WO2022117927A1 - Caracterisation d'une impulsion de rayonnement par fenetrage optique resolu en temps - Google Patents

Caracterisation d'une impulsion de rayonnement par fenetrage optique resolu en temps Download PDF

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WO2022117927A1
WO2022117927A1 PCT/FR2021/051650 FR2021051650W WO2022117927A1 WO 2022117927 A1 WO2022117927 A1 WO 2022117927A1 FR 2021051650 W FR2021051650 W FR 2021051650W WO 2022117927 A1 WO2022117927 A1 WO 2022117927A1
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WO
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pulse
matrix image
interference
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PCT/FR2021/051650
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Pierre BEJOT
Franck Billard
Edouard Hertz
Original Assignee
Universite De Bourgogne
Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs -
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H04N23/12—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths with one sensor only

Definitions

  • This description relates to a system and a method for characterizing an electromagnetic radiation pulse by time-resolved optical windowing.
  • an electromagnetic radiation pulse that is to say to know its complex electromagnetic field amplitude profile, when it is a pulse of very short duration. , called an ultrashort pulse.
  • a pulse can last a few femtoseconds or a few tens of femtoseconds, or even a little more than a hundred femtoseconds, and have a nominal wavelength of about 1.5 ⁇ m (micrometer).
  • nominal wavelength of ultrashort pulses to be characterized can be more generally between 1.2 ⁇ m and 2.4 ⁇ m, or between 1.7 ⁇ m and 3.4 ⁇ m, or even in other spectral ranges, including a nominal ultrashort pulse wavelength value that is close to 0.8 ⁇ m corresponding to emission from titanium:sapphire laser sources.
  • Several methods have already been proposed to characterize the complex amplitude profile of such pulses. Some of these methods, known as multi-shot or “multiple shot” in English, cannot be implemented from a single pulse, because they require several pulse measurements to be carried out successively. Such is the case when an optical assembly is used which causes an electromagnetic radiation pulse to interfere with itself by introducing a delay which has a unique value for each measurement.
  • the value of the delay is then varied between successive measurements.
  • the number of measurements which is necessary in this case can be significant, depending on the precision desired for the characterization of the pulse, which imposes a total duration of characterization which can be long or very long. In practice, such a multi-hit method can even be unusable when the pulse repetition frequency is low.
  • those which are called mono-shot, or “single shot” in English make it possible to characterize a pulse in a single measurement.
  • FROG Frequency-Resolved Optical Gating
  • Such FROG characterizations can be of the multi-shot type or of the single-shot type, as described in document US 8,068,230. They require the measurement of the spectrum and, because of this, their hardware implementation is complicated. All FROG methods implement a non-linear mechanism of radiation propagation, which is applied to pulse parts which are superimposed to form an interference, with a delay between these pulse parts which is denoted T. However, the non-linear mechanism that is used can vary between different FROG methods.
  • each detection signal S( ⁇ , T) corresponds to the following formula:
  • document FR 3 034 577 describes yet another one-shot method for characterizing an electromagnetic radiation pulse.
  • This alternative method uses a Fresnel biprism to form an interference pattern by superimposing two parts of the pulse in a portion of space, and the interference pattern is captured by an image sensor which is selected to n' be sensitive only to two-photon absorptions.
  • the image sensor produces a current which is directly proportional to the probability of absorbing two photons at each location of the interference pattern. It is necessary to ensure that the image sensor does not detect photons by the usual linear absorption mechanism, by selecting it so that its spectral range of sensitivity does not contain the wavelength value(s) impulse.
  • the detection signals which are delivered by the image sensor for an ultrashort pulse when the accumulation time of the image sensor is greater than that of the pulse, are proportional to the square of the module of the function of autocorrelation of the electric field, this electric field being again represented by a complex number.
  • an object of the present invention is to propose a new method for characterizing an electromagnetic radiation pulse, which is of the single-shot type.
