WO2020021196A1 - Device for processing light radiation, comprising a multi-plane light conversion device - Google Patents

Device for processing light radiation, comprising a multi-plane light conversion device Download PDF

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WO2020021196A1
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optical
radiation
mplc
output
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PCT/FR2019/051830
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French (fr)
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Clément JACQUARD
Guillaume LABROILLE
Olivier Pinel
Original Assignee
Cailabs
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14Mode converters
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/262Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical device for processing light radiation, for example modal filtering and / or shaping of this light beam, comprising a multiplanal light conversion device.
  • Any device for the spatial shaping of a light beam can be sensitive to the spatial parameters of this beam. Indeed, the quality of spatial shaping of a light beam can be altered if the spatial parameters of the beam are not those which were provided during the design of the shaping device.
  • amplitude filtering When the spatial parameters of a light beam are critical, it is common to perform amplitude filtering on the incident beam using one or more diaphragms and potentially an imaging optical system.
  • This method converts a variation in position and / or direction and / or size of the incident light beam into a loss of optical power and into a deformation of this beam.
  • this method has the advantage of simplicity of implementation, it only partially limits the effects of a variation in position and / or direction and / or size of the incident light beam in relation to the beam parameters. as they were supposed at the time of the design of the device.
  • the very nature of amplitude filtering implies an initial cost in optical power.
  • the present invention presents a device for processing light radiation, for example for modal filtering and / or shaping of light radiation.
  • This device implementing an MPLC device, differs from known methods based on diaphragms in that it makes it possible to process the input beam more completely while limiting the losses of optical power.
  • the object of the invention provides a device for processing light radiation comprising:
  • an MPLC conversion device arranged between the optical input and the optical output and configured to spatially separate, in a separation plane, the input radiation into useful radiation, in a target mode, which propagates towards the optical output and in disturbance radiation; at least one device for blocking the disturbance radiation, arranged in the separation plane so that it does not contribute to the output beam.
  • the processing device comprises a transmission device for shaping the useful radiation and forming the output beam; the processing device comprises a plurality of blocking devices respectively disposed in a plurality of separation planes in which part of the disturbing radiation is spatially isolated;
  • the blocking device comprises an absorbing, diffusing or reflecting optical element
  • the blocking device is integrated at least in part into the MPLC conversion device
  • the blocking device comprises a detection element for collecting at least part of the disturbing radiation
  • the transmission device comprises, arranged downstream of the conversion device, a diffractive optical element, a spatial phase modulator, an optical system comprising at least one lens, an axicon, a beam splitter and / or a second conversion device MPLC.
  • the transmission device is integrated at least in part into the MPLC conversion device.
  • the transmission device comprises at least one non-spherical and non-planar optical element, and preferably between 1 and 3 non-spherical and non-planar optical elements.
  • the non-spherical and non-planar optical element is a reflective optical element.
  • the processing device also includes a control device between the optical input and the MPLC conversion device.
  • control device is an inactive optical element
  • the MPLC conversion device is configured to transform a base of input modes into a base of output modes, the bases of input and output modes being with separable spatial variables.
  • FIG. 1 represents a first example of implementation of a processing device according to the invention
  • FIG. 2 is a graph representing the variation of the overlap between the mode of the output beam and the target mode and of the optical power in the output beam as a function of the direction of the input beam,
  • FIG. 3 represents a second example of implementation of a processing device according to the invention
  • FIG. 4 illustrates an example of modal decomposition of an input beam according to the invention
  • Figure 5 shows a modal filtering device according to the invention.
  • mode designates a transverse vector mode of the electromagnetic field, that is to say the data of the spatio-frequency amplitude and phase distributions associated with the two transverse spatial components of the mode.
  • a mode base is a set of orthonormal modes of the electromagnetic field. Consequently, the modification or the transformation of a mode base designates the spatio-frequency modification or transformation of at least one of the modes of the mode base.
  • the overlap between two modes is defined as the square module of the integral in a transverse plane of the scalar product between the two modes.
  • light beam is meant an electromagnetic field consisting of a mode or of a superposition of several modes.
  • the spatial parameters of the light beam denote the scalar parameters defining the amplitude and phase distributions associated with the electromagnetic field.
  • the position of the light beam defined as the position of the center of gravity of the beam intensity distribution in a plane perpendicular to the direction of propagation of the beam;
  • the horizontal or vertical size of the light beam defined as the standard deviation of the horizontal or vertical marginal intensity distribution (as well defined by the international ISO standard);
  • the divergence of the beam possibly anisotropic.
  • the light beams are polarized in a single direction.
  • the principles set out are entirely applicable to a light beam having more than one direction of polarization.
  • the spatial phase shift applied to a light beam by a phase mask in the context of the description may be expressed more generally as a spatio-frequency phase shift, that is to say modifying the phase shift according to the space variables in a transverse plane and according to the optical frequency.
  • Multi-Plane Light Converter For the sake of completeness, the principles of operation of a multiplanal light conversion device, more commonly known by the English terms “Multi-Plane Light Converter” (MPLC), are recalled.
  • MPLC Multi-Plane Light Converter
  • an incident light beam undergoes a succession of reflections and / or transmissions, each reflection and / or transmission being followed by propagation of the beam in free space.
  • the shape of the incident light radiation and the modified light radiation are different from one another.
  • microstructured surface it is meant that the surface of the optical part can have a relief, for example in the form of “pixels” whose dimensions are between a few microns to a few hundred microns. Each pixel has an elevation, with respect to an average plane defining the surface in question, of at most a few microns or at least a few thousandths of a micron.
  • An optical part having such a microstructured surface forms a phase mask introducing local phase shifts within the transverse section of the light beam which is reflected or transmitted therein.
  • FIG. 1 An example of implementation of a processing device 1 according to the invention.
  • Such a device 1 has an optical input 2 for receiving an input light beam from an optical source 3 and for propagating in the device 1 an input radiation, and an optical output 4 for emitting an output light beam.
  • the optical input and output 2, 4 consist of a single passage allowing the propagation in free space of the beams, but one could provide that this input and this output is one and / or the other formed by a connector or an optical stage, making it possible for example to couple the device 1 to at least one input and / or output optical fiber.
  • the processing device 1 comprises a multi-plane MPLC light conversion device 5 which makes it possible to provide modal filtering of the input beam, that is to say to separate and / or extract from the input beam unwanted modal components.
  • the output beam therefore corresponds, at a minimum, to the filtered input beam of undesired modal components.
  • the output beam has parameters chosen in advance (predetermined) and these may be different from the parameters of the input beam.
  • the MPLC device 5 can possibly be supplemented by any element for shaping the beam 6, also designated by the term of transmission device 6, once the filtering has been carried out.
  • an MPLC makes it possible to transform a base of input modes into a base of output modes. To design an MPLC, it is therefore necessary to define these two bases.
  • the input base is determined from an assumed (or nominal) input light beam.
  • the base of output modes of the MPLC is determined by the light beam desired at the output of the device and by the nature of the means of extraction of the optical power of the undesired modal components.
  • the mode of the desired light radiation (or “useful”) at the output of the MPLC device 5 will be designated as the target mode.
  • a supposed input mode the mode as close as possible to the mode of the input beam which will actually be used, • construct a family of modes from the assumed input mode of which at least one of the spatial parameters is varied,
  • the input base of the MPLC 5 can be constructed from the modes of the source rather than by the method described upper.
  • the assumed input mode is then the modal component of the assumed input beam having the most optical power.
  • the input mode base is composed of modes which are not entirely spatially disjoint.
  • a base for which there is a plane, called separation plane in the present description, in which the output modes other than the target mode are sufficiently spatially disjoint from the target mode so that these output modes can be blocked, for example by an absorbing or diffusing optical element, or deviated by a reflecting optical element, it being understood that the target mode undergoes an arbitrarily low energy loss.
  • separation plane in the present description, in which the output modes other than the target mode are sufficiently spatially disjoint from the target mode so that these output modes can be blocked, for example by an absorbing or diffusing optical element, or deviated by a reflecting optical element, it being understood that the target mode undergoes an arbitrarily low energy loss.
  • Gaussian output modes sufficiently spatially separated so that their overlap is zero two by two and distributed linearly in the separation plane, in a triangle or a rectangle.
  • the MPLC 5 of a device 1 conforming to the present description is configured to transform the base of input modes into the base of output mode while ensuring in particular that the assumed input mode is transformed into the target mode
  • the blocking, diffusing or reflecting optical element can be integrated into the device 1 of the invention. It can in particular be integrated into the MPLC 5, or physically separated from it, as is the case in the schematic representation of FIG. 1.
  • the MPLC 5 can in particular be accompanied by a detection element making it possible to collect the modes of MPLC 5 output associated with the disturbance modes of the incident light beam with a view to their total or partial detection.
  • the MPLC 5 makes a projection, in the mathematical sense of the term, of this particular beam on the basis of its input modes.
  • the optical power in each input mode of the MPLC 5 is transferred to the associated output mode.
  • the entire optical power of the particular input light beam (which then corresponds to the assumed input beam) is transferred by the MPLC to the mode target.
  • the useful power is transferred by the MPLC 5 from the assumed input mode to the target mode. in the form of useful radiation.
  • the share of optical power of the particular input light beam in the other modes of the base, designated as the non-useful power, is transferred by the MPLC 5 to the output modes, orthogonal to the target mode in the form of disturbance radiation.
  • the MPLC is configured to spatially separate, in a separation plane 7, the input radiation into useful radiation, in a target mode, which propagates towards the optical output 4 and into disturbance radiation.
  • the share of optical power in the output modes of the MPLC 5 orthogonal to the target mode, that is to say the disturbing radiation, can then be blocked by the blocking device 8, formed for example of an absorbing optical element , diffusing, or by any optical collection element for total or partial detection.
  • the MPLC 5 thus constitutes a passive modal filter where, within the limit of small variations in spatial parameters, the optical power of the light beam which is outside the assumed input mode is fully extracted.
  • the device 1 thus provides a device 8 for blocking the disturbing radiation, arranged in the separation plane, so that this radiation does not propagate towards the optical output 4 of the device and that it does not contribute to the output beam.
  • this blocking device 8 can comprise an optical blocking, diffusing and / or reflective element.
  • the optical power in the target mode at the output of the MPLC 5, that is to say the useful radiation can be directed, within the processing device 1 to another optical element 6 , designated by the term of transmission device 6 in the present description, forming a light beam.
  • This optical element 6 can be, for example, but not exclusively:
  • DOE diffractive optical element
  • At least one optical, transmissive or reflective, non-spherical and non-planar element such as an aspherical or free-form optical element (from the translation of the English expression “freeform optics”).
  • the shaping of the beam produced by the transmission device 6 can be implemented at least in part by another MPLC.
  • another MPLC it is possible to design an MPLC implementing successively or simultaneously the modal filtering function of a light beam and the function of shaping of this same light beam, or part of this shaping.
  • the target mode (constituting the useful radiation) and the other modes (constituting the disturbing radiation) may not all be separable in a single separation plane.
  • a plurality of blocking devices 8 will be provided which will be disposed respectively in the separation planes, in order to block the part of the spatially isolated disturbing radiation in each plane.
