FR3143892A1 - Dispersive optical device and short pulse laser system comprising such a dispersive optical device - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif optique dispersif (50, 51) adapté pour modifier une dispersion de vitesse de groupe d’un faisceau (10) d’impulsions lumineuses. Selon l’invention, le dispositif optique dispersif comprend un cube séparateur de polarisation (11), un premier réseau de Bragg (13) volumique à pas variable et une première lame quart d’onde (12) à faces planes et parallèles, une face de la première lame quart d’onde (12) étant fixée à une face d’entrée-sortie (23) du premier réseau de Bragg (13), le premier réseau de Bragg (13) volumique à pas variable étant photoinscrit dans un matériau suivant des plans parallèles à la face d’entrée-sortie (23) du premier réseau de Bragg (13), une autre face de la première lame quart d’onde (12) étant rendue solidaire d’une des deux faces latérales (19, 20) du cube séparateur de polarisation (11). Figure pour l’abrégé : Fig. 3A dispersive optical device (50, 51) adapted to modify a group velocity dispersion of a beam (10) of light pulses. According to the invention, the dispersive optical device comprises a polarization splitter cube (11), a first volumetric Bragg grating (13) with variable pitch and a first quarter-wave plate (12) with flat and parallel faces, one face of the first quarter-wave plate (12) being fixed to an input-output face (23) of the first Bragg grating (13), the first volumetric Bragg grating (13) with variable pitch being photoinscribed in a material along planes parallel to the input-output face (23) of the first Bragg grating (13), another face of the first quarter-wave plate (12) being made integral with one of the two lateral faces (19 , 20) of the polarization separator cube (11). Figure for abstract: Fig. 3
Description
La présente invention concerne le domaine technique des lasers de puissance à impulsions.The present invention relates to the technical field of pulse power lasers.
Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif optique dispersif apte à modifier la dérive de fréquence d’un faisceau d’impulsions laser pour étirer ou comprimer ces impulsions laser.More specifically, the present invention relates to a dispersive optical device capable of modifying the frequency drift of a beam of laser pulses to stretch or compress these laser pulses.
L’avènement des impulsions laser ultra-brèves a permis de très nombreuses applications dans des domaines scientifiques, industriels ou médicaux. Néanmoins l’amplification directe d’impulsions brèves est limitée par l’apparition d’effets optiques non-linéaires durant la propagation dans les amplificateurs optiques. Plusieurs solutions ont été trouvées pour pallier cette difficulté dont l’amplification à dérive de fréquence. Dans tous les cas, la production d’impulsions laser très intenses et très brèves passe par l’amplification d’impulsions de durée longue, par exemple de plusieurs dizaines de picosecondes, et la compression des impulsions amplifiées vers une durée notablement plus brève, par exemple de 10 femtoseconde à 1 picoseconde. Un compresseur apte à fournir une compression d’impulsions comporte classiquement une ligne à retard dispersive. La ligne à retard dispersive comporte en général un ou plusieurs prisme, réseau de diffraction, miroir à dérive de fréquence, matériau dispersif, réseau de Bragg et/ou tout autre élément optique dispersif. Pour obtenir une dispersion suffisante pour modifier la durée des impulsions de plusieurs dizaine de picosecondes, seuls les compresseurs utilisant des réseaux de diffraction et/ou des réseaux de Bragg conviennent. Par exemple, le compresseur à réseaux de diffraction de Treacy utilise classiquement deux réseaux de diffraction en réflexion et un jeu de miroirs ou de prismes. Toutefois, un tel compresseur pose des difficultés d’encombrement (typiquement plus de 10cmx 10cm x 10 cm voire jusqu’à 100cm x 50cm x 20 cm). De plus, un tel compresseur est extrêmement sensible aux vibrations et mouvements mécaniques qui induisent des désalignements. Un tel compresseur n’est donc pas adapté pour être embarqué sur des pièces en mouvement et encore moins tenu à la main. Ces systèmes optiques dispersifs fonctionnent tous en réflexion, c’est à dire que le faisceau d’impulsions laser comprimées sort du compresseur parallèlement au faisceau incident d’impulsions laser amplifiées, mais en direction opposée. Cette configuration impose l’utilisation d’un autre système optique, souvent composé par un ou plusieurs miroirs, afin d’envoyer le faisceau d’impulsions laser comprimées vers la cible, rendant l’ensemble encore plus sensible aux désalignements.The advent of ultra-short laser pulses has enabled numerous applications in scientific, industrial and medical fields. However, the direct amplification of short pulses is limited by the appearance of non-linear optical effects during propagation in optical amplifiers. Several solutions have been found to overcome this difficulty, including frequency drift amplification. In all cases, the production of very intense and very short laser pulses involves the amplification of pulses of long duration, for example of several tens of picoseconds, and the compression of the amplified pulses towards a significantly shorter duration, for example example of 10 femtosecond to 1 picosecond. A compressor capable of providing pulse compression conventionally comprises a dispersive delay line. The dispersive delay line generally comprises one or more prism, diffraction grating, frequency drift mirror, dispersive material, Bragg grating and/or any other dispersive optical element. To obtain sufficient dispersion to modify the duration of the pulses by several tens of picoseconds, only compressors using diffraction gratings and/or Bragg gratings are suitable. For example, the Treacy grating compressor typically uses two reflective diffraction gratings and a set of mirrors or prisms. However, such a compressor poses size difficulties (typically more than 10cm x 10cm x 10 cm or even up to 100cm x 50cm x 20 cm). In addition, such a compressor is extremely sensitive to vibrations and mechanical movements which induce misalignments. Such a compressor is therefore not suitable for being mounted on moving parts and even less suitable for being held by hand. These dispersive optical systems all operate in reflection, that is to say that the beam of compressed laser pulses exits the compressor parallel to the incident beam of amplified laser pulses, but in the opposite direction. This configuration requires the use of another optical system, often composed of one or more mirrors, in order to send the beam of compressed laser pulses towards the target, making the whole thing even more sensitive to misalignments.