  • An additional object of the invention is to provide a complete and exact characterization of the shape of a pulse, that is to say without an assumption on a type of parametric shape of pulse envelope be necessary.
  • Yet another object of the invention is to use an optical assembly which is simple and inexpensive.
  • Yet another object of the invention is to make it possible to characterize pulses whose nominal wavelength lies in the range between 1.2 ⁇ m and 2.4 ⁇ m, or between 1.7 ⁇ m and 3.4 ⁇ m, or is substantially equal to 0.8 ⁇ m.
  • a first aspect of the invention proposes a new system for characterizing an electromagnetic radiation pulse by time-resolved optical windowing, which comprises:
  • an interference formation device adapted to superimpose in an interference volume, several parts of an initial radiation which is incident on this device;
  • an optical input path arranged to direct the pulse to be characterized on the interference formation device, so that the pulse constitutes the initial radiation which is incident on this device;
  • a matrix image sensor which is arranged to selectively capture from two-photon absorptions, an interference figure formed by the pulse in the interference volume
  • processing unit which is configured to deduce pulse shape characteristics from detection signals delivered by the matrix image sensor, and corresponding to the interference pattern formed by the pulse.
  • the interference forming device is adapted to superimpose in the interference volume, four parts of the initial radiation, so as to form a four-wave interference and so that the detection signals delivered by the matrix image sensor vary according to two independent parameters associated with two different directions which are contained in the photosensitive surface of the matrix image sensor.
  • two-photon absorption means photonic transformation mechanisms which consume two photons of the pulse. Such a mechanism can occur inside the matrix image sensor, in which case the energy of the two photons which are absorbed simultaneously is transformed into an electrical detection signal.
  • the spectral range of sensitivity of the matrix image sensor which is defined in the usual way for the linear absorption mechanism, that is to say with a single photon, then corresponds to the total energy of the two photons absorbed .
  • the spectral range of sensitivity of the array image sensor must contain a wavelength value which is equal to half that of each photon involved in the two-photon mechanism.
  • the two photons can be absorbed simultaneously in an SHG crystal, this crystal then re-emitting a single photon which is detected by the matrix image sensor.
  • the wavelength of the single photon which is re-emitted by the SHG crystal is equal to half that of each of the photons initially absorbed by this crystal.
  • the characteristics of the pulse which are deduced by the processing unit from at least part of the detection signals delivered by the matrix image sensor comprise instantaneous values of the module and of the phase of the complex amplitude of the impulse field.
  • the pulse characterization which is provided by the system of the invention is of the single-shot type, thanks to the sampling of the interference figure produced by the matrix image sensor.
  • it is of the type with time-resolved optical windowing, since each location of the interference figure corresponds to values of two delays which are applied between several parts of the pulse by the device for forming the interference .
  • the interference figure is two-dimensional, with intensity variations which are independent between the two directions of the matrix image sensor, much more complete information is collected on the pulse by the the invention. It is then possible to deduce therefrom a complete characterization of the shape of the pulse, by the instantaneous values of the modulus and of the phase of the complex amplitude of the field of the pulse, for example of its electric field. No assumptions about a type of pulse envelope parametric shape are necessary in this way, so the characterization of the shape of the pulse that is provided by the system of the invention is accurate.
  • the four-wave interference forming device which is used in the system of the invention can be particularly simple. In particular, its implementation can be much simpler than that of a spectrometer.
  • it may be a portion of a refractive material bounded by an optical input face which is flat and by four optical output faces which are also flat, the four output faces being images of each other by 90° rotations around an optical axis which is perpendicular to the entrance face.
  • each output face forms a prism with the input face whose vertex angle is non-zero, and it is additionally oriented so that a part of the beam of the initial radiation which is incident on the entrance face parallel to the optical axis and which emerges through this exit face is deflected by the portion of refracting material in the direction of the optical axis downstream of the interference forming device .
