EP1474849A1 - Chaine amplificatrice pour la generation d impulsions ultracourtes de forte puissance - Google Patents

Chaine amplificatrice pour la generation d impulsions ultracourtes de forte puissance

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EP1474849A1
EP1474849A1 EP02805394A EP02805394A EP1474849A1 EP 1474849 A1 EP1474849 A1 EP 1474849A1 EP 02805394 A EP02805394 A EP 02805394A EP 02805394 A EP02805394 A EP 02805394A EP 1474849 A1 EP1474849 A1 EP 1474849A1
Authority
EP
European Patent Office
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network
compressor
stretcher
amplifier
angle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02805394A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Vincent Thales Intellectual Property Moro
Franck Thales Intellectual Property Falcoz
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1474849A1 publication Critical patent/EP1474849A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/26—Pulse shaping; Apparatus or methods therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/08—Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • Amplifier chain for generating ultra-short pulses of high power
  • the present invention relates to an amplifier chain for generating ultra-short pulses of high power.
  • the frequency drift amplification technique or CPA according to the English expression "Chirpedutere Amplification” is today frequently used for the amplification of short light pulses. Direct amplification of ultrashort pulses (typically a few tens of femtoseconds) would lead to deterioration of the optical components of the amplifier long before reaching the desired energy level.
  • the principle of the CPA chain is described in FIG. 1.
  • the initial pulse Pi at the output of an OSC laser oscillator is stretched temporally by a stretcher STR so that the duration of the pulse is multiplied by a factor of 1000 typically 5000.
  • the stretched pulse P 2 can then be amplified without damage by an AMP amplifier.
  • the resulting amplified pulse P 3 is then compressed to reach its initial pulse duration by a CPR compressor, making it possible to obtain an ultra-short pulse with high power P 4 .
  • the time stretching process of the incident pulse must be perfectly reversible. Therefore, it is not possible for example to carry out a spectral filtering in order to lengthen the duration of the pulse.
  • the commonly used technique consists in using the dispersive properties of dispersive elements of prism or grating type in order to make follow to the different wavelengths of the incident pulse whose spectral width is wide (typically a few tens of nanometers) an optical path. of different length.
  • the pulse P 2 presents a temporal dispersion of the wavelengths, the "blue" (denoted b), of shorter wavelength, having traveled a longer optical path than the "red” (noted r), of longer wavelength.
  • the stretcher comprises to perform this function two dispersive elements of the network type and an afocal system between the networks making it possible to reverse the sign of the dispersion of the network.
  • the compressor uses dispersive elements very similar to those used in the stretcher and operating with angles of incidence substantially similar, but without the afocal system, in order to follow a shorter optical path at short wavelengths than at long wavelengths so as to recompress the pulse.
  • Amplifier chains for the generation of ultrashort pulses are very bulky because of the distance required between the dispersive elements of the stretcher and the compressor to achieve the required dispersion rates.
  • the present invention provides an amplifier chain of the CPA type which has a reduced bulk compared to the amplifier chains of the prior art as well as a reduction in aberrations making it possible to reduce the pulse duration. To do this, it offers in particular an original arrangement of the stretcher and the compressor.
  • the invention relates to an amplifier chain for the generation of ultrashort pulses of high power, comprising a stretcher intended to temporally stretch an incident pulse of given central wavelength and comprising in particular a network type input dispersive element , an amplifying medium for amplifying said stretched pulse, and a compressor for temporally compressing said amplified pulse, characterized in that the input network of the stretcher is dimensioned to work with an angle of incidence of the incident pulse such that the diffraction angle at the central wavelength is of the same sign as the angle of incidence relative to the normal to the network and of absolute value which is strictly greater, and in that the compressor notably comprises a dispersive element of network type input dimensioned to work with an angle of incidence of the amplified pulse such as the angle of di ffraction at the central wavelength is of the same sign as the angle of incidence relative to the network normal and of strictly lower absolute value.
  • the amplifier chain according to the invention has a more efficient dispersion law allowing a sufficient stretching rate with a smaller footprint than in the amplifier chains of the prior art.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate the block diagram according to two variants of a stretcher conventionally used in an amplifying chain of the CPA type and known under the name of stretcher with ⁇ fner triplet.
  • FIG. 2B represents the stretcher with an afocal of the catadioptric ⁇ fner triplet type
  • FIG. 2A represents a stretcher with an afocal whose parameters are the same but in its dioptric form.
  • the catadioptric afocal is used preferentially.
  • the diagram in FIG. 2A however makes it easier to understand the operation of the stretcher.
  • the stretcher according to the example of FIG. 2A comprises a pair of identical gratings (GSi, GS 2 ), working with similar angles of incidence and diffraction. It further comprises an afocal AFC system between the networks, formed in this example of a diverging lens L 2 positioned between two converging lenses Li and L 3 and a deflection mirror Mi.
  • the afocal system of FIG. 2A is equivalent to the system afocal catadioptric shown in the variant of Figure 2B.
  • the function of the network GS 2 being in fact ensured by the network GS-t itself.
  • the afocal comprises a concave mirror MCV and a convex mirror MCX such that the radius of curvature of the concave mirror is double that of the convex mirror, the two mirrors being centered on a common axis ( ⁇ ), the axis ( ⁇ ) being oriented with respect to the grating GS so that the beam diffracted at the central wavelength ⁇ 0 arrives under normal incidence on the concave mirror MCV.
