Brevet FR2984535A1 — publié le 20130621

PROCEDE ET DISPOSITIF D'AMPLIFICATION PARAMETRIQUE OPTIQUE D'IMPULSIONS A DERIVE DE FREQUENCE, UTILISANT DEUX SIGNAUX DE POMPE ET PERMETTANT L'ELARGISSEMENT DE LA BANDE SPECTRALE DE GAIN DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé 5 et un dispositif d'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence (en anglais, optical parametric chirped pulse amplification). L'invention se rapporte en particulier au domaine des FOPCPA, c'est-à-dire des amplificateurs 10 paramétriques optiques à fibres d'impulsions à dérive de fréquence (en anglais, fiber optical parametric chirped pulse amplifiers). Cette nouvelle génération d'amplificateurs, de par les avantages que proposent les architectures à 15 fibres du point de vue de l'encombrement et de la stabilité, est susceptible de remplacer les amplificateurs paramétriques massifs (en anglais, bulk) dans certains cas. L'invention permet d'élargir d'un facteur 2 20 la bande (spectrale) de gain des FOPCPA et donc d'amplifier des impulsions de très courte durée. Des largeurs de bandes de gain supérieures à celles des fibres dopées aux terres rares pourraient même être obtenues, ce qui ouvrirait la porte à l'amplification 25 d'impulsions à très large bande à l'aide de dispositifs complètement fibrés. Cela s'inscrit directement dans l'évolution des systèmes lasers actuels vers des systèmes complètement fibrés. L'invention s'applique notamment à l'amplification d'impulsions très courtes, aux procédés 5 d'usinage par laser, aux expériences d'interaction laser-matière et aux télécommunications. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les FOPA, c'est-à-dire les amplificateurs 10 paramétriques optiques à fibre (en anglais, fiber gptical parametric amplifiers) ont connu un vif succès il y a quelques années, dans le domaine des télécommunications optiques. En effet, leurs larges bandes de gain représentent un intérêt de premier ordre 15 pour amplifier simultanément les nombreux canaux des signaux multiplexés en longueur d'onde (en anglais, wavelength division multiplexed signais). Ces caractéristiques se révèlent également extrêmement intéressantes pour amplifier des impulsions 20 à large spectre, qui sont étirées temporellement (en anglais, temporally stretched) afin de réduire leur puissance-crête (en anglais, peak power). En effet, jusqu'à présent, ces impulsions à dérive de fréquence (en anglais, chirped pulses) 25 étaient principalement amplifiées -soit par émission stimulée dans des matériaux massifs ou des fibres dopées à partir de terres rares, -soit dans des amplificateurs paramétriques 30 massifs à base de cristaux non-linéaires d'ordre deux (en anglais, second-order nonlinear crystals). Ces dispositifs permettent d'obtenir, après recompression, des impulsions extrêmement puissantes ; ils constituent des sources lasers de choix. Pour de nombreuses applications, la recherche constante de compacité, de stabilité et de facilité d'alignement privilégie les systèmes lasers à fibres. Mais le principe de fonctionnement de base de ces derniers requiert un stockage de l'énergie de pompe à l'intérieur des fibres, énergie qui est ensuite cédée sous forme d'émission spontanée ou stimulée. Ainsi, un signal de fluorescence est émis sur un temps suffisamment long pour que le rapport signal sur bruit soit dégradé. Dans le cas d'applications réclamant un excellent contraste, il est possible d'utiliser des amplificateurs paramétriques optiques massifs mais ceux-ci sont relativement complexes à aligner et demeurent très encombrants. Il y a quelques années, on a donc proposé 20 de réaliser les dispositifs appelés FOPCPA, déjà mentionnés plus haut, pour combiner les avantages des amplificateurs paramétriques optiques et des amplificateurs à fibre (en anglais, fiber amplifiers). Ces travaux théoriques ont rapidement été 25 confirmés par des expériences qui ont été réalisées : -dans un premier temps, aux longueurs d'ondes des télécommunications avec des signaux picosecondes, par souci de simplicité