Brevet FR3017495A1 — publié le 20150814

SYSTEME LASER FEMTOSECONDE A GRANDE ENERGIE ET IMPULSION DE DUREE REDUITE DESCRIPTION Domaine technique [1] La présente invention se rapporte à un système laser femto seconde à grande énergie et plus particulièrement à un système permettant d'obtenir une impulsion laser de durée réduite. [2] Plus précisément, l'invention concerne un système de génération d'une impulsion laser à durée réduite comprenant : - des moyens de génération d'un faisceau laser d'entrée fournissant une impulsion laser femtoseconde de longueur d'onde À, se propageant selon un axe z, spatialement uniforme en amplitude ; - une lame transparente positionnée sécante à l'axe z de propagation de l'impulsion, l'impulsion laser ayant une densité de puissance surfacique telle qu'elle induit une automodulation de phase lors de la traversée de l'impulsion dans la lame transparente de sorte à générer une impulsion laser à spectre élargi ; - des moyens de compression agencés pour compresser l'impulsion laser à spectre élargi de sorte à générer une impulsion laser à durée réduite. Etat de la technique [3] Un tel système est connu de l'homme du métier, notamment par l'exemple qu'en donne le brevet de la demanderesse FR 2 934 722, déposé le 1 août 2008. [4] Toutefois, avec l'augmentation d'énergie fournie par les lasers femto seconde de nouvelle génération, par exemple le laser ELI-NP développé en Roumanie et qui délivre 10PW, la section utile du faisceau laser dépasse la dizaine de centimètres alors que l'épaisseur de la lame 3 0 transparente doit être faible, inférieure au millimètre. [5] II devient alors difficile, et coûteux, de fabriquer les lames en quartz ou en silice nécessaire. [6] II existe donc un réel besoin pour un dispositif palliant ces défauts, inconvénients et obstacles de l'art antérieur, en particulier d'un dispositif permettant de maîtriser la fabrication des lames transparentes, réduire les coûts et d'améliorer la densité d'énergie des impulsions produites. Description de l'invention [7] Avec cet objectif en vue, le système selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce que les moyens de génération du faisceau laser d'entrée sont adaptés pour que l'impulsion ait une énergie supérieure à 1 Jouleet la lame transparente est formée d'une pellicule flexible transparente. [8] Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont : - la pellicule flexible est formée par un procédé en continu ; - la pellicule flexible est composé d'un des matériaux suivants : polymères thermoplastiques amorphes, PVdC, PVC additivé, tri acétate de cellulose, polyester ; - l'impulsion laser étant polarisée, la pellicule flexible transparente est disposée selon un angle de Brewster avec l'axe z de façon minimiser la réflexion partielle du faisceau laser d'entrée sur la pellicule ; - la pellicule flexible a une épaisseur inférieure à 1 millimètre et un diamètre supérieur à 15 centimètres ; - en aval de la pellicule flexible est disposé un dispositif correcteur de front d'onde de sorte à corriger les décalages de front d'onde générés par les irrégularités d'épaisseur de la pellicule flexible ; - le dispositif correcteur de front d'onde est un miroir déformable ; - le faisceau laser d'entrée est focalisé par un premier miroir ayant un point focal f, ledit premier miroir étant positionné entre les moyens de génération et la lame plane transparente, et la lame transparente étant positionnée entre ledit premier miroir et son point focal f ; - le premier miroir est un miroir parabolique ; - un filtre spatial est positionné à la hauteur du point focal f du premier miroir ; - un second miroir est positionné en aval du point focal f du premier miroir et a une focale adaptée pour fournir aux moyens de compression un faisceau à spectre élargi ayant une image à l'infini ; et/ou - le second miroir est un miroir déformable adapté pour corriger les variations de front d'onde de l'impulsion générées par les variations d'épaisseur de la pellicule flexible. Brève description des figures [09] 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 représente un premier mode de réalisation d'un système selon l'invention; - La figure 2 représente la forme des impulsions laser ; - La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation; et - La figure 4 représente un troisième mode de réalisation. Modes de réalisation [10] Selon un premier mode de réalisation général représenté sur la figure 1, un système 1 de génération d'impulsion laser à haute énergie et à durée réduite comprend des moyens de génération 3 d'un faisceau laser d'entrée 4 fournissant une impulsion laser femtoseconde de longueur d'onde À, se propageant selon un axe z, spatialement uniforme en amplitude. L'énergie de l'impulsion