FR2834080A1

FR2834080A1 - Chaine amplificatrice pour la generation d'impulsions ultracourtes de forte puissance

Info

Publication number: FR2834080A1
Application number: FR0116560A
Authority: FR
Inventors: Vincent Moro; Franck Falcoz
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-06-27
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: AU2002365001A1; EP1474849A1; FR2834080B1; WO2003055015A1

Abstract

La présente invention concerne une chaîne amplificatrice pour la génération d'impulsions ultracourtes de forte puissance avec un système étireur/ compresseur d'encombrement réduit.Pour cela, la chaîne amplificatrice selon l'invention comprend un étireur (STR) destiné à étirer temporellement une impulsion incidente de longueur d'onde centrale donnée (λ0) avec notamment un élément dispersif d'entrée (GS) de type réseau, un milieu amplificateur 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 (α1) 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 (Δ1) 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 Pulse 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 P1 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 paru-n facteur de 1000 à 5000 typiquement. L'impulsion étirée P2 peut ensuite être amplifiée sans dommages par un amplificateur AMP. L'impulsion amplifiée Pg 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 l'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 notamment un encombrement réduit par rapport aux chaînes amplificatrices de l'art antérieur. Pour ce faire, elle propose 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.

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 ; - La figure 3, le schéma 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 (GS,, 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 L1 et L3 et un miroir de renvoi M,. 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 GS1 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 (A), l'axe (A) étant orienté par rapport au réseau GS de telle sorte que le faisceau diffracté à la longueur d'onde centrale 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 donnée, avec une largeur spectrale A. donnée et une durée d'impulsion T donnée pénètre sur le réseau d'entrée GS, de l'étireur avec un angle

d'incidence α1 par rapport à la normale (A) au réseau. L'impulsion est diffractée (faisceau noté 2 sur la figure 2A) avec un angle de diffraction 801 à la longueur d'onde centrale Ao de l'impulsion incidente et avec une différence d'angle AO 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 : sina1+sin8 (A) = NA (1)
Où N est le nombre de traits du réseau par unité de longueur, et #(#) l'angle de diffraction à la longueur d'onde k.

Le faisceau traverse le système afocal AFC puis est diffracté par le second réseau GS2, identique au réseau d'entrée GS, et orienté de telle sorte à diffracter le faisceau 2 selon un faisceau collimaté 3. Le miroir de renvoi M1 perpendiculaire au faisceau 3 réfléchit ledit faisceau 3 en sens opposé (faisceau 4). Le faisceau 4 est alors diffracté par le réseau Gus2, retraverse l'afocal AFC et est de nouveau diffracté par le réseau d'entrée GS, 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 demidistance a entre les réseaux, mesurée dans l'espace image de l'afocal. Dans l'exemple des figures 2A et 2B, on note GS/t'image du réseau GS1 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 (X) c'est à dire le temps nécessaire à chaque composante spectrale X 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/d) 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 (#). On montre que le taux d'étirement s'exprime de la façon suivante : dtg/d/L (Â) =4paN/c. cos' (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'1 l'image du réseau GS, 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 11À 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 : 4a 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 si nécessaire une très bonne compensation des effets de dispersion dus au milieu amplificateur.

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 a1 de l'impulsion incidente tel que l'angle de diffraction 801 à la longueur d'onde centrale 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 c de l'impulsion amplifiée tel que l'angle de diffraction 802 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 Öfner 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 M1 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 GC, 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 a1 sur le réseau d'entrée GS par rapport à la normale (A,). Le réseau est dimensionné et agencé de telle sorte que l'angle de diffraction 801 à la longueur d'onde centrale soit de même signe et de valeur absolue supérieure à celle de al'a1 et 801 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 M1. Le faisceau suit alors un parcours identique (1', 2', 3', 4', 5', 6') puis est éjecté de l'étireur par le miroir de sortie Mus1, formant une impulsion étirée 7. Celle-ci est amplifiée puis injectée dans le compresseur. 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 802 à la longueur d'onde centrale \, soit de même signe par rapport à la normale au réseau (A) et de valeur absolue strictement inférieure à l'angle d'incidence oc2 de l'impulsion 7 sur le réseau d'entrée GC,. L'impulsion diffractée 8 est envoyée sur le second réseau GC2 identique à GC, 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 sosie 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 = 800 nm peut être obtenue en choisissant pour l'étireur un réseau blasé à la longueur d'onde centrale , avec un nombre de traits par millimètres N, = 1200 tr/mm, un angle d'incidence a, = 230, un angle de diffraction 00, == 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 GC et GC2 identiques au réseau GS de l'étireur, et orienter ces

réseaux pour que l'angle d'incidence oc, soit égal à l'angle de diffraction 801 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 GC1 et GC2 présentant un nombre de traits par millimètres N=1500 tr/mm, un angle d'incidence o == 44, 5 et 002 = 300, 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 I1À est d'environ 40 nm autour de = 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 fsec environ.

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.

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 (tao) et comprenant notamment un élément dispersif d'entrée (GS, GS,) 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 (c) de l'impulsion incidente tel que l'angle de diffraction (80,) à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau (AJ et de valeur absolue strictement supérieure.
2-Chaîne amplificatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que le compresseur (CPR) comprend notamment un élément dispersif d'entrée de type réseau (GC,) dimensionné pour travailler avec un angle d'incidence (α2) de l'impulsion amplifiée tel que l'angle de diffraction (802) à la longueur d'onde centrale est de même signe que l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau (#2) et de valeur absolue strictement inférieure.
3-Chaîne amplificatrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit angle d'incidence (α2) du réseau d'entrée du compresseur est sensiblement identique à audit angle de diffraction (801) du réseau d'entrée de l'étireur et en ce que ledit angle de diffraction (002) du réseau d'entrée du compresseur est sensiblement identique audit angle d'incidence (ex1) du réseau d'entrée de l'étireur.
4- Chaîne amplificatrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits angles d'incidence (α2) et de diffraction (802) du réseau d'entrée du compresseur (GC,) sont optimisés pour compenser la dispersion introduite par le milieu amplificateur.
5-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,) dont le nombre de traits par unité de longueur du réseau d'entrée du compresseur

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est optimisé pour compenser la dispersion introduite par le milieu amplificateur.
6-Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compresseur comprend notamment deux réseaux identiques (GC,. GC2) et agencés parallèlement, la distance entre les réseaux du compresseur étant optimisée pour compenser la dispersion introduite par le milieu amplificateur.
7-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 8-Chaîne amplificatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'étireur comprend un afocal (AFC) avec triplet de Ôfner.

9- Chaîne amplificatrice selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit afocal est catadioptrique, formé d'un miroir concave (MCV) et d'un miroir convexe (MCX).

10-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 (GC,, GC) dont) e 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 230 et 35 respectivement et les angles d'incidence et de diffraction sur le réseau d'entrée du compresseur sont sensiblement de 44, 50 et 300 respectivement.