FR2884652A1 - Dispositif de generation d'impulsions laser amplifiees par fibres optiques a couches photoniques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de génération d'impulsions laser amplifiées comportant au moins un laser impulsionnel piloté par au moins un moyen de déclenchement émettant un faisceau laser maître multiplexé spatialement en des faisceaux laser élémentaires qui sont amplifiés en parallèle par au moins deux amplificateurs optiques, chacun des faisceaux laser élémentaires amplifiés étant dirigé vers un volume de focalisation unique. Selon l'invention, chaque amplificateur (12) optique comporte une fibre à couches photoniques (2), au moins un moyen de pompage (3, 5) optique à diodes laser produisant au moins une onde de pompe (4) pour pompage longitudinal de ladite fibre et un moyen de focaliser (7) dans le volume de focalisation le faisceau amplifié (15) produit par la fibre, la fibre allongée en silice ou verre comportant un coeur dopé, le pompage de chaque amplificateur optique étant en continu et la génération des impulsions optiques amplifiées étant obtenue directement par le laser impulsionnel, ledit dispositif ayant une configuration du multiplexage, de l'amplification parallèle et de la focalisation de chaque faisceau permettant de garantir la synchronisation des impulsions optiques produites par l'ensemble des amplificateurs optiques à fibre afin qu'elles arrivent selon un séquencement temporel prédéterminé dans le volume de focalisation.

Description

dénommée ici fibre laser à couches photoniques ou MPF ( Multiclad

Photonic Fiber ) a été présentée dans l'article de J. Limpert, N. DeguilRobin, I. Manek-Hônninger, F. Salin, F.

Rôser, A. Liem, T. Schreiber, S. Nolte, H. Zellmer, A. Tünnermann, J. Broeng, A. Petersson, and C. Jakobsen, "Highpower rod-type photonic crystal fiber laser," Opt. Express 13, 1055-1058 (2005).

Par ailleurs, l'état de l'art par les demandes de brevet du CEA FR-2 814 599 ou FR-2 859 545, fait apparaître la possibilité d'associer en parallèle plusieurs lasers solides pompés de manière à multiplier la densité lumineuse au point focal d'une cible et de manière à obtenir globalement des énergies impulsionelles importantes pratiquement impossibles à obtenir avec des structures solides monolithiques classiques garantissant à la fois de tels niveaux d'énergie et une qualité de faisceau requise.

La présente invention propose une source laser de forte puissance en mode impulsionnel intégrée multi-millijoules en régime nanoseconde qui présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs connus et qui permet en outre, notamment, la réalisation de sources secondaires de rayonnements électromagnétiques par excitation de plasma ou de cristaux non linéaires afin de générer de tels rayonnements électromagnétiques en utilisant ladite source laser comme moyen d'excitation primaire. Cet avantage est obtenu par la mise en oeuvre d'une amplification distribuée sur plusieurs fibres photoniques (MPF) permettant de profiter des avantages relatifs aux fibres photoniques et à l'utilisation d'une architecture parallèle.

La source de l'invention comporte un laser maître fonctionnant en cadence (oscillateur) déclenché par au moins un moyen de déclenchement dont le faisceau émis est réparti (multiplexé) en N sous-sources qui sont distribuées à N amplificateurs optiques du type fibre à couches photoniques (MPF) pompée, chacun des amplificateurs étant pompé par des diodes laser et réémettant un faisceau optique vers un volume de focalisation unique commun aux N amplificateurs. Le volume de focalisation peut correspondre à un matériau solide, liquide ou gazeux qui sera ainsi excité pour la génération secondaire d'une source à une longueur d'onde différente de celle du laser déclenché. Le laser maître est un laser oscillateur impulsionnel haute cadence utilisant par exemple une fibre à couches photoniques (MPF).

