Brevet FR2989475A1 — publié le 20131018

La présente invention concerne un système et un procédé d'amplification optique pour impulsions lumineuses ultrabrèves. Plus précisément, l'invention propose un système et un procédé d'amplification optique d'impulsions lumineuses ultra-brèves au-delà de la limite de la bande spectrale de gain. Les lasers à impulsions lumineuses ultrabrèves (sub-picoseconde) et de forte énergie (plusieurs centaines de micro-joules) sont aujourd'hui utilisés dans de nombreuses applications industrielles telles que le micro-usinage, le marquage laser, l'ophtalmologie, la nanochirurgie et dans des applications scientifiques pour l'investigation de phénomènes physiques, chimiques ou biologiques rapides. Dans les dernières années, de grands progrès ont été faits dans la réduction de la durée et/ou l'augmentation de l'énergie des impulsions lumineuses ultra-brève à des fréquences de répétition élevées. Les amplificateurs laser femtoseconde reposent typiquement soit une architecture linéaire (amplificateurs à barreaux, amplificateurs à disque mince, amplificateurs en plaques (ou slab) ou fibres optiques amplificatrices) ou sur une architecture multi-passage, par exemple pour les amplificateurs régénératifs. Cependant, l'amplification d'impulsions lumineuses sub-picoseconde dans un milieu amplificateur solide conduit à un élargissement de la durée des impulsions initiales du fait de la dispersion de la vitesse de groupe (GVD ou Group Velocity Dispersion) de l'amplificateur. Dans le présent document, on entend par « dispersion », la dispersion de vitesse de groupe (GVD pour Group Velocity Dispersion) d'un composant ou d'un matériau. Cette dispersion est quantifiée par un coefficient de dispersion du deuxième ordre 132 dont la valeur dépend du type de composant optique (étireur à fibre optique, fibre optique microstructurée, fibre optique à réseau de Bragg, compresseur à réseau de diffraction, miroir diélectrique, amplificateur optique solide...) et du nombre de passages des impulsions lumineuses à travers ou sur le composant optique concerné. La dispersion est aussi appelée « chirp » de manière équivalente. La plupart des amplificateurs laser sub-picoseconde appliquent la méthode d'amplification à dérive de fréquence (CPA, chirped pulse amplification) de manière à éviter des pics de surintensité susceptibles d'endommager les composants optiques ou de produire des effets non linéaires indésirables (D. Strickland, G. Mourou, "Compression of amplified chirped optical pulses", Opt. Commun. 56, 219, 1985). La technique d'amplification à dérive de fréquence repose sur l'application d'une dispersion normale ou positive (GVD>0) pour étirer temporellement (par un facteur x1000 ou plus) les impulsions lumineuses avant leur amplification, puis sur l'amplification en régime linéaire des impulsions étirées et enfin sur l'application d'une dispersion anormale ou négative (GVD A titre d'exemple, la figure 1 représente un laser femtoseconde à amplification à dérive de fréquence selon l'art antérieur. Un oscillateur 10 génère des impulsions lumineuses de faible puissance et de durée initiale to femtoseconde (typiquement de 100 fs à 900 fs). Un étireur 1 présentant une forte dispersion positive (/l32 » 0) où )62E représente la dispersion de vitesse de groupe (GVD) permet d'étirer temporellement les impulsions lumineuses afin de réduire leur puissance crête sans modifier leur spectre. L'étirement temporel a pour effet de multiplier la durée des impulsions lumineuses par un facteur cent à mille (ou plus) : une impulsion de durée initiale to femtoseconde provenant de l'oscillateur 10 a typiquement, en sortie de l'étireur 1, une durée Ti comprise entre 100 ps et 1 ns. L'étirement temporel des impulsions permet d'éviter la génération d'effets non linéaires indésirables dans le système d'amplification et l'endommagement des composants optiques. Un amplificateur optique 2 permet d'amplifier les impulsions lumineuses étirées temporellement. L'amplificateur optique 2 présente un facteur de gain G qui dépend de son architecture (G =--. 60dB pour un amplificateur régénératif, G =--. 30-40dB pour un amplificateur à fibre, G =--. 20-30dB pour un amplificateur à slab). En sortie de l'amplificateur optique 2, les impulsions lumineuses ont une durée T2. Un compresseur 3 disposé en sortie de l'étage d'amplification permet de recomprimer temporellement les impulsions amplifiées. Le compresseur 3 présente une dispersion négative adaptée pour compenser l'effet de dispersion positive de l'étireur et de l'amplificateur : idéalement la dispersion du compresseur est égale à l'opposé de la somme de la dispersion de l'étireur et de la dispersion de l'amplificateur. En sortie du système amplificateur à dérive de fréquence, on obtient des impulsions lumineuses amplifiées de durée T3 idéalement égale à la durée To des impulsions initiales. En pratique, la durée T3 des impulsions lumineuses en sortie d'un amplificateur à