est supérieure à 1 Joule. De préférence, ce laser est capable de produire des impulsions ayant une énergie supérieure à 10 J, voire 100 J. En effet, pour ce type de laser, souvent appelé laser « top hat ». plus l'énergie est élevée, plus lala distribution d'énergie est uniforme sur toute la largeur de l'impulsion. [11] Un exemple d'un tel laser est le laser CETAL de Bucarest qui est un laser petawatt capable de produire des impulsions de 25 Joules et de 25 femtosecondes avec une distribution d'énergie pratiquement constante sur l'ensemble de la section des impulsions. [12] On peut également citer le laser BELLA (acronyme pour « Berkeley Lab Laser Accelerator) comme exemple de laser petawatt. [13] Ces lasers produisent des faisceaux ayant des sections de diamètre supérieur à 10 cm, typiquement entre 15 et 25 cm. Dans l'espace, on peut imager une telle impulsion comme une « galette » de photons ayant sur l'axe z une épaisseur égale à la « vitesse de la lumière » par la « durée de l'impulsion » et dans un plan perpendiculaire à cet axe z une forme circulaire d'un diamètre déterminé par les capacités du laser. [14] Une lame transparente sous forme d'une pellicule flexible 5 est positionnée sur la trajectoire du faisceau laser d'entrée 3. [15] Par transparente, on entend que la pellicule est transparente au moins à la longueur d'onde À du faisceau laser d'entrée ainsi qu'à l'ensemble du spectre utile autour de cette longueur d'onde À. [16] Cette pellicule est destinée à générer un élargissement du spectre de l'impulsion par une automodulation de phase (en anglais « self-phase modulation » ou SPM) générée par l'indice de réfraction n2 non-linéaire du matériau composant la pellicule et l'intensité de l'impulsion (effet Kerr). [17] On remarquera que pour obtenir un effet significatif, l'intensité doit être suffisamment grande. Ainsi, typiquement, la densité surfacique de puissance est supérieure à 1012 W/cm-2. [18] Par ailleurs, l'impulsion laser d'entrée 3 étant spatialement uniforme en amplitude, l'intensité de l'impulsion et la densité surfacique de puissance sont également constantes sur toute la section de l'impulsion. On obtient ainsi un effet identique pour les photons passant au centre que pour les photons en périphérie de l'impulsion. [19] En complément de l'automodulation de phase, la pellicule 5 génère une dispersion de vitesse de groupe (en anglais « Group Velocity Dispersion » ou GVD) qui étire légèrement l'impulsion. [20] La contribution des deux effets permet la formation d'une impulsion chirpée linéairement, et plus généralement ayant un spectre élargi. [21] Traditionnellement, la lame transparente est formée par un quartz, une silice SiO2 ou un verre borosilicate crown comme le BK7, ou N-BK7 (appellation commerciale de Schott AG). [22] La fabrication de telle lame consiste à prendre un verre plat, par exemple un verre flotté (en anglais « float »), puis à l'amincir par polissage jusqu'à obtenir l'épaisseur désirée avec la précision demandée, qui peut être inférieure au dizième de longueur d'onde. [23] Dans le systéme décrit, le verre est remplacé par une pellicule transparente flexible, ductile, typiquement en plastique. [24] Le matériau utilisé peut être choisi, par exemple, parmi les polymères thermoplastiques amorphes, le PVdC, le PVC additivé, le triacétate de cellulose, le polyester, etc. [25] Ces matériaux ont l'avantage de se travailler facilement par des procédés en continu comme l'extrusion ou le laminage pour obtenir des pellicules de faible, voire très faible (inférieure au demi millimètre) épaisseur. [26] Le choix du matériau est fait en fonction de ses qualités optiques de transparence par rapport à la longueur d'onde À du laser et de son indice de réfraction n2 non-linéaire ainsi que de sa capacité mécanique à produire des pellicules ayant une épaisseur uniforme inférieure au millimètre. [27] II est à noter que plus les énergies mises en jeu sont importantes, plus l'épaisseur de la pellicule transparente doit être réduite. Ainsi, comme le montre la simulation décrite ci-après, il est particulièrement avantageux d'être capable de réaliser des pellicules ayant une épaisseur inférieure à 500 pm, voire inférieure ou égale à 100 pm. [28] II est souhaitable que la variation d'épaisseur soit inférieure à la longueur d'onde À du laser. Cependant la variation de front d'onde générée par cette variation d'épaisseur peut également être corrigée par un miroir déformable. [29] La flexibilité de la pellicule est un élément à prendre en compte pour la facilité de mise en oeuvre et la diminution des risques de casse, contrairement aux matériaux traditionnels (verre, quartz) qui sont fragiles, non ductiles. [30] De ce point de vue, il est à noter que, pour la qualité