  • the output modes of the MPLC 5 are determined by the light beam desired at output 2 of the device 1.
  • a light beam at output is chosen here consisting of an identical target mode in the input mode, ie a light beam whose transverse spatial profile is Gaussian with a diameter of 1 mm.
  • the device 1 of this example does not include a transmission device 6 for shaping the output beam.
  • two modes identical to the target mode are chosen but spatially separated by 1.5 mm (150% of the diameter of the target mode), the three output modes being arranged at the corners of an isosceles triangle. This arbitrary but common value guarantees that the overlap between the output modes of the MPLC is less than 0.02% of their energy.
  • phase masks of the MPLC can be digitally generated using the method described for example in US9250454. We choose to use here 5 phase masks.
  • the phase plate implementing these phase masks can be manufactured, for example, from photolithography techniques. Once the phase plate is manufactured, it is assembled with the other optical components of an MPLC, for example with a mirror which faces it to form a multi-passage cavity, in which the incident radiation is propagated to operate the chosen transformation.
  • the chosen distance between the phase plate and the mirror can be here of the order of 20 cm.
  • a blocking device 8 is placed formed by a diaphragm with a diameter of 1.5 mm (ie 150% of the diameter of the target mode) centered on the target mode.
  • the value chosen for the diaphragm diameter ensures that approximately more than 98.9% of the energy of the target mode is transmitted while less than approximately 0.1% of the energy of the other output modes of the MPLC is transmitted .
  • the overlap between the mode of the output light beam and the target mode remains constant over an angular range of the particular non-zero input beam
  • the device according to the invention makes it possible to maintain a constant overlap between the mode of the output light beam and the target mode over a wide range of variation of a parameter of the input light beam, at the price of 'a loss of optical power on the output beam.
  • This loss of optical power corresponds exactly to the optical power which has left the mode to be stabilized to populate the disturbance modes and constitutes a fundamental limit which cannot be surpassed without an active device.
  • the ability of a device according to the present invention to passively maintain the constancy of the mode of the output light beam constitutes an important innovation in the field of modal light beam filtering.
  • a Gaussian target mode has been chosen, but it is entirely possible to envisage a target mode whose intensity corresponds, after propagation in free space or not, to for example:
  • Fiber Top a circular flat top harness
  • Bessel beam a Bessel beam
  • a beam with a line-shaped plateau product of a flat plateau in a first direction and a Gaussian in a direction perpendicular to the first
  • non-spherical and non-planar optics and preferably between 1 and 3 of these elements.
  • non-spherical and non-planar optical element is meant an optical, transmissive or reflective element, the surfaces of which are neither spherical nor planar.
  • It may for example be an aspherical optical element (which generally has a symmetry of revolution around an axis perpendicular to its mean plane) or of a free-form optical element (which does not have symmetry of revolution or of translation around an axis perpendicular to its mean plane).
  • a small number of such non-spherical and non-planar optical elements makes it possible to shape the useful radiation into a wide variety of beam shape, in particular those given as an example above, and which are of particular interest in applications for machining, drilling, precision cutting and surface treatment of materials by laser.
  • the design of the MPLC device 5 is simplified by carrying out the “shaping” part of the useful radiation by a more conventional optical system.
  • these optical elements will be reflective because they have a lower chromatic dispersion and a higher power withstand than a transmissive optical element, which is particularly important in applications using power or pulse lasers whose duration is around ten femtoseconds.
  • a first use case of a device according to the invention is the stabilization of a beam of which at least one of the spatial parameters is not constant over time.
  • the device according to the invention then makes it possible to produce a beam whose spatial parameters are stable in the time and whose optical power fluctuates with variations in these parameters.
  • a second use case of a device according to the invention is that in which there is no input beam whose spatial parameters are strictly those of the assumed input beam, that is to say which has was used during the design of the device. This makes it possible to produce a beam whose spatial parameters are fixed at design and do not depend on absolute knowledge of the input beam. In other words, the device makes it possible to be robust to a statistical variability of the input beam which can vary from one implementation to another or from one optical source 3 to another.
  • the device makes it possible to separate the useful power from the non-useful power, that is to say the useful radiation from the disturbing radiation. It may be particularly advantageous to optimize the spatial parameters of the input light beam by respectively maximizing and / or minimizing respectively the useful power and / or the non-useful power.
  • active alignment devices their parameters are adjusted by means of a feedback loop of which at least one of the input parameters would be the total or partial measurements of the useful powers and / or not useful.
  • Such a configuration is shown in FIG. 3, making it possible, via the control device 9, to modify the input beam to for example seek to reduce the energy of the disturbance radiation collected at the blocking device 8.
  • modal filtering can be combined with specific shaping of the useful radiation by the transmission device 6 to implement a beam splitter device.
  • a beam splitter device produces an output beam consisting of a coherent superposition of single-mode light beams whose amplitude lobes are disjoint in a plane of space.
  • these single-mode light beams each correspond to copies of a reference light beam, and differ only in their position and possibly their direction of propagation.
  • the reference light beam consists of the target mode whose transverse intensity distribution, once the mode possibly propagated in free space in a new space plane, can be that of a beam with a flat square or circular plate, or a Bessel beam or a Gaussian beam.
  • This device 1 according to the invention in which the transmission device 6 comprises a beam splitter therefore implements an optical beam separation function robust to a variation of the spatial parameters of the input beam.
  • a light beam can be used to machine a part with very high precision. It is not always possible to mechanically position the beam in space with this very high precision.
  • the manufacturing tolerances of the components of the machining equipment, the fins and the parasitic movements (vibrations) that the equipment can undergo can introduce shifts in the position occupied by the laser source and therefore affect the shape of the beam which attacks the workpiece.
  • a processing device 1 makes it possible to solve this problem.
  • the MPLC 5 of this device 1 can be designed by choosing bases of input / output modes with separable spatial variables. Such a breakdown is described in “Fabrication and Characterization of a Mode- selective 45-Mode Spatial Multiplexer based on Multi-Plane Light Conversion”, Bade et al, Optical Fiber Communication ConfInterdeadline Papers, OSA Technical Digest, Optical Society of America, 2018 , paper Th4B .3, pp. 1-3 and French patent application FR1851664. These documents demonstrate that such a decomposition allows a reduction in the number of phase masks constituting the MPLC conversion device.
  • the source 3 is supposed to emit an input light beam whose shape is Gaussian, centered at the point (0, 0) of a Cartesian coordinate system of a first transverse plane PI to the input beam.
  • the exact position of the input beam in this first plane is likely to be imperfect or to vary over time, with respect to its expected position, centered on the reference frame of the plane.
  • the shape E (x, y) of the beam in the first plane PI can be decomposed modally in the form of a development limit :
  • E (x, y) ko Eoo (x, y) + ki Eoi (x, y) + k2 Eo2 (x, y) + k3 Eio (x, y) + k4 En (x, y) + k 5 Ei2 (x, y) + k6 E2o (x, y) + k 7 E2i (x, y) + ks E22 (x, y)
  • Eoo is a Gaussian mode centered in (0,0)
  • Eoi in E22 the first 8 Hermite Gauss modes HG01 to HG22 also centered in (0,0)
  • kO in k8 the modal decomposition coefficients of limited development.
  • the modes Eoo to E22 form the first family of modes with separable variables. They are all spatially superimposed.
  • a second family of modes is also defined, in a second transverse plane P2 forming the separation plane 7 disposed downstream of the conversion and also provided with a Cartesian coordinate system (x, y).
  • This second family is composed of a main mode E'oo (x, y) "top hat”, and of eight disturbance modes E'oi (x, y) to E'22 (x, y).
  • These 9 modes are spatially separated and arranged in the form of a square in the second plane. They do form a family with separable variables, as shown in Figure 5.
  • the MPLC 5 conversion device is configured so that the modal transformation of the input radiation leads to transform each mode Eq (x, y) of the foreground in the mode E'q (x, y) of the second plan, that is to say transform each mode of the first family into the same index mode of the second family.
  • the use of a decomposition into separable variables makes it possible to provide a limited number of phase masks of the MPLC conversion device to implement the modal transformation which has just been described.
  • the processing device 1 becomes particularly relevant because of:
  • the small number of optical elements that make up the device ensures the stability of the spatial parameters of the beams produced.

Abstract

Device (1) for processing light radiation, comprising: - an optical input (2) for receiving an input beam from an optical source (3) and for propagating in the device (1) an input radiation, an optical output (4) for emitting an output beam having predetermined spatial parameters, an MPLC conversion device (5) which is arranged between the optical input (2) and the optical output (4) and which is configured to spatially separate, in a separation plane (7), the input radiation into useful radiation, in a target mode, which is propagated to the optical output (4) and into an interference radiation. The processing device also comprises at least one device (8) for blocking the interference radiation, which blocking device is arranged in the separation plane (7) so that it does not contribute to the output beam.

Description

DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'UN RAYONNEMENT LUMINEUX COMPRENANT UN DISPOSITIF DE CONVERSION DE LUMIERE MULTIPLAN  DEVICE FOR PROCESSING LIGHT RADIATION COMPRISING A DEVICE FOR CONVERTING MULTIPLAN LIGHT
DOMAINE DE L' INVENTION FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne un dispositif optique de traitement d'un rayonnement lumineux, par exemple de filtrage modal et/ou de mise en forme de ce faisceau lumineux, comprenant un dispositif de conversion de lumière multiplan. The present invention relates to an optical device for processing light radiation, for example modal filtering and / or shaping of this light beam, comprising a multiplanal light conversion device.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
Il existe de nombreuses applications où la mise en forme spatiale de faisceaux en espace libre peut être pertinente. Parmi ces applications, on peut citer : There are many applications where the spatial shaping of beams in free space can be relevant. Among these applications, we can cite:
• L'usinage, le perçage, la découpe de précision et le traitement de surface de matériaux par laser,  • Machining, drilling, precision cutting and surface treatment of materials by laser,
• L'imagerie et en particulier la microscopie,  • Imaging and in particular microscopy,
• La détection par LIDAR,  • Detection by LIDAR,
• Les communications optiques en espace libre.  • Optical communications in free space.
Tout dispositif de mise en forme spatiale d'un faisceau lumineux peut être sensible aux paramètres spatiaux de ce faisceau. En effet, la qualité de mise en forme spatiale d'un faisceau lumineux peut être altérée si les paramètres spatiaux du faisceau ne sont pas ceux qui ont été prévus lors de la conception du dispositif de mise en forme. Any device for the spatial shaping of a light beam can be sensitive to the spatial parameters of this beam. Indeed, the quality of spatial shaping of a light beam can be altered if the spatial parameters of the beam are not those which were provided during the design of the shaping device.
