WO2011070306A1 - Procede et dispositif de transformation d'un faisceau laser a repartition d'energie gaussienne en faisceau laser a repartition uniforme d'energie - Google Patents

Procede et dispositif de transformation d'un faisceau laser a repartition d'energie gaussienne en faisceau laser a repartition uniforme d'energie Download PDF

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WO2011070306A1
WO2011070306A1 PCT/FR2010/052672 FR2010052672W WO2011070306A1 WO 2011070306 A1 WO2011070306 A1 WO 2011070306A1 FR 2010052672 W FR2010052672 W FR 2010052672W WO 2011070306 A1 WO2011070306 A1 WO 2011070306A1
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WO
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laser beam
hat
nonlinear
incident laser
optical
Prior art date
Application number
PCT/FR2010/052672
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English (en)
Inventor
Brigitte Mercier
Jean-Philippe Rousseau
Laura Antonucci
Aurélie Jullien
Original Assignee
Ecole Polytechnique Paristech
Ecole Nationale Superieure Des Sciences Et Techniques Avancees Paristech - Ensta Paristech
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02F1/3511—Self-focusing or self-trapping of light; Light-induced birefringence; Induced optical Kerr-effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat

Definitions

  • the invention relates to the field of optics and in particular to the field of optical systems for transforming the energy distribution of a laser beam.
  • Laser beams are widely used, both in the industry and in the world of research. Generally, the laser beams have a Gaussian energy distribution because of their generation methods. However, in many applications, such as machining, laser marking, holography, or pump lasers, it is preferable to use a laser beam with uniform energy distribution.
  • Another method consists in using a plurality of microlenses, prisms or diffraction elements in order to divide the laser source into several small parts. These small parts are then collected in a work plan by additional optical components so that the final intensity in the work plane is defined by the integration of the light of the small parts of the beam into the work plane. .
  • This technique is for example described in the preamble of EP1998215. However, this technique is expensive and complicated to implement.
  • Gaussian beam shaping methods by apodization described for example in the document FR2903032. However, the large energy losses produced by apodization are a limitation to this technique.
  • phase plate Methods for transforming a Gaussian laser beam into a laser beam with uniform energy distribution by virtue of the implantation of a phase plate are also known.
  • the use of a phase plate requires perfect adaptation and perfect centering of the phase plate with respect to the incident beam.
  • the manufacture of the phase blade can be tricky.
  • the invention aims to overcome the disadvantages of the state of the art by proposing a method and a device for transforming a Gaussian laser beam beam "top-hat” that is simple to implement, which n ' does not cause energy loss, is inexpensive, and is flexible and robust.
  • top-hat laser beam is understood to mean a laser beam whose energy distribution is uniform, that is to say a laser beam whose fluence, or energy density, is almost identical. uniform on a circular disk whose diameter is greater than half the diameter at half-height of the laser beam.
  • a “top-hat” beam presents a spatial profile in the form of a supergaussian of order n.
  • the invention consists in using the optical Kerr effect in the materials by passing the Gaussian laser beam through a non-linear material, which modifies the refractive index of the nonlinear medium and therefore the spatial phase of the beam. laser.
  • This modification of the spatial phase modifies the propagation of the laser beam and creates a zone, in virtual space, in which the laser beam has a uniform or annular energy distribution.
  • An optical system then realizes a real image of this area.
  • the method of transforming a Gaussian energy distribution incident laser beam into a "top-hat" laser beam at the passage of a first material comprises the following steps:
  • a configuration step comprising the choice of a first set of parameters comprising:
  • the laser beam after passing through the first non-linear material, the laser beam has a spatial phase difference between the center and the edge of the beam of between 1 and 10 radians;
  • a step allowing the realization of a real image of the "top-hat” zone from an optical system More specifically, the invention relates to a method for transforming an incident laser beam Gaussian energy distribution in a laser beam "top-hat", characterized in that it comprises the following steps: the laser beam incident through a nonlinear material having a positive nonlinear index, the positive nonlinear material being arranged such that it produces an optical Kerr effect on the laser beam and thereby produces a top-hat zone in the virtual space wherein the laser beam has a uniform or annular energy distribution; an optical system (8) is arranged to produce a real image (4 ') of the "top-hat” zone (4).
  • the method according to the invention consists in using the optical Kerr effect produced by the incident laser beam as it passes through the non-linear material in order to transform the incident laser beam which is Gaussian into a "top-hat” laser beam.
  • n 2 is positive.
  • the spatial phase ⁇ of the laser beam which passes through the nonlinear material depends on the refractive index of the nonlinear material since:
  • the propagation of the laser beam which passes through the nonlinear material depends on this phase and therefore the application of this phase to the incident laser beam modifies its propagation.
  • a phase difference between the center and the edge of the beam of the order of a few radians a "top-hat” zone is obtained in the virtual space in which the spatial distribution of energy is no longer Gaussian but takes the form of a ring or is uniform, that is to say an area in which the beam is "top-hat”.
  • n 2 is positive and therefore this zone is virtual, that is to say that it is behind the non-linear material with respect to the direction of propagation of the laser beam.
  • This "top-hat" zone in the virtual space in which the spatial distribution of energy is no longer Gaussian comprises:
  • the laser beam has a uniform energy distribution. Outside this zone "top-hat", the laser beam gradually resumes a Gaussian form.
  • the non-linear material is a blade with parallel faces.
  • the blade may be placed in a parallel, convergent or divergent incident laser beam or at the waist of the beam.
  • the parallel-sided blade preferably has a thickness of between 0.1 and 10 cm.
  • the thickness of the blade that is parallel to the direction of propagation of the incident laser beam is called thickness.
  • the blade has a thickness equal to 2.5 cm.
  • the non-linear material consists of glass or an optical crystal.
  • the nonlinear material has a non-linear index of between 10 "21 and 10 " 18 m 2 / W, and preferably equal to 7 ⁇ 10 "20 m 2 / W.
  • the intensity of the incident laser beam, the diameter of the incident laser beam, the refractive index of the first nonlinear material and its thickness are chosen so that, after passing through the first material, for example a blade, the laser beam has a phase difference between the edge and the center of the beam between 1 and 10 radians, and preferably 2 radians, because the spatial phase is given by 2 ⁇ (n 0 + n 2 lo exp (- (x 2 + y 2 ) / A)) L / ⁇ .
  • the method of the invention is particularly interesting because it is very easy to use and does not require significant adjustment or precision alignment, unlike the methods of the prior art. Indeed, the method according to the invention applies to all Gaussian beams and the same non-linear material can be used for all the incident laser beams, provided that the intensity of the incident laser beam is adjusted so that , associated with the refractive index of the nonlinear material and its thickness, the maximum spatial phase is between 1 and 10 radians, and preferably it is substantially equal to 2 radians.
  • the energy and the diameter of the incident laser beam, the thickness of the non-linear material are the energy and the diameter of the incident laser beam, the thickness of the non-linear material,
  • the method of the invention comprises a calculation of the first code, the diameter of the beam and the position of the beam formed.
  • An optical device is configured to produce a "top-hat” beam of desired position and size.
  • K and a are coefficients to be determined.
  • a is between 0.5 and 1 and K is of the order of 10 6 in unit of the international system.