Un progrès très important dans la production d’impulsions ultra-brèves par amplification à dérive de fréquence a été fait en utilisant des réseaux de Bragg volumiques à pas variable (RBVPV). Un réseau de Bragg volumiques à pas variable est un composant optique monobloc, indéréglable et très compact. Un réseau de Bragg à pas variable peut aussi être inscrit dans une fibre optique pour former un réseau de Bragg Bragg fibré à pas variable (ou FBG chirpé). Néanmoins, un réseau de Bragg fibré à pas variable présente une surface limitée de l’ordre de quelques dizaines de microns carrés, qui est en général trop faible pour des applications à des impulsions laser intenses. Un réseau de Bragg fibré à pas variable peut être utilisé pour étirer des impulsions lumineuses avant amplification. Par ailleurs la dispersion introduite par un réseau de Bragg volumique ou fibré à pas variable est fixe et ne peut pas être ajustée. Enfin, un réseau de Bragg à pas variable fonctionne aussi dans une configuration en réflexion, renvoyant le faisceau dans la direction opposée à celle du faisceau incident sur le réseau. De manière analogue avec un compresseur à réseaux de diffraction de Treacy, le faisceau laser issu d’un compresseur utilisant un réseau de Bragg à pas variable peut être renvoyé vers la cible, c’est-à-dire dans une direction différente de celle du faisceau incident mais toujours en utilisant un jeu de miroirs ou de prismes en espace libre dont l’orientation est réglée pour cet usage. Cet ensemble de miroirs et de prismes introduit une sensibilité accrue aux vibrations.A very important advance in the production of ultra-short pulses by frequency drift amplification has been made using variable pitch volumetric Bragg gratings (RBVPV). A volumetric Bragg grating with variable pitch is a one-piece, foolproof and very compact optical component. A variable pitch Bragg grating can also be inscribed in an optical fiber to form a variable pitch fiber Bragg grating (or chirped FBG). However, a fiber Bragg grating with variable pitch has a limited surface area of the order of a few tens of square microns, which is generally too small for applications with intense laser pulses. A fiber Bragg grating with variable pitch can be used to stretch light pulses before amplification. Furthermore, the dispersion introduced by a volumetric or fiber Bragg grating with variable pitch is fixed and cannot be adjusted. Finally, a variable pitch Bragg grating also operates in a reflection configuration, returning the beam in the direction opposite to that of the incident beam on the grating. Analogously with a Treacy diffraction grating compressor, the laser beam coming from a compressor using a variable pitch Bragg grating can be returned towards the target, that is to say in a direction different from that of the incident beam but always using a set of mirrors or prisms in free space whose orientation is adjusted for this use. This set of mirrors and prisms introduces increased sensitivity to vibrations.
Le document de brevet US 2014/0168755 A1 (Clowes et al.) divulgue un système de compression d’impulsion basé sur un réseau de Bragg volumique ou fibré à pas variable, comprenant un séparateur de polarisation et une lame de phase quart d’onde sur le trajet du faisceau afin de renvoyer à angle droit le faisceau émergeant du compresseur ou à deux réseau de Bragg volumique ou fibré à pas variable qui permet d’augmenter la dispersion introduite. Toutefois, un tel système nécessite un alignement optique précis de chaque composant optique et ne permet pas d’ajuster la dispersion de vitesse de groupe introduite par le ou les réseaux de Bragg.Patent document US 2014/0168755 A1 (Clowes et al.) discloses a pulse compression system based on a volumetric or fiber Bragg grating with variable pitch, comprising a polarization separator and a quarter-wave phase plate on the path of the beam in order to return the beam emerging from the compressor at a right angle or to two volumetric or fiber Bragg gratings with variable pitch which makes it possible to increase the dispersion introduced. However, such a system requires precise optical alignment of each optical component and does not make it possible to adjust the group velocity dispersion introduced by the Bragg grating(s).
Par ailleurs l’amplification à dérive de fréquence impose une compensation parfaite de la dérive de fréquence introduite par l’étireur et la chaine d’amplification par celle du compresseur. Différentes méthodes existent pour obtenir cet accord parfait. La plus simple consiste à faire varier la distance entre les composants optiques d’un compresseur de Treacy. Cette méthode traditionnelle impose de placer au moins un composant sur une table de translation et rend le système encore plus sensible au désalignement. Elle impose de déplacer les composants parfaitement parallèlement à l’axe du faisceau incident sur ledit composant.Furthermore, frequency drift amplification requires perfect compensation of the frequency drift introduced by the stretcher and the amplification chain by that of the compressor. Different methods exist to achieve this perfect match. The simplest is to vary the distance between the optical components of a Treacy compressor. This traditional method requires placing at least one component on a translation table and makes the system even more sensitive to misalignment. It requires moving the components perfectly parallel to the axis of the beam incident on said component.
Une autre solution consiste à utiliser un réseau de Bragg fibré à pas variable comme étireur d’impulsion et d’en faire varier la dérive de fréquence en ajustant sa température. Cette méthode a été décrite par Frankinas et al dans "Efficient ultrafast fiber laser using chirped fiber Bragg grating and chirped volume Bragg grating stretcher/compressor configuration," Proc. SPIE 9730, Components and Packaging for Laser Systems II, 973017 (22 April 2016). Bien que très précise, cette méthode impose d’utiliser un étireur d’impulsion à fibre et ne permet que des excursions de dispersion très réduites de l’ordre de 3fs/K. Il faudrait donc augmenter la température de 300°C pour un ajustement de l’ordre de 1 ps.Another solution consists of using a fiber Bragg grating with variable pitch as a pulse stretcher and varying its frequency drift by adjusting its temperature. This method was described by Frankinas et al in “Efficient ultrafast fiber laser using chirped fiber Bragg grating and chirped volume Bragg grating stretcher/compressor configuration,” Proc. SPIE 9730, Components and Packaging for Laser Systems II, 973017 (22 April 2016). Although very precise, this method requires the use of a fiber pulse stretcher and only allows very small dispersion excursions of the order of 3fs/K. It would therefore be necessary to increase the temperature by 300°C for an adjustment of around 1 ps.