Lorsque les paramètres spatiaux d'un faisceau lumineux sont critiques, il est commun d'effectuer un filtrage d'amplitude sur le faisceau incident à l'aide d'un ou plusieurs diaphragmes et potentiellement d'un système optique imageant. Cette méthode convertit une variation de position et/ou de direction et/ou de taille du faisceau lumineux incident en une perte de puissance optique et en une déformation de ce faisceau. Bien que cette méthode présente l'avantage de la simplicité de mise en œuvre, elle permet seulement de limiter partiellement les effets d'une variation de position et/ou de direction et/ou de taille du faisceau lumineux incident par rapport aux paramètres du faisceau tels qu' ils ont été supposés au moment de la conception du dispositif. De plus, la nature même du filtrage d'amplitude implique un coût initial en puissance optique. When the spatial parameters of a light beam are critical, it is common to perform amplitude filtering on the incident beam using one or more diaphragms and potentially an imaging optical system. This method converts a variation in position and / or direction and / or size of the incident light beam into a loss of optical power and into a deformation of this beam. Although this method has the advantage of simplicity of implementation, it only partially limits the effects of a variation in position and / or direction and / or size of the incident light beam in relation to the beam parameters. as they were supposed at the time of the design of the device. In addition, the very nature of amplitude filtering implies an initial cost in optical power.
On connaît de US9250454 et US2017010463 des dispositifs optiques de conversion de lumière multiplan, désignés par l'acronyme MPLC (Multi Plane Light Conversion selon l'expression anglo-saxonne), permettant de réaliser toute transformation spatiale unitaire d'un rayonnement lumineux. We know from US9250454 and US2017010463 optical devices for converting multiplanar light, designated by the acronym MPLC (Multi Plane Light Conversion according to the English expression), making it possible to carry out any unitary spatial transformation of light radiation.
D'un point de vue théorique, et comme cela a été établi dans « Programmable unitary spatial mode manipulation », Morizur et Al, J. Opt . Soc. Am. A/Vol. 21, No. 11/November 2010, une transformation spatiale unitaire peut effectivement être décomposée en une succession de transformations primaires, chaque transformation primaire affectant le profil de phase transverse du rayonnement lumineux. Dans la pratique, et sans que cela ne forme une limitation quelconque de cette technologie, les composants MPLC appliquent typiquement entre 3 à 25 transformations primaires. From a theoretical point of view, and as has been established in "Programmable unitary spatial mode manipulation", Morizur et Al, J. Opt. Soc. Am. A / Vol. 21, No. 11 / November 2010, a unitary spatial transformation can actually be broken down into a succession of primary transformations, each primary transformation affecting the transverse phase profile of light radiation. In practice, and without this forming any limitation on this technology, MPLC components typically apply between 3 to 25 primary transformations.
La présente invention présente un dispositif de traitement d'un rayonnement lumineux, permettant par exemple le filtrage modal et/ou la mise en forme du rayonnement lumineux. Ce dispositif, mettant en œuvre un dispositif MPLC, se distingue des méthodes connues basées sur des diaphragmes en ce qu'elle permet de traiter le faisceau d'entrée de façon plus complète tout en limitant les pertes de puissance optique. The present invention presents a device for processing light radiation, for example for modal filtering and / or shaping of light radiation. This device, implementing an MPLC device, differs from known methods based on diaphragms in that it makes it possible to process the input beam more completely while limiting the losses of optical power.
BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
L'objet de l'invention propose un dispositif de traitement d'un rayonnement lumineux comprenant : The object of the invention provides a device for processing light radiation comprising:
- une entrée optique pour recevoir un faisceau d'entrée issu d'une source optique et pour propager dans le dispositif un rayonnement d' entrée ;  - an optical input to receive an input beam from an optical source and to propagate in the device an input radiation;
une sortie optique pour émettre un faisceau de sortie présentant des paramètres spatiaux prédéterminés ;  an optical output for emitting an output beam having predetermined spatial parameters;
un dispositif de conversion MPLC disposé entre l'entrée optique et la sortie optique et configuré pour spatialement séparer, dans un plan de séparation, le rayonnement d'entrée en un rayonnement utile, dans un mode cible, qui se propage vers la sortie optique et en un rayonnement de perturbation ; au moins un dispositif de blocage du rayonnement de perturbation, disposé dans le plan de séparation pour qu' il ne contribue pas au faisceau de sortie.  an MPLC conversion device arranged between the optical input and the optical output and configured to spatially separate, in a separation plane, the input radiation into useful radiation, in a target mode, which propagates towards the optical output and in disturbance radiation; at least one device for blocking the disturbance radiation, arranged in the separation plane so that it does not contribute to the output beam.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : According to other advantageous and non-limiting characteristics of the invention, taken alone or in any technically feasible combination:
- Le dispositif de traitement comprend un dispositif de transmission pour mettre en forme le rayonnement utile et former le faisceau de sortie ; - le dispositif de traitement comprend une pluralité de dispositifs de blocage disposés respectivement dans une pluralité de plans de séparation dans lesquels on isole spatialement une partie du rayonnement de perturbation ; - The processing device comprises a transmission device for shaping the useful radiation and forming the output beam; the processing device comprises a plurality of blocking devices respectively disposed in a plurality of separation planes in which part of the disturbing radiation is spatially isolated;
- le dispositif de blocage comprend un élément optique absorbant, diffusant ou réfléchissant ; the blocking device comprises an absorbing, diffusing or reflecting optical element;
- le dispositif de blocage est intégré au moins en partie dans le dispositif de conversion MPLC ; the blocking device is integrated at least in part into the MPLC conversion device;
- le dispositif de blocage comprend un élément de détection pour collecter une partie au moins du rayonnement de perturbation ; the blocking device comprises a detection element for collecting at least part of the disturbing radiation;
- le dispositif de transmission comprend, disposé en aval du dispositif de conversion, un élément optique diffractif, un modulateur de phase spatiale, un système optique comprenant au moins une lentille, un axicon, un séparateur de faisceau et/ou un deuxième dispositif de conversion MPLC . the transmission device comprises, arranged downstream of the conversion device, a diffractive optical element, a spatial phase modulator, an optical system comprising at least one lens, an axicon, a beam splitter and / or a second conversion device MPLC.
- le dispositif de transmission est intégré au moins en partie dans le dispositif de conversion MPLC. - the transmission device is integrated at least in part into the MPLC conversion device.
- le dispositif de transmission comprend au moins un élément optique non sphérique et non plan, et de préférence entre 1 et 3 éléments optiques non sphériques et non plans. - The transmission device comprises at least one non-spherical and non-planar optical element, and preferably between 1 and 3 non-spherical and non-planar optical elements.
- l'élément optique non sphérique et non plan est un élément optique réflectif. - Le dispositif de traitement comprend également un dispositif de commande entre l'entrée optique et le dispositif de conversion MPLC . - the non-spherical and non-planar optical element is a reflective optical element. - The processing device also includes a control device between the optical input and the MPLC conversion device.
- le dispositif de commande est un élément optique inactif ; - the control device is an inactive optical element;
- le dispositif de conversion MPLC est configuré pour transformer une base de modes d'entrée dans une base de modes de sorties, les bases de modes d'entrée et de sortie étant à variables spatiales séparables. - the MPLC conversion device is configured to transform a base of input modes into a base of output modes, the bases of input and output modes being with separable spatial variables.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels : Other advantages and particular features of the invention will appear on reading the detailed description of implementations and embodiments which are in no way limitative, with reference to the appended drawings in which:
• La figure 1 représente un premier exemple de mise en œuvre d'un dispositif de traitement conforme à l'invention,FIG. 1 represents a first example of implementation of a processing device according to the invention,
• La figure 2 est un graphique représentant la variation du recouvrement entre le mode du faisceau de sortie et le mode cible et de la puissance optique dans le faisceau de sortie en fonction de la direction du faisceau d'entrée,FIG. 2 is a graph representing the variation of the overlap between the mode of the output beam and the target mode and of the optical power in the output beam as a function of the direction of the input beam,
• La figure 3 représente un deuxième exemple de mise en œuvre d'un dispositif de traitement conforme à l' invention, FIG. 3 represents a second example of implementation of a processing device according to the invention,
• La figure 4 illustre un exemple de décomposition modale d'un faisceau d'entrée conforme à l'invention,  FIG. 4 illustrates an example of modal decomposition of an input beam according to the invention,
• La figure 5 représente un dispositif de filtrage modal conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION • Figure 5 shows a modal filtering device according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
On désigne dans la présente description par « mode », un mode transverse vectoriel du champ électromagnétique, c'est-à-dire la donnée des distributions spatio-fréquentielle d'amplitude, de phase associées aux deux composantes spatiales transverses du mode . In this description, “mode” designates a transverse vector mode of the electromagnetic field, that is to say the data of the spatio-frequency amplitude and phase distributions associated with the two transverse spatial components of the mode.
Une base de modes est un ensemble de modes orthonormés du champ électromagnétique. En conséquence, la modification ou la transformation d'une base de modes désigne la modification ou la transformation spatio-fréquentielle d'au moins un des modes de la base de modes. A mode base is a set of orthonormal modes of the electromagnetic field. Consequently, the modification or the transformation of a mode base designates the spatio-frequency modification or transformation of at least one of the modes of the mode base.
On définit le recouvrement entre deux modes comme le module au carré de l'intégrale dans un plan transverse du produit scalaire entre les deux modes. The overlap between two modes is defined as the square module of the integral in a transverse plane of the scalar product between the two modes.
On désigne par faisceau lumineux un champ électromagnétique constitué d'un mode ou d'une superposition de plusieurs modes. By light beam is meant an electromagnetic field consisting of a mode or of a superposition of several modes.
On désigne par paramètres spatiaux du faisceau lumineux, les paramètres scalaires définissant les distributions d'amplitude et de phase associées au champ électromagnétique. The spatial parameters of the light beam denote the scalar parameters defining the amplitude and phase distributions associated with the electromagnetic field.
On peut citer comme exemple de paramètres spatiaux d'un faisceau lumineux, les paramètres suivants : As an example of spatial parameters of a light beam, the following parameters can be cited:
la direction de propagation du faisceau lumineux, définie par l'intermédiaire de la phase linéaire moyenne du champ électromagnétique associé ; the direction of propagation of the light beam, defined by means of the average linear phase of the associated electromagnetic field;
la position du faisceau lumineux, définie comme la position du centre de gravité de la distribution d' intensité du faisceau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau ; the position of the light beam, defined as the position of the center of gravity of the beam intensity distribution in a plane perpendicular to the direction of propagation of the beam;
la taille horizontale ou verticale du faisceau lumineux, définie comme la déviation standard de la distribution d'intensité marginale horizontale ou verticale (ainsi que cela est bien définie par la norme internationale ISO) ; the horizontal or vertical size of the light beam, defined as the standard deviation of the horizontal or vertical marginal intensity distribution (as well defined by the international ISO standard);
l'ellipticité du faisceau ; the ellipticity of the beam;
la divergence du faisceau, éventuellement anisotrope. the divergence of the beam, possibly anisotropic.
On considérera dans la présente description que les faisceaux lumineux sont polarisés selon une unique direction. Toutefois les principes exposés sont tout à fait applicables à un faisceau lumineux présentant plus d'une direction de polarisation. Ainsi, le déphasage spatial appliqué à un faisceau lumineux par un masque de phase dans le cadre de la description pourra s'exprimer plus généralement comme un déphasage spatio-fréquentiel , c'est à dire modifiant le déphasage selon les variables d'espace dans un plan transverse et selon la fréquence optique. It will be considered in the present description that the light beams are polarized in a single direction. However, the principles set out are entirely applicable to a light beam having more than one direction of polarization. Thus, the spatial phase shift applied to a light beam by a phase mask in the context of the description may be expressed more generally as a spatio-frequency phase shift, that is to say modifying the phase shift according to the space variables in a transverse plane and according to the optical frequency.
