WO2012052446A1 - Source laser nanoseconde - Google Patents

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WO2012052446A1
WO2012052446A1 PCT/EP2011/068199 EP2011068199W WO2012052446A1 WO 2012052446 A1 WO2012052446 A1 WO 2012052446A1 EP 2011068199 W EP2011068199 W EP 2011068199W WO 2012052446 A1 WO2012052446 A1 WO 2012052446A1
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pump
fiber
wavelength
laser
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PCT/EP2011/068199
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Vincent Couderc
Philippe Leproux
Alessandro Tonello
Paul-Henri Pioger
Gilles Melin
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Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
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    • H01S3/1695—Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants germanium

Definitions

  • the present invention relates to a low-cost nanosecond laser source, in particular a laser source with an emission wavelength around 1.5 ⁇ for the generation of laser pulses with ocular safety or the generation of pulses suitable for characterization. of cells.
  • the pulse duration of nanosecond or subnanosecond laser sources is typically between a few nanoseconds (a few hundred picoseconds) and a few tens of nanoseconds.
  • the microlasers then appear as an ideal solution for obtaining recurrence frequencies of a few Hz to more than 100 KHz with peak powers greater than 20 kW.
  • the microlaser mainly used today is based on the neodymium ion with a 1.064 ⁇ emission.
  • microlasers emitting 1.53 ⁇ are currently expensive components.
  • the choice of emission wavelengths in the microlasers is limited because of the limited number of "rare earth” ions that can be used, mainly neodymium, erbium and ytterbium.
  • sources low-cost laser having emission wavelengths beyond 1100 nm, both for applications requiring ocular safety, but also for cellular spectroscopy applications, particularly in the spectral region related to the zone d 'Fingerprint' of the cell.
  • the invention proposes a low-cost laser source enabling high power emission at wavelengths above 1100 nm.
  • the invention relates to a laser source comprising a primary laser emission source at a given pump wavelength ⁇ , a nonlinear fiber with abnormal chromatic dispersion for ⁇ and at least two dispersion zeroes, said nonlinear fiber having at least two concentric or juxtaposed cores, coupled to a wavelength ⁇ ⁇ greater than ⁇ 0 , and means for coupling the pump wave in one of said cores of said nonlinear fiber.
  • the applicant has demonstrated a remarkable emission peak around the coupling wavelength of the cores, notably allowing laser emission at wavelengths greater than 1100 nm.
  • the cores are arranged concentrically.
  • the hearts are juxtaposed.
  • the nonlinear fiber is microstructured.
  • the coupling means comprise a primer fiber adapted to guide the pump wave and inject it selectively into one of the cores of the nonlinear fiber.
  • the coupling means comprise a lens.
  • the primary laser source is a nanosecond or subnanosecond pulse laser source.
  • the laser source further comprises means for exerting a reversible mechanical stretching of the nonlinear fiber, making it possible to make the source tunable.
  • the pump wave is coupled into the core having the smaller diameter.
  • the invention relates to a CARS microscopic imaging system of a sample comprising a pump path with a source of emission of a pump beam, a probe path comprising a laser source according to one of any of the preceding claims, means for combining the excitation path and the pump path, and a CARS microscope.
  • the CARS microscopic imaging system comprises a primary laser source and a separator for forming said pump and probe pathways.
  • the invention relates to a method of emitting a laser wave, comprising the emission of a primary laser radiation at a given pump wavelength ⁇ , and the coupling of the primary laser radiation in a hearts of a nonlinear fiber for ⁇ anomalous chromatic dispersion and at least two zeros of dispersion, and having at least two juxtaposed or concentric cores, coupled to a wavelength ⁇ ⁇ greater than ⁇ 0.
  • FIG. 2a scanning electron microscope image of a transverse section of a microstructured dual-core fiber suitable for implementation a source according to the invention
  • FIG. 2b curve showing the calculated chromatic dispersion of the fundamental mode of the central core of the fiber as a function of the wavelength in a fiber of the type of FIG. 2a;
  • Figures 3a, 3b transverse distribution of the field propagating in a fiber of the type of Figure 2a at two different wavelengths
  • the laser source according to the invention comprises a primary laser source and a non-linear fiber with at least two cores and at least two dispersion zeros.
  • the primary source emits laser radiation at a given wavelength ⁇ 0 , called the pump wave.
  • the pump wave is coupled in the nonlinear fiber using suitable coupling means.
  • the laser source according to the invention is a nanosecond or subnanosecond pulse source, typically of pulse duration between 100 ps and 10 ns.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a laser source according to the invention.