Un des buts de l’invention est de proposer un dispositif de compression d’impulsion qui soit robuste, compact, léger et ajustable en dispersion de vitesse de groupe sans changer la direction du faisceau d’impulsions laser comprimées.One of the aims of the invention is to propose a pulse compression device which is robust, compact, light and adjustable in group speed dispersion without changing the direction of the beam of compressed laser pulses.
A cet effet, la présente divulgation concerne un dispositif optique dispersif adapté pour modifier une dispersion de vitesse de groupe d’un faisceau d’impulsions lumineuses, le dispositif optique dispersif comprenant un cube séparateur de polarisation, un premier réseau de Bragg volumique à pas variable et une première lame quart d’onde, le cube séparateur de polarisation ayant une face d’entrée, une face de sortie parallèle à la face d’entrée, deux faces latérales perpendiculaires à la face d’entrée et une interface inclinée de 45 degrés par rapport à la face d’entrée et aux deux faces latérales, la face d’entrée étant apte à recevoir le faisceau, la première lame quart d’onde étant à faces planes et parallèles, une face de la première lame quart d’onde étant fixée à une face d’entrée-sortie du premier réseau de Bragg, le premier réseau de Bragg volumique à pas variable étant photoinscrit dans un matériau suivant des plans parallèles à la face d’entrée-sortie du premier réseau de Bragg, une autre face de la première lame quart d’onde étant rendue solidaire d’une des deux faces latérales du cube séparateur de polarisation de façon à ce que la normale au plan des franges du premier réseau de Bragg volumique à pas variable fasse un angle de 45 degrés avec la normale à l’interface.For this purpose, the present disclosure relates to a dispersive optical device adapted to modify a group velocity dispersion of a beam of light pulses, the dispersive optical device comprising a polarization separator cube, a first volumetric Bragg grating with variable pitch and a first quarter-wave plate, the polarization splitter cube having an entrance face, an exit face parallel to the entrance face, two side faces perpendicular to the entrance face and an interface inclined by 45 degrees relative to the entry face and the two lateral faces, the entry face being able to receive the beam, the first quarter-wave plate having flat and parallel faces, one face of the first quarter-wave plate being fixed to an input-output face of the first Bragg grating, the first volumetric Bragg grating with variable pitch being photoinscribed in a material following planes parallel to the input-output face of the first Bragg grating, another face of the first quarter-wave plate being made integral with one of the two lateral faces of the polarization separator cube so that the normal to the plane of the fringes of the first volumetric Bragg grating with variable pitch makes an angle of 45 degrees with the normal at the interface.
Avantageusement, le dispositif optique dispersif est monobloc.Advantageously, the dispersive optical device is in one piece.
Selon certains modes de réalisation, l’autre face de la première lame quart d’onde est fixée à l’une des deux faces latérales du cube séparateur de polarisation.According to certain embodiments, the other face of the first quarter-wave plate is fixed to one of the two side faces of the polarization splitter cube.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif optique dispersif comprend un prisme à angle droit ayant une première face formant un angle de 90 degrés avec une deuxième face du prisme à angle droit, la première face prisme à angle droit étant fixée à l’une des deux faces latérales du cube séparateur de polarisation et la deuxième face du prisme à angle droit étant fixée à la première lame quart d’onde.According to another embodiment, the dispersive optical device comprises a right angle prism having a first face forming an angle of 90 degrees with a second face of the right angle prism, the first right angle prism face being fixed to one of the two side faces of the polarization splitter cube and the second face of the right-angle prism being fixed to the first quarter-wave plate.
Selon un aspect particulier et avantageux, le dispositif optique dispersif comprend une deuxième lame quart d’onde et un composant optique réflecteur, la deuxième lame quart d’onde étant à faces planes et parallèles, la deuxième lame quart d’onde étant disposée entre le composant optique réflecteur et l’autre des deux faces latérales du cube séparateur de polarisation, une face de la deuxième lame quart d’onde étant fixée au composant optique réflecteur et une autre face de la deuxième lame quart d’onde étant fixée à l’autre des deux faces latérales au cube séparateur de polarisation.According to a particular and advantageous aspect, the dispersive optical device comprises a second quarter-wave plate and a reflective optical component, the second quarter-wave plate having flat and parallel faces, the second quarter-wave plate being arranged between the reflector optical component and the other of the two lateral faces of the polarization splitter cube, one face of the second quarter-wave plate being fixed to the reflector optical component and another face of the second quarter-wave plate being fixed to the other of the two lateral faces of the polarization separator cube.
Avantageusement, le composant optique réflecteur comprend un miroir ou un traitement réfléchissant appliqué directement sur ladite autre face de la deuxième lame quart d’onde.Advantageously, the reflective optical component comprises a mirror or a reflective treatment applied directly to said other face of the second quarter-wave plate.
De façon alternative, le composant optique réflecteur comprend un deuxième réseau de Bragg volumique à pas variable, la deuxième lame quart d’onde étant fixée à une face d’entrée-sortie du deuxième réseau de Bragg, le deuxième réseau de Bragg volumique à pas variable étant photoinscrit dans un matériau suivant des plans parallèles à la face d’entrée-sortie du deuxième réseau de Bragg.Alternatively, the reflector optical component comprises a second volumetric Bragg grating with variable pitch, the second quarter-wave plate being fixed to an input-output face of the second Bragg grating, the second volumetric Bragg grating with pitch variable being photoinscribed in a material following planes parallel to the entry-exit face of the second Bragg grating.
Selon un autre aspect particulier et avantageux, le dispositif optique dispersif comprend un isolateur optique fixé à la face de sortie du cube séparateur de polarisation.According to another particular and advantageous aspect, the dispersive optical device comprises an optical isolator fixed to the output face of the polarization separator cube.
De façon optionnelle, le dispositif optique dispersif comprend des moyens d’inclinaison du dispositif optique dispersif par rotation autour d’un axe parallèle à l’intersection entre la face d’entrée et l’interface du cube séparateur de polarisation.Optionally, the dispersive optical device comprises means for tilting the dispersive optical device by rotation around an axis parallel to the intersection between the input face and the interface of the polarization separator cube.