Par souci d'exhaustivité, on rappelle les principes de fonctionnement d'un dispositif de conversion de lumière multiplan, plus communément désigné par les termes anglo- saxons « Multi-Plane Light Converter » (MPLC) . Dans un tel dispositif, un faisceau lumineux incident subit une succession de réflexions et/ou de transmissions, chaque réflexion et/ou transmission étant suivie par une propagation du faisceau en espace libre. Certaines au moins des pièces optiques sur lesquelles s'opèrent les réflexions et/ou les transmissions, généralement en des emplacements successifs distincts, et qui guident la propagation du faisceau incident, présentent une surface microstructurée qui modifie la phase du faisceau lumineux incident pour lui impartir une fonction optique prédéterminée. On prévoit ainsi généralement au moins 4 réflexions et/ou transmissions, comme par exemple 8, 10, 12, 14, voire au moins 20 réflexions et/ou transmissions. Avantageusement, la forme du rayonnement lumineux incident et du rayonnement lumineux modifiés sont différentes l'une de 1' autre . For the sake of completeness, the principles of operation of a multiplanal light conversion device, more commonly known by the English terms “Multi-Plane Light Converter” (MPLC), are recalled. In such a device, an incident light beam undergoes a succession of reflections and / or transmissions, each reflection and / or transmission being followed by propagation of the beam in free space. At least some of the optical parts on which the reflections and / or transmissions take place, generally at distinct successive locations, and which guide the propagation of the incident beam, have a microstructured surface which modifies the phase of the incident light beam to impart it an optical function predetermined. There is thus generally provided at least 4 reflections and / or transmissions, such as for example 8, 10, 12, 14, or even at least 20 reflections and / or transmissions. Advantageously, the shape of the incident light radiation and the modified light radiation are different from one another.
Par « surface microstructurée » on signifie que la surface de la pièce optique peut présenter un relief, par exemple sous la forme de « pixels » dont les dimensions sont comprises entre quelques microns à quelques centaines de microns. Chaque pixel présente une élévation, par rapport à un plan moyen définissant la surface en question, d'au maximum quelques microns ou d'au minimum quelques millièmes de microns. Une pièce optique présentant une telle surface microstructurée forme un masque de phase introduisant des déphasages locaux au sein de la section transverse du faisceau lumineux qui s'y réfléchit ou qui s'y transmet. By “microstructured surface” it is meant that the surface of the optical part can have a relief, for example in the form of “pixels” whose dimensions are between a few microns to a few hundred microns. Each pixel has an elevation, with respect to an average plane defining the surface in question, of at most a few microns or at least a few thousandths of a micron. An optical part having such a microstructured surface forms a phase mask introducing local phase shifts within the transverse section of the light beam which is reflected or transmitted therein.
On a représenté sur la figure 1 un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de traitement 1 conforme à l'invention. There is shown in Figure 1 an example of implementation of a processing device 1 according to the invention.
Un tel dispositif 1 possède une entrée optique 2 pour recevoir un faisceau lumineux d'entrée issu d'une source optique 3 et pour propager dans le dispositif 1 un rayonnement d'entrée, et une sortie optique 4 pour émettre un faisceau lumineux de sortie. Sur la représentation de la figure 1, l'entrée et la sortie optique 2, 4 sont constitués d'un simple passage permettant la propagation en espace libre des faisceaux, mais on pourrait prévoir que cette entrée et cette sortie soit l'une et/ou l'autre formée d'un connecteur ou d'un étage optique, permettant par exemple de coupler le dispositif 1 à au moins une fibre optique d'entrée et/ou de sortie. Le dispositif de traitement 1 comprend un dispositif de conversion de lumière multiplan MPLC 5 qui permet d'assurer un filtrage modal du faisceau d'entrée, c'est-à-dire de séparer et/ou d'extraire du faisceau d'entrée des composantes modales non souhaitées. Le faisceau de sortie correspond donc, à minima, au faisceau d'entrée filtré de composante modales non souhaitées. Le faisceau de sortie présente des paramètres choisis à l'avance (prédéterminés) et ceux-ci sont susceptibles d'être différents des paramètres du faisceau d'entrée. Le dispositif MPLC 5 peut être éventuellement complété par un élément quelconque de mise en forme du faisceau 6, également désigné sous le terme de dispositif de transmission 6, une fois le filtrage effectué. Such a device 1 has an optical input 2 for receiving an input light beam from an optical source 3 and for propagating in the device 1 an input radiation, and an optical output 4 for emitting an output light beam. In the representation of FIG. 1, the optical input and output 2, 4 consist of a single passage allowing the propagation in free space of the beams, but one could provide that this input and this output is one and / or the other formed by a connector or an optical stage, making it possible for example to couple the device 1 to at least one input and / or output optical fiber. The processing device 1 comprises a multi-plane MPLC light conversion device 5 which makes it possible to provide modal filtering of the input beam, that is to say to separate and / or extract from the input beam unwanted modal components. The output beam therefore corresponds, at a minimum, to the filtered input beam of undesired modal components. The output beam has parameters chosen in advance (predetermined) and these may be different from the parameters of the input beam. The MPLC device 5 can possibly be supplemented by any element for shaping the beam 6, also designated by the term of transmission device 6, once the filtering has been carried out.
D'une manière générale, un MPLC permet de transformer une base de modes d'entrée en une base de modes de sortie. Pour concevoir un MPLC, il est donc nécessaire de définir ces deux bases. Pour implémenter un filtrage modal, la base d'entrée est déterminée à partir d'un faisceau lumineux d'entrée supposé (ou nominal) . La base de modes de sortie du MPLC est déterminée par le faisceau lumineux souhaité en sortie du dispositif et par la nature du moyen d'extraction de la puissance optique des composantes modales non souhaitées. On désignera le mode du rayonnement lumineux souhaité (ou « utile ») en sortie du dispositif MPLC 5 comme le mode cible. In general, an MPLC makes it possible to transform a base of input modes into a base of output modes. To design an MPLC, it is therefore necessary to define these two bases. To implement modal filtering, the input base is determined from an assumed (or nominal) input light beam. The base of output modes of the MPLC is determined by the light beam desired at the output of the device and by the nature of the means of extraction of the optical power of the undesired modal components. The mode of the desired light radiation (or “useful”) at the output of the MPLC device 5 will be designated as the target mode.
A titre d'exemple, on pourra suivre la procédure suivante pour déterminer la base de modes d'entrée du MPLC, lorsque le faisceau d'entrée supposé est monomode : As an example, we can follow the following procedure to determine the base of MPLC input modes, when the assumed input beam is single mode:
• définir un mode d'entrée supposé, le mode le plus proche possible du mode du faisceau d'entrée qui sera effectivement utilisé, • construire une famille de modes à partir du mode d'entrée supposé dont on fait varier au moins un des paramètres spatiaux, Define a supposed input mode, the mode as close as possible to the mode of the input beam which will actually be used, • construct a family of modes from the assumed input mode of which at least one of the spatial parameters is varied,
• construire une base de modes à partir de la famille de modes en utilisant une décomposition en valeurs singulières ,  • build a mode base from the mode family using a decomposition into singular values,
• déterminer un premier mode de la base, comme le mode de la base ayant un recouvrement maximal avec le mode d'entrée supposé,  • determine a first mode of the base, like the mode of the base having a maximum overlap with the assumed input mode,
• compléter le premier mode avec les modes obtenus lors de la décomposition en valeurs singulières puis appliquer un procédé d'orthonormalisation de ces modes pour former la base d'entrée.  • complete the first mode with the modes obtained during the decomposition into singular values then apply a process of orthonormalization of these modes to form the input base.
Si le faisceau d'entrée est produit par une source optique multimode 3, par exemple par le biais d'une fibre multimode, on peut construire la base d'entrée du MPLC 5 à partir des modes de la source plutôt que par le procédé décrit plus haut. Le mode d'entrée supposé est alors la composante modale du faisceau d'entrée supposé comportant le plus de puissance optique . If the input beam is produced by a multimode optical source 3, for example by means of a multimode fiber, the input base of the MPLC 5 can be constructed from the modes of the source rather than by the method described upper. The assumed input mode is then the modal component of the assumed input beam having the most optical power.
Dans tous les cas, la base de modes d'entrée est composée de modes qui ne sont pas entièrement spatialement disjoint. In all cases, the input mode base is composed of modes which are not entirely spatially disjoint.
On connaît du document « Quantum measurements of spatial conjugate variables: displacement and tilt of a Gaussian beam », V. Delaubert, Optics Letters, Vol. 31, Issue 10, pp . 1537-1539, (2006)We know from the document “Quantum measurements of spatial conjugate variables: displacement and tilt of a Gaussian beam”, V. Delaubert, Optics Letters, Vol. 31, Issue 10, pp. 1537-1539, (2006)
(https : //www . osapublishing . org/ol/abstract. cfm?uri=ol-31 -10 - 1537), que dans la limite de variations faibles d'un paramètre physique d'intérêt, (par exemple, mais pas exclusivement, la direction et/ou la position d'un faisceau lumineux), une partie de l'énergie du faisceau lumineux est transférée vers le ou les modes d'ordres supérieurs. Ainsi, dans le cas d'un mode d'entrée supposé gaussien, on pourrait décider d'utiliser une base d'entrée de Hermite-Gauss dont le premier mode est le mode gaussien d'entrée supposé. (https: // www. osapublishing. org / ol / abstract. cfm? uri = ol-31 -10 - 1537), only within the limits of small variations of a physical parameter of interest, (for example, but not exclusively, the direction and / or the position of a light beam), part of the energy of the light beam is transferred to the higher order mode (s). So, in the case of a supposed Gaussian input mode, we could decide to use a Hermite-Gauss entry base, the first mode of which is the supposed Gaussian entry mode.
Pour déterminer la base de modes de sortie du MPLC 5, on choisit une base pour laquelle il existe un plan, appelé plan de séparation dans la présente description, dans lequel les modes de sortie autres que le mode cible sont suffisamment disjoints spatialement du mode cible pour que ces modes de sortie puissent être bloqués, par exemple par un élément optique absorbant ou diffusant, ou déviés par un élément optique réfléchissant, étant entendu que le mode cible subisse une perte d'énergie arbitrairement basse. Par exemple, on pourrait utiliser des modes de sorties gaussiens, suffisamment séparés spatialement pour que leur recouvrement soit nul deux à deux et répartis de façon linéaire dans le plan séparation, en triangle ou en rectangle. To determine the base of output modes of the MPLC 5, a base is chosen for which there is a plane, called separation plane in the present description, in which the output modes other than the target mode are sufficiently spatially disjoint from the target mode so that these output modes can be blocked, for example by an absorbing or diffusing optical element, or deviated by a reflecting optical element, it being understood that the target mode undergoes an arbitrarily low energy loss. For example, we could use Gaussian output modes, sufficiently spatially separated so that their overlap is zero two by two and distributed linearly in the separation plane, in a triangle or a rectangle.