  • the laser source 2 comprises a primary laser source 3 emitting laser radiation at a given wavelength ⁇ 0 , called the pump wave.
  • the pump wave is coupled in a coupled two-core non-linear fiber 5, the non-linear fiber 5 having an abnormal dispersion at the pump wavelength and dispersion zeros on either side of this length pump wave.
  • a primer fiber 7 allows coupling of the pump wave in the non-linear fiber 5.
  • the pump laser beam from the primary laser source 3 is coupled in the primer fiber 7, and - even coupled to the nonlinear fiber 5, for example by a weld 9.
  • the primer fiber 7 can be, for example, a standard profile type HI 980 nm fiber, monomode at the pump wavelength ⁇ 0 .
  • the primer fiber 7 also allows for optimal selective injection into one of the cores of the nonlinear fiber 5.
  • other means than a primer fiber may be used.
  • the use of a primer fiber facilitates the guiding of the pump wave and the excitation of the non-linear fiber 5.
  • the radiation of the The pump wave is converted in the nonlinear fiber 5 to a radiation at a wavelength ⁇ ⁇ close to the wavelength of the second dispersion zero.
  • a filter 11 may be used to select the conversion wavelength.
  • the primary laser source 3 is for example a sub-nanosecond microlaser emitting pulses at 1.064 ⁇ .
  • This laser is, for example, triggered passively by a solid saturable absorber of the CR4 +: YAG type. Any other laser source can nevertheless be used. This is particularly well suited because of its ease of design and its low manufacturing cost.
  • the nonlinear fiber 7 may be, for example, a concentric double-core photonic crystal fiber, of which a cross section 13 is shown in Figure 2a.
  • a nonlinear fiber is described for example in the article by F. Gércons et al. "Design of dispersion-compensating fibers based on a dual-concentric-core photonic crystal fiber", Optics letters, Vol. 29, No. 23 (2004).
  • the nonlinear fiber may be silica doped with germanium ions.
  • the nonlinear fiber 7 may, for example, have a length in the order of 1 to 2 m.
  • the microstructured fiber has two concentric cores 14a, 14b, formed by air holes.
  • the small core 14b is adapted to guide a wavelength of 1.064 ⁇ which corresponds to the pump wavelength.
  • the chromatic dispersion curve for the microstructured fiber of Figure 2a is shown in Figure 2b. This curve is calculated using simulation software, for example the "COMSOL Multiphysics Simulation Software" software from COMSOL.
  • the dispersion curve comprises an abnormal dispersion region 17 delimited by two dispersion zeros 19, 21.
  • FIGS. 3a and 3b respectively show transverse profiles of the pump and laser beam guided modes, in a microstructured fiber of the type of FIG. 2a.
  • the primary laser source is a microlaser emitting at 1.064 ⁇ .
  • the pump mode 25 has a wavelength of 1064 nm
  • the laser mode 27 has a wavelength of 1450 nm.
  • the pump mode changes according to a spectral shift due to the nonlinear effects in the fiber. For a wavelength of 1064 nm the electromagnetic field remains confined in the central core (14b, Figure 2a). The longer the wavelength increases, the more the field spreads, under the effect of diffraction, until it is coupled in the annular core (14a, FIG. 2a).
  • the coupling wavelength is close to 1550 nm.
  • the modes corresponding to wavelengths between 1400 and 1600 nm may have a transverse profile like that shown in Figure 3b.
  • the emission of the laser wave at 1550 nm is directly related to this spatial enlargement effect.
  • FIG. 4a illustrates the spectrum obtained with a laser source according to the invention comprising a double core microstructured fiber as described in FIG. 2a.
  • the spectrum 29 is measured with an optical analyzer of type A DO AQ-6315A.
  • the spectrum 29 comprises, among others, two peaks 31, 33 corresponding to the pump wavelength 31 and the converted radiation wavelength 33.
  • ⁇ 0 1064 nm
  • ⁇ ⁇ 1550 nm .
  • the powers emitted at the wavelengths of pump and converted wave have the same order of magnitude in this example.
  • the wavelength of the laser mode can be filtered using filter 11.
  • Figure 4b shows an emission spectrum for a single core fiber and two dispersion zeros.
  • the pump wavelength is also 1064 nm.
  • the power emitted at the pump wavelength 32 is much greater than that of the converted radiation 34.
