FR3117710A1 - Système pour générer des impulsions lumineuses à fort contraste temporel - Google Patents

Système pour générer des impulsions lumineuses à fort contraste temporel Download PDF

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Abstract

Système (200) pour générer des impulsions à fort contraste temporel, qui comporte un dispositif d’émission lumineuse (210) pour émettre une impulsion initiale  à dérive en fréquence. Un filtrage passe-bande de l’impulsion initiale est apte à fournir une impulsion initiale filtrée. La largeur temporelle de l’impulsion initiale filtrée augmente lorsque la largeur du filtrage augmente, pour des largeurs du filtrage supérieures à une première valeur seuil (Δλs), et la largeur temporelle de l’impulsion initiale filtrée augmente lorsque la largeur du filtrage diminue, pour des largeurs du filtrage inférieures à la première valeur seuil (Δλs). Le système (200) comporte en outre : - un élément (220) pour séparer l’impulsion initiale en deux impulsions secondaires ; - un bras signal (230A), pour recevoir l’une des impulsions secondaires et fournir une impulsion signal, et comportant un premier filtre passe-bande (231A) de largeur spectrale supérieure à la première valeur seuil (Δλs) ; - un bras de pompe (230B), pour recevoir en entrée l’autre impulsion secondaire et fournir une impulsion pompe, et comportant un second filtre passe-bande (231B) de largeur spectrale inférieure à la première valeur seuil (Δλs) ; et - un élément d’amplification paramétrique optique (250), pour recevoir l’impulsion pompe et l’impulsion signal, et fournir en sortie une impulsion signal amplifiée. Figure pour l’abrégé : FIGURE 1

Description

SYSTÈME POUR GÉNÉRER DES IMPULSIONS LUMINEUSES À FORT CONTRASTE TEMPOREL
L’invention se rapporte à un dispositif pour générer des impulsions lumineuses à fort contraste temporel. Le contraste temporel est le rapport de l’intensité maximale du pic principal de l’impulsion, divisée par l’intensité maximale d’au moins un pic secondaire et/ou d’un piédestal arrivant juste avant et/ou juste après le pic principal par ordre chronologique.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l’art antérieur différentes solutions pour améliorer le contraste temporel d’une impulsion laser, en améliorant le rapport entre l’intensité maximale du pic principal de l’impulsion, et l’intensité maximale d’au moins un pic secondaire et/ou d’un piédestal, arrivant juste avant et/ou juste après le pic principal selon une échelle temporelle. L’au moins un pic secondaire peut comprendre au moins une pré-impulsion, générée juste avant le pic principal. Le piédestal, lorsqu’il existe, s’étend au pied du pic principal, en dépassant de chaque côté de ce dernier dans une représentation en fonction du temps.
Des premières solutions sont basées sur l’utilisation d’un absorbant saturable, ou sur des processus optiques non linéaires tels que la génération non linéaire de polarisation croisée. Ces solutions offrent un nettoyage optimal de l’impulsion, en supprimant la majeure partie d’un piédestal et/ou d’impulsions secondaires autour du pic principal. En revanche, elles impliquent de fortes pertes optiques.
Une autre solution, basée sur une amplification paramétrique optique dans un cristal non linéaire, est décrite dans l’article «High-contrast optical-parametric amplifier as a front-end of high-power laser system», C. Dorrer & al., Optics Letters, Vol. 32, No. 15, 1eraoût 2007, pp. 2143-2145. Dans cet article, on utilise une impulsion signal ultra-courte, adaptée au domaine des systèmes laser à ultra-haute intensité, de largeur temporelle égale à 200 fs. On utilise en outre une impulsion pompe de largeur temporelle égale à 1 ps environ, pour optimiser l’efficacité de l’amplification paramétrique. L’impulsion pompe est doublée en fréquence, puis injectée dans le cristal non linéaire, dans lequel elle transfère son énergie à l’impulsion signal. En synchronisant le front montant de l’impulsion pompe et le front montant du pic principal de l’impulsion signal, on n’amplifie que le signal arrivant après le front montant du pic principal. On réduit ainsi l’amplitude relative des pré-impulsions et de la portion de piédestal arrivant avant le pic principal. Cette solution n’implique pas les fortes pertes optiques mentionnées ci-dessus, puisqu’elle est basée au contraire sur une amplification de signal. En revanche, l’amélioration du contraste reste limitée, notamment parce que l’impulsion n’est nettoyée qu’en amont du pic principal.
Un objectif de la présente invention est de proposer une solution qui offre à la fois une amélioration optimale du contraste temporel d’une impulsion lumineuse, et des pertes optiques limitées.
Présentation de l’invention
Cet objectif est atteint avec un système d’amplification paramétrique optique pour générer des impulsions à fort contraste temporel, qui comporte :
- un dispositif d’émission lumineuse, configuré pour émettre au moins une impulsion lumineuse à dérive en fréquence, nommée impulsion initiale, un filtrage passe-bande de l’impulsion initiale étant apte à fournir une impulsion initiale filtrée, la largeur temporelle de l’impulsion initiale filtrée augmentant lorsque la largeur spectrale du filtrage passe-bande augmente, et inversement, pour des largeurs spectrales du filtrage passe-bande supérieures à une première valeur seuil, et la largeur temporelle de l’impulsion initiale filtrée augmentant lorsque la largeur spectrale du filtrage passe-bande diminue, et inversement, pour des largeurs spectrales du filtrage passe-bande inférieures à la première valeur seuil;
- un élément de séparation, configuré pour recevoir en entrée l’impulsion initiale et pour séparer cette dernière en deux impulsions secondaires ;
- un bras signal, configuré pour recevoir en entrée l’une desdites impulsions secondaires et pour fournir en sortie une impulsion signal, et qui comporte un premier filtre passe-bande de largeur spectrale strictement supérieure à la première valeur seuil ;
- un bras de pompe, configuré pour recevoir en entrée l’autre desdites impulsions secondaires et pour fournir en sortie une impulsion pompe, et qui comporte un second filtre passe-bande de largeur spectrale strictement inférieure à la première valeur seuil ; et
- un élément d’amplification paramétrique optique, configuré pour recevoir en entrée l’impulsion pompe et l’impulsion signal, et pour fournir en sortie une impulsion signal amplifiée.
