Brevet FR3119901A1 — publié le 20220819

Texte Abrégé L’invention concerne un système de génération d’impulsion lumineuse comprenant une source (1), un modulateur électro-optique (2) adapté pour recevoir le rayonnement laser source (10) et former au moins une impulsion lumineuse source (20) de durée inférieure ou égale à 100 picosecondes et pour ajuster l’impulsion lumineuse source (20) en durée et/ou en fréquence de répétition ; un amplificateur optique (41) fonctionnant en régime de dispersion anormale pour former une impulsion lumineuse amplifiée (40), une fibre optique passive (61) disposée pour recevoir l’impulsion lumineuse amplifiée (40) et générer une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60), l’impulsion lumineuse amplifiée (40) ayant une puissance crête supérieure à un seuil déterminé pour élargir spectralement l’impulsion lumineuse amplifiée par automodulation de phase dans la fibre optique passive et pour générer un signal Raman non-linéaire, le signal Raman non-linéaire étant adapté pour stabiliser en énergie l’impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système et procédé de génération d’impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde, ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition La présente invention concerne le domaine technique des appareils et procédés de génération d’impulsions lumineuses courtes, de durée comprise entre 1 inférieure à 10 picosecondes, ou ultra-courtes, de durée inférieure à 1 picoseconde. L’utilisation d’impulsions lumineuses ayant une durée dans la gamme comprise entre une et quelques centaines de femtoseconde (fs) ou d’une à une dizaine de picosecondes trouve de nombreuses applications dans le domaine scientifique, industriel ou médical. Dans le domaine ci-dessus, il est connu de générer des impulsions lumineuses courtes ou ultra-courtes par différentes techniques. La principale technique utilisée pour obtenir des impulsions lumineuses courtes ou ultra-courtes (femtoseconde ou picoseconde) repose sur un processus de verrouillage de modes dans une cavité laser. Le verrouillage des modes longitudinaux oscillant dans la cavité laser nécessite non seulement la synchronisation mais aussi l’accord de phase entre un nombre important de modes longitudinaux. En pratique, la technique de verrouillage de modes reste complexe. Il existe en particulier des méthodes de de verrouillage de modes actives ou passives. Le verrouillage actif de modes est basé sur l’utilisation d’un modulateur acousto-optique ou électro-optique dans la cavité laser, pour produire une modulation active des pertes optiques de la cavité laser. Toutefois, le verrouillage actif de modes nécessite l’utilisation d’une alimentation électrique externe. De plus, la durée des impulsions lumineuses générées par verrouillage actif de modes est de l’ordre de plusieurs dizaines voire centaines de picosecondes. Le verrouillage de modes passif repose sur l’exploitation d’effets optiques non-linéaires afin de générer des impulsions sans avoir recours à un modulateur optique externe. Il existe plusieurs méthodes basées sur la variation des pertes optiques d’un milieu absorbant saturable en fonction de l’intensité lumineuse. On peut citer les miroirs semi-conducteurs non linéaires (SESAM), les miroirs à boucle optique non-linéaire (NOLM), les miroirs à boucle amplificatrice non-linéaire (NALM) ou la rotation non-linéaire de la polarisation (RNLP). Ces techniques passives sont préférées aux techniques actives car elles ne nécessitent pas d’alimentation électrique externe. Néanmoins, toutes ces méthodes fonctionnent avec dans un domaine de paramètres bien définis en longueur d’onde, que de leur durée d’impulsions ou encore de leur fréquence de répétition. A ce jour, les méthodes connues de verrouillage de mode actif ou passif présentent des inconvénients majeurs pour un système laser agile, c’est-à-dire ajustable, de préférence d’une impulsion à l’autre, en longueur d’onde, en durée d’impulsion et/ou en fréquence de répétition. En effet, la technologie SESAM permet de concevoir et réaliser une variété d’éléments au fonctionnement adapté individuellement à chacune des longueurs d’onde du spectre d’émission. Il n’est cependant pas possible d’utiliser un seul composant SESAM sur une gamme étendue d’ajustement en longueur d’onde. Il en est de même, pour la technologie NALM dont le fonctionnement est basé sur le gain et la dispersion totale de la cavité. De plus, les degrés de liberté pour obtenir le verrouillage de mode passif sont extrêmement réduits et nécessitent un haut niveau de maitrise de cette technologie. Enfin, la technologie RNLP fait appel à des composants massifs en espace libre tels que les lames de phase. Ces composants n’étant pas disponibles