dérive de fréquence est souvent supérieure à la durée To des impulsions initiales à cause d'un effet de rétrécissement de la bande de gain par le facteur de gain G comme décrit ci-dessous. Théoriquement, la durée des impulsions amplifiées de sortie est limitée par la largeur de bande spectrale en fréquence de l'amplificateur optique. De manière ultime, la durée minimum T des impulsions lumineuses qui peut être obtenue dépend de la largeur de la bande de gain de matériau laser choisi et du facteur de gain. La largeur de bande est définie comme étant la largeur à mi-hauteur (ou FWHM) de la fonction du gain en énergie ou en puissance, exprimée en fonction de la fréquence optique y, la fréquence optique y étant égale à c/k, où c est la vitesse de la lumière et X, la longueur d'onde. Approximativement, on peut estimer que la durée minimum théorique des impulsions lumineuses est égale à environ : r 1 -.----: A v où Av est la largeur à mi-hauteur de la bande spectrale de gain du matériau amplificateur. Les lasers à impulsions ultra-brèves, en particulier en régime femtoseconde, requièrent donc un milieu amplificateur ayant une grande largeur spectrale de gain. Toutefois, la durée minimale des impulsions peut être limitée par un effet de rétrécissement de la bande de gain. En effet, selon le facteur de gain G, la durée minimum T3 des impulsions lumineuses en sortie peut être proche de la durée to des impulsions initiales ou significativement plus longue que la durée to des impulsions initiales. Dans les amplificateurs lasers, l'effet de rétrécissement de la bande de gain lo réduit la largeur de la bande d'amplification à une valeur significativement plus étroite que la largeur de bande nominale de l'amplificateur. Cet effet dépend fortement du facteur de gain G. Un facteur de gain G élevé se traduit par une réduction significative de la largeur de bande spectrale de gain amplifié et conduit à une durée d'impulsions lumineuses de sortie plus longue, selon l'équation suivante (cf. Siegman, Lasers, 15 University Science Books, p. 359, équation (78)) : tour = rut - V1+ 4.1n2-G/(TC2Av2-2,2;,) où Tout et Tin sont les largeurs d'impulsions lumineuses respectivement à la sortie et à l'entrée de l'amplificateur. Dans le cas des amplificateurs régénératifs de type Yb :YAG (C. Hônninger et 20 al., "Diode-pumped thin-disk Yb:YAG regenerative amplifier", Appl. Phys. B 65, 423- 426, 1997) et Yb : KYW (Larionov, Butze, Nickel, Giesen, High-repetition-rate regenerative thin-disk amplifier with 116 pJ pulse energy and 250 fs pulse duration, Optics Letters, Vol. 32, Issue 5, pp. 494-496, 2007), l'amplification d'impulsions initiales de durée Tin sub-picoseconde et ayant une énergie de l'ordre de 100 pJ conduit des 25 impulsions lumineuses amplifiées jusqu'à 100 pJ (G=60dB) dont la durée Tout peut atteindre jusqu'à plusieurs picosecondes. Différentes méthodes ont été appliquées pour dépasser cette limitation de la largeur de bande de gain et tenter de réduire la durée des impulsions lumineuses amplifiées. En particulier, certains dispositifs n'utilisent pas d'étireur avant l'amplificateur 30 et exploitent les effets non linéaires tels que l'auto-modulation de phase (SPM) dans le milieu amplificateur ou dans un module de post-compression, en combinaison avec la dispersion de vitesse de groupe, de manière à compenser la dérive de fréquence produite (voir Larionov, Butze, Nickel, Giesen, High-repetition-rate regenerative thindisk amplifier with 116 pJ pulse energy and 250 fs pulse duration, Optics Letters, Vol. 35 32, Issue 5, pp. 494-496, 2007 ; Larionov, 50 W thin-disk laser with variable pulse duration, Proc. SPIE 7912, 79120A, 2011 et W. Dietel et al., Self Phase Modulation in a Femtosecond Pulse Amplifier with Subsequent Compression", Appl. Phys. B 46, 183184, 1988). La figure 2 représente un exemple de dispositif de l'art antérieur comprenant un oscillateur 10, un amplificateur optique 12 suivi par un compresseur 13 à dispersion négative ((32 « 0). Notons que le dispositif de la figure 2 est dépourvu d'étireur entre l'oscillateur 10 et l'amplificateur 12. L'oscillateur 10 émet des impulsions initiales de durée to qui sont directement transmises, sans être étirées temporellement, à l'amplificateur 12. Les impulsions se propagent dans l'amplificateur 12 et induisent des effets non linéaires dans l'amplificateur 12. En particulier, on utilise l'effet non-linéaire d'automodulation de phase dans l'amplificateur 12 pour générer un déphasage non-linéaire et de nouvelles composantes spectrales. Ce dispositif permet ainsi d'élargir la lo bande spectrale de l'amplificateur 12. Cependant, les phases des composantes spectrales présentent de grandes variations sur la bande spectrale transmise. Le compresseur 14 induit une dispersion négative dans le but de remettre en phase les différentes composantes spectrales, ce qui permet, dans certaines conditions d'obtenir des impulsions lumineuses de sortie de durée T3 d'environ 334 fs