Dans tout le texte, la largeur spectrale et la largeur temporelle d’une impulsion se rapportent au pic principal de ladite impulsion, sans prendre en compte des pics secondaires d’amplitude moindre et/ou un piédestal s’étendant au pied du pic principal. Il s’agit en particulier de largeurs à mi-hauteur. Pour alléger le texte, la précision « à mi-hauteur » n’est pas toujours indiquée dans la suite.
Dans tout le texte, un filtrage spectral désigne plus particulièrement un filtrage passe-bande. Dans tout le texte, la largeur spectrale d’un filtre passe-bande (ou d’un filtrage passe-bande) désigne la largeur spectrale d’une bande de longueurs d’onde transmises par ledit filtre (ou filtrage), en particulier une largeur spectrale à mi-hauteur de ladite bande de longueurs d’onde.
L’invention est basée notamment sur l’idée d’exploiter de manière astucieuse les particularités d’une impulsion à dérive en fréquence (ou impulsion « chirpée »). En l’absence de dérive en fréquence, une impulsion a sa largeur temporelle d’autant plus étroite que son spectre en longueur d’onde est large, et inversement. En présence de dérive en fréquence, l’impulsion a sa fréquence qui varie linéairement en fonction du temps, avec la fréquence qui est inversement proportionnelle à la longueur d’onde. Si on filtre spectralement une impulsion à dérive en fréquence, la durée de l’impulsion filtrée est donc d’autant plus courte que la largeur spectrale du filtre passe-bande est étroite, et inversement. Il existe cependant une limite : si on filtre spectralement de façon très étroite une impulsion à dérive en fréquence, on retrouve le comportement d’une impulsion sans dérive en fréquence, dans lequel la durée de l’impulsion filtrée est d’autant plus élevée que la largeur spectrale du filtre est étroite. Il est donc possible, à partir d’une même impulsion initiale à dérive en fréquence, d’obtenir de deux manières différentes une durée déterminée d’une impulsion filtrée. La première manière utilise un filtrage étroit, dans une gamme de largeurs spectrales de filtrage passe-bande associée à un comportement similaire à celui d’une impulsion sans dérive en fréquence. La seconde manière utilise un filtrage large, dans une gamme de largeurs spectrales de filtrage passe-bande associée à l’existence d’une dérive en fréquence. On nomme ici « première valeur seuil », une largeur spectrale de filtrage passe-bande séparant les deux gammes de largeurs spectrales mentionnées ci-dessus.
Dans le système selon l’invention, une impulsion à dérive en fréquence est donc séparée en deux contributions. Chacune desdites contribution forme une impulsion à dérive en fréquence, nommée impulsion secondaire. Ainsi, chacune des contributions présente la même particularité que l’impulsion initiale, en ce qui concerne sa réponse à un filtrage passe-bande.
L’une des impulsions secondaires est filtrée dans le bras signal, par un filtrage passe-bande large. La largeur spectrale de filtrage est située dans la gamme de valeurs associée à l’existence d’une dérive en fréquence. On obtient ainsi une impulsion signal de grande largeur spectrale, permettant d’obtenir ensuite, par compression, une impulsion ultra-courte de très grande intensité. Du fait de la dérive en fréquence, la grande largeur spectrale est associée à une grande largeur temporelle.
L’autre impulsion secondaire est filtrée dans le bras de pompe, par un filtrage passe-bande étroit. La largeur spectrale de filtrage est située dans la gamme de valeurs associée au comportement d’une impulsion sans dérive en fréquence. On obtient ainsi une impulsion pompe, de largeur spectrale réduite et de grande largeur temporelle.
L’impulsion pompe et l’impulsion signal sont envoyées toutes deux dans l’élément d’amplification paramétrique optique, au sein duquel l’impulsion pompe transfère une partie au moins de son énergie à l’impulsion signal.
Grâce à la configuration du système selon l’invention, l’impulsion pompe et l’impulsion signal peuvent être aisément synchronisées. En outre, leurs largeurs temporelles respectives peuvent être du même ordre de grandeur, idéalement égales entre elles. On peut ainsi obtenir un recouvrement temporel parfait entre l’impulsion pompe et l’impulsion signal. On évite ainsi d’amplifier des pics secondaires et/ou un piédestal de l’impulsion signal, arrivant avant et après le pic principal. L’impulsion signal amplifiée peut ainsi présenter un contraste temporel augmenté, en comparaison du contraste temporel de l’impulsion initiale. L’amélioration du contraste temporel augmente avec la qualité du recouvrement temporel entre l’impulsion pompe et l’impulsion signal. Idéalement, l’impulsion pompe et l’impulsion signal présentent toutes les deux la même largeur temporelle, ce qui permet que seul le pic principal de l’impulsion signal soit amplifié.
Le système selon l’invention permet d’offrir une amélioration optimale du contraste temporel d’une impulsion lumineuse, en réduisant l’importance relative de pics secondaires et/ou portions d’un piédestal arrivant non seulement avant, mais également après le pic principal. L’amélioration du contraste est donc meilleure que celle obtenue dans l’article décrit en introduction. En outre, les pertes optiques sont limitées, puisque le mécanisme de nettoyage de l’impulsion est basé sur une amplification paramétrique optique.
De préférence, le bras de pompe comporte en outre au moins un amplificateur.
Avantageusement, une largeur temporelle de l’impulsion pompe est sensiblement égale à une largeur temporelle de l’impulsion signal, à 10% près.
L’un au moins parmi le bras de pompe et le bras signal peut comporter un élément d’ajustement de la longueur optique, de sorte que le bras de pompe et le bras signal présentent tous deux une même longueur optique.
De préférence, une dérive en fréquence de l’impulsion initiale est supérieure ou égale à 0,1 ps/nm.
Le dispositif d’émission lumineuse peut comprendre un oscillateur laser.
Le dispositif d’émission lumineuse peut comprendre en outre un étireur, configuré pour étirer temporellement une impulsion fournie en sortie de l’oscillateur laser.
De préférence, une première valeur seuil est comprise entre 1 nm et 3 nm.
