cette fonctionnalité n'ait été prévue par le fabricant dès la conception du laser. Ce système n'est donc pas accessible à la plupart des utilisateurs potentiels. De façon analogue, il est possible d'utiliser des oscillateurs laser de fréquences différentes en exploitant le principe de la stroboscopie appliquée au domaine femtoseconde, la coïncidence temporelle entre les deux trains d'impulsions étant mesurée par un dispositif optoélectronique. Toutefois, dans les implémentations proposées, cette approche exige, pour bien fonctionner, que les fréquences des deux oscillateurs soient voisines et connues avec une précision très élevée qui demande un contrôle actif des longueurs de cavités laser. Ceci n'est en général pas le cas si cela n'a pas été prévu avant l'acquisition des systèmes. Ces différentes méthodes ont été décrites dans différentes publications dont les principales sont : Bredenbeck, Helbing et Hamm., Rev. Sci. Instrum. Vol. 75 p. 4462. Cet article de 2004 décrit une solution de balayage électronique synchrone proposée par l'Institut de Chimie-Physique de Zürich. Les retards longs sont donnés en multiples de la période de répétition des oscillateurs à travers la sélection par une cellule de Pockells de l'impulsion à amplifier. Les retards courts sont engendrés en introduisant une phase connue entre les deux oscillateurs laser. Avec cette méthode, il est possible d'atteindre une précision de 2 ps sur un intervalle s'étendant jusqu'à 50 ps. Takagi et Adachi (RSI Vol. 70, p. 2218) ont introduit en 1999 la méthode du balayage optique asynchrone. Le balayage est obtenu en introduisant une différence de taux de répétition connue entre les deux oscillateurs. Si la différence introduite est négligeable par rapport à la fréquence de répétition fi et f2 des deux oscillateurs, il a été démontré que cela engendre un grandissement de l'axe temporel fi/f2 et par conséquence un incrément de la résolution spectrale. Dans le travail de Takagi, un grandissement temporel de 760 000 fois a été mesuré. En 2004 (Keimann, Gobie et Holzwarth, « Time domain mid-infrared frequency-comb spectrometer », Opt. Lett. 29, p. 1542 (2004)), cet avantage a été amélioré jusqu'à obtenir un grandissement temporel de 45 500 000 fois, ce qui correspond à 13 cm-1 de résolution spectrale. Ces travaux ont été menés avec des lasers femtoseconde, en mettant l'accent sur la nature discrète des spectres d'impulsions, ce qui a ouvert la voie à la « Spectroscopie par peigne de fréquence », qui exploite le phénomène de battement entre chaque raie de fréquence constituant le spectre des deux impulsions décalées. Les avantages par rapport aux expériences de spectroscopie par transformée de Fourier classiques sont dans la sensibilité de la mesure, la largeur et la résolution spectrales obtenues avec des temps de mesure de quelques dizaines de microsecondes. Une méthode de synchronisation optoélectronique a également été proposée dans la demande de brevet WO/2007/045773 mais la résolution temporelle obtenue n'est intéressante que lorsque les fréquences des deux oscillateurs sont voisines. Il serait donc avantageux d'obtenir un dispositif de gestion des impulsions laser permettant d'obtenir un retard entre deux impulsions pouvant varier de la picoseconde à la seconde avec une précision de la picoseconde et cela en utilisant des lasers femtosecondes standards. Pour résoudre un ou plusieurs des inconvénients cités précédemment, un dispositif de gestion d'impulsions lumineuses pour mesurer la réaction d'un échantillon exposé à une première impulsion lumineuse dite impulsion « pompe », la mesure étant réalisée par analyse d'un signal lumineux émis par l'échantillon soumis à une seconde impulsion lumineuse, dite impulsion « sonde », décalée par rapport à l'impulsion « pompe » d'un intervalle de temps déterminé, comprend : - deux détecteurs optiques adaptés pour détecter les impulsions de deux faisceaux lumineux émis respectivement par deux sources laser impulsionnelles, le premier faisceau étant dit faisceau « pompe » et le second faisceau étant dit faisceau « sonde », chaque faisceau émettant des impulsions avec des fréquences de répétition respective stables sur une période déterminée en direction dudit