WO2003095133A2 - Laser a impulsions ultracourtes de puissance - Google Patents

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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1109—Active mode locking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
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    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/1068—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using an acousto-optical device

Definitions

  • the present invention relates to a source of ultrashort power laser pulses.
  • the subject of the present invention is a laser source of ultrashort pulses of power capable of delivering pulses of the highest possible energy, avoiding the risks mentioned above.
  • the laser source according to the invention comprises an optical cavity for generating a pulsed laser beam containing at least one gain medium, a non-reciprocal element ensuring unidirectional operation and a system for compensating for the dispersion of the cavity
  • the spectral-temporal spreading device comprises a device for spatial separation of the spectral components of the beam pulses, an active modulator inducing a phase and / or delay law determined between said spatially separated spectral components, and a device for spatial recombination of these spectral components.
  • FIG. 1 is a block diagram representing all of the components necessary for producing a laser cavity according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a first embodiment of the spectral-temporal spreading device forming part of the laser source according to the invention
  • FIG. 3 is a diagram of the evolution of the delay time between the extreme spectral components of a laser beam produced and dispersed in the spectral-temporal spreading device of the invention, as a function of the angle of incidence of the various spectral components with respect to the incidence face of the active part of the modulator, and this, for several values of the distance between extreme components, and,
  • the laser cavity a (FIG. 1) is composed at least of an amplifying medium b known in itself, of a spectral-temporal spreading device c, of a non-reciprocal element d, known in itself, inducing a unidirectional operation of the cavity and of a system e, known per se, of compensation for the spectral dispersion induced by the components of the cavity, including the device c.
  • the cavity known per se, is a cavity in a ring or composed of sub-cavities of which at least that containing the devices c and d is in a ring.
  • the device c acts to impose on the longitudinal modes of the cavity a fixed phase relationship, as described below.
  • the laser thus works in pulse mode, but the goal is that these pulses are "spread” (chirped), that is to say that the different spectral components of the pulse are delayed with respect to each other.
  • the delay law is imposed by the device c.
  • a device f, known per se, for compressing the pulses can be placed at the output of the laser cavity to minimize the "chirp" of the pulse, thus reducing the pulse duration to a lower value than in the cavity.
  • the spectral-temporal spreading device 1 represented in FIG. 2 receives a laser beam 2. This beam 2 arrives on a dispersive element 3, such as a holographic network, known per se.
  • the modulator 7 is followed by a converging lens 8, preferably identical to the lens 4 and a dispersive element 9, preferably identical to the element 3.
  • the entry face of the dispersive element 9 (operating in the opposite direction of the device 3) is brought to the object focus 8a of the lens 8.
  • the beam 10 is recomposed at the exit of the element 9.
  • the points of incidence of the extreme components ⁇ a and ⁇ n of the beam 5 on the input face 7a of the modulator 7 are respectively referenced 11 and 12.
  • ⁇ is the width of the beam 5
  • L the difference of the distances from the points 11 and 12 to the lens 4
  • c the speed of propagation of the light beam in the medium preceding the modulator.
  • the fiber 29 is either directly an input port of the coupler 22 or a fiber whose dispersion has been chosen to compensate for the dispersion of the cavity .
  • the spectral-temporal device 26 is in the present case composed of a modulator 28 and four identical dispersive prisms 27a to 27d, the first two being arranged upstream of the modulator, and the other two downstream of the modulator 28. It will be noted that in this configuration, the prisms 27a and 27b play the role of the elements 3 and 4 of FIG. 2 and that the prisms 27c and 27d play the role of the elements 8 and 9. Indeed, the different spectral components are arranged on beams parallel to each other as required. It will also be noted that all of the four prisms 27a to 27d can be adjusted to compensate all or part of the dispersion of the cavity, the residual compensation being able to be ensured by the fiber 29.
  • spectral-temporal device in a compact, even monolithic, manner, either using micro-optics, or by using integrated optics on a substrate having electro-optical or acousto-optical properties.
  • a saturable absorbent element in transmission in place of the acousto-optical or electro-optical element.

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Abstract

La source conforme à l’invention est une source d’impulsions laser ultracourtes de puissance, du type comportant une cavité optique (a) de génération de faisceau laser impulsionnel renfermant au moins un milieu à gain (b), un élément non réciproque (d) assurant un fonctionnement unidirectionnel, et un système (e) de compensation de la dispersion de la cavité, et elle comporte également dans la cavité optique un dispositif (c, 1, 26, 30) d’étalement spectralo-temporel assurant le blocage de mode.