Avantageusement, l’un au moins parmi le premier filtre passe-bande et le second filtre passe-bande est accordable en longueur d’onde.
L’impulsion initiale est de préférence une impulsion large spectre, de largeur spectrale à mi-hauteur supérieure ou égale à 10 nm.
L’élément de séparation peut être un démultiplexeur en longueur d’onde, configuré pour séparer l’impulsion initiale en deux contributions spectrales formant chacune une impulsion secondaire respective. En variante, l’élément de séparation peut être un coupleur optique, configuré pour séparer l’impulsion initiale en deux contributions en puissance optique formant chacune une impulsion secondaire respective.
L’élément d’amplification paramétrique optique est avantageusement une fibre optique non-linéaire présentant une non-linéarité d’ordre trois. Dans ce cas, le système selon l’invention peut comporter en outre un coupleur optique à deux entrées et une sortie, relié en entrée au bras de pompe et au bras signal, et relié en sortie à l’élément d’amplification paramétrique optique.
En variante, l’élément d’amplification paramétrique optique peut être un cristal non linéaire présentant une non-linéarité d’ordre deux. Dans ce cas, le bras de pompe comporte avantageusement en outre un cristal non linéaire de conversion de fréquence.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
se rapporte à une impulsion filtrée obtenue par filtrage passe-bande d’une impulsion à dérive en fréquence, et montre l’évolution de la largeur temporelle de l’impulsion filtrée en fonction de la largeur spectrale du filtrage passe-bande ;
illustre de façon schématique un système selon un premier mode de réalisation de l’invention ; et
illustre de façon schématique un système selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
On décrit tout d’abord, en référence à la , un graphique montrant une courbe 101 qui se rapporte à une impulsion initiale filtrée, obtenue par filtrage passe-bande d’une impulsion initiale à dérive en fréquence. L’impulsion initiale à dérive en fréquence est ici une impulsion centrée sur 1040 nm, de largeur spectrale à mi-hauteur égale à 50 nm, de largeur temporelle à mi-hauteur égale à 25 ps, et de dérive en fréquence égale à 0,5 ps/nm. Sur la , l’axe des abscisses est une largeur à mi-hauteur du filtrage passe-bande, notée ΔλFWHM, exprimée en nanomètre. Par construction, la largeur à mi-hauteur du filtrage passe-bande est égale à la largeur spectrale à mi-hauteur de l’impulsion filtrée. L’axe des ordonnées est une largeur temporelle à mi-hauteur de l’impulsion filtrée, notée ΔtFWHM, exprimée en picoseconde.
Dans une région 102A du graphique, la courbe 101 présente une variation définie par une fonction f1, avec ΔtFWHM = f1(ΔλFWHM). La fonction f1est telle que dans la région 102A, la largeur spectrale ΔλFWHMet la largeur temporelle ΔtFWHM sont proportionnelles, avec une relation linéaire entre ces dernières. Ici, on a en particulier :
avec D2la dispersion de l’impulsion initiale. Ce comportement caractérise des impulsions avec dérive en fréquence.
Dans une région 102B du graphique, la courbe 101 présente une variation définie par une fonction f2, avec ΔtFWHM = f2(ΔλFWHM). La fonction f2est telle que dans la région 102B, la largeur spectrale ΔλFWHMaugmente lorsque la largeur temporelle ΔtFWHM diminue, et inversement. Ici, on a en particulier :
avec C la célérité de la lumière dans le vide et D2la dispersion de l’impulsion initiale. Ce comportement caractérise des impulsions sans dérive de fréquence, limitées par la Transformée de Fourier.
On peut définir une première valeur seuil ΔλSde largeur du filtrage passe-bande, séparant les régions 102A et 102B. Ici, ΔλSest comprise entre 1 nm et 3 nm, et vaut environ 2 nm.
Si l’on veut être plus précis, on peut définir :
- une valeur seuil inférieure ΔλS 1de largeur du filtrage passe-bande, en-dessous de laquelle le lien entre la largeur spectrale et la largeur temporelle de l’impulsion filtrée correspond au comportement d’une impulsion sans dérive de fréquence (proche de sa limite de Fourier) ; et
- une valeur seuil supérieure ΔλS 2de largeur du filtrage passe-bande, strictement supérieure à ΔλS 1, au-dessus de laquelle le lien entre la largeur spectrale et la largeur temporelle de l’impulsion filtrée correspond strictement au comportement d’une impulsion à dérive de fréquence.
Les différentes valeurs seuil ΔλS 1< ΔλS< ΔλS 2sont toutes comprises ici entre 0,5 nm et 4 nm.
Sur la , on a également représenté, en pointillés :
- une courbe 103A représentant la largeur temporelle en fonction de la largeur spectrale d’une impulsion idéale à dérive de fréquence ; et
- une courbe 103B représentant la largeur temporelle en fonction de la largeur spectrale d’une impulsion idéale sans dérive de fréquence.
La montre ainsi que le filtrage passe-bande d’une impulsion à dérive en fréquence peut amener à deux situations :
- une première situation (région 102A), la plus intuitive, dans laquelle la réduction de la largeur spectrale de l’impulsion se traduit par une réduction correspondante de sa largeur temporelle ; et
- une seconde situation (région 102B), en dessous d’un certain seuil, dans laquelle l’impulsion filtrée retrouve le comportement d’une impulsion sans dérive en fréquence, où une réduction de la largeur spectrale de l’impulsion va de pair avec une augmentation de sa largeur temporelle.
Par conséquent, une même largeur temporelle d’impulsion filtrée peut être obtenue pour deux valeurs différentes de la largeur spectrale du filtrage passe-bande. L’une de ces valeurs est située dans la région 102B du graphique. L’autre de ces valeurs est située dans la région 102A du graphique. La montre, à titre d’exemple, qu’une impulsion filtrée de largeur temporelle égale à 5 ps peut être obtenue via un filtrage passe-bande de largeur spectrale proche de 10 nm, ainsi que via un filtrage passe-bande de largeur spectrale proche de 0,3 nm. L’invention est basée sur une identification de cette propriété, et sur une exploitation astucieuse de celle-ci.
