WO2006048541A1 - Dispositif de controle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses issues d'un melangeur optique - Google Patents
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- WO2006048541A1 WO2006048541A1 PCT/FR2005/002705 FR2005002705W WO2006048541A1 WO 2006048541 A1 WO2006048541 A1 WO 2006048541A1 FR 2005002705 W FR2005002705 W FR 2005002705W WO 2006048541 A1 WO2006048541 A1 WO 2006048541A1
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Classifications
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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
Definitions
- the present invention relates to a device for the programmable control of the amplitude and the spectral phase of light pulses from an optical mixer.
- pulse laser sources make it possible to obtain a wide variety of different wavelengths by non-linear optical methods.
- a source of wavelength ⁇ interacting in a nonlinear crystal will produce a light beam of wavelength half ⁇ / 2 by frequency doubling.
- the elongation of the pulses will reduce the instantaneous optical power of these and will therefore decrease the efficiency of the non-linear interaction.
- Such an approach will therefore only be effective in a configuration allowing a high conversion efficiency despite the increase in the duration of the pulses.
- the conversion efficiency of non-linear interactions is strongly determined by a phase agreement condition between the two incident beams and the resulting beam.
- the mixture of two optical signals Ei and E 2 in a nonlinear optical crystal to obtain an output signal E 3 whose frequency ⁇ 3 is the sum or the difference of the frequencies ⁇ i and ⁇ 2 of the signals Ei and E 2 is truly effective only when the signals Ei and E 2 are signals with a very narrow spectral band, or even signals with pure frequency.
- the invention therefore more particularly aims to eliminate this drawback.
- the present invention consists in associating a method of indirect temporal shaping with an extension technique which preserves the phase agreement in a large spectral width.
- a programmable controller Pi for controlling the amplitude and the phase of the signals coming from the above pulse stretchers Si, S 2 , and
- a compressor C of the pulses from said optical mixture M At the output of the above optical mixer M a compressor C of the pulses from said optical mixture M.
- a second programmable controller P 1 , P 2 for controlling the amplitude and the phase of the signals originating from the above pulse stretchers S 1 , S 2 is inserted on the second channel V 1 , V 2 .
- the aforesaid stretchers Si, S 2 of the short broadband pulses generate long pulses modulated in frequency of essentially identical duration and at least ten times greater than the minimum duration of the brief pulses, to allow both the approached maintenance of the phase matching in a wide bandwidth and programming the amplitude and phase of the pulses from the mixer.
- the ratio of the spectral bands of the signals generated by the above-mentioned laser sources Li, L 2 , and the sign of the slopes of the frequency modulated signals from the stretchers are determined by the mixing crystal and its orientation in order to optimize the efficiency of conversion of this mixing crystal in a very wide bandwidth.
- the aforesaid programmable controllers Pi, P 2 for controlling the amplitude and the phase of the signals coming from the aforesaid pulse stretchers Si, S 2 , could be:
- AOPDF - programmable dispersive acousto-optical filters
- Optical delay lines with zero dispersion comprising an intermediate focal plane in which is placed a device for spatial phase and / or amplitude control.
- FIG. 1 is a schematic representation of the device according to the invention
- FIG. 2 is a schematic representation of the device according to the invention intended for a first example of application
- FIG. 1 is a schematic representation of the device according to the invention
- FIG. 2 is a schematic representation of the device according to the invention intended for a first example of application
- Figure 3 is a schematic representation of the device according to the invention for a second application example.
- two laser sources L 1 and L 2 generate short pulses E 1 (T) and E 2 (t) of central optical frequencies Co 1 and ⁇ 2 ,
- an optical mixer M consisting of a thick non-linear optical crystal, performs the collinear interaction of the signals E “i (t) and E" 2 (t) coming from the programmable control devices Pi and P 2 , and
- a compressor C compresses the pulses E 3 (t) of output from the mixer M; the optical frequency ⁇ 3 of these pulses E 3 (t) being given by:
- the above blocks Li, Si, Pi, constitute the path Vi; the above blocks L 2 , S 2 , P 2 , constitute the path V 2 .