Ainsi, l'invention concerne un dispositif de génération d'impulsions laser amplifiées comportant au moins un laser impulsionnel piloté par au moins un moyen de déclenchement émettant un faisceau laser maître multiplexé spatialement en des faisceaux laser élémentaires qui sont amplifiés en parallèle par au moins deux amplificateurs optiques, chacun des faisceaux laser élémentaires amplifiés étant dirigé vers un volume de focalisation unique Selon l'invention, chaque amplificateur optique comporte une fibre à couches photoniques, dite MPF, au moins un moyen de pompage optique à diodes laser produisant au moins une onde de pompe pour pompage longitudinal de ladite fibre et un moyen de focaliser dans le volume de focalisation le faisceau amplifié produit par la fibre, la fibre allongée en silice ou verre comportant un coeur dopé, une première couche périphérique à structure photonique de guidage d'onde laser entourée d'une couche de confinement d'onde de pompe, la couche de confinement étant entourée d'une gaine, le guidage et le confinement étant obtenus par mise en oeuvre de capillaires aériques au sein de la fibre, le pompage de chaque amplificateur optique étant en continu et la génération des impulsions optiques amplifiées étant obtenue directement par une source laser impulsionnelle fonctionnant en cadence, ledit dispositif ayant une configuration du multiplexage, de l'amplification parallèle et de la focalisation de chaque faisceau permettant de garantir la synchronisation des impulsions optiques produites par l'ensemble des amplificateurs optiques à fibre afin qu'elles arrivent selon un séquencement temporel prédéterminé dans le volume de focalisation.

Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés: - chaque amplificateur optique à une fibre à couches photoniques 5 d'une longueur inférieure à lm, - les faisceaux laser élémentaires amplifiés sont chacun très proches de la limite de diffraction, - les faisceaux laser élémentaires amplifiés présentent chacun un paramètre M2 inférieur à 2, - le laser impulsionnel émettant un faisceau laser maître qui est ensuite multiplexée spatialement puis amplifiée par des amplificateurs optiques est un laser impulsionnel à fibre amplificatrice à couches photoniques (MPF), - le dispositif comporte un oscillateur laser impulsionnel produisant le faisceau laser maître suivi d'au minimum deux amplificateurs optiques en parallèle, (le laser impulsionnel avec son moyen de déclenchement est un oscillateur) l'ensemble comporte entre deux et cinquante amplificateurs optiques en parallèle, - la fréquence de répétition des impulsions laser est d'au moins 10kHz, - la durée des impulsions laser produites par chacun des amplificateurs optiques est comprise entre 1 ns et 30ns, - la durée de l'impulsion laser au point de focalisation est comprise 25 entre 1 ns et 100ns, - la puissance moyenne dans le volume de focalisation est au moins de l kW, - la puissance moyenne dans le volume de focalisation est au moins de 3kW, - le volume de focalisation correspond à la zone d'intersection des faisceaux laser élémentaires amplifiés et présente un volume inférieur à 1000pm cube, - le volume de focalisation est une zone sensiblement sphérique ou ovoïde où au moins 90% de l'énergie laser est concentrée dans un 35 volume inférieur à 1000pm cube, - la densité d'énergie au point de focalisation par impulsion est d'au moins 1. 1010W/cm2, - la stabilité de l'énergie des impulsions est d'au moins 1% à 3 6, - le dispositif comporte en outre des moyens pour générer un plasma émettant un rayonnement électromagnétique dans la gamme des ultraviolets extrêmes de longueur d'onde approximativement de 13,5nm, - les extrémités de la partie guidée (extrémités des fibres amplificatrices) des faisceaux laser amplifiés sont disposées dans 10 l'espace autour du volume de focalisation, - les extrémités de la partie guidée (extrémités des fibres amplificatrices) des faisceaux laser amplifiés sont disposées sensiblement à une même distance autour du volume de focalisation, (les extrémités des fibres MPF amplificatrices vers le volume de focalisation sont disposées sensiblement à une même distance autour du volume de focalisation) - les extrémités de la partie guidée (extrémités des fibres amplificatrices) des faisceaux laser amplifiés sont disposées diamétralement deux à deux, en vis-à-vis, autour du volume de focalisation, (les extrémités des fibres MPF amplificatrices vers le volume de focalisation sont disposées diamétralement deux à deux, en vis- à-vis, autour du volume de focalisation) - les extrémités de la partie guidée (extrémités des fibres amplificatrices) des faisceaux laser amplifiés sont disposées autour du volume de focalisation de manière à ce qu'aucun faisceau laser amplifié ne soit en vis-à-vis d'un autre faisceau laser amplifié, (pour éviter une éventuelle destruction de source laser par injection d'un faisceau laser amplifié dans une autre fibre amplificatrice en vis-à-vis), - les extrémités de la partie guidée (extrémités des fibres amplificatrices) des faisceaux laser amplifiés sont disposées radialement équiangulairement autour du point de focalisation dans un même plan - chaque fibre comporte un dispositif de pointage dynamique de manière à garantir le même point de focalisation de chaque faisceau indépendamment des contraintes environnementales, - le dispositif de pointage dynamique comprend deux miroirs ajustables angulairement, des détecteurs de position et de direction du faisceau laser amplifié disposés en aval desdits miroirs et des moyens de piloter l'orientation des miroirs en fonction du signal d'erreur fournit par les détecteurs, - les détecteurs sont (par exemple) des détecteurs quatre- quadrants, l'un des détecteurs étant placé au foyer d'un moyen de focalisation afin d'être sensible à la direction du faisceau incident, - le moyen de pompage de chaque amplificateur optique comporte au moins une source à diode(s) laser émettant une onde de pompe renvoyée longitudinalement dans la fibre par un miroir dichroïque (ou tout autre élément optique équivalent) permettant d'injecter simultanément dans l'amplificateur optique le faisceau laser élémentaire issu du laser impulsionnel et la pompe, - le moyen de pompage comporte au moins une source à diode(s) laser émettant une onde de pompe, l'onde de pompe étant injectée longitudinalement dans la fibre à travers un miroir dichroïque, le faisceau laser élémentaire correspondant pouvant être injecté dans ladite fibre grâce audit miroir dichroïque, - le moyen de pompage permet d'envoyer dans la fibre amplificatrice une onde de pompe à une extrémité de ladite fibre, - le moyen de pompage permet d'envoyer dans la fibre amplificatrice deux ondes de pompe, soit une onde de pompe à chacune des deux extrémités de ladite fibre, - le moyen de pompage permet d'envoyer dans la fibre amplificatrice deux ondes de pompe polarisées perpendiculairement entre-elles à une même extrémité de ladite fibre, -la fibre de l'amplificateur optique est utilisée en double passage pour le faisceau laser amplifié, la séparation entre l'onde incidente et l'onde émergeante de l'amplificateur étant opérée par un moyen de séparation de la polarisation, - l'amplificateur à fibre MPF est utilisé en double passage, le faisceau laser maître entrant dans la fibre MPF par la même extrémité que celle par laquelle sort le faisceau amplifié, la/les ondes de pompes étant envoyées dans la fibre par l'autre extrémité de la fibre MPF, - le laser impulsionnel oscillateur est constitué d'un moyen de déclenchement et d'un milieu amplificateur de type MPF, (amplifiant le signal grâce à la configuration à MPF) - le laser impulsionnel oscillateur émettant un faisceau laser maître est ensuite multiplexée spatialement puis amplifiée par des amplificateurs optiques est un laser impulsionnel à fibre amplificatrice à couches photoniques (MPF), - le laser oscillateur est en outre suivi d'un module amplificateur à fibre photonique MPF produisant le faisceau laser maître, 15 - le dispositif comporte un laser impulsionnel, - le dispositif comporte au moins deux laser impulsionnels synchronisés entre-eux dans le temps, chacun émettant (directement ou par l'intermédiaire d'un module amplificateur à fibre photonique MPF) un faisceau laser maître multiplexé spatialement vers au moins deux amplificateurs optiques en parallèle, -le faisceau laser maître est multiplexée spatialement puis relié aux différents amplificateurs optiques par des guides optiques (fibres optiques de guidage) dont les longueurs sont déterminés pour que les impulsions des faisceaux laser élémentaires amplifiés produites par l'ensemble des amplificateurs optiques arrivent dans le volume de focalisation selon un schéma temporel prédéterminé, - le faisceau laser élémentaire amplifié de chaque amplificateur optique est relié au volume de focalisation par une fibre photonique non-amplificatrice dont la longueur et la configuration sont déterminées pour que les impulsions des faisceaux laser élémentaires amplifiés produites par l'ensemble des amplificateurs optiques arrivent dans le volume de focalisation selon un schéma temporel prédéterminé.