La illustre de façon schématique un système 200 selon un premier mode de réalisation de l’invention. A la , et pour faciliter la compréhension de l’invention, on a également représenté des impulsions représentées en fonction du temps et en fonction de la longueur d’onde.
Le système 200 comprend tout d’abord un dispositif d’émission lumineuse 210, configuré pour émettre des impulsions lumineuses à spectre large et à dérive en fréquence, nommées impulsions initiales.
Dans le bloc 21, on a représenté de manière schématique le spectre en longueur d’onde d’une impulsion initiale (à gauche), et l’intensité lumineuse de l’impulsion initiale en fonction du temps (à droite). Les profils des graphiques du bloc 21 sont caractéristiques d’une impulsion à dérive en fréquence, avec un spectre large et un fort étalement temporel.
Le dispositif d’émission lumineuse 210 peut comprendre un oscillateur laser, en particulier un oscillateur laser à blocage de mode. L’oscillateur laser peut être configuré pour délivrer directement les impulsions initiales. Il s’agit par exemple d’un oscillateur optique à fibre optique utilisant des régénérateurs de Mamyshev. En variante, l’oscillateur laser peut être configuré pour délivrer des impulsions initiales sans dérive en fréquence, et être suivi d’un disperseur (par exemple une fibre dispersive ou un réseau diffractif) qui étire temporellement les impulsions sans modifier leur spectre en longueur d’onde. Le disperseur apporte alors à chaque impulsion une dérive en fréquence déterminée, de manière obtenir en sortie les impulsions initiales souhaitées.
Une dérive en fréquence des impulsions initiales est de préférence supérieure ou égale à 0,1 ps/nm, voire supérieure ou égale à 0,3 ps/nm ou même supérieure ou égale à 0,5 ps/nm. En outre, la largeur spectrale à mi-hauteur des impulsions initiales est de préférence supérieure ou égale à 10 nm, voire supérieure ou égale à 30 nm ou même supérieure ou égale à 50 nm. Ici, on considère des impulsions initiales centrées sur 1040 nm, de largeur spectrale égale à 50 nm et de largeur temporelle égale à 25 ps, soit une dérive en fréquence d’environ 0,5 ps/nm.
Les impulsions initiales délivrées par le dispositif d’émission lumineuse 210 ont leur largeur spectrale et leur largeur temporelle qui varient ensemble comme illustrée en . Ainsi, lorsqu’on filtre spectralement une impulsion initiale par un filtrage passe-bande, on peut se retrouver dans l’une ou l’autre parmi la première situation (région 102A) et la seconde situation (région 102B) telles que décrites en référence à la .
Le système 200 comprend ensuite un élément de séparation 220, disposé en aval du dispositif d’émission lumineuse 210 dans le sens de circulation de la lumière dans le système 200. L’élément de séparation 220 est un coupleur optique à une entrée et deux sorties, configuré pour recevoir en entrée les impulsions initiales fournies par le dispositif d’émission lumineuse 210, et pour séparer chacune d’elles en deux contributions nommées respectivement première impulsion secondaire et seconde impulsion secondaire. Chacune des impulsions secondaires présente la même dérive en fréquence que l’impulsion initiale.
Ici, l’élément de séparation 220 est un démultiplexeur en longueur d’onde, configuré pour séparer chaque impulsion initiale en deux contributions spectrales. Les impulsions secondaires correspondent alors chacune à une portion respective du spectre en longueur d’onde de l’impulsion initiale. De préférence, chaque portion de spectre s’étend d’un côté, respectivement de l’autre d’une longueur d’onde de coupure. La longueur d’onde de coupure peut correspondre à la longueur d’onde centrale de l’impulsion initiale, ici 1040 nm. En variante, la longueur d’onde de coupure peut prendre une valeur distincte de la longueur d’onde centrale de l’impulsion initiale, par exemple pour amener une impulsion secondaire large spectre sur le bras signal et une impulsion secondaire à spectre étroit sur le bras de pompe.
Les blocs 22A et 22B montrent le spectre en longueur d’onde (à gauche) et l’intensité lumineuse en fonction du temps (à droite), pour chacune des deux impulsions secondaires. Les graphiques des blocs 22A et 22B montrent bien des spectres en longueur d’onde plus étroits que ceux du bloc 21, situés d’un côté ou de l’autre d’une longueur d’onde de coupure. Comme l’impulsion initiale présente une dérive en fréquence, la largeur temporelle des impulsions secondaires est diminuée également.
Dans une variante non représentée, l’élément de séparation 220 est configuré pour séparer chaque impulsion initiale en deux contributions en puissance optique. Les impulsions secondaires correspondent alors chacune à une portion respective de la puissance optique de l’impulsion initiale. Dans ce cas, les impulsions secondaires ont la même largeur temporelle et la même largeur spectrale que l’impulsion initiale, mais une amplitude diminuée.
L’élément de séparation 220 comporte une première voie de sortie 21A, en entrée d’un premier ensemble optique 230A, et une seconde voie de sortie 21B, en entrée d’un second ensemble optique 230B.
Ici, mais de manière non limitative le premier ensemble optique 230A reçoit des premières impulsions secondaires, correspondant aux plus grandes longueurs d’onde de l’impulsion initiale.
Le premier ensemble optique 230A, nommé « bras signal », comporte un premier filtre passe-bande 231A. Le bras signal 230A est configuré pour recevoir en entrée la première impulsion secondaire, et pour fournir en sortie une impulsion, nommée « impulsion signal », résultant du filtrage de la première impulsion secondaire par le premier filtre passe-bande 231A.
Le premier filtre passe-bande 231A est configuré pour ne laisser passer la lumière que dans une bande spectrale de transmission déterminée, et pour bloquer la lumière aux autres longueurs d’onde. La bande spectrale de transmission du premier filtre passe-bande 231A recouvre une partie du spectre en longueur d’onde de la première impulsion secondaire. Ici, la bande spectrale de transmission du second filtre passe-bande 231B est centrée sur 1053 nm.