  • the Applicant has demonstrated the appearance of an intensity peak in the emission spectrum close to the second dispersion zero if the nonlinear fiber is pumped with radiation having a wavelength for which the dispersion chromatic is abnormal. This effect can be explained by the sequence of nonlinear phenomena during propagation in the fiber.
  • the coupling of the pump wave in the first core (small core 14b) of the nonlinear fiber, at an abnormal dispersion wavelength, generates the creation of solitonic waves by temporal compression resulting from the impact dispersion and Kerr effect.
  • the power spectral density is thus weakened and the non-linear effects of the fiber are no longer effective, ie, the evolution of the spectrum towards the long wavelengths is stopped. A concentration of the energy is then obtained at a wavelength ⁇ ⁇ close to the second dispersion zero.
  • the emission spectrum of the laser source according to the invention is thus dominated by the emission at ⁇ ⁇ .
  • the nonlinear fiber used for the implementation of the source according to the invention may be any other non-linear fiber with at least two cores and at least two zeros dispersing around an area abnormal dispersion.
  • the cores may be concentric or juxtaposed as long as they are coupled to at least one wavelength ⁇ ⁇ .
  • the diameters of the hearts are of the same order of magnitude and the space between the hearts of the same order of magnitude as the diameters of the cores to allow the coupling.
  • the emission wavelength ⁇ ⁇ obtained by the nonlinear conversion is directly related to the position of the second dispersion zero. It is therefore controllable by the material of the non-linear fiber and the transverse profiles of the cores thereof and, where appropriate, by microstructuring.
  • the optogeometric parameters of the nonlinear fiber can thus be sized to obtain a suitable dispersion curve.
  • the emission wavelength is linked to the optogeometric parameters of the nonlinear fiber, the applicant has shown that it is also possible to vary the emission wavelength and reversibly by mechanically stretching the fiber. non-linear.
  • a tunable source with a variation of the order of a few percent of the emission wavelength (corresponding to about 100 nm) can thus be obtained.
  • the laser source according to the invention can be used in many applications for which a low cost source emitting between 1100 nm and 1200 nm typically is sought. These applications include, for example, without this list being exhaustive, LIDAR (1.5 ⁇ laser remote sensing), CARS microscopy (according to the abbreviation of the Anglo-Saxon term “coherent anti-Stokes Raman scattering", based on stimulated Raman spectroscopy), nonlinear spectroscopy, OCT (coherent optical tomography), and the characterization of cells in the region. 'digital print.
  • FIG. 5 shows a CARS system, Le., An experimental mounting example for an application of the laser source according to an embodiment of the invention with CARS microscopy.
  • the CARS system 20 comprises a primary source 3 emitting nanosecond or sub-nanosecond pulses and two outputs (or optical paths) 22, 24.
  • a beam splitter is used to generate the two outputs 22, 24 of the CARS system 20.
  • the separator is advantageously a separator with controlled powers for controlling the respective energies of the pulses propagating along the two outlets 22, 24.
  • the separator comprises a half wave plate (or ⁇ / 2) 41 and a polarization separator cube 43.
  • the first channel 22, called the probe path, corresponds to a laser source according to an embodiment of the invention.
  • the probe path 22 comprises, for example, a lead fiber 7 and a nonlinear fiber 5 which are coupled together by a weld 9.
  • the second path 24, called the pump path comprises an element multipassage optical delay device, making it possible to compensate for the variation of the optical paths between the two channels and to ensure the simultaneous focusing of the pump and probe beams in the sample.
  • the pump path 24 can be fiberized.
  • the two paths are recombined using a combiner 45.
  • the combiner 45 can be, for example, a dichroic mirror or a polarizer.
  • the recombinant beams then enter a CARS microscope 47.
  • a filter 11 may be placed in front of the microscope 47 to select the probe wavelength and the pump wavelength.
  • the CARS system 20 further comprises in this example a half wave plate 51 for selecting the polarization of the incident pump beam on the sample.
  • CARS stimulated Raman spectroscopy identifies the vibrational bonds present in a sample.
  • Laser pulses corresponding respectively to the pump and excitation channels, pulsations ⁇ and ⁇ are sent into the sample.
  • the difference of pulsations is equal to the vibration ⁇ of the vibrational level of the sample that we want to address.
  • the presence of this new radiation is the signature of the presence of the vibrating link at the ⁇ pulse in the sample.
  • the radiation centered around the wavelength ⁇ ⁇ has a spectral width of approximately 200 nm, which makes it possible to simultaneously probe several specific vibrational connections.