Les notions de mode et de limite de diffraction qui concernent chaque faisceau laser élémentaire amplifié sont connues de l'homme du métier, mais si nécessaire on pourra se reporter à l'article Laser Beams and Resonators de H.Kogelnik et T.Li dans APPLIED OPTICS/Vol.5, N 10/oct 1966, p.1550-1567 Le dispositif permet principalement d'avoir une très bonne qualité de faisceau (proche de la limite de diffraction pour chaque voie d'amplification), pour une très forte densité de puissance (1 mJ à 10mJ par voie) associée à une cadence de répétition élevée (10KHz à 100KHz). Le dispositif de l'invention permet également d'avoir une très grande stabilité énergétique moyenne dans le volume de focalisation grâce à une cadence de tir (impulsion) d'au moins 10KHZ et grâce à la multiplicité des sources élémentaires qui vont en général de 10 à 50 suivant les configurations. De plus, la complexité du dispositif n'est pas proportionnelle à la montée en puissance obtenue dans le volume de focalisation grâce à l'architecture parallèle. Enfin, du fait du grand nombre de sources utilisées, le dispositif peut avoir un taux d'utilisation particulièrement important, le non fonctionnement d'une, voire de quelques sources, ne réduisant la puissance moyenne que très faiblement.

Le dispositif permet aussi d'avoir une très grande souplesse dans les caractéristiques optiques dans le volume de focalisation puisqu'en modifiant la distance (longueur ou type -fibre optique de guidage ou de transport selon les cas- de chemin optique) séparant l'oscillateur (laser impulsionnel maître) et certains amplificateurs optiques on peut produire des profiles temporels d'énergie complexe (création d'une pré-impulsion par exemple).

La présente invention va maintenant être exemplifiée sans 30 pour autant en être limitée avec la description qui suit en relation avec les figures suivantes: la Figure 1 qui représente un premier exemple d'amplificateur optique à fibre MPF mis en oeuvre dans le dispositif de l'invention pour amplifier chaque faisceau laser élémentaire, la Figure 2 qui représente le laser impulsionnel et le multiplexage spatial du faisceau laser maître en des faisceaux laser élémentaires destinés à être amplifiés par des amplificateurs optiques, la Figure 3 qui représente un exemple de réalisation du dispositif, la Figure 4 représente un second exemple d'amplificateur à fibre MPF, du type à double passage et à séparation de polarisation.

Les fibres MPF permettent de réaliser des sources laser de plus de 100W de puissance moyenne chacune tout en gardant une qualité de faisceau proche de la diffraction, le seul mode amplifié étant le mode fondamental TMOO (monomode transverse). Cette bonne qualité de faisceau permet une focalisation relativement fine, déposition du maximum d'énergie sur environ 10pm de diamètre au point de focalisation et permet d'exciter une cible (particule) de quelques microns (environ de 5pm à 20pm) de diamètre. La forme globale du point de focalisation est très approximativement sphéroïdale et dépend des orientations relatives des faisceaux laser entre-eux.

D'une façon générale, une fibre MPF est une structure allongée en verre ou silice avec une géométrie axiale comprenant au centre un milieu amplificateur dopé dans lequel le rayonnement amplifié sera guidé et, autour de ce milieu amplificateur, une gaine de guidage de type photonique (c'est-à-dire présentant une structure trouée abaissant artificiellement l'indice du matériau de la gaine de guidage). Autour de la gaine de guidage se trouve une gaine de pompe permettant de confiner l'onde de pompe dans la gaine de guidage et le coeur. De préférence, autour de cette structure, on dispose une gaine supplémentaire pouvant servir de protection (rigidificateur mécanique et/ou radiateur thermique). Ce type de fibre MPF se caractérise en particulier par le fait que l'on peut avoir des diamètres de coeur de 30pm à 100 pm tout en ayant un guidage monomode et une ouverture numérique supérieure à 0,6 pour la gaine de pompe, ce qui facilite l'injection longitudinale de/des ondes de pompe. La zone de guidage de pompe est légèrement supérieure à environ 100pm de diamètre et peut être élargie en fonction de l'optimisation du laser. Ces valeurs de diamètres sont adaptées en fonction des besoins mais ils ont une influence sur la longueur de la fibre nécessaire à l'amplification. La longueur typique d'un amplificateur basé une telle fibre MPF est inférieure à 1 m.

Afin d'obtenir du gain dans la fibre MPF, le coeur est dopé par des ions Ytterbium. Ces ions sont excités en les pompant à l'aide de diode laser de puissance. L'Ytterbium a l'intérêt de pouvoir être pompé à 980 nm, longueur d'onde correspondant aux amplificateurs classiquement utilisés en télécommunication, ce qui garanti la fourniture et l'amélioration des technologies des diodes de pompage. Ces diodes ont une brillance trop faible pour que l'onde de pompe soit injectée directement dans le coeur de la fibre et on utilise donc la capacité de guidage de pompe de la fibre pour propager la puissance de l'onde de pompe vers le coeur. La mise en oeuvre de ces fibres MPF est relativement simple car il est possible d'obtenir des puissances importantes sans nécessairement avoir à utiliser des moyens de refroidissement, ce type de fibre était capable de tenir à des puissances de pompe supérieures à 300W.

Les amplificateurs mis en oeuvre dans le dispositif utilisent de telles fibres MPF et peuvent être chacun pompées par l'une ou leurs deux extrémités par des moyens de pompage, ce qui permet de doubler la puissance de pompe injectée longitudinalement dans la fibre. Dans une variante mettant en oeuvre une polarisation de l'onde de pompe on peut quadrupler la puissance de pompe injectée dans la fibre en utilisant à chaque extrémité deux ondes de pompe à polarisations croisées.

De préférence et comme représenté sur la Figure 1, les moyens de pompage 3 de l'amplificateur optique 12 produisent à chaque extrémité de la fibre MPF 2 des ondes de pompe 4 dont l'axe optique est parallèle à la fibre MPF 2. Les ondes de pompe 4 sont envoyées longitudinalement dans la fibre au travers de miroirs dichroïques 5 capables de réfléchir le faisceau laser élémentaire 16 correspondant qui est amplifié dans l'amplificateur optique 12.

Le faisceau laser élémentaire amplifié 15 est également réfléchi par un miroir dichroïque 5 et est ensuite envoyée à travers un moyen de focalisation 7, de préférence opto-mécanique, vers une cible 14. De préférence la fibre MPF 2 (ou un élément optique supplémentaire) renvoie préférentiellement le faisceau laser élémentaire amplifié 15 vers le miroir dichroïque en relation avec le moyen de focalisation 7 et non pas vers le multiplexeur 11 qui sera vu en relation avec la Figure 2.

Ainsi l'amplificateur représenté sur la Figure 1 comporte une fibre MPF 2 qui est pompée à ses deux extrémités par deux moyens de pompage 3 du type à diodes laser, elles-même fibrées (l'onde de pompe est envoyée vers la fibre amplificatrice MPF par l'intermédiaire d'un guide optique du type fibre optique), produisant deux ondes de pompe 4 sensiblement parallèles à la fibre 2 et renvoyées longitudinalement dans la fibre 2 au travers de miroirs dichroïques 5 transmettant l'onde de pompe mais réfléchissant le faisceau laser élémentaire 16 qui est amplifié dans la fibre MPF 2 et ressort amplifié 15 pour être dirigé et focalisé sur la cible 14 par un moyen opto-mécanique 7.