  • the method according to the invention makes it possible to proceed by trial and error because it allows a great tolerance on the position and the extent of the "top-hat” zone: the tolerance on the position of the first "top-hat” plane in the virtual space is plus or minus 20% and in real space, the tolerance depends on the optical system used.
  • the plane P is placed where the laser beam has a quasi-uniform fluence on a circular disk having a diameter greater than half the diameter at half height of the incident laser beam.
  • the plane P is positioned at the location where the laser beam has a spatial profile in the form of a supergaussian order n.
  • the plane P is preferably positioned where the laser beam has a spatial profile supergaussian order 3 or 4.
  • the invention also relates to a device for transforming a laser beam incident to Gaussian energy distribution in a "top-hat" laser beam, the device comprising:
  • a non-linear material having a positive nonlinear index transparent to the laser beam and arranged to produce, by optical Kerr effect, a "top-hat” zone in which the laser beam has a uniform or annular energy distribution;
  • the optical system may be placed upstream or downstream of the nonlinear material.
  • the material comprises a blade comprising parallel faces, the blade inducing a spatial phase by optical Kerr effect
  • a convergent optical system having a focal length, transforms the beam having acquired a phase by the optical Kerr effect in the blade.
  • the formation of a beam comprising a uniform energy distribution is obtained in at least a first plane perpendicular to the optical axis.
  • the formation of a beam comprising a ring-shaped energy distribution is obtained in at least a second plane perpendicular to the optical axis;
  • the first or the second plane is located after the focal plane.
  • an embodiment allows the use of a homogeneous blade and transparent to the beam.
  • the blade is included in the optical device so as to form a single element which makes it possible to create a phase difference in the beam.
  • the emission means of the incident laser beam comprise a femtosecond laser source
  • the femtosecond laser emits pulses with a duration of 25 fs, an energy of 1 mJ and a diameter d of 8 mm;
  • the nonlinear material is composed of calcite having a nonlinear index equal to 7 ⁇ 10 -20 m 2 / W;
  • the non-linear material forms a blade 2.5 cm thick
  • the optical system is a lens
  • the lens has a focal length of 2 m;
  • the lens is located 20 cm from the non-linear material.
  • FIG. 2 a simulation illustrating the spatial profile of the laser beam after passing through the device of FIG. 1 as a function of the observation plane P:
  • FIG. 3 a simulation illustrating the shape of the laser beam after passing through the material having a non-linear index, the laser beam being cut in different virtual space planes each located at a distance ⁇ from the non-linear material;
  • FIG. 4 a simulation illustrating the shape of the laser beam after passing through the non-linear material and in the lens, the laser beam being located in different planes P of the real space each located at a distance D from the focus of the lens the device of Figure 1;
  • FIG. 5 a simulation illustrating the shape of the laser beam in a plane Q of the virtual space after passing through the nonlinear material as a function of the value of the maximum induced spatial phase
  • FIG. 6 the experimental results obtained for the laser beam at the output of the laser amplifier and at the focus of the lens 1 1 of FIG.
  • FIG. 7 the experimental results concerning the shape of the laser beam after passing through the nonlinear material and the lens 11, the laser beam being measured in different planes P each located at a distance D from the focus of the lens for D equal to 24 cm, 34 cm and 46 cm;
  • FIG. 1 A device for transforming a Gaussian incident laser beam into a "top-hat” beam according to the invention is shown in FIG. 1.
  • This device comprises means 1 for transmitting an incident laser beam constituted by a femtosecond laser source 9 which produces pulses having a duration of 25 fs, an energy of 1 mJ and a diameter d of 8. mm.
  • the device also comprises a nonlinear material 2 which is here calcite.
  • the non-linear material 2 forms a plate 10 with parallel faces.
  • the laser source 9 emits an incident laser beam 3 which is Gaussian and which passes through the blade 10. During this crossing, the laser beam 3 undergoes the optical Kerr effect, which modifies its spatial phase by nonlinear effect. This induced spatial phase acts, during the subsequent propagation of the laser beam, on the energy spatial distribution of the laser beam.
  • the blade 10 which consists of a non-linear index material 2
  • n 2 is positive.
  • the essential parameter for the formation of the "top-hat” laser beam is the value of the spatial phase induced by the nonlinear effect. This value depends inter alia on the intensity of the incident beam and the refractive index of the non-linear material.
  • a "top hat” zone 4 located in the virtual space and in which the beam Laser has a uniform or annular energy distribution.
  • This "top-hat” zone 4 is located here upstream of the non-linear index material 2 in the direction of propagation of the incident laser beam 3, that is to say between the laser source 9 and the blade 10 because n 2 is positive as in most non-linear materials.
  • This "top hat” zone 4 comprises an intermediate zone 5, in which the spatial energy distribution of the laser beam is annular, and two planes 6 and 7, located on either side of the intermediate zone 5, and in which the spatial energy distribution of the laser beam is uniform. Outside the “top-hat” zone 4, the laser beam 3 gradually resumes a Gaussian form.
  • An optical system 8 which is here a lens 1 1, then realizes a real image 4 'of this zone "top-hat" 4.
  • the real image 4' also comprises a real intermediate zone 5 'in which the incident beam has an annular energy distribution and two planes 6 'and 7' in which the laser beam has a uniform energy distribution. Consequently, in real space, the spatial profile of the laser beam varies: the real space indeed comprises an area 4 'in which the beam has a uniform or annular energy distribution, and outside this zone 4' , the laser beam gradually resumes a Gaussian profile.
  • FIG. 2 is a simulation which shows the evolution of the spatial profile of the laser beam in real space as a function of the distance D at which the focus of the lens 1 1 is located.
  • the lens 1 1 used in this simulation has a focal length f of 60 cm.
  • the diameter of the incident beam d is 2 mm and the nonlinear material and the intensity of the incident beam are chosen so that the maximum nonlinear spatial phase ⁇ is two radians.
  • the spatial profile of the laser beam changes as a function of the distance to which the focus of the lens is located.
  • the distance D is zero and the laser beam is Gaussian.
  • the laser beam has a uniform energy distribution. Between 4.3 cm and 15 cm, the laser beam has an annular energy distribution.
  • the method and the device according to the invention are very advantageous because they allow a great tolerance in the positioning of the plane P. Indeed, in the virtual space, in the case where n 2 is positive, the The extent and position of the top-hat zone depend on the non-linear spatial phase and the beam diameter.
  • the distance ⁇ between the first "top-hat" plane 7 and the non-linear material blade 2 is proportional to the square of the diameter of the laser beam and is inversely proportional to the value of the maximum phase.
  • FIG. 3 is a simulation that represents the spatial profile of the laser beam in different planes each located in the virtual space at a distance ⁇ from the non-linear material blade. It is clear from this figure that the laser beam is "top-hat” in the entire area which is located between 1.3 m and 2 m of the non-linear material. Therefore, the laser beam remains supergaussian or "top-hat” over a wide range of positions relative to the non-linear material blade and there is a tolerance on the positioning of the "top-hat” plan 7 of plus or minus 20 %. FIG. 3 makes it possible to locate the first "top-hat” plane 7 and to know that it is at a distance between 1, 3 and 2 m from the non-linear material 2.