- the above laser sources Li and L 2 generate brief pulses which are written:
- Ai (t) and A 2 (t) being the temporal amplitudes of these pulses of duration ⁇ ⁇ and
- A'i (t) and A ' 2 (t) being the temporal amplitudes of the elongated pulses, frequency modulated with duration Ti and T 2 .
- Hi (t / ⁇ i) and H 2 (t / ⁇ 2 ) are the impulse responses, in amplitude and in phase, of the programmable controllers Pi and P 2 , generated by electrical signals Hi (t) and H 2 (t) applied to programmable controllers, ai and ⁇ 2 being scaling factors, and ⁇ S> the convolution product.
- an optical amplifier of regenerative or multi-pass type ARO is placed after the programmable controller P 2 and before a doubling crystal CR (of generation of 2 nd harmonics).
- Channel V 1 consists of a stretcher Si and a programmable controller Pi.
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Abstract
Dispositif de contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses en sortie d'un mélangeur optique (M) effectuant l'interaction colinéaire de signaux optiques issus de deux voies (V1, V2), comprenant : sur les susdites voies (V1, V2), respectivement deux étireurs d'impulsions (S1, S2) allongeant les impulsions lumineuses brèves générées respectivement par deux sources lasers (L1, L2), sur au moins l'une des susdites voies (V1, V2), un contrôleur programmable (P1, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (S1, S2), et en sortie du susdit mélangeur optique (M) un compresseur (C) des impulsions issues dudit mélange optique (M).
Description
DISPOSITIF DE CONTROLE PROGRAMMABLE DE L'AMPLITUDE ET DE LA PHASE SPECTRALE D'IMPULSIONS LUMINEUSES ISSUES D'UN MELANGEUR OPTIQUE.
La présente invention concerne un dispositif pour le contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses issues d'un mélangeur optique.
Elle a plus particulièrement pour objet d'obtenir des impulsions de forte énergie, à large bande spectrale, dont la durée, l'amplitude et le contenu en phase spectrale ou en fréquence sont programmables.
D'une façon générale, on sait que les sources lasers à impulsions permettent d'obtenir une grande variété de longueurs d'ondes différentes par des procédés d'optique non linéaire. Par exemple, une source de longueur d'onde λ interagissant dans un cristal non linéaire produira un faisceau lumineux de longueur d'onde moitié λ/2 par doublage de fréquence. Plus généralement deux sources de fréquences Oi et ω2 produiront un faisceau résultant de fréquence : ω3 = ωι+ω2 et/ou un faisceau résultant de fréquence : ω3 = |ωi-ω2|.
Lorsque l'on dispose d'une source à impulsions, on peut réaliser une mise en forme temporelle des impulsions qui peut être décrite comme l'introduction d'une amplitude et d'un retard dépendant de la fréquence sur le spectre de la source. Dans la cadre des interactions optiques non linéaires, on peut
envisager de réaliser cette opération par un procédé dit « indirect », dans lequel la mise en forme est réalisée sur l'un des deux faisceaux d'origine et la mise en forme souhaitée est produite sur le faisceau résultant de l'interaction non linéaire. La difficulté inhérente à cette approche est que l'interaction optique non linéaire exige la simultanéité des deux impulsions, c'est à dire leur recouvrement temporel. Il est donc clair, que pour satisfaire à cette condition de recouvrement temporel, la mise en forme sera limitée à des retards de valeur inférieure à la durée de la plus longue des deux impulsions.
II est possible de réduire cette contrainte en allongeant la durée de l'une au moins des impulsions par un dispositif dispersif qui produit un retard dépendant approximativement linéairement de la fréquence (dérive de fréquence). On produit alors une impulsion résultante en sortie du mélange non linéaire qui a également une dérive de fréquence et qui peut être comprimée ensuite par un dispositif dispersif présentant un retard en fonction de la fréquence opposé à celui de l'allongement. Les dispositifs pour réaliser ces fonctions d'allongement et de compression sont connus par ailleurs et utilisent en général des combinaisons de réseaux diffractifs ou de prismes dispersifs.