Dans une autre configuration représentée sur la Figure 4, l'amplificateur optique à fibre MPF est utilisé en double passage. Une onde incidente de faisceau laser élémentaire 16 provenant du laser maître est injectée dans l'amplificateur à travers un moyen de séparation de polarisation 21. L'onde incidente du laser maître est polarisée linéairement. L'onde traverse alors une lame quart d'onde 22 qui transforme la polarisation linéaire en une polarisation circulaire. Cette onde est alors injectée dans la fibre MPF 2 à l'aide de moyen optique 23. Un moyen optique dichroïque 24 transmettant l'onde provenant du laser maître et capable de réfléchir l'onde de pompe peut éventuellement être introduit sur le trajet. La fibre MPF 2 possède une gaine extérieure de grand diamètre (>1 mm) qui lui assure une grande rigidité. Cette rigidité permet d'obtenir un maintien de la polarisation de l'onde incidente. Un moyen optique dichroïque 25 réfléchit l'onde provenant du laser maître et est capable de transmettre l'onde de pompe produite par le module 3 et qui est introduite au moyen d'un élément de couplage optique 26 contre ou sur la face de sortie de la fibre. L'onde est donc renvoyé sur elle-même autravers de la fibre. Un second passage à travers la lame quart d'onde transforme l'onde polarisée circulairement en une onde polarisée linéairement mais dont la direction de polarisation est perpendiculaire à celle de l'onde incidente provenant du laser maître. Cette onde est séparée de l'onde incidente par le séparateur de polarisation 21 et peut être refocalisé par un moyen optique 27 dans un guide de transport 18 qui peut être une fibre photonique souple. Une telle mise en oeuvre permet d'augmenter notablement le gain de l'amplificateur et donc de diminuer la puissance de l'onde incidente provenant du laser maître.

D'une manière générale, le laser impulsionnel oscillateur peut 15 être: une diode laser émettant en continu et dont le rayonnement est modulé en impulsions par un modulateur haute-fréquence externe, les impulsions pouvant en outre être amplifiées dans un amplificateur à fibre MPF disposé en aval du modulateur avant le multiplexeur, - une diode laser dont le courant d'alimentation est modulé et qui peut être suivie d'un amplificateur optique à fibre MPF avant le multiplexeur, - un laser déclenché (lui-même pouvant être un laser à fibre MPF) par des moyens actifs ou passifs et dont on peut préférentiellement synchroniser le moment d'émission sur une horloge externe.

C'est ce dernier type d'oscillateur laser 1 qui est représenté Figure 2 et qui intègre des moyens de pompage 3 produisant l'onde de pompe 4 dont l'axe optique est parallèle à la fibre MPF 2, l'onde de pompe 4 étant envoyée longitudinalement dans la fibre 2 au travers d'un miroir dichroïque 5 capable de réfléchir l'onde laser se propageant dans le résonateur laser. Des miroirs 9 et 10 forment une cavité optique accordée et un moyen de déclenchement 8 (un cristal électro-optique, ou tout autre moyen permettant une modulation rapide) est disposé dans la cavité. La cavité laser est ainsi constituée par un élément totalement réfléchissant 9 et partiellement réfléchissant 10 pour laisser sortir le faisceau laser maître 6. De manière particulière, l'élément 10 partiellement réfléchissant est constitué par la face de la fibre. Le faisceau laser maître 6 est multiplexé par un multiplexeur spatial 11 (et éventuellement temporel) pour produire les faisceaux laser élémentaires 16. Un amplificateur optique à fibre MPF peut, dans une variante, être mis en oeuvre en amont du multiplexeur 11, en sortie de l'oscillateur laser 1 pour amplifier le faisceau laser maître 6 avant son multiplexage.

Le dispositif de la Figure 3 met en oeuvre un ensemble d'amplificateurs optiques 12 à fibres MPF 2 du type de celui de la Figure 1 ou de la Figure 4 mais limité ici, pour des raisons de simplification de la Figure, à 8 amplificateurs optiques. Ces amplificateurs optiques 12 sont disposés sur un support en forme de couronne plane ou légèrement conique et leurs faisceaux laser convergent vers un même volume de focalisation placé sensiblement au centre de la couronne. Cette géométrie de faisceaux laser présente un axe de symétrie cylindrique et un jet de particules est envoyé sensiblement perpendiculairement à cette couronne vers le volume de focalisation.

Un moyen de génération 13 d'un jet de particules ou gouttelettes 14 d'étain ou de xénon d'environ 10pm de diamètre chacune est disposé de manière à ce que le jet passe par le volume de focalisation des faisceaux laser amplifiés 15. De préférence, dans le jet, les particules ou gouttelettes sont isolées les unes des autres. Un laser maître 1 à moyen de déclenchement produisant des impulsions lumineuses est utilisé. Les impulsions lumineuses des faisceaux laser élémentaires 16 sont envoyées par des guides optiques, fibres optiques de guidage souples ou tout autre moyen optique de transport de faisceau, à chacun des amplificateurs optiques 12, la longueur des fibres optiques de guidage étant telles qu'avec la disposition de la source 1 et des amplificateurs 12 choisie, les impulsions laser des faisceaux laser amplifiés 15 arrivent toutes sensiblement au même moment dans le volume de focalisation ou, plus généralement, selon un schéma temporel prédéterminé.