  • the method and the laser emission device according to the invention comprise various variants, modifications and improvements which will be apparent to those skilled in the art, being understood that these various variants, modifications and improvements are within the scope of the invention, as defined by the claims that follow.

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Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne une source laser (2) comprenant une source d'émission laser primaire (3) à une longueur d'onde de pompe λ0 donnée, une fibre non linéaire (5) à dispersion chromatique anormale pour λ0 et au moins deux zéros de dispersion, ladite fibre non linéaire présentant au moins deux cœurs concentriques ou juxtaposés, couplés à une longueur d'onde λ0 supérieure à λ0, et des moyens de couplage (7, 9) de l'onde de pompe dans un desdits cœurs de ladite fibre non linéaire.

Description

SOURCE LASER NANOSECONDE ETAT DE L'ART
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne une source laser nanoseconde à faible coût, notamment une source laser à longueur d'onde d'émission autour de 1,5 μιη pour la génération d'impulsions laser à sécurité oculaire ou la génération d'impulsions adaptées à la caractérisation de cellules.
Etat de l'art
Actuellement, beaucoup d'applications nécessitent l'utilisation d'un rayonnement impulsionnel subnanoseconde avec des puissances crêtes importantes et un coût faible. Par opposition aux sources lasers impulsionnelles dites picosecondes ou femtosecondes, la durée d'impulsion des sources laser dites nanosecondes ou subnanosecondes est typiquement comprise entre quelques fractions de nanosecondes (quelques centaines de picosecondes) et quelques dizaines de nanosecondes. Les microlasers apparaissent alors comme une solution idéale permettant d'obtenir des fréquences de récurrence de quelques Hz à plus de 100 KHz avec des puissances crêtes supérieures à 20 kW. Le microlaser principalement utilisé aujourd'hui est basé sur l'ion néodyme avec une émission à 1,064 μιη. Des publications ont également montré la faisabilité d'un microlaser basé sur l'ion erbium, avec une émission à 1,53 μιη (voir par exemple R. Hàring et al, « Passively Q- switched microchip laser at 1,5 μιη », J. Opt. Soc. Am. B, Vol.18, N°12 (2001) ou M. Brunei et al. « Wavelength locking of CW and Q-Switched Er3+ microchip lasers to acétylène absorption Unes using pump-power modulation », Optics Express Vol. 15, N° 4 (2007)). Une source d'émission à cette longueur d'onde présente de nombreux avantages. Notamment, elle permet des applications de type télémétrie laser ou analyse de gaz en environnement non protégé, en conditions dites de « sécurité oculaire », du fait de l'absorption par les milieux aqueux de l'œil.
Cependant, les microlasers émettant à 1,53 μιη restent à l'heure actuelle des composants onéreux. Par ailleurs, le choix des longueurs d'onde d'émission dans les microlasers est limité du fait du nombre restreint d'ions « terre rare » utilisables, principalement le néodyme, l'erbium, l'ytterbium. Or il y a un besoin pour des sources laser bas coût, présentant des longueurs d'onde d'émission au-delà de 1100 nm, à la fois pour les applications nécessitant une sécurité oculaire, mais aussi pour les applications de spectroscopie cellulaire, notamment dans la région spectrale liée à la zone d' « empreinte digitale » de la cellule.
L'invention propose une source laser à bas coût, permettant une émission à forte puissance à des longueurs d'onde au-delà de 1100 nm.
RESUME DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, l'invention concerne une source laser comprenant une source d'émission laser primaire à une longueur d'onde de pompe λο donnée, une fibre non linéaire à dispersion chromatique anormale pour λο et au moins deux zéros de dispersion, ladite fibre non linéaire présentant au moins deux cœurs concentriques ou juxtaposés, couplés à une longueur d'onde λρ supérieure à λ0, et des moyens de couplage de l'onde de pompe dans un desdits cœurs de ladite fibre non linéaire. La déposante a mis en évidence un pic d'émission remarquable autour de la longueur d'onde de couplage des cœurs, permettant notamment une émission laser à des longueurs d'onde supérieures à 1100 nm.
Selon un mode de réalisation, les cœurs sont agencés de manière concentrique.
Selon un mode de réalisation, les cœurs sont juxtaposés.
Avantageusement, la fibre non linéaire est microstructurée. Selon un mode de réalisation, les moyens de couplage comprennent une fibre amorce adaptée pour guider l'onde de pompe et l'injecter de manière sélective dans un des cœurs de la fibre non linéaire.