Le MPLC 5 d'un dispositif 1 conforme à la présente description est configuré pour transformer la base de modes d'entrée en la base de mode de sortie en assurant notamment que le mode d'entrée supposé soit transformé en le mode cible The MPLC 5 of a device 1 conforming to the present description is configured to transform the base of input modes into the base of output mode while ensuring in particular that the assumed input mode is transformed into the target mode
L'élément optique bloquant, diffusant ou réfléchissant (ou plus généralement le dispositif de blocage 8) peut être intégré au dispositif 1 de l'invention. Il peut notamment être intégré au MPLC 5, ou séparé physiquement de celui-ci, comme cela est le cas sur la représentation schématique de la figure 1. Le MPLC 5 peut notamment être assorti d'un élément de détection permettant de collecter les modes de sortie du MPLC 5 associés aux modes de perturbations du faisceau lumineux incident en vue de leur détection totale ou partielle. The blocking, diffusing or reflecting optical element (or more generally the blocking device 8) can be integrated into the device 1 of the invention. It can in particular be integrated into the MPLC 5, or physically separated from it, as is the case in the schematic representation of FIG. 1. The MPLC 5 can in particular be accompanied by a detection element making it possible to collect the modes of MPLC 5 output associated with the disturbance modes of the incident light beam with a view to their total or partial detection.
Dans le cas d'un faisceau d'entrée particulier, correspondant à un faisceau d'entrée supposé dont un au moins des paramètres spatiaux aurait été modifié, le MPLC 5 effectue une projection, au sens mathématique du terme, de ce faisceau particulier sur la base de ses modes d'entrée. La puissance optique dans chaque mode d'entrée du MPLC 5 est transférée vers le mode de sortie associé. En l'absence d'une variation de l'un au moins des paramètres spatiaux, la totalité de la puissance optique du faisceau lumineux d'entrée particulier (qui correspond alors au faisceau d'entrée supposé) est transférée par le MPLC vers le mode cible. En cas de variation des paramètres spatiaux, la part de puissance optique du faisceau lumineux d'entrée particulier dans le mode d'entrée supposé, désignée comme la puissance utile, est transférée par le MPLC 5 du mode d'entrée supposé vers le mode cible sous forme de rayonnement utile. La part de puissance optique du faisceau lumineux d'entrée particulier dans les autres modes de la base, désignée comme la puissance non-utile, est transférée par le MPLC 5 vers les modes de sortie, orthogonaux au mode cible sous forme de rayonnement de perturbation. Dit autrement, le MPLC est configuré pour spatialement séparer, dans un plan de séparation 7, le rayonnement d'entrée en un rayonnement utile, dans un mode cible, qui se propage vers la sortie optique 4 et en un rayonnement de perturbation. In the case of a particular input beam, corresponding to a supposed input beam of which at least one of the parameters space would have been modified, the MPLC 5 makes a projection, in the mathematical sense of the term, of this particular beam on the basis of its input modes. The optical power in each input mode of the MPLC 5 is transferred to the associated output mode. In the absence of a variation of at least one of the spatial parameters, the entire optical power of the particular input light beam (which then corresponds to the assumed input beam) is transferred by the MPLC to the mode target. If the spatial parameters vary, the share of optical power of the particular input light beam in the assumed input mode, designated as the useful power, is transferred by the MPLC 5 from the assumed input mode to the target mode. in the form of useful radiation. The share of optical power of the particular input light beam in the other modes of the base, designated as the non-useful power, is transferred by the MPLC 5 to the output modes, orthogonal to the target mode in the form of disturbance radiation. . In other words, the MPLC is configured to spatially separate, in a separation plane 7, the input radiation into useful radiation, in a target mode, which propagates towards the optical output 4 and into disturbance radiation.
La part de puissance optique dans les modes de sortie du MPLC 5 orthogonaux au mode cible, c'est-à-dire le rayonnement de perturbation, peut alors être bloquée par le dispositif de blocage 8, formé par exemple d'un élément optique absorbant, diffusant, ou par un quelconque élément optique de collection en vue d'une détection totale ou partielle. The share of optical power in the output modes of the MPLC 5 orthogonal to the target mode, that is to say the disturbing radiation, can then be blocked by the blocking device 8, formed for example of an absorbing optical element , diffusing, or by any optical collection element for total or partial detection.
Le MPLC 5 constitue ainsi un filtre modal passif où, dans la limite de petites variations des paramètres spatiaux, la puissance optique du faisceau lumineux qui est en dehors du mode d'entrée supposé est totalement extraite. Le dispositif 1 prévoit ainsi, un dispositif de blocage 8 du rayonnement de perturbation, disposé dans le plan de séparation, pour que ce rayonnement ne se propage pas vers la sortie optique 4 du dispositif et qu'il ne contribue pas au faisceau de sortie. Comme on l'a vue, ce dispositif de blocage 8 peut comprendre un élément optique bloquant, diffusant et/ou réflectif. The MPLC 5 thus constitutes a passive modal filter where, within the limit of small variations in spatial parameters, the optical power of the light beam which is outside the assumed input mode is fully extracted. The device 1 thus provides a device 8 for blocking the disturbing radiation, arranged in the separation plane, so that this radiation does not propagate towards the optical output 4 of the device and that it does not contribute to the output beam. As we have seen, this blocking device 8 can comprise an optical blocking, diffusing and / or reflective element.
Dans un mode de mise en œuvre particulier, la puissance optique dans le mode cible en sortie du MPLC 5, c'est-à-dire le rayonnement utile, peut être dirigée, au sein du dispositif de traitement 1 vers un autre élément optique 6, désigné sous le terme de dispositif de transmission 6 dans la présente description, réalisant une mise en forme de faisceau lumineux. Cet élément optique 6 peut être par exemple, mais non exclusivement : In a particular implementation, the optical power in the target mode at the output of the MPLC 5, that is to say the useful radiation, can be directed, within the processing device 1 to another optical element 6 , designated by the term of transmission device 6 in the present description, forming a light beam. This optical element 6 can be, for example, but not exclusively:
• un autre dispositif MPLC,  Another MPLC device,
• un élément optique diffractif (DOE pour Diffractive Optical Elément selon l'expression anglo-saxonne), • a diffractive optical element (DOE for Diffractive Optical Element according to the Anglo-Saxon expression),
• un modulateur de phase spatiale (SLM pour Spatial Light Modulator selon l'expression anglo-saxonne), • a spatial phase modulator (SLM for Spatial Light Modulator according to the Anglo-Saxon expression),
• un système optique imageant ou comportant au moins une lentille,  • an optical system imaging or comprising at least one lens,
• un axicon,  • an axicon,
• au moins un élément optique, transmissif ou réflectif, non sphérique et non plan, tel qu'un élément optique asphérique ou de forme libre (de la traduction de l'expression anglo-saxonne « freeform optics ») .  • at least one optical, transmissive or reflective, non-spherical and non-planar element, such as an aspherical or free-form optical element (from the translation of the English expression “freeform optics”).
Dans un mode de mise en œuvre particulièrement avantageux, la mise en forme du faisceau réalisé par le dispositif de transmission 6 peut être mise en œuvre au moins en partie par un autre MPLC. Dans ce cas, il est possible de concevoir un MPLC implémentant successivement ou simultanément la fonction de filtrage modal d'un faisceau lumineux et la fonction de mise en forme de ce même faisceau lumineux, ou d'une partie de cette mise en forme. In a particularly advantageous embodiment, the shaping of the beam produced by the transmission device 6 can be implemented at least in part by another MPLC. In this case, it is possible to design an MPLC implementing successively or simultaneously the modal filtering function of a light beam and the function of shaping of this same light beam, or part of this shaping.
Le mode cible (constituant le rayonnement utile) et les autres modes (constituant le rayonnement de perturbation) peuvent ne pas être tous séparables dans un unique plan de séparation. Dans cette situation, on peut prévoir une pluralité de plans de séparation, distants les uns des autres d'un espace de propagation, dans lesquels on peut successivement isoler une partie des autres modes contribuant au rayonnement de perturbation. On prévoira dans ce cas une pluralité de dispositifs de blocage 8 qu'on disposera respectivement dans les plans de séparation, afin de bloquer la part du rayonnement de perturbation spatialement isolée dans chaque plan . The target mode (constituting the useful radiation) and the other modes (constituting the disturbing radiation) may not all be separable in a single separation plane. In this situation, it is possible to provide a plurality of separation planes, distant from each other by a propagation space, in which one can successively isolate a part of the other modes contributing to the disturbance radiation. In this case, a plurality of blocking devices 8 will be provided which will be disposed respectively in the separation planes, in order to block the part of the spatially isolated disturbing radiation in each plane.
On démontre dans les paragraphes suivants l'intérêt de l'invention en détaillant une implémentation concrète du filtrage modal d'un faisceau lumineux et, éventuellement, de sa mise en forme spatiale. The interest of the invention is demonstrated in the following paragraphs by detailing a concrete implementation of the modal filtering of a light beam and, possibly, of its spatial shaping.
Exemple 1 Example 1
On souhaite stabiliser un faisceau lumineux d'entrée dont le profil spatial transverse est gaussien de diamètre 1 mm et qui est susceptible de connaître une variation de sa direction de propagation. Le mode de ce faisceau lumineux, sans variation de la direction de propagation, définit le mode d'entrée supposé du MPLC 5. We want to stabilize an input light beam whose transverse spatial profile is Gaussian with a diameter of 1 mm and which is likely to experience a variation in its direction of propagation. The mode of this light beam, without variation of the direction of propagation, defines the supposed input mode of the MPLC 5.
On décide ici d'utiliser une base de Hermite-Gauss de trois modes seulement comme base d'entrée. Il y a deux modes d'ordre supérieur associés à la variation de direction du faisceau d'entrée, un pour chaque direction orthogonale du plan transverse à la propagation du faisceau. We decide here to use a Hermite-Gauss base of only three modes as the input base. There are two higher order modes associated with beam direction variation input, one for each direction orthogonal to the plane transverse to the propagation of the beam.
Les modes de sortie du MPLC 5 sont déterminés par le faisceau lumineux souhaité en sortie 2 du dispositif 1. Pour des raisons de simplicité, mais sans restreindre la généralité du dispositif, on choisit ici un faisceau lumineux en sortie constitué d'un mode cible identique au mode d'entrée, c'est à dire un faisceau lumineux dont le profile spatial transverse est gaussien de diamètre 1 mm. En d'autres termes, le dispositif 1 de cet exemple ne comprend pas de dispositif de transmission 6 pour mettre en forme le faisceau de sortie. The output modes of the MPLC 5 are determined by the light beam desired at output 2 of the device 1. For reasons of simplicity, but without limiting the generality of the device, a light beam at output is chosen here consisting of an identical target mode in the input mode, ie a light beam whose transverse spatial profile is Gaussian with a diameter of 1 mm. In other words, the device 1 of this example does not include a transmission device 6 for shaping the output beam.