Le premier filtre passe-bande 231A est un filtre large, de largeur spectrale à mi-hauteur, ΔλFA, strictement supérieure à la première valeur seuil ΔλS mentionnée en référence à la . De manière avantageuse, la largeur spectrale ΔλFA du premier filtre passe-bande est même strictement supérieure à la valeur seuil supérieure ΔλS2 mentionnée en référence à la . L’impulsion filtrée, en sortie du premier filtre passe-bande 231A, présente ainsi une grande largeur spectrale (égale à ΔλFA) et une largeur temporelle élevée, conformément aux caractéristiques d’une impulsion avec dérive en fréquence.
De préférence, la largeur spectrale ΔλFA du premier filtre passe-bande est adaptée pour que l’impulsion signal présente une largeur spectrale et une largeur temporelle élevées, permettant, via une compression de signal mise en œuvre ultérieurement, d’obtenir une impulsion ultra-courte et ultra-haute intensité.
Le spectre en transmission du premier filtre passe-bande 231A peut présenter une forme carrée de porte, avec une valeur constante haute encadrée par deux fronts montants, et la valeur nulle partout ailleurs. De préférence, la largeur spectrale ΔλFAdu premier filtre passe-bande est comprise entre 5 nm et 20 nm. Du fait de sa dérive en fréquence, l’impulsion signal présente alors une grande largeur temporelle, comprise entre environ 2 ps et environ 10 ps. Ici, la largeur spectrale ΔλFAdu premier filtre passe-bande vaut environ 10 nm. L’impulsion signal présente alors une forme de porte, de largeur spectrale environ égale à 10 ns (largeur spectrale du premier filtre passe-bande 231A), et de largeur temporelle égale à 5 ps. Le bloc 23A montre le spectre en longueur d’onde (à gauche) et l’intensité lumineuse en fonction du temps (à droite) de l’impulsion signal.
Le premier ensemble optique 230A comporte en outre un élément d’ajustement 233A, qui sera décrit dans la suite.
Ici, mais de manière non limitative, le second ensemble optique 230B reçoit des secondes impulsions secondaires, correspondant aux plus petites longueurs d’onde de l’impulsion initiale.
Le second ensemble optique 230B, nommé « bras de pompe », comporte un second filtre passe-bande 231B. Ici, et de manière avantageuse, il comporte en outre un amplificateur 232B. Le bras de pompe 230B est configuré pour recevoir en entrée la seconde impulsion secondaire, et pour fournir en sortie une impulsion, nommée « impulsion pompe », résultant de l’amplification de la seconde impulsion secondaire et de son filtrage par le second filtre passe-bande 231B.
Le second filtre passe-bande 231B est configuré pour ne laisser passer la lumière que dans une bande spectrale de transmission déterminée, et pour bloquer la lumière aux autres longueurs d’onde. La bande spectrale de transmission du second filtre passe-bande 231B recouvre une partie du spectre en longueur d’onde de la seconde impulsion secondaire. Ici, la bande spectrale de transmission du second filtre passe-bande 231B est centrée sur environ 1030 nm.
Le second filtre passe-bande 231B est un filtre étroit, de largeur spectrale à mi-hauteur, ΔλFB, strictement inférieure à la première valeur seuil ΔλS mentionnée en référence à la . De manière avantageuse, la largeur spectrale ΔλFB du second filtre passe-bande est même strictement inférieure à la valeur seuil inférieure ΔλS1 mentionnée en référence à la . L’impulsion filtrée, en sortie du second filtre passe-bande 231B, présente ainsi une très faible largeur spectrale (égale à ΔλFB) et une largeur temporelle élevée, conformément aux caractéristiques d’une impulsion sans dérive en fréquence. Le spectre en transmission du second filtre passe-bande 231B peut présenter une forme gaussienne.
La largeur spectrale ΔλFB du second filtre passe-bande est adaptée pour que la largeur temporelle de l’impulsion pompe soit sensiblement égale à la largeur temporelle de l’impulsion signal. Comme expliqué plus loin, cela permet d’amplifier tout le pic principal de l’impulsion signal, et de ne pas amplifier des pics secondaires ou un piédestal arrivant avant et/ou après le pic principal de l’impulsion signal.
De préférence, la largeur spectrale ΔλFBdu second filtre passe-bande est adaptée pour que la largeur temporelle de l’impulsion pompe soit supérieure ou égale à celle de l’impulsion signal, ce qui permet ensuite d’amplifier tout le pic principal de l’impulsion signal.
La largeur spectrale ΔλFBdu second filtre passe-bande est adaptée pour qu’un rapport de la largeur temporelle de l’impulsion pompe divisée par la largeur temporelle de l’impulsion signal soit compris de préférence entre 0,80 et 1,20 (largeurs temporelles égales à 20% près), plus préférentiellement entre 0,90 et 1,10 (largeurs temporelles égales à 10% près), plus préférentiellement encore entre 0,95 et 1,05 (largeurs temporelles égales à 5% près). On évite ainsi d’amplifier ensuite des pics secondaires ou un piédestal arrivant avant et/ou après le pic principal de l’impulsion signal.
Ici, la largeur spectrale ΔλFBdu second filtre passe-bande est adaptée pour que la largeur temporelle de l’impulsion pompe soit égale à celle de l’impulsion signal, c’est-à-dire égale à 5 ps. Cela correspond à une largeur spectrale ΔλFBdu second filtre passe-bande égale à 0,3 nm. L’impulsion pompe présente alors une forme gaussienne, de largeur spectrale égale à 0,3 nm et de largeur temporelle égale à 5 ps. Le bloc 23B montre le spectre en longueur d’onde (à gauche) et l’intensité lumineuse en fonction du temps (à droite) de l’impulsion pompe.
L’amplificateur 232B est configuré pour amplifier optiquement le signal reçu en entrée. Ici, l’amplificateur 232B est disposé en amont du second filtre passe-bande 231B, dans le sens de circulation de la lumière dans le bras de pompe 230B. Cela permet un contrôle optimal d’une largeur temporelle de l’impulsion pompe. L’invention couvre également des variantes dans lesquelles l’amplificateur est disposé en aval du second filtre passe-bande, dans le sens de circulation de la lumière dans le bras de pompe. Selon d’autres variantes encore, le bras de pompe comporte plusieurs amplificateurs, en amont et/ou en aval du second filtre passe-bande.