  • the principle of stretching is explained to from FIG. 2A but it is similar in FIG. 2B where the same notations are used to describe the beams during their propagation in the stretcher.
  • the indices “r” and “b” are used to identify the longest wavelength and the shortest wavelength respectively.
  • An incident pulse 1 of center wavelength ⁇ 0 given with a spectral width ⁇ and a given% pulse duration data enters the input network GSi of the stretcher with an incident angle by 1 0- compared to normal ( ⁇ ) to the network.
  • the beam passes through the afocal AFC system and is then diffracted by the second network GS 2 , identical to the input network GSi and oriented so as to diffract the beam 2 according to a collimated beam 3.
  • the reflecting mirror Mi perpendicular to the beam 3 reflects said beam 3 in the opposite direction (beam 4).
  • the beam 4 is then diffracted by the network GS 2 , crosses back the afocal AFC and is again diffracted by the input network GSi to form the stretched pulse 6.
  • a second passage in the stretcher can be necessary.
  • An important parameter of the stretcher is the half distance a between the networks, measured in the image space of the afocal. In the example of FIGS.
  • GSi the image of the network GSi by the afocal AFC.
  • the distance a is also, in the example of FIG. 2B, the distance between the grating and the focal plane FCV of the concave mirror MCV.
  • the group time t g ( ⁇ ) that is to say the time necessary for each spectral component ⁇ to cross the device is then a non-constant function as a function of the wavelength.
  • this function is decreasing (it is increasing in the compressor which conventionally has a similar geometry, but without afocal).
  • c is the speed of light in a vacuum
  • p the number of passages in the stretcher
  • N is the number of lines of the network per unit of length
  • a is the half-distance between the two networks, measured in the image space of the afocal system (in the example of FIG. 2A, we denote GS'i the image of the GS-i network by the afocal AFC).
  • the distance a is also the distance between the input grating and the focal plane of the concave mirror (FIG. 2B).
  • the stretched pulse is amplified by an amplifying medium and then compressed by the compressor to regain its initial pulse duration. Due to the dispersion of the group speed of the various materials that make up the system, the recompression of a pulse requires having a stretching / compressor system whose laws of dispersion are not strictly compensated for.
  • One of the difficulties in designing CPA type chains therefore consists in optimizing the dimensioning and arrangement of the networks of the stretcher and the compressor to compensate for the dispersion of the amplifying medium.
  • the amplifier chains have a very large bulk (typically, in the chains of the prior art, the distance between the networks is of the order of a meter).
  • the invention provides an amplifier chain of the CPA type with a reduced bulk compared to the amplifier chains of the prior art and which also allows very good compensation for the effects of dispersion due to the amplifying medium resulting in a reduced pulse duration. .
  • the input network of the stretcher is sized to work with an angle of incidence ai of the incident pulse such that the diffraction angle ⁇ 01 at the central wavelength ⁇ o of the incident pulse is of the same sign as the angle of incidence relative to the lattice normal and of strictly higher absolute value.
  • This arrangement makes it possible, by increasing the diffraction angle, to increase the stretching rate, or at a constant stretching rate, to reduce the parameter a characteristic of the distance between the gratings, which makes it possible to reduce the size of the 'stretcher.
  • the compressor comprises a network-type dispersive input element dimensioned to work with an angle of incidence ⁇ 2 of the amplified pulse such that the diffraction angle ⁇ 0 2 at the central wavelength is the same. sign that the angle of incidence with respect to the network normal and of absolute value strictly lower.
  • a dispersion law can be found for the compressor allowing the previously stretched and amplified pulse to be compressed.
  • the compressor being dimensioned so as to have a law of dispersion substantially equivalent to that of the stretcher, the size of the compressor is also reduced.
  • FIG. 3A shows the diagram of an example of a CPA type amplifying chain according to the invention; only the stretcher STR and the compressor CPR are shown.
  • the stretcher STR is for example a stretcher with Malawifner triplet as it has been described from FIG. 2B. It notably comprises a network GS, for example a network jaded at the central wavelength of the incident pulse, denoted 1 in FIG. 3A. It also comprises a concave mirror MCV and a convex mirror MCX forming the afocal AFC, as well as a deflection mirror Mi and an output mirror MS 1 .
  • Other reflection means can be provided to allow several passages in the stretcher.
  • the compressor receives the stretched and amplified pulse 7 (the amplifying medium is not shown). It includes in particular an optical form OPT of the pulse 7, then two identical networks GC 1 and GC 2 and arranged in parallel, as well as a return mirror M 2 and an output mirror MS 2 .
  • the incident pulse 1 enters the stretcher with an angle of incidence ai on the input network GS with respect to the normal ( ⁇ -i).
  • the grating is dimensioned and arranged so that the diffraction angle ⁇ 01 at the central wavelength is of the same sign and absolute value greater than that of ⁇ -i, 0-1 and ⁇ 0 1 verifying the network formula given by equation (1).
  • the pulse 1 is diffracted by the grating GS to form the pulse 2, reflected by the concave mirror MCV to form the pulse 3 then by the convex mirror MCX to form the pulse 4, then again by the concave mirror MCV to form the pulse 5.
  • the path is also illustrated in FIG.