et pour démontrer la faisabilité de tels dispositifs - voir le document 30 suivant : [1] C. Caucheteur, D. Bigourd, E. Hugonnot, P. Szriftgiser, A. Kudlinski, M. Gonzalez-Herraez et A. Mussot, "Experimental demonstration of optical parametric chirped pulse 5 amplification in optical fiber", Opt. Lett., vol. 35, N° 11, pp. 1786-1788 (2010) -puis autour de 1 }gym avec des impulsions femtosecondes - voir le document suivant : [2] D. Bigourd, L. Lago, A. Mussot, A. 10 Kudlinski, J.F. Gleyze et E. Hugonnot, "High-gain optical-parametric chirped-pulse amplification of femtosecond pulses at 1 pm", Opt. Lett., vol. 35, N°20, pp. 3480-3482 (2010). Toutes ces démonstrations expérimentales ou 15 théoriques ont été effectuées avec une configuration dégénérée, dans laquelle les photons issus d'une même source de pompe sont cédés à l'onde de signal et à l'onde complémentaire (en anglais, idler wave). Indiquons dès à présent que, dans 20 l'invention, on propose l'utilisation d'une configuration non dégénérée à deux sources de pompe, dans laquelle le support du spectre de l'onde à amplifier contient la moyenne (arithmétique) des fréquences (optiques) des deux sources de pompe, ce qui 25 permet d'élargir la bande passante, ou bande de gain, de l'amplificateur. Et il est même possible de doubler cette bande passante lorsque l'onde à amplifier est approximativement injectée au centre des deux pompes, 30 c'est-à-dire lorsque le milieu du support de spectre coïncide approximativement avec la moyenne des fréquences. Le principe de fonctionnement des amplificateurs paramétriques à fibre connus est schématiquement illustré sur les figures 1 et 2. Sur ces figures, on a porté la fréquence (optique) f en abscisse et la densité spectrale de puissance d en ordonnée (échelle logarithmique). Dans le cas dégénéré (figure 1) où il n'y a qu'une pompe (signal de pompe P, de fréquence (optique) fP), le signal S à amplifier est injecté dans la bande de gain Bl-B2, du côté des hautes fréquences (B2) ou des basses fréquences (B1). A la sortie de la fibre optique F, on retrouve alors l'onde de signal Sa, qui a été amplifiée au cours de sa propagation dans la fibre, et l'onde complémentaire C qui est symétrique du signal Sa par rapport à la pompe P. Dans une configuration non-dégénérée (figure 2) où il y a deux pompes (signaux de pompe Pl et P2, de fréquences (optiques) respectives fPl et fP2, avec fPl inférieur à fP2), le principe est similaire. La bande de gain B est alors comprise entre les deux pompes ; et l'axe M (correspondant à une fréquence (optique) fM égale à (fPl+fP2)/2), équidistant de Pl et P2, constitue un axe de symétrie pour B. Le signal à amplifier S est, quant à lui, injecté sur une demi-bande spectrale qui est comprise entre fM et la fréquence de l'une des deux pompes, à savoir fPl dans l'exemple de la figure 2. Et l'onde complémentaire C est générée sur l'autre demi-bande spectrale, entre fM et fP2 dans l'exemple de la figure 2. Le principal problème posé par ces configurations réside dans le fait que l'on ne peut généralement utiliser que la moitié de la bande de gain potentielle. En effet, l'autre moitié est réservée à l'onde complémentaire qui est générée au cours de la propagation du signal. Par ailleurs, l'injection d'ondes des deux côtés (signal et onde complémentaire) est possible dans une configuration dite « sensible à la phase » (et potentiellement capable d'amplifier sans bruit). Mais cela nécessite un contrôle extrêmement délicat de la phase de chacune des ondes mises en jeu, contrôle qu'il est impossible de réaliser de façon stable. Il est également possible de profiter de la totalité de la largeur de la bande de gain de manière simultanée, en injectant plusieurs ondes monochromatiques dont les décalages spectraux sont ajustés de façon à ce que les ondes complémentaires générées ne se superposent pas voir le document suivant : [3] A. Durecu, C. Simonneau, A. Mussot, T. Sylvestre, E. Lantz, H. Maillotte, « fiber optical parametric amplifier and method for amplification of optical