Description

SOURCE LASER D'IMPULSIONS LASER ULTRACOURTES DE
PUISSANCE
La présente invention se rapporte à une source d'impulsions laser ultracourtes de puissance.
Les sources laser actuelles d'impulsions ultracourtes (d'une durée de l'ordre de 100 femtosecondes, par exemple), sont limitées à des impulsions d'énergie de l'ordre de 1 à 10 nJ. En effet, certains composants, du fait de l'intensité lumineuse très élevée due à la concentration d'énergie sur un temps extrêmement bref, peuvent générer des effets néfastes au bon fonctionnement du laser et/ou être endommagés.
La présente invention a pour objet une source laser d'impulsions ultracourtes de puissance pouvant délivrer des impulsions d'énergie la plus élevée possible, en évitant les risques précédemment cités.
La source laser conforme à l'invention comporte une cavité optique de génération de faisceau laser impulsionnel renfermant au moins un milieu à gain, un élément non réciproque assurant un fonctionnement unidirectionnel et un système de compensation de la dispersion de la cavité
(égalisation des chemins optiques pour toutes les composantes spectrales du faisceau laser), et elle est caractérisée en ce qu'elle comporte également dans la cavité optique un dispositif d'étalement spectralo-temporel assurant le blocage de mode, et en ce qu'elle comporte éventuellement, hors de la cavité, un dispositif de compression des impulsions issues de la cavité. Plus précisément, le dispositif d'étalement spectralo-temporel comporte un dispositif de séparation spatiale des composantes spectrales des impulsions du faisceau, un modulateur actif induisant une loi de phase et/ou de retard déterminée entre lesdites composantes spectrales séparées spatialement, et un dispositif de recombinaison spatiale de ces composantes spectrales.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est un bloc-diagramme représentant l'ensemble des composants nécessaires à la réalisation d'une cavité laser conforme à l'invention, - la figure 2 est un bloc-diagramme d'un premier mode de réalisation du dispositif d'étalement spectralo-temporel faisant partie de la source laser conforme à l'invention,
- la figure 3 est un diagramme d'évolution du temps de retard entre composantes spectrales extrêmes d'un faisceau laser produit et dispersé dans le dispositif d'étalement spectralo- temporel de l'invention, en fonction de l'angle d'incidence des diverses composantes spectrales par rapport à la face d'incidence de la partie active du modulateur, et ce, pour plusieurs valeurs de la distance entre composantes extrêmes, et,
- la figure 4 est un exemple de réalisation d'un laser incluant l'invention.
La cavité laser a (figure 1) est composée au moins d'un milieu amplificateur b connu en soi, d'un dispositif d'étalement spectralo-temporel c, d'un élément non réciproque d, connu en soi, induisant un fonctionnement unidirectionnel de la cavité et d'un système e, connu en soi, de compensation de la dispersion spectrale induite par les composants de la cavité, y compris le dispositif c. La cavité, connue en soi, est une cavité en anneau ou composée de sous-cavités dont au moins celle contenant les dispositifs c et d est en anneau. Le dispositif c agit pour imposer aux modes longitudinaux de la cavité une relation de phase fixe, comme décrit par la suite. Le laser fonctionne ainsi en régime impulsionnel, mais le but est que ces impulsions soient « étalées » (chirpées), c'est à dire que les différentes composantes spectrales de l'impulsion soient retardées les unes par rapport aux autres. La loi de retard est imposée par le dispositif c. Un dispositif f, connu en soi, de compression des impulsions peut être placé en sortie de la cavité laser pour minimiser le « chirp » de l'impulsion, réduisant ainsi la durée d'impulsion à une valeur plus faible que dans la cavité. Le dispositif d'étalement spectralo-temporel 1 représenté en figure 2 reçoit un faisceau laser 2. Ce faisceau 2 arrive sur un élément dispersif 3, tel qu'un réseau holographique, connu en soi. L'élément 3 disperse spatialement les composantes spectrales λa à λn du faisceau 2 selon des faisceaux divergents, qui divergent à partir de la sortie 3a de l'élément 3. Une lentille convergente 4, dont le foyer source est placé au point 3a, collimate ces composantes spectrales en un faisceau plan 5 de rayons parallèles à l'axe optique 6 du faisceau 5 en amont d'un modulateur 7 qui est disposé en aval de la lentille 4. Ce modulateur 7 est un bloc parallélépipédique, de type acousto-optique ou électro-optique. Il est disposé de façon que ses grandes faces soient parallèles au plan du faisceau 5 et que l'une de ses faces latérales longues, la face 7a en figure 2, soit la face d'incidence du faisceau 5, cette face étant inclinée d'un angle α par rapport à la perpendiculaire à l'axe 6. Le modulateur 7 est suivi d'une lentille convergente 8, de préférence identique à la lentille 4 et d'un élément dispersif 9, de préférence identique à l'élément 3. La face d'entrée de l'élément dispersif 9 (fonctionnant en sens inverse du dispositif 3) est amenée au foyer objet 8a de la lentille 8. Le faisceau 10 est recomposé en sortie de l'élément 9. Les points d'incidence des composantes extrêmes λa et λn du faisceau 5 sur la face d'entrée 7a du modulateur 7 sont respectivement référencés 11 et 12.