  • Pulse 5 is again diffracted by the network GS to form a collimated pulse 6 which is returned to the stretcher by the deflection mirror Mi.
  • the beam then follows an identical path (1 ', 2', 3 ', 4 ', 5', 6 ') then is ejected from the stretcher by the output mirror MS 1 , forming a stretched pulse 7.
  • the amplifier is for example of the regenerative amplifier type, that is to say formed of a cavity comprising an active system of the Pockels cell type for the injection and the extraction of the amplified pulse.
  • the multipass amplifier can also be a multipass type amplifier; the pulse undergoes a given number of reflections before leaving amplified.
  • the multipass amplifier can be of the direct type, positioned directly at the output of the stretcher, or can be positioned at the output of a regenerative amplifier. It is possible to provide several multipass amplifiers behind a regenerative amplifier.
  • the pulse 7 passes through an optical formatting OPT, then arrives on the network GC1 dimensioned and arranged so that the diffraction angle ⁇ 02 at the central wavelength ⁇ 0 is of the same sign with respect to the normal to the network ( ⁇ 2) and of absolute value strictly less than the angle of incidence ⁇ 2 of the pulse 7 on the input network GC-i.
  • the diffracted pulse 8 is sent to the second network GC 2 identical to and parallel to GC 1 so that the diffracted pulse 9 is collimated.
  • the pulse 9 is returned to the compressor using the return mirror M 2 and then follows the reverse path (10, 11, 12).
  • the compressed pulse 12 is then ejected from the compressor by the output mirror MS2.
  • the applicant has shown that a compressor stretching rate of the order of 8 ps / nm can be obtained by choosing a focal length of the order of 55 cm for the MCV concave mirror and a focal length of l for the convex mirror. 27.5 cm, the half-distance between the networks being only 18 cm approximately.
  • the compressor one can for example choose networks GCi and GC 2 identical to the network GS of the stretcher, and orient these networks so that the angle of incidence ⁇ 2 is equal to the angle of diffraction ⁇ 0 ⁇ from the stretcher's GS network.
  • the group time must be the same for all wavelengths and if the spurious dispersion effects due to the dispersive materials of the amplifying medium in the system can be neglected, the stretcher and the compressor compensate each other perfectly.
  • the gain on the size of the stretcher is then of the order of a factor of 2 compared to existing amplifier chains.
  • the oscillator is of the Ti-Sa (Titanium Sapphire) type pumped by a solid laser pumped by diode and delivering a pulse of spectral width of about 40 nm.
  • the amplifier stage is for example of the Ti-Sa type pumped by Nd: YAG or Nd: YLF pumped flash or pumped diode, in a configuration regenerative amplifier type or direct multipass. It is also possible to provide several multipass amplifiers. For example, an amplifier of the Ti-Sa type pumped Nd: YAG in the low rates (10 Hz-100 Hz) is provided, an amplifier of the Ti-Sa type pumped by Nd: YLF in the low rates (1 kHz - 10KHz) and a Ti-Sa type amplifier pumped Nd: YAG at high rates (above 10 kHz).
  • FIGS. 4A to 4C illustrate the residual group time t g (expressed in picoseconds) at the output of the complete amplifier chain, as a function of the wavelength (expressed in nanometers).
  • FIG. 4A gives the group delay as a function of the wavelength at the output of an amplifier chain according to the prior art (angle of incidence on the input network of the stretcher strictly greater than the angle of diffraction), with identical networks in the stretcher and the compressor, only the distance between the networks of the compressor being optimized. There is a strong residual dispersion.
  • FIG. 4B shows a curve obtained with a similar amplifying chain but in which the angle of incidence on the networks of the compressor is optimized, in addition to the distance between the networks.
  • curve 4C shows the residual group time in the example of the amplifier chain according to the invention, as described from FIG. 3A and with the numerical parameters given as an example. This curve shows better compensation for the residual dispersion (more "flat" curve) around the central wavelength, and over a given spectral width.
  • the amplifying chain according to the invention also allows optimal use of phase and amplitude filters allowing phase and amplitude control of the optical wave to adapt dynamically at phase and amplitude distortions introduced into the amplifier.
  • this filter is a programmable acousto-acoustic dispersive filter as described in French patent application FR 2 751 095 in the name of the applicant, known as the AOPDF filter.
  • the principle of this filter is the generation in an crystal of an acoustic wave controlled by programming means in order to create a variable network in the crystal in which the wave is coupled. incident optics. This dynamically variable network disperses the wavelengths of the optical wave spectrum as a function of the aberrations introduced by the amplifying medium.
  • the stretcher / compressor configuration as described in the invention makes it possible to use all of the dynamics of the AOPDF whose efficiency is all the better when the phase is flat.
  • the AOPDF is placed for example before or after the stretcher, between the oscillator and the amplifier to avoid being subjected to too high energies at the output of the amplifier.

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Abstract

La présente invention concerne une chaîne amplificatrice pour la génération d'impulsions ultracourtes de forte puissance avec un systíme étireur/compresseur d'encombrement réduit. Pour cela, la chaîne amplificatrice CPA selon l'invention comprend un étireur STR destiné à étirer temporellement une impulsion incidente de longueur d'onde centrale donnée lambdo avec notamment un élément dispersif d'entrée GS, GS1 de type réseau, un milieu amplificateur AMP pour amplifier ladite impulsion étirée, et un compresseur CPR pour compresser temporellement ladite impulsion amplifiée. Selon l'invention, le réseau d'entrée de l'étireur est dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence alpha1 de l'impulsion incidente tel que l'angle de diffraction theta01 à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau DELTA1 et de valeur absolue strictement supérieure.