signals with a fiber optical parametric amplifier », demande de brevet européen EP 1 626 308, publiée le 15 février 2006. Mais cette configuration est limitée à des ondes quasi-monochromatiques. De plus, les intervalles spectraux doivent être laissés « libres » et limitent de ce fait la bande spectrale réellement utilisable. Compte tenu des limitations techniques imposées par les fibres ou les puissances de pompe, il 5 est donc notamment assez délicat d'amplifier des impulsions possédant un spectre qui s'étend sur plus de 10 nm aux alentours de 1 pm. EXPOSÉ DE L'INVENTION 10 La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé d'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence, utilisant 15 un premier signal de pompe, ayant une première fréquence optique, caractérisé en ce qu'on utilise un effet de mélange à quatre ondes entre chaque impulsion à dérive de fréquence, le premier signal de pompe et un deuxième signal de pompe, ayant une deuxième fréquence 20 optique, et en ce que la demi-somme des première et deuxième fréquences optiques appartient au support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. La présente invention a également pour objet un dispositif d'amplification paramétrique 25 optique d'impulsions à dérive de fréquence, comprenant : -une première source de pompe pour fournir un premier signal de pompe, ayant une première fréquence optique, 30 -une source d'impulsions lumineuses, -un étireur (en anglais, stretcher) pour étirer temporellement les impulsions lumineuses et fournir ainsi les impulsions à dérive de fréquence, et -un milieu pour amplifier les impulsions à 5 dérive de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième source de pompe pour fournir un deuxième signal de pompe, ayant une deuxième fréquence optique, en ce que le milieu est adapté pour produire un effet 10 de mélange à quatre ondes entre chaque impulsion à dérive de fréquence et les premier et deuxième signaux de pompe, et en ce que la demi-somme des première et deuxième fréquences optiques appartient au support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. 15 Selon un mode de réalisation préféré du dispositif, objet de l'invention, la demi-somme des première et deuxième fréquences optiques coïncide approximativement avec le milieu du support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. 20 De préférence, la moitié de l'écartement spectral entre les premier et deuxième signaux de pompe est inférieure ou égale à l'amplitude du support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. Dans la présente invention, le milieu 25 adapté pour produire l'effet de mélange à quatre ondes est de préférence une fibre optique. Et cette fibre optique est de préférence une fibre microstructurée (en anglais, photonic crystal fiber). Selon un premier mode de réalisation 30 particulier de l'invention, les premier et deuxième signaux de pompe sont continus. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, au moins l'un des premier et deuxième signaux de pompe est impulsionnel. En particulier, chacun des premier et 5 deuxième signaux de pompe peut être impulsionnel. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation 10 donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un amplificateur 15 paramétrique optique connu, comportant une seule source de pompe, et a déjà été décrite, -la figure 2 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un amplificateur paramétrique optique connu, comportant deux sources de 20 pompe, et a déjà été décrite, -la figure 3 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention, -les figures 4 à 6 illustrent 25 schématiquement des simulations numériques d'un exemple de l'invention (figure 4 : spectres d'entrée et de sortie, figure 5 : évolution de la courbe de gain, et figure 6 : signal d'entrée avant étirement puis après étirement, amplification et recompression), et -la figure 7 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 3 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un exemple du dispositif