Brevet FR3125373A1 — publié le 20230120

L’invention concerne un dispositif de génération (1) d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen, comprenant une source optique (2) émettant au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et une seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 , un cristal non linéaire (3) configuré pour générer ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen par un processus de génération de différence de fréquence, et un premier amplificateur paramétrique optique (5). Selon l’invention, le dispositif de génération (1) comprend au moins une lame retardatrice (42) placée entre le cristal non linéaire (3) et le premier amplificateur paramétrique optique (5), la lame retardatrice (42) présentant un retard optique adapté pour synchroniser dans le premier amplificateur paramétrique optique (5) ladite au moins une impulsion de longueur d’onde λ MIR avec un rayonnement de pompe à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 . Figure pour l’abrégé : Fig. 5 Dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge et procédé de génération associe Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale la génération de rayonnement dans le moyen infrarouge. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge et un procédé de génération associé. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la détection moléculaire à des fins médicales, environnementales, ou scientifiques, mais aussi de la spectroscopie résolue en temps et de la physique des champs forts. Etat de la technique Le moyen infrarouge (MIR, entre 2.5 et 50 microns) et la gamme multi-Térahertz (entre 50 microns et 300 microns) sont des gammes du spectre électromagnétique ayant un fort intérêt scientifique et industriel. On distingue notamment ces gammes du spectre électromagnétique de celle du proche infrarouge (NIR, entre 0.7 et 2.5 microns). Actuellement, à défaut de systèmes lasers émettant des impulsions courtes directement aux longueurs d’onde MIR d’intérêt, la plupart des techniques de génération de rayonnement MIR reposent sur un processus optique non-linéaire dit de génération de différence de fréquence exploité de différentes manières. On distingue essentiellement une méthode dite de différence de fréquence inter-impulsions et une méthode dite de différence de fréquence intra-impulsion (iDFG). Le processus de génération de différence de fréquence est un processus non linéaire par lequel deux ondes d’entrée aux fréquences optiques centrales respectives ν 2 et ν 1 interagissent entre elles dans un milieu optique non linéaire, tel qu’un cristal optique non linéaire 30 (par la suite dénommé cristal non linéaire), et génèrent une troisième onde dont la fréquence optique ν 3 est égale à la différence des fréquences des deux ondes d’entrée. Ce processus est représenté schématiquement sur la . Avec la méthode dite de différence de fréquence inter-impulsions, le processus de fréquence est réalisé à l’aide de deux impulsions sources distinctes, issues ou non de la même source laser, émises à des longueurs d’onde différentes. La longueur d’onde λ d’un rayonnement électromagnétique est liée à sa fréquence optique ν par la relation suivante : ν=c/λ, où c représente la vitesse de la lumière dans le vide. Les longueurs d’onde des deux impulsions sources distinctes sont choisies pour que la différence de fréquence optique entre leurs fréquences optiques respectives soit égale à une fréquence optique dont la longueur d’onde correspondant au rayonnement MIR désiré. Avec la méthode dite de différence de fréquence intra-impulsion, une impulsion source courte unique est utilisée. Une telle impulsion de durée choisie peut présenter un spectre permettant d’accéder à une fréquence optique désirée dans le MIR. Dans ce cas, il est possible de générer une différence de fréquence entre deux longueurs d’ondes distinctes du spectre de l’impulsion unique, et ainsi une impulsion ultracourte dans le MIR à la fréquence optique désirée. Les deux méthodes décrites ci-dessus ont en particulier l’inconvénient soit de présenter un rendement de conversion de la ou des impulsions sources vers l’impulsion MIR faible, soit de requérir des dispositifs de réalisation complexes en structure et en utilisation. Présentation de l'invention Dans ce contexte, la présente invention propose un dispositif de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen, comprenant : - une source optique configurée pour émettre au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et une seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 situées dans une gamme spectrale inférieure au moyen infrarouge, - un cristal non linéaire configuré pour générer ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 , - un premier amplificateur paramétrique optique, où : - le dispositif de génération comprend au moins une lame retardatrice présentant un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen et l’une parmi la première longueur d’onde λ 1 et la seconde longueur d’onde λ 2 , - le dispositif de génération est un dispositif aligné le long d’un axe optique d’alignement, - la lame retardatrice est placée entre le cristal non linéaire et le premier amplificateur paramétrique optique, - la lame retardatrice est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion de longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen en provenance du cristal non linéaire et la transmettre en direction du premier amplificateur paramétrique optique, - la lame retardatrice est configurée pour recevoir un rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 , et pour transmettre le rayonnement de pompe en direction du premier amplificateur paramétrique optique, - le retard optique de la lame retardatrice est adapté pour synchroniser dans le premier amplificateur paramétrique optique ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen avec ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 . Ainsi, l’invention permet avantageusement d’augmenter le rendement d’un dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge via un processus d’amplification paramétrique optique par l’utilisation d’au moins une lame introduisant un retard optique. Aussi, la configuration « tout aligné » du dispositif selon l’invention en facilite l’utilisation et l’alignement. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif de génération conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - la lame retardatrice est une lame biréfringente ; - le matériau de la lame retardatrice biréfringente et sa coupe sont choisis pour introduire une différence de vitesses de groupe entre ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde λ MIR et ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 , ladite différence de vitesses de groupe étant égale à l’opposée d’une différence de vitesses de groupe, en sortie du cristal non linéaire, entre ledit rayonnement de pompe et ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde λ MIR ; - le dispositif de génération comprend en outre un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques supplémentaires positionnés en cascade et en aval du premier amplificateur paramétrique optique et comprenant une autre lame retardatrice en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire; cela permet d’améliorer davantage le rendement du processus de génération de l’impulsion à la longueur d’onde λ MIR ; - le dispositif de génération comprend en outre une lame duale ; - la lame duale présente un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la première longueur d’onde λ 1 et la seconde longueur d’onde λ 2 ; - la lame duale est placée entre la source optique et le cristal non linéaire ; - la lame duale est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion source et la transmettre en direction du cristal non linéaire ; - le retard optique de la lame duale configuré pour la première longueur d’onde λ 1 est égal à (N 1 +1/2)x λ 1 et le retard optique de la lame duale configuré pour la seconde longueur d’onde λ 2 est égal à N 2 x λ 2 , avec N 1 et N 2 deux entiers positifs ; - la lame duale présente une épaisseur fixe ; - la lame duale est constituée d’une paire de prismes droits aptes à se déplacer en translation l’un par rapport à l’autre, de sorte que l’épaisseur de la lame duale soit variable ; cela permet d’ajuster la longueur d’onde λ MIR ainsi que la largeur spectrale de l’impulsion à la longueur d’onde λ MIR . ; - la lame duale est une lame biréfringente ; - la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 sont superposées spatialement ; - la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 sont séparées spatialement et disjointes spectralement. L’invention concerne également un procédé de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen λ MIR mis en œuvre par un dispositif de génération conforme à l’invention, comprenant les étapes suivantes : - émission par une source optique d’au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et une seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 situées dans le proche infrarouge, - réception de la au moins une impulsion source par un cristal non linéaire, - génération par ledit cristal non linéaire de ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde λ MIR à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 , - rotation de la lame retardatrice dans son plan, et optionnellement, rotations de la lame retardatrice dans des directions perpendiculaires à l’axe optique d’alignement du dispositif de génération. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Dispositif de génération (1) d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen, comprenant : - une source optique (2) configurée pour émettre au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et une seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 situées dans une gamme spectrale inférieure au moyen infrarouge, - un cristal non linéaire (3) configuré pour générer ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 , - un premier amplificateur paramétrique optique (5), caractérisé en ce que : - le dispositif de génération (1) comprend au moins une lame retardatrice (42) présentant un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen et l’une parmi la première longueur d’onde λ 1 et la seconde longueur d’onde λ 2 , - le dispositif de génération est un dispositif aligné le long d’un axe optique d’alignement (D), - la lame retardatrice (42) est placée entre le cristal non linéaire (3) et le premier amplificateur paramétrique optique (5), - la lame retardatrice (42) est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion de longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen en provenance du cristal non linéaire (3) et la transmettre en direction du premier amplificateur paramétrique optique (5), - la lame retardatrice (42) est configurée pour recevoir un rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 , et pour transmettre le rayonnement de pompe en direction du premier amplificateur paramétrique optique (5), - le retard optique de la lame retardatrice (42) est adapté pour synchroniser dans le premier amplificateur paramétrique optique (5) ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde λ MIR dans l’infrarouge moyen avec ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 . Dispositif de génération (1) selon la revendication 1, dans lequel la lame retardatrice (42) est une lame biréfringente. Dispositif de génération (1) selon la revendication 2, dans lequel le matériau de la lame retardatrice (42) biréfringente et sa coupe sont choisis pour introduire une différence de vitesses de groupe entre ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde λ MIR et ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde λ 1 ou à la seconde longueur d’onde λ 2 , ladite différence de vitesses de groupe étant égale à l’opposée d’une différence de vitesses de groupe, en sortie du cristal non linéaire (3), entre ledit rayonnement de pompe et ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde λ MIR . Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques supplémentaires positionnés en cascade et en aval du premier amplificateur paramétrique optique (5) et comprenant une autre lame retardatrice (42, 421) en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire. Dispositif de génération (1) selon la revendication 1, comprenant en outre une lame duale (41) et dans lequel : - la lame duale (41) présente un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la première longueur d’onde λ 1 et la seconde longueur d’onde λ 2 , - la lame duale (41) est placée entre la source optique (2) et le cristal non linéaire (3), - la lame duale (41) est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion source et la transmettre en direction du cristal non linéaire (3), - le retard optique de la lame duale (41) configuré pour la première longueur d’onde λ 1 est égal à (N 1 +1/2)x λ 1 et le retard optique de la lame duale (41) configuré pour la seconde longueur d’onde λ 2 est égal à N 2 x λ 2 , avec N 1 et N 2 deux entiers positifs. Dispositif de génération (1) selon la revendication 5, dans lequel la lame duale (41) présente une épaisseur fixe. Dispositif de génération (1) selon la revendication 5, dans lequel la lame duale (41) est constituée d’une paire de prismes droits (411,412) aptes à se déplacer en translation l’un par rapport à l’autre, de sorte que l’épaisseur de la lame duale soit variable. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel la lame duale (41) est une lame biréfringente. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 sont superposées spatialement. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 sont séparées spatialement et disjointes spectralement. Procédé de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen λ MIR mis en œuvre par un dispositif de génération (1) selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes : - émission par une source optique (2) d’au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et une seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 situées dans le proche infrarouge, - réception de la au moins une impulsion source par un cristal non linéaire (3), - génération par ledit cristal non linéaire (3) de ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde λ MIR à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde λ 1 et la seconde composante spectrale de longueur d’onde λ 2 , - rotation de la lame retardatrice (42) dans son plan, et optionnellement, rotations de la lame retardatrice (42) dans des directions perpendiculaires à l’axe optique d’alignement D du dispositif de génération.