La présente divulgation concerne aussi un système laser à impulsions de durée comprise entre 10 femtosecondes et 1 nanoseconde et de puissance comprise entre 1 W et 1 kW, le système laser comprenant une source apte à générer des impulsions source polarisées linéairement, un système amplificateur optique, un étireur et/ou un compresseur comprenant au moins un dispositif optique dispersif selon l’un des modes de réalisation décrits.The present disclosure also relates to a laser system with pulses of duration between 10 femtoseconds and 1 nanosecond and power of between 1 W and 1 kW, the laser system comprising a source capable of generating linearly polarized source pulses, an optical amplifier system, a stretcher and/or a compressor comprising at least one dispersive optical device according to one of the embodiments described.
La présente divulgation concerne aussi un système laser à impulsions de durée ajustable entre 10 femtoseconde et 10 picoseconde comprend un étireur et/ou un compresseur comprenant au moins un dispositif optique dispersif selon l’un des modes de réalisation décrits.The present disclosure also relates to a laser system with pulses of adjustable duration between 10 femtoseconds and 10 picoseconds comprising a stretcher and/or a compressor comprising at least one dispersive optical device according to one of the embodiments described.
Le dispositif optique dispersif de la présente divulgation permet d’introduire une dérive de fréquence temporelle sur une impulsion laser sans modifier la direction du faisceau laser ou en la déviant de 90 degrés, selon le mode de réalisation.The dispersive optical device of the present disclosure makes it possible to introduce a temporal frequency drift on a laser pulse without changing the direction of the laser beam or by deflecting it by 90 degrees, depending on the embodiment.
Le dispositif optique dispersif permet de comprimer ou d’étirer une impulsion laser, de préférence sans modifier la direction du faisceau incident.The dispersive optical device makes it possible to compress or stretch a laser pulse, preferably without changing the direction of the incident beam.
De façon particulièrement avantageuse, la dérive de fréquence temporelle introduite est ajustable au moyen d’une rotation du dispositif optique dispersif autour d’un seul axe de rotation, tout en conservant une direction du faisceau laser parallèle à la direction incidente ou, respectivement, à 90 degrés de la direction incidente.Particularly advantageously, the temporal frequency drift introduced is adjustable by means of a rotation of the dispersive optical device around a single axis of rotation, while maintaining a direction of the laser beam parallel to the incident direction or, respectively, to 90 degrees from the incident direction.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.Of course, the different characteristics, variants and embodiments of the invention can be associated with each other in various combinations as long as they are not incompatible or exclusive of each other.
De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :In addition, various other characteristics of the invention emerge from the appended description made with reference to the drawings which illustrate non-limiting forms of embodiment of the invention and where:
Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.It should be noted that in these figures the structural and/or functional elements common to the different variants may have the same references.
Dans le présent document on entend par dérive de fréquence, la modification d’une vitesse de groupe d’une impulsion laser, qui se traduit par une dispersion spectrale de l’impulsion.In this document, frequency drift is understood to mean the modification of a group speed of a laser pulse, which results in a spectral dispersion of the pulse.
Le dispositif optique dispersif est basé sur l’utilisation d’un ou plusieurs réseaux de Bragg volumiques à pas variable ayant pour particularité que la face physique du réseau est parfaitement parallèle au plan des franges du réseau inscrit dans le matériau. Ce réseau de Bragg volumique à pas variable est fixé par soudage ou collage ou adhésion optique à un ensemble de composants optiques pour former le dispositif optique dispersif. Un tel dispositif optique dispersif permet d’introduire une dispersion spectrale sur le signal incident, de préférence sans modifier sa direction. Le dispositif optique dispersif de la présente divulgation trouve des applications particulièrement intéressantes pour des systèmes laser de production d’impulsions ultra-brèves dans les domaines industriel, scientifiques et/ou médical.The dispersive optical device is based on the use of one or more volumetric Bragg gratings with variable pitch having the particularity that the physical face of the grating is perfectly parallel to the plane of the fringes of the grating inscribed in the material. This volumetric Bragg grating with variable pitch is fixed by welding or optical bonding or adhesion to a set of optical components to form the dispersive optical device. Such a dispersive optical device makes it possible to introduce spectral dispersion onto the incident signal, preferably without modifying its direction. The dispersive optical device of the present disclosure finds particularly interesting applications for laser systems for producing ultra-short pulses in the industrial, scientific and/or medical fields.
La
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Nous allons maintenant décrire la structure et le fonctionnement du dispositif optique dispersif 50, 51 selon différents modes de réalisation, ainsi que les caractéristiques des impulsions se propageant dans un tel dispositif optique dispersif.We will now describe the structure and operation of the dispersive optical device 50, 51 according to different embodiments, as well as the characteristics of the pulses propagating in such a dispersive optical device.
Le dispositif optique dispersif 50, 51 de la présente divulgation est basé sur la fabrication d’un dispositif optique dispersif massif ou monobloc par collage, soudage ou adhésion optique de plusieurs composants optiques ayant des caractéristiques très précises. Afin de pouvoir comprimer des impulsions laser présentant une dérive de fréquence, le dispositif utilise un ou plusieurs réseaux de Bragg volumique à pas variable, noté RBVPV.The dispersive optical device 50, 51 of the present disclosure is based on the manufacture of a massive or one-piece dispersive optical device by bonding, welding or optical adhesion of several optical components having very precise characteristics. In order to be able to compress laser pulses exhibiting a frequency drift, the device uses one or more volumetric Bragg gratings with variable pitch, denoted RBVPV.