Cependant l'allongement des impulsions va réduire la puissance optique instantanée de celles-ci et va donc diminuer l'efficacité de l'interaction non linéaire. Une telle approche ne sera donc efficace que dans une configuration permettant un rendement de conversion élevé malgré l'augmentation de la durée des impulsions. Le rendement de conversion des interactions non linéaires est fortement déterminé par une condition d'accord de phase entre les deux faisceaux incidents et le faisceau résultant.
En effet, le mélange de deux signaux optiques Ei et E2 dans un cristal optique non linéaire pour obtenir un signal de sortie E3 dont la fréquence ω3 est la somme ou la différence des fréquences ωi et ω2 des signaux Ei et E2, n'est
véritablement efficace que lorsque les signaux Ei et E2 sont des signaux a bande spectrale très étroite, voire des signaux à fréquence pure.
Lorsque la bande spectrale de l'un des signaux augmente, l'accord de phase qui est nécessaire, n'est plus réalisé, pour toutes les fréquences, dans le cristal que sur une faible longueur de ce cristal. Celui-ci doit alors être choisi peu épais et le rendement de conversion des signaux d'entrée vers le signal de sortie décroît car la longueur d'interaction n'est pas suffisante. Plus la bande spectrale de l'un des signaux est grande, plus le cristal doit être mince et plus le rendement de conversion diminue.
Pour pallier ces inconvénients, des cristaux constitués d'un empilement de cristaux peu épais dont la biréfringence est inversée périodiquement ont été réalisés pour augmenter artificiellement la longueur d'interaction. Des interactions non colinéaires ont également été proposées. Dans une interaction non colinéaire, l'accord de phase varie avec l'angle d'incidence et la fréquence de l'un des signaux pour élargir la bande spectrale dans laquelle l'accord de phase est maintenu.
Cependant plutôt que d'envisager une variation de l'accord de phase avec l'angle qui dépend de la fréquence, on peut envisager une variation de l'accord de phase avec le temps à condition qu'à chaque instant de l'interaction les deux signaux Ei et E2 présentent dans le cristal une paire de fréquences α>i et ω2 qui satisfasse la condition d'accord de phase. Dans ces conditions les deux signaux Ei et E2 doivent avoir à peu près la même durée pour interagir constamment dans le cristal et doivent présenter des variations de leurs fréquences dans le temps telles qu'à chaque instant l'accord de phase soit réalisé. Lorsqu'une variation de fréquence dans le temps est donnée sur l'un des signaux E1 par exemple au moyen d'un étireur d'impulsions, la variation de fréquence dans le temps du signal E2 est imposée par l'orientation du cristal optique non linéaire choisie et par la loi de fréquence du signal Ex. Ceci a été
réalisé par Boscheron et al. en 1996 dans le cadre du triplement de fréquence des impulsions d'un laser Nd :verre pour optimiser le rendement de conversion du triplement dans la bande du Nd :verre.
II s'avère que toutes ces méthodes de l'état de l'art font appel à des montages optiques complexes et qu'aucune d'entre elles ne permet de programmer en amplitude et en phase avec un rendement élevé et une grande largeur de bande, les impulsions issues d'un mélangeur optique.
L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient.
La présente invention consiste à associer un procédé de mise en forme temporelle indirecte à une technique d'extension qui conserve l'accord de phase dans une grande largeur spectrale.
Elle propose à cet effet un dispositif de contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses en sortie d'un mélangeur optique M effectuant l'interaction colinéaire de signaux optiques issus de deux voies V1, V2, comprenant :
- sur les susdites voies Vi, V2, respectivement deux étireurs d'impulsions Si, S2 allongeant les impulsions lumineuses brèves générées respectivement par deux sources lasers Li, L2,
- sur au moins l'une des susdites voies Vi, V2, un contrôleur programmable Pi, P2 de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions Si, S2, et
- en sortie du susdit mélangeur optique M un compresseur C des impulsions issues dudit mélange optique M.
Avantageusement un deuxième contrôleur programmable P1, P2 de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions S1, S2, est inséré sur la deuxième voie V1, V2.
Les susdits étireurs Si, S2 des impulsions brèves à large bande génèrent des impulsions longues modulées en fréquence de durée essentiellement identique et au moins dix fois plus grande que la durée minimale des impulsions brèves, pour permettre à la fois le maintien approché de l'accord de phase dans une large bande passante et la programmation de l'amplitude et de la phase des impulsions issues du mélangeur.
