FR2966291A1

FR2966291A1 - Source laser nanoseconde

Info

Publication number: FR2966291A1
Application number: FR1058467A
Authority: FR
Inventors: Vincent Couderc; Philippe Leproux; Alessandro Tonello; Paul-Henri Pioger; Gilles Melin
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-04-20
Also published as: WO2012052446A1

Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne une source laser (2) comprenant une source d'émission laser primaire (3) à une longueur d'onde de pompe λ 0 donnée, une fibre non linéaire (5) à au moins deux cœurs à dispersion chromatique anormale pour λ et au moins deux zéros de dispersion, les cœurs étant couplés à une longueur d'onde λ supérieure à λ , et des moyens de couplage (7, 9) de l'onde de pompe dans ladite fibre non linéaire.

Description

ETAT DE L'ART Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une source laser nanoseconde à faible coût, notamment une source laser à longueur d'onde d'émission autour de 1,5 µm pour la génération d'impulsions laser à sécurité oculaire ou la génération d'impulsions adaptées à la caractérisation de cellules. Etat de l'art Actuellement, beaucoup d'applications nécessitent l'utilisation d'un rayonnement impulsionnel subnanoseconde avec des puissances crêtes importantes et un coût faible. Les microlasers apparaissent alors comme une solution idéale permettant d'obtenir des fréquences de récurrence de quelques Hz à plus de 100 KHz avec des puissances crêtes supérieures à 20 kW. Le microlaser principalement utilisé aujourd'hui est basé sur l'ion néodyme avec une émission à 1,064 µm. Des publications ont également montré la faisabilité d'un microlaser basé sur l'ion erbium, avec une émission à 1,53 µm (voir par exemple R. Hàring et al., « Passively Q-switched microchip laser at 1,5 µm », J. Opt. Soc. Am. B, Vo1.18, N°12 (2001) ou M. Brunei et al. «Wavelength locking of CW and QSwitched Er3+ microchip lasers to acetylene absorption lines using pump-power modulation», Optics Express Vol. 15, N° 4 (2007)). Une source d'émission à cette longueur d'onde présente de nombreux avantages. Notamment, elle permet des applications de type télémétrie laser ou analyse de gaz en environnement non protégé, en conditions dites de « sécurité oculaire », du fait de l'absorption par les milieux aqueux de l'oeil. Cependant, les microlasers émettant à 1,53 µm restent à l'heure actuelle des composants onéreux. Par ailleurs, le choix des longueurs d'onde d'émission dans les microlasers est limité du fait du nombre restreint d'ions «terre rare» utilisables, principalement le néodyme, l'erbium, l'ytterbium. Or il y a un besoin pour des sources laser bas coût, présentant des longueurs d'onde d'émission au-delà de 1100 nm, à la fois pour les applications nécessitant une sécurité oculaire, mais aussi pour les applications de spectroscopie cellulaire, notamment dans la région spectrale liée à la zone d«< empreinte digitale » de la cellule. L'invention propose une source laser à bas coût, permettant une émission à forte puissance à des longueurs d'onde au-delà de 1100 nm. RESUME DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne une source laser comprenant une source d'émission laser primaire à une longueur d'onde de pompe Xo donnée, une fibre non linéaire à au moins deux coeurs présentant une dispersion chromatique anormale pour Xo et 10 au moins deux zéros de dispersion, les coeurs étant couplés à une longueur d'onde %p supérieure à xo, et des moyens de couplage de l'onde de pompe dans ladite fibre non linéaire. La déposante a mis en évidence un pic d'émission remarquable autour de la longueur d'onde de couplage des coeurs, permettant notamment une émission laser à des longueurs d'onde supérieures à 1100 nm. 15 Selon un mode de réalisation, les coeurs sont agencés de manière concentrique. Selon un mode de réalisation, les coeurs sont juxtaposés. Avantageusement, la fibre non linéaire est microstructurée. Selon un mode de réalisation, les moyens de couplage comprennent une fibre amorce adaptée pour guider l'onde de pompe et l'injecter de manière sélective dans un des coeurs 20 de la fibre non linéaire. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de couplage comprennent une lentille. Selon un mode de réalisation de l'invention, Xo = 1,064 µm. Selon un mode de réalisation de l'invention, %p = 1,55 µm. 25 Selon une variante, la source laser comprend en outre des moyens pour exercer un étirement mécanique réversible de la fibre non linéaire, permettant de rendre la source accordable.5 Selon un mode de réalisation, l'onde de pompe est couplée dans le coeur ayant le plus petit diamètre.