en technologie fibrée, leur utilisation implique une propagation du faisceau lumineux en espace libre. Il n’est donc pas possible de réaliser des sources lasers monolithiques avec cette technologie. Par ailleurs, une variation de la biréfringence de la fibre par effet thermique ou mécanique dégrade le verrouillage des modes. Il faut alors fréquemment réajuster l’orientation des lames de phase pour à nouveau obtenir un train d’impulsions stables. En outre, ces systèmes restent intrinsèquement figés au niveau de la cadence ou fréquence de répétition et de la durée d’impulsions délivrées car elles sont directement associées et imposées par les caractéristiques des cavités lasers et des milieux amplificateurs. Il existe un besoin pour un système et procédé de génération d’impulsions lumineuses de durée courte ou ultra-courte qui soit aussi agile, c’est-à-dire ajustable, de préférence d’une impulsion à l’autre, en longueur d’onde, en durée d’impulsion et/ou en fréquence de répétition. Il existe un besoin pour un système laser agile générant des impulsions lumineuses de durée courte ou ultra-courte, qui soit robuste et stable et de préférence monolithique. A cet effet, la présente divulgation propose un système de génération d’au moins une impulsion lumineuse ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition. Plus précisément, l’invention concerne un système de génération d’au moins une impulsion lumineuse , ladite au moins une impulsion lumineuse étant ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition, le système comprenant une source de rayonnement laser source, un modulateur électro-optique, le modulateur électro-optique étant adapté pour recevoir le rayonnement laser source et former au moins une impulsion lumineuse source de durée inférieure ou égale à 100 picosecondes, le modulateur électro-optique étant adapté pour ajuster ladite au moins une impulsion lumineuse source en durée et/ou en fréquence de répétition ; un système d’amplification optique comprenant un amplificateur optique fonctionnant en régime de dispersion anormale, le système d’amplification optique étant adapté pour recevoir ladite au moins une impulsion lumineuse source et former au moins une impulsion lumineuse amplifiée, une fibre optique passive disposée pour recevoir ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée et générer au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement, l’impulsion lumineuse amplifiée ayant une puissance crête supérieure à un seuil déterminé pour élargir spectralement ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée par automodulation de phase dans la fibre optique passive et pour générer un signal Raman non-linéaire, le signal Raman non-linéaire étant adapté pour stabiliser en énergie ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement et un compresseur disposé pour recevoir au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement et pour générer au moins une impulsion comprimée, ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition au moyen du modulateur électro-optique. Le système permet de générer au moins une impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde, ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition par des moyens électroniques tout en ayant une énergie stable, d’une impulsion à l’autre. Selon un aspect particulier, le modulateur électro-optique est adapté pour former un paquet de N impulsions lumineuses source, N étant un nombre entier compris entre 100 et 10000, le paquet étant répété à une fréquence comprise entre 1 MHz et 100 MHz. Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, le système d’amplification optique comprend une fibre à réseau de Bragg formant un miroir sélectif spectralement, la fibre à réseau de Bragg étant disposée pour recevoir au moins une impulsion lumineuse amplifiée une première fois par l’amplificateur optique et pour renvoyer ladite impulsion lumineuse amplifiée vers l’amplificateur optique pour une seconde amplification. Dans un mode de réalisation, la fibre optique passive est disposée entre l’amplificateur optique et la fibre à réseau de Bragg. Dans un autre mode de réalisation, l’amplificateur optique est disposé entre la fibre optique passive et la fibre à réseau de Bragg. Selon encore un autre mode de réalisation, une autre fibre optique passive disposée entre l’amplificateur optique et la fibre à réseau de Bragg. De façon particulièrement avantageuse, l’amplificateur optique comporte un amplificateur à fibre optique dopée erbium, ytterbium, thulium, holmium ou néodyme et/ou un amplificateur à cristaux ou verre dopé ytterbium ou néodyme. Avantageusement, la fibre optique passive est à base de verre de silice ou de verre fluoré. Selon un aspect particulier, le