Par ailleurs, le rapport des bandes spectrales des signaux générés par les susdites sources laser Li, L2, et le signe des pentes des signaux modules en fréquence issus des étireurs sont déterminés par le cristal mélangeur et son orientation afin d'optimiser le rendement de conversion de ce cristal mélangeur dans une très large bande passante.
Avantageusement, les susdits contrôleurs programmables Pi, P2, de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions Si, S2, pourront être :
- des filtres acousto-optiques dispersifs programmables dénommés AOPDF, ou
- des lignes à retard optique à dispersion nulle comportant un plan focal intermédiaire dans lequel est placé un dispositif de contrôle spatial de la phase et/ou de l'amplitude.
Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention,
La figure 2 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention destiné à un premier exemple d'application, et
La figure 3 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention destiné à un deuxième exemple d'application.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1,
- deux sources laser L1 et L2 génèrent des impulsions brèves E1(T) et E2(t) de fréquences optiques centrales Co1 et ω2,
- deux étireurs d'impulsions Si et S2 transforment les impulsions brèves Eχ(t) et E2(t) de durées T1 et τ2 et de largeurs spectrales B1 et B2 , en impulsions longues E i(t) et E 2(t) de même largeurs spectrales B1 et B2 et de durées T1 et T2 de dix à cent fois plus longues que les impulsions initiales Ei(t) et E2Ct),
- deux contrôleurs programmables P1 et P2 contrôlent l'amplitude et la phase des impulsions E'i(t) et E'2(t),
- un mélangeur optique M, constitué d'un cristal optique non linéaire épais, effectue l'interaction colinéaire des signaux E"i(t) et E"2(t) issus des dispositifs de contrôle programmable Pi et P2, et
- un compresseur C comprime les impulsions E3(t) de sortie du mélangeur M ; la fréquence optique ω3 de ces impulsions E3(t) étant donnée par :
G)3 = α>i + ω2 ou : ω3 = I ωl " ω2 I
Les susdits blocs Li, Si, Pi, constituent la voie Vi ; les susdits blocs L2, S2, P2, constituent la voie V2.
Les susdites sources laser Li et L2 génèrent des impulsions brèves qui s'écrivent :
E2(O = 4 O)- cos(ω2t)
Ai(t) et A2(t) étant les amplitudes temporelles de ces impulsions de durée τ\ et
A la sortie des susdits étireurs Si et S2 les impulsions Ε'i(t) et Ε'2(t) s'écrivent :
A'i(t) et A'2(t) étant les amplitudes temporelles des impulsions allongées, modulées en fréquence de durée Ti et T2.
A la sortie des susdits contrôleurs programmables Pi et P2 les impulsions Ε"i(t) et Ε "2(t) s'écrivent au 1er ordre :
où Hi(t/αi) et H2(t/α2) sont les réponses impulsionnelles, en amplitude et en phase, des contrôleurs programmables Pi et P2, générées par des signaux électriques Hi(t) et H2(t) appliqués aux contrôleurs programmables, ai et α2 étant des facteurs d'échelle, et <S> le produit de convolution.
Lorsque les impulsions E"i(t) et E"2(t) ont la même durée T et sont synchronisées pour arriver en même temps dans le cristal optique mélangeur M5 le rendement de conversion de ce cristal mélangeur M est optimum pour toutes les fréquences du mélange, si les modulations en fréquence des impulsions E"i(t) et E"2(t) sont ajustées par les susdits contrôleurs programmables Pi et P2 et par le choix des pentes : pi = ± B /T et p2 = ± B2/T des étireurs, respectivement Si, S2, de telle sorte qu'à chaque instant, le cristal non linéaire voit sur son axe d'interaction une paire de deux fréquences : ω^t) et ω2(t) pour lesquelles l'accord de phase est réalisé. Ces lois de fréquence : ωi(t) et/ou ω2(t) dépendent donc du choix du cristal mélangeur M et du choix de l'axe d'interaction colinéaire.