Description

Chaîne amplificatrice pour la génération d'impulsions ultracourtes de forte puissance
La présente invention concerne une chaîne amplificatrice pour la génération d'impulsions ultracourtes de forte puissance.
La technique d'amplification à dérive de fréquence ou CPA selon l'expression anglo-saxonne « Chirped Puise Amplification » est aujourd'hui fréquemment utilisée pour l'amplification d'impulsions lumineuses brèves. Une amplification directe d'impulsions ultracourtes (typiquement quelques dizaines de femtosecondes) conduirait à une détérioration des composants optiques de l'amplificateur bien avant d'avoir atteint le niveau d'énergie recherché.
Le principe de la chaîne CPA est décrit sur la figure 1. L'impulsion initiale Pi en sortie d'un oscillateur laser OSC est étirée temporellement par un étireur STR de telle sorte que la durée de l'impulsion est multipliée par un facteur de 1000 à 5000 typiquement. L'impulsion étirée P2 peut ensuite être amplifiée sans dommages par un amplificateur AMP. L'impulsion amplifiée P3 résultante est alors compressée pour atteindre sa durée d'impulsion initiale par un compresseur CPR, permettant d'obtenir une impulsion ultracourte à forte puissance P4.
Le processus d'étirement temporel de l'impulsion incidente doit être parfaitement réversible. De ce fait, il n'est pas possible par exemple de procéder à un filtrage spectral afin d'allonger la durée de l'impulsion. La technique couramment utilisée consiste à utiliser les propriétés dispersives d'éléments dispersifs de type prisme ou réseau afin de faire suivre aux différentes longueurs d'onde de l'impulsion incidente dont la largeur spectrale est large (typiquement quelques dizaines de nanomètres) un chemin optique de longueur différente. En sortie de étireur, l'impulsion P2 (voir figure 1 ) présente ainsi une dispersion temporelle des longueurs d'onde, le « bleu » (noté b), de longueur d'onde plus courte, ayant parcouru un chemin optique plus long que le « rouge » (noté r), de longueur d'onde plus longue. Par exemple, l'étireur comprend pour réaliser cette fonction deux éléments dispersifs de type réseau et un système afocal entre les réseaux permettant d'inverser le signe de la dispersion du réseau. Classiquement, le compresseur utilise des éléments dispersifs très similaires à ceux utilisés dans l'étireur et fonctionnant avec des angles d'incidence sensiblement semblables, mais sans le système afocal, afin de faire suivre un chemin optique plus court aux longueurs d'onde courtes qu'aux longueurs d'onde longues de telle sorte à recompresser l'impulsion. Les chaînes amplificatrices pour la génération d'impulsions ultracourtes sont très volumineuses du fait de la distance nécessaire entre les éléments dispersifs de l'étireur et du compresseur pour atteindre les taux de dispersion requis.
La présente invention propose une chaîne amplificatrice de type CPA qui présente un encombrement réduit par rapport aux chaînes amplificatrices de l'art antérieur ainsi qu'une diminution des aberrations permettant de réduire la durée d'impulsion. Pour ce faire, elle propose notamment un agencement original de l'étireur et du compresseur.
Plus précisément, l'invention concerne une chaîne amplificatrice pour la génération d'impulsions ultracourtes de forte puissance, comprenant un étireur destiné à étirer temporellement une impulsion incidente de longueur d'onde centrale donnée et comprenant notamment un élément dispersif d'entrée de type réseau, un milieu amplificateur pour amplifier ladite impulsion étirée, et un compresseur pour compresser temporellement ladite impulsion amplifiée, caractérisé en ce que le réseau d'entrée de l'étireur est dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence de l'impulsion incidente tel que l'angle de diffraction à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau et de valeur absolue strictement supérieure, et en ce que le compresseur comprend notamment un élément dispersif d'entrée de type réseau dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence de l'impulsion amplifiée tel que l'angle de diffraction à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau et de valeur absolue strictement inférieure.
La déposante a montré que la chaîne amplificatrice selon l'invention présente une loi de dispersion plus efficace permettant un taux d'étirement suffisant avec un encombrement plus faible que dans les chaînes amplificatrices de l'art antérieur.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent : - La figure 1 , le principe d'une chaîne CPA (déjà décrite) ; - Les figures 2A et 2B, les schémas de deux variantes d'un étireur dans une chaîne CPA selon l'art antérieur ;
- Les figure 3A et 3B, les schémas selon deux vues d'un exemple de système étireur/compresseur d'une chaîne CPA selon l'invention ;
- Les figures 4A, 4B, 4C des courbes présentant la dispersion résiduelle en fonction de la longueur d'onde de la chaîne complète dans le cas d'une chaîne CPA selon l'art antérieur (figures 4A et 4B) et dans le cas d'une chaîne CPA selon l'invention (figure 4C).
Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par les mêmes indices.