  • the lens 1 1 then realizes a real image of this area "top-hat" 4.
  • Figures 6, 7 and 8 show the results obtained with the device of Figure 1.
  • the results were obtained with a femtosecond laser 9 which produces pulses having a duration of 25 fs, an energy of 1 mJ and a diameter of 8 mm.
  • the blade 10 producing the non-linear effect is made of calcite, with a non-linear index of 7 ⁇ 10 -20 m 2 / W and a thickness of 2.5 cm
  • the focal length of the lens 1 1 is 2 m. to avoid additional nonlinear effects in the air at the focus, the propagation after the lens 1 1 is under vacuum.
  • Figure 6 shows in (a) the shape of the beam obtained at the output of the laser source 9 and (b) the shape of the laser beam at the focus of the lens 1 January. In both cases, the laser beam is Gaussian.
  • FIG. 7 represents the spatial profile of the laser beam obtained in different planes P, located respectively at a distance D from the focus of the lens equal to 24, 34 and 46 cm. It is found that the laser beam is "top-hat” in the P planes located 34 cm and 46 cm from the focus of the lens.
  • the "top hat” laser beam located in the P plane at 34 cm has a supergaussian shape of order 4, while the laser beam "top hat” located in the plane P at 46 cm has a supergaussian shape d order 3.
  • FIG. 8 represents the profile of the laser beam in three planes P placed respectively at three distances D equal to 27, 40 and 46 cm from the focus of the lens 1 1 after passing through a filtering hole of 800 ⁇ placed at the focus. of the lens. The filter hole added to the focus of the lens smooths the irregularities of the fluence.
  • the intensity of the incident laser beam, its diameter and the non-linear material are chosen so that the nonlinear spatial phase of the laser beam presents an equal maximum at 2 radians.
  • other values of the intensity of the incident laser beam, its diameter, the refractive index of the nonlinear material and its thickness can be chosen in order to have either the same value or other values of the the maximum nonlinear spatial phase.
  • FIG. 5 represents the evolution of the spatial profile of the laser beam in a plane P as a function of the maximum nonlinear spatial phase of the laser beam. It can be seen from this figure that, when the maximum phase is zero, the laser beam is Gaussian. In the opposite case, the energy distribution of the laser beam is approximately supergaussian, the supergaussian order varying from 2 to 4. The larger the nonlinear spatial phase, the higher the order of the super-Gaussian. Beyond a maximum phase of 4 radians, the shape of the spatial profile of the laser beam no longer changes unless the dispersion in the nonlinear material can not be neglected: in this case, the shape of the beam "top-hat "is modulated.
  • the simulations show that for a maximum spatial phase greater than 2 radians, the diameter of the supergaussian beam is 1, 7 times larger than the diameter of the initial Gaussian beam as it would be without a nonlinear effect.
  • Table 1 the intensity necessary to obtain a maximum phase equal to 2 and 4 radians depending on the initial duration of the pulse (so its spectrum).
  • Table 1 Intensity required to have a maximum induced spatial phase of 2 or 4 radians.
  • the blade producing the nonlinear effect can be placed in a parallel, convergent or divergent incident laser beam or at the waist of the beam.
  • Figure 9 shows a device where the blade is placed after the lens in a converging beam.
  • This device is equivalent to the device of Figure 1 with a lens whose focal length would be equal to the focal length of the lens placed before the blade minus the distance of the blade to this lens.
  • the equivalent device, traced in red dotted line in FIG. 9 makes it possible to calculate the position and the diameter of the laser beam "top-hat" as in the case of FIG.
  • the interest of this assembly is to adjust the intensity of the incident beam on the nonlinear blade by choosing the value of the diameter of the beam interacting with the nonlinear blade.
  • the device according to the invention is particularly advantageous since it is simple and self-adapted to the parameters of the laser beam. Using the incident beam to self-induce the spatial phase that will lead to the uniform energy distribution eliminates the alignment and centering problems of the laser beam as there may be with a concrete phase plate.
  • the device is flexible and robust.
  • the range of positions where the laser beam is "top-hat” is important, and the range of usable phase values is large enough to accept instabilities of energy or duration of the incident laser beam.
  • the process is inexpensive.
  • the non-linear material can be optical glass, therefore a cheap material.
  • the technique is achromatic. It does not depend on the wavelength and is effective regardless of the wavelength since the non-linear material is transparent.
  • the method and the device according to the invention are not limited to the embodiments presented here.
  • the method according to the invention can also be used with any type of laser sources, whose duration can be between femtosecond and nanoseconds and where the energy can be greater than the nanojoule.
  • the method can therefore be applied to all the laser beams, the only limit being the flow resistance of the nonlinear material.
  • a first set of parameters comprising the intensity of the incident laser beam, the diameter of the incident laser beam, the refractive index of the nonlinear material and its thickness; ⁇ A difference in spatial phase between the center and the edge of the beam between 1 and 10 radians;
  • a nonlinear material having a positive nonlinear index (n 2 ) having a positive nonlinear index (n 2 )
  • the top-hat zone As in the virtual space, there is a significant tolerance on the position of the "top-hat” plan. This results in a great flexibility of configuration and adaptation for many uses of this type of laser. Indeed, increasing the "top-hat” zone allows a large margin of adjustment of the optical device. Moreover, the nonlinear phase is calculated and used for the formation of the top-hat zone.
  • the invention also makes it possible not to restrict the diameter of the beam, which may in particular be greater than 5 mm, it may also be not centered on the blade while ensuring good performance.

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Abstract

L'invention concerne une méthode et un dispositif permettant de transformer un faisceau laser gaussien en faisceau laser "top-hat". Le procédé consiste à utiliser l'effet Kerr optique dans les matériaux en faisant passer le faisceau laser gaussien à travers un matériau non linéaire (2), ce qui modifie l'indice de réfraction du milieu non linéaire et donc la phase spatiale du faisceau laser. Cette modification de la phase spatiale modifie la propagation du faisceau laser et crée une zone (4) dans l'espace virtuel dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Un système optique (8) réalise ensuite une image réelle de cette zone (4).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRANSFORMATION D'UN FAISCEAU LASER A REPARTITION D'ENERGIE GAUSSIENNE EN FAISCEAU LASER A
REPARTITION UNIFORME D'ENERGIE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention se rapporte au domaine de l'optique et en particulier au domaine des systèmes optiques permettant de transformer la distribution d'énergie d'un faisceau laser.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0002] Les faisceaux laser sont largement utilisés, tant dans l'industrie que dans le monde de la recherche. Généralement, les faisceaux laser présentent une répartition d'énergie gaussienne du fait de leurs procédés de génération. Cependant, dans de nombreuses applications, comme l'usinage, le marquage laser, l'holographie, ou encore les lasers de pompe, il est préférable d'utiliser un faisceau laser à répartition d'énergie uniforme.
[0003] Il existe donc plusieurs procédés permettant de transformer un faisceau laser gaussien en faisceau laser à répartition d'énergie uniforme. Un des procédés les plus connus consiste à filtrer le faisceau gaussien de façon à ne sélectionner qu'une partie du faisceau sensiblement uniforme. Un tel procédé est par exemple décrit dans le document EP0197897. Cependant, cette méthode entraîne des pertes d'énergie.