  • the interference forming device which is used in the system of the invention may comprise two biprisms each made of refractive material and which are arranged one after the other on a propagation path of the initial radiation, with respective edges of these two biprisms which have different orientations in projection on a plane perpendicular to the propagation path of the initial radiation.
  • the edges of the two biprisms can be orthogonal in projection on the plane which is perpendicular to the propagation path of the initial radiation.
  • the processing unit can be configured for:
  • the processing unit can be configured so that the component which is selected in the decomposition by two-dimensional Fourier transformation of the interference figure has zero values outside the interference volume.
  • the result of the pulse characterization which is provided by the system of the invention thus depends to a lesser extent, or does not depend, on the size of the spatial detection window constituted by the photosensitive surface of the matrix image sensor. .
  • the component of the decomposition by two-dimensional Fourier transformation of the interference figure which is selected by the processing unit, can be associated with twice a nominal frequency of the pulse to be characterized according to one of the directions of the matrix image sensor, and associated with only once this nominal frequency of the pulse to be characterized according to the other direction of the matrix image sensor, when the detection signals delivered by the matrix image sensor are expressed as a function of delay contributions which are created by respective displacements in the two directions of the matrix image sensor.
  • This component is called F2,I , and the instantaneous values of the modulus and of the phase of the complex amplitude of the pulse field are deduced from this component F2,I by the processing unit.
  • the F2,I component has zero values outside the interference volume.
  • the processing unit can be configured to select the component of the decomposition by two-dimensional Fourier transformation of the interference figure, called F2,o, which is associated with twice the nominal frequency of the pulse to be characterized according to a first of the directions of the matrix image sensor, but without being associated with any variation according to a second direction of the matrix image sensor, when the detection signals delivered by the matrix image sensor are expressed as a function of the delay contributions which are created by respective displacements in the two directions of the matrix image sensor.
  • the instantaneous values of the modulus and of the phase of the complex amplitude of the field of the pulse are then deduced from this component F2,o by the processing unit.
  • the values of the component F2,o are not zero outside the interference volume.
  • the processing unit can be configured to select moreover the component of the decomposition by two-dimensional Fourier transformation of the interference figure, called F2.2, which is associated with twice the nominal frequency of the pulse to be characterized according to the first of the directions of the image sensor matrix, and which is also associated with twice the nominal frequency of the pulse to be characterized in the second direction of the matrix image sensor, again when the detection signals delivered by the matrix image sensor are expressed as a function of the contributions of delay which are created by respective displacements in the two directions of the matrix image sensor.
  • F2.2 two-dimensional Fourier transformation of the interference figure
  • the processing unit is also configured to calculate respective one-dimensional Fourier transforms of the components F2,o and F2,2 with respect to the delay contributions which are created by the displacements according to the first of the directions of the matrix image sensor , these one-dimensional Fourier transforms being denoted TFI(F2,O) for the component F2,o, and TFI(F2,2) for the component F2,2. It is then configured to deduce the instantaneous values of the modulus and of the phase of the complex amplitude of the field of the impulse, from a result of TFI(F2,O) - 2-Mod[TFi(F2.2 )], where Mod[.] denotes a complex number modulus.
  • the electromagnetic pulse characterization system by time-resolved optical windowing may further comprise:
  • a diaphragm which is arranged on an optical path between the SHG crystal plate and the matrix image sensor, for selectively transmitting in the direction of this matrix image sensor a beam of radiation which propagates parallel to a direction of propagation of the effective pulse upstream of the interference forming device, with respect to the direction of propagation of this pulse.
  • the matrix image sensor is implemented or selected to detect only doubled optical frequency photons which are produced by the SHG crystal plate, to the exclusion of photons of the impulse that went through this SHG crystal blade.
  • the spectral detection interval of the matrix image sensor which is used with such a plate of SHG crystal can be limited by a spectral filter which is located on the optical path between this plate and this sensor, so as to suppress a detection of the photons of the pulse which have passed through the SHG crystal plate.