Pour les deux modes de sortie complémentaires au mode cible, c'est-à-dire les modes de la base de sortie du MPLC associés aux modes d'ordre supérieur de la base d'entrée, on choisit deux modes identiques au mode cible mais séparés spatialement de 1,5 mm (soit 150% du diamètre du mode cible), les trois modes de sorties étant disposés aux coins d'un triangle isocèle. Cette valeur arbitraire mais commune garantit que le recouvrement entre les modes de sortie du MPLC est inférieur à 0,02% de leur énergie. For the two output modes complementary to the target mode, that is to say the modes of the MPLC output base associated with the higher order modes of the input base, two modes identical to the target mode are chosen but spatially separated by 1.5 mm (150% of the diameter of the target mode), the three output modes being arranged at the corners of an isosceles triangle. This arbitrary but common value guarantees that the overlap between the output modes of the MPLC is less than 0.02% of their energy.
Une fois les bases d'entrée et de sortie du MPLC 5 déterminées, on peut générer numériquement les masques de phase du MPLC grâce au procédé décrit par exemple dans US9250454. On choisit d'utiliser ici 5 masques de phase. La lame de phase implémentant ces masques de phase peut être fabriquée par exemple à partir de techniques de photolithographie. Une fois la lame de phase fabriquée, elle est assemblée aux autres composants optiques d'un MPLC, par exemple à un miroir qui lui fait face pour former une cavité multi passage, dans lequel se propage le rayonnement incident pour opérer la transformation choisie. La distance choisie entre la lame de phase et le miroir peut être ici de l'ordre de 20 cm. Once the input and output bases of the MPLC 5 have been determined, the phase masks of the MPLC can be digitally generated using the method described for example in US9250454. We choose to use here 5 phase masks. The phase plate implementing these phase masks can be manufactured, for example, from photolithography techniques. Once the phase plate is manufactured, it is assembled with the other optical components of an MPLC, for example with a mirror which faces it to form a multi-passage cavity, in which the incident radiation is propagated to operate the chosen transformation. The chosen distance between the phase plate and the mirror can be here of the order of 20 cm.
Dans le plan de séparation où les modes de sortie du MPLC 5 sont séparés spatialement, on place un dispositif de blocage 8 formé d'un diaphragme de diamètre 1,5mm (soit 150% du diamètre du mode cible) centré sur le mode cible. La valeur choisie pour le diamètre du diaphragme assure qu'environ plus de 98,9% de l'énergie du mode cible est transmise alors que moins d'environ 0,1% de l'énergie des autres modes de sortie du MPLC est transmise. In the separation plane where the output modes of the MPLC 5 are spatially separated, a blocking device 8 is placed formed by a diaphragm with a diameter of 1.5 mm (ie 150% of the diameter of the target mode) centered on the target mode. The value chosen for the diaphragm diameter ensures that approximately more than 98.9% of the energy of the target mode is transmitted while less than approximately 0.1% of the energy of the other output modes of the MPLC is transmitted .
Pour évaluer les performances du dispositif 1, on introduit dans une simulation numérique de ce dispositif, une variation de direction du faisceau lumineux d'entrée du dispositif et on évalue après le diaphragme deux quantités physiques d' intérêt To evaluate the performance of the device 1, a variation in the direction of the input light beam of the device is introduced into a digital simulation of this device and two physical quantities of interest are evaluated after the diaphragm.
• Le recouvrement entre le mode du faisceau lumineux de sortie et le mode cible, • The overlap between the output light beam mode and the target mode,
• La puissance optique dans le faisceau lumineux de sortie .  • The optical power in the output light beam.
Les résultats sont présentés sur la figure 2. On fait les constatations suivantes : The results are presented in FIG. 2. The following observations are made:
• le recouvrement entre le mode du faisceau lumineux de sortie et le mode cible reste constant sur une plage angulaire du faisceau particulier d'entrée non nulle, The overlap between the mode of the output light beam and the target mode remains constant over an angular range of the particular non-zero input beam,
• La puissance optique dans le faisceau lumineux de sortie chute lorsque l'écart angulaire augmente. • The optical power in the output light beam drops when the angular difference increases.
Ces deux constatations démontrent que le dispositif conforme à l'invention permet de conserver un recouvrement constant entre le mode du faisceau lumineux de sortie et le mode cible sur une large plage de variation d'un paramètre du faisceau lumineux d'entrée, au prix d'une perte de puissance optique sur le faisceau de sortie. Cette perte de puissance optique correspond exactement à la puissance optique qui est sortie du mode à stabiliser pour peupler les modes de perturbations et constitue une limite fondamentale indépassable sans un dispositif actif. These two observations demonstrate that the device according to the invention makes it possible to maintain a constant overlap between the mode of the output light beam and the target mode over a wide range of variation of a parameter of the input light beam, at the price of 'a loss of optical power on the output beam. This loss of optical power corresponds exactly to the optical power which has left the mode to be stabilized to populate the disturbance modes and constitutes a fundamental limit which cannot be surpassed without an active device.
La capacité d'un dispositif conforme à la présente invention à maintenir, de manière passive, la constance du mode du faisceau lumineux de sortie constitue une innovation importante dans le domaine du filtrage modal de faisceau lumineux . The ability of a device according to the present invention to passively maintain the constancy of the mode of the output light beam constitutes an important innovation in the field of modal light beam filtering.
Dans l'exemple qui vient d'être présenté, un mode cible gaussien a été choisi, mais on peut tout à fait envisager un mode cible dont l'intensité correspond, après propagation en espace libre ou non, à par exemple: In the example which has just been presented, a Gaussian target mode has been chosen, but it is entirely possible to envisage a target mode whose intensity corresponds, after propagation in free space or not, to for example:
un faisceau à plateau plat (« Fiat Top ») carré ou rectangulaire ;  a flat or square flat beam (“Fiat Top”);
un faisceau à plateau plat (« Fiat Top ») circulaire ; un faisceau de Bessel ;  a circular flat top (“Fiat Top”) harness; a Bessel beam;
un faisceau à plateau en forme de ligne (produit d'un plateau plat selon une première direction et d'une gaussienne selon une direction perpendiculaire à la première) ;  a beam with a line-shaped plateau (product of a flat plateau in a first direction and a Gaussian in a direction perpendicular to the first);
un faisceau en forme d'anneau.  a ring-shaped beam.
Pour faciliter la mise en forme du rayonnement utile issu du dispositif MPLC 5 et former un faisceau selon l'une des formes données en exemple ci-dessus, on peut compléter le dispositif MPLC 5 d'un dispositif de transmission 6 comprenant au moins un élément optique non sphérique et non plan, et préférentiellement entre 1 et 3 de ces éléments. Par « élément optique non sphérique et non plan », on désigne un élément optique, transmissif ou réflectif, dont les surfaces ne sont ni sphériques, ni planes. Il peut par exemple s'agir d'un élément optique asphérique (gui présente généralement une symétrie de révolution autour d'un axe perpendiculaire à son plan moyen) ou d'un élément optique à forme libre (qui ne présente pas de symétrie de révolution ou de translation autour d'un axe perpendiculaire à son plan moyen) . To facilitate the shaping of the useful radiation coming from the MPLC device 5 and to form a beam according to one of the forms given in example above, one can supplement the MPLC device 5 with a transmission device 6 comprising at least one element. non-spherical and non-planar optics, and preferably between 1 and 3 of these elements. By “non-spherical and non-planar optical element”, is meant an optical, transmissive or reflective element, the surfaces of which are neither spherical nor planar. It may for example be an aspherical optical element (which generally has a symmetry of revolution around an axis perpendicular to its mean plane) or of a free-form optical element (which does not have symmetry of revolution or of translation around an axis perpendicular to its mean plane).
D'une manière très générale, un faible nombre de tels éléments optiques non sphériques et non plan, de 1 à 3, permette de façonner le rayonnement utile en une grande variété de forme de faisceau, en particulier ceux donnés en exemple ci-dessus, et qui trouvent un intérêt tout particulier dans les applications d'usinage, de perçage, de découpe de précision et de traitement de surface de matériaux par laser. In a very general manner, a small number of such non-spherical and non-planar optical elements, from 1 to 3, makes it possible to shape the useful radiation into a wide variety of beam shape, in particular those given as an example above, and which are of particular interest in applications for machining, drilling, precision cutting and surface treatment of materials by laser.
En combinant le dispositif MPLC 5 avec un dispositif de transmission 6 configuré avec de tels éléments optiques, on simplifie la conception du dispositif MPLC 5, et notamment le nombre de masques de phases, en réalisant la partie « mise en forme » du rayonnement utile par un système optique plus conventionnel . By combining the MPLC device 5 with a transmission device 6 configured with such optical elements, the design of the MPLC device 5, and in particular the number of phase masks, is simplified by carrying out the “shaping” part of the useful radiation by a more conventional optical system.
Avantageusement, ces éléments optiques seront réflectifs car ils présentent une dispersion chromatique inférieure et une tenue en puissance supérieure à un élément optique transmissif, ce qui est particulièrement important dans les applications mettant en œuvre de la puissance ou des lasers aux impulsions dont la durée est de l'ordre de la dizaine de femtosecondes . Advantageously, these optical elements will be reflective because they have a lower chromatic dispersion and a higher power withstand than a transmissive optical element, which is particularly important in applications using power or pulse lasers whose duration is around ten femtoseconds.
Un premier cas d'usage d'un dispositif conforme à l'invention est la stabilisation d'un faisceau dont un au moins des paramètres spatiaux n'est pas constant dans le temps, Le dispositif conforme à l'invention permet alors de produire un faisceau dont les paramètres spatiaux sont stables dans le temps et dont la puissance optique fluctue avec les variations de ces paramètres. A first use case of a device according to the invention is the stabilization of a beam of which at least one of the spatial parameters is not constant over time. The device according to the invention then makes it possible to produce a beam whose spatial parameters are stable in the time and whose optical power fluctuates with variations in these parameters.
Un deuxième cas d'usage d'un dispositif conforme à l'invention est celui où on ne dispose pas d'un faisceau d'entrée dont les paramètres spatiaux sont rigoureusement ceux du faisceau d'entrée supposé, c'est à dire qui a été utilisé lors la conception du dispositif. Cela permet de produire un faisceau dont les paramètres spatiaux sont fixés à la conception et ne dépendent pas d'une connaissance absolue du faisceau d'entrée. En d'autres termes, le dispositif permet d'être robuste à une variabilité statistique du faisceau d'entrée qui peut varier d'une implémentation à l'autre ou d'une source optique 3 à 1' autre . A second use case of a device according to the invention is that in which there is no input beam whose spatial parameters are strictly those of the assumed input beam, that is to say which has was used during the design of the device. This makes it possible to produce a beam whose spatial parameters are fixed at design and do not depend on absolute knowledge of the input beam. In other words, the device makes it possible to be robust to a statistical variability of the input beam which can vary from one implementation to another or from one optical source 3 to another.
