Brevet FR3061366A1 — publié le 20180629

CHAINE AMPLIFICATRICE A DERIVE DE FREQUENCE ET A PLUSIEURS SORTIES Le domaine de l'invention est celui des chaînes amplificatrices à dérive de fréquence et à plusieurs sorties. On rappelle qu'une chaîne amplificatrice à une sortie comporte en entrée un étireur ayant pour fonction d'étirer temporellement une impulsion laser avec un taux d'étirement tx_etirement, l'impulsion étirée étant alors amplifiée par un amplificateur puis compressée par un compresseur temporel 10 de taux de compression tx_compression = tx_etirement, placé dans une enceinte à vide, comme illustré figure 1. On trouve parfois dans la littérature tx_compression = - tx_etirement par convention, convention non retenue dans la suite. Le compresseur a pour fonction de compenser l'étirement de l'étireur. L'étireur et les compresseurs comportent typiquement des réseaux 15 de diffraction. Une chaîne amplificatrice à M sorties comporte en sortie de l'étireur 100, M amplificateurs en cascade, chaque amplificateur 20; i variant de 1 à M étant associé à son propre compresseur (il y a donc M compresseurs 30), l'ensemble des sorties de chaque compresseur formant 20 les M sorties de la chaîne, comme illustré figure 2. A la sortie de chaque amplificateur laser, le faisceau laser peut être envoyé vers le compresseur associé audit amplificateur, ou vers l'amplificateur suivant. Le long du parcours de l'impulsion à travers une chaîne amplificatrice, l'impulsion doit respecter certaines contraintes dont les 25 paramètres de fluence et d'énergie de chaque élément optique, ce qui amène à définir pour chaque élément optique un diamètre minimal de faisceau incident. Dans le cas d'une chaîne amplificatrice à plusieurs sorties, cela signifie que plus il y a d'amplificateurs, plus ce diamètre minimal de faisceau augmente (l'étalement spatial du faisceau augmente) au fur et à 30 mesure de la position de l'amplificateur dans la cascade, et plus les dimensions de l'amplificateur concerné augmentent. Les dimensions de chaque élément étant calculées au plus juste en fonction de ce diamètre, notamment pour des raisons d'encombrement et de coût, cela revient à augmenter les dimensions de l'élément optique ainsi donc que son coût. Le 3061366 2 diamètre minimal est le plus important en fin de chaîne c'est-à-dire en entrée du compresseur de sortie n°M. Le dernier compresseur sur la dernière sortie reçoit une impulsion laser de forte énergie et donc de grand diamètre pour garantir la tenue au flux laser des réseaux utilisés dans ce compresseur. 5 Pour limiter le vignettage du faisceau laser dans ce compresseur les réseaux sont éloignés les uns des autres, ce qui se traduit par une augmentation du taux de compression qui dès lors n'est plus égal au taux d'étirement de l'étireur (qui avait été calculé pour la tenue au flux des optiques des amplificateurs laser sans tenir compte de ce vignettage). On rappelle en effet 10 que le taux de compression est proportionnel à la distance entre les réseaux. Comme le taux d'étirement doit être égal au taux de compression afin de retrouver en sortie la durée d'impulsion limitée par la transformée de Fourier, l'étireur doit être adapté à ce dernier compresseur et doit avoir un taux d'étirement égal au taux de compression du dernier compresseur 15 (compresseur n°M). Il est par la suite nécessaire d'adapter tous les compresseurs intermédiaires (compresseur n°1 à M-1) au taux d'étirement de l'étireur. La distance entre leurs réseaux devient plus importante que s'ils étaient utilisés comme sortie unique, ce qui contraint à augmenter les dimensions de leurs réseaux et de leur enceinte à vide. 20 On va illustrer ce problème dans l'exemple suivant avec de très fortes énergies et de fortes puissances. On considère par exemple une chaîne à deux sorties avec un étireur de taux d'étirement égal à 10ps/nm, une