[0004] Un autre procédé consiste à utiliser une pluralité de microlentilles, prismes ou éléments de diffraction afin de diviser la source laser en plusieurs petites parties. Ces petites parties sont ensuite collectées dans un plan de travail grâce à des composants optiques additionnels de façon à ce que l'intensité finale dans le plan de travail soit définie par l'intégration de la lumière des petites parties du faisceau dans le plan de travail. Cette technique est par exemple décrite dans le préambule du document EP1998215. Cependant, cette technique est chère et compliquée à mettre en œuvre. [0005] On connaît également des méthodes de mise en forme de faisceaux gaussiens par apodisation, décrites par exemple dans le document FR2903032. Cependant, les pertes d'énergie importantes produites par l'apodisation sont une limitation à cette technique. [0006] On connaît en outre des méthodes de transformation d'un faisceau laser gaussien en faisceau laser à répartition d'énergie uniforme grâce à l'implantation d'une lame de phase. Cependant, l'utilisation d'une lame de phase nécessite une parfaite adaptation et un parfait centrage de la lame de phase par rapport au faisceau incident. En outre, la fabrication de la lame de phase peut s'avérer délicate.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0007] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une méthode et un dispositif permettant de transformer un faisceau laser gaussien en faisceau "top-hat" qui soit simple de mise en œuvre, qui n'entraîne pas de perte d'énergie, qui soit peu onéreuse, et qui soit flexible et robuste.
[0008] Dans la suite, on entend par faisceau laser "top-hat" un faisceau laser dont la répartition d'énergie est uniforme c'est-à-dire un faisceau laser dont la fluence, ou densité d'énergie est quasi-uniforme sur un disque circulaire dont le diamètre est supérieur à la moitié du diamètre à mi-hauteur du faisceau laser. Un faisceau "top-hat" présente un profil spatial en forme de supergaussienne d'ordre n.
[0009] L'invention consiste à utiliser l'effet Kerr optique dans les matériaux en faisant passer le faisceau laser gaussien à travers un matériau non linéaire, ce qui modifie l'indice de réfraction du milieu non linéaire et donc la phase spatiale du faisceau laser. Cette modification de la phase spatiale modifie la propagation du faisceau laser et crée une zone, dans l'espace virtuel, dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Un système optique réalise ensuite une image réelle de cette zone. [0010] Le procédé de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser « top-hat » au passage d'un premier matériau, comporte les étapes suivantes:
• une étape de configuration comprenant le choix d'un premier ensemble de paramètres comprenant :
o une intensité du faisceau laser incident ;
o un diamètre du faisceau laser incident ;
o un indice de réfraction du premier matériau non linéaire et ; o une épaisseur du premier matériau ;
· une étape d'émission d'un faisceau laser incident traversant le premier matériau non linéaire ayant un indice non linéaire positif,
le choix du premier ensemble de paramètres et la disposition du premier matériau permettant :
o la création, dans ces conditions, d'un effet Kerr optique sur le faisceau laser ;
o après passage dans le premier matériau non linéaire, au faisceau laser de présenter une différence de phase spatiale entre le centre et le bord du faisceau comprise entre 1 et 10 radians ;
o la création, dans ces conditions, d'une zone « top-hat » dans un espace virtuel dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire;
• une étape permettant la réalisation d'une image réelle de la zone « top-hat » à partir d'un système optique. [0011] Plus précisément, l'invention concerne un procédé de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser « top-hat », caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: le faisceau laser incident traverse un matériau non linéaire ayant un indice non linéaire positif, le matériau non linéaire positif étant disposé de telle sorte qu'il produise un effet Kerr optique sur le faisceau laser et produise ainsi une zone « top-hat » dans l'espace virtuel dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire; un système optique (8) est disposé de façon à réaliser une image réelle (4') de la zone « top-hat »(4).
[0012] Le procédé selon l'invention consiste à utiliser l'effet Kerr optique produit par le faisceau laser incident lorsqu'il traverse le matériau non linéaire afin de transformer le faisceau laser incident qui est gaussien en faisceau laser "top-hat".
[0013]On appelle matériau non linéaire un matériau dont l'indice de réfraction est non linéaire, c'est-à-dire dont l'indice de réfraction n varie comme n = n0 + n2l avec n0 l'indice linéaire du matériau, n2 l'indice non-linéaire et I l'intensité du faisceau laser incident qui traverse le matériau non linéaire (I en W/m2). Par conséquent, lorsque le faisceau laser incident traverse le matériau non linéaire, l'indice de réfraction du matériau non linéaire varie avec l'intensité du faisceau laser incident.
[0014]Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, n2 est positif.
[0015] Or, la phase spatiale φ du faisceau laser qui traverse le matériau non linéaire dépend de l'indice de réfraction du matériau non linéaire puisque:
[0016] =2π n L/ λ = 2π ( n0+n2 1) L/ λ
[0017] Si on considère un faisceau gaussien, son intensité est donnée par I (x,y) = l0 exp (-(x2+y2)/A), et par conséquent, la phase spatiale induite φ est gaussienne puisqu'elle est égale à 2π ( n0+n2 l0 exp (-(x2+y2)/A)) L/ λ. On appelle phase maximale ou maximum, la différence de phase entre le centre et le bord du faisceau laser (<>max = 2πη2Ι0ί/ λ).
[0018] La propagation du faisceau laser qui traverse le matériau non linéaire dépend de cette phase et donc l'application de cette phase au faisceau laser incident modifie sa propagation. [0019]Avec une différence de phase entre le centre et le bord du faisceau de l'ordre de quelques radians, on obtient une zone "top-hat" dans l'espace virtuel dans laquelle la distribution spatiale d'énergie n'est plus gaussienne mais prend la forme d'un anneau ou est uniforme, c'est-à-dire une zone dans laquelle le faisceau est "top-hat". Pour la plupart des matériaux non linéaires n2 est positif et par conséquent cette zone est virtuelle, c'est-à-dire qu'elle se trouve en arrière du matériau non linéaire par rapport au sens de propagation du faisceau laser.
[0020] Cette zone "top-hat" dans l'espace virtuel dans laquelle la distribution spatiale d'énergie n'est plus gaussienne comprend :
- une zone intermédiaire dans laquelle le faisceau laser présente une distribution d'énergie annulaire, et
- deux plans, situés de part et d'autre de la zone intermédiaire, dans lesquels le faisceau laser présente une distribution d'énergie uniforme. [0021] A l'extérieur de cette zone "top-hat", le faisceau laser reprend progressivement une forme gaussienne.
[0022]On réalise ensuite une image réelle de la zone "top-hat" grâce à un système optique. On peut ensuite se placer dans n'importe quel plan P de cette image réelle et le faisceau laser dans ce plan P présente alors une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Il y a 2 plans où le faisceau laser est « top-hat » c'est-à-dire avec une distribution uniforme de l'énergie.
[0023] Si l'on veut utiliser le faisceau à répartition d'énergie uniforme comme laser de pompe, on place un cristal ou un milieu à gain dans un des plans "top-hat".
[0024]Avantageusement, le matériau non linéaire est une lame à faces parallèles. [0025] Selon différents modes de réalisation préférentiels de l'invention, la lame peut être placée dans un faisceau laser incident parallèle, convergent ou divergent ou au waist du faisceau.