d'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence, objet de l'invention, dans lequel on utilise encore deux sources de pompe et une fibre optique. Sur la figure 3, on a encore porté la fréquence (optique) f en abscisse et la densité spectrale de puissance d en ordonnée (échelle 15 logarithmique). Pl désigne encore un premier signal de pompe, P2 un deuxième signal de pompe, fP1 la fréquence (optique) de Pl, fP2 la fréquence (optique) de P2, B la bande de gain, M l'axe équidistant de Pl et P2, fM la 20 fréquence (optique) correspondant à M, S le signal à amplifier, F la fibre optique, Sa le signal amplifié au cours de sa propagation dans la fibre et C l'onde complémentaire. Dans l'exemple considéré, le signal 25 d'entrée S (signal à dérive de fréquence) est placé au centre des deux pompes. Plus précisément, le spectre de S admet M comme axe de symétrie, et le support de ce spectre est inclus dans l'intervalle [fP1 ; fP2]. Ainsi, le milieu de ce support coïncide 30 avec (fPl+fP2)/2. Le signal S chevauche donc les côtés de la bande de gain B qui sont habituellement réservés respectivement au signal et à l'onde complémentaire. On gagne donc dans ce cas un facteur 2 sur la bande de gain. On voit aussi que le signal amplifié Sa et 5 l'onde complémentaire C occupent tous deux un intervalle de fréquences ayant fM pour milieu. Ainsi l'onde complémentaire se superpose au signal lors de l'amplification. Cependant, lors de la recompression (qui suit l'amplification), le signal 10 amplifié est comprimé mais l'onde complémentaire ne l'est pas : au contraire elle est encore un peu plus étirée car sa dérive de fréquence est opposée à celle du signal amplifié. En termes de phase (et en première 15 approximation), lors de l'étirement, une phase y est ajoutée au signal (et il n'y a pas d'onde complémentaire). Lors de l'amplification, le signal conserve cette phase y et l'onde complémentaire apparaît, avec la phase -y. Lors de la compression, la 20 phase du signal diminue d'une valeur y d'où un déphasage nul par rapport au signal avant étirement. La phase de l'onde complémentaire diminue également de cette valeur y d'où un déphasage -2y par rapport au signal. 25 L'onde complémentaire n'est donc pas comprimée et se traduit simplement par un bruit constitué par un piédestal du signal recomprimé. On est donc capable d'amplifier une impulsion courte à dérive de fréquence en utilisant 30 toute la bande passante du FOPCPA si l'on accepte un piédestal pour l'impulsion amplifiée et recomprimée. Il convient de noter que l'utilisation de toute la bande passante permet l'amplification d'impulsions très courtes. Afin de démontrer la faisabilité de l'invention, on a simulé le fonctionnement d'un amplificateur, qui est du genre de l'exemple décrit, à l'aide d'un modèle utilisant une équation de Schrodinger non-linéaire, modèle d'ailleurs validé dans le cas des impulsions à dérive de fréquence, lors d'expériences mettant en oeuvre une seule pompe - voir le document suivant : [4] D. Bigourd, L. Lago, A. Kudlinski, E. Hugonnot et A. Mussot, « Dynamics of fiber optical parametric chirped pulse amplifiers », JOSA B, vol. 28, N°11, pp. 2848-2854 (2011). Les simulations numériques sont schématiquement illustrées par les figures 4 à 6. Sur les figures 4 et 6, les puissances ont été normalisées à 1 pour plus de clarté. On note wc la pulsation médiane entre les deux pompes : C0c=7C(fPl+fP2). Et l'on utilise une fibre optique pour laquelle : -le coefficient non-linéaire y vaut 9/W/km, -le coefficient de dispersion du deuxième ordre 132(wc) vaut -2,05x10-29 s2/m, -le coefficient de dispersion du troisième ordre 133(wc) vaut 0,79x10-4° s3/m, -le coefficient de dispersion du quatrième ordre 134(wc) vaut 2,5x10-55 s4/m, et -la puissance de chacun des deux signaux de 30 pompe vaut 3W. La figure 4 montre un exemple de spectre à l'entrée de la fibre (traits pointillés) pour un signal de 200 fs qui a été étiré jusqu'à 4,5 ns et qui est placé au centre des deux pompes. Ces dernières sont espacées l'une de l'autre de 8 