échantillon ; les détecteurs étant connectés à un premier calculateur adapté pour déterminer l'intervalle de temps entre deux impulsions provenant respectivement du premier et du second faisceau et constituant les impulsions « pompe » et « sonde » pour la mesure de la réaction de l'échantillon ; ledit calculateur comprenant un connecteur à un analyseur de mesure de la réaction de l'échantillon ayant comme paramètre d'entrée l'intervalle de temps déterminé par le premier calculateur pour la mesure mettant en jeu les deux impulsions. Ce dispositif permet ainsi, avantageusement, de se baser sur un fonctionnement libre des deux oscillateurs, fonctionnement ne nécessitant aucun système de contrôle et de rétroaction des cavités optiques. En outre, la précision temporelle n'est pas directement proportionnelle à la différence de fréquences entre les deux oscillateurs et peut ainsi être aisément inférieure à la picoseconde pour les fréquences typiques utilisées dans les lasers standards. Ainsi, la plupart du temps, il est simple d'implémenter le dispositif sur une expérience utilisant deux chaines laser amplifiées préexistantes, juste en envoyant une petite fraction des faisceaux d'oscillateur sur le dispositif. Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont : - Le dispositif comprend en outre deux sélecteurs d'impulsion positionnés respectivement sur chacun des deux faisceaux, chaque sélecteur étant adapté pour transmettre vers un échantillon une impulsion particulière du faisceau sur lequel il est positionné, l'impulsion transmise étant sélectionnée par le calculateur de sorte que l'intervalle de temps entre l'impulsion sélectionnée du premier faisceau et l'impulsion sélectionnée du second faisceau est une valeur prédéterminée ; - les sélecteurs d'impulsion sont des amplificateurs de lumière ; ^ le calculateur est adapté pour détecter la coïncidence temporelle entre une impulsion du premier faisceau et une impulsion du second faisceau ; - le calculateur est adapté pour sélectionner une série de couples d'impulsions, chaque couple étant composé d'une impulsion du premier faisceau et d'une impulsion du second faisceau, de telle sorte que l'ensemble des intervalles temporels de la série de couples d'impulsions permette un échantillonnage d'un intervalle de mesure prédéterminé ; - les détecteurs optiques sont combinés sous forme d'un interféromètre dont le signal d'interférence est détecté par au moins une photodiode de sorte que la superposition temporelle de deux impulsions déclenche un signal de coïncidence pour le calculateur ; et/ou - les détecteurs optiques comportent chacun une photodiode adaptée pour transformer chaque impulsion en un signal électrique servant de signal d'entrée à un circuit électronique « convertisseur temps numérique » (TDC). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d'exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'un système de spectroscopie pompe-sonde comportant un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un chronogramme des impulsions de deux lasers ayant des fréquences de répétition différentes selon le principe du balayage asynchrone et montrant les coïncidences ; - la figure 3 est une vue schématique d'un montage électronique d'une carte d'acquisition du dispositif de la figure 1 ; - la figure 4A est un chronogramme de l'électronique de la figure 3 montrant un signal de coïncidence dans une phase ou les deux lasers ne sont pas en coïncidence ; - la figure 4B est un chronogramme de l'électronique de la figure 3 montrant un signal de coïncidence dans une phase ou les deux lasers sont en coïncidence ; - la figure 5 est un ordinogramme de fonctionnement du dispositif de la figure 1 ; et - la figure 6 est une vue schématique d'un système de spectroscopie pompe-sonde comportant un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention. En référence à la figure 1, un dispositif fonctionnant sur le principe de l'échantillonnage hétérodyne comprend, de manière classique, une source laser impulsionnelle « pompe » 1 et une source laser impulsionnelle « sonde » 3 émettant respectivement un faisceau « pompe » et un faisceau « sonde ». Les deux sources laser sont typiquement des lasers femtoseconde émettant