de l'effet d'automodulation de phase et/ou de la dispersion de vitesse de groupe, il n'est pas nécessaire que la pellicule soit plane. Par contre, un paramètre significatif est l'épaisseur puisque, en première approximation, l'intégrale B qui définit l'élargissement du spectre est proportionnelle à la longueur du matériau traversé, donc à l'épaisseur de la pellicule. [31] Comme indiqué ci-dessus, le maintien de la surface d'onde et la possibilité d'atteindre la tache de diffraction la plus petite possible peuvent être réalisés par l'utilisation d'un miroir déformable (non représenté) en aval de la pellicule flexible 5. [32] Ainsi, avantageusement, une lame de verre poli qui peut coûter plusieurs milliers d'euros est remplacée par une pellicule plastique qui coûte quelques euros, ou dizaines d'euros. [33] Cet avantage est d'autant plus intéressant que, vu l'énergie des impulsions laser, des irrégularités optiques peuvent entrainer des points chauds destructifs dans la pellicule 5. [34] Dans le système décrit, en aval de la pellicule flexible 5 est positionné un compresseur d'onde 7, typiquement sous forme de miroirs chirpés en série, pour transformer l'impulsion à spectre élargi en une impulsion de durée réduite. [35] La figure 2 image les différents états de l'impulsion en amont de la pellicule 5 pour la colonne A, en aval de celle-ci et en amont du compresseur d'onde 7 pour la colonne B et après le compresseur d'onde 7 pour la colonne C. [36] La première ligne 8 schématise la durée de l'impulsion. Dans le deuxième état, elle est légèrement augmentée par l'effet de dispersion de vitesse de groupe, t2 t1. Alors que le compresseur 7 va réduire celle-ci, t3 AÀi. Le spectre reste pratiquement inchangé après passage dans le compresseur d'onde 7, donc AÀ3 = AÀ2. La troisième ligne 19 schématise l'amplitude constante sur la section de l'impulsion qui se retrouve aux deux premières étapes du système. Cependant, le principe de conservation de l'énergie fait qu'en sortie du compresseur, la durée de l'impulsion ayant été réduite, l'amplitude augmente en proportion. [37] Dans le deuxième mode de réalisation illustré en Figure 3, les éléments communs au mode de réalisation de la Figure 1 ont les mêmes références. [38] Sur le chemin optique du faisceau laser d'entrée 3 est positionné un premier miroir 11 ayant un point focal f. Ce premier miroir 11 est positionné entre les moyens de génération 3 et la pellicule flexible 5 de telle sorte que la pellicule flexible 5 se trouve entre le premier miroir 11 et son point focal f. [39] Avantageusement, ce premier miroir 11 est un miroir parabolique ayant une ouverture numérique d'environ 10. [40] Ceci permet avantageusement de focaliser le faisceau et, en déplaçant la pellicule flexible 5 d'amont en aval d'augmenter, ou de diminuer en déplaçant d'aval en amont, l'intensité du faisceau sur la pellicule. [41] De plus, ce miroir permet également d'éliminer les hautes fréquences spatiales produites par les non uniformités du faisceau. [42] A la hauteur du point focal f ou, plus précisément, au point de focalisation du faisceau, celui-ci pouvant être légèrement décalé du point focal f par la présence de la pellicule flexible 5, un filtre spatial 13 est positionné. La dimension du filtre spatial 13 est adaptée pour éliminer les composantes spatiales du faisceau non focalisées. [43] En aval du filtre spatial 13 un second miroir 15 est positionné. Ce second miroir 15 est avantageusement un miroir parabolique permettant de réimager le faisceau à l'infini. [44] De plus, avantageusement le second miroir 15 est également déformable, ce qui permet de rattraper les déformations de fronts d'onde éventuellement générées par des variations de l'épaisseur de la pellicule flexible. [45] On notera que l'impulsion peut être mesurée en aval de ce second miroir 15 par un autocorrélateur (en anglais « single shot auto correlator ») non représenté. [46] Dans un troisième mode de réalisation, Figure 4, le système est composé de 2 systèmes comme celui de la Figure 2 en série, c'est-à-dire que l'impulsion à durée réduite en sortie du premier système est injectée dans le second système pour obtenir une impulsion de durée encore plus réduite. [47] Des simulations montrent qu'un tel système à deux étages permet d'obtenir des durées d'impulsion de 2fs, c'est-à-dire de l'ordre de la période de la lumière. [48] Pour cela, en entrée, un laser produit une impulsion de 25 J et 25 fs. Un premier film d'épaisseur environ 500 pm génére sur l'impulsion un B d'environ 6. Après compression, l'impulsion obtenue a une durée de 5fs. Le second étage est similaire au premier étage sauf que la pellicule flexible a une épaisseur d'environ 100 pm et génère un B d'environ 4. Le diamètre de la feuille