énergie de 25 J en sortie de 25 l'amplificateur n°1, une puissance de 1 PW en sortie du compresseur n°1, une énergie de 250 J en sortie de l'amplificateur n°2, une puissance de 10 PW en sortie du compresseur n°2. Les réseaux de diffraction que comporte chaque compresseur ont typiquement une tenue au flux de l'ordre de 200mJ/cm2. Chaque 30 compresseur est donc dimensionné pour travailler avec une fluence moyenne de 100mJ/cm2 afin d'avoir de la marge de sécurité et ne pas risquer d'être endommagé. Avec de telles hypothèses cela nécessite un compresseur n°2 très volumineux, pour lequel il faut écarter les différents réseaux de diffraction 35 afin d'éviter tout vignettage. Le taux de compression d'un tel compresseur 3061366 3 devient important, typiquement 14 ps/nm, différent du taux d'étirement. Il faut alors revoir la configuration de l'ensemble de la chaîne. Une première solution consiste à utiliser un compresseur n°1 de 5 même taux de compression que le compresseur n°2, ce taux de compression étant égal au taux d'étirement, soit 14 ps/nm dans notre exemple. Pour cela les réseaux de diffraction du compresseur n°1 sont plus éloignés que pour un taux d'étirement de 10ps/nm ; ils doivent donc être plus grands. L'enceinte à vide du compresseur n°1 doit être elle aussi plus volumineuse. Une autre solution consiste à utiliser des compresseurs de taux de compression différents, par exemple 10 ps/nm pour le compresseur n°1, 14 ps/nm pour le compresseur n°2 et à modifier le taux d'étirement de l'étireur en fonction de la sortie envisagée, par exemple en motorisant le deuxième réseau de l'étireur. Or l'étireur est un élément critique. Un exemple d'étireur 10 à réseaux de diffraction est montré figure 3; il s'agit d'un étireur comportant un triplet d'Offner 1 et deux réseaux de diffraction 11, 12 parallèles entre eux. Dans cette configuration, l'optique que constitue le triplet d'Offner est composé d'un miroir concave 2 et d'un miroir 20 convexe 3 dont le rayon de courbure vaut la moitié de celui du concave. Ces miroirs sont placés dans une géométrie concentrique. Le triplet d'Offner produit une image de la même taille que l'objet. Il est placé sur le trajet que parcourent les impulsions entre les deux réseaux de diffraction 11, 12 inclinés. On peut faire subir un ou plusieurs passages (noté nbre_pass_ETR 25 dans la suite) dans l'étireur au moyen d'un prisme de repli (dièdre 13) comme montré sur la figure. La quantité de dispersion introduite par l'étireur est déterminée par la distance G_ETR entre les deux réseaux 11, 12. Lors de la translation motorisée d'un des deux réseaux, ceux-ci doivent rester parallèles l'un à l'autre pour ne pas introduire d'aberrations 30 chromatiques. Leurs traits gravés doivent aussi rester parallèles l'un par rapport à l'autre : les traits d'un réseau sont parallèles aux traits de l'autre réseau. Comme on le voit sur la figure 3, il faut donc translater le plus grand des deux réseaux (le réseau 11) donc le plus lourd, avec une très 35 bonne stabilité en roulis/lacet/tangage. 3061366 4 Le passage rapide d'une sortie à l'autre peut donc nécessiter une reprise du réglage de l'étireur, et donc un contrôle des aberrations chromatiques en sortie d'étireur. Une telle procédure prend du temps. On voit aussi sur la figure 3 qu'il faut surdimensionner le dièdre 13 de manière non 5 négligeable. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour une chaîne amplificatrice à dérive de fréquence et à plusieurs sorties donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes 10 de stabilité de réglage, de facilité de fonctionnement, d'encombrement et de coût. Plus précisément l'invention a pour objet une chaîne amplificatrice d'une impulsion, à dérive de fréquence à M sorties, avec M>1, qui 15 comprend : - un étireur de taux d'étirement tx_etirement, - M amplificateurs en cascade, - M compresseurs de sortie, respectivement placés en sortie de chaque amplificateur. Elle est principalement caractérisée en ce qu'elle comprend : - un dispositif de compression partielle placé entre l'étireur et le premier amplificateur, ce dispositif de compression partielle ayant au moins un taux de compression partielle, le (ou les) taux de compression partielle étant inférieur(s) à tx_etirement, et - un commutateur optique configuré pour recevoir un faisceau de sortie de l'étireur et le diriger directement vers le premier amplificateur de la cascade ou vers le dispositif de compression partielle en fonction d'un compresseur de sortie choisi parmi les compresseurs de sortie. Ce dispositif de compression partielle qui est placé entre l'étireur et l'amplificateur n°1, permet d'adapter le taux d'étirement au taux de compression des différents compresseurs de sortie. Le faisceau sortant de l'étireur est envoyé au moyen du commutateur optique, soit vers le dispositif de compression partielle, soit 3061366 5 directement vers l'amplificateur n°1. L'utilisateur passe donc rapidement d'un mode de fonctionnement à l'autre, sans reprise des réglages de l'étireur comme dans l'art antérieur. Cela permet à la fois d'éviter de motoriser un composant diffractif 5 de l'étireur et d'obtenir des compresseurs intermédiaires (1 à M-1) aussi compacts que possible. Lorsque M>2, le dispositif de compression partielle peut comporter un compresseur partiel à taux de compression réglable, par exemple obtenu 10 par motorisation d'un des réseaux de diffraction pour un compresseur partiel à réseaux de diffraction. Selon une alternative, lorsque M>2, le dispositif de compression partielle comporte L compresseurs partiels, 1 tx_étirement_tenue_flux 10 et comme l'énergie reçue par le compresseur n°i est supérieure à l'énergie reçue par le compresseur n° i-1 (compresseur 30;_1), on a : tx_étirement(i) tx_étirement(i-1). Concernant le compresseur n°M, c'est le vignettage qui contraint la distance entre les réseaux de ce compresseur n° M (compresseur 30m), plus que la 15 tenue au flux des optiques des différents amplificateurs laser 201 à 20m. - tx_étirement_max = max [tx_étirement(i)] = tx_étirement(M). Le taux d'étirement de l'étireur 10 vaut tx_étirement_max. - tx_compression_partiel, le taux de compression du dispositif 50 de compression partielle, qui est un paramètre à optimiser. 20 Pour les sorties i qui vérifient : tx_étirement(i)5. tx_étirement_max - tx_compression_partiel le faisceau laser en sortie d'étireur 10 est dirigé vers le dispositif 50 de compression partielle par le commutateur optique 40. 25 Pour les autres sorties (telles que tx_étirement(i)> tx_étirement_max - tx_compression_partiel), le faisceau laser en sortie de l'étireur 10, est dévié par le commutateur optique 40 pour éviter le dispositif de compression partielle 50; il est directement dévié vers l'amplificateur n°1. C'est le cas notamment pour la dernière sortie (= sortie du compresseur n° 30 M). Ainsi, l'impulsion laser passe d'abord dans l'étireur 10. Suivant la sortie n° i qui est utilisée, i variant de 1 à M, soit l'impulsion est envoyée dans le dispositif de compression partielle 50, soit elle est envoyée directement à l'étape suivante. 3061366 11 L'impulsion laser passe ensuite dans la série des amplificateurs 201 jusqu'à 20i. Elle est ensuite déviée vers le compresseur 30. Elle ne passe pas dans l'amplificateur 20j+1. 