donc des impulsions de l'ordre de la centaine de femtosecondes. Les durées d'impulsion « pompe » et « sonde » sont égales ou non. De même les longueurs d'onde centrales des faisceaux « pompe » et « sonde » sont égales ou non en fonction de la mesure à réaliser. Chaque faisceau passe dans un amplificateur optique 5, 7 avant de se combiner ensemble par un combineur 9. Par exemple, le combineur 9 comprend un miroir et une lame semi-transparente. Les faisceaux ainsi combinés sont alors dirigés vers un dispositif expérimental 11 dans lequel est placé un échantillon à mesurer. La réponse de l'échantillon est reçue par un photo-détecteur 13 puis transmise à un système d'acquisition 15. Dans le mode de réalisation du dispositif de gestion d'impulsions lumineuses de la figure 1, une lame de prélèvement 17, 19 est installée sur le chemin de chaque faisceau en sortie de chaque source laser 1, 3 de façon à capter sur des photo-détecteurs 21, 23 une trace de chaque impulsion. L'homme du métier comprend que la transparence des lames est choisie de façon à n'acheminer aux photo-détecteurs 21, 23 que la puissance nécessaire à leurs fonctionnements. Les photo-détecteurs 21, 23 sont connectés à un calculateur 25. Le calculateur 25 comprend une interface de pilotage des amplificateurs optiques 5, 7 et est connecté au système d'acquisition 15. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. De façon générale, deux oscillateurs conçus en fonctionnement libre, produisent deux peignes d'impulsions 31, 33 de fréquences différentes et hautement stables. Le retard relatif, ou phase temporelle relative, entre les deux peignes défile progressivement entre le moment où se produit une coïncidence et la coïncidence suivante suivant le principe du balayage asynchrone, figure 2. 01 et 02 étant les fréquences respectives des lasers, il est possible de définir une phase temporelle pour chacun des lasers : .1)1= 01 (t-TI) et (1)2= 02 (t-i2) (TI et i2 définissant le décalage temporel des deux trains d'impulsions et t étant la coordonnée temporelle). Ces lois étant connues, il est ensuite possible de prévoir avec précision la phase relative Ad) = (1)2 - .1)1, et donc le retard entre toutes les impulsions produites par les deux oscillateurs. Pour mesurer les lois de phase des deux oscillateurs, le calculateur détecte les impulsions en coïncidence tout en comptant avec précision le nombre d'impulsions produites par chacun des deux lasers entre les coïncidences. Cela permet de déterminer en particulier 02/01 avec une très grande précision. En effet, soit At l'intervalle de temps pendant lequel on peut supposer que les oscillateurs restent parfaitement stables, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de phénomène de gigue mesurable. Avec les oscillateurs actuels, At est typiquement de l'ordre de l ms. T est la période du train d'impulsion et est égal à environ 10 ns pour des oscillateurs à 100 MHz et 8i la précision temporelle de la mesure de coïncidence. Le nombre d'impulsions produites pendant la période At vaut N = At/T, ce qui correspond donc à un nombre de coïncidences de l'ordre de n = N &Fr. Compte tenu de la stabilité des oscillateurs, la précision sur la mesure des paramètres TI et i2 est donc de l'ordre de St /,/Tl . La précision ultime du dispositif est donc liée à la méthode employée pour détecter les coïncidences. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la détection des coïncidences est totalement électronique. Les photo-détecteurs 21, 23 sont des photodiodes rapides dont le signal électrique est envoyé à une carte électronique du calculateur 25. Les signaux électriques sont envoyés sur deux bascules D 41, 43. L'un des signaux est utilisé comme horloge commune, l'autre signal est distribué successivement sur l'entrée de la première bascule puis de la seconde bascule avec un léger retard, i' pour une première ligne à retard 45 et i" pour une seconde ligne à retard 47. A chaque nouvelle impulsion d'horloge, une coïncidence est signifiée par une différence d'état entre les sorties des bascules. Les figures 4A et 4B montrent le chronogramme des signaux 51, 53 en sortie des lignes à retard 45, 47 et du signal 55 en sortie du photodétecteur et servant d'horloge