Brevet FR3021760A1 — publié le 20151204

SYSTEME DE RECOMBINAISON SPATIALE D'IMPULSIONS LASER ULTRA-BREVES PAR UN ELEMENT DIFFRACTIF Le domaine de l'invention est celui de la recombinaison cohérente d'un grand nombre de sources lasers impulsionnelles ultra-brèves c'est-à-dire de largeur d'impulsion inférieure à la picoseconde. Le cadre de l'invention concerne la technique de recombinaison spatiale de ces impulsions lasers supposées parfaitement synchronisées par ailleurs. La recombinaison cohérente de sources lasers impulsionnelles ultra-brèves s'applique notamment à la réalisation de sources lasers de forte énergie. lo Les méthodes de recombinaison spatiale de faisceaux cohérents se classent en 2 catégories, selon que l'on choisit de juxtaposer les faisceaux optiques en champ lointain ou de les superposer en champ proche, c'est-à-dire au niveau de la pupille de sortie du système. Un système de recombinaison par juxtaposition est montré figure 15 1 a. Dans ce cas, les faisceaux à recombiner, issus de sources laser Fk, k variant de 0 à N, sont parallèles et collimatés en champ proche par une matrice de lentilles de collimation MLC, et disposés les uns à côté des autres, de la manière la plus compacte possible. La superposition des faisceaux s'effectue alors par propagation libre jusqu'au champ lointain. Un 20 tel système n'implique pas de composants dispersifs et s'applique donc indifféremment pour des largeurs d'impulsion inférieures à la picoseconde. L'inconvénient majeur de ce système est toutefois sa relativement faible efficacité, avec notamment une part significative de l'énergie perdue dans les lobes de réseau. 25 Dans le cas d'un système de superposition en champ proche, on peut par exemple recombiner les faisceaux optiques en utilisant la polarisation du champ électromagnétique : les faisceaux optiques issus des sources lasers Fk et collimatés par des lentilles de collimation CLk, sont superposés en champ proche au moyen de cubes séparateurs de 30 polarisation PBSk respectivement associés à des lames demi-onde HWPk. comme illustré par l'exemple de la figure lb. Selon ce système l'efficacité de recombinaison pour N faisceaux est donnée par : 3021760 2 Ef f = N (71 N-1 + ritc) '. I où rl est le coefficient de transmission de chaque couple (cube séparateur de polarisation / lame demi-onde). L'avantage de cette architecture est sa relative simplicité de mise en oeuvre pour un nombre réduit de faisceaux à 5 recombiner : typiquement une dizaine au maximum. Pour un grand nombre de faisceaux, d'une part la mise en oeuvre du système devient très complexe, et d'autre part, l'efficacité de recombinaison chute rapidement avec le nombre de sources (pour n =99%, l'efficacité chute à 10% pour 1000 faisceaux recombinés). Qu'il s'agisse de recombinaison en champ lointain par propagation libre de faisceaux collimatés et parallèles, ou de superposition des faisceaux en champ proche en utilisant une lame séparatrice ou un cube séparateur de polarisation, aucun de ces systèmes n'est adapté à une recombinaison d'un grand nombre d'impulsions (typiquement >100 voire 1000), soit pour des problèmes d'efficacité (lobes de réseau pour le dispositif en champ lointain), ou de mise en oeuvre pour les systèmes en champ proche. Une autre technique de recombinaison par superposition utilise un élément optique diffractif pour combiner les faisceaux. Selon cette technique illustrée figure 1c, une lentille 23 dans un montage à transformée de Fourier permet de collimater les faisceaux à recombiner (issus des sources lasers Fk) et de les diriger vers un élément optique diffractif ou DOE 1 (« DOE » acronyme de l'expression anglo-saxonne « Diffractive Optical Element ») situé dans le plan focal de la lentille 23. La distribution spatiale des points sources dans le plan objet A de la lentille 23 (distribution périodique de période PA) est transformée en distribution d'angles d'incidence sur l'élément optique DOE 1. L'élément optique 1 est typiquement un réseau de phase périodique, par exemple de type réseau de Damann, qui assure l'interférence constructive de tous les faisceaux incidents sur l'ordre 0, et destructive sur tous les autres ordres ; la période de ce réseau et les angles d'incidence sont liés par la formule connue des réseaux de diffraction : .0 sin(92k) = k x -A Les avantages de cette architecture sont notamment une grande efficacité (au-delà de 90% démontrés en régime continu), et une architecture bien adaptée à un très grand nombre de faisceaux (typiquement > 100) du fait de 3021760 3 ce positionnement collectif, d'un possible arrangement à deux dimensions, et de l'utilisation d'une seule lentille. En revanche, cette technique ne peut s'appliquer en l'état en régime d'impulsions ultra-brèves. 