L’impulsion signal et l’impulsion pompe sont ensuite amenées jusqu’à un coupleur optique 240 à deux entrées et une sortie, avec une entrée reliée au bras de pompe 230B et une entrée reliée au bras signal 230A. Le coupleur optique 240 est configuré pour combiner ensemble une onde arrivant du bras signal 230A et une onde arrivant du bras de pompe 230B. Ici, le coupleur optique 240 est formé par un multiplexeur en longueur d’onde, similaire au démultiplexeur 220 (mais tourné dans l’autre sens). La sortie du coupleur optique 240 est reliée à un élément d’amplification paramétrique optique 250, au sein duquel une partie au moins de l’énergie de l’impulsion pompe est transférée dans l’impulsion signal.
Dans l’élément d’amplification 250, le transfert d’énergie, de l’impulsion pompe vers l’impulsion signal, se produit uniquement pendant la durée de l’impulsion pompe. Ainsi, l’impulsion signal n’est amplifiée que sur le recouvrement temporel de l’impulsion signal et de l’impulsion pompe. Dans le système 200 selon l’invention, la longueur optique du bras de pompe 230B est égale à la longueur optique du bras signal 230A. L’impulsion pompe et l’impulsion signal sont donc parfaitement synchronisées, avec leurs fronts montants respectifs qui arrivent au même instant sur l’élément d’amplification 250. En outre, elles présentent sensiblement une même largeur temporelle. Par conséquent, le transfert d’énergie ne s’effectue que sur le pic principal de l’impulsion signal, et non sur des pics secondaires et/ou un piédestal arrivant avant et/ou après le pic principal. Plus on se rapproche de l’égalité parfaite entre les largeurs temporelles des impulsions pompe et signal, mieux on filtre des pics secondaires et un piédestal (en ne les amplifiant pas). On obtient, en sortie de l’élément d’amplification 250, une impulsion signal amplifiée. L’impulsion signal amplifiée est une impulsion similaire à l’impulsion signal, mais avec un pic principal de plus grande amplitude et des pics secondaires et/ou un piédestal d’amplitude inchangée. Par conséquent, le contraste temporel de l’impulsion signal amplifiée est bien supérieur à celui de l’impulsion signal. Le système 200 forme ainsi un dispositif d’amplification paramétrique optique, pour générer des impulsions à fort contraste temporel.
De manière avantageuse, l’un au moins parmi le bras de pompe 230B et le bras signal 230A comporte un élément d’ajustement, configuré pour ajuster la longueur optique dudit bras de manière à ce que la longueur optique du bras de pompe et la longueur optique du bras signal soient égales. On s’assure ainsi de l’égalité parfaite des longueurs optiques entre le bras de pompe et le bras signal. Ici, un tel élément d’ajustement 233A est situé dans le bras signal 230A. L’élément d’ajustement 233A peut comprendre un ou plusieurs composant(s) réglable(s), par exemple un ou plusieurs modulateur(s) de phase.
Ici, l’élément d’amplification 250 est configuré pour mettre en œuvre un mélange à quatre ondes, à partir de deux photons de l’impulsion pompe et d’un photon de l’impulsion signal. Les longueurs d’onde centrales de l’impulsion signal et de l’impulsion de pompe sont assez proches l’une de l’autre, avec un rapport entre les deux compris par exemple entre 0,8 et 1,2.
L’élément d’amplification 250 est constitué ici d’une fibre optique non-linéaire présentant une non-linéarité d’ordre trois (amplificateur paramétrique optique fibré, ou FOPA), par exemple une fibre optique micro-structurée. Ses caractéristiques (paramètre non-linéaire, dispersion, longueur) sont adaptées pour respecter une condition d’accord de phase entre l’impulsion pompe et l’impulsion signal. Ici, l’élément d’amplification 250 est par exemple une fibre optique de diamètre de mode 10 µm, de zéro de dispersion (ZDM) à 1025 nm, et de pente de dispersion 5.10-4s3/m, qui permet d’obtenir un lobe d’amplification centré sur 1053 nm avec une impulsion pompe à 1030 nm d’environ 2 kW de puissance crête. Le gain petit signal théorique à 1053 nm est alors de l’ordre de 30 dB, pour une longueur de fibre d’un mètre. Cela se traduit par une amélioration de 30 dB sur le contraste temporal de l’impulsion signal amplifiée, en comparaison avec le contraste temporel de l’impulsion initiale. La largeur spectrale à mi-hauteur du lobe d’amplification est supérieure à 10 nm, ce qui suffit pour amplifier la totalité du pic principal de l’impulsion signal.
Dans le cas d’un mélange à quatre ondes, on obtient, en sortie de l’élément d’amplification 250, un signal qui inclut : l’impulsion signal amplifiée, une impulsion dite complémentaire (en anglais, « idler wave »), et une impulsion pompe résiduelle. Le bloc 24 montre le spectre en longueur d’onde (à gauche) et l’intensité lumineuse en fonction du temps (à droite) du signal obtenu en sortie de l’élément d’amplification 250. Comme représenté dans le bloc 24, dans le signal obtenu en sortie de l’élément d’amplification 250, les différentes impulsions sont superposées temporellement, en particulier l’impulsion signal amplifiée, l’impulsion complémentaire, et l’impulsion pompe résiduelle.
Afin d’isoler l’impulsion signal amplifiée, il est nécessaire de filtrer spectralement le signal obtenu en sortie de l’élément d’amplification 250. Pour cela, le système selon l’invention peut comporter un filtre spectral, non représenté, disposé en aval de l’élément d’amplification 250 dans le sens de circulation de la lumière dans le système selon l’invention, et configuré pour laisser passer l’impulsion signal amplifiée et pour bloquer l’impulsion complémentaire.
Dans certains cas, l’impulsion complémentaire peut être bloquée par des éléments annexes disposés en aval de l’élément d’amplification 250, dont la fonction première n’est pas d’effectuer ce filtrage. Dans ce cas, l’impulsion signal amplifiée peut être isolée des autres composantes du signal obtenu en sortie de l’élément d’amplification 250, sans l’aide d’un filtre spectral spécifique.