[0026] La lame à faces parallèles a de préférence une épaisseur comprise entre 0.1 et 10 cm. On appelle épaisseur la dimension de la lame qui est parallèle au sens de propagation du faisceau laser incident. Avantageusement, la lame a une épaisseur égale à 2,5 cm. [0027]Avantageusement, le matériau non linéaire est constitué par du verre ou un cristal optique.
[0028]Avantageusement, le matériau non linéaire présente un indice non linéaire compris entre 10"21 et 10"18 m2/W, et de préférence égal à 7.10"20 m2/W. [0029]Avantageusement, l'intensité du faisceau laser incident, le diamètre du faisceau laser incident, l'indice de réfraction du premier matériau non linéaire et son épaisseur sont choisis de sorte que, après passage dans le premier matériau, par exemple une lame, le faisceau laser présente une différence de phase spatiale entre le bord et le centre du faisceau comprise entre 1 et 10 radians, et de préférence égale à 2 radians. En effet, la phase spatiale est donnée par 2π ( n0+n2 lo exp (-(x2+y2)/A)) L / λ.
[0030] Le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant car il est très simple d'utilisation et ne nécessite pas de réglage important ni d'alignement de précision, contrairement aux procédés de l'art antérieur. En effet, le procédé selon l'invention s'applique à tous les faisceaux gaussiens et un même matériau non linéaire peut être utilisé pour tous les faisceaux lasers incidents, à condition que l'intensité du faisceau laser incident soit réglée de façon à ce que, associée à l'indice de réfraction du matériau non linéaire et à son épaisseur, la phase spatiale maximale soit comprise entre 1 et 10 radians, et de préférence qu'elle soit sensiblement égale à 2 radians.
[0031] Pour déterminer l'étendue et la position de la zone "top-hat", on peut tout d'abord faire un calcul numérique avec un code prenant en compte les effets non linéaires, la diffraction et la dispersion des matériaux. Pour mener à bien ce calcul, huit paramètres interviennent : - la longueur d'onde centrale du faisceau laser incident,
- la largeur spectrale du faisceau laser incident,
- la durée de l'impulsion du faisceau laser incident,
- l'énergie et le diamètre du faisceau laser incident, - l'épaisseur du matériau non linéaire,
- l'indice non linéaire du matériau non linéaire, et
- la dispersion de vitesse de groupe du matériau non linéaire.
[0032] Le procédé de l'invention comprend un calcul du premier code, du diamètre du faisceau et de la position du faisceau formé. Un dispositif optique est configuré pour produire un faisceau "top-hat" de position et dimension souhaitées.
[0033] Un code de calcul utilisant ces paramètres permet d'obtenir une formule empirique sur la distance Δ entre le matériau non linéaire et le premier plan "top- haf' du type:
Figure imgf000009_0001
avec d le diamètre à mi-hauteur du faisceau incident et φ la phase spatiale maximale (φ = 2πη2ΙοΙ-/ λ). K et a sont des coefficients à déterminer. Avantageusement, a est compris entre 0.5 et 1 et K est de l'ordre de 106 en unité du système international.
[0034] Si on n'a pas de code de calcul, on peut également déterminer la position de la zone "top-hat" grâce à des essais expérimentaux en déterminant l'endroit où le faisceau laser a une répartition d'énergie uniforme ou annulaire et en ajustant le diamètre du faisceau laser incident afin d'avoir l'intensité adéquate. En effet, le procédé selon l'invention permet de procéder par tâtonnement car il autorise une grande tolérance sur la position et l'étendue de la zone "top-hat": la tolérance sur la position du premier plan « top-hat » dans l'espace virtuel est de plus ou moins 20% et dans l'espace réel, la tolérance dépend du système optique utilisé.
[0035]Avantageusement, on place le plan P à l'endroit où le faisceau laser a une fluence quasi-uniforme sur un disque circulaire présentant un diamètre supérieur à la moitié du diamètre à mi-hauteur du faisceau laser incident. [0036]Avantageusement, le plan P est positionné à l'endroit où le faisceau laser présente un profil spatial en forme de supergaussienne d'ordre n.
[0037] Le plan P est positionné de préférence à l'endroit où le faisceau laser présente un profil spatial de supergaussienne d'ordre 3 ou 4. [0038] L'invention concerne également un dispositif de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser "top-hat", le dispositif comprenant:
- des moyens d'émission du faisceau laser incident;
- un matériau non linéaire ayant un indice non linéaire positif, transparent au faisceau laser et disposé de manière à produire, par effet Kerr optique, une zone "top-hat" dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire;
- un système optique disposé à une distance du matériau non linéaire telle que le système optique réalise une image réelle de la zone "top-hat". Selon différents modes de réalisation, le système optique peut être placé en amont ou en aval du matériau non linéaire.
Avantageusement :
- le matériau comprend une lame comprenant des faces parallèles, la lame induisant une phase spatiale par effet Kerr optique ;
- un système optique convergent, ayant une focale, transforme le faisceau ayant acquis une phase par l'effet Kerr optique dans la lame.
Avantageusement, la formation d'un faisceau comprenant une répartition d'énergie uniforme est obtenue en au moins un premier plan perpendiculaire à l'axe optique.
Avantageusement, la formation d'un faisceau comprenant une répartition d'énergie en forme d'anneau est obtenue en au moins un second plan perpendiculaire à l'axe optique ; Avantageusement, le premier ou le second plan est situé après le plan focal.
Avantageusement, un mode de réalisation permet l'utilisation d'une lame homogène et transparente au faisceau.
Avantageusement, la lame est comprise dans le dispositif optique de manière à former un seul élément qui permet de créer une différence de phase dans le faisceau.
[0039] Selon différents modes de réalisation de l'invention :
- les moyens d'émission du faisceau laser incident comprennent une source laser femtoseconde ;
- le laser femtoseconde émet des impulsions d'une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et un diamètre d de 8 mm ;
- le matériau non linéaire est composé de calcite présentant un indice non linéaire égal à 7.10"20 m2/W ;
- le matériau non linéaire forme une lame de 2,5 cm d'épaisseur ;
- le système optique est une lentille ;
- la lentille présente une focale de 2 m ;
- la lentille est située à 20 cm du matériau non linéaire.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0040] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
- la figure 1 , une vue schématique d'un dispositif selon l'invention;
- la figure 2, une simulation illustrant le profil spatial du faisceau laser après passage dans le dispositif de la figure 1 en fonction du plan P d'observation : - la figure 3, une simulation illustrant la forme du faisceau laser après passage dans le matériau ayant un indice non linéaire, le faisceau laser étant coupé dans différents plans de l'espace virtuels situés chacun à une distance Δ du matériau non linéaire ;
- la figure 4, une simulation illustrant la forme du faisceau laser après passage dans le matériau non linéaire et dans la lentille, le faisceau laser étant situé dans différents plans P de l'espace réels situés chacun à une distance D du foyer de la lentille du dispositif de la figure 1 ;
- la figure 5, une simulation illustrant la forme du faisceau laser dans un plan Q de l'espace virtuel après passage dans le matériau non linéaire en fonction de la valeur de la phase spatiale induite maximale;
- la figure 6, les résultats expérimentaux obtenus pour le faisceau laser à la sortie de l'amplificateur du laser et au foyer de la lentille 1 1 de la fig.1 ;
- la figure 7, les résultats expérimentaux concernant la forme du faisceau laser après passage dans le matériau non linéaire et la lentille 1 1 , le faisceau laser étant mesuré dans différents plans P situés chacun à une distance D du foyer de la lentille pour D égal 24 cm, 34 cm et 46 cm ;
- la figure 8, la forme du faisceau laser mesuré dans différents plans P avec un trou de filtrage de 800 μιτι de diamètre placé au foyer de la lentille ; la figure 8 correspond au montage de la figure 1 , le trou de filtrage ajouté au foyer permet simplement de lisser les irrégularités de la fluence.