Selon un autre mode de réalisation, les moyens de couplage comprennent une lentille. Selon un mode de réalisation, la source laser primaire est une source laser impulsionnelle nanoseconde ou subnanoseconde.
Selon un mode de réalisation de l'invention, λο = 1,064 μπι. Selon un mode de réalisation de l'invention, λρ= 1,55 μιη.
Selon une variante, la source laser comprend en outre des moyens pour exercer un étirement mécanique réversible de la fibre non linéaire, permettant de rendre la source accordable. Selon un mode de réalisation, l'onde de pompe est couplée dans le cœur ayant le plus petit diamètre.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un système d'imagerie microscopique CARS d'un échantillon comprenant une voie de pompe avec une source d'émission d'un faisceau de pompe, une voie de sonde comprenant une source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, des moyens de combinaison de la voie d'excitation et de la voie de pompe, et un microscope CARS.
Selon un mode de réalisation, le système d'imagerie microscopique CARS comprend une source laser primaire et un séparateur pour former les dites voies de pompe et de sonde. Selon un troisième aspect, l'invention concerne une méthode d'émission d'une onde laser, comprenant l'émission d'un rayonnement laser primaire à une longueur d'onde de pompe λο donnée, et le couplage du rayonnement laser primaire dans un des cœurs d'une fibre non linéaire à dispersion chromatique anormale pour λο et au moins deux zéros de dispersion, et présentant au moins deux cœurs concentriques ou juxtaposés, couplés à une longueur d'onde λρ supérieure à λ0.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
- Figure 1, un exemple de réalisation d'une source laser selon l'invention ;
- Figure 2a, image prise au microscope électronique à balayage d'une coupe transverse d'une fibre microstructurée à double cœur adaptée à la mise en œuvre d'une source selon l'invention ;
Figure 2b, courbe montrant la dispersion chromatique calculée du mode fondamental du cœur central de la fibre en fonction de la longueur d'onde dans une fibre du type de la figure 2a ;
Figures 3a, 3b, distribution transversale du champ se propageant dans une fibre du type de la figure 2a à deux longueurs d'onde distinctes;
Figure 4a, 4b, courbes expérimentales montrant respectivement les spectres obtenus avec une source laser selon un exemple de réalisation de l'invention et une source comportant une fibre à cristal photonique standard ;
Figure 5, exemple de montage expérimental pour une application d'une source laser selon un exemple de réalisation de l'invention à la microscopie CARS.
DESCRIPTION DETAILLEE
La source laser selon l'invention comprend une source laser primaire et une fibre non linéaire à au moins deux cœurs et au moins deux zéros de dispersion. La source primaire émet un rayonnement laser à une longueur d'onde donnée λ0, appelée onde de pompe. L'onde de pompe est couplée dans la fibre non linéaire en utilisant des moyens de couplage adaptés. La source laser selon l'invention est une source impulsionnelle nanoseconde ou subnanoseconde, typiquement de durée d'impulsion comprise entre 100 ps et lO ns.
La figure 1 montre un exemple de réalisation d'une source laser selon l'invention. La source laser 2 comprend une source laser primaire 3 émettant un rayonnement laser à une longueur d'onde donnée λ0, appelée onde de pompe. L'onde de pompe est couplée dans une fibre non linéaire 5 à deux cœurs couplés, la fibre non linéaire 5 présentant une dispersion anormale à la longueur d'onde de pompe et des zéros de dispersion de part et d'autre de cette longueur d'onde de pompe. Dans l'exemple de la figure 1, une fibre amorce 7 permet le couplage de l'onde de pompe dans la fibre non linéaire 5. Le faisceau laser de pompe issu de la source laser primaire 3 est couplé dans la fibre amorce 7, elle- même couplée à la fibre non linéaire 5, par exemple par une soudure 9. La fibre amorce 7 peut être, par exemple, une fibre à profil standard de type HI 980 nm, monomode à la longueur d'onde de pompe λ0. La fibre amorce 7 permet également de réaliser une injection sélective optimale dans un des cœurs de la fibre non linéaire 5. Pour coupler l'onde de pompe dans la fibre non linéaire, d'autres moyens qu'une fibre amorce peuvent être utilisés. Par exemple, il est possible de coupler l'onde de pompe directement dans la fibre non linéaire avec une lentille. L'utilisation d'une fibre amorce facilite cependant le guidage de l'onde de pompe et l'excitation de la fibre non linéaire 5. Comme cela sera décrit par la suite, par effet solitonique et grâce au gain Raman, le rayonnement de l'onde de pompe est converti dans la fibre non linéaire 5 vers une radiation à une longueur d'onde λρ proche de la longueur d'onde du second zéro de dispersion. Un filtre 11 peut être utilisé pour sélectionner la longueur d'onde de conversion.