Selon un deuxième aspect, l'invention concerne u n système d'imagerie microscopique CARS d'un échantillon comprenant une voie de pompe avec une source d'émission d'un faisceau de pompe, une voie de sonde comprenant une source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, des moyens de combinaison de la voie d'excitation et de la voie de pompe, et un microscope CARS. Selon un mode de réalisation, le système d'imagerie microscopique CARS comprend une source laser primaire et un séparateur pour former les dites voies de pompe et de 10 sonde. Selon un troisième aspect, l'invention concerne une méthode d'émission d'une onde laser, comprenant l'émission d'un rayonnement laser primaire à une longueur d'onde de pompe Xo donnée, et le couplage du rayonnement laser primaire dans une fibre non linéaire à au moins deux coeurs à dispersion chromatique anormale pour Xo et au moins deux zéros 15 de dispersion, les coeurs étant couplés à une longueur d'onde %p supérieure à xo. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : - Figure 1, un exemple de réalisation d'une source laser selon l'invention ; - Figure 2a, image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe transverse d'une fibre microstructurée à double coeur adaptée à la mise en oeuvre d'une source selon l'invention ; 25 - Figure 2b, courbe montrant la dispersion chromatique calculée du mode fondamental du coeur central de la fibre en fonction de la longueur d'onde dans une fibre du type de la figure 2a ; - Figures 3a, 3b, distribution transversale du champ se propageant dans une fibre du 20 type de la figure 2a à deux longueurs d'onde distinctes; - Figure 4a, 4b, courbes expérimentales montrant respectivement les spectres obtenus avec une source laser selon un exemple de réalisation de l'invention et une source comportant une fibre à cristal photonique standard ; - Figure 5, exemple de montage expérimental pour une application d'une source laser selon un exemple de réalisation de l'invention à la microscopie CARS. DESCRIPTION DETAILLEE La source laser selon l'invention comprend une source laser primaire et une fibre non linéaire à au moins deux coeurs et au moins deux zéros de dispersion. La source primaire émet un rayonnement laser à une longueur d'onde donnée X0, appelée onde de pompe. L'onde de pompe est couplée dans la fibre non linéaire en utilisant des moyens de couplage adaptés. La source laser selon l'invention est une source impulsionnelle nanoseconde ou sub-nanoseconde.

La figure 1 montre un exemple de réalisation d'une source laser selon l'invention. La source laser 2 comprend une source laser primaire 3 émettant un rayonnement laser à une longueur d'onde donnée X0, appelée onde de pompe. L'onde de pompe est couplée dans une fibre non linéaire 5 à deux coeurs couplés, la fibre non linéaire 5 présentant une dispersion anormale à la longueur d'onde de pompe et des zéros de dispersion de part et d'autre de cette longueur d'onde de pompe. Dans l'exemple de la figure 1, une fibre amorce 7 permet le couplage de l'onde de pompe dans la fibre non linéaire 5. Le faisceau laser de pompe issu de la source laser primaire 3 est couplé dans la fibre amorce 7, elle-même couplée à la fibre non linéaire 5, par exemple par une soudure 9. La fibre amorce 7 peut être, par exemple, une fibre à profil standard de type HI 980 nm, monomode à la longueur d'onde de pompe X0. La fibre amorce 7 permet également de réaliser une injection sélective optimale dans un des coeurs de la fibre non linéaire 5. Pour coupler l'onde de pompe dans la fibre non linéaire, d'autres moyens qu'une fibre amorce peuvent être utilisés. Par exemple, il est possible de coupler l'onde de pompe directement dans la fibre non linéaire avec une lentille. L'utilisation d'une fibre amorce facilite cependant le guidage de l'onde de pompe et l'excitation de la fibre non linéaire 5. Comme cela sera décrit par la suite, par effet solitonique et grâce au gain Raman, le rayonnement de l'onde de pompe est converti dans la fibre non linéaire 5 vers une radiation à une longueur d'onde %p proche de la longueur d'onde du second zéro de dispersion. Un filtre 11 peut être utilisé pour sélectionner la longueur d'onde de conversion.