Les figures 2A et 2B illustrent le schéma de principe selon deux variantes d'un étireur classiquement utilisé dans une chaîne amplificatrice de type CPA et connu sous le nom d'étireur avec triplet de Ôfner. La figure 2B représente l'étireur avec un afocal de type triplet de Ôfner catadioptrique, et la figure 2A représente un étireur avec un afocal dont les paramètres sont les mêmes mais sous sa forme dioptrique. Aujourd'hui, l'afocal de type catadioptrique est utilisée de manière préférentielle. Le schéma de la figure 2A permet cependant une compréhension plus facile du fonctionnement de l'étireur.
L'étireur selon l'exemple de la figure 2A comprend une paire de réseaux (GSi, GS2) identiques, travaillant avec des angles d'incidence et de diffraction semblables. Il comprend en outre un système afocal AFC entre les réseaux, formé dans cet exemple d'une lentille divergente L2 positionnée entre deux lentilles convergentes Li et L3 et un miroir de renvoi M-i. Le système afocal de la figure 2A est équivalent au système afocal catadioptrique représenté sur la variante de la figure 2B. Dans l'exemple de la figure 2B, la fonction du réseau GS2 étant en fait assurée par le réseau GS-t lui-même. L'afocal comprend un miroir concave MCV et un miroir convexe MCX tels que le rayon de courbure du miroir concave est double de celui du miroir convexe, les deux miroirs étant centrés sur un axe commun (Δ), l'axe (Δ) étant orienté par rapport au réseau GS de telle sorte que le faisceau diffracté à la longueur d'onde centrale λ0 arrive sous une incidence normale sur le miroir concave MCV. Le principe d'étirement est expliqué à partir de la figure 2A mais il est similaire sur la figure 2B où les mêmes notations sont utilisées pour décrire les faisceaux au cours de leur propagation dans l'étireur. Les indices « r » et « b » sont utilisés pour repérer respectivement la longueur d'onde la plus longue et la longueur d'onde la plus courte. Une impulsion incidente 1 de longueur d'onde centrale λ0 donnée, avec une largeur spectrale Δλ donnée et une durée d'impulsion % donnée pénètre sur le réseau d'entrée GSi de l'étireur avec un angle d'incidence 0-1 par rapport à la normale (Δ) au réseau. L'impulsion est diffractée (faisceau noté 2 sur la figure 2A) avec un angle de diffraction Θ01 à la longueur d'onde centrale λ0 de l'impulsion incidente et avec une différence d'angle Δθ entre la longueur d'onde la plus courte (indice « b ») et la longueur d'onde la plus longue (indice « r ») suivant la formule classique des réseaux : sinαι+sinθ(λ) = Nλ (1) Où N est le nombre de traits du réseau par unité de longueur, et θ(λ) l'angle de diffraction à la longueur d'onde λ.
Le faisceau traverse le système afocal AFC puis est diffracté par le second réseau GS2, identique au réseau d'entrée GSi et orienté de telle sorte à diffracter le faisceau 2 selon un faisceau collimaté 3. Le miroir de renvoi M-i perpendiculaire au faisceau 3 réfléchit ledit faisceau 3 en sens opposé (faisceau 4). Le faisceau 4 est alors diffracté par le réseau GS2, retraverse l'afocal AFC et est de nouveau diffracté par le réseau d'entrée GSi pour former l'impulsion étirée 6. Selon les cas, un second passage dans l'étireur peut être nécessaire. Un paramètre important de l'étireur est la demi- distance a entre les réseaux, mesurée dans l'espace image de l'afocal. Dans l'exemple des figures 2A et 2B, on note GSi' l'image du réseau GSi par l'afocal AFC. La distance a est aussi, dans l'exemple de la figure 2B, la distance entre le réseau et le plan focal FCV du miroir concave MCV.
Ainsi, les différentes composantes spectrales de l'impulsion suivent des chemins de longueurs différentes. Le temps de groupe tg(λ), c'est à dire le temps nécessaire à chaque composante spectrale λ pour traverser le dispositif est alors une fonction non constante en fonction de la longueur d'onde. Dans le cas de l'étireur, du fait de la présence de l'afocal, cette fonction est décroissante (elle est croissante dans le compresseur qui présente classiquement une géométrie similaire, mais sans afocal). On définit alors le taux d'étirement dtg /dλ(λ) de l'étireur comme la durée étirée par unité de largeur spectrale du faisceau incident. Il se calcule en dérivant l'expression du temps de groupe tg(λ). On montre que le taux d'étirement s'exprime de la façon suivante : dtg/dΛ(;t) = 4paN2;i/c.cos20o (2)
Où c est la vitesse de la lumière dans le vide, p le nombre de passage dans l'étireur, N est le nombre de traits du réseau par unité de longueur et a est la demi-distance entre les deux réseaux, mesurée dans l'espace image du système afocal (dans l'exemple de la figure 2A, on note GS'i l'image du réseau GS-i par l'afocal AFC). La distance a est également la distance entre le réseau d'entrée et le plan focal du miroir concave (figure 2B).
Ainsi, pour une impulsion incidente de largeur spectrale Δλ de l'ordre de 10 nm, on recherche classiquement une durée étirée correspondante de l'ordre de 100 psec.