Les exemples représentés sur les figures 2 et 3 sont des applications particulières selon l'invention.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, des impulsions courtes Ei(t) de durée : τf= 50fs et de largeur spectrale B1= 20nm, issues d'un laser (Ti :Sa) L dont la longueur d'onde est centrée autour de λi= 800nm (ωi=2,35.1015), sont appliquées : - d'une part sur la voie Vi à l'étireur Si qui délivre des impulsions de 3 a lOps,
- d'autre part sur la voie V2 à un filtre de bande F qui réduit la bande B2 à B2= Bi/4 = 5nm et en conséquence, allonge les impulsions courtes à τ2=200fs ; ces impulsions de 200fs sont alors envoyées dans un amplificateur paramétrique optique APO qui génère un signal "idler" et un signal utile E2(t) de durée τ2=200fs centré autour de λ2=1350nm (ω2=l,40.1015) ; ce signal utile E2(t) est ensuite appliqué à l'étireur S2 qui délivre des impulsions de 3 a lOps.
En aval des étireurs S1 et S2, on retrouve la structure précédemment décrite ; les impulsions issues du mélangeur M sont centrées autour de la fréquence : ω3 = Q1 + ω2 ≈ 3,75.1015 soit λ3 = 500nm.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, sur la voie V2, un amplificateur optique de type régénératif ou multi passage ARO, est placé après le contrôleur programmable P2 et avant un cristal doubleur CR (de génération de 2nd harmonique). La voie V1 est constituée d'un étireur Si et d'un contrôleur programmable Pi. Sur la voie V2, le signal E"2(t) ainsi obtenu avant le mélangeur optique M, est à la fréquence ω2= 2ωi et le signal issu du mélangeur optique M est une amplification du signal E"i(t) à la fréquence ω3 = ω2 - ω2 = ωi.
Claims
1. Dispositif de contrôle programmable de l'amplitude et de la phase spectrale d'impulsions lumineuses en sortie d'un mélangeur optique (M) effectuant l'interaction colinéaire de signaux optiques issus de deux voies (Vi,
V2), caractérisé en ce qu'il comprend :
- sur les susdites voies (Vi, V2), respectivement deux étireurs d'impulsions (Si, S2) allongeant les impulsions lumineuses brèves générées respectivement par deux sources lasers (Li, L2), . sur au moins l'une des susdites voies (Vi, V2), un contrôleur programmable (Pi, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (Si, S2), et . en sortie du susdit mélangeur optique (M) un compresseur (C) des impulsions issues dudit mélange optique (M).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un deuxième contrôleur programmable (Pi, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (Si, S2), est inséré sur la deuxième voie (Vi, V2).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits étireurs (Si, S2) des impulsions brèves à large bande génèrent des impulsions longues modulées en fréquence de durée essentiellement identique et au moins dix fois plus grande que la durée minimale des impulsions brèves.
- 4. Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le rapport des bandes spectrales des signaux générés par les susdites sources laser (Li, L2) et le signe des pentes des signaux modules
en fréquence issus des étireurs (Si, S2) sont déterminés par le cristal mélangeur (M) et son orientation afin d'optimiser le rendement de conversion de ce cristal mélangeur dans une très large bande passante .
5. Dispositif selon la revendication 1 ou 1 et 2, caractérisé en ce que les susdits contrôleurs programmables (Pi, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (Si, S2), sont des filtres acousto-optiques dispersifs programmables dénommés AOPDF.
6. Dispositif selon la revendication 1 ou 1 et 2, caractérisé en ce que les susdits contrôleurs programmables (Pi, P2) de contrôle de l'amplitude et de la phase des signaux issus des susdits étireurs d'impulsions (Si, S2), sont des lignes à retard optique à dispersion nulle comportant un plan focal intermédiaire dans lequel est placé un dispositif de contrôle spatial de la phase et/ou de l'amplitude.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal en sortie du susdit compresseur (C) a pour fréquence instantanée la somme des fréquences instantanées des signaux générés par les susdites sources laser (Li, L2).
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal en sortie du susdit compresseur (C) a pour fréquence instantanée la différence des fréquences instantanées des signaux générés par les susdites sources laser (Li, L2).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KN KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV LY MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW |
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| AL | Designated countries for regional patents |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 05815259 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |