Brevet FR3013855A1 — publié le 20150529

La présente invention concerne un générateur et un procédé pour la génération d'impulsions optiques de durée inférieure au cycle optique dans l'infrarouge. Ce dispositif et ce procédé s'appliquent notamment à l'amplification paramétrique optique simultanée et colinéaire de deux bandes spectrales 15 harmoniques. D'une façon générale, on sait que les sources laser pulsées sont caractérisées par un confinement temporel de l'émission lumineuse. Pour les sources laser ultra-brèves, ce confinement permet de concentrer l'énergie lumineuse sur des 20 durées de seulement quelques femto-secondes, voire quelques dizaines de femto-secondes (lfemto-seconde = 10-15s), ce qui est typiquement supérieur à la période du cycle optique dans le proche ou moyen infrarouge. A 800 nm, par exemple, le cycle optique est de 2.7 femto-seconde. Pour certaines applications, des impulsions de durées égales ou inférieures au cycle optique 25 (durée sub-cycle) sont avantageuses. Le champ électrique est alors un champ transitoire, ce qui est une condition favorable à la génération d'harmoniques élevées X-UV dans les gaz ou les solides. De telles impulsions permettent, en particulier, de générer efficacement des impulsions X-UV atto-secondes dont la durée peut atteindre une dizaine d'atto-secondes (latto-seconde = 1048s). 30 La génération et l'amplification d'impulsions optiques de durée sub-cycle est cependant difficile en raison de la bande spectrale associée. Une impulsion sub-cycle nécessite en effet un support spectral qui correspond à environ une octave. Autrement dit, le spectre d'une impulsion sub-cycle dont la porteuse est à la fréquence optique Do doit couvrir au minimum la plage spectrale [0.5 vo, 1.5 Dol De telles bandes sont typiquement supérieures à ce que les milieux laser permettent et il faut recourir à des techniques d'amplification non linéaires complexes. Par ailleurs, pour être expérimentalement utilisable, il est préférable que l'enveloppe des impulsions soit parfaitement synchronisée avec la phase de la porteuse optique. La stabilisation, la conservation et le contrôle de la phase relative entre l'enveloppe et la porteuse (appelée CEP) sont en effet nécessaires pour que le champ électrique conserve ses propriétés d'une impulsion à l'autre. La stabilisation de la CEP requiert des dispositifs élaborés et coûteux dont la mise en oeuvre est souvent complexe. Le but de l'invention est de proposer un dispositif permettant l'amplification paramétrique optique à dérive de fréquence modifiée de manière à pouvoir 20 amplifier simultanément et collinéairement deux bandes spectrales distinctes. L'invention a pour objet un générateur d'impulsions optiques de durée inférieure au cycle optique dans l'infrarouge, comprenant : un premier dispositif pour délivrer une ou plusieurs impulsions courtes 25 à une longueur d'onde fi,1, lesquelles sont séparées et réparties suivant un premier bras et un deuxième bras, ledit premier bras contenant un premier disperseur (système optique dispersif), ledit deuxième bras contenant un deuxième dispositif pour décaler la 30 longueur d'onde initiale à une longueur d'onde 22, puis un troisième dispositif pour amplifier et contrôler l'énergie, la durée et l'instant d'arrivée d'une des impulsions issues dudit deuxième dispositif ainsi que pour bloquer périodiquement l'impulsion afin de réduire la cadence desdits premier et deuxième dispositifs, un premier non-linéariseur (dispositif non linéaire) placé en aval dudit premier disperseur pour combiner l'une des impulsions issues dudit premier bras avec une fraction de l'impulsion issue dudit deuxième bras, lequel premier non-linéariseur génère, par génération de différence de fréquence, une impulsion à la longueur d'onde 2^,3, les impulsions aux longueurs d'onde 2 et X2 étant bloquées par ledit premier non-linéariseur, un deuxième non-linéariseur placé en aval dudit premier nonlinéariseur, pour générer, par génération de seconde harmonique, une impulsion à la longueur d'onde moitié de X3, un quatrième dispositif de mise en forme spectrale, placé en aval dudit deuxième non-linéariseur, pour recevoir les impulsions aux longueurs d'onde X3 et 13/2 et pour contrôler le spectre, le délai optique, la phase spectrale et la phase absolue des impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2, un troisième non-linéariseur pour recombiner les impulsions issues dudit quatrième dispositif de mise en forme spectrale aux longueurs d'onde X3 et 13/2 avec le résiduel de l'impulsion à la longueur d'onde 12 issue dudit troisième dispositif, et pour accroître l'énergie des impulsions aux longueurs d'onde 13 et X3/2, par amplification paramétrique optique, un deuxième disperseur pour amener les impulsions issues dudit troisième non-linéariseur, aux longueurs d'onde 13 et 13/2, à leurs durées minimales et synchronisées passivement. Avantageusement, le premier bras est conçu pour introduire un retard optique 30 et la durée d'impulsion optique est allongée par le premier disperseur. Avantageusement, le quatrième dispositif de mise en forme spectrale comprend un filtre dispersif acousto-optique programmable. Les impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2 sont préférablement retardées différemment par le quatrième dispositif de mise en forme spectrale. Avantageusement, le troisième non-linéariseur comprend une série de sous- étages d'amplification paramétrique amplifiant sélectivement, soit l'impulsion à la longueur d'onde X3, soit l'impulsion à la longueur d'onde X3/2. Avantageusement, l'invention comprend tout ou partie des moyens pour : garantir une synchronisation stable entre les impulsions à 21 et X3 ainsi qu'une relation de phase stable entre ces impulsions, garantir que la phase CEP de l'impulsion à la longueur d'onde X3 soit stable du fait que la relation de phase entre les impulsions à X1 et X3 est elle-même stable. Le processus de différence de fréquence permet en effet d'éliminer les variations des CEP communes aux longueurs d'onde Xi et X3, garantir que la phase CEP de l'impulsion à la longueur d'onde X3/2 soit stable. La génération de seconde harmonique préserve en effet la CEP, garantir que la phase relative entre les impulsions aux longueurs d'onde X3 et 13/2 est stable et contrôlable (Cf le quatrième dispositif de mise en phase spectrale), simultanément comprimer et synchroniser les impulsions aux longueurs d'onde 13 et X3/2 dans un système dispersif (Cf le deuxième disperseur), ajuster la largeur spectrale des impulsions aux longueurs d'onde X3 et 13/2 au moyen du quatrième disperseur et, en conséquence, d'adapter la durée de l'impulsion finale, transformer, toujours au moyen du quatrième disperseur, la source en une source de faible largeur spectrale mais accordable, fonctionner à différentes cadences, et/ou ne pas inclure de dispositif(s) électro-optique(s) dans le deuxième bras. Un mode de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention est décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique de la structure d'un dispositif selon l'invention ; La figure 2 est une représentation schématique de la structure du dispositif selon une première variante ; et La figure 3 est une représentation schématique de la structure du dispositif selon une seconde variante. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend : un dispositif Dl délivrant une ou plusieurs impulsions courtes à une longueur d'onde Ces impulsions sont éventuellement amplifiées puis séparées et réparties suivant deux bras, ci-nommés bras let bras 2, le bras 1 ne modifie pas nécessairement la durée d'impulsion mais, préférablement un retard optique est introduit et la durée d'impulsion est allongée au moyen d'un système optique dispersif S 1, le bras 2 comprend un dispositif D2 permettant de décaler la longueur d'onde initiale à une longueur d'onde k2, le bras 2 contient un dispositif D3 permettant d'amplifier et de contrôler l'énergie, la durée et l'instant d'arrivée d'une des impulsions issues de D2. Ledit dispositif D3 permet également de bloquer périodiquement l'impulsion pour réduire la cadence des dispositifs Dl et D2, l'une des impulsions issues