est d'environ 20 cm pour accepter un faisceau de diamètre 16 cm. A la sortie de ce second étage, l'impulsion a une durée de 2 fs. [49] 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. [50] Par exemple, dans les différentes figures, la pellicule flexible 5 est représentée perpendiculaire à l'axe z du faisceau laser. Or, il est avantageux d'incliner la lame selon l'angle de Brewster en tenant compte de la polarisation du faisceau laser de façon à minimiser la réflexion partielle du faisceau laser d'entrée sur la pellicule. En effet, et de façon générale, l'objectif étant d'obtenir une impulsion la plus énergétique et la plus concentrée en énergie possible, il est souhaitable de limiter les pertes diverses comme celles dues aux réflexions parasites sur la pellicule 5. [51] Une autre variante de réalisation consiste à séparer la fonction « miroir déformable » et la fonction « image à l'infini » assurées par le second miroir 15 du deuxième mode de réalisation en les faisant réaliser par deux miroirs distincts bien que le deuxième mode de réalisation soit préféré car permettant de réaliser un système plus compact. [52] Par ailleurs, de la même façon que le troisième mode de réalisation comprend 2 étages en série, on comprend qu'il est possible de faire un système ayant 3, 4 ou plus étages en série. [53] Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclue pas d'autres éléments et l'article indéfini « un/une » n'exclue pas une pluralité. 10 REVENDICATIONS1. Système (1) de génération d'une impulsion laser à durée réduite comprenant : - des moyens de génération (3) d'un faisceau laser d'entrée fournissant une impulsion laser (4) femtoseconde dé longueur d'onde A, se propageant selon un axe z, spatialement uniforme en amplitude ; - une lame transparente (5) positionnée sécante à l'axe z de propagation de l'impulsion, l'impulsion laser ayant une densité de puissance surfacique telle qu'elle induit une auto modulation de phase lors de la traversée de l'impulsion dans la lame transparente de sorte à générer une impulsion laser à spectre élargi ; - des moyens de compression (7) agencés pour compresser l'impulsion laser à spectre élargi de sorte à générer une impulsion laser à durée réduite, le système étant caractérisé en ce que les moyens de génération (3) du faisceau laser d'entrée sont adaptés pour que l'impulsion ait une énergie supérieure à 1 Joule, et la lame transparente (5) est formée d'une pellicule flexible transparente. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule flexible (5) est formée par un procédé en continu pour obtenir une épaisseur inférieure au millimètre. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pellicule flexible (5) est composé d'un des matériaux suivants : polymères thermoplastiques amorphes, PVdC, PVC additivé, tri acétate de cellulose, polyester. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'impulsion laser étant polarisée, la pellicule 11 3017495 flexible (5) est disposée selon un angle de Brewster avec l'axe z de façon minimiser la réflexion partielle du faisceau laser d'entrée sur la pellicule. 5 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pellicule flexible (5) a une épaisseur inférieure à 1 millimètre et un diamètre supérieur à 15 centimètres. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que, en aval de la pellicule flexible (5) est disposé un dispositif correcteur de front d'onde (15) de sorte à corriger les décalages de front d'onde générés par les irrégularités d'épaisseur de la pellicule flexible. 15 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif correcteur de front d'onde (15) est un miroir déformable. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser d'entrée (4) est focalisé par un 20 premier miroir (11) ayant un point focal f, ledit premier miroir étant positionné entre les moyens de génération (3) et la lame plane transparente (5), et la lame transparente étant positionnée entre ledit premier miroir et son point focal f. 25 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier miroir (11) est un miroir parabolique. 10. Système selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'un filtre spatial (13) est positionné à la hauteur du point focal f du premier 30 miroir. 10 12 3017495 11. Système selon la revendication 8, 9 ou 10, caractérisé en ce qu'un second miroir (15) est positionné en aval du point focal f du premier miroir et a une focale adaptée pour fournir aux moyens de compression un faisceau à spectre élargi ayant une image à l'infini. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le second miroir (15) est un miroir déformable adapté pour corriger les variations de front d'onde de l'impulsion générées par les variations d'épaisseur de la pellicule flexible. 5