Le dispositif d'étalement spectralo-temporel 1 décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante. Une méthode bien connue pour mettre en phase les différentes composantes spectrales d'une cavité laser (blocage de modes ou « mode-lock ») est l'utilisation d'un modulateur AM ou FM (en technologie acousto-optique ou électro-optique). Selon l'invention, on réalise ce blocage de mode en y ajoutant un décalage temporel variable suivant la composante spectrale. Pour ce faire, le faisceau incident 2 est premièrement étalé spatialement en une nappe 5 à l'aide des éléments 3 et 4. Deuxièmement, le modulateur est placé sur la nappe. Les électrodes (cas d'un modulateur électro-optique) ou le transducteur électroacoustique (cas d'un modulateur acousto-optique) sont parallèles au plan de la figure. On peut se représenter l'action du modulateur comme créant des pertes dépendant périodiquement du temps, la période étant choisie pour être égale au temps de parcours dans la cavité (ou éventuellement un sous-multiple). Dans ces conditions, le laser est impulsionnel (blocage de mode), les impulsions étant synchrones avec les pertes minimales. Dans le dispositif décrit ci-dessus, le modulateur agit comme une « porte temporelle ». On conçoit ainsi que, si le modulateur est incliné dans le plan de la figure 2 suivant un angle α, chaque composante spectrale λa...λn voit la « porte temporelle » ouverte à un instant différent. On obtient bien la propriété annoncée précédemment de création d'une impulsion « étalée ». La relation de phase entre les différentes composantes spectrales est imposée par la forme du bord de l'électrode et/ou du transducteur, en particulier de leur bord d'attaque et de leur bord de sortie. Ces bords peuvent être rectilignes pour obtenir une loi de phase linéaire, ou bien non rectilignes pour une loi de phase différente. Elle peut également être modifiée par un élément additif, tel une lame de phase 4a placée entre la lentille 4 et le modulateur 7.
Ainsi, on obtient dans la cavité laser des impulsions « étalées » (de largeur comprise entre 1 et 10 ps, par exemple), qu'il est facile d'amplifier dans cette cavité. La puissance crête des impulsions « étalées » est beaucoup plus faible que la puissance crête des impulsions ultracourtes (de durée égale à environ 100 fs, par exemple) que l'on obtiendra à l'extérieur de la cavité, après leur compression. Il n'y a donc pas de risque d'endommagement des composants disposés dans la cavité laser. Dans le cas où le bord d'attaque et le bord de sortie des électrodes sont rectilignes, comme représenté en figure 2, le temps de retard τ introduit entre les composantes λn et λa est donné par la relation :
L Δ + τ = — = — tgα c c
Dans cette relation, Δ est la largeur du faisceau 5, L la différence des distances des points 11 et 12 à la lentille 4, et c est la vitesse de propagation du faisceau lumineux dans le milieu précédant le modulateur.
On a représenté en figure 3 l'évolution du temps τ de retard entre les composantes spectrales extrêmes λa et λn (en ps) en fonction de l'angle α (en °) pour différentes valeurs (1 à 10 mm) du paramètre Δ. Le modulateur est supposé être placé dans l'air ( pour lequel c vaut environ 3.108ms"1) Ainsi, en faisant varier l'inclinaison du bord d'attaque du modulateur et la largeur du faisceau 5, on voit que l'on peut faire varier dans d'assez larges proportions la largeur des impulsions « étalées », en agissant sur l'angle α et sur la largeur du faisceau 5.
L'exemple de cavité laser représentée en figure 4 comporte : une fibre optique amplificatrice 29 pompée via un coupleur 22 ; une optique de collimation 21a disposée en sortie de la fibre 29 et suivie d'un système de contrôle de l'état de polarisation composé d'une lame biréfringente « quart d'onde » 23a et d'une lame biréfringente « demi-onde » 23b ; un polariseur 24 permettant, conjointement avec le réglage de la lame 23b, de partager le faisceau issu de la lame 23b en un faisceau restant dans la cavité 24a et un faisceau de sortie 24b ; un isolateur optique 25 composé par exemple de deux polariseurs et d'un rotateur de Faraday assurant l'unidirectionnalité du fonctionnement du laser ; un dispositif spectralo-temporel 26 ; un dispositif de focalisation 29a (similaire à 21a) pour injecter le faisceau dans la fibre optique 29. La fibre 29 est soit directement un port d'entrée du coupleur 22 soit une fibre dont la dispersion a été choisie pour compenser la dispersion de la cavité. Le dispositif spectralo-temporel 26 est dans le cas présent composé d'un modulateur 28 et de quatre prismes dispersifs identiques 27a à 27d, les deux premiers étant disposés en amont du modulateur, et les deux autres en aval du modulateur 28. On notera que dans cette configuration, les prismes 27a et 27b jouent le rôle des éléments 3 et 4 de la figure 2 et que les prismes 27c et 27d jouent le rôle des éléments 8 et 9. En effet, les différentes composantes spectrales se trouvent disposées sur des faisceaux parallèles entre eux ainsi que requis. On notera également que l'ensemble des quatre prismes 27a à 27d peut être réglé pour compenser tout ou partie de la dispersion de la cavité, la compensation résiduelle pouvant être assurée par la fibre 29.
On peut envisager de réaliser le dispositif spectralo-temporel de façon compacte, voire monolithique, soit à l'aide de micro-optiques, soit par l'utilisation d'optique intégrée sur substrat présentant des propriétés électro- optiques ou acousto-optiques.
On peut également envisager d'utiliser un élément absorbant saturable en transmission en lieu et place de l'élément acousto-optique ou électro-optique. Dans ce cas, il peut être nécessaire, pour pouvoir obtenir la saturation de l'élément absorbant saturable, de focaliser le faisceau 5 sur cet absorbant dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 2 à l'aide d'une lentille (ou d'un miroir) cylindrique en amont de cet élément, puis de le re- collimater avec une deuxième lentille (miroir) cylindrique en aval de cet élément.
Ci-dessous sont citées trois références décrivant des éléments connus en soi dans l'art antérieur : 1. M. Guina et al, « Self-starting streched-pulse fiber laser mode locked and stabilized with slow and fast semiconductor saturable absorbers », Opt. Lett. vol 26 n°22, pp 1809-1811 (15/11/2002)
2. D. J. Jones et al, « Diode-pumped environmentally stable streched-pulse fiber laser », IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, vol 3 n°4, pp 1076-1079 (Août 1997)
3. H. A. Haus et al, « Streched-pulse additive puise mode-locking in fiber ring laser: theory and experiment », IEEE J. Quantum Electron., vol 11 n°3, pp591-598 (Mars 1993)