  • Such second embodiments are particularly suitable for characterizing pulses which have nominal wavelength values close to 0.8 ⁇ m. Indeed, for such nominal wavelength values, there is currently no matrix image sensor that is able to operate solely by the two-photon absorption mechanism.
  • a second aspect of the invention provides a method for characterizing an electromagnetic radiation pulse by time-resolved optical windowing, which is performed using a system according to the first aspect above.
  • the pulse to be characterized has a spectrum such that all the wavelength values which correspond to non-zero or substantially non-zero spectral amplitudes are outside a spectral detection interval of the sensor d 'matrix images, and such that results of divisions by two of these wavelength values of the spectrum of the pulse which correspond to non-zero or substantially non-zero spectral amplitudes, are inside the detection spectral interval of the matrix image sensor.
  • the detection spectral range of the matrix image sensor can directly be its sensitivity spectral range.
  • the spectral range of sensitivity of the matrix image sensor must exclude all the wavelength values of the spectrum of the pulse which correspond to non-zero or substantially non-zero spectral amplitudes, and contain the results of the divisions by two of these wavelength values of the spectrum of the pulse which correspond to non-zero or substantially non-zero spectral amplitudes.
  • the matrix image sensor which is used in the system of the invention may be of a silicon-based type, in which case its spectral range of sensitivity extends from approximately 400 nm (nanometer) to 1200 nm, in wavelength values.
  • the matrix image sensor may be of an indium-galium-arsenic (InGaAs) alloy-based type, and in this case all the wavelength values of the spectrum from the pulse to characterize which correspond to non-zero spectral amplitudes must be between 1700 nm and 3400 nm.
  • InGaAs indium-galium-arsenic
  • the spectral range of detection results from the combination of the spectral range of sensitivity of the image sensor matrix with a spectral transmission window of the filter.
  • FIG. 1a is a perspective view of an interference forming device which can be used in a system according to the invention
  • FIG. 1 b includes a plan view and sections of the interference formation device of [Fig. 1a];
  • FIG. 1c corresponds to [Fig. 1a] for an alternative embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a first embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 3 shows steps executed by a processing unit of a system conforming to [Fig. 2];
  • FIG. 4 is a diagram that illustrates a characterization result of an electromagnetic radiation pulse, as provided by the system of [Fig. 2];
  • FIG. 5 corresponds to [Fig. 2] for a second embodiment of a system according to the invention. Detailed description of the invention
  • an interference forming device 1 comprises a portion of a homogeneous, transparent and refractive material for the nominal wavelength of an electromagnetic radiation pulse to be characterized. So designates an optical input face of this portion, which is flat, and Si, S2, S3 and S4 designate its four optical output faces which have identical shapes and are each also flat. The four exit faces S1-S4 are located on a side of the portion of refracting material which is opposite to that of the entrance face So.
  • each exit face S1-S4 is inclined with respect to the entrance face So so that the device 1 divides the beam of the initial radiation Ro into four beam parts which emerge from the portion of refracting material a -to-one by each of the output faces S1-S4, with respective propagation directions which approach the optical axis AA.
  • a lateral surface SL of the portion of refracting material which constitutes the interference forming device 1, between the input face So on the one hand and the output faces S1-S4 on the other hand, can have a selected shape to increase a cross-sectional area of the interference volume V.
  • the angle between the respective bisectors originating from the vertex P of two of the exit faces S1-S4 which are opposite with respect to the optical axis AA is denoted a, and can be about 160° (degree).
  • the reference 10 generally designates a system for characterizing pulses of electromagnetic radiation by time-resolved optical windowing which is in accordance with the invention.
  • the system 10 comprises the interference forming device 1, an input optical path 2, a matrix image sensor 3 and a processing unit 4.