Le dispositif permet de séparer la puissance utile de la puissance non-utile, c'est-à-dire le rayonnement utile du rayonnement de perturbation. Il peut être particulièrement intéressant d'optimiser les paramètres spatiaux du faisceau lumineux d'entrée en respectivement maximisant et/ou minimisant respectivement la puissance utile et/ou la puissance non-utile. On peut utiliser un dispositif de commande 9 actif (des miroirs motorisés, ou un dispositif acousto-optique par exemple) ou non actif (miroirs avec monture opto-mécanique) disposé en amont du dispositif MPLC . Dans le cas de l'utilisation de dispositifs d'alignement actifs, on ajuste leurs paramètres par l'intermédiaire d'une boucle de rétroaction dont l'un au moins des paramètres d'entrée serait les mesures totales ou partielles des puissances utiles et/ou non-utiles. Une telle configuration est représentée sur la figure 3, permettant par l'intermédiaire du dispositif de commande 9, de modifier le faisceau d'entrée pour par exemple chercher à réduire l'énergie du rayonnement de perturbation collecté au niveau du dispositif de blocage 8. The device makes it possible to separate the useful power from the non-useful power, that is to say the useful radiation from the disturbing radiation. It may be particularly advantageous to optimize the spatial parameters of the input light beam by respectively maximizing and / or minimizing respectively the useful power and / or the non-useful power. One can use a control device 9 active (motorized mirrors, or an acousto-optical device for example) or non-active (mirrors with opto-mechanical mount) disposed upstream of the MPLC device. In the case of the use of active alignment devices, their parameters are adjusted by means of a feedback loop of which at least one of the input parameters would be the total or partial measurements of the useful powers and / or not useful. Such a configuration is shown in FIG. 3, making it possible, via the control device 9, to modify the input beam to for example seek to reduce the energy of the disturbance radiation collected at the blocking device 8.
Exemple 2 Example 2
Dans un deuxième exemple d'application, le filtrage modal peut être combiné à une mise en forme spécifique du rayonnement utile par le dispositif de transmission 6 pour implémenter un dispositif séparateur de faisceau. Un tel dispositif produit un faisceau de sortie constitué d'une superposition cohérente de faisceaux lumineux monomodes dont les lobes d'amplitude sont disjointes dans un plan de l'espace. Dans une configuration particulièrement avantageuse, ces faisceaux lumineux monomodes correspondent chacun à des copies d'un faisceau lumineux de référence, et ne diffèrent que par leur position et éventuellement leur direction de propagation. Le faisceau lumineux de référence est constitué du mode cible dont la distribution d'intensité transverse, une fois le mode éventuellement propagé en espace libre dans un nouveau plan de l'espace, peut être celle d'un faisceau à plateau plat carré ou circulaire, ou d'un faisceau de Bessel ou d'un faisceau gaussien. Ce dispositif 1 conforme à l'invention dans lequel le dispositif de transmission 6 comprend un séparateur de faisceau implémente donc une fonction optique de séparation de faisceaux robuste à une variation des paramètres spatiaux du faisceau d'entrée. In a second application example, modal filtering can be combined with specific shaping of the useful radiation by the transmission device 6 to implement a beam splitter device. Such a device produces an output beam consisting of a coherent superposition of single-mode light beams whose amplitude lobes are disjoint in a plane of space. In a particularly advantageous configuration, these single-mode light beams each correspond to copies of a reference light beam, and differ only in their position and possibly their direction of propagation. The reference light beam consists of the target mode whose transverse intensity distribution, once the mode possibly propagated in free space in a new space plane, can be that of a beam with a flat square or circular plate, or a Bessel beam or a Gaussian beam. This device 1 according to the invention in which the transmission device 6 comprises a beam splitter therefore implements an optical beam separation function robust to a variation of the spatial parameters of the input beam.
Exemple 3 Example 3
Un faisceau lumineux peut être employé pour usiner une pièce avec une très grande précision. Il n'est pas toujours possible de positionner mécaniquement le faisceau dans l'espace avec cette très grande précision. Les tolérances de fabrication des éléments composant l'équipement d'usinage, les dérives et les mouvements parasites (vibrations) que peut subir l'équipement peuvent introduire des décalages dans la position occupée par la source laser et donc affecter la forme du faisceau qui attaque la pièce à usiner. A light beam can be used to machine a part with very high precision. It is not always possible to mechanically position the beam in space with this very high precision. The manufacturing tolerances of the components of the machining equipment, the fins and the parasitic movements (vibrations) that the equipment can undergo can introduce shifts in the position occupied by the laser source and therefore affect the shape of the beam which attacks the workpiece.
Un dispositif de traitement 1 conforme à l'invention permet de résoudre ce problème. Le MPLC 5 de ce dispositif 1 peut être conçu en choisissant des bases de modes d'entrée/sortie à variables spatiales séparables. Une telle décomposition est décrite dans « Fabrication and Characterization of a Mode- selective 45-Mode Spatial Multiplexer based on Multi-Plane Light Conversion », Bade et al, Optical Fiber Communication Conférence Postdeadline Papers, OSA Technical Digest, Optical Society of America, 2018, paper Th4B .3, pp . 1-3 et la demande de brevet français FR1851664. Ces documents démontrent qu'une telle décomposition permet une réduction du nombre de masques de phase constituant le dispositif de conversion MPLC. A processing device 1 according to the invention makes it possible to solve this problem. The MPLC 5 of this device 1 can be designed by choosing bases of input / output modes with separable spatial variables. Such a breakdown is described in “Fabrication and Characterization of a Mode- selective 45-Mode Spatial Multiplexer based on Multi-Plane Light Conversion”, Bade et al, Optical Fiber Communication Conférence Postdeadline Papers, OSA Technical Digest, Optical Society of America, 2018 , paper Th4B .3, pp. 1-3 and French patent application FR1851664. These documents demonstrate that such a decomposition allows a reduction in the number of phase masks constituting the MPLC conversion device.
On considère dans cet exemple que la source 3 est censée émettre un faisceau lumineux d'entrée dont la forme est gaussienne, centré au point (0, 0) d'un repère cartésien d'un premier plan transverse PI au faisceau d'entrée. Comme on l'a précisé, la position exacte du faisceau d'entrée dans ce premier plan est susceptible d'être imparfaite ou de varier dans le temps, par rapport à sa position attendue, centrée sur le repère du plan. Quelle que soit la position exacte de ce faisceau à un instant déterminé, et comme cela est représenté sur la figure 4, la forme E (x, y) du faisceau dans le premier plan PI peut se décomposer modalement sous la forme d'un développement limité : It is considered in this example that the source 3 is supposed to emit an input light beam whose shape is Gaussian, centered at the point (0, 0) of a Cartesian coordinate system of a first transverse plane PI to the input beam. As has been specified, the exact position of the input beam in this first plane is likely to be imperfect or to vary over time, with respect to its expected position, centered on the reference frame of the plane. Whatever the exact position of this beam at a determined instant, and as shown in FIG. 4, the shape E (x, y) of the beam in the first plane PI can be decomposed modally in the form of a development limit :
E ( x , y) = k o Eoo ( x , y) + ki Eoi ( x , y) + k2 Eo2 ( x , y) + k3 Eio ( x , y) + k4 En ( x , y) + k5 Ei2 ( x , y) + k6 E2o ( x , y) + k7 E2i ( x , y) + ks E22 ( x , y) où Eoo est un mode gaussien centré en (0,0), Eoi à E22 les 8 premiers modes d'Hermite Gauss HG01 à HG22 également centrés en (0,0), et kO à k8 les coefficients de décomposition modal du développement limité. E (x, y) = ko Eoo (x, y) + ki Eoi (x, y) + k2 Eo2 (x, y) + k3 Eio (x, y) + k4 En (x, y) + k 5 Ei2 (x, y) + k6 E2o (x, y) + k 7 E2i (x, y) + ks E22 (x, y) where Eoo is a Gaussian mode centered in (0,0), Eoi in E22 the first 8 Hermite Gauss modes HG01 to HG22 also centered in (0,0), and kO in k8 the modal decomposition coefficients of limited development.
Les modes Eoo à E22 forment la première famille de mode à variables séparables. Ils sont tous superposés spatialement. The modes Eoo to E22 form the first family of modes with separable variables. They are all spatially superimposed.
On définit également une deuxième famille de modes, dans un deuxième plan transverse P2 formant le plan de séparation 7 disposé en aval de la conversion et muni lui également d'un repère cartésien (x, y) . Cette deuxième famille est composée d'un mode principal E'oo(x, y) « top hat », et de huit modes de perturbation E'oi(x,y) à E'22(x,y). Ces 9 modes sont spatialement disjoints et disposés en forme de carré dans le deuxième plan. Ils forment bien une famille à variables séparables, comme cela est représenté sur la figure 5. A second family of modes is also defined, in a second transverse plane P2 forming the separation plane 7 disposed downstream of the conversion and also provided with a Cartesian coordinate system (x, y). This second family is composed of a main mode E'oo (x, y) "top hat", and of eight disturbance modes E'oi (x, y) to E'22 (x, y). These 9 modes are spatially separated and arranged in the form of a square in the second plane. They do form a family with separable variables, as shown in Figure 5.
Pour résoudre le problème posé, on configure le dispositif de conversion MPLC 5 pour que la transformation modale du rayonnement d'entrée conduise à transformer chaque mode Eq (x, y) du premier plan dans le mode E'q(x, y) du deuxième plan, c'est-à-dire transformer chaque mode de la première famille dans le mode de même indice de la deuxième famille. De la sorte, quelle que soit la position exacte du faisceau lumineux d'entrée, la partie correspondant au premier mode gaussien Eoo (x, y) est transformé dans le mode « top hat » E'oo(x, y) · Les autres parties du rayonnement d'entrée, se projetant dans les autres modes de la première famille, sont transformées dans les autres modes de la deuxième famille qui sont tous spatialement séparés du premier mode E'oo(x, y) · On peut ainsi placer un masque M (formant le dispositif de blocage 8) en sortie du dispositif de conversion MPLC, après la transformation opérée par les masques de phase et au niveau du plan de séparation 7, visant à bloquer la propagation de cette partie du rayonnement transformé, de manière à ce que seule la partie correspondant au premier mode E'oo(x, y) se propage, comme cela est bien visible sur la figure 5, dans la représentation transverse d'un troisième plan P3 en aval du masque M. To solve the problem posed, the MPLC 5 conversion device is configured so that the modal transformation of the input radiation leads to transform each mode Eq (x, y) of the foreground in the mode E'q (x, y) of the second plan, that is to say transform each mode of the first family into the same index mode of the second family. In this way, whatever the exact position of the input light beam, the part corresponding to the first Gaussian mode Eoo (x, y) is transformed into the “top hat” mode E'oo (x, y) · The others parts of the input radiation, projecting into the other modes of the first family, are transformed into the other modes of the second family which are all spatially separated from the first mode E'oo (x, y) · We can thus place a mask M (forming the blocking device 8) at the output of the MPLC conversion device, after the transformation carried out by the phase masks and at the level of the separation plane 7, aimed at blocking the propagation of this part of the transformed radiation, so that only the part corresponding to the first mode E'oo (x, y) propagates, as is clearly visible in FIG. 5, in the transverse representation of a third plane P3 downstream of the mask M.