- la figure 9, un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention.
[0041] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
[0042] Un dispositif de transformation d'un faisceau laser incident gaussien en faisceau "top-hat" selon l'invention est représenté sur la figure 1 .
[0043] Ce dispositif comporte des moyens d'émission 1 d'un faisceau laser incident constitués par une source laser femtoseconde 9 qui produit des impulsions ayant une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et un diamètre d de 8 mm. Le dispositif comporte également un matériau non linéaire 2 qui est ici de la calcite. Le matériau non linéaire (2) présente un indice de réfraction non linéaire n2=7.10"20 m2/W. Le matériau non linéaire 2 forme une lame 10 à faces parallèles.
[0044] La source laser 9 émet un faisceau laser incident 3 qui est gaussien et qui traverse la lame 10. Lors de cette traversée, le faisceau laser 3 subit l'effet Kerr optique, ce qui modifie sa phase spatiale par effet non linéaire. Cette phase spatiale induite agit, lors de la propagation ultérieure du faisceau laser, sur la répartition spatiale énergétique du faisceau laser.
[0045] En effet, la lame 10, qui est constituée d'un matériau d'indice non linéaire 2, présente un indice de réfraction n qui est égal à n0 + n2l avec n0 l'indice linéaire du matériau, n2 l'indice non-linéaire et I l'intensité du faisceau incident (I en W/m2). n2 est positif.
[0046] La phase spatiale du faisceau laser est donc modifiée par la variation de l'indice de réfraction du matériau non linéaire, lui-même modifié par l'intensité du faisceau laser puisque la phase spatiale φ du faisceau laser est égale à 2π n L/ λ = 2π ( n0+n2 1) L/ λ. Or puisque le faisceau laser 3 est gaussien, son intensité I est égale à I (x,y) = l0 exp (-(x2+y2)/A). La phase spatiale induite est donc gaussienne et l'application de cette phase au faisceau incident modifie sa propagation. Par conséquent, suite à la propagation du faisceau laser dans le matériau d'indice non linéaire 2, le profil spatial du faisceau laser varie.
[0047] Le paramètre essentiel pour la formation du faisceau laser "top-hat" est la valeur de la phase spatiale induite par l'effet non linéaire. Cette valeur dépend entre autre de l'intensité du faisceau incident et de l'indice de réfraction du matériau non-linéaire. [0048]Avec une phase spatiale induite pour laquelle la différence entre le centre et le bord du faisceau est de l'ordre de deux radians, on obtient une zone "top- hat" 4 située dans l'espace virtuel et dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Cette zone "top-hat" 4 est située ici en amont du matériau d'indice non linéaire 2 dans le sens de propagation du faisceau laser incident 3, c'est-à-dire entre la source laser 9 et la lame 10 car n2 est positif comme dans la plupart des matériaux non linéaires. Cette zone "top- hat" 4 comporte une zone intermédiaire 5, dans laquelle la distribution spatiale d'énergie du faisceau laser est annulaire, et deux plans 6 et 7, situés de part et d'autre de la zone intermédiaire 5, et dans lesquels la distribution spatiale d'énergie du faisceau laser est uniforme. A l'extérieur de la zone « top-hat » 4, le faisceau laser 3 reprend progressivement une forme gaussienne.
[0049] Un système optique 8, qui est ici une lentille 1 1 , réalise ensuite une image réelle 4' de cette zone "top-hat" 4. L'image réelle 4' comporte également une zone intermédiaire réelle 5' dans laquelle le faisceau incident présente une répartition d'énergie annulaire et deux plans 6' et 7' dans lesquels le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme. Par conséquent, dans l'espace réel, le profil spatial du faisceau laser varie : l'espace réel comporte en effet une zone 4' dans laquelle le faisceau présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire, et en dehors de cette zone 4', le faisceau laser reprend progressivement un profil gaussien.
[0050] La figure 2 est une simulation qui représente l'évolution du profil spatial du faisceau laser dans l'espace réel en fonction de la distance D à laquelle on se trouve du foyer de la lentille 1 1 . La lentille 1 1 utilisée dans cette simulation possède une focale f de 60 cm. Le diamètre du faisceau incident d est de 2 mm et le matériau non linéaire et l'intensité du faisceau incident sont choisis de façon à ce que la phase spatiale non linéaire φ maximale soit de deux radians. On constate alors que le profil spatial du faisceau laser évolue en fonction de la distance à laquelle on se trouve du foyer de la lentille. Au foyer de la lentille, la distance D est nulle et le faisceau laser est gaussien. A 3,5 cm du foyer de la lentille et à 35 cm, le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme. Entre 4,3 cm et 15 cm, le faisceau laser présente une répartition d'énergie annulaire.
[0051] Pour avoir un faisceau à répartition d'énergie uniforme, il suffit donc de se placer dans un plan P disposé à 35 cm ou à 3,7 cm du foyer de la lentille. [0052] Plus généralement, le procédé et le dispositif selon l'invention sont très avantageux car ils autorisent une grande tolérance dans le positionnement du plan P. En effet, dans l'espace virtuel, dans le cas où n2 est positif, l'étendue et la position de la zone "top-hat" 4 dépendent de la phase spatiale non linéaire et du diamètre du faisceau. La distance Δ entre le premier plan "top-hat" 7 et la lame en matériau non-linéaire 2 est proportionnelle au carré du diamètre du faisceau laser et est inversement proportionnelle à la valeur de la phase maximum.
[0053] La formule empirique établie à partir des simulations donne pour le calcul de Δ : Δ « 0.13 * 2π/λ* d2/(|), où d est le diamètre à mi-hauteur du faisceau laser incident et φ la valeur maximale de la phase spatiale non linéaire.
[0054] La figure 3 est une simulation qui représente le profil spatial du faisceau laser dans différents plans situés chacun dans l'espace virtuel à une distance Δ de la lame en matériau non linéaire. Il apparaît clairement sur cette figure que le faisceau laser est "top-hat" dans toute la zone qui est située entre 1 ,3 m et 2 m du matériau non linéaire. Par conséquent, le faisceau laser reste supergaussien ou "top-hat" sur une grande plage de positions par rapport à la lame en matériau non linéaire et on a une tolérance sur le positionnement du plan « top-hat » 7 de plus ou moins 20%. La figure 3 permet de localiser le premier plan "top-hat" 7 et de savoir qu'il se trouve à une distance comprise entre 1 ,3 et 2 m du matériau non linéaire 2.