  • the plan of [Fig. 2] contains the bisectors of two of the output faces of device 1 which are opposite with respect to the optical axis A-A, for example the respective bisectors of the output faces S2 and S4.
  • the reference I designates the pulse to be characterized. It can be produced by a source 11 of ultrashort laser pulses, also called femtosecond laser and denoted FS-LASER, for example with a nominal wavelength ⁇ o which is close to the value 1550 nm.
  • the input optical path 2 can be designed to adapt a beam section size of the pulse I in accordance with the size of the input face So of the interference forming device 1 . It may include input optics, for example based on a combination of several spherical mirrors and/or lenses.
  • the input optical path 2 is preferably designed so that the pulse I is incident on the input face So parallel to the axis AA, and in a way that is centered on this axis. Thus, the pulse I constitutes the initial radiation Ro for the interference forming device 1 .
  • the interference volume V begins at the common vertex P of the output faces S1-S4, is symmetrical with respect to the axis AA, and has a section perpendicular to the axis AA which is larger and larger until 'to a plane of maximum section, denoted SM.
  • the matrix image sensor 3 has for example 600 ⁇ 600 photosensitive elements. It is arranged in the interference volume V, perpendicular to the axis AA, preferably close to the plane of maximum section SM. It is oriented so that its directions of rows and columns of photosensitive elements, denoted x and y respectively, are parallel one-to-one to the lateral sides of the interference volume V.
  • the angle a of the forming device d interference 1 is salient, being sufficiently close to 180° for the interference fringes which are produced in the volume V to be resolved by the matrix image sensor 3.
  • a pitch p of the photosensitive elements of this sensor d raster images determines a lower limit for the angle a.
  • the angle 0 r introduced above must satisfy the inequality: where ⁇ o is again the nominal wavelength of the pulse I.
  • the pitch p of the photosensitive elements can be equal to 1.6 ⁇ m when the nominal wavelength ⁇ o is equal to approximately 1550 nm.
  • the matrix image sensor 3 is selected or implemented not to be sensitive to the nominal wavelength value ⁇ o of the pulse I, but sensitive in a spectral interval which contains the value half of this nominal wavelength value ⁇ o, that is to say ⁇ o/2, by extending sufficiently on either side of ⁇ o/2.
  • the matrix image sensor 3 can be of the silicon-based type. Under these conditions, the matrix image sensor 3 is sensitive to two-photon absorptions which are generated by the pulse I and occur in its photosensitive elements, and the number of occurrences of which depends on the place where each element is located. photosensitive inside the interference volume V.
  • the detection signal which is delivered by each element photosensitive matrix image sensor 3 is: where Etot is the electric field generated by pulse I at a point in the interference volume V and at time t.
  • Etot is the electric field generated by pulse I at a point in the interference volume V and at time t.
  • the electric field Etot is given by: + complex conjugate.
  • T 1 and T 2 are the delays which result from displacements in the two directions x and y with respect to the wave taken as the phase shift reference
  • ⁇ o is the nominal pulsation of the pulse I, equal to 2TT-C/ ⁇ 0 where C is the propagation speed of the radiation in the air.
  • A(t) is the complex amplitude of the electric field of pulse I at time t, so that the instantaneous electric field of pulse I is:
  • the delays ⁇ 1 and ⁇ 2 have the following expressions as a function of displacements in the two directions x and y:
  • the detection signals S(T 1 ,T 2 ) which are then delivered by the photosensitive elements of the matrix image sensor 3 comprise twenty-five terms which can each be identified by two relative integer values n and m , where n is -2, -1, 0, +1 or +2 and m is independently also -2, -1, 0, +1 or +2.
  • the term of the couple (n, m) is proportional to exp[-i(n-wo-T 1 + m.w0.T2)], where exp[.] denotes the exponential function.
  • the processing unit 4 is denoted CPU in [Fig. 2], it is connected to receive as input the detection signals S(T 1 ,T 2 ) which are delivered by the photosensitive elements of the matrix image sensor 3, and to supply as output a characterization of the shape of the pulse I, as complex values of A(t).