La source laser primaire 3 est par exemple un microlaser sub-nanoseconde émettant des impulsions à 1,064 µm. Ce laser est par exemple déclenché de manière passive par un absorbant saturable solide de type CR4+ : YAG. Toute autre source laser peut néanmoins être utilisée. Celle-ci est particulièrement bien adaptée du fait de sa facilité de conception et de son coût de fabrication faiblement élevé.

La fibre non linéaire 7 peut être, par exemple, une fibre à cristal photonique à doubles coeurs concentriques, dont une coupe transversale 13 est montrée sur la figure 2a. Par exemple, la fibre non linéaire peut être en silice dopée avec des ions de germanium. La fibre non linéaire 7 peut, par exemple, avoir une longueur dans l'ordre de 1 à 2 m. La fibre microstructurée possède deux coeurs concentriques 14a, 14b, formés par des trous d'air. Le petit coeur 14b est adapté pour guider une longueur d'onde de 1,064 µm ce qui correspond à la longueur d'onde de pompe. La courbe de dispersion chromatique pour la fibre microstructurée de la figure 2a est représentée sur la figure 2b. Cette courbe est calculée en utilisant un logiciel de simulation, par exemple le logiciel « COMSOL Multiphysics Simulation Software » de la société COMSOL. La courbe de dispersion 15 comporte une région de dispersion anormale 17 délimitée par deux zéros de dispersion 19, 21. Les figures 3a et 3b montrent respectivement des profils transversaux des modes guidés de pompe et du faisceau laser, dans une fibre microstructurée du type de la figure 2a. La source laser primaire est un microlaser émettant à 1,064 µm. Le mode de pompe 25 a une longueur d'onde de 1064 nm, et le mode laser 27 a une longueur d'onde de 1450 nm.

Le mode de pompe 25 évolue en fonction d'un décalage spectral dû aux effets non linéaires dans la fibre. Pour une longueur d'onde de 1064 nm le champ électromagnétique reste confiné dans le coeur central (14b, figure 2a). Plus la longueur d'onde augmente, plus le champ s'étale, sous l'effet de la diffraction, jusqu'a se coupler dans le coeur annulaire (14a, figure 2a). Dans cet exemple, la longueur d'onde de couplage est proche de 1550 nm.

Par exemple, les modes correspondant aux longueurs d'onde comprises entre 1400 et 1600 nm peuvent avoir un profil transversal comme celui représenté sur la figure 3b. L'émission de l'onde laser à 1550 nm est directement liée à cet effet d'élargissement spatial.

La figure 4a illustre le spectre obtenu avec une source laser selon l'invention comprenant une fibre microstructurée à double coeur comme décrite sur la figure 2a. Le spectre 29 est mesuré avec un analyseur optique de type ANDO AQ-6315A. Le spectre 29 comporte, entre autres, deux pics 31, 33 correspondant à la longueur d'onde de pompe 31 et à la longueur d'onde de radiation convertie 33. Ici, X0= 1064 nm et %p = 1550 nm. Les puissances émises aux longueurs d'onde de pompe et d'onde convertie ont le même ordre de grandeur dans cet exemple. En référence à la figure 1, la longueur d'onde du mode laser peut-être filtrée en utilisant le filtre 11. Pour comparaison, la figure 5b montre un spectre d'émission 30 pour une fibre à coeur unique et deux zéros de dispersion. La longueur d'onde de pompe est également de 1064 nm. Ici, la puissance émise à la longueur d'onde de pompe 32 est bien supérieure à celle de la radiation convertie 34. La déposante a montré que l'efficacité de la conversion non linéaire est directement liée à une double résonnance à la fois spectrale (onde dispersive) et spatiale (étalement du champ électromagnétique). Ainsi, la déposante a mis en évidence l'apparition d'un pic d'intensité dans le spectre d'émission proche du deuxième zéro de dispersion si la fibre non linéaire est pompée avec un rayonnement ayant une longueur d'onde pour laquelle la dispersion chromatique est anormale. Cet effet peut s'expliquer par l'enchaînement de phénomènes non linéaires lors de la propagation dans la fibre. Le couplage de l'onde de pompe dans le premier coeur (petit coeur 14b) de la fibre non linéaire, à une longueur d'onde de dispersion anormale, génère la création d'ondes solitoniques grâce à une compression temporelle provenant de l'impact de la dispersion et de l'effet Kerr. Ces solitons sont auto-décalés sous l'effet du gain Raman vers les grandes longueurs d'onde, c'est à dire vers le deuxième zéro de dispersion. Ainsi, l'énergie de l'onde de pompe est décalée vers les longueurs d'onde plus élevées. Ce décalage est stoppé à la longueur d'onde de couplage des coeurs, proche du deuxième zéro de dispersion, longueur d'onde à partir de laquelle l'état solitonique disparaît suite à l'étalement spatial de l'énergie dans le grand coeur (14a, figure 2a) et au changement de régime de dispersion. La densité spectrale de puissance est affaiblie et les effets non linéaires de la fibre ne sont plus efficaces, i.e., l'évolution du spectre vers les grandes longueurs d'onde est stoppée. Une concentration de l'énergie est alors obtenue à une longueur d'onde %p proche du deuxième zéro de dispersion. Le spectre d'émission de la source laser selon l'invention est ainsi dominé par 1' émission à %p.