Comme cela a été décrit précédemment, l'utilisation d'une décomposition en variables séparables permet de prévoir un nombre limité de masques de phase du dispositif de conversion MPLC pour mettre en œuvre la transformation modale qui vient d'être décrite. On peut par exemple configurer le MPLC pour qu'il comprenne cinq masques de phase, c'est-à-dire cinq réflexions ou transmissions du rayonnement d'entrée imposant un déphasage spatial du rayonnement. Et on recherche numériquement les profils de chacun des masques de phase conduisant à précisément transformer la première famille de modes dans le mode de même couple d' indices de la deuxième famille de modes. Cette recherche peut se poser comme un problème d'optimisation numérique (dont on trouvera une description détaillée dans l'état de la technique cité), et la séparabilité des variables de la première et deuxième famille de modes permet de faire converger efficacement ce problème vers une solution présentant un bon degré d'optimalité, même lorsque le nombre de masques de phase est réduit, cinq dans l'exemple pris. As described above, the use of a decomposition into separable variables makes it possible to provide a limited number of phase masks of the MPLC conversion device to implement the modal transformation which has just been described. One can for example configure the MPLC so that it comprises five phase masks, that is to say five reflections or transmissions of the input radiation imposing a spatial phase shift of the radiation. And we search numerically for the profiles of each of the phase masks leading to precisely transforming the first family of modes into the mode of the same pair of indices of the second family of modes. This research can be posed as a numerical optimization problem (a detailed description of which will be found in the cited state of the art), and the separability of the variables of the first and second family of modes makes it possible to effectively converge this problem towards a solution with a good degree of optimality, even when the number of phase masks is reduced, five in the example taken.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. Of course, the invention is not limited to the mode of implementation described and it is possible to make variant embodiments without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Il peut notamment exister une multitude de plans transverses dans lequel le rayonnement utile et le rayonnement de perturbation sont spatialement séparés. On pourra dans ce cas placer le dispositif de blocage 8 dans l'un au moins de ces plans, ou répartir les éléments optiques composant le dispositif de blocage 8 dans une pluralité de tels plans. There can in particular exist a multitude of transverse planes in which the useful radiation and the radiation of disturbance are spatially separated. In this case, it is possible to place the blocking device 8 in at least one of these planes, or to distribute the optical elements composing the blocking device 8 in a plurality of such planes.
Dans le cas où le faisceau d'entrée est constitué d'impulsions femtosecondes (de 10 à 900 fs) , le dispositif de traitement 1 devient particulièrement pertinent de part : In the case where the input beam consists of femtosecond pulses (from 10 to 900 fs), the processing device 1 becomes particularly relevant because of:
sa compatibilité avec des faisceaux lumineux de spectres optiques larges,  its compatibility with light beams of wide optical spectra,
sa compatibilité avec des faisceaux dont les énergies par impulsion sont importantes,  its compatibility with beams whose energies per pulse are important,
la robustesse qu' il procure aux changements des paramètres, spatiaux du faisceau d'entrée,  the robustness it provides to changes in the spatial parameters of the input beam,
le faible nombre d'éléments optiques qui composent le dispositif assure la stabilité des paramètres spatiaux des faisceaux produits.  the small number of optical elements that make up the device ensures the stability of the spatial parameters of the beams produced.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de traitement (1) d'un rayonnement lumineux comprenant : 1. Device for processing (1) a light radiation comprising:
une entrée optique (2) pour recevoir un faisceau d'entrée issu d'une source optique (3) et pour propager dans le dispositif (1) un rayonnement d'entrée ; - une sortie optique (4) pour émettre un faisceau de sortie; an optical input (2) for receiving an input beam from an optical source (3) and for propagating in the device (1) an input radiation; - an optical output (4) for emitting an output beam;
- un dispositif de conversion MPLC (5) disposé entre l'entrée optique (2) et la sortie optique (4) et configuré pour spatialement séparer, dans un plan de séparation (7), le rayonnement d'entrée en un rayonnement utile, dans un mode cible, qui se propage vers la sortie optique (4) et en un rayonnement de perturbation ; - an MPLC conversion device (5) arranged between the optical input (2) and the optical output (4) and configured to spatially separate, in a separation plane (7), the input radiation into useful radiation, in a target mode, which propagates towards the optical output (4) and in a disturbing radiation;
- au moins un dispositif de blocage (8) du rayonnement de perturbation, disposé dans le plan de séparation (7) pour qu'il ne contribue pas au faisceau de sortie.  - At least one blocking device (8) of the disturbance radiation, arranged in the separation plane (7) so that it does not contribute to the output beam.
2. Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente comprenant un dispositif de transmission (6) pour mettre en forme le rayonnement utile et former le faisceau de sortie. 2. Processing device (1) according to the preceding claim comprising a transmission device (6) for shaping the useful radiation and forming the output beam.
3. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes comprenant une pluralité de dispositifs de blocage (8) disposés respectivement dans une pluralité de plans de séparation (7) dans lesquels on isole spatialement une partie du rayonnement de perturbation . 3. Treatment device (1) according to one of the preceding claims comprising a plurality of blocking devices (8) respectively disposed in a plurality of separation planes (7) in which part of the disturbance radiation is spatially isolated.
4. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de blocage (8) comprend un élément optique absorbant, diffusant ou réfléchissant. 4. Treatment device (1) according to one of the preceding claims wherein the device blocking (8) comprises an absorbing, diffusing or reflecting optical element.
5. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de blocage (8) est intégré au moins en partie dans le dispositif de conversion MPLC (5) . 5. Processing device (1) according to one of the preceding claims, in which the blocking device (8) is integrated at least in part into the MPLC conversion device (5).
6. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de blocage (8) comprend un élément de détection pour collecter une partie au moins du rayonnement de perturbation . 6. Treatment device (1) according to one of the preceding claims wherein the blocking device (8) comprises a detection element for collecting at least part of the disturbance radiation.
7. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications 2 à 6 dans lequel le dispositif de transmission (6) comprend, disposé en aval du dispositif de conversion (5) , un élément optique diffractif, un modulateur de phase spatiale, un système optique comprenant au moins une lentille, un axicon, un séparateur de faisceau et/ou un deuxième dispositif de conversion MPLC. 7. Processing device (1) according to one of claims 2 to 6 in which the transmission device (6) comprises, arranged downstream of the conversion device (5), a diffractive optical element, a spatial phase modulator, an optical system comprising at least one lens, an axicon, a beam splitter and / or a second MPLC conversion device.
8. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications 2 à 7 dans lequel le dispositif de transmission (6) est intégré au moins en partie dans le dispositif de conversion MPLC (5) . 8. Processing device (1) according to one of claims 2 to 7 wherein the transmission device (6) is integrated at least partially in the MPLC conversion device (5).
9. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications 2 à 7 dans lequel le dispositif de transmission (6) comprend au moins un élément optique non sphérique et non plan, et de préférence entre 1 et 3 éléments optiques non sphériques et non plans. 9. Processing device (1) according to one of claims 2 to 7 in which the transmission device (6) comprises at least one non-spherical and non-planar optical element, and preferably between 1 and 3 non-spherical optical elements and no plans.
10. Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente dans lequel l'élément optique non sphérique et non plan est un élément optique réflectif. 10. Processing device (1) according to the preceding claim wherein the non-spherical and non-planar optical element is a reflective optical element.
11. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes comprenant également un dispositif de commande (9) entre l'entrée optique (2) et le dispositif de conversion MPLC (5) . 11. Processing device (1) according to one of the preceding claims also comprising a control device (9) between the optical input (2) and the MPLC conversion device (5).
12. Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de commande (9) est un élément optique inactif. 12. Processing device (1) according to the preceding claim wherein the control device (9) is an inactive optical element.
13. Dispositif de traitement (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de conversion MPLC (5) est configuré pour transformer une base de modes d'entrée dans une base de modes de sorties, les bases de modes d'entrée et de sortie étant à variables spatiales séparables. 13. Processing device (1) according to one of the preceding claims, in which the MPLC conversion device (5) is configured to transform a base of input modes into a base of output modes, the bases of input and output being with separable spatial variables.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2469221A1 (en) * 2010-12-21 2012-06-27 Universite Pierre Et Marie Curie - Paris 6 Method and system for configuring a device for correcting the effect of a medium on a light signal, method, device and system for correcting said effect.
US20170010463A1 (en) 2014-01-30 2017-01-12 Calibs Device for processing light/optical radiation, method and system for designing such a device
WO2018104725A1 (en) * 2016-12-06 2018-06-14 Roadmap Systems Ltd A space-division multiplexed reconfigurable, wavelength selective switch
FR3061964A1 (en) * 2017-01-19 2018-07-20 Cailabs TRANSFORMING THE VARIATION OF A PARAMETER OF A BEAM INTO THE VARIATION OF ANOTHER OF ITS PARAMETERS

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2469221A1 (en) * 2010-12-21 2012-06-27 Universite Pierre Et Marie Curie - Paris 6 Method and system for configuring a device for correcting the effect of a medium on a light signal, method, device and system for correcting said effect.
US9250454B2 (en) 2010-12-21 2016-02-02 Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6) Method and system for configuring a device for correcting the effect of a medium on a light signal, method, device and system for correcting said effect
US20170010463A1 (en) 2014-01-30 2017-01-12 Calibs Device for processing light/optical radiation, method and system for designing such a device
WO2018104725A1 (en) * 2016-12-06 2018-06-14 Roadmap Systems Ltd A space-division multiplexed reconfigurable, wavelength selective switch
FR3061964A1 (en) * 2017-01-19 2018-07-20 Cailabs TRANSFORMING THE VARIATION OF A PARAMETER OF A BEAM INTO THE VARIATION OF ANOTHER OF ITS PARAMETERS

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BADE ET AL.: "Fabrication and Characterization of a Mode-selective 45-Mode Spatial Multiplexer based on Multi-Plane Light Conversion", OPTICAL FIBER COMMUNICATION CONFÉRENCE POSTDEADLINE PAPERS, OSA TECHNICAL DIGEST, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, 2018, PAPER TH4B.3, 2018, pages 1 - 3, XP033357902
GUILLAUME LABROILLE ET AL: "Efficient and mode selective spatial mode multiplexer based on multi-plane light conversion", OPTICS EXPRESS, vol. 22, no. 13, 30 June 2014 (2014-06-30), US, pages 15599, XP055516035, ISSN: 2161-2072, DOI: 10.1364/OE.22.015599 *
J-F MORIZUR ET AL: "Programmable unitary spatial modes manipulation", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 19 May 2010 (2010-05-19), XP080477442, DOI: 10.1364/JOSAA.27.002524 *
MORIZUR ET AL.: "Programmable unitary spatial mode manipulation", J. OPT. SOC. AM. A, vol. 27, no. 11, November 2010 (2010-11-01), XP055000594, doi:10.1364/JOSAA.27.002524
V. DELAUBERT: "Quantum measurements of spatial conjugate variables: displacement and tilt of a Gaussian beam", OPTICS LETTERS, vol. 31, no. 10, 2006, pages 1537 - 1539, XP001242876, doi:10.1364/OL.31.001537

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