  • the steps which are executed by the processing unit 4 are now described with reference to [FIG. 3].
  • the processing unit 4 digitizes the detection signals S( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) at the step denoted NUM. It then calculates a two-dimensional Fourier transformation with respect to the two variables ⁇ 1 and ⁇ 2 , in the next step denoted FOURIER.
  • a function with two variables TF(S)( ⁇ ) I , ⁇ 2 ) is thus obtained, where ⁇ 1 is the variable conjugate with ⁇ 1 , ⁇ 2 is the variable conjugate with ⁇ 2 , and TF(S) designates the transform two-dimensional Fourier structure of the signals S( ⁇ 1 , ⁇ 2 ).
  • the function TF(S)( ⁇ ) I , ⁇ 2 ) consists of twenty-five peaks which correspond to the twenty-five terms indicated above for the function S( ⁇ 1 , ⁇ 2 ).
  • An adaptive filtering is then applied to one of these peaks, in the step denoted FILT., to isolate at least one of the components, corresponding to a value of n and to a value of m.
  • This filtering window width in the plane of the pulsation values ⁇ , ⁇ 2 is adapted to remain sufficiently far from the other peaks.
  • a filtered function derived from TF(S)( ⁇ ) I , ⁇ 2 ) is then constructed, keeping in the filtering window the values of TF(S)( ⁇ ) I , ⁇ 2 ) without modifying them, and completing by null values outside the filter window.
  • an inverse two-dimensional Fourier transform is applied to the filtered function TF(S)( ⁇ ) I , ⁇ 2 ).
  • the filtering method which has just been described is commonly called adaptive filtering by those skilled in the art. It provides a sampling of the values of the function F2,1( ⁇ 1 , ⁇ 2)
  • the inventors used an algorithm which is commonly called an evolution algorithm or a genetic algorithm.
  • Such an evolution algorithm implements mechanisms which are inspired by natural selection to optimize a set of values, in order to reproduce a target.
  • the purpose of the algorithm is to determine the instantaneous amplitude values A(t), in modulus denoted Mod[A(t)] and in phase denoted ⁇ (t), which make it possible to best reproduce the values of F 2.1 (T 1 ,T 2 ) supplied by step FILT., which constitute the target.
  • the algorithm can determine the amplitude A( ⁇ ) of the spectral components of the function A(t), by their modulus Mod[A( ⁇ )] and their phase ⁇ ( ⁇ ).
  • TF(S)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) which were obtained during the FILT step.
  • Starting values are adopted for Mod[A( ⁇ )] and ⁇ ( ⁇ ), for a set of sample values of the pulse ⁇ . These starting values determine a starting shape for the I pulse, from which an estimate of TF(F2.I)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is calculated, where TF(F2.I)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is the two-dimensional Fourier transform of F2, 1(11, 12) deduced from the expression given above for the latter.
  • the evolution algorithm starts with a set of individuals who are randomly selected, and who constitute an initial population.
  • the function TF(F2,I)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is calculated for each individual of the initial population, and the result obtained for each individual is compared to TF(S)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) filtered such that obtained at the end of the FILT step. from the detection signals S(T 1 ,T 2 ).
  • a score is then assigned to each individual, which quantifies the level of coincidence between its evaluation for the function TF(F2,I)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and the values of TF(S)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) filtered .
  • This coincidence is sought between the two functions TF(F2,1) and TF(S) filtered when the two variables ⁇ i and ⁇ 2 vary independently of each other.
  • Individuals with the lowest scores are eliminated, and those with the highest scores are selected to become parents of a new generation of individuals.
  • the genes of each individual of the new generation are obtained by mixing those of two selected parents, and by introducing random mutations of one or more of the genes.