Bien que décrit selon un exemple particulier, la fibre non linéaire utilisée pour la mise en oeuvre de la source selon l'invention peut-être toute autre fibre non linéaire à au moins deux coeurs et au moins deux zéros de dispersion autour d'une zone de dispersion anormale. Les coeurs peuvent être concentriques ou juxtaposés tant qu'ils sont couplés à au moins une longueur d'onde %p. La longueur d'onde d'émission %p obtenue par la conversion non linéaire est directement liée à la position du second zéro de dispersion. Elle est donc contrôlable par le matériau de la fibre non linéaire et les profils transversaux des coeurs de celle-ci ainsi que, le cas échéant, par la microstructuration. En pratique, en fonction de la longueur d'onde d'émission recherchée, on pourra ainsi dimensionner les paramètres optogéométriques de la fibre non linéaire pour obtenir une courbe de dispersion adaptée. La longueur d'onde d'émission étant liée aux paramètres optogéométriques de la fibre non linéaire, la déposante a montré qu'il était en outre possible de faire varier la longueur d'onde d'émission et de façon réversible en étirant mécaniquement la fibre non- linéaire. Une source accordable avec une variation de l'ordre de quelques pourcents de la longueur d'onde d'émission (correspondant à environ 100 nm) peut ainsi être obtenue. La source laser selon l'invention peut être utilisée dans de nombreuses applications pour lesquelles une source bas coût émettant entre 1100 nm et 1200 nm typiquement est recherchée. Ces applications comprennent par exemple, sans que cette liste ne soit exhaustive, le LIDAR (télédétection par laser à 1.5 µm), la microscopie CARS (selon l'abréviation de l'expression anglo-saxonne « coherent anti-Stokes Raman scattering », basée sur la spectroscopie Raman stimulée), la spectroscopie non linéaire, l'OCT (tomographie optique cohérente), et la caractérisation de cellules dans la région d'empreinte digitale.