du bras 1 est combinée avec une fraction de l'impulsion issue du bras 2 dans un dispositif non linéaire, noté NL1, qui, par génération de différence de fréquence, génère une impulsion à la longueur d'onde X3. Les impulsions aux longueurs d'onde 11 et 2ç2 sont bloquées par NL1, l'impulsion issue de NL1 à la longueur d'onde /3 génère dans un dispositif non linéaire noté, NL2, par génération de seconde harmonique, une impulsion à la longueur d'onde moitié de X3, un dispositif de mise en forme spectrale D4, placé à la suite de NL2, reçoit les impulsions aux longueurs d'onde X3 et 13/2 et permet de contrôler le spectre, le délai optique, la phase spectrale et la phase absolue des impulsions aux longueurs d'onde X3 et 13/2. Préférablement, D4 comprend un filtre dispersif acousto-optique programmable. Les impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2 seront préférablement retardées différemment par D4, les impulsions issues de D4 aux longueurs d'onde X3 et /3/2 sont recombinées avec le résiduel de l'impulsion à la longueur d'onde X2 dans un dispositif non linéaire, noté NL3, qui, par amplification paramétrique optique, accroît l'énergie des impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2. Préférablement, NL3 comprend une série de sous-étages d'amplification paramétrique amplifiant sélectivement, soit l'impulsion à la longueur d'onde X3, soit l'impulsion à la longueur d'onde 13/2, les impulsions issues de NL3, aux longueurs d'onde 13 et 13/2, sont amenées à leurs durées minimales et synchronisées passivement au moyen d'un système dispersif S2. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le dispositif selon l'invention comprend, en addition à celui décrit selon la figure 1, un dispositif d'amplification laser supplémentaire à la longueur X2, désigné par D5, placé dans ledit bras B2 en aval dudit dispositif D3, permettant d'augmenter l'énergie de l'impulsion à la longueur 12 avant la recombinaison sur le dispositif non linéaire NL3. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, le dispositif selon l'invention comprend, en addition à celui décrit selon la figure 1, un dispositif non linéaire, noté NL4, basé soit : sur une différence de fréquence, ajouté après le dispositif S2 pour atteindre des longueurs d'onde plus élevées, sur une génération de somme de fréquence ou de génération d'harmoniques, ajouté après le dispositif S2 pour atteindre des longueurs d'onde plus faibles. La meilleure manière de réaliser l'invention est de considérer : que -1530nm, k2=1030nm, et 13-3160nm, que Dl soit un oscillateur femto-seconde fibré à base d'Erbium, émettant à 1530 nm des impulsions de durées inférieures à 40fs, que le bras 1 contienne une ligne à retard programmable, que Si soit constitué d'un ou plusieurs matériaux massifs permettant d'étirer les impulsions de Dl à une durée typique de lps, que D2 contienne une fibre non linéaire permettant de générer un super continuum couvrant au moins la plage 1000-1600 nm, un filtre spectral fibré sélectionnant la bande spectrale 1020-1040 nm et éventuellement, un ou plusieurs amplificateurs laser fibrés à base d'Ytterbium, que D3 soit un amplificateur laser à dérive de fréquence basé sur des ions Ytterbium, lequel amplifie les impulsions autour de 1025-1030 nm jusqu'à un niveau d'énergie proche de l'ordre de lmJ, que NL1 soit un cristal non linéaire retourné périodiquement de type MgO :PPLN conçu pour une différence de fréquence 1030 nm->1530 nm+3160 nm et que des miroirs dichroïques et/ou un filtre en Germanium soient placés à la sortie de NL1, que NL2 soit un cristal retourné périodiquement de type MgO :PPLN ou AGS conçu pour une génération de seconde harmonique 3160 nm+3160 nm->1580 nm, que D4 contienne un filtre dispersif acousto-optique programmable, que NL3 contienne deux étages d'amplification paramétrique optique utilisant des cristaux retourné périodiquement de type MgO :PPLN conçu pour une amplification paramétrique de type 1030 nm->1580 mn+2960 nm, et que S2 soit un constitué d'un ou plusieurs matériaux massifs. REVENDICATIONS1. Générateur d'impulsions optiques