5 Les différents compresseurs des différentes sorties ont des paramètres géométriques équivalents à ceux de l'étireur : 19_CPR(i) et N CPR(i) sont proches des paramètres ETR et N ETR de l'étireur. Ils sont égaux en théorie mais proches en pratique compte tenu des matériaux dispersifs (des cristaux d'amplification par exemple) entre étireur et 10 compresseurs. Leur distance inter réseaux G_CPR(i) est adaptée au taux de compression souhaité. Le dispositif de compression partielle est par exemple un compresseur de Treacy 50a décrit en relation avec la figure 6 avec des paramètres géométriques équivalents à ceux des autres compresseurs 30; et 15 de l'étireur 10 : même e_CPR, même N CPR. Il comprend : Un premier réseau de diffraction 51a, un deuxième réseau de diffraction 52a. Les réseaux 51a et 52a ont le même nombre de traits, ils sont parallèles et leurs traits sont parallèles entre eux. Ils peuvent être de taille différente, typiquement la largeur de 52a est plus grande que celle de 51a. Un dièdre 20 60a permet de renvoyer les rayons laser vers 52a et de changer leur hauteur. Les rayons laser passent donc dans l'ordre sur 51a, 52a, 60a, 52a, 51a. La distance G_CPR_partiel(i) est de l'ordre de : 25 G _ CPR partiel(0= G ETR x nbre_pass_ETR - G CPR(i). _ On en déduit le taux de compression du compresseur partiel : tx_compression_partiel. On peut aussi écrire : tx_compression_partiel (i)= tx_étirement(M)- tx_étirement(i). Lorsque les compresseurs de sortie intermédiaires n° 1 à M-1 (301 30 à 30m_1) ont tous le même taux de compression, le dispositif de compression partielle 50 comporte typiquement un seul compresseur partiel 50a de taux de compression constant dont un exemple est montré figure 6. Lorsque les compresseurs n° 1 à M-1 n'ont pas tous le même taux de compression (avec des taux de compression croissants), le dispositif de 35 compression partielle 50 peut comporter plusieurs compresseurs partiels, 3061366 12 typiquement autant que de compresseurs 30; à taux de compression différents. Le taux de compression partielle de chacun de ces compresseurs partiels est constant et déterminé en fonction du (ou des) compresseur(s) de sortie lui correspondant. Ces compresseurs partiels sont disposés en 5 parallèle. Selon une alternative, le dispositif de compression partielle 50 comporte un (voire plusieurs) compresseur partiel à taux de compression réglable en fonction du compresseur de sortie correspondant. Ce taux réglable est par exemple obtenu en utilisant un compresseur dont : 10 - le deuxième réseau de diffraction 52a est motorisé en translation selon la direction du rayon moyen correspondant à la longueur d'onde du centre du spectre entre 51a et 52a dans le cas d'un compresseur 50a à deux réseaux + dièdre de repli dont un exemple est montré figure 7, le dièdre 60a étant alors surdimensionné pour les mêmes raisons que l'étireur montré sur la 15 figure 2, ou - les deuxième et troisième réseaux de diffraction 52b, 53b sont motorisés en translation selon la direction du rayon moyen correspondant à la longueur d'onde du centre du spectre entre 52b et 53b dans le cas d'un compresseur 50b à deux paires de réseaux 51b, 52b, 53b, 54b comme montré sur la figure 20 8. Cette chaîne amplificatrice selon l'invention permet à la fois d'éviter de motoriser un composant diffractif de l'étireur et d'utiliser des compresseurs intermédiaires (301 à 30m-1) aussi compacts que possible. 25 On va décrire un exemple de réalisation ayant comme spécifications : - Spectre centré sur 800nm, gaussien, de largeur à mi-hauteur 60nm. Le vignettage du spectre 720-890nm doit être minimisé. 30 - 3 amplificateurs laser avec des cristaux Ti :Sa pompés par des lasers à 532nm. - 3 compresseurs de sortie (un après chaque amplificateur laser). - taux d'étirement minimum: tx_étirementtenue_flux =9.58 ps/nm. Ce taux d'étirement permet de ne pas endommager les optiques des amplificateurs 35 laser. 3061366 13 Paramètres des amplificateurs: énergie sortie énergie sortie ampli (J) CPR (J) sortie 1 3.6 2.5 sortie 2 35.7 25 sortie 3 357.1 250 5 On choisit de travailler avec des compresseurs à base de réseaux holographiques classiques, avec 1480 traits/mm. L'angle d'incidence est choisi voisin de 56° (compromis entre efficacité de diffraction sur la bande spectrale utile, et limitation du vignetage). 