aux deux bascules D 41, 43. Le signal 57 montre le signal en sortie du OU exclusif de combinaison des deux sorties des bascules D. La figure 4A montre les signaux quand les deux lasers ne sont pas en coïncidence, le signal 57 reste donc à 0 et la figure 4B montre les signaux lors d'une coïncidence, le signal 57 basculant alors de 0 vers 1. Les inventeurs ont réalisés un prototype selon ce schéma qui permet une précision de l'ordre de 8i 30ps . Deux fibres optiques couplées à deux photodiodes Si PIN ont été connectées par paires différentielles au détecteur de coïncidences et au calculateur implanté dans un FPGA de la famille Spartan du fabricant Xilinx. Avec les valeurs numériques ci-dessus, cela donne un taux de 300 coïncidences par milliseconde. Des fréquences de laser suffisamment stables par rapport à ce taux permettent de moyenner ces coïncidences pour obtenir une précision finale légèrement inférieure à 2 ps. Cette valeur peut encore être améliorée en utilisant un circuit spécialisé (ASIC) ou en augmentant le taux de coïncidence en démultipliant le nombre de voies électroniques avec des retards différents et connus. On notera en variante qu'il est également possible d'utiliser des dispositifs connus de type convertisseur temps numérique (en anglais « time to digital converter ». Ceci permet d'exploiter des couples d'impulsions même lorsqu'il n'y a pas coïncidence et donc d'augmenter le nombre n d'acquisitions contribuant à la mesure et ainsi d'améliorer la précision de cette dernière. Ainsi, figure 5, en ayant réalisé, étape 51, une mesure précise des lois de phase des deux oscillateurs, le calculateur est alors capable de déterminer, étape 53, la valeur du décalage temporel entre une impulsion quelconque du signal de « pompe » et une impulsion ultérieure quelconque du signal de « sonde ». Et donc, pour une valeur de décalage déterminée, il est capable de sélectionner, étape 55, une paire d'impulsions « pompe » - « sonde » ayant cette valeur de décalage temporel. Le calculateur 25 pilote, étape 57, alors les amplificateurs 5, 7 pour ne laisser passer, et n'amplifier, que les impulsions correspondantes. En parallèle, il informe, étape 59, le système d'acquisition 15 du délai entre l'impulsion « pompe » et l'impulsion « sonde ». Comme indiqué dans le préambule, en spectroscopie « pompe »- « sonde », on cherche à mesurer la réaction d'un échantillon sur une gamme de temps variée séparant l'impulsion de « pompe » de l'impulsion de « sonde » de façon à étudier la dynamique de l'échantillon. Grâce au dispositif décrit, il suffit de paramétrer préalablement la gamme de délais à étudier, par exemple de 1 ns à 1 ms, et le nombre d'échantillons, par exemple avec un pas de 1 ps et le calculateur est alors capable de sélectionner les séries d'impulsions couvrant la gamme demandée. On notera que l'ordre des mesures peut être quelconque et ne dépendre que de l'enchainement des impulsions de façon à minimiser le temps de mesure. Aussi, le calculateur 25 est relié au système d'acquisition 15 de façon à fournir à ce dernier l'information du délai entre impulsions correspondant à la mesure en cours. Un simple traitement de tri sur la durée des délais permet alors d'ordonner les mesures. Une variante intéressante consiste à ne pas utiliser les sélecteurs 5 et 7 ce qui permet d'exploiter tous les couples d'impulsions produits par les deux oscillateurs 1 et 3, les retard étant déterminés a posteriori par le calculateur. Dans ce cas, la dynamique temporelle est limitée à la période des oscillateurs typiquement de l'ordre de 10ns. Dans un second mode de réalisation, figure 6, les photo-détecteurs 21, 23 et la carte d'acquisition électronique sont remplacés par un dispositif optique. Celui-ci comprend un interféromètre 61, éventuellement fibré, sur lequel sont alignés les deux faisceaux laser. Les coïncidences correspondant à la superposition temporelle de deux impulsions sont détectées par les interférences linéaires optiques générées. Le signal d'interférence est détecté avec une photodiode 63 et envoyé à une carte d'acquisition du calculateur 25 qui le compare à une valeur de seuil. En variante, il est possible d'utiliser une photodiode sur chacune des deux sorties de