La source laser primaire 3 est par exemple un microlaser sub-nanoseconde émettant des impulsions à 1,064 μπι. Ce laser est par exemple déclenché de manière passive par un absorbant saturable solide de type CR4+ : YAG. Toute autre source laser peut néanmoins être utilisée. Celle-ci est particulièrement bien adaptée du fait de sa facilité de conception et de son coût de fabrication faiblement élevé.
La fibre non linéaire 7 peut être, par exemple, une fibre à cristal photonique à doubles cœurs concentriques, dont une coupe transversale 13 est montrée sur la figure 2a. Une telle fibre non linéaire est décrite par exemple dans l'article de F. Gérôme et al. « Design of dispersion-compensating fibers based on a dual-concentric-core photonic crystal fiber », Optics letters, Vol. 29, N°23 (2004). Par exemple, la fibre non linéaire peut être en silice dopée avec des ions de germanium. La fibre non linéaire 7 peut, par exemple, avoir une longueur dans l'ordre de 1 à 2 m. La fibre microstructurée possède deux cœurs concentriques 14a, 14b, formés par des trous d'air. Le petit cœur 14b est adapté pour guider une longueur d'onde de 1,064 μπι ce qui correspond à la longueur d'onde de pompe. La courbe de dispersion chromatique pour la fibre microstructurée de la figure 2a est représentée sur la figure 2b. Cette courbe est calculée en utilisant un logiciel de simulation, par exemple le logiciel « COMSOL Multiphysics Simulation Software » de la société COMSOL. La courbe de dispersion comporte une région de dispersion anormale 17 délimitée par deux zéros de dispersion 19, 21.
Les figures 3a et 3b montrent respectivement des profils transversaux des modes guidés de pompe et du faisceau laser, dans une fibre microstructurée du type de la figure 2a. La source laser primaire est un microlaser émettant à 1,064 μπι. Le mode de pompe 25 a une longueur d'onde de 1064 nm, et le mode laser 27 a une longueur d'onde de 1450 nm. Le mode de pompe 25 évolue en fonction d'un décalage spectral dû aux effets non linéaires dans la fibre. Pour une longueur d'onde de 1064 nm le champ électromagnétique reste confiné dans le cœur central (14b, figure 2a). Plus la longueur d'onde augmente, plus le champ s'étale, sous l'effet de la diffraction, jusqu'à se coupler dans le cœur annulaire (14a, figure 2a). Dans cet exemple, la longueur d'onde de couplage est proche de 1550 nm. Par exemple, les modes correspondant aux longueurs d'onde comprises entre 1400 et 1600 nm peuvent avoir un profil transversal comme celui représenté sur la figure 3b. L'émission de l'onde laser à 1550 nm est directement liée à cet effet d'élargissement spatial.
La figure 4a illustre le spectre obtenu avec une source laser selon l'invention comprenant une fibre microstructurée à double cœur comme décrite sur la figure 2a. Le spectre 29 est mesuré avec un analyseur optique de type A DO AQ-6315A. Le spectre 29 comporte, entre autres, deux pics 31, 33 correspondant à la longueur d'onde de pompe 31 et à la longueur d'onde de radiation convertie 33. Ici, λο= 1064 nm et λρ = 1550 nm. Les puissances émises aux longueurs d'onde de pompe et d'onde convertie ont le même ordre de grandeur dans cet exemple. En référence à la figure 1, la longueur d'onde du mode laser peut-être filtrée en utilisant le filtre 11.
Pour comparaison, la figure 4b montre un spectre d'émission 30 pour une fibre à cœur unique et deux zéros de dispersion. La longueur d'onde de pompe est également de 1064 nm. Ici, la puissance émise à la longueur d'onde de pompe 32 est bien supérieure à celle de la radiation convertie 34.