Classiquement, l'impulsion étirée est amplifiée par un milieu amplificateur puis compressée par le compresseur pour retrouver sa durée d'impulsion initiale. En raison de la dispersion de la vitesse de groupe des divers matériaux qui composent le système, la recompression d'une impulsion nécessite d'avoir un système étireur/compresseur dont les lois de la dispersion ne se compensent pas strictement. Une des difficultés de la conception des chaînes de type CPA consiste donc en une optimisation du dimensionnement et de l'agencement des réseaux de l'étireur et du compresseur pour compenser la dispersion du milieu amplificateur. Par ailleurs, pour obtenir un taux d'étirement suffisant, les chaînes amplificatrices présentent un encombrement très important (typiquement, dans les chaînes de l'art antérieur, la distance entre les réseaux est de l'ordre du mètre).
L'invention propose une chaîne amplificatrice de type CPA avec un encombrement réduit par rapport aux chaînes amplificatrices de l'art antérieur et qui permet en outre une très bonne compensation des effets de dispersion dus au milieu amplificateur résultant en une durée de l'impulsion réduite.
Pour cela, et contrairement à l'agencement habituel de l'étireur, le réseau d'entrée de l'étireur est dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence ai de l'impulsion incidente tel que l'angle de diffraction Θ01 à la longueur d'onde centrale λo de l'impulsion incidente est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau et de valeur absolue strictement supérieure. Cet agencement permet en augmentant l'angle de diffraction d'augmenter le taux d'étirement, ou à taux d'étirement constant, de réduire le paramètre a caractéristique de la distance entre les réseaux, ce qui permet de réduire l'encombrement de l'étireur. Avantageusement, le compresseur comprend un élément dispersif d'entrée de type réseau dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence α2 de l'impulsion amplifiée tel que l'angle de diffraction Θ02 à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau et de valeur absolue strictement inférieure. De telle manière, une loi de dispersion peut être trouvée pour le compresseur permettant de compresser l'impulsion préalablement étirée et amplifiée. Par ailleurs, le compresseur étant dimensionné de telle sorte à présenter une loi de dispersion sensiblement équivalente à celle de l'étireur, l'encombrement du compresseur se trouve également réduit.
La figure 3A présente le schéma d'un exemple de chaîne amplificatrice de type CPA selon l'invention ; seuls l'étireur STR et le compresseur CPR sont représentés. L'étireur STR est par exemple un étireur avec triplet de Ôfner tel qu'il a été décrit à partir de la figure 2B. Il comprend notamment un réseau GS, par exemple un réseau blasé à la longueur d'onde centrale de l'impulsion incidente, notée 1 sur la figure 3A. Il comprend par ailleurs un miroir concave MCV et un miroir convexe MCX formant l'afocal AFC, ainsi qu'un miroir de renvoi Mi et un miroir de sortie MS1. D'autres moyens de réflexion (non représentés) peuvent être prévus pour permettre plusieurs passages dans l'étireur. Le compresseur reçoit l'impulsion étirée et amplifiée 7 (le milieu amplificateur n'est pas représenté). Il comprend notamment une optique de mise en forme OPT de l'impulsion 7, puis deux réseaux GC1 et GC2 identiques et disposés parallèlement, ainsi qu'un miroir de renvoi M2 et un miroir de sortie MS2.
Selon l'invention, l'impulsion incidente 1 pénètre dans l'étireur avec un angle d'incidence ai sur le réseau d'entrée GS par rapport à la normale (Δ-i). Le réseau est dimensionné et agencé de telle sorte que l'angle de diffraction Θ01 à la longueur d'onde centrale soit de même signe et de valeur absolue supérieure à celle de α-i, 0-1 et Θ01 vérifiant la formule des réseaux donnée par l'équation (1). Comme cela a été expliqué précédemment, l'impulsion 1 est diffractée par le réseau GS pour former l'impulsion 2, réfléchie par le miroir concave MCV pour former l'impulsion 3 puis par le miroir convexe MCX pour former l'impulsion 4, puis à nouveau par le miroir concave MCV pour former l'impulsion 5. Le parcours est également illustré sur la figure 3B qui représente l'afocal AFC dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 3A. L'impulsion 5 est à nouveau diffractée par le réseau GS pour former une impulsion collimatée 6 qui est renvoyée dans l'étireur par le miroir de renvoi Mi. Le faisceau suit alors un parcours identique (1', 2', 3', 4', 5', 6') puis est éjecté de l'étireur par le miroir de sortie MS1, formant une impulsion étirée 7. Celle-ci est amplifiée avant d'être injectée dans le compresseur. L'amplificateur est par exemple de type amplificateur régénératif, c'est-a-dire formé d'une cavité comprenant un système actif de type cellule de Pockels pour l'injection et l'extraction de l'impulsion amplifiée. Il peut s'agir aussi d'un amplificateur de type multipassages ; l'impulsion subit un nombre donné de réflexions avant de sortir amplifiée. L'amplificateur multipassages peut être de type direct, positionné directement en sortie de l'étireur, ou peut être positionné en sortie d'un amplificateur régénératif. Il est possible de prévoir plusieurs amplificateurs multipassages derrière un amplificateur régénératif.