de durée inférieure au cycle optique dans l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend : un premier dispositif (Dl) pour délivrer une ou plusieurs impulsions courtes à une longueur d'onde 11, lesquelles sont séparées et réparties suivant un premier bras (B 1) et un deuxième bras (B2), ledit premier bras (BI) contenant un premier disperseur (Si) (système optique dispersif), ledit deuxième bras (B2) contenant un deuxième dispositif (D2) pour décaler la longueur d'onde initiale à une longueur d'onde ,Ç2, puis un troisième dispositif (D3) pour amplifier et contrôler l'énergie, la durée et l'instant d'arrivée d'une des impulsions issues dudit deuxième dispositif (D2) ainsi que pour bloquer périodiquement l'impulsion afin de réduire la cadence desdits premier dispositif (Dl) et deuxième dispositif (D2), un premier non-linéariseur (NL1) (dispositif non linéaire) placé en aval dudit premier disperseur (Si) pour combiner l'une des impulsions issues dudit premier bras (B1) avec une fraction de l'impulsion issue dudit deuxième bras (B2), lequel premier non-linéariseur (NL1) génère par génération de différence de fréquence, une impulsion à la longueur d'onde 13, les impulsions aux longueurs d'onde et 12 étant bloquées par ledit premier non-linéariseur (NL1), un deuxième non-linéariseur (NL2) placé en aval dudit premier non- linéariseur (NL1), pour générer, par génération de seconde harmonique, une impulsion à la longueur d'onde moitié de X3, un quatrième dispositif (D4) de mise en forme spectrale, placé en aval dudit deuxième non-linéariseur (NL2), pour recevoir les impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2 et pour contrôler le spectre, le délai optique,-10- la phase spectrale et la phase absolue des impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2, un troisième non-linéariseur (NL3) pour recombiner les impulsions issues dudit quatrième dispositif (D4) de mise en forme spectrale aux longueurs d'onde 1,3 et /3/2 avec le résiduel de l'impulsion à la longueur d'onde 12 issue dudit troisième dispositif (D3), et pour accroître l'énergie des impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2, par amplification paramétrique optique, un deuxième disperseur (S2) pour amener les impulsions issues dudit troisième non-linéariseur (NL3), aux longueurs d'onde /3 et 13/2, à leurs durées minimales et synchronisées passivement. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier bras (B1) comprend des moyens pour 15 introduire un retard optique et un allongement de la durée d'impulsion. 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quatrième dispositif (D4) de mise en forme spectrale contient un filtre dispersif acousto-optique programmable non représenté, les 20 impulsions aux longueurs d'onde 13 et 13/2 étant retardées différemment par ledit quatrième dispositif (D4) de mise en forme spectrale. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième dispositif non linéaire (NL3) comprend une 25 série de sous-étages d'amplification paramétrique amplifiant sélectivement, soit l'impulsion à la longueur d'onde 13, soit l'impulsion à la longueur d'onde /3/2. 5. Générateur selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce qu'un dispositif (D5) d'amplification laser supplémentaire à la longueur 1,2 est placé dans le deuxième bras (B2) en aval du troisièmedispositif (D3) d'amplification et de contrôle des impulsions, pour augmenter l'énergie de l'impulsion à la longueur X,2 avant la recombinaison sur le troisième non-linéariseur (NL3). 6. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un quatrième non-linéariseur (NL4), placé en aval du dispositif (S2), comprend des moyens pour : réaliser une différence de fréquence, ou, générer une somme de fréquence, ou, - générer des harmoniques. 7. Procédé pour la génération d'impulsions optiques de durée inférieure au cycle optique dans l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend : une amplification simultanée et colinéaire de deux bandes spectrales harmoniques à l'aide d'un amplificateur paramétrique optique à dérive de fréquence.