5 Le problème technique à résoudre consiste à transférer le plus efficacement possible l'énergie de chacune des impulsions lasers vers une seule par un processus cohérent, en dégradant le moins possible la qualité de faisceau de l'impulsion finale par rapport aux impulsions élémentaires, tout en étant compatible d'un grand nombre d'impulsions sommées, et 10 également de durée d'impulsions sub-picoseconde. La solution proposée est basée sur une recombinaison par superposition utilisant un élément optique diffractif DOE pour combiner les faisceaux. Selon l'invention, un ensemble diffractif optique est placé en 15 amont de cet élément optique diffractif pour permettre, via un système d'imagerie approprié, d'optimiser l'efficacité de combinaison en régime impulsionnel ultra-bref. Plus précisément l'invention a pour objet un système de 20 recombinaison spatiale de faisceaux lasers impulsionnels de même longueur d'onde centrée autour de Ào, issus de N sources k synchronisées, k variant de 1 à N, N étant un entier >1, qui a un axe optique et comprend : une lentille de Fourier de focale f2, de plan objet et de plan image prédéfinis, les faisceaux laser présentant à À0 une 25 configuration spatiale périodique de pas PA, dans le plan objet (plan A), - un élément optique diffractif de recombinaison à profil de phase périodique, sur lequel les N faisceaux sont destinés à être dirigés par la lentille de Fourier selon un angle d'incidence 02k 30 différent d'un faisceau à l'autre, ces angles d'incidence étant déterminés en fonction de la période de l'élément optique diffractif de recombinaison. Il est principalement caractérisé en ce que les sources sont aptes à émettre des impulsions de durée inférieure à 10-12 s, et en ce qu'il 35 comporte : 3021760 4 N éléments optiques diffractifs de compensation (DOEs) à réseau périodique avec un élément optique diffractif de compensation par source, un angle d'incidence eu différent d'un faisceau à l'autre, et un pas de réseau Alk différent entre éléments optiques diffractifs 5 de compensation voisins, - une matrice de lentilles avec une lentille par source, de plan objet et de plan image prédéfinis, formant avec la lentille de Fourier un montage à double TF de grandissement prédéterminé y, apte à imager chaque élément optique diffractif de 10 compensation sur l'élément optique diffractif de recombinaison, les DOE de compensation étant situés dans le plan objet de la matrice de lentilles, le DOE de recombinaison étant situé dans le plan image de la lentille de Fourier, le plan image de la matrice de lentilles coïncidant avec le plan objet de la lentille de Fourier, 15 et en ce que pour chaque DOE de compensation, l'angle d'incidence elk du faisceau sur le DOE de compensation, l'angle d'inclinaison ek du DOE de compensation sur l'axe optique, et le pas Alk de son réseau, sont déterminés à partir du pas PA, de k, de Ivo, du grandissement y, de la focale f2 et de la période de l'élément optique diffractif de recombinaison. 20 Selon un mode de réalisation de l'invention, les angles d'inclinaison ek des DOEs de compensation sont nuls, les DOEs étant situés dans un même plan. Les sources peuvent être disposées selon une configuration 25 spatiale à une dimension ou deux dimensions. De préférence, les réseaux DOEs de compensation sont des réseaux blazés. Selon une caractéristique de l'invention, les faisceaux issus des sources laser ont un même plan de sortie, et le système comprend une autre 30 lentille de Fourier ayant un plan objet dans lequel est situé le plan de sortie des sources laser et un plan image des sources laser. La position du plan image de cette lentille par rapport au plan dans lequel est situé l'ensemble des éléments optiques diffractifs de compensation, ainsi que l'espacement des sources dans le plan objet de la lentille, sont déterminés en fonction de la focale de la lentille de Fourier, de la période PA, et des angles eu. 3021760 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 5 les figures 1 déjà décrites représentent schématiquement des système de recombinaison spatiale de faisceaux