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux car il ne requiert pas d’alignement précis des éléments entre eux, notamment de l’élément d’amplification paramétrique optique relativement au bras de pompe et au bras signal. Il offre ainsi une grande robustesse, et une grande stabilité. Il est peu sensible aux perturbations extérieures, et ne nécessite pas de maintenance de réglage. Il offre en outre une grande compacité, et ne nécessite pas de réduire une cadence de l’oscillateur délivrant les impulsions initiales. De préférence, le système 200 est entièrement fibré, la lumière se propageant dans des fibres optiques entre les différents éléments du système 200, et l’élément d’amplification étant constitué par une fibre optique non linéaire.
Les impulsions signal amplifiées, comme les impulsions signal, sont des impulsions à dérive en fréquence et à large spectre en longueur d’onde. Dans des variantes non représentées, le système selon l’invention comporte en outre un compresseur, disposé en aval de l’élément d’amplification 250 dans le sens de circulation de la lumière dans le système selon l’invention, et configuré pour rétrécir la largeur temporelle de l’impulsion signal amplifiée sans modifier son spectre, de préférence jusqu’à la limite de Fourier. On obtient ainsi des impulsions de plus haute intensité. La largeur temporelle d’une impulsion signal amplifiée est comprise par exemple entre 1 ps et 10 ps. Le compresseur peut réduire cette largeur jusqu’à quelques centaines de femto-secondes, par exemple moins de 400 fs, de manière à obtenir une impulsion laser à ultra-haute intensité.
Selon d’autres variantes encore, le système selon l’invention comporte en outre un amplificateur, avec ou sans dérive en fréquence, disposé en aval de l’élément d’amplification 250 dans le sens de circulation de la lumière dans le système selon l’invention.
Selon l’invention, la longueur d’onde centrale de l’impulsion signal, la longueur d’onde centrale de l’impulsion pompe, et la condition d’accord de phase associée à l’élément d’amplification 250, sont adaptées ensemble pour l’accord de phase entre ces deux impulsions soit obtenu dans l’élément d’amplification. Dit autrement, une longueur d’onde centrale d’une plage spectrale de transmission du premier filtre passe-bande 231A, une longueur d’onde centrale d’une plage spectrale de transmission du second filtre passe-bande 231B, et la condition d’accord de phase associée à l’élément d’amplification 250, sont adaptées ensemble pour que l’accord de phase entre ces deux impulsions soit obtenu dans l’élément d’amplification. L’un au moins parmi le premier filtre passe-bande 231A et le second filtre passe-bande 231B peut être accordable en longueur d’onde, pour obtenir l’accord de phase plus facilement. De préférence, seul le second filtre passe-bande 231B est accordable en longueur d’onde. On peut ainsi obtenir l’accord de phase sans modifier les caractéristiques de l’impulsion signal. Un intérêt de l’amplification par mélange à quatre ondes réside notamment dans le fait que l’accord de phase peut être obtenu par de simples ajustements sur au moins un filtre.
La illustre de façon schématique un système 300 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Le système 300 diffère du mode de réalisation de la en ce que l’élément d’amplification paramétrique optique 350 est constitué par un cristal non-linéaire, présentant une non-linéarité d’ordre deux et configuré pour mettre en œuvre un mélange à trois ondes entre l’impulsion signal, fournie en sortie du bras signal 330A, et l’impulsion pompe, fournie en sortie du bras de pompe 330B.
Dans un mélange à trois ondes, la fréquence centrale de l’impulsion pompe doit être éloignée de la fréquence centrale de l’impulsion signal, par exemple sensiblement égale à deux fois la fréquence centrale de l’impulsion signal. Pour cela, le bras de pompe comporte ici cristal non-linéaire de conversion de fréquence 334B, apte ici à mettre en œuvre un doublement de fréquence, et situé ici en aval du second filtre passe-bande 331B dans le sens de circulation de la lumière dans le bras de pompe. Le cristal non-linéaire de conversion de fréquence 334B est configuré ici pour recevoir en entrée les impulsions filtrées fournies en sortie du second filtre passe-bande 331B, centrées sur une fréquence fp, et pour fournir en sortie des impulsions centrée sur la fréquence 2*fp.
Dans ce mode de réalisation, la lumière circule de préférence en espace libre entre les différents éléments du système 300, notamment entre la sortie du bras de pompe 330B et l’élément d’amplification 350, et entre la sortie du bras signal 330A et l’élément d’amplification 350. Il n’y a pas de coupleur optique à un embranchement entre la sortie du bras de pompe 330B, la sortie du bras signal 330A, et l’élément d’amplification 350. L’accord de phase est obtenu dans l’élément d’amplification 350, lorsque des conditions d’alignement sont vérifiées entre un axe de propagation de la lumière en sortie du bras de pompe 330B, un axe de propagation de la lumière en sortie du bras signal 330A, et l’élément d’amplification 350. Les contraintes d’alignement sont donc plus fortes que dans un mélange à quatre ondes. En revanche, ce mode de réalisation donne accès à des énergies d’impulsion très élevées.
Les autres caractéristiques du système ne sont pas modifiées, en comparaison avec le mode de réalisation de la . Les variantes citées à propos de la s’appliquent également au mode de réalisation de la , notamment la possibilité qu’il y ait un compresseur, disposé en aval de l’élément d’amplification 350, et configuré pour rétrécir la largeur temporelle des impulsions signal amplifiées de manière à augmenter leur intensité.
Selon d’autres variantes non représentées, l’impulsion pompe est obtenue non pas par un doublement de fréquence, mais à l’aide d’un autre type de conversion de fréquence tel qu’une somme de fréquence ou une soustraction de fréquence. Le cristal non-linéaire de conversion de fréquence 334B est alors apte à mettre en œuvre cet autre type de conversion de fréquence, par exemple une conversion par somme de fréquence ou par soustraction de fréquence. De manière avantageuse, le système comporte alors une source lumineuse annexe, configurée pour envoyer un signal lumineux annexe sur le cristal non-linéaire de conversion de fréquence 334B. Le cristal non-linéaire de conversion de fréquence 334B reçoit alors ce signal lumineux annexe, et l’une des impulsions secondaires selon l’invention, et fournit en sortie une impulsion à la fréquence pompe souhaitée. En variante, deux impulsions chacune à des fréquences centrales différentes peuvent être extraites de l’impulsion initiale, et combinées au niveau du cristal non-linéaire de conversion de fréquence 334B.