Ainsi, le faisceau laser maître est multiplexée spatialement puis relié aux différents amplificateurs optiques par des fibres optiques de guidage dont les longueurs sont déterminées pour que les impulsions des faisceaux laser élémentaires amplifiés produites par l'ensemble des amplificateurs optiques arrivent dans le volume de focalisation selon un schéma temporel prédéterminé. En particulier, on peut voir sur la figure 3 que certains amplificateurs peuvent être physiquement situés plus loin de l'oscillateur que d'autres. On compense alors cette variation d'éloignement en introduisant des chemins optiques différents pour chaque amplificateur. Le chemin peut par exemple être d'autant plus long que l'amplificateur est situé près de l'oscillateur afin d'assurer une arrivée synchrone des impulsions émises par les différents amplificateurs sur la cible située au centre du volume de focalisation commun. Dans un autre cas particulier, un ou plusieurs chemins optiques sont délibérément choisis différents des autres afin que les impulsions suivant ces chemins arrivent sur la cible avec une avance sur l'ensemble des autres. Ces "pré- impulsions" créent un pré-plasma qui peut être utilisé pour changer les conditions d'interaction du groupe d'impulsions principales avec la cible. Par exemple on peut changer la densité électronique de la cible pour changer son absorption. Le décalage temporel entre les deux groupes d'impulsions est choisi en fonction de principes physiques de l'interaction qui sont classiquement connus. Des schémas temporels plus compliqués peuvent être obtenus en modulant chaque chemin optique indépendamment, soit statiquement (la longueur des fibres de guidage et/ou de transport est constante), soit dynamiquement (moyen de retard réglable).

On a également indiqué que dans une variante, le faisceau laser élémentaire amplifié de chaque amplificateur optique est relié au volume de focalisation par une fibre photonique non-amplificatrice de transport dont la longueur et la configuration sont déterminées pour que les impulsions des faisceaux laser élémentaires amplifiés produites par l'ensemble des amplificateurs optiques arrivent dans le volume de focalisation selon un schéma temporel prédéterminé. Les fibres photoniques non-amplificatrices en aval des amplificateurs optiques sont donc également un moyen pour faire varier le moment d'arrivé des impulsions optiques amplifiées dans le volume de focalisation. Dans le cas d'utilisation de telles fibres photoniques non-amplificatrices, le moyen de focalisation utilisé pour diminuer (focaliser) le diamètre de chaque faisceau jusqu'à sa limite de diffraction est placé après la fibre photonique non-amplificatrice correspondante (alors appelée fibre de transport).

Un moyen de synchronisation 17 fait en sorte que les impulsions laser arrivent au point de focalisation lorsque s'y trouve une particule 14 d'étain ou de xénon. Cette dernière synchronisation est obtenue soit par détection des particules soit par génération en synchronisme des impulsions laser et des particules par le moyen de génération 13 de particules. L'énergie des impulsions laser délivrée aux particules d'étain ou de xénon

fait qu'un plasma est créé d'où l'on peut extraire un rayonnement électromagnétique ultraviolet extrême à environ 13,5nm de longueur d'onde. Ce rayonnement peut alors être utilisé pour la photolithographie.

En pratique, avec 25 sources de 200W synchronisées pour que les impulsions laser arrivent au même endroit, dans le volume de focalisation, en même temps, on peut obtenir une puissance moyenne de 5kW.

On comprend que d'autres configurations d'amplificateurs optiques laser à fibres MPF sont possibles et par exemple par répartition dans l'espace des amplificateurs laser sur plusieurs couronnes de diamètres identiques ou non mais à même centre correspondant au volume de focalisation.