THz. Les longueurs d'ondes X (nm) sont portées en abscisse et les puissances Pu en ordonnée (20 dB par division). Après propagation du signal dans la fibre (longueur supérieure à 150 m), on obtient le spectre de sortie SO. On constate que le signal est effectivement amplifié. De plus, après avoir filtré spectralement ce signal pour le séparer des signaux de pompe résiduels, on constate que le gain d'amplification en énergie vaut 26 dB. L'évolution longitudinale de ce gain est représentée sur la figure 5. La longueur de fibre L(m) est portée en abscisse et le gain G(dB) en ordonnée. On constate que ce gain est quasiment exponentiel sur une première partie de la fibre et qu'ensuite il commence à saturer. Ce comportement est analogue à celui que l'on observe avec les systèmes à une seule pompe. Sur la figure 6, on a porté le temps T(ps) en abscisse et la puissance P (unité arbitraire) en ordonnée. Le signal d'entrée avant étirement est représenté par la courbe I. La forme temporelle de ce signal après étirement, amplification et recompression est donnée par la courbe II. On voit que le signal de sortie (II) est quasiment identique au signal d'entrée (I). Cela 30 démontre qu'aucune phase parasite ne s'est ajoutée au cours du processus d'amplification. En conclusion, le principal avantage de l'invention réside dans le fait qu'elle permet de multiplier par deux la largeur de la bande de gain d'un FOPCPA comportant deux pompes. Il convient de noter qu'un FOPCPA à deux pompes n'avait jamais été divulgué et que l'utilisation des deux côtés de la bande de gain est originale : l'homme du métier serait porté, comme dans les configurations FOPA à deux pompes classiques, à n'utiliser que la moitié de cette bande de gain. Certes, dans le cas d'un amplificateur paramétrique, il est connu d'injecter une onde à la fois du côté signal et du côté onde complémentaire lorsque l'on veut amplifier des signaux monochromatiques. On parle alors de configuration sensible à la phase. Une telle configuration est potentiellement capable d'amplifier sans bruit, mais nécessite un contrôle délicat de la phase de chacune des ondes considérées. Dans le cas d'impulsions à dérive de fréquence qui sont par exemple positionnées au centre des deux pompes, les phases sont imposées par le dispositif d'étirement. Il est donc complètement contraire à l'intuition d'obtenir un gain significatif dans ce cas. La figure 7 est une vue très schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention. Il s'agit d'un FOPCPA comprenant : -une source 2 d'impulsions lumineuses, qui est un oscillateur à blocage de modes dans l'exemple, -un étireur 4 pour étirer temporellement les impulsions et fournir ainsi les impulsions à dérive de fréquence, -une première source de pompe 6 qui fournit 5 des signaux de pompe impulsionnels dont la fréquence optique est notée fPl, -une deuxième source de pompe 8 qui fournit des signaux de pompe impulsionnels dont la fréquence optique est différente de fPl et notée fP2, 10 -une fibre optique 10 qui reçoit les signaux de pompe fournis par les sources 6 et 8 et qui amplifie les impulsions à dérive de fréquence, en produisant un effet de mélange à quatre ondes entre celles-ci et les signaux de pompe. 15 Le dispositif est suivi par un compresseur 12 pour comprimer temporellement les impulsions amplifiées. Les impulsions ainsi comprimées sont envoyées à un dispositif (non représenté) où elles sont 20 utilisées. La durée des impulsions avant l'étireur 4 est de l'ordre de 1 ns ou moins. Elle va typiquement de quelques femtosecondes à quelques picosecondes. Les signaux de pompe impulsionnels, fournis 25 par les sources 6 et 8, sont synchronisés avec les impulsions fournies par la source 2 à l'aide de moyens symbolisés par la double flèche 14 sur la figure 7. De tels moyens de synchronisation sont déjà connus pour les FOPA. 30 Dans une variante du dispositif représenté sur cette figure 7, seule l'une des deux sources 6 et 8 fournit des signaux de pompe impulsionnels. L'autre source fournit des signaux de pompe continus. Dans une autre variante, chacune des deux sources 6 et 8 fournit des signaux de pompe continus. 