La déposante a montré que l'efficacité de la conversion non linéaire est directement liée à une double résonnance à la fois spectrale (onde dispersive) et spatiale (étalement du champ électromagnétique). Ainsi, la déposante a mis en évidence l'apparition d'un pic d'intensité dans le spectre d'émission proche du deuxième zéro de dispersion si la fibre non linéaire est pompée avec un rayonnement ayant une longueur d'onde pour laquelle la dispersion chromatique est anormale. Cet effet peut s'expliquer par l'enchaînement de phénomènes non linéaires lors de la propagation dans la fibre. Le couplage de l'onde de pompe dans le premier cœur (petit cœur 14b) de la fibre non linéaire, à une longueur d'onde de dispersion anormale, génère la création d'ondes solitoniques grâce à une compression temporelle provenant de l'impact de la dispersion et de l'effet Kerr. Ces solitons sont auto-décalés sous l'effet du gain Raman vers les grandes longueurs d'onde, c'est à dire vers le deuxième zéro de dispersion. Ainsi, l'énergie de l'onde de pompe est décalée vers les longueurs d'onde plus élevées. Ce décalage est stoppé à la longueur d'onde de couplage des cœurs, proche du deuxième zéro de dispersion, longueur d'onde à partir de laquelle l'état solitonique disparaît suite à l'étalement spatial de l'énergie dans le grand cœur (14a, figure 2a) et au changement de régime de dispersion. A la longueur d'onde de couplage en effet, l'indice effectif d'un mode se propageant dans un des cœurs est identique à l'indice effectif d'un mode se propageant dans l'autre cœur et l'énergie qui se propage dans un cœur peut se propager dans l'autre ; on parle de couplage par proximité. La densité spectrale de puissance est ainsi affaiblie et les effets non linéaires de la fibre ne sont plus efficaces, i.e., l'évolution du spectre vers les grandes longueurs d'onde est stoppée. Une concentration de l'énergie est alors obtenue à une longueur d'onde λρ proche du deuxième zéro de dispersion. Le spectre d'émission de la source laser selon l'invention est ainsi dominé par l'émission à λρ.
Bien que décrit selon un exemple particulier, la fibre non linéaire utilisée pour la mise en œuvre de la source selon l'invention peut-être toute autre fibre non linéaire à au moins deux cœurs et au moins deux zéros de dispersion autour d'une zone de dispersion anormale. Les cœurs peuvent être concentriques ou juxtaposés tant qu'ils sont couplés à au moins une longueur d'onde λρ. Typiquement, les diamètres des cœurs sont du même ordre de grandeur et l'espace entre les cœurs du même ordre de grandeur que les diamètres des cœurs pour permettre le couplage. La longueur d'onde d'émission λρ obtenue par la conversion non linéaire est directement liée à la position du second zéro de dispersion. Elle est donc contrôlable par le matériau de la fibre non linéaire et les profils transversaux des cœurs de celle-ci ainsi que, le cas échéant, par la microstructuration. En pratique, en fonction de la longueur d'onde d'émission recherchée, on pourra ainsi dimensionner les paramètres optogéométriques de la fibre non linéaire pour obtenir une courbe de dispersion adaptée.
La longueur d'onde d'émission étant liée aux paramètres optogéométriques de la fibre non linéaire, la déposante a montré qu'il était en outre possible de faire varier la longueur d'onde d'émission et de façon réversible en étirant mécaniquement la fibre non- linéaire. Une source accordable avec une variation de l'ordre de quelques pourcents de la longueur d'onde d'émission (correspondant à environ 100 nm) peut ainsi être obtenue.
La source laser selon l'invention peut être utilisée dans de nombreuses applications pour lesquelles une source bas coût émettant entre 1100 nm et 1200 nm typiquement est recherchée. Ces applications comprennent par exemple, sans que cette liste ne soit exhaustive, le LIDAR (télédétection par laser à 1.5 μπι), la microscopie CARS (selon l'abréviation de l'expression anglo-saxonne « cohérent anti-Stokes Raman scattering », basée sur la spectroscopie Raman stimulée), la spectroscopie non linéaire, l'OCT (tomographie optique cohérente), et la caractérisation de cellules dans la région d'empreinte digitale.