  • the comparison of the individuals with the filtered values of TF(S)( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) deduced from the detection signals is then repeated with the individuals of the new generation, and the whole process is repeated recurrently for each successive generation. . These repetitions are chained in this way until convergence is obtained, ie a situation is obtained where the individuals from one generation to the next no longer or almost no longer improve the coincidence scores.
  • the individual with the best score constitutes the result for the form of the pulse I.
  • the diagram of [Fig. 4] shows the result which was thus obtained from the component F2,I -
  • the horizontal axis of the diagram identifies the time, denoted t and expressed in femtoseconds (fs).
  • the vertical axis on the left of the diagram identifies the values of ⁇ (t), expressed in radians, and the vertical axis on the right of the diagram identifies the values of Mod 2 [A(t)] expressed in arbitrary units (au).
  • the pulse I which has been characterized therefore has a duration of about 40 fs.
  • This component F2,o is the following, according to the expressions of
  • the component F2,o is not zero outside the interference volume V.
  • Component F2.2 has the expression: so what :
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of the invention, for which the two-photon mechanism is produced independently of the matrix image sensor, that is to say produced outside of this sensor.
  • the matrix image sensor is replaced inside the interference volume V by an SHG crystal plate which is designated by the reference 5.
  • a relay optic 6 is used to image this SHG crystal plate 5 on the matrix image sensor 3. This can be a single convergent lens, but any other imaging optical device can also be used.
  • the value of the magnification of the relay optics 6 is known, or it can be determined by a standard calibration procedure in the technical field of imaging.
  • the interference forming device 1 divides the radiation of the pulse I into four oblique beams which converge towards the optical axis AA, with respective directions of propagation which are transformed between them by successive rotations of 90° (degree) around the optical axis AA.
  • the SHG crystal plate 5 transforms these four beams which have as wavelength value that of the pulse I, into nine beams which have wavelength values substantially equal to half that of the pulse I.
  • the other eight beams propagate obliquely to the optical axis AA having respective wave vectors that point to the vertices and midpoints of the sides of a square in reciprocal three-dimensional space, and being spatially distributed around the beam Fo.
  • a diaphragm 7 is placed between the SHG crystal plate 5 and the matrix image sensor 3, for example just before the relay optics 6, to allow only the beam Fo to pass in the direction of the matrix image sensor 3, by blocking the oblique beams F 1-8 .
  • the function S(T 1 ,T 2 ) would have the same twenty-five terms as in the embodiment of the invention represented in [FIG. 2], and it is the optical filtering which is produced by the diaphragm 7, in the form of an adaptive spatial filtering, which reduces this function S(T 1 ,T 2 ) to the single term ⁇
  • the interference forming device 1 may be different from that of [Fig. 1a] and [Fig. 1b].
  • [Fig. 1c] shows another four-wave interference-forming device, which comprises two biprisms arranged one behind the other on the propagation path of the initial radiation Ro, intended to be constituted by the pulse I to be characterized.
  • the references 1a and 1b which are indicated in [Fig. 1c] designate these two biprisms, respectively.
  • the respective edges of the two biprisms 1a and 1b are preferably mutually perpendicular in projection in a plane which is perpendicular to the axis AA;
  • a filtered component of the interference pattern other than F2,I and F2,o, or a combination of several filtered components of the interference pattern, other than TFI (F2,O) - 2-Mod[ TFi(F2.2)] can be used to deduce the shape of the pulse I to be characterized.
  • components F1,2 and F0,2 can be used instead of F2,I and F2,O by permuting the roles of T 1 and T 2 in the equations and by calculating a one-dimensional Fourier transformation not on the first variable but on the second;

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Abstract

Un système (10) de caractérisation d'une impulsion (I) de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps, comprend un dispositif (1) de formation d'une interférence qui est adapté pour superposer quatre parties de l'impulsion. Le système comprend aussi un capteur d'images matriciel (3) qui saisit sélectivement à partir d'absorptions à deux photons, une figure d'interférence formée par l'impulsion. Ledit système permet d'obtenir de façon complète et exacte la forme de l'impulsion, et est particulièrement adapté pour caractériser des impulsions ultracourtes. Dans divers modes de réalisation, l'absorption à deux photons peut être produite dans le capteur d'images matriciel, ou bien remplacée par un doublement de fréquence optique qui est produit par une lame de cristal SHG.