La
Le cube séparateur de polarisation 11 comporte une face d’entrée 17, une face de sortie 21 parallèle à la face d’entrée 17, deux faces latérales 19, 20 perpendiculaires à la face d’entrée 17 et une interface 18 inclinée de 45 degrés par rapport à la face d’entrée 17 et aux deux faces latérales 19, 20. Les faces latérales 19, 20 sont parallèles entre elles et perpendiculaires à la face d’entrée 17. Avantageusement, le cube séparateur de polarisation 11 forme ainsi un parallélépipède rectangle, coupé selon sa diagonale par l’interface 18.The polarization separator cube 11 comprises an entry face 17, an exit face 21 parallel to the entry face 17, two lateral faces 19, 20 perpendicular to the entry face 17 and an interface 18 inclined by 45 degrees relative to the entry face 17 and the two side faces 19, 20. The side faces 19, 20 are parallel to each other and perpendicular to the entry face 17. Advantageously, the polarization separator cube 11 thus forms a parallelepiped rectangle, cut along its diagonal by interface 18.
La première lame quart d’onde 12 et la deuxième lame quart d’onde 14 sont des lames à faces planes et parallèles. La première lame quart-d’onde 12 est disposée entre la face latérale 19 du cube séparateur de polarisation 11 et la face d’entrée-sortie 23 du premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable. Plus précisément, la première lame quart-d’onde 12 est fixée par collage, soudage ou adhésion optique, d’une part, à la face latérale 19 du cube séparateur de polarisation 11 et, d’autre part, à la face d’entrée-sortie 23 du premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable. La deuxième lame quart d’onde 14 est disposée entre l’autre face latérale 20 du cube séparateur de polarisation 11 et le composant optique réflecteur 15. La deuxième lame quart d’onde 14 est fixée par collage, soudage ou adhésion optique, d’une part, à la face latérale 20 du cube séparateur de polarisation 11 et, d’autre part, au composant optique réflecteur 15.The first quarter-wave plate 12 and the second quarter-wave plate 14 are plates with flat and parallel faces. The first quarter-wave plate 12 is arranged between the lateral face 19 of the polarization separator cube 11 and the input-output face 23 of the first volumetric Bragg grating 13 with variable pitch. More precisely, the first quarter-wave plate 12 is fixed by gluing, welding or optical adhesion, on the one hand, to the lateral face 19 of the polarization separator cube 11 and, on the other hand, to the face of input-output 23 of the first volumetric Bragg grating 13 with variable pitch. The second quarter-wave plate 14 is arranged between the other side face 20 of the polarization separator cube 11 and the optical reflector component 15. The second quarter-wave plate 14 is fixed by gluing, welding or optical adhesion, on the one hand, to the lateral face 20 of the polarization separator cube 11 and, on the other hand, to the optical reflector component 15.
Dans le présent document, on entend par « fixé », le fait que deux éléments optiques soient en contact, direct ou par l’intermédiaire d’une colle optique, et dans une position invariable l’un par rapport à l’autre, sans possibilité de déplacement relatif ou de rotation entre le deux éléments optiques fixés l’un à l’autre.In this document, “fixed” means the fact that two optical elements are in contact, directly or via optical glue, and in an invariable position relative to each other, without possibility of relative movement or rotation between the two optical elements fixed to each other.
Le premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable a une face d’entrée-sortie 23. Le premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable est fabriqué et choisi pour être un réseau de Bragg volumique photoinscrit dans un matériau (par exemple un bloc de verre) suivant des plans parallèles à cette face d’entrée-sortie 23. De cette manière, la normale au plan des franges du premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable forme un angle de 45 degrés ± 0,1° avec la normale à l’interface 18 du cube séparateur de polarisation 11.The first volumetric Bragg grating 13 with variable pitch has an input-output face 23. The first volumetric Bragg grating 13 with variable pitch is manufactured and chosen to be a volumetric Bragg grating photoinscribed in a material (for example a block of glass) along planes parallel to this entry-exit face 23. In this way, the normal to the plane of the fringes of the first volumetric Bragg grating 13 with variable pitch forms an angle of 45 degrees ± 0.1° with the normal to the interface 18 of the polarization separator cube 11.
Les réseaux de Bragg volumiques à pas variable sont produits par différentes sociétés dont par exemple Optigrate Corporation, 3267 Progress Drive, Orlando, Florida 32286, USA. Une variation périodique de l’indice de réfraction d’un verre photosensible est enregistrée dans un bloc de verre à l’aide d’un laser UV. Ce réseau se comporte comme un réseau de Bragg en réfléchissant les longueurs d’ondes correspondant à la période du réseau. Une variation de la période du réseau le long de l’axe du bloc de verre permet de réfléchir différentes longueurs d’ondes à des différentes positions dans le bloc de verre. On introduit ainsi un retard entre les longueurs d’onde, ce qui se traduit par une dérive de la fréquence optique de l’impulsion réfléchie par le réseau de Bragg volumiques à pas variable. La direction de l’onde réfléchie est déterminée par l’angle d’incidence sur les plans des franges du réseau de diffraction et non pas par la face d’entrée-sortie 23 physique du réseau de Bragg 13.Variable-pitch volumetric Bragg gratings are produced by various companies including, for example, Optigrate Corporation, 3267 Progress Drive, Orlando, Florida 32286, USA. A periodic variation in the refractive index of a photosensitive glass is recorded in a block of glass using a UV laser. This network behaves like a Bragg grating by reflecting the wavelengths corresponding to the period of the network. Varying the period of the grating along the axis of the glass block allows different wavelengths to be reflected at different positions in the glass block. We thus introduce a delay between the wavelengths, which results in a drift in the optical frequency of the pulse reflected by the volumetric Bragg grating with variable pitch. The direction of the reflected wave is determined by the angle of incidence on the fringe planes of the diffraction grating and not by the physical input-output face 23 of the Bragg grating 13.