La figure 5 montre un système CARS, Le., un exemple de montage expérimental pour une application de la source laser selon un exemple de réalisation de l'invention à la microscopie CARS. Celle-ci permet l'analyse microscopique d'un échantillon, par exemple un échantillon biologique. Le système CARS 20 comprend une source primaire 3 émettant des impulsions nanoseconde ou sub-nanoseconde et deux sorties (ou chemins optiques) 22, 24. Un séparateur de faisceaux est utilisé pour générer les deux sorties 22, 24 du système CARS 20. Le séparateur est avantageusement un séparateur à puissances contrôlées pour contrôler les énergies respectives des impulsions se propageant selon les deux sorties 22, 24. Par exemple, le séparateur comprend une lame demi-onde (ou λ/2) 41 et un cube séparateur de polarisation 43. La première voie 22, dite voie de sonde, correspond à une source laser selon un exemple de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de la figure 5, la voie de sonde 22 comprend par exemple une fibre amorce 7 et une fibre non linéaire 5 qui sont couplées entre elles par une soudure 9. La seconde voie 24, dite voie de pompe, comprend un élément à retard optique multipassage, permettant de compenser la variation des chemins optiques entre les deux voies et d'assurer la simultanéité de la focalisation des faisceaux pompe et sonde dans l'échantillon. La voie de pompe 24 peut être fibrée. Les deux voies sont recombinées en utilisant un combineur 45. Le combineur 45 peut être, par exemple, un miroir dichroïque ou un polariseur. Les faisceaux recombinés entrent ensuite dans un microscope CARS 47. Un filtre 11 peut être placé devant le microscope 47 pour sélectionner la longueur d'onde de sonde et celle de pompe. Le système CARS 20 comprend en outre dans cet exemple une lame demi onde 51 permettant de sélectionner la polarisation du faisceau pompe incident sur l'échantillon.
La spectroscopie Raman stimulée CARS permet d'identifier les liaisons vibrationnelles présentes dans un échantillon. Des impulsions lasers correspondant respectivement aux voies de pompe et d'excitation, aux pulsations ω et ω sont envoyées dans l'échantillon. La différence de pulsations est égale à la pulsation Ω du niveau vibrationnel de l'échantillon que l'on veut adresser. Dans cette configuration de résonance ω - ω = Ω, le niveau vibrationnel de pulsation Ω est peuplé de manière stimulée et va pouvoir diffuser inélastiquement le faisceau de pulsation cop dans un faisceau de pulsation coaS= 2 ωρ- cog. La présence de cette nouvelle radiation est la signature de la présence de la liaison vibrant à la pulsation Ω dans l'échantillon. Dans l'exemple décrit en référence à la figure 5, la radiation centrée autour de la longueur d'onde λρ possède une largeur spectrale de 200 nm environ ce qui permet de sonder simultanément plusieurs liaisons vibrationnelles spécifiques.
Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le procédé et le dispositif d'émission laser selon l'invention comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Source laser (2) comprenant :
- une source d'émission laser primaire (3) à une longueur d'onde de pompe λο donnée, - une fibre non linéaire (5) à dispersion chromatique anormale pour λο et au moins deux zéros de dispersion, ladite fibre non linéaire présentant au moins deux cœurs concentriques ou juxtaposés, couplés à une longueur d'onde λρ supérieure à λ0, et
- des moyens de couplage (7, 9) de l'onde de pompe dans un desdits cœurs de ladite fibre non linéaire.
2. Source laser selon la revendication 1, dans laquelle les cœurs (14a, 14b) sont agencés de manière concentrique.
3. Source laser selon la revendication 1, dans laquelle les cœurs sont juxtaposés.
4. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la fibre non linéaire (5) est microstructurée.
5. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de couplage (7, 9) comprennent une fibre amorce (7) adaptée pour guider l'onde de pompe et l'injecter de manière sélective dans un des cœurs de la fibre non linéaire (5).
6. Source laser selon les revendications 1 à 4, dans laquelle les moyens de couplage comprennent une lentille.
7. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle λο = 1,064 μπι.
8. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle λρ= 1,55 μπι.
9. Source laser selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens pour exercer un étirement mécanique réversible de la fibre non linéaire.
10. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'onde de pompe est couplée dans le cœur ayant le plus petit diamètre.
11. Système d'imagerie microscopique CARS d'un échantillon comprenant :
- une voie de pompe (24) avec une source d'émission d'un faisceau de pompe ;
- une voie de sonde (22) comprenant une source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
- des moyens de combinaison (45) de la voie d'excitation et de la voie de pompe ; et
- un microscope CARS (47).
12. Système d'imagerie microscopique CARS selon la revendication 11, comprenant une source laser primaire (3) et un séparateur (41, 43) pour former les dites voies de pompe et de sonde.
13. Méthode d'émission d'une onde laser, comprenant :
- l'émission d'un rayonnement laser primaire à une longueur d'onde de pompe λο donnée ; et
- le couplage du rayonnement laser primaire dans un des cœurs d'une fibre non linéaire à dispersion chromatique anormale pour λο et au moins deux zéros de dispersion, et présentant au moins deux cœurs concentriques ou juxtaposés, couplés à une longueur d'onde λρ supérieure à λ0.
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