5 Dans ce cas, les moyens de synchronisation 14 ne sont pas utilisés. Conformément à l'invention, (fPl+fP2)/2 appartient au support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. Dans l'exemple considéré, 10 (fPl+fP2)/2 coïncide avec le milieu de ce support, et 1fP2-fP11/2 (c'est-à-dire la moitié de l'écartement spectral IfP2-fP11 est inférieur ou égal à l'amplitude de ce support. Mais, de préférence, on fait en sorte que 15 le support du spectre des impulsions utilise toute la bande spectrale d'amplification [fPl ; fP2] (en supposant fPl inférieur à fP2). On précise que, connaissant les impulsions à amplifier, on ajuste la configuration du FOPCPA à ces 20 impulsions. En d'autres termes, on choisit la fibre 10 et les sources de pompe 6 et 8 en fonction de ces impulsions. En pratique, les sources de pompe sont ajustables et sont ajustées aux impulsions à amplifier. La fibre optique 10 est de préférence une 25 fibre optique microstructurée, ce qui permet une plus grande liberté de conception de la fibre. De plus, il est intéressant d'utiliser une fibre optique parce que des coefficients non linéaires très importants peuvent être obtenus avec elle et que 30 l'on sait ajuster ses propriétés de dispersion. Mais on précise que la fibre 10 pourrait être remplacée par tout milieu non linéaire d'ordre 3, apte à produire un effet de mélange à quatre ondes entre les impulsions à dérive de fréquence et les signaux de pompe fournis par les sources 6 et 8.5 REVENDICATIONS1. Procédé d'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence, utilisant un premier signal de pompe (Pl), ayant une première fréquence optique (fPl), caractérisé en ce qu'on utilise un effet de mélange à quatre ondes entre chaque impulsion à dérive de fréquence, le premier signal de pompe et un deuxième signal de pompe (P2), ayant une deuxième fréquence optique (fP2), et en ce que la demi- somme des première et deuxième fréquences optiques (fPl, fP2) appartient au support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. 2. Dispositif d'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence, comprenant : -une première source de pompe (6) pour fournir un premier signal de pompe, ayant une première fréquence optique, -une source d'impulsions lumineuses (2), -un étireur (4) pour étirer temporellement les impulsions lumineuses et fournir ainsi les impulsions à dérive de fréquence, et -un milieu (10) pour amplifier les impulsions à dérive de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième source de pompe (8) pour fournir un deuxième signal de pompe, ayant une deuxième fréquence optique, en ce que le milieu (10) est adapté pour produire un effet de mélange à quatre ondes entrechaque impulsion à dérive de fréquence et les premier et deuxième signaux de pompe, et en ce que la demi-somme des première et deuxième fréquences optiques (fPl, fP2) appartient au support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la demi-somme des première et deuxième fréquences optiques (fP1, fP2) coïncide approximativement avec le milieu du support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel la moitié de l'écartement spectral entre les premier et deuxième signaux de pompe (Pl, P2) est inférieure ou égale à l'amplitude du support du spectre des impulsions à dérive de fréquence. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le milieu adapté pour produire l'effet de mélange à quatre ondes est une fibre optique (10). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la fibre optique est une fibre microstructurée (10). 7. Dispositif selon l'une quelconque des 30 revendications 2 à 6, dans lequel les premier et deuxième signaux de pompe sont continus. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel au moins l'un des premier et deuxième signaux de pompe est impulsionnel. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chacun des premier et deuxième signaux de pompe est impulsionnel.