L'impulsion 7 traverse une optique de mise en forme OPT, puis arrive sur le réseau GC1 dimensionné et agencé de telle sorte que l'angle de diffraction Θ02 à la longueur d'onde centrale λ0 soit de même signe par rapport à la normale au réseau (Δ2) et de valeur absolue strictement inférieure à l'angle d'incidence α2 de l'impulsion 7 sur le réseau d'entrée GC-i. L'impulsion diffractée 8 est envoyée sur le second réseau GC2 identique à GC1 et parallèle à celui-ci de telle sorte que l'impulsion diffractée 9 se trouve collimatée. L'impulsion 9 est renvoyée dans le compresseur grâce au miroir de renvoi M2 puis suit le parcours inverse (10, 11 , 12). L'impulsion compressée 12 est ensuite éjectée du compresseur par le miroir de sortie MS2.
La déposante a montré que, dans l'exemple de la figure 3A, une chaîne à encombrement réduit et à très bonne efficacité de dispersion autour d'une longueur d'onde centrale λo = 800 nm peut être obtenue en choisissant pour l'étireur un réseau blasé à la longueur d'onde centrale λo, avec un nombre de traits par millimètres i = 1200 tr/mm, un angle d'incidence ai ≈ 23°, un angle de diffraction θ0ι ≈ 35°. La déposante a montré qu'un taux d'étirement du compresseur de l'ordre de 8 ps/nm peut être obtenu en choisissant pour le miroir concave MCV une focale de l'ordre de 55 cm et pour le miroir convexe une focale de l'ordre de 27,5 cm, la demi-distance entre les réseaux n'étant que de 18 cm environ.
En ce qui concerne le compresseur, on peut par exemple choisir des réseaux GCi et GC2 identiques au réseau GS de l'étireur, et orienter ces réseaux pour que l'angle d'incidence α2 soit égal à l'angle de diffraction θ0ι du réseau GS de l'étireur. Dans ce cas, le temps de groupe doit être le même pour toutes les longueurs d'onde et si les effets de dispersion parasites dus aux matériaux dispersifs du milieu amplificateur dans le système peuvent être négligés, l'étireur et le compresseur se compensent parfaitement.
Cependant, il peut s'avérer nécessaire de compenser ces effets de dispersion parasites, par exemple en modifiant le dimensionnement et l'orientation des réseaux du compresseur. Dans l'exemple ci-dessus décrit, la déposante a montré qu'une très bonne compensation de la dispersion est obtenue avec des réseaux GCi et GC2 présentant un nombre de traits par millimètres N=1500 tr/mm, un angle d'incidence 2 ≈ 44,5° et Θ02 ≈ 30°, la distance totale entre les réseaux étant de l'ordre de 45 cm.
Le gain sur l'encombrement de l'étireur est alors de l'ordre d'un facteur 2 par rapport aux chaînes amplificatrices existantes. Avec une chaîne amplificatrice telle qu'elle a été décrite ci-dessus, la déposante a montré que pour un oscillateur délivrant une impulsion incidente dont la largeur spectrale Δλ est d'environ 40 nm autour de λ0 = 800 nm, la durée en sortie de l'étireur est de 330 psec et la durée recompressée en sortie du compresseur après passage dans la chaîne amplificatrice est de 40 f sec environ.
Par exemple, l'oscillateur est de type Ti-Sa (Titane Saphir) pompé par un laser solide pompé par diode et délivrant une impulsion de largeur spectrale d'environ 40 nm.
L'étage amplificateur est par exemple de type Ti-Sa pompé par Nd :YAG ou Nd : YLF pompé flash ou pompé diode, dans une configuration de type amplificateur régénératif ou multipassage direct. On peut également prévoir plusieurs amplificateurs multipassages. Par exemple, on prévoit un amplificateur de type Ti-Sa pompé Nd :YAG dans les basses cadences (10 Hz-100 Hz), un amplificateur de type Ti-Sa pompé par Nd :YLF dans les cadences moyennes (1 kHz - 10KHz) et un amplificateur de type Ti-Sa pompé Nd :YAG dans les fortes cadences (au-delà de 10 kHz).
Les figures 4A à 4C illustrent le temps de groupe résiduel tg (exprimé en picosecondes) en sortie de la chaîne amplificatrice complète, en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nanomètres). La figure 4A donne le délai de groupe en fonction de la longueur d'onde en sortie d'une chaîne amplificatrice selon l'art antérieur (angle d'incidence sur le réseau d'entrée de l'étireur strictement supérieur à l'angle de diffraction), avec des réseaux identiques dans l'étireur et le compresseur, seule la distance entre les réseaux du compresseur étant optimisée. Il apparaît une forte dispersion résiduelle. La figure 4B montre une courbe obtenue avec une chaîne amplificatrice similaire mais dans laquelle l'angle d'incidence sur les réseaux du compresseur est optimisée, en plus de la distance entre les réseaux. Cette double optimisation permet d'obtenir de meilleurs résultats en terme de dispersion résiduelle. La courbe 4C enfin montre le temps de groupe résiduel dans l'exemple de chaîne amplificatrice selon l'invention, telle qu'il est décrit à partir de la figure 3A et avec les paramètres numériques donnés en exemple. On constate sur cette courbe une meilleure compensation de la dispersion résiduelle (courbe plus « plate ») autour de la longueur d'onde centrale, et sur une largeur spectrale donnée.