Claims (1)

16 REVENDICATIONS

1. Dispositif de génération d'impulsions laser amplifiées comportant au moins un laser impulsionnel (1) piloté par au moins un moyen de déclenchement émettant un faisceau laser maître multiplexé spatialement en des faisceaux laser élémentaires (16) qui sont amplifiés en parallèle par au moins deux amplificateurs optiques (12), chacun des faisceaux laser élémentaires amplifiés (15) étant dirigé vers un volume de focalisation unique, caractérisé en ce que chaque amplificateur (12) optique comporte une fibre à couches photoniques (2), dite MPF, au moins un moyen de pompage (3) optique à diodes laser produisant au moins une onde de pompe (4) pour pompage longitudinal de ladite fibre (2) et un moyen de focaliser (7) dans le volume de focalisation le faisceau amplifié (15) produit par la fibre, la fibre allongée en silice ou verre comportant un coeur dopé, une première couche périphérique à structure photonique de guidage d'onde laser entourée d'une couche de confinement d'onde de pompe, la couche de confinement étant entourée d'une gaine, le guidage et le confinement étant obtenus par mise en oeuvre de capillaires aériques au sein de la fibre, le pompage de chaque amplificateur optique étant en continu et la génération des impulsions optiques amplifiées étant obtenue directement par une source laser impulsionnelle fonctionnant en cadence (1), ledit dispositif ayant une configuration du multiplexage (11), de l'amplification (12) parallèle et de la focalisation (7) de chaque faisceau permettant de garantir la synchronisation des impulsions optiques produites par l'ensemble des amplificateurs optiques à fibre afin qu'elles arrivent selon un séquencement temporel prédéterminé dans le volume de focalisation.

2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque amplificateur optique à une fibre à couches photoniques (2) d'une longueur inférieure à lm.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce 35 que les faisceaux laser élémentaires amplifiés (15) sont chacun très proches de la limite de diffraction et présentent chacun un paramètre M2 inférieur à 2.

4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la fréquence de répétition des impulsions laser est d'au moins 10kHz, la durée des impulsions laser produites par chacun des amplificateurs optiques est comprise entre 1 ns et 30ns et la puissance moyenne dans le volume de focalisation est au moins de 3kW 5. Dispositif selon la revendication 1,2,3, ou 4, caractérisé en ce que le volume de focalisation correspond à la zone d'intersection des faisceaux laser élémentaires amplifiés (15) et présente un volume inférieur à 1000pm cube.

6. Dispositif selon la revendication 4, ou 5 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (13, 14) pour générer un plasma émettant un rayonnement électromagnétique dans la gamme des ultraviolets extrêmes de longueur d'onde approximativement de 13,5nm.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de pompage (3, 5) comporte au moins une source à diode(s) laser émettant une onde de pompe (4), l'onde de pompe étant injectée longitudinalement dans la fibre (2) à travers un miroir dichroïque (5), le faisceau laser élémentaire (16) correspondant pouvant être injecté dans ladite fibre (2) grâce audit miroir dichroïque.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de pompage (3, 5) permet d'envoyer dans la fibre amplificatrice deux ondes de pompe (4), soit une onde de pompe à chacune des deux extrémités de ladite fibre.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre (2) de l'amplificateur optique est utilisée en double passage pour le faisceau laser amplifié, la séparation entre l'onde incidente et l'onde émergeante de l'amplificateur étant opérée par un moyen de séparation de la polarisation (21).

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser impulsionnel (1) émettant un faisceau laser maître qui est ensuite multiplexé spatialement puis amplifié par des amplificateurs optiques est un laser impulsionnel à fibre amplificatrice à couches photoniques (MPF).

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser maître est multiplexée (11) spatialement puis relié aux différents amplificateurs optiques par des fibres optiques de guidage dont les longueurs sont déterminées pour que les impulsions des faisceaux laser élémentaires amplifiés (15) produites par l'ensemble des amplificateurs optiques (12) arrivent dans le volume de focalisation selon un schéma temporel prédéterminé.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le faisceau laser élémentaire amplifié (15) de chaque amplificateur optique (12) est relié au volume de focalisation par une fibre photonique (18) non-amplificatrice de transport dont la longueur et la configuration sont déterminées pour que les impulsions des faisceaux laser élémentaires amplifiés produites par l'ensemble des amplificateurs optiques arrivent dans le volume de focalisation selon un schéma temporel prédéterminé.