cohérents en champ proche (fig 1 a), en champ lointain (fig 1b) et par un élément diffractif (fig 1c), les figures 2 illustrent schématiquement les problèmes posés par un système de recombinaison spatiale de faisceaux cohérents par un 10 élément diffractif : la dispersion chromatique (fig 2a), le défaut de recouvrement spatial (fig 2b), ainsi qu'un exemple de courbe du coefficient de recouvrement en fonction de la taille de la pupille (fig 2c), la figure 3 illustre schématiquement les conditions remplies par un système de recombinaison spatiale de faisceaux cohérents par un élément 15 diffractif selon l'invention, la figure 4 représente schématiquement un exemple de système de recombinaison spatiale de faisceaux cohérents par un élément diffractif selon l'invention, les figures 5 représentent schématiquement pour une seule 20 source, le principe (fig 5a) de compensation de dispersion chromatique et d'optimisation du recouvrement spatial par un système de recombinaison spatiale de faisceaux selon l'invention, une vue plus détaillée au niveau d'un DOE de compensation illustrant l'inclinaison de la répartition spatiale de l'impulsion au passage à travers un DOE de compensation (fig 5b), et la 25 construction géométrique correspondante illustrant la construction géométrique du vecteur réseau Rk,i du DOE de compensation en fonction des angles d'incidence et d'inclinaison du réseau, et du vecteur d'onde incident (fig 5c), les figures 6 illustrent schématiquement la détermination 30 graphique des angles de diffraction sur un DOE de compensation (fig 6a) et sur le DOE de combinaison (fig 6b) pour deux longueurs d'onde différentes, la figure 7 illustre un exemple de calcul des angles d'incidence et d'inclinaison des réseaux de compensation pour une optimisation du recouvrement des impulsions sur le DOE de combinaison et la compensation 35 de la dispersion chromatique, 3021760 6 les figures 8 montrent deux exemples de réalisation d'un système de recombinaison spatiale de faisceaux selon l'invention, avec des DOE de compensation disposés dans un même plan lorsque l'on privilégie la compensation chromatique (fig 8b) ou la compensation du défaut de 5 recouvrement (fig 8a). D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. La description est faite en référence à l'orientation des figures décrites. Dans la mesure où le système peut être positionné selon d'autres 10 orientations, la terminologie directionnelle est indiquée à titre d'illustration et n'est pas limitative. Lorsque le système vise à recombiner des sources lasers impulsionnelles, avec une largeur d'impulsions typiquement inférieure à 1 15 picoseconde, deux difficultés apparaissent pour la mise en place du système de recombinaison avec un DOE tel que décrit sur les figures 2 : - La première difficulté est liée à la largeur spectrale des impulsions (typiquement de l'ordre de AÀ=10nm pour At-100.10-15s). L'élément diffractif 1 est spécifié et réalisé pour 20 une longueur d'onde de fonctionnement donnée. Toutefois, une largeur spectrale de l'ordre de 10nm n'affecte pas sensiblement l'efficacité de recombinaison du DOE (typiquement quelques % de perte d'efficacité pour une largeur spectrale de 10nm). La dispersion angulaire Mo du DOE est 25 en revanche plus problématique (la composante bleue du spectre de l'impulsion sortira du DOE avec un angle différent de la composante rouge, comme illustré figure 2a). Cet effet nuit d'une part à la qualité spatiale du faisceau recombiné en augmentant sa divergence et d'autre part 30 dégrade la dispersion spatiale du faisceau et élargit temporellement l'impulsion. La deuxième difficulté est liée au recouvrement spatial d'impulsions brèves ayant des angles d'incidence différents sur le DOE. Cet effet est illustré sur la figure 2b et est lié à 35 l'étendue spatiale limitée des impulsions: limitée à 2w (à 1/e2) 3021760 7 transversalement à la direction de propagation de la lumière, et limitée à c.At dans la direction de propagation de la lumière (c la vitesse de la lumière, et At la durée de l'impulsion). On a un recouvrement parfait des impulsions pour un angle nul entre 5 les directions de propagation, et un recouvrement qui diminue lorsque cet angle augmente. Dans l'application illustrée sur la figure 1 c pour une ouverture numérique égale à 1, l'angle entre les directions de propagation dépend de la focale de la lentille de Fourier 23 utilisée, laquelle vaut au minimum