Le dispositif optique dispersif 50, 51 est constitué de composants optiques dont les surfaces réfléchissantes sont parfaitement parallèles, à 0.1 degré près, aux surfaces physiques sauf pour la surface polarisante 18 qui est exactement à 45° ± 0,1° des surfaces physiques 19 et 20. En particulier, les plans du réseau de franges inscrit dans le RBVPV sont parallèles à la face d’entrée-sortie 23 du bloc de verre dans lequel le réseau est inscrit. Cette précision permet de garantir qu’un faisceau incident perpendiculairement à la face d’entrée-sortie 23 du bloc de verre comprenant le réseau 13 est réfléchi exactement sur lui-même par le réseau 13.The dispersive optical device 50, 51 is made up of optical components whose reflecting surfaces are perfectly parallel, to within 0.1 degree, to the physical surfaces except for the polarizing surface 18 which is exactly 45° ± 0.1° from the physical surfaces 19 and 20. In particular, the planes of the fringe network inscribed in the RBVPV are parallel to the entry-exit face 23 of the glass block in which the network is inscribed. This precision makes it possible to guarantee that an incident beam perpendicular to the entry-exit face 23 of the glass block comprising the network 13 is reflected exactly on itself by the network 13.
Les éléments du dispositif optique dispersif 50, 51 sont mis en contact par leurs faces optiques, c’est-à-dire les faces traversées par le faisceau laser. L’assemblage de ces éléments est effectué par collage, en utilisant une colle optique transparente au faisceau laser, par contact optique, ou par soudage. Les éléments 12, 13, 14, 15 sont assemblés de façon à ce que leurs faces optiques respectives soient parallèles aux faces latérales 19, 20 du cube séparateur de polarisation 11. Le dispositif optique dispersif 50, 51 forme ainsi un composant optique monobloc, compact, parfaitement aligné par construction et indéréglable. A titre d’exemple non limitatif, le cube polariseur à pour dimensions 8 mmx8 mmx8 mm et les faces optiques de tous les éléments ont la même dimensions de 8 mmx8 mm. Ces dimensions sont variables et l’ensembles des éléments n’ont pas nécessité à avoir des faces de dimensions uniformes.The elements of the dispersive optical device 50, 51 are brought into contact by their optical faces, that is to say the faces crossed by the laser beam. The assembly of these elements is carried out by bonding, using an optical glue transparent to the laser beam, by optical contact, or by welding. The elements 12, 13, 14, 15 are assembled so that their respective optical faces are parallel to the lateral faces 19, 20 of the polarization separator cube 11. The dispersive optical device 50, 51 thus forms a compact, one-piece optical component , perfectly aligned by construction and unadjustable. As a non-limiting example, the polarizer cube has dimensions of 8 mmx8 mmx8 mm and the optical faces of all elements have the same dimensions of 8 mmx8 mm. These dimensions are variable and all of the elements do not need to have faces of uniform dimensions.
Le dispositif optique dispersif 50, 51 est disposée pour recevoir un faisceau 10 d’impulsions lumineuses incident sur la face d’entrée 17 du cube séparateur de polarisation 11. Le faisceau 10 d’impulsions lumineuses est de polarisation linéaire perpendiculaire au plan de la
L’interface 18 permet de diriger par réflexion le faisceau lumineux 10 polarisé S vers la première lame quart d’onde 12 et le premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable.Les axes de la première lame quart d’onde 12 sont alignés à 45 degrés de la polarisation incidente de façon à ce que le faisceau 10 de polarisation linéaire S soit transformé en un faisceau 120 de polarisation circulaire à la traversée de la première lame quart d’onde 12. Le faisceau 120 d’impulsions lumineuses de polarisation circulaire est incident sur le premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable. Les différentes composantes spectrales de l’impulsion sont réfléchies sur le premier réseau de Bragg 13 à différentes positions le long de la direction de propagation du faisceau. Cette différence de chemin optique pour les différentes composantes spectrales se traduit par une dérive de fréquence qui s’ajoute à celle de l’impulsion incidente. Par conséquent, le faisceau réfléchi 130 par le premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable présente une dispersion modifiée ou une dérive de fréquence modifiée par rapport au faisceau laser 10. L’orientation des plans des franges de diffraction inscrites dans le réseau 13 détermine la direction du faisceau réfléchi 130 par le premier réseau de Bragg 13. Dans l’exemple de la
L’interface 18 transmet le faisceau 135 de polarisation P en direction de la deuxième lame quart-d’onde 14 dont les axes sont alignés à 45 degrés de la polarisation P. La deuxième lame quart-d’onde 14 transforme la polarisation linéaire P du faisceau 135 en une polarisation circulaire. Le miroir 15 réfléchit le faisceau de polarisation circulaire et forme un faisceau 140 qui traverse la deuxième lame-quart d’onde 14. La faisceau 140 de polarisation circulaire est transformé par la deuxième lame-quart d’onde 14 en un faisceau 150 de polarisation linéaire S. L’interface 18 réfléchit le faisceau 150 de polarisation linéaire S vers la face de sortie 21 du cube séparateur de polarisation 11 et forme un faisceau de sortie 200 se propageant suivant une direction qui est fixée par les orientations des différents composants optiques et en particulier du miroir 15, du premier réseau de Bragg 13 volumique à pas variable et du cube séparateur de polarisation 11.The interface 18 transmits the beam 135 of polarization P towards the second quarter-wave plate 14 whose axes are aligned at 45 degrees from the polarization P. The second quarter-wave plate 14 transforms the linear polarization P of the beam 135 in a circular polarization. The mirror 15 reflects the circular polarization beam and forms a beam 140 which passes through the second quarter-wave plate 14. The circular polarization beam 140 is transformed by the second quarter-wave plate 14 into a polarization beam 150 linear S. The interface 18 reflects the beam 150 of linear polarization S towards the output face 21 of the polarization separator cube 11 and forms an output beam 200 propagating in a direction which is fixed by the orientations of the different optical components and in particular of the mirror 15, of the first volumetric Bragg grating 13 with variable pitch and of the polarization separator cube 11.