La figure 5 montre un système CARS, i.e., un exemple de montage expérimental pour une application de la source laser selon un exemple de réalisation de l'invention à la microscopie CARS. Celle-ci permet l'analyse microscopique d'un échantillon, par exemple un échantillon biologique. Le système CARS 20 comprend une source primaire 3 émettant des impulsions nanoseconde ou sub-nanoseconde et deux sorties (ou chemins optiques) 22, 24. Un séparateur de faisceaux est utilisé pour générer les deux sorties 22, 24 du système CARS 20. Le séparateur est avantageusement un séparateur à puissances contrôlées pour contrôler les énergies respectives des impulsions se propageant selon les deux sorties 22, 24. Par exemple, le séparateur comprend une lame demi-onde (ou Xi2) 41 et un cube séparateur de polarisation 43. La première voie 22, dite voie de sonde, correspond à une source laser selon un exemple de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de la figure 5, la voie de sonde 22 comprend par exemple une fibre amorce 7 et une fibre non linéaire 5 qui sont couplées entre elles par une soudure 9. La seconde voie 24, dite voie de pompe, comprend un élément à retard optique multipassage, permettant de compenser la variation des chemins optiques entre les deux voies et d'assurer la simultanéité de la focalisation des faisceaux pompe et sonde dans l'échantillon. La voie de pompe 24 peut être fibrée. Les deux voies sont recombinées en utilisant un combineur 45. Le combineur 45 peut être, par exemple, un miroir dichroïque ou un polariseur. Les faisceaux recombinés entrent ensuite dans un microscope CARS 47. Un filtre 11 peut être placé devant le microscope 47 pour sélectionner la longueur d'onde de sonde et celle de pompe. Le système CARS 20 comprend en outre dans cet exemple une lame demi onde 51 permettant de sélectionner la polarisation du faisceau pompe incident sur l'échantillon. La spectroscopie Raman stimulée CARS permet d'identifier les liaisons vibrationnelles présentes dans un échantillon. Des impulsions lasers correspondant respectivement aux voies de pompe et d'excitation, aux pulsations p et Ssont envoyées , dans l'échantillon. La différence de pulsations est égale à la pulsation S2 du niveau vibrationnel de l'échantillon que l'on veut adresser. Dans cette configuration de résonance wp- ws = S2, le niveau vibrationnel de pulsation S2 est peuplé de manière stimulée et va pouvoir diffuser inélastiquement le faisceau de pulsation w dans un faisceau de pulsation p was 2 wp- ws. La présence de cette nouvelle radiation was est la signature de la présence de la liaison vibrant à la pulsation S2 dans l'échantillon. Dans l'exemple décrit en référence à la figure 5, la radiation centrée autour de la longueur d'onde Xp possède une largeur spectrale de 200 nm environ ce qui permet de sonder simultanément plusieurs liaisons vibrationnelles spécifiques.

Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le procédé et le dispositif d'émission laser selon l'invention comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS1. Source laser (2) comprenant : - une source d'émission laser primaire (3) à une longueur d'onde de pompe Xo donnée, - une fibre non linéaire (5) à au moins deux coeurs à dispersion chromatique anormale pour Xo et au moins deux zéros de dispersion, les coeurs étant couplés à une longueur d'onde Xp supérieure à xo, et - des moyens de couplage (7, 9) de l'onde de pompe dans ladite fibre non linéaire.
2. Source laser selon la revendication 1, dans laquelle les coeurs (14a, 14b) sont agencés de 10 manière concentrique.
3. Source laser selon la revendication 1, dans laquelle les coeurs sont juxtaposés.
4. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la fibre non linéaire (5) est microstructurée.
5. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de 15 couplage (7, 9) comprennent une fibre amorce (7) adaptée pour guider l'onde de pompe et l'injecter de manière sélective dans un des coeurs de la fibre non linéaire (5).
6. Source laser selon les revendications 1 à 4, dans laquelle les moyens de couplage comprennent une lentille.
7. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle Xo = 1,064 µm. 20
8. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle %p = 1,55 µm.
9. Source laser selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens pour exercer un étirement mécanique réversible de la fibre non linéaire.
10. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'onde de pompe est couplée dans le coeur ayant le plus petit diamètre. 25
11. Système d'imagerie microscopique CARS d'un échantillon comprenant :- une voie de pompe (24) avec une source d'émission d'un faisceau de pompe ; - une voie de sonde (22) comprenant une source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes ; - des moyens de combinaison (45) de la voie d'excitation et de la voie de pompe ; et - un microscope CARS (47).
12. Système d'imagerie microscopique CARS selon la revendication 11, comprenant une source laser primaire (3) et un séparateur (41, 43) pour former les dites voies de pompe et de sonde.
13. Méthode d'émission d'une onde laser, comprenant : - l'émission d'un rayonnement laser primaire à une longueur d'onde de pompe Xo donnée ; et - le couplage du rayonnement laser primaire dans une fibre non linéaire à au moins deux coeurs à dispersion chromatique anormale pour Xo et au moins deux zéros de dispersion, les coeurs étant couplés à une longueur d'onde %p supérieure à xo.