10 La fluence maximale pour des réseaux de diffraction holographique est voisine de 110mJ/cm2. On obtient les diamètres suivants en entrée des 3 compresseurs : diamètre entrée CPR (mm) surface (cm2) compresseur 1 48 18 compresseur 2 152 182 compresseur 3 481 1816 15 La distance G_CPR(3) = 980mm est fixée pour limiter le vignettage dans le compresseur n°3. Le taux de compression du compresseur n°3 vaut 14.1 ps/nm. Il est donc plus élevé que nécessaire pour assurer seulement la tenue au flux c'est-à-dire plus grand que tx_étirement_tenue_flux =9.58 ps/nm. 20 Selon l'invention, l'étireur est conçu pour avoir le même taux d'étirement que le compresseur M en bout de chaîne, en l'occurrence le compresseur n° 3. Quand les sorties 1 ou 2 sont utilisées l'impulsion laser est envoyée de l'étireur vers un dispositif de compression partielle afin que le 25 taux d'étirement de l'étireur (14.1 ps/nm) moins le taux du dispositif de compression partielle (4.52 ps/nm) soit égal à tx_étirement_tenue_flux (9.58 ps/nm). 3061366 14 Les paramètres des différents éléments sont : 0 ETR N ETR G_ETR Nbre pass taux d'étirement (ps/nm) Etireur 56 ° 1480 traits/mm 490mm 2 14.10 0 CPR N CPR G CPR taux compression (ps/nm) CPR Partiel 56° 1480 traits/mm 314 mm 4.52 CPR1 56° 1480 traits/mm 666 mm 9.58 CPR2 56 ° 1480 traits/mm 666 mm 9.58 CPR3 56 ° 1480 traits/mm 980 mm 14.10 Le compresseur 3 est le donc bien le plus volumineux. 5 Dans cet exemple, les compresseurs 1 et 2 ont le même taux de compression ; le dispositif de compression partielle comporte alors un seul compresseur de taux constant. 10 REVENDICATIONS1. Chaîne (100) amplificatrice d'une impulsion, à dérive de fréquence à M sorties, avec M>1, qui comprend : - un étireur (10) à taux d'étirement tx_etirement, - M amplificateurs en cascade (201, ....20m), - M compresseurs de sortie (301, ....30m) respectivement placés en sortie de chaque amplificateur, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un dispositif (50) de compression partielle placé entre l'étireur et le premier amplificateur, ce dispositif de compression partielle ayant au moins un taux de compression partielle, le (ou les) taux de compression partielle étant inférieur(s) à tx_etirement, et - un commutateur optique (40) configuré pour recevoir un faisceau de sortie de l'étireur (10) et le diriger directement vers le premier amplificateur (201) de la cascade ou vers le dispositif (50) de compression partielle en fonction d'un compresseur de sortie choisi parmi les compresseurs de sortie. 2. Chaîne amplificatrice selon la revendication précédente, caractérisée en ce que M>2, et en ce que le dispositif de compression partielle comporte un compresseur partiel (50a, 50b) à taux de compression réglable. 3. Chaîne amplificatrice selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le compresseur partiel comporte au moins un réseau de diffraction motorisé en translation. 4. Chaîne amplificatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que M>2, et en ce que le dispositif de compression partielle comporte L compresseurs partiels à réseaux de diffraction, 1 5. Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, configurée pour amplifier une impulsion de durée inférieure à 100 fs. 3061366 16 6. Procédé d'utilisation d'une chaîne amplificatrice d'une impulsion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : étirement de l'impulsion par l'étireur (10), 5 en fonction d'un compresseur de sortie (30;) choisi parmi lesdits compresseurs de sortie, envoi de l'impulsion au dispositif de compression partielle (50) par le commutateur optique (40) ou passage direct à l'étape suivante, envoi de l'impulsion dans la cascade des amplificateurs à partir du 10 premier amplificateur (201) jusqu'à l'amplificateur (20;) associé au compresseur de sortie choisi (30;), envoi de l'impulsion vers ledit compresseur de sortie choisi (30i). 15