Comme illustré sur la
Le dispositif optique dispersif 50, 51 de la
Le dispositif optique dispersif 50, 51 est ainsi avantageusement inséré sur le trajet d’un faisceau d’impulsions laser 10 pour modifier la dispersion de vitesse de groupe des impulsions, sans modifier la direction ni la position du faisceau laser 200 en sortie. Le dispositif optique dispersif 50, 51 détermine par construction la direction du faisceau de sortie 200 par rapport au faisceau 10 incident.The dispersive optical device 50, 51 is thus advantageously inserted in the path of a beam of laser pulses 10 to modify the group speed dispersion of the pulses, without modifying the direction or the position of the laser beam 200 at the output. The dispersive optical device 50, 51 determines by construction the direction of the output beam 200 relative to the incident beam 10.
Selon une variante du premier mode de réalisation illustrée sur la
En particulier, comme illustré en
De nombreuses variantes du dispositif optique dispersif 50, 51 sont ici considérées.Numerous variants of the dispersive optical device 50, 51 are considered here.
La
Selon une variante illustrée sur la
Le faisceau laser 200 en sortie du cube séparateur de polarisation 11 est polarisé S. Le cube polariseur 26 transmet le faisceau laser 200 de sortie polarisé S. En traversant la troisième lame quart d’onde 27, cette polarisation devient circulaire et forme le faisceau de sortie 250. Si une surface réfléchissante réfléchit tout ou partie de la puissance laser vers la troisième lame quart d’onde 27, le faisceau polarisé circulairement traverse à nouveau la troisième lame quart d’onde et sa polarisation est transformée en une polarisation rectiligne P. Cette polarisation P est réfléchie par le cube polariseur 26 perpendiculairement à l’axe du faisceau laser 250 de sortie et ne se propage pas dans le dispositif optique dispersif 50, 51 vers la source laser. On obtient ainsi un effet d’isolation optique.The laser beam 200 at the output of the polarization separator cube 11 is polarized S. The polarizer cube 26 transmits the output laser beam 200 polarized S. By crossing the third quarter-wave plate 27, this polarization becomes circular and forms the beam of output 250. If a reflecting surface reflects all or part of the laser power towards the third quarter-wave plate 27, the circularly polarized beam passes through the third quarter-wave plate again and its polarization is transformed into a rectilinear polarization P. This polarization P is reflected by the polarizer cube 26 perpendicular to the axis of the output laser beam 250 and does not propagate in the dispersive optical device 50, 51 towards the laser source. An optical insulation effect is thus obtained.
Selon un deuxième mode de réalisation, illustré sur la
De façon optionnelle, le dispositif optique dispersif 50, 51 selon le deuxième mode de réalisation comporte un isolateur optique, comme décrit ci-dessus et illustré sur la
Selon un troisième mode de réalisation, illustré sur la
En effet, dans le troisième mode de réalisation, illustré en
Selon une variante du troisième mode de réalisation, on dispose un prisme à angle droit entre le cube séparateur de polarisation 11 et chacun des deux réseau de Bragg volumiques à pas variable. Cette configuration permet de réduire l’encombrement du dispositif optique dispersif 50, 51 utilisant deux réseaux de Bragg volumiques à pas variable.According to a variant of the third embodiment, a right-angle prism is placed between the polarization separator cube 11 and each of the two volumetric Bragg gratings with variable pitch. This configuration makes it possible to reduce the bulk of the dispersive optical device 50, 51 using two volumetric Bragg gratings with variable pitch.
Comme illustré en lien avec la
Pour un angle alpha inférieur à 5 degrés, une distance L de l’ordre de 10 mm, la distance d est de l’ordre de 1,7 mm faible devant le diamètre du faisceau laser incident 10. Ce faible déplacement latéral sans déviation angulaire, permet un positionnement facile du dispositif optique dispersif 50, 51 sur le faisceau laser 10 incident. Le positionnement du dispositif optique dispersif 50, 51 ne nécessite pas de réglage angulaire fin, mais seulement à quelques degrés près. Il convient néanmoins de s’assurer que le plan XZ est parallèle au faisceau incident pour éviter d’introduire une déviation angulaire dans la direction perpendiculaire à ce plan.For an alpha angle less than 5 degrees, a distance L of the order of 10 mm, the distance d is of the order of 1.7 mm small compared to the diameter of the incident laser beam 10. This small lateral movement without angular deviation , allows easy positioning of the dispersive optical device 50, 51 on the incident laser beam 10. The positioning of the dispersive optical device 50, 51 does not require fine angular adjustment, but only within a few degrees. It is nevertheless necessary to ensure that the XZ plane is parallel to the incident beam to avoid introducing an angular deviation in the direction perpendicular to this plane.
Cette propriété d’invariance par rotation dans le plan XZ permet d’utiliser le dispositif optique dispersif 50, 51 comme un étireur ou compresseur ajustable. En effet, la dispersion introduite sur l’impulsion par le réseau 13 dépend de l’angle d’incidence du faisceau sur le réseau de Bragg volumique à pas variable 13. Or, la variation de l’angle d’incidence du faisceau sur le réseau de Bragg 13 volumique à pas variable permet de modifier la dispersion introduite par le réseau de Bragg 13 volumique à pas variable. Il est ainsi possible d’ajuster finement la dispersion spectrale introduite par le dispositif optique dispersif 50, 51 afin de compenser exactement celle de l’impulsion incidente ou simplement afin de faire varier la dispersion résiduelle de l’impulsion émergente du dispositif optique dispersif 50, 51.This property of invariance by rotation in the XZ plane makes it possible to use the dispersive optical device 50, 51 as an adjustable stretcher or compressor. Indeed, the dispersion introduced onto the pulse by the network 13 depends on the angle of incidence of the beam on the volumetric Bragg grating with variable pitch 13. However, the variation of the angle of incidence of the beam on the volumetric Bragg grating 13 with variable pitch makes it possible to modify the dispersion introduced by the volumetric Bragg grating 13 with variable pitch. It is thus possible to finely adjust the spectral dispersion introduced by the dispersive optical device 50, 51 in order to exactly compensate for that of the incident pulse or simply in order to vary the residual dispersion of the emerging pulse from the dispersive optical device 50, 51.