pour une durée to de 15 200fs des impulsions lumineuses initiales (Larionov, 50 W thin-disk laser with variable pulse duration, Proc. SPIE 7912, 79120A, 2011). Toutefois, ces approches sont limitées en termes de durée minimum d'impulsions et/ou en termes de qualité temporelle des impulsions ultra brèves ainsi générées. Par exemple, un amplificateur régénératif Yb:YAG utilisant uniquement 20 l'auto-modulation de phase et ayant pour effet l'élargissement spectral avec un facteur d'amplification important, génère des impulsions ultra brèves qui sont soit limitées à une durée minimum d'environ 600fs avec une bonne qualité temporelle ou soit de durée plus courte, environ 400fs, avec un piédestal significatif situé dans une traînée beaucoup plus longue de l'ordre de la ps suite à l'impulsion principale (Larionov, 50 W 25 thin-disk laser with variable pulse duration, Proc. SPIE 7912, 79120A, 2011). D'autre part, il existe des lasers dont les impulsions lumineuses sont recomprimées dans un module externe de post-compression après amplification. La figure 3 représente un schéma de post-compression. Un amplificateur 22 génère des impulsions lumineuses de durée T2 picoseconde ou femtoseconde. L'amplificateur 22 30 est suivi d'un post-compresseur 23, qui introduit de l'automodulation de phase puis une dispersion de vitesse de groupe négative ((32 Avantageusement, l'amplificateur optique comporte un amplificateur optique à base d'Yb:YAG, Yb :KYW, Yb :KGW, Yb :CALGO, Yb :CaF2, Yb :SrF2, Yb :LuAG, Yb :Lu203, Yb :Sc203, Yb :Y203, Yb :YVO, Yb :YCOB, Yb :GdCOB, Yb :BOYS. L'invention concerne aussi un procédé d'amplification optique d'impulsions lumineuses ultrabrèves comprenant les étapes suivantes : - génération d'impulsions lumineuses ultrabrèves de durée to inférieure à cinq picoseconde ; - application aux impulsions lumineuses ultrabrèves de durée to d'une dispersion de vitesse de groupe négative avant l'amplification de manière à générer des impulsions lumineuses chirpées négativement de durée T1 ; et - amplification optique des impulsions lumineuses chirpées négativement, combinée à l'ajout d'une dispersion positive et à un effet d'automodulation de phase dans un milieu amplificateur optique solide de manière à induire un élargissement spectral du milieu amplificateur par automodulation de phase Av Amplificateur > AV et à comprimer temporellement les impulsions lumineuses amplifiées à une durée T3 inférieure à la durée T de la limitation par la largeur de bande de l'amplificateur optique : 1 ( = -Av L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans les systèmes amplificateurs optiques pour impulsions lumineuses ultrabrèves. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles. Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un amplificateur laser à dérive de fréquence selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente schématiquement un autre système d'amplification selon l'art antérieur ; - la figure 3 représente schématiquement un système de post-compression selon l'art antérieur ; - la figure 4 représente schématiquement la propagation d'une impulsion lumineuse chirpée négativement ; - la figure 5 représente schématiquement le principe d'un système d'amplification d'impulsions lumineuses selon l'invention ; - la figure 6 représente schématiquement un système d'amplification d'impulsions lumineuses selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 représente schématiquement un système d'amplification d'impulsions lumineuses selon le mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 8 représente schématiquement un système d'amplification selon une variante du mode de réalisation de la figure 7 ; - la figure 9 représente une mesure d'auto-corrélation d'impulsion en sortie d'un système amplificateur régénératif suivant le mode de réalisation préféré de l'invention basé sur un ampli amplificateur à disque mince Yb :YAG pour une impulsion de 20011J et de durée environ 360 fs; - les figures 10A et 10B représentent des mesures d'auto-corrélation d'impulsion en sortie d'un système amplificateur Yb:KYW suivant le mode de réalisation préféré de l'invention respectivement pour un niveau d'énergie de 4011J (Fig. 10A) et de 7011J (Fig. 10B). Une constatation faisant partie de la présente invention est que dans les dispositifs antérieurs, les impulsions lumineuses transmises à l'amplificateur sont soit chirpées positivement (approche CPA), soit non-chirpées (approche SPM). Les impulsions lumineuses voient alors dans l'amplificateur un chirp positif supplémentaire et la durée des impulsions se rallonge donc légèrement ou reste environ constante. On propose d'appliquer une dispersion négative aux impulsions initiales avant leur amplification. La figure 4 représente schématiquement l'énergie E d'une impulsion ultrabrève en fonction d'un axe Z de propagation spatial. L'impulsion ultrabrève 100 comporte des composantes spectrales aux longueurs d'onde ki, k2, k3 et k4 telles que 24