la taille de la 10 pupille totale dans le plan A soit le produit du nombre de canaux (à une dimension, ou selon un diamètre du motif de disposition des sources lasers) multiplié par le pas entre 2 sources consécutives dans le plan A. La figure 2c donne le coefficient de recouvrement entre les impulsions (de durée 300 15 10-15s) calculé en fonction de la taille de la pupille dans le plan A pour la meilleure valeur de focale de la lentille de Fourier. Ce calcul illustre bien l'impossibilité d'utiliser efficacement l'architecture telle que montrée figure 1c en régime d'impulsions courtes ( REVENDICATIONS1. Système de recombinaison spatiale de faisceaux lasers impulsionnels de même longueur d'onde centrée autour de Ào, issus de N sources k synchronisées, k variant de 1 à N, N étant un entier >1, qui a un axe optique et comprend : - une lentille de Fourier (23) de focale f2, de plan objet et de plan image prédéfinis, les faisceaux laser présentant à À0 une configuration spatiale périodique de pas PA dans le plan objet (plan A), un élément optique diffractif de recombinaison (1) à profil de phase périodique, sur lequel les N faisceaux sont destinés à être dirigés par la lentille de Fourier (23) selon un angle d'incidence 02k différent d'un faisceau à l'autre, ces angles d'incidence étant déterminés en fonction de la période de l'élément optique diffractif de recombinaison, caractérisé en ce que les sources sont aptes à émettre des impulsions de durée inférieure à 1012 s, et en ce qu'il comporte : N éléments optiques diffractifs de compensation à réseau périodique avec un élément optique diffractif de compensation (211) par source, un angle d'incidence eik différent d'un faisceau à l'autre, et un pas de réseau Alk différent entre éléments optiques diffractifs de compensation voisins, - une matrice (22) de lentilles avec une lentille (221) par source, de plan objet et de plan image prédéfinis, formant avec la lentille de Fourier (23) un montage à double TF de grandissement prédéterminé y, apte à imager chaque élément optique diffractif de compensation (211) sur l'élément optique diffractif de recombinaison (1), les éléments optiques diffractifs de compensation étant situés dans le plan objet de la matrice (22) de lentilles, l'élément optique diffractif de recombinaison (1) étant situé dans le plan image de la lentille de Fourier (23), le plan image de la matrice (22) de lentilles coïncidant avec le plan objet de la lentille de Fourier (23), 3021760 16 et en ce que pour chaque élément optique diffractif de compensation (211), l'angle d'incidence 81k du faisceau sur l'élément optique diffractif de compensation, l'angle d'inclinaison Ok de l'élément optique diffractif de compensation sur l'axe optique, et le pas Alk de son 5 réseau, sont déterminés à partir du pas PA, de k, de Ào, du grandissement y, de la focale f2 et de la période de l'élément optique diffractif de combinaison (1). 2. Système de recombinaison spatiale selon la revendication 10 précédente, caractérisé en ce que les angles d'inclinaison Ok des éléments optiques diffractifs de compensation (211) sont nuls, et en ce qu'ils sont situés dans un même plan. 3. Système de recombinaison spatiale selon la revendication 15 précédente, caractérisé en ce que pour chaque élément optique diffractif de compensation (211), l'angle d'incidence elk du faisceau est tel que : y.tan(k PA / f2) = sin (elk). 20 4. Système de recombinaison spatiale selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour chaque élément optique diffractif de compensation (211), l'angle d'incidence elk du faisceau est tel que : y.tan(k PA f2) (1 tan(k PA / f2)2) = Sin (eik). 25 5. Système de recombinaison spatiale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources sont disposées selon une configuration spatiale à une dimension ou deux dimensions. 30 6. Système de recombinaison spatiale selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les faisceaux issus des sources laser ayant un même plan de sortie, il comprend une autre lentille de Fourier ayant un plan objet dans lequel est situé le plan de sortie des sources laser. 35 3021760 17 7. Système de recombinaison spatiale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que N>100. 8. Système de recombinaison spatiale selon l'une des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que les réseaux des éléments optiques diffractifs de compensation sont des réseaux blazés.