Grâce à cette loi de phase plus plate, la chaîne amplificatrice selon l'invention permet en outre une utlisation optimale de filtres de phase et d'amplitude permettant un contrôle de la phase et de l'amplitude de l'onde optique pour s'adapter de façon dynamique aux distorsions de phase et d'amplitude introduites dans l'amplificateur. Avantageusement, ce filtre est filtre dispersif acousto-acoustique programmable tel que décrit dans la demande de brevet français FR 2 751 095 au nom de la déposante, connu sous le nom de filtre AOPDF. Le principe de ce filtre est la génération dans un cristal d'une onde acoustique contrôlé par des moyens de programmation afin de créer un réseau variable dans le cristal dans lequel est couplée l'onde optique incidente. Ce réseau variable de façon dynamique, disperse les longueurs d'onde du spectre de l'onde optique en fonction des aberrations introduites par le milieu amplificateur. La configuration étireur/compresseur telle que décrite dans l'invention permet d'utiliser toute la dynamique de l'AOPDF dont l'efficacité est d'autant meilleure que la phase est plate. L'AOPDF est placé par exemple avant ou après l'étireur, entre l'oscillateur et l'amplificateur pour éviter d'être soumis à de trop fortes énergies en sortie de l'amplificateur.

Claims

REVENDICATIONS
1- Chaîne amplificatrice (CPA) pour la génération d'impulsions ultracourtes de forte puissance, comprenant un étireur (STR) destiné à étirer temporellement une impulsion incidente de longueur d'onde centrale donnée (λo) et comprenant notamment un élément dispersif d'entrée (GS, GS-t) de type réseau, un milieu amplificateur (AMP) pour amplifier ladite impulsion étirée, et un compresseur (CPR) pour compresser temporellement ladite impulsion amplifiée, caractérisé en ce que le réseau d'entrée de l'étireur est dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence (ai) de l'impulsion incidente tel que l'angle de diffraction (Θ01) à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau (Δi) et de valeur absolue strictement supérieure, et en ce que le compresseur (CPR) comprend notamment un élément dispersif d'entrée de type réseau (GC-i) dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence (α2) de l'impulsion amplifiée tel que l'angle de diffraction (Θ02) à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau (Δ2) et de valeur absolue strictement inférieure.
2- Chaîne amplificatrice selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit angle d'incidence (α2) du réseau d'entrée du compresseur est sensiblement identique audit angle de diffraction (θ0-ι) du réseau d'entrée de l'étireur et en ce que ledit angle de diffraction (Θ02) du réseau d'entrée du compresseur est sensiblement identique audit angle d'incidence (α-i) du réseau d'entrée de l'étireur. 3- Chaîne amplificatrice selon la revendication 1 , caractérisée en ce que lesdits angles d'incidence (α2) et de diffraction (Θ02) du réseau d'entrée du compresseur (GC-i) sont optimisés pour compenser la dispersion introduite par le milieu amplificateur.
4- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compresseur (CPR) comprend notamment un élément dispersif d'entrée de type réseau (GC-i) dont le nombre de traits par unité de longueur du réseau d'entrée du compresseur est optimisé pour compenser la dispersion introduite par le milieu amplificateur. 5- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compresseur comprend notamment deux réseaux identiques (GC-i, GC2) et agencés parallèlement, la distance entre les réseaux du compresseur étant optimisée pour compenser la dispersion introduite par le milieu amplificateur.
6- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les réseaux de l'étireur et du compresseur sont blasés à ladite longueur d'onde centrale (λo).
7- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'étireur comprend un afocal (AFC) avec triplet de Ôfner.
8- Chaîne amplificatrice selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit afocal est catadioptrique, formé d'un miroir concave (MCV) et d'un miroir convexe (MCX). 9- Chaîne amplificatrice selon la revendication 1 pour la génération d'impulsion ultracourtes de longueur d'onde centrale sensiblement égale à 800 nm, caractérisée en ce que l'étireur (STR) comprend notamment un réseau (GS) avec un nombre de traits d'environ 1200 tr/mm, un afocal (AFC) avec triplet de Ôfner comprenant un miroir concave (MCV) avec une distance focale de 55 cm environ, et un miroir convexe (MCX) avec une distance focale de 27,5 cm, la distance (a) entre le réseau et le plan focal du miroir concave étant de 18 cm environ, en ce que le compresseur comprend notamment deux réseaux (GCi, GC ) dont le nombre de traits est sensiblement de 1500 tr/mm, la distance entre les réseaux étant de 45 cm environ et en en ce que les angles d'incidence et de diffraction sur le réseau d'entrée sont sensiblement de 23° et 35° respectivement et les angles d'incidence et de diffraction sur le réseau d'entrée du compresseur sont sensiblement de 44,5° et 30° respectivement.
10- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est de type amplificateur régénératif.
11- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est de type amplificateur multipassages. 12- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est de type Ti-Sa pompé par Nd :YAG pompé flash ou pompé diode.
13- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisée en ce que le milieu amplificateur est de type Ti-Sa pompé par
Nd :YLF pompé flash ou pompé diode.
14- Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un filtre de phase et d'amplitude permettant un contrôle de la phase et de l'amplitude de l'impulsion amplifiée pour s'adapter de façon dynamique aux distorsions de phase et d'amplitude introduites par le milieu amplificateur.
15- Chaîne amplificatrice selon la revendication 14, caractérisée en ce que le filtre est un filtre dispersif acousto-acoustique programmable.
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