FR3137221A1 - Système et procédé de compression d’impulsions lumineuses - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de compression (5) d’impulsions lumineuses émises par une source lumineuse (2), comprenant un système optique dispersif (10) adapté à recevoir une impulsion lumineuse incidente (100) ayant un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive, ledit système optique dispersif (10) étant conçu pour fournir en un point objet (A) une impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement ayant un front d’onde incliné, ledit système optique dispersif (10) étant conçu pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus quatre diffractions en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente (100), de manière à former au point objet (A) l’impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement.Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne de manière générale le domaine des systèmes laser et en particulier les systèmes de compression d’impulsions lumineuses.
Elle concerne plus particulièrement un système de compression d’impulsions lumineuses émises par une source lumineuse.
L’amplification à dérive de fréquence (ou CPA pour «Chirped Pulse Amplification» selon l’appellation d’origine anglo-saxonne) est une technique régulièrement utilisée dans les systèmes laser impliquant des impulsions laser ultracourtes. Dans de tels systèmes, une impulsion lumineuse est étirée temporellement avant amplification afin d’entraîner un allongement de la durée de l’impulsion lumineuse. L’impulsion étirée est ensuite amplifiée dans un dispositif amplificateur optique. En sortie du dispositif amplificateur optique, un compresseur comprime l’impulsion amplifiée afin d’obtenir une impulsion lumineuse ayant la même durée d’impulsion que la durée initiale.
Une impulsion lumineuse étirée temporellement peut être représentée de manière très schématique par une série de fronts d’onde décalés temporellement (ou longitudinalement selon la convention usuellement utilisée). En d’autres termes, les fronts d’onde présentent un retard les uns par rapport aux autres. Une telle représentation schématique est utilisée ici uniquement aux fins d’explication et d’illustration sur les figures annexées. Toutefois, de manière connue, le spectre d’une impulsion lumineuse étant généralement continu, une impulsion lumineuse étirée présente généralement un continuum de fronts d’onde.
La compression d’une impulsion lumineuse peut aussi être représentée schématiquement par une superposition spatiale et temporelle (aussi appelé recouvrement spatial et temporel) des fronts d’onde associés au spectre de l’impulsion lumineuse.
Une impulsion lumineuse comprimée peut être utilisée dans des applications d’interaction lumière-matière, par exemple par interaction avec un cristal optique non linéaire dans des conditions bien précises, notamment d’acceptance spectrale, d’accord de phase, de qualité de faisceau et de qualité de focalisation. De plus, il est souhaitable que l’onde d’excitation (ou onde de pompe) et l’onde signal générée se superposent spatialement (ou de manière transverse) et temporellement (ou de manière longitudinale) pendant leur propagation dans la zone d’interaction. Cependant, le processus d’interaction lumière-matière est limité par une détérioration (ou « walk off » en terminologie anglo-saxonne) du recouvrement spatial et temporel entre l’onde du faisceau lumineux d’excitation et une autre onde, par exemple du signal généré à mesure que le faisceau lumineux se propage dans la matière.
De plus, la propagation d’une impulsion lumineuse comprimée temporellement de durée ultracourte et/ou de forte puissance crête dans différents milieux (solide, liquide ou gazeux) entre le compresseur et la zone d’interaction souhaitée est associée à de nombreux effets indésirables ou dommageables pour l’application finale visée par l’utilisation de telles impulsions lumineuses. Cette propagation de l’impulsion lumineuse en sortie du compresseur induit généralement une dégradation de la qualité du faisceau lumineux donc de la qualité de focalisation temporelle et spatiale dans la zone d’interaction souhaitée.
Afin de compenser la dégradation du faisceau lumineux entre le compresseur et la zone d’interaction, il peut être nécessaire d’agrandir la taille du faisceau pour diminuer la densité d’énergie jusqu’au point d’utilisation. Cela nécessite d’utiliser en sortie du compresseur des composants optiques de grandes dimensions. Une autre solution consiste à effectuer sous vide la propagation des impulsions lumineuses comprimées temporellement, ce qui complique le système.
Dans une autre application de génération d’un rayonnement d’impulsion térahertz (THz) par interaction entre une impulsion lumineuse ultra-courte et un matériau non linéaire, le document «Velocity matching by pulse front tilting for large-area THz -pulse generation» de János Hebling, Gábor Almási, Ida Z. Kozma, and Jürgen Kuhl, Opt. Express Vol. 10, n° 21, 1161-1166 (2002) propose d’introduire une technique d’inclinaison du front d’onde (ou «pulse front tilt» selon l’appellation d’origine anglo-saxonne) de manière à optimiser le recouvrement spatial et temporel et à limiter sa dégradation et à ajuster le rayonnement THz en fonction de l’angle d’inclinaison du front d’onde de l’impulsion lumineuse dans le matériau non linéaire.
Cette publication utilise un dispositif d’inclinaison du front d’onde comprenant un réseau de diffraction et un dispositif de mise en forme du front d’onde incliné comprenant un système optique d’imagerie permettant d’adapter la dimension et l’inclinaison du front d’onde de l’impulsion à l’application visée. L’inclinaison du front d’onde permet d’obtenir une plus grande superposition spatiale et temporelle entre l’onde de pompe et l’onde signal dans le cristal non linéaire et ainsi de dépasser les limites en recouvrement spatial et temporel dans le cristal non linéaire.
Cependant, un tel dispositif d’inclinaison du front d’onde et de mise en forme présente des pertes pouvant être de l’ordre de 75 %. De plus, les dimensions du dispositif d’inclinaison par réseau de diffraction et du système optique d’imagerie doivent être adaptées à la taille du faisceau se propageant, ce qui augmente l’encombrement total du système.
Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose d’améliorer les systèmes de compression d’impulsions lumineuses et en particulier de limiter les pertes globales induites par un tel système tout en réduisant la taille des composants optiques utilisés et l’encombrement du système global.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un système de compression d’impulsions lumineuses émises par une source lumineuse, comprenant un système optique dispersif adapté à recevoir une impulsion lumineuse incidente ayant un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive, ledit système optique dispersif étant conçu pour fournir en un point objet une impulsion lumineuse comprimée temporellement ayant un front d’onde incliné, ledit système optique dispersif étant conçu pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus quatre diffractions en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente, de manière à former au point objet l’impulsion lumineuse comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement.
Ainsi, de manière avantageuse, l’impulsion lumineuse comprimée temporellement obtenue en sortie du système optique dispersif présente à la fois un front d’onde incliné et une dispersion angulaire.
De plus, la mise en œuvre du système optique dispersif est plus simple qu’un compresseur classique car il ne met en jeu qu’au plus quatre diffractions. Cela permet alors de minimiser la zone dans laquelle l’impulsion lumineuse est comprimée. De manière avantageuse, cette réduction, voir même la disparition, de la zone dans laquelle l’impulsion est comprimée permet de limiter les dégradations temporelle et spatiale du faisceau lumineux (donc de maintenir la qualité du faisceau lumineux et donc de limiter fortement les pertes du système de compression). Cela entraîne alors une plus grande liberté de mise en œuvre du système de compression, notamment en ce qui concerne son dimensionnement. Cela permet finalement de réduire les coûts mis en jeu pour la fabrication d’un tel système et d’améliorer l’efficacité du système optique dispersif.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du système de compression conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- l’impulsion lumineuse comprimée temporellement à front d’onde incliné au point objet est dispersée angulairement et temporellement en amont et en aval du point objet ;
- le système optique dispersif comprend trois réseaux de diffraction disposés en série sur le trajet de l’impulsion lumineuse incidente, chaque réseau de diffraction du système optique dispersif étant conçu pour disperser angulairement la direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente ;
- les trois réseaux de diffraction présentent, chacun, une première dispersion ;
- le système optique dispersif comprend un seul réseau de diffraction et un élément optique configurés pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus trois diffractions successives sur ledit réseau de diffraction ;
- ledit élément optique comprend un prisme rétro-réflecteur ou un système optique à miroir ;
- il est prévu un miroir disposé au point objet ou en amont dudit point objet, ledit miroir étant positionné pour réfléchir l’impulsion lumineuse comprimée temporellement de front d’onde incliné ;
- il est prévu un autre réseau de diffraction disposé au point objet ou en amont dudit point objet, ledit autre réseau de diffraction étant positionné pour ajuster l’angle d’inclinaison du front d’onde de l’impulsion lumineuse comprimée temporellement de front d’onde incliné ;
- ledit autre réseau présente une deuxième dispersion ;
- il est prévu un système optique d’imagerie configuré pour former une image de l’impulsion lumineuse comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement en un point image et former en ce point image une impulsion lumineuse mise en forme spatialement, comprimée temporellement et à front d’onde incliné suivant une inclinaison déterminée ; et
- le système optique d’imagerie comprend un dernier réseau de diffraction disposé au point image dans le plan du front d’onde incliné de l’impulsion lumineuse mise en forme spatialement, comprimée temporellement et à front d’onde redressé, ledit dernier réseau de diffraction présentant la première dispersion.
- le système optique dispersif comprend trois réseaux de diffraction disposés en série sur le trajet de l’impulsion lumineuse incidente, chaque réseau de diffraction du système optique dispersif étant conçu pour disperser angulairement la direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente ;
- les trois réseaux de diffraction présentent, chacun, une première dispersion ;
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- ledit autre réseau présente une deuxième dispersion ;
- il est prévu un système optique d’imagerie configuré pour former une image de l’impulsion lumineuse comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement en un point image et former en ce point image une impulsion lumineuse mise en forme spatialement, comprimée temporellement et à front d’onde incliné suivant une inclinaison déterminée ; et
- le système optique d’imagerie comprend un dernier réseau de diffraction disposé au point image dans le plan du front d’onde incliné de l’impulsion lumineuse mise en forme spatialement, comprimée temporellement et à front d’onde redressé, ledit dernier réseau de diffraction présentant la première dispersion.
L’invention propose également un système amplificateur laser à dérive de fréquence comprenant une source d’impulsions lumineuses et un système de compression tel que défini précédemment, la source comprenant un système amplificateur optique disposé en amont du système de compression.
L’invention concerne également un système d’amplification paramétrique optique comprenant un amplificateur paramétrique optique et un système de compression tel que défini précédemment, l’amplificateur paramétrique optique étant disposé en amont du système de compression.
L’invention concerne également un procédé de compression d’impulsions lumineuses émises par une source lumineuse comprenant des étapes de :
- réception d’une impulsion lumineuse incidente ayant un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive, et
- génération, par un système optique dispersif, d’une impulsion lumineuse comprimée temporellement ayant un front d’onde incliné, ledit système optique dispersif étant conçu pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus quatre diffractions en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente, de manière à former en un point objet l’impulsion lumineuse comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement.
- réception d’une impulsion lumineuse incidente ayant un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive, et
- génération, par un système optique dispersif, d’une impulsion lumineuse comprimée temporellement ayant un front d’onde incliné, ledit système optique dispersif étant conçu pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus quatre diffractions en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente, de manière à former en un point objet l’impulsion lumineuse comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
La représente schématiquement un système 1 de génération d’une impulsion comprimée à front d’onde incliné conforme à l’invention.