L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus, et couvre de nombreuses variantes mettant en œuvre des valeurs différentes de longueurs d’onde centrales, de largeurs temporelles et/ou de largeurs spectrales. Selon d’autres variantes encore, le filtre passe-bande sur le bras de pompe est tel que la largeur temporelle de l’impulsion de pompe est bien supérieure à celle de l’impulsion signal. Dans ce cas, seuls les défauts arrivant avant le pic principal de l’impulsion signal sont filtrés (en n’étant pas amplifiés). L’amélioration du contraste est alors limitée à une région située à l’avant du pic principal de l’impulsion signal. Selon d’autres variantes encore, le bras signal peut comporter un atténuateur, pour atténuer l’amplitude d’une impulsion.
L’invention permet d’améliorer le contraste d’une impulsion, en n’amplifiant que le pic principal de celle-ci, dans un élément d’amplification paramétrique optique. Une idée à la base de l’invention est de générer, à partir d’une même et unique impulsion et à l’aide de filtrages adaptés :
- une impulsion pompe, sensiblement monochromatique, permettant d’obtenir l’accord de phase dans l’élément d’amplification paramétrique optique ; et
- une impulsion signal, de même largeur temporelle que l’impulsion pompe pour obtenir un recouvrement temporel optimal entre ces dernières, et de large spectre pour pouvoir obtenir ensuite, après compression, des impulsions sub-picosecondes ultra-intenses.
L’invention trouve une application avantageuse dans le domaine des lasers ultra-intenses. Le système selon l’invention peut former un pilote de chaîne laser de puissance. L’invention permet notamment d’éviter qu’une cible soit dégradée par un piédestal de l’impulsion laser, avant que le pic principal de l’impulsion n’atteigne la cible. Elle trouve des applications dans de nombreux domaines liés aux interactions laser et matière, notamment la détection de polluants, la tomographie optique cohérente, ou la génération d’harmoniques d’ordre élevé.

Claims (15)

  1. Système (200 ; 300) d’amplification paramétrique optique pour générer des impulsions à fort contraste temporel, caractérisé en ce qu’il comporte :
    - un dispositif d’émission lumineuse (210), configuré pour émettre au moins une impulsion lumineuse à dérive en fréquence, nommée impulsion initiale, un filtrage passe-bande de l’impulsion initiale étant apte à fournir une impulsion initiale filtrée, la largeur temporelle de l’impulsion initiale filtrée augmentant lorsque la largeur spectrale du filtrage passe-bande augmente, et inversement, pour des largeurs spectrales du filtrage passe-bande supérieures à une première valeur seuil (Δλs), et la largeur temporelle de l’impulsion initiale filtrée augmentant lorsque la largeur spectrale du filtrage passe-bande diminue, et inversement, pour des largeurs spectrales du filtrage passe-bande inférieures à la première valeur seuil (Δλs);
    - un élément de séparation (220), configuré pour recevoir en entrée l’impulsion initiale et pour séparer cette dernière en deux impulsions secondaires ;
    - un bras signal (230A ; 330A), configuré pour recevoir en entrée l’une desdites impulsions secondaires et pour fournir en sortie une impulsion signal, et qui comporte un premier filtre passe-bande (231A ; 331A) de largeur spectrale strictement supérieure à la première valeur seuil (Δλs) ;
    - un bras de pompe (230B ; 330B), configuré pour recevoir en entrée l’autre desdites impulsions secondaires et pour fournir en sortie une impulsion pompe, et qui comporte un second filtre passe-bande (231B ; 331B) de largeur spectrale strictement inférieure à la première valeur seuil (Δλs) ; et
    - un élément d’amplification paramétrique optique (250 ; 350), configuré pour recevoir en entrée l’impulsion pompe et l’impulsion signal, et pour fournir en sortie une impulsion signal amplifiée.
  2. Système (200 ; 300) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une largeur temporelle de l’impulsion pompe est sensiblement égale à une largeur temporelle de l’impulsion signal, à 10% près.
  3. Système (200 ; 300) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’un au moins parmi le bras de pompe (230B ; 330B) et le bras signal (230A ; 330A) comporte un élément d’ajustement de la longueur optique (233A), de sorte que le bras de pompe et le bras signal présentent tous deux une même longueur optique.
  4. Système (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’une dérive en fréquence de l’impulsion initiale est supérieure ou égale à 0,1 ps/nm.
  5. Système (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif d’émission lumineuse (210) comprend un oscillateur laser.
  6. Système (200 ; 300) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif d’émission lumineuse (210) comprend en outre un étireur, configuré pour étirer temporellement une impulsion fournie en sortie de l’oscillateur laser.
  7. Système (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première valeur seuil (Δλs) est comprise entre 1 nm et 3 nm.
  8. Système (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’un au moins parmi le premier filtre passe-bande (231A ; 331A) et le second filtre passe-bande (231B ; 331B) est accordable en longueur d’onde.
  9. Système (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’impulsion initiale est une impulsion large spectre, de largeur spectrale à mi-hauteur supérieure ou égale à 10 nm.
  10. Système (200 ; 300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’élément de séparation (220) est un démultiplexeur en longueur d’onde, configuré pour séparer l’impulsion initiale en deux contributions spectrales formant chacune une impulsion secondaire respective.
  11. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’élément de séparation est un coupleur optique, configuré pour séparer l’impulsion initiale en deux contributions en puissance optique formant chacune une impulsion secondaire respective.
  12. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l’élément d’amplification paramétrique optique (250) est une fibre optique non-linéaire présentant une non-linéarité d’ordre trois.
  13. Système (200) selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un coupleur optique (240) à deux entrées et une sortie, relié en entrée au bras de pompe (230B) et au bras signal (230A), et relié en sortie à l’élément d’amplification paramétrique optique (250).
  14. Système (300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l’élément d’amplification paramétrique optique (350) est un cristal non linéaire présentant une non-linéarité d’ordre deux.
  15. Système (300) selon la revendication 14, caractérisé en ce que le bras de pompe comporte en outre un cristal non linéaire de conversion de fréquence (334B).
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