l'interféromètre pour procéder à une détection différentielle. Une détection optique des coïncidences telle que décrite permet d'avoir une précision ÔT de l'ordre de la durée des impulsions, soit typiquement 100fs. Avec les valeurs numériques ci-dessus, cela donne un taux de coïncidence n/At de l'ordre d'une coïncidence par milliseconde. Il est possible d'augmenter le taux de coïncidence au détriment de la précision temporelle en plaçant un filtre réduisant la bande spectrale avant le photodétecteur. Un tel filtre est également nécessaire lorsque les spectres des deux oscillateurs ne sont pas identiques. Enfin, dans le cas où le recouvrement spectral entre les deux oscillateurs est nul, les coïncidences peuvent être détectées à l'aide d'un processus d'optique non-linéaire (absorption à deux photons, somme de fréquences, etc.). L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention a cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles. Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclue pas d'autres éléments et l'article indéfini « un/une » n'exclue pas une pluralité. REVENDICATIONS1. Dispositif de gestion d'impulsions lumineuses pour mesurer la réaction d'un échantillon exposé à une première impulsion lumineuse dite impulsion « pompe », la mesure étant réalisée par analyse d'un signal émis par l'échantillon soumis à une seconde impulsion lumineuse, dite impulsion « sonde », décalée par rapport de l'impulsion « pompe » d'un intervalle de temps déterminé, comprenant : - deux détecteurs optiques (21, 23) adaptés pour détecter les impulsions de deux faisceaux lumineux émis respectivement par deux sources laser impulsionnelles (1, 3), le premier faisceau étant dit faisceau « pompe » et le second faisceau étant dit faisceau « sonde », chaque faisceau émettant des impulsions avec des fréquences de répétition respective stables sur une période déterminée en direction dudit échantillon ; les détecteurs étant connectés à - un premier calculateur (25) adapté pour déterminer l'intervalle de temps entre deux impulsions provenant respectivement du premier et du second faisceau et constituant les impulsions « pompe » et « sonde » pour la mesure de la réaction de l'échantillon ; ledit calculateur comprenant un connecteur à un analyseur de mesure (15) de la réaction de l'échantillon ayant comme paramètre d'entrée l'intervalle de temps déterminé par le premier calculateur pour la mesure mettant en jeu les deux impulsions. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux sélecteurs d'impulsion positionnés respectivement sur chacun des deux faisceaux, chaque sélecteur étant adapté pour transmettre vers un échantillon une impulsion particulière du faisceau sur lequel il est positionné, l'impulsion transmise étant sélectionnée par le calculateur de sorte que l'intervalle de temps entre l'impulsion sélectionnée du premier faisceau et l'impulsion sélectionnée du second faisceau est une valeur prédéterminée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sélecteurs d'impulsion sont des amplificateurs de lumière. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le calculateur est adapté pour détecter la coïncidence temporelle entre une impulsion du premier faisceau et une impulsion du second faisceau. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le calculateur est adapté pour sélectionner une série de couples d'impulsions, chaque couple étant composé d'une impulsion du premier faisceau et d'une impulsion du second faisceau, de telle sorte que l'ensemble des intervalles temporels de la série de couples d'impulsions permette un échantillonnage d'un intervalle de mesure prédéterminé. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les détecteurs optiques sont combinés sous forme d'un interféromètre dont le signal d'interférence est détecté par au moins une photodiode de sorte que la superposition temporelle de deux impulsions déclenche un signal de coïncidence pour le calculateur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les détecteurs optiques comportent chacun une photodiode adaptée pour transformer chaque impulsion en un signal électrique servant de signal d'entrée à un circuit électronique « convertisseur temps numérique » (TDC).