Ce système 1 de génération d’une impulsion comprimée à front d’onde incliné comprend une source lumineuse 2 et un système de compression 5.
La source lumineuse 2 est conçue pour générer une impulsion lumineuse incidente 100.
Dans un mode de réalisation, la source lumineuse 2 comprend par exemple un oscillateur générant une impulsion source, un étireur et un système amplificateur optique. La source lumineuse 2 ne comporte généralement pas de compresseur. En variante, la source lumineuse 2 peut comprendre par exemple un amplificateur paramétrique optique, noté OPA (pour «Optical Parametric Amplifier») qui génère un faisceau de longueur d’onde variable.
De manière générale, l’impulsion lumineuse incidente 100 présente ici un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive. Autrement dit, l’impulsion lumineuse incidente 100 est étirée temporellement. Dans la suite, on définit une direction de propagation, notée , associée à l’impulsion lumineuse incidente 100. Ici, les fronts d’onde 1001, 1002, 1003 de l’impulsion lumineuse incidente 100 sont décalés temporellement en fonction de la dispersion spectrale appliquée. La dispersion spectrale (quantifiée par exemple en femtoseconde au carré (fs2) ou en picoseconde par nanomètre (ps/nm)) est ici déterminée en fonction de la durée d’impulsion. Ici, cette durée d’impulsion étirée est par exemple comprise entre 100 picosecondes (ps) et 1 nanoseconde (ns). Toutefois, les fronts d’onde 1001, 1002, 1003 de l’impulsion lumineuse incidente sont orthogonaux à la même direction de propagation .
A titre d’exemple non limitatif, on a représenté sur la , les fronts d’onde incidents 1001, 1002, 1003 associés respectivement à trois composantes spectrales distinctes d’une même impulsion lumineuse incidente 100. Il faut néanmoins noter ici que les fronts d’onde incidents sont constitués d’un continuum de composantes spectrales (la discrétisation des composantes spectrales est effectuée ici dans un souci de compréhension de l’invention).
Dans le présent document, on entend par composante spectrale d’une impulsion lumineuse, une partie d’une impulsion lumineuse située dans une bande étroite de longueur d’onde ou bande étroite de fréquence optique déterminée à l’intérieur de la bande spectrale, respectivement de la gamme de fréquence optique associée à l’impulsion lumineuse.
Par exemple, l’impulsion lumineuse incidente 100 s’étend sur gamme de longueur d’onde comprise entre 700 et 900 nanomètres (nm).
Comme le montre la , le système de compression 5 comprend un système optique dispersif 10 et, en option, un système optique d’imagerie 15. Les figures 2 à 4 représentent trois exemples de réalisation du système de compression 5 conforme à l’invention.
Le système optique dispersif 10 reçoit en entrée l’impulsion lumineuse incidente 100 émise par la source lumineuse 2. Le système optique dispersif 10 est conçu pour fournir en sortie, en un point objet A, une impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement ayant un front d’onde émergent incliné. Pour cela, le système optique dispersif 10 est adapté à disperser angulairement la direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente 100 par au plus quatre diffractions successives.
Ainsi, en sortie du système optique dispersif 10, l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné est formée en un point objet A. De plus, cette impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné est dispersée angulairement. Plus précisément, l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné est dispersée angulairement en amont et en aval du point objet A et est superposée au niveau du point objet A.
Autrement dit, les fonts d’onde 1101, 1102, 1103 associés respectivement aux différentes composantes spectrales de l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement sont superposés spatialement et temporellement au point objet A. Plus précisément, les fronts d’onde 1101, 1102, 1103, se superposent dans un plan qui passe par le point objet A. De plus, ces fronts d’onde 1101, 1102, 1103 superposés spatialement et temporellement au point objet A, se propagent suivant des directions de propagation distinctes , , respectivement en amont et en aval du point A. Chaque front d’onde, respectivement 1001, 1102, 1103 est incliné par rapport à sa direction de propagation, respectivement , , . Autrement dit, en sortie du système optique dispersif 10, les directions de propagation , , sont dispersées angulairement en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente 100.
Dans le présent document, on entend par front d’onde incliné un front d’onde présentant un angle différent de 90 degrés par rapport à sa direction de propagation. De préférence, un front d’onde incliné présente un angle d’inclinaison compris entre 10 et 80 degrés par rapport à sa direction de propagation. L’angle d’inclinaison est déterminé en fonction de l’application et de la longueur d’onde d’utilisation. Par exemple, dans le cas d’un rayonnement d’impulsion térahertz, cet angle d’inclinaison est de préférence de l’ordre de 25 degrés.
Comme représenté sur les exemples illustrés en figures 2 à 5, en pratique, le système optique dispersif 10 comprend ici trois réseaux de diffraction : un premier réseau de diffraction 11, un deuxième réseau de diffraction 12 et un troisième réseau de diffraction 13. Ces trois réseaux de diffraction 11, 12, 13 sont disposés en série sur le trajet de l’impulsion lumineuse incidente 100, selon un arrangement défini par les distances entre ces réseaux et les angles d’incidence des faisceaux sur chacun de ces réseaux. Chaque réseau de diffraction parmi le premier réseau de diffraction 11, le deuxième réseau de diffraction 12 et le troisième réseau de diffraction 13 présente une première dispersion angulaire (identique pour chacun de ces réseaux de diffraction), qui résulte en une dispersion spectrale du fait des différences de chemin optique des différentes composantes spectrales. Le nombre de traits par millimètre détermine la dispersion angulaire du réseau de diffraction. De façon avantageuse, la dispersion globale du système optique dispersif est de signe opposé à la dispersion spectrale de l’impulsion incidente.
Plus particulièrement, comme représenté schématiquement sur les figures 2 à 5, l’impulsion lumineuse incidente 100 est tout d’abord modifiée par diffraction sur le premier réseau de diffraction 11 de manière à former une première impulsion lumineuse intermédiaire 101. Le premier réseau de diffraction 11 induit une dispersion angulaire de cette première impulsion lumineuse intermédiaire 101, plus précisément une dispersion angulaire de la direction de propagation des fronts d’onde 1011, 1012, 1013 en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente 100 et de la dispersion du premier réseau de diffraction 11. Chaque front d’onde 1011, 1012, 1013 de la première impulsion lumineuse intermédiaire 101 se propage suivant une direction de propagation distincte. Etant donné l’agencement mis en œuvre, chaque front d’onde 1011, 1012, 1013 de la première impulsion lumineuse intermédiaire 101 est alors ici incliné par rapport à sa direction de propagation entre le premier réseau de diffraction 11 et le deuxième réseau de diffraction 12.
Cette première impulsion lumineuse intermédiaire 101 est ensuite modifiée par diffraction sur le deuxième réseau de diffraction 12 de manière à former une deuxième impulsion lumineuse intermédiaire 102. Cette deuxième impulsion lumineuse intermédiaire 102 ne présente plus de dispersion angulaire, mais présente uniquement une dispersion spatiale, plus précisément une dispersion spatiale transverse de la direction de propagation des fronts d’onde 1021, 1022, 1023 en fonction de la dispersion spectrale de la première impulsion lumineuse intermédiaire 101 et de la dispersion du deuxième réseau de diffraction 12. Les fronts d’onde 1021, 1022, 1023 de la deuxième impulsion lumineuse intermédiaire 102 se propagent suivant des directions de propagation parallèles les unes aux autres. A titre d’exemple non limitatif, les directions de propagation des fronts d’onde 1021, 1022, 1023 sont par exemple écartés spatialement (ou transversalement) entre elles tout en étant parallèles entre elles. Chaque front d’onde 1021, 1022, 1023 est par exemple ici orthogonal par rapport à sa direction de propagation entre le deuxième réseau de diffraction 12 et le troisième réseau de diffraction 13.
Cette deuxième impulsion lumineuse intermédiaire 102 est ensuite à son tour modifiée par diffraction sur le troisième réseau de diffraction 13 de manière à former l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné. Plus précisément, le troisième réseau de diffraction 13 permet de former au point objet A l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement. A cet effet, le troisième réseau de diffraction 13 diffracte la deuxième impulsion lumineuse intermédiaire 102 et forme une troisième impulsion lumineuse intermédiaire 103 entre le troisième réseau et le point objet A. La troisième impulsion lumineuse intermédiaire 103 présente des fronts d’onde 1031, 1032, 1033 qui se propagent suivant des directions de propagation distinctes notées respectivement , , qui présentent une dispersion angulaire en fonction de la dispersion spatiale (ou transverse) de la deuxième impulsion lumineuse intermédiaire 102 et de la dispersion du troisième réseau de diffraction 13. Les directions de propagation , , convergent au point objet A pour former l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné. De plus, les fronts d’onde respectifs 1101, 1102, 1103 de l’impulsion lumineuse 110 comprimée se superposent spatialement et temporellement au point objet A, tout en étant inclinées par rapport à leur direction de propagation respective. Plus précisément, les fronts d’onde 1101, 1102, 1103 de l’impulsion lumineuse comprimée 110 se superposent dans un même plan qui passe par le point objet A. En d’autres termes, au point A, les fronts d’onde 1101, 1102, 1103 sont en phase de manière à obtenir une durée d’impulsion la plus courte possible. Chaque front d’onde, respectivement 1101, 1102, 1103 est incliné par rapport à sa direction de propagation, respectivement , , . On souligne qu’au point objet A, les directions de propagation , , sont dispersées angulairement en fonction de l’étalement spatial transverse et des réseaux de diffraction utilisés.
Ainsi, de manière avantageuse selon l’invention, l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement obtenue au point objet A en sortie du système optique dispersif 10 présente à la fois un front d’onde incliné et une dispersion angulaire en fonction de la largeur spectrale de l’impulsion lumineuse incidente et de la dispersion du premier réseau de diffraction 11, du deuxième réseau de diffraction 12 et du troisième réseau de diffraction 13. Autrement dit, au point objet A, les fronts d’onde des différentes composantes spectrales de l’impulsion lumineuse 110 se superposent spatialement et temporellement, ce qui permet d’obtenir au point objet A une impulsion comprimée temporellement et ayant un front d’onde incliné. La position et l’angle d’inclinaison du front d’onde de l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement sont déterminés par la configuration et les caractéristiques des réseaux de diffraction 11, 12, 13. Toutefois, en dehors du point A, c’est-à-dire en amont et en aval du point A, l’impulsion lumineuse générée par le système dispersif 10 est dispersée spatialement en plus de de sa dispersion angulaire. Par exemple, l’angle d’inclinaison est compris entre 10 et 80 degrés par rapport à la direction de propagation respectivement , , .
De plus, la mise en œuvre du système optique dispersif 10 est meilleure que celle d’un compresseur de l’art antérieur car l’agencement décrit permet de minimiser, voire même de réduire en un point de l’espace la zone dans laquelle l’impulsion lumineuse est comprimée. En pratique, cela découle d’une mise en œuvre du système optique dispersif plus simple que celle d’un compresseur de l’art antérieur, car le système optique dispersif 10 nécessite au plus quatre réseaux de diffraction, et de préférence trois réseaux de diffraction. L’utilisation d’un nombre réduit de réseau(x) de diffraction permet une réduction des pertes par diffraction et améliore l’efficacité du système optique dispersif 10. L’utilisation d’un nombre réduit de réseau(x) de diffraction permet également une réduction des coûts mis en jeu pour la fabrication d’un tel système.
Selon une variante de la présente divulgation, les trois réseaux de diffraction 11, 12, 13 peuvent être remplacés par trois prismes ou par trois grisms ou encore par une combinaison de trois éléments choisis parmi un réseau de diffraction, un prisme et un grism pour former au plus trois dispersions spectrales ou diffractions de l’impulsion lumineuse incidente.
En variante, le système optique dispersif 10 peut comprendre un unique réseau de diffraction et un élément optique associé. L’élément optique associé à un unique réseau de diffraction est par exemple un prisme ou un rétro-prisme. En variante, l’élément optique peut être formé par au moins un miroir. La combinaison de cet unique réseau de diffraction et de l’élément optique est également conçue pour disperser angulairement la direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus trois diffractions successives sur le même réseau de diffraction, après rétro-réflexion sur l’élément optique, de manière à former l’impulsion lumineuse comprimée à front d’onde émergent incliné en un point objet A, cette impulsion comprimée présentant une dispersion angulaire de sa direction de propagation qui est une fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente et de la dispersion de l’unique réseau de diffraction.
En pratique, selon cette variante, l’impulsion lumineuse incidente est modifiée par diffraction par l’unique réseau de diffraction de manière à former la première impulsion lumineuse intermédiaire. Cette dernière est ensuite à nouveau dirigée vers l’unique réseau de diffraction grâce à l’élément optique. La première impulsion lumineuse intermédiaire est à nouveau modifiée par diffraction par l’unique réseau de diffraction de manière à former la deuxième impulsion lumineuse intermédiaire. L’élément optique renvoie également la deuxième impulsion lumineuse intermédiaire vers l’unique réseau de diffraction afin que celle-ci soit également modifiée par diffraction afin de former l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné.
En variante encore, le système optique dispersif peut être formé par deux réseaux de diffraction et l’élément optique précédemment introduit de manière à former l’impulsion lumineuse comprimée à front d’onde incliné, par au plus quatre diffractions successives.
En sortie du système optique dispersif 10, la dispersion angulaire obtenue entraîne l’étalement spatial de l’impulsion lumineuse 110 comprimée lors de sa propagation après le point objet A.
De manière avantageuse, l’utilisation d’un nombre réduit de composants optiques permet de minimiser, voir même de réduire à un point de l’espace la zone dans laquelle l’impulsion lumineuse est comprimée, et donc de réduire les pertes induites par composants optiques. Cela permet donc d’améliorer la compacité du système 1 de compression et de mise en forme spatiale.
Comme le montrent les figures 3 à 5, le système de compression 5 comprend par exemple un miroir 16. Ce miroir 16 est conçu pour réfléchir l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement.
En pratique, le miroir 16 est positionné au niveau du point objet A où se forme l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné. En variante, le miroir 16 peut être positionné en amont ou en aval du point objet A. Le miroir 16 dévie les directions de propagation , , de l’impulsion 110 comprimée. Pour des commodités de mise en œuvre du système de compression 5, le miroir 16 est plan. Toutefois, le miroir 16 de renvoi est optionnel.
De manière avantageuse selon ce mode de réalisation, la dispersion angulaire de l’impulsion lumineuse 110 comprimée localement au point A permet de limiter, pour la suite de la propagation de l’impulsion lumineuse, les distorsions spatiales et temporelles de l’impulsion lumineuse susceptibles d’être induites par des effets optiques non linéaires dans le milieu de propagation. En dehors du point A, la dispersion spatiale transverse ou la dispersion angulaire de l’impulsion lumineuse permettent de limiter les effets optiques non-linéaires et dégradations dues à la propagation dans le milieu ambiant ou sur les composants optiques. En particulier, l’intensité du faisceau lumineux est réduite en tout point de l’espace afin de limiter, voire éviter, les effets optiques non-linéaires. En effet, en présence d’une dispersion spatiale transverse ou d’une dispersion angulaire des fronts d’onde, ceux-ci ne peuvent pas se superposer. En sortie du miroir 16 est alors obtenue une impulsion lumineuse réfléchie 160 qui est dispersée angulairement par réflexion des directions de propagation , , sur le miroir 16. L’impulsion lumineuse réfléchie 160 est donc dispersée angulairement. Autrement dit, les fronts d’onde 1601, 1602, 1603 des différentes composantes spectrales de l’impulsion lumineuse réfléchie 160 se propagent suivant des directions de propagation correspondant respectivement à la réflexion des directions de propagation , , sur le miroir 16.
En variante, le miroir 16 peut être remplacé par un quatrième réseau de diffraction (non représenté). Ce quatrième réseau de diffraction permet d’ajuster l’angle d’inclinaison du front d’onde ou même de redresser le front d’onde (qui n’est donc plus incliné). Ce quatrième réseau de diffraction présente une dispersion différente de celle du premier réseau de diffraction 11, du deuxième réseau de diffraction 12 et du troisième réseau de diffraction 13 précédemment introduits.
Le quatrième réseau de diffraction est positionné en amont ou au niveau du point objet A où se forme l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné. En variante, il peut être positionné en amont du point objet A.
Ce quatrième réseau de diffraction dévie les directions de propagation , , des composantes spectrales de l’impulsion 110 comprimée. En pratique, les caractéristiques du quatrième réseau de diffraction (en particulier, le nombre de traits par millimètre) sont adaptées à l’application visée en sortie du système de compression 5.
Comme le montrent les figures 4 et 5, le système de compression 5 comprend en option le système optique d’imagerie 15 positionné en sortie du système optique dispersif 10. Le système optique d’imagerie 15 forme l’image de l’impulsion lumineuse 110 comprimée et permet d’ajuster l’angle d’inclinaison du front d’onde pour obtenir la superposition spatiale et temporelle souhaitée en un point image B distant du point objet A. Autrement dit, le système optique d’imagerie 15 permet de mettre en forme spatialement l’impulsion lumineuse comprimée à front d’onde incliné en fonction de l’application visée.
Le système d’imagerie peut par exemple être un système de grandissement, dont le grandissement a une influence sur l’angle d’inclinaison du front d’onde.
L’impulsion lumineuse réfléchie 160 se propage alors en aval du miroir 16 (ou le quatrième réseau de diffraction en variante) vers le système optique d’imagerie 15. Plus précisément, l’impulsion lumineuse réfléchie 160 se propage jusqu’à un système optique 17 compris dans le système optique d’imagerie 15 (figures 4 et 5). Ce système optique 17 est conçu pour mettre en forme l’impulsion lumineuse réfléchie 160 de manière à ce que celle-ci soit exploitable pour les applications visées en sortie du système de compression 5.
Le système optique 17 comporte par exemple un système optique à lentille(s) ou à miroir(s). Les composants optiques compris dans le système optique 17 sont par exemple des composants optiques sphériques pour focaliser en un point ou des composants optiques cylindriques pour focaliser sur une ligne. Les composants optiques cylindriques sont particulièrement avantageux car ils permettent une mise en œuvre à l’air libre (alors que les composants optiques sphériques nécessitent de travailler dans une atmosphère sous vide).
Le système optique 17 comprend par exemple deux composants optiques, chaque composant optique étant positionné dans un plan différent, les deux plans étant orthogonaux entre eux.
Plus précisément, le grandissement optique du système optique 17 permet d’ajuster l’angle d’inclinaison du front d’onde au point image B. Autrement dit, le système optique 17 déplace l’impulsion comprimée temporellement du point objet A au point image B et fait tourner le plan du front d’onde incliné de l’impulsion comprimée temporellement pour le disposer et le superposer à l’endroit voulu en fonction de l’application. Entre le point objet A et le point image B, l’impulsion lumineuse reste dispersée spatialement, ce qui permet d’éviter la génération d’effets indésirables lors de la propagation de l’impulsion lumineuse entre ces deux points.
De manière avantageuse, le miroir 16 (ou le quatrième réseau de diffraction en variante) et le système optique 17 du système optique d’imagerie 15 permettent de superposer spatialement et temporellement les composantes de l’impulsion lumineuse réfléchie 160 en un point image B. En particulier, au point image B, l’impulsion lumineuse mise en forme 150 est comprimée, spatialement et temporellement recombinée et présente un front d’onde émergent incliné. Plus précisément, les fronts d’onde 1501, 1502, 1503 se superposent dans un plan qui passe par le point image B. En absence d’autre composant optique (notamment un réseau de diffraction 18, comme décrit ci-dessous), en dehors du point image B, ces fronts d’onde 1501, 1502, 1503 se propagent suivant des directions de propagation distinctes en fonction respectivement des directions de propagation , , en entrée du système optique d’imagerie 15. Chaque front d’onde, respectivement 1501, 1502, 1503 est incliné par rapport à sa direction de propagation. Autrement dit, en sortie du système optique d’imagerie 15, l’impulsion lumineuse mise en forme 150 et comprimée temporellement présente aussi un front d’onde incliné et une dispersion angulaire de sa direction de propagation en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente.
L’impulsion lumineuse mise en forme 150 et comprimée, à front d’onde incliné, peut être utilisée pour l’application visée au point image B. Autrement dit, l’impulsion lumineuse mise en forme 150 et comprimée, à front d’onde incliné, peut être utilisée au point image B à distance du point objet A, sans générer d’effets optiques non-linéaires indésirables entre le point objet A et le point image B.
La représente un deuxième exemple d’un système de compression 5 conforme à l’invention. Dans cet exemple, le système optique d’imagerie comprend en outre un dernier réseau de diffraction 18. Ce dernier réseau de diffraction 18 est positionné dans le système optique d’imagerie 15 en sortie du système optique 17. Ce dernier réseau de diffraction 18 présente la même dispersion que le premier réseau de diffraction 11, le deuxième réseau de diffraction 12 et le troisième réseau de diffraction 13 précédemment introduits. Le dernier réseau de diffraction 18 reçoit donc une impulsion lumineuse mise en forme 150 obtenue en sortie de l’autre élément optique 17.
Plus précisément, le dernier réseau de diffraction 18 est positionné au niveau du point image B décrit précédemment, c’est-à-dire à l’endroit où l’impulsion lumineuse mise en forme 150 est comprimée, spatialement et temporellement recombinée et présente un front d’onde émergent incliné. De façon avantageuse, le dernier réseau de diffraction 18 est plan. Le dernier réseau de diffraction 18 est incliné de manière à ce que le plan du dernier réseau de diffraction soit confondu avec le plan du front d’onde incliné de l’impulsion lumineuse mise en forme 150 et comprimée.
Ce dernier réseau de diffraction 18 permet de redresser les différentes composantes spectrales de l’impulsion lumineuse mise en forme 150 pour qu’elles se propagent suivant une même direction de propagation . Ainsi, les fonts d’onde 1501, 1502, 1503 superposés spatialement et temporellement au point image B, se propagent suivant la même direction de propagation en sortie du dernier réseau de diffraction 18. Chaque front d’onde, respectivement 1501, 1502, 1503 est incliné d’un même angle non nul par rapport à la direction de propagation . Autrement dit, en sortie du système optique d’imagerie 15, la direction de propagation de l’impulsion lumineuse mise en forme 180 et comprimée temporellement ne présente aucune dispersion angulaire. De plus le front d’onde de l’impulsion 180 est redressé.
L’impulsion lumineuse mise en forme 180 et comprimée à front d’onde incliné peut être utilisée à partir du point image B suivant la direction de propagation en n’importe quel point.
Dans le cas d’une application avec une expérience réalisée sous vide ou dans un milieu particulier par exemple gazeux, avantageusement, seul le dernier réseau de diffraction 18 est disposé à l’intérieur de la chambre d’expérience 30 sous vide ou remplie d’un milieu gazeux. Toutefois, le système de compression 10 et les autres composants optiques du système optique d’imagerie 15 peuvent être disposés à l’extérieur de la chambre 30. En effet, la dispersion angulaire de l’impulsion comprimée avant le point image B limite les risques de générer des effets optiques non linéaires indésirables (dans l’air par exemple). De plus, cette configuration permet de réduire la taille des équipements, en particulier de la chambre 30 mise sous vide, et donc de réduire les coûts associés. En outre, l’intégrité de l’impulsion lumineuse comprimée à front d’onde incliné est améliorée car le chemin optique entre le point image B et la zone d’interaction souhaitée est moins long que dans un système de compression de l’art antérieur.
De manière avantageuse, le système de compression et de mise en forme spatiale conforme à l’invention peut être intégré dans un amplificateur à dérive de fréquence, à la place d’un compresseur classique, afin de générer des impulsions lumineuses amplifiées ultracourtes, notamment des impulsions en régime femtoseconde, c’est-à-dire de durée comprise entre 5 femtosecondes et 10 picosecondes. Le système de compression de la présente divulgation trouve notamment des applications dans un laser titane-saphir, un laser à matrice de verre dopée terre rare, par exemple un laser ytterbium-YAG (Yb :YAG), un laser néodyme-YAG (Nd:YAG), un laser thulium-YAG (Tm-YAG) ou un laser erbium-YAG (Er-YAG) ou un laser néodyme- dopé yttrium lithium fluoride (Nd :YLF), ou encore dans un laser à fibre.
Le système de compression et de mise en forme spatiale conforme à l’invention peut également être combiné à un amplificateur paramétrique optique pour la génération de rayonnement de longueur d’onde variable par génération de fréquence somme (ou SFG pour « Sum frequency generation » en terminologie anglaise). En effet, dans ce cas, la dispersion angulaire des faisceaux permet de séparer plus facilement les différentes harmoniques générées.
Le système de compression et de mise en forme spatiale trouve aussi des applications pour la génération de rayonnement térahertz par interaction entre une impulsion comprimée temporellement à front d’onde incliné et un composant optique non-linéaire.
Le système de compression et de mise en forme spatiale trouve des applications avantageuses pour la diffusion Compton inverse (ou diffusion Thomson), où les faisceaux se croisent avec un angle d’incidence élevé, si bien que l’inclinaison du front d’onde permet une meilleure superposition avec un paquet d’électrons.
Le système de compression et de mise en forme spatiale trouve encore d’autres applications pour l’accélération laser par diélectrique (ou DLA pour « dielectric laser acceleration » en terminologie anglaise).
Le système 1 de compression et de mise en forme spatiale décrit ci-dessus permet de mettre en œuvre le procédé suivant de compression et de mise en forme spatiale d’impulsions lumineuses à front d’onde incliné.
Selon le procédé conforme à l’invention, la source lumineuse 2 génère une impulsion lumineuse incidente 100. Cette impulsion lumineuse incidente 100 présente un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive.
Cette impulsion lumineuse incidente 100 se propage en direction du système de compression 5, et plus particulièrement en direction du système optique dispersif 10 du système de compression 5 suivant une direction de propagation, notée . Généralement, le front d’onde incident associé à chaque composante spectrale de l’impulsion lumineuse incidente est orthogonal à la direction de propagation . Autrement dit, les fronts d’onde incidents 1001, 1002, 1003 sont orthogonaux à la direction de propagation .
En option, le procédé se poursuit par une étape lors de laquelle le système optique dispersif 10 reçoit l’impulsion lumineuse incidente 100. Le système optique dispersif 10 fournit alors en sortie, par au plus quatre diffractions successives de l’impulsion lumineuse incidente 100, l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement présentant un front d’onde incliné en un point objet A. En sortie du système optique dispersif 10, l’impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné est formée au point objet A. Autrement dit, les fonts d’onde 1101, 1102, 1103 associés à l’impulsion lumineuse 110 comprimée sont superposés spatialement et temporellement au point objet A. Plus précisément, les fronts d’onde 1101, 1102, 1103, se superposent spatialement et temporellement dans un plan qui passe par le point objet A. De plus, ces fronts d’onde 1101, 1102, 1103 superposées spatialement et temporellement au point objet A, se propagent suivant des directions de propagation distinctes , , respectivement. Chaque front d’onde, respectivement 1101, 1102, 1103 est incliné par rapport à sa direction de propagation, respectivement , , . Par conséquent, cette impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné est dispersée angulairement.
Le procédé se poursuit ensuite par une étape lors de laquelle l’impulsion lumineuse 110 comprimée est mise en forme spatialement par le système optique d’imagerie 15 afin de former une image de cette impulsion lumineuse 110 comprimée temporellement à front d’onde incliné en un point image B suivant un angle d’inclinaison souhaité. En sortie du système optique d’imagerie 15, l’impulsion lumineuse obtenue est l’impulsion lumineuse 150 mise en forme spatialement et comprimée temporellement, et qui présente un front d’onde incliné au point image B, qui est l’image du point objet A. Le système optique d’imagerie permet de positionner le front d’onde de l’impulsion lumineuse 150 mise en forme et comprimée temporellement pour le superposer au point image B voulu selon l’application. L’angle d’inclinaison du front d’onde au point image B dépend notamment de l’orientation du miroir 16 de renvoi et/ou du grandissement optique du système optique 17.
De façon optionnelle, le procédé comporte en outre une étape supplémentaire consistant à diffracter l’impulsion lumineuse 150 mise en forme et comprimée au point image B sur un réseau de diffraction disposé dans le plan du front d’onde incliné de l’impulsion lumineuse 150 mise en forme et comprimée, de manière à superposer les composantes spectrales de l’impulsion lumineuse 150 mise en forme et comprimée suivant une même direction de propagation .
Claims (13)
- Système de compression (5) d’impulsions lumineuses émises par une source lumineuse (2), comprenant un système optique dispersif (10) adapté à recevoir une impulsion lumineuse incidente (100) ayant un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive, ledit système optique dispersif (10) étant conçu pour fournir en un point objet (A) une impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement ayant un front d’onde incliné, ledit système optique dispersif (10) étant conçu pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus quatre diffractions en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente (100), de manière à former au point objet (A) l’impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement.
- Système de compression (5) selon la revendication 1, dans lequel le système optique dispersif (10) comprend trois réseaux de diffraction (11, 12, 13) disposés en série sur le trajet de l’impulsion lumineuse incidente (100), chaque réseau de diffraction (11, 12, 13) du système optique dispersif (10) étant conçu pour disperser angulairement la direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente (100) en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente (100).
- Système de compression selon la revendication 2, dans lequel les trois réseaux de diffraction (11, 12, 13) présentent, chacun, une première dispersion.
- Système de compression (5) selon la revendication 1, dans lequel le système optique dispersif (10) comprend un seul réseau de diffraction et un élément optique configurés pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente par au plus trois diffractions successives sur ledit réseau de diffraction.
- Système de compression (5) selon la revendication 4, dans lequel ledit élément optique comprend un prisme rétro-réflecteur ou un système optique à miroir.
- Système de compression (5) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant un miroir (16) disposé au point objet (A) ou en amont dudit point objet (A), ledit miroir (16) étant positionné pour réfléchir l’impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement de front d’onde incliné.
- Système de compression (5) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant un autre réseau de diffraction disposé au point objet (A) ou en amont dudit point objet (A), ledit autre réseau de diffraction étant positionné pour ajuster l’angle d’inclinaison du front d’onde de l’impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement de front d’onde incliné.
- Système de compression (5) selon la revendication 7, dans lequel ledit autre réseau présente une deuxième dispersion.
- Système de compression (5) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant un système optique d’imagerie (15) configuré pour former une image de l’impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement en un point image (B) et former en ce point image (B) une impulsion lumineuse (150) mise en forme spatialement, comprimée temporellement et à front d’onde incliné suivant une inclinaison déterminée.
- Système de compression (5) selon la revendication 9 prise dans la dépendance de la revendication 3, dans lequel le système optique d’imagerie (15) comprend un dernier réseau de diffraction (18) disposé au point image (B) dans le plan du front d’onde incliné de l’impulsion lumineuse (150) mise en forme spatialement, comprimée temporellement et à front d’onde redressé, ledit dernier réseau de diffraction (18) présentant la première dispersion.
- Système amplificateur laser à dérive de fréquence comprenant une source (2) d’impulsions lumineuses et un système de compression (5) selon l’une des revendications 1 à 10, la source (2) comprenant un système amplificateur optique disposé en amont du système de compression (5).
- Système d’amplification paramétrique optique comprenant un amplificateur paramétrique optique et un système de compression (5) selon l’une des revendications 1 à 10, l’amplificateur paramétrique optique étant disposé en amont du système de compression (5).
- Procédé de compression d’impulsions lumineuses émises par une source lumineuse (2) comprenant des étapes de :
- réception d’une impulsion lumineuse incidente (100) ayant un front d’onde incident droit à dispersion spectrale positive, et
- génération, par un système optique dispersif (10), d’une impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement ayant un front d’onde incliné, ledit système optique dispersif (10) étant conçu pour disperser angulairement une direction de propagation de l’impulsion lumineuse incidente (100) par au plus quatre diffractions en fonction de la dispersion spectrale de l’impulsion lumineuse incidente (100), de manière à former en un point objet (A) l’impulsion lumineuse (110) comprimée temporellement à front d’onde incliné et dispersée angulairement.
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-
2022
- 2022-06-27 FR FR2206406A patent/FR3137221A1/fr active Pending
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2023
- 2023-06-27 WO PCT/EP2023/067504 patent/WO2024003068A1/fr unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996024180A1 (fr) * | 1995-02-01 | 1996-08-08 | The Regents Of The University Of Michigan | Appareil creant un retard de phase dans une impulsion et son procede d'utilisation |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024003068A1 (fr) | 2024-01-04 |
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