Selon le quatrième mode de réalisation, illustré en figures 9 et 10, le dispositif optique dispersif 50, 51 ne comporte pas de deuxième lame quart d’onde 14, ni de composant optique réflecteur 15, les autres composants étant identiques à ceux décrits en lien avec la
Une rotation d’un angle alpha du dispositif optique dispersif 50, 51 selon le quatrième mode de réalisation autour d’un axe perpendiculaire à l’axe du faisceau incident permet aussi d’ajuster la dispersion introduite par le réseau de Bragg volumique à pas variable sans déplacement notable de la direction de l’onde réfléchie. En orientant le dispositif autour de cet axe on peut ainsi ajuster la dispersion de vitesse de groupe introduite par le dispositif sans modifier la direction du faisceau émergeant.A rotation of an alpha angle of the dispersive optical device 50, 51 according to the fourth embodiment around an axis perpendicular to the axis of the incident beam also makes it possible to adjust the dispersion introduced by the volumetric Bragg grating with variable pitch without significant movement in the direction of the reflected wave. By orienting the device around this axis, it is thus possible to adjust the group speed dispersion introduced by the device without modifying the direction of the emerging beam.
Il est ainsi possible d’obtenir une source d’impulsions laser femtosecondes ou picosecondes de forte puissance en utilisant un ou plusieurs dispositifs optiques dispersif 50, 51 selon la présente divulgation.It is thus possible to obtain a source of high-power femtosecond or picosecond laser pulses using one or more dispersive optical devices 50, 51 according to the present disclosure.
En particulier, la
La
La
Le dispositif optique dispersif 50, 51 permet ainsi d’obtenir une source d’impulsions amplifiées de forte puissance et de durée accordable sans modification de la direction du faisceau.The dispersive optical device 50, 51 thus makes it possible to obtain a source of amplified pulses of high power and tunable duration without modifying the direction of the beam.
La
Une autre utilisation du dispositif optique dispersif 50, 51 est illustré sur la
Le dispositif optique dispersif 50, 51 décrit ici peut être utilisé dans toutes les applications pour lesquelles un compresseur dit de TREACY est utilisé, ou dans lesquelles un étireur d’impulsion est utilisé.The dispersive optical device 50, 51 described here can be used in all applications for which a so-called TREACY compressor is used, or in which a pulse stretcher is used.
Dans une application, la présente divulgation propose un dispositif optique dispersif 51 permettant de comprimer une impulsion laser d’une durée comprise entre 20 ps et 100 ps vers une durée finale comprise entre 0.1 ps et 3 ps, dans un volume extrêmement compact et, de préférence sans modifier la direction ou la position du faisceau laser. La source laser est par exemple une source picoseconde amplifiée dans un amplificateur à fibres ou à solides. Elle peut aussi être une source femtoseconde étirée dans un étireur à réseaux ou utilisant la dispersion des matériaux puis amplifiée et finalement recomprimée par le dispositif optique dispersif selon l’un des modes de réalisation décrits ci-dessous.In one application, the present disclosure proposes a dispersive optical device 51 making it possible to compress a laser pulse with a duration of between 20 ps and 100 ps to a final duration of between 0.1 ps and 3 ps, in an extremely compact volume and, preferably without changing the direction or position of the laser beam. The laser source is for example a picosecond source amplified in a fiber or solid state amplifier. It can also be a femtosecond source stretched in a grating stretcher or using the dispersion of the materials then amplified and finally recompressed by the dispersive optical device according to one of the embodiments described below.
De façon particulièrement avantageuse, le dispositif optique dispersif peut être utilisé pour ajuster la durée des impulsions comprimées sans modifier la direction du faisceau laser. Une simple rotation du dispositif optique dispersif sur lui-même permet d’obtenir une durée d’impulsion variable d’environ 1 ps pour quelques degrés d’angle de rotation.Particularly advantageously, the dispersive optical device can be used to adjust the duration of the compressed pulses without modifying the direction of the laser beam. A simple rotation of the dispersive optical device on itself makes it possible to obtain a variable pulse duration of approximately 1 ps for a few degrees of rotation angle.
De façon particulièrement avantageuse, le dispositif optique dispersif est suffisamment compact pour être fixé à l’extrémité d’un laser à fibre souple. Un tel laser à fibre équipé du dispositif dispersif permet la production d’un faisceau d’impulsions laser ultra-brèves et très intenses. L’extrémité souple du laser à fibre peut prendre n’importe quelle position et direction, selon l’application. La position et la direction du faisceau d’impulsions laser ultra-brèves peuvent être modifiées rapidement et sans être limité par le compresseur, qui reste stable.Particularly advantageously, the dispersive optical device is sufficiently compact to be attached to the end of a flexible fiber laser. Such a fiber laser equipped with the dispersive device allows the production of a beam of ultra-brief and very intense laser pulses. The soft end of the fiber laser can take any position and direction, depending on the application. The position and direction of the ultra-short laser pulse beam can be changed quickly and without being limited by the compressor, which remains stable.
Dans une autre application, le dispositif optique dispersif 50 permet d’étirer les impulsions avant amplification et d’ajuster la durée des impulsions amplifiées et éventuellement comprimées, de préférence sans réalignement de la chaine amplificatrice.In another application, the dispersive optical device 50 makes it possible to stretch the pulses before amplification and to adjust the duration of the amplified and possibly compressed pulses, preferably without realignment of the amplifying chain.
Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à la présente divulgation dans le cadre des revendications annexées.Of course, various other modifications may be made to the present disclosure within the scope of the appended claims.
Claims (11)
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PCT/EP2023/085628 WO2024126592A1 (en) | 2022-12-14 | 2023-12-13 | Dispersive optical device and short-pulse laser system comprising such a dispersive optical device |
Applications Claiming Priority (2)
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FR2213383A FR3143892A1 (en) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | Dispersive optical device and short pulse laser system comprising such a dispersive optical device |
FR2213383 | 2022-12-14 |
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Family Applications (1)
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FR2213383A Pending FR3143892A1 (en) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | Dispersive optical device and short pulse laser system comprising such a dispersive optical device |
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Also Published As
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WO2024126592A1 (en) | 2024-06-20 |
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