Claims

REVENDICATIONS
1. Source d'impulsions laser ultracourtes de puissance, du type comportant une cavité optique (a) de génération de faisceau laser impulsionnel renfermant au moins un milieu à gain (b), un élément non réciproque (d) assurant un fonctionnement unidirectionnel, et un système (e) de compensation de la dispersion de la cavité, caractérisée en ce qu'elle comporte également dans la cavité optique un dispositif (c, 1 , 26) d'étalement spectralo-temporel assurant le blocage de mode.
2. Source d'impulsions laser selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comporte, hors de la cavité, un dispositif (f) de compression des impulsions issues de la cavité.
3. Source d'impulsions laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif d'étalement spectralo-temporel comporte un dispositif de séparation spatiale (3, 27a-27b, 33-34) des composantes spectrales des impulsions du faisceau, un modulateur actif (7, 28, 35) induisant une loi de phase et/ou de retard déterminée entre lesdites composantes spectrales séparées spatialement, et un dispositif de recombinaison (8-9, 27c-27d, 36-37) de ces composantes spectrales.
4. Source d'impulsions laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif d'étalement spectralo-temporel comporte un dispositif de séparation spatiale (3, 27a-27b, 33-34) des composantes spectrales des impulsions du faisceau, un élément absorbant saturable en transmission, induisant une loi de phase et/ou de retard déterminée entre lesdites composantes spectrales séparées spatialement, et un dispositif de recombinaison (8-9, 27c-27d, 36-37) de ces composantes spectrales.
5. Source d'impulsions laser selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'en amont de l'élément saturable elle comporte une lentille ou un miroir cylindrique de focalisation, et une deuxième lentille ou miroir cylindrique de collimation en aval de cet élément.
6. Source d'impulsions laser selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le dispositif de séparation spatiale comporte un élément dispersif.
7. Source d'impulsions laser selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément dispersif comporte un réseau holographique (3, 33).
8. Source d'impulsions laser selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément dispersif comporte deux prismes (27a, 27b).
9. Source d'impulsions laser selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que le dispositif de recombinaison comporte le même élément dispersif (9, 37) que le dispositif de séparation spatiale.
10. Source d'impulsions laser selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de recombinaison comporte deux autres prismes (27c, 27d).
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