[0055] La lentille 1 1 réalise ensuite une image réelle de cette zone "top-hat" 4.
[0056] La figure 4 est une simulation qui représente le profil spatial du faisceau laser dans l'espace réel à différentes distances D du foyer de la lentille 1 1 . En effet, pour observer la distribution "top-hat", il faut utiliser un système optique et obtenir une image réelle de la zone « top-hat » 4. En connaissant la position et le diamètre d'un faisceau "top-hat" virtuel, il est possible de manipuler l'image comme n'importe quel objet optique et de l'observer dans l'espace réel. Avec une lentille de focale f placée à la distance e du matériau non-linéaire, le faisceau "top-hat" considéré se trouve à une distance D après le foyer de la lentille telle que D=f2/(e+A-f). [0057] Le choix de la focale de la lentille et de sa position dépend du résultat désiré, en termes de dimension et de position du faisceau "top-hat".
[0058] On constate sur la figure 4 que le faisceau laser présente une répartition d'énergie annulaire lorsque l'on se trouve à une distance D=26 cm du foyer de la lentille 1 1 et que le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme lorsque l'on se trouve à une distance D comprise entre 36 et 51 cm du foyer de la lentille.
[0059] Comme dans l'espace virtuel, il existe une tolérance importante sur la position du plan "top-hat" ou supergaussien. [0060] L'ordre de la supergaussienne évolue en fonction de la distance D ce qui permet en pratique une grande flexibilité.
[0061] Les figures 6, 7 et 8 montrent les résultats obtenus avec le dispositif de la figure 1 . Les résultats ont été obtenus avec un laser femtoseconde 9 qui produit des impulsions ayant une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et un diamètre de 8 mm. La lame 10 produisant l'effet non-linéaire est en calcite, d'indice non-linéaire 7.10"20 m2/W, et d'épaisseur 2,5 cm. La focale de la lentille 1 1 est de 2 m. Afin d'éviter des effets non linéaires supplémentaires dans l'air au niveau du foyer, la propagation après la lentille 1 1 se fait sous vide.
[0062] La figure 6 représente en (a) la forme du faisceau obtenu à la sortie de la source laser 9 et en (b) la forme du faisceau laser au foyer de la lentille 1 1 . Dans les deux cas, le faisceau laser est gaussien.
[0063] La figure 7 représente le profil spatial du faisceau laser obtenu dans différents plans P, situés respectivement à une distance D du foyer de la lentille égale à 24, 34 et 46 cm. On constate que le faisceau laser est "top-hat" dans les plans P situés à 34 cm et à 46 cm du foyer de la lentille. Le faisceau laser "top- hat" situé dans le plan P à 34 cm présente une forme de supergaussienne d'ordre 4, tandis que le faisceau laser "top-hat" situé dans le plan P à 46 cm présente une forme de supergaussienne d'ordre 3. [0064] La figure 8 représente le profil du faisceau laser dans trois plans P placés respectivement à trois distances D égales à 27, 40 et 46 cm du foyer de la lentille 1 1 après passage dans un trou de filtrage de 800 μιτι placé au foyer de la lentille. Le trou de filtrage ajouté au foyer de la lentille permet de lisser les irrégularités de la fluence.
[0065] L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation présenté précédemment. En particulier, dans le mode de réalisation présenté sur les figures 1 à 4, l'intensité du faisceau laser incident, son diamètre et le matériau non linéaire sont choisis de façon à ce que la phase spatiale non linéaire du faisceau laser présente un maximum égal à 2 radians. Cependant, on peut choisir d'autres valeurs de l'intensité du faisceau laser incident, de son diamètre, de l'indice de réfraction du matériau non linéaire et de son épaisseur afin d'avoir soit la même valeur soit d'autres valeurs de la phase spatiale non linéaire maximale.
[0066] La figure 5 représente l'évolution du profil spatial du faisceau laser dans un plan P en fonction de la phase spatiale non linéaire maximale du faisceau laser. On constate sur cette figure que, lorsque la phase maximale est nulle, le faisceau laser est gaussien. Dans le cas contraire, la répartition de l'énergie du faisceau laser est approximativement supergaussienne, l'ordre de la supergaussienne variant de 2 à 4. Plus la phase spatiale non linéaire maximale est grande, plus l'ordre de la supergaussienne est élevé. Au-delà d'une phase maximale de 4 radians, la forme du profil spatial du faisceau laser ne change plus sauf si la dispersion dans le matériau non linéaire ne peut pas être négligée : dans ce cas, la forme du faisceau "top-hat" est modulée.
[0067] Les simulations montrent que pour une phase spatiale maximale supérieure à 2 radians, le diamètre du faisceau supergaussien est 1 ,7 fois plus grand que le diamètre du faisceau gaussien initial tel qu'il serait sans effet non linéaire.
[0068]Afin d'obtenir la mise en forme souhaitée pour un faisceau laser donné, il faut choisir le matériau non linéaire et son épaisseur de manière à avoir une différence de phase de quelques radians entre le centre et le bord du faisceau. Pour tenir compte de la dispersion du matériau, on introduit un facteur k dans la formule donnant la phase φ :
[0069] φ = k 2π n L / λ = k 2π ( n0+n2 1) L / λ
[0070] La dispersion diminue l'intensité du faisceau en augmentant sa durée. Cet effet est plus ou moins important, selon le spectre initial du laser et selon la longueur et la dispersion de la vitesse de groupe du matériau. Si la dispersion est négligeable, k = 1 .
[0071]Sur le tableau 1 est présentée l'intensité nécessaire à l'obtention d'une phase maximale égale à 2 et 4 radians en fonction de la durée initiale de l'impulsion (donc de son spectre). Les conditions du calcul sont les suivantes: la lame mesure 10 mm d'épaisseur avec une dispersion de vitesse de groupe égale à 400 fs2/cm et un indice non linéaire n2 = 7 10"20 m2/W. Le diamètre du faisceau à mi-hauteur est égal à 2 mm.
Figure imgf000018_0001
Tableau 1 : Intensité nécessaire pour avoir une phase spatiale induite maximale de 2 ou 4 radians.
[0072] La lame produisant l'effet non linéaire peut être placée dans un faisceau laser incident parallèle, convergent ou divergent ou au waist du faisceau.
[0073] La figure 9 montre un dispositif où la lame est placée, après la lentille, dans un faisceau convergent. Ce dispositif est équivalent au dispositif de la figure 1 avec une lentille dont la focale serait égale à la focale de la lentille placée avant la lame moins la distance de la lame à cette lentille. Le dispositif équivalent, tracé en pointillé rouge sur la figure 9 permet de calculer la position et le diamètre du faisceau laser "top-hat" comme dans le cas de la figure 1 .
[0074] L'intérêt de ce montage est de pouvoir ajuster l'intensité du faisceau incident sur la lame non linéaire en choisissant la valeur du diamètre du faisceau interagissant avec la lame non linéaire.
[0075] Le dispositif selon l'invention est particulièrement avantageux puisqu'il est simple et auto-adapté aux paramètres du faisceau laser. L'utilisation du faisceau incident pour auto-induire la phase spatiale qui conduira à la répartition uniforme d'énergie élimine les problèmes d'alignement et de centrage du faisceau laser comme il peut y en avoir avec une lame de phase concrète.
[0076] Le dispositif est donc flexible et robuste. La plage de positions où le faisceau laser est "top-hat" est importante, de même la plage de valeurs de phase utilisable est assez grande, ce qui permet d'accepter des instabilités d'énergie ou de durée du faisceau laser incident. En outre, il n'y a pas de perte d'énergie. [0077] Le processus est peu coûteux. Le matériau non linéaire peut être du verre optique donc un matériau peu cher. En outre, il n'y a pas de coût de développement et de fabrication de la lame de phase.
[0078] La technique est achromatique. Elle ne dépend pas de la longueur d'onde et est efficace quelle que soit la longueur d'onde dès lors que le matériau non- linéaire est transparent.
[0079] Naturellement, le procédé et le dispositif selon l'invention ne sont pas limités aux modes de réalisation présentés ici. On pourra par exemple utiliser toutes sortes de matériaux ayant un indice de réfraction non linéaire du moment que la phase spatiale maximale est comprise entre 1 et 10 radians. Le procédé selon l'invention peut également être utilisé avec tout type de sources laser, dont la durée peut être comprise entre la femtoseconde et quelques nanosecondes et où l'énergie peut être supérieure au nanojoule. Le procédé peut donc être appliqué à tous les faisceaux laser, la seule limite étant la tenue au flux du matériau non linéaire. [0080] Les caractéristiques suivantes de l'invention :
• le choix d'un premier ensemble de paramètres comprenant l'intensité du faisceau laser incident, le diamètre du faisceau laser incident, l'indice de réfraction du matériau non linéaire et son épaisseur ; · une différence de phase spatiale entre le centre et le bord du faisceau comprise entre 1 et 10 radians ;
• la création, dans ces conditions, d'un effet Kerr optique sur le faisceau laser ;
• la création d'une zone « top-hat » (4) dans un espace virtuel ;
· un matériau non linéaire ayant un indice non linéaire (n2) positif,
permettent de d'obtenir les avantages suivants :
• le faisceau laser reste "top-hat" sur une grande plage de positions par rapport à la lame en matériau non linéaire ;
• on a une tolérance sur le positionnement du plan « top-hat » 7 de plus ou moins 20% ;
• il est possible de manipuler l'image comme n'importe quel objet optique ;
• Comme dans l'espace virtuel, il existe une tolérance importante sur la position du plan "top-hat". [0081] Il en résulte une grande flexibilité de configuration et une adaptation permettant de nombreuses utilisations de ce type de laser. En effet, augmenter la zone « top-hat » permet une grande marge de réglage du dispositif optique. Par ailleurs, la phase non linéaire est calculée et utilisée pour la formation de la zone top-hat. [0082] L'invention permet, par ailleurs, de ne pas restreindre le diamètre du faisceau qui peut être notamment supérieur à 5mm, il peut être également non centré sur la lame tout en assurant une bonne performance.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de transformation d'un faisceau laser incident (3) à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser « top-hat » au passage d'un premier matériau, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:
- Une étape de configuration comprenant le choix d'un premier ensemble de paramètres comprenant :
· une intensité du faisceau laser incident ;
• un diamètre du faisceau laser incident ;
• un indice de réfraction du premier matériau non linéaire et ;
• une épaisseur du premier matériau ;
- Une étape d'émission d'un faisceau laser incident (3) traversant le premier matériau non linéaire ayant un indice non linéaire (n2) positif, le choix du premier ensemble de paramètres et la disposition du premier matériau permettant :
• la création, dans ces conditions, d'un effet Kerr optique sur le faisceau laser ;
· après passage dans le premier matériau non linéaire (2), au faisceau laser (3) de présenter une différence de phase spatiale entre le centre et le bord du faisceau comprise entre 1 et 10 radians ;
• la création, dans ces conditions, d'une zone « top-hat » (4) dans un espace virtuel dans laquelle le faisceau laser (3) présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire;
- wie-U e étape permettant la réalisation d'une image réelle (4') de la zone « top-hat »(4) à partir d'un système optique (8). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'intensité du faisceau laser incident, le diamètre du faisceau laser incident, l'indice de réfraction du premier matériau non linéaire et son épaisseur sont choisis de sorte que, après passage dans le premier matériau non linéaire (2), le faisceau laser (3) présente une différence de phase spatiale entre le centre et le bord du faisceau sensiblement égale à 2 radians.
Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape de configuration comprend le calcul d'un premier code permettant d'établir une formule empirique sur une distance entre le premier matériau non linéaire et un premier plan définissant la zone "top-hat, le premier code étant une fonction des paramètres suivants :
• de la longueur d'onde centrale du faisceau laser incident,
• de la largeur spectrale du faisceau laser incident,
• de la durée de l'impulsion du faisceau laser incident,
• de l'énergie et le diamètre du faisceau laser incident,
• de l'épaisseur du premier matériau non linéaire,
• de l'indice non linéaire du premier matériau non linéaire, et
• de la dispersion de vitesse de groupe du premier matériau non linéaire.
Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que selon le calcul du premier code, le diamètre du faisceau et la position du faisceau formé, un dispositif optique est configuré pour produire un faisceau "top-hat" dont la position et les dimensions sont prédéterminées.
Dispositif de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser "top-hat", caractérisé en ce qu'il comprend:
- des moyens d'émission (1 ) du faisceau laser incident (3);
- un matériau non linéaire (2) ayant un indice non linéaire positif, transparent au faisceau laser et disposé de manière à produire, à partir du procédé de l'une des revendications 1 à 4, un effet Kerr optique et une zone "top-hat" (4) dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire; - un système optique (8) disposé à une distance (e) du matériau non linéaire (2) telle que le système optique (8) réalise une image réelle (4') de la zone "top-hat" (4). 6. Dispositif de transformation selon la revendication 5, caractérisé en ce que :
- le matériau comprend une lame comprenant des faces parallèles, la lame induisant une phase spatiale par effet Kerr optique ;
- un système optique (8) convergent, ayant une focale, transforme le faisceau ayant acquis une phase par l'effet Kerr optique dans la lame.
7. Dispositif de transformation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la formation d'un faisceau comprenant une répartition d'énergie uniforme est obtenue en au moins un premier plan perpendiculaire à l'axe optique. 8. Dispositif de transformation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la formation d'un faisceau comprenant une répartition d'énergie en forme d'anneau est obtenue en au moins un second plan perpendiculaire à l'axe optique. 9. Dispositif de transformation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier ou le second plan est situé après le plan focal.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'émission (1 ) du faisceau laser incident (3) comprennent une source laser femtoseconde (9).
1 1 . Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le laser femtoseconde (9) émet des impulsions d'une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et d'un diamètre de 8 mm.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le matériau non linéaire (2) est constitué par du verre ou par un cristal optique.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 1 1 , caractérisé en ce que la lame (10) comporte une épaisseur de 2,5 cm.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que le système optique (8) est une lentille (1 1 ).
15. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lentille (1 1 ) est située à 20 cm du matériau non linéaire (2).
16. Dispositif de transformation selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lame est homogène et transparente au faisceau.
17. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lame est comprise dans le dispositif optique de manière à former un seul élément qui permet de créer une différence de phase dans le faisceau.
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