système de génération d’au moins une impulsion lumineuse comprend un générateur électrique adapté pour appliquer un signal électrique modulé au modulateur électro-optique, le signal électrique modulé étant adapté pour mettre forme temporellement ladite au moins une impulsion lumineuse source. Dans un mode de réalisation particulier, le modulateur électro-optique est un modulateur d’amplitude de type Mach-Zehnder, le système de génération d’au moins une impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde comprenant un système d’asservissement à boucle de contre-réaction du modulateur électro-optique. L’invention concerne aussi un procédé de génération d’au moins une impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde, ladite au moins une impulsion lumineuse étant ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition, le procédé comprenant les étapes suivantes : génération d’un rayonnement laser source, modulation du rayonnement laser source au moyen d’un électro-optique adapté pour former au moins une impulsion lumineuse source et pour ajuster ladite au moins une impulsion lumineuse source en durée et/ou en fréquence de répétition ; amplification optique de ladite au moins une impulsion lumineuse source dans un amplificateur optique fonctionnant en régime de dispersion anormale, pour former au moins une impulsion lumineuse amplifiée ; transmission de ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée (40) dans une fibre optique passive, l’impulsion lumineuse amplifiée ayant une puissance crête supérieure à un seuil déterminé pour générer au moins impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement par automodulation de phase et pour générer simultanément un signal Raman non-linéaire, et compression de ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement pour générer au moins une impulsion comprimée, ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition au moyen du modulateur électro-optique. 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. La présente divulgation propose également un procédé de génération d’au moins une impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition. De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où : est une vue selon un premier mode de réalisation, basé sur un système amplificateur à fibre optique en double passage et un module optique non-linéaire en sortie du système amplificateur ; est une vue selon un deuxième mode de réalisation, basé sur un système amplificateur à fibre optique en double passage et un module optique non-linéaire disposé entre l’amplificateur à fibre optique et un miroir spectral à fibre optique à réseau de Bragg ; est une vue selon une variante du deuxième mode de réalisation, basé sur un système amplificateur à fibre optique en double passage et un miroir spectral à fibre optique à réseau de Bragg et dans lequel l’amplificateur à fibre optique étant disposé entre deux modules optique non-linéaires; est une vue selon une variante combinant le premier et le deuxième mode de réalisation, basé sur un système amplificateur à fibre optique en double passage et l’amplificateur à fibre optique étant disposé entre un module optique non-linéaire et un miroir spectral à fibre optique à réseau de Bragg ; représente des mesures spectrales de puissance lumineuse de sortie en fonction de la longueur d’onde pour différentes puissances lumineuses d’entrée, et illustre l’apparition de pics Raman en fonction de la puissance lumineuse d’entrée ; représente des mesures spectrales de puissance lumineuse de sortie en fonction de la longueur d’onde pour différentes puissances lumineuses d’entrée, et illustre l’effet d’élargissement de la bande passante par auto-modulation de phase et un effet de stabilisation de largeur de bande spectrale au-delà d’une certaine puissance lumineuse d’entrée ; est une vue selon une variante du premier mode de réalisation, basé sur un système amplificateur à fibre optique en simple passage et un module optique non-linéaire en sortie du système amplificateur. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes signes de références. Système de génération d’au moins une impulsion lumineuse , ladite au moins une impulsion lumineuse étant ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition, le système comprenant : une source (1) de rayonnement laser source (10), un modulateur électro-optique (2), le modulateur électro-optique (2) étant adapté pour recevoir le rayonnement laser source (10) et former au moins une impulsion lumineuse source (20) de durée inférieure ou égale à 100 picosecondes, le modulateur électro-optique (2) étant adapté pour ajuster ladite au moins une impulsion lumineuse source (20) en durée et/ou en fréquence de répétition ; un système d’amplification optique (4) comprenant un amplificateur optique (41) fonctionnant en régime de dispersion anormale, le système d’amplification optique (4) étant adapté pour recevoir ladite au moins une impulsion lumineuse source (20) et former au moins une impulsion lumineuse amplifiée (40), une fibre optique passive (61) disposée pour recevoir ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée (40) et générer au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60), l’impulsion lumineuse amplifiée (40) ayant une puissance crête supérieure à un seuil déterminé pour élargir spectralement ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée par automodulation de phase dans la fibre optique passive et pour générer un signal Raman non-linéaire, le signal Raman non-linéaire étant adapté pour stabiliser en énergie ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60) et un compresseur (8) disposé pour recevoir au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60) et pour générer au moins une impulsion comprimée (80), ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition au moyen du modulateur électro-optique (2). Système selon la revendication 1 dans lequel le modulateur électro-optique (2) est adapté pour former un paquet de N impulsions lumineuses source (20), N étant un nombre entier compris entre 100 et 10000, le paquet étant répété à une fréquence comprise entre 1 MHz et 100 MHz. Système selon l’une des revendications 1 à 2 dans lequel le système d’amplification optique (4) comprend une fibre à réseau de Bragg (5) formant un miroir sélectif spectralement, la fibre à réseau de Bragg (5) étant disposée pour recevoir au moins une impulsion lumineuse amplifiée une première fois par l’amplificateur optique (41) et pour renvoyer ladite impulsion lumineuse amplifiée vers l’amplificateur optique (41) pour une seconde amplification. Système selon la revendication 3 dans lequel la fibre optique passive (61) est disposée entre l’amplificateur optique (41) et la fibre à réseau de Bragg (5). Système selon la revendication 3 dans lequel l’amplificateur optique (41) est disposé entre la fibre optique passive (61) et la fibre à réseau de Bragg (5). Système selon la revendication 5 comprenant une autre fibre optique passive (62) disposée entre l’amplificateur optique (41) et la fibre à réseau de Bragg (5). Système selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel l’amplificateur optique (41) comporte un amplificateur à fibre optique dopée erbium, ytterbium, thulium, holmium ou néodyme et/ou un amplificateur à cristaux ou verre dopé ytterbium ou néodyme. Système selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel la fibre optique passive (61) est à base de verre de silice ou de verre fluoré. Système selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant un générateur électrique (23) adapté pour appliquer un signal électrique modulé au modulateur électro-optique (2), le signal électrique modulé étant adapté pour mettre forme temporellement ladite au moins une impulsion lumineuse source (20). Système selon la revendication 8 dans lequel le modulateur électro-optique (2) est un modulateur d’amplitude de type Mach-Zehnder, le système de génération d’au moins une impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde comprenant un système d’asservissement (21, 22) à boucle de contre-réaction du modulateur électro-optique. Procédé de génération d’au moins une impulsion lumineuse de durée sub-picoseconde, ladite au moins une impulsion lumineuse étant ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition, le procédé comprenant les étapes suivantes : génération d’un rayonnement laser source (10), modulation du rayonnement laser source au moyen d’un électro-optique adapté pour former au moins une impulsion lumineuse source (20) et pour ajuster ladite au moins une impulsion lumineuse source (20) en durée et/ou en fréquence de répétition ; amplification optique de ladite au moins une impulsion lumineuse source dans un amplificateur optique (41) fonctionnant en régime de dispersion anormale, pour former au moins une impulsion lumineuse amplifiée (40), transmission de ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée (40) dans une fibre optique passive (61), l’impulsion lumineuse amplifiée (40) ayant une puissance crête supérieure à un seuil déterminé pour générer au moins impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60) par automodulation de phase et pour générer simultanément un signal Raman non-linéaire, et compression de ladite au moins une impulsion lumineuse amplifiée élargie spectralement (60) pour générer au moins une impulsion comprimée (80), ajustable en durée et/ou en fréquence de répétition au moyen du modulateur électro-optique.