Description

Description
Titre : CARACTERISATION D’UNE IMPULSION DE RAYONNEMENT PAR
FENETRAGE OPTIQUE RESOLU EN TEMPS
Domaine technique [0001] La présente description concerne un système et un procédé de caractérisation d’une impulsion de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps.
Technique antérieure
[0002] Il est difficile de connaître la forme d’une impulsion de rayonnement électromagnétique, c’est-à-dire connaître son profil d’amplitude complexe de champ électromagnétique, lorsqu’il s’agit d’une impulsion de très courte durée, dite impulsion ultracourte. A titre d’exemple, une telle impulsion peut durer quelques femtosecondes ou quelques dizaines de femtosecondes, voire un peu plus de cent femtosecondes, et posséder une longueur d’onde nominale d’environ 1 ,5 μm (micromètre). D’autres valeurs possibles de longueur d’onde nominale d’impulsions ultracourtes à caractériser peuvent être comprises plus généralement entre 1 ,2 pm et 2,4 pm, ou entre 1 ,7 pm et 3,4 pm, ou encore dans d’autres intervalles spectraux, y compris une valeur de longueur d’onde nominale d’impulsions ultracourtes qui est proche de 0,8 pm correspondant à l’émission de sources laser titane : saphir. Plusieurs méthodes ont déjà été proposées pour caractériser le profil d’amplitude complexe de telles impulsions. Certaines de ces méthodes, dites multi-coup ou «multiple shot» en anglais, ne peuvent pas être mises en œuvre à partir d’une impulsion unique, car elles nécessitent que plusieurs mesures d’impulsion soient effectuées successivement. Tel est le cas lorsqu’est utilisé un montage optique qui fait interférer une impulsion de rayonnement électromagnétique avec elle- même en introduisant un retard qui possède une valeur unique pour chaque mesure. La valeur du retard est alors variée entre des mesures successives. Le nombre de mesures qui est nécessaire dans ce cas peut être important, en fonction de la précision souhaitée pour la caractérisation de l’impulsion, ce qui impose une durée totale de caractérisation qui peut être longue ou très longue. Dans la pratique, une telle méthode multi-coup peut même être inutilisable lorsque la fréquence de répétition des impulsions est faible. Par opposition à ces méthodes de caractérisation multi-coup, celles qui sont dites mono-coup, ou «single shot» en anglais, permettent de caractériser une impulsion en une seule mesure.
[0003] Par ailleurs, les caractérisations qui impliquent de mesurer le spectre d’une impulsion de rayonnement électromagnétique sont dites à fenêtrage optique résolu en fréquence, et désignées par FROG pour «Frequency-Resolved Optical Gating» en anglais. De telles caractérisations FROG peuvent être du type multi-coup ou du type mono-coup, comme décrit dans le document US 8,068,230. Elles nécessitent de mesurer le spectre et, à cause de cela, leur mise en œuvre matérielle est compliquée. Toutes les méthodes FROG mettent en œuvre un mécanisme non-linéaire de propagation du rayonnement, qui est appliqué à des parties d’impulsion qui sont superposées pour former une interférence, avec un retard entre ces parties d’impulsion qui est noté T. Toutefois, le mécanisme non- linéaire qui est utilisé peut varier entre des méthodes FROG qui sont différentes. Une information bidimensionnelle est alors recueillie, sous la forme de signaux spectraux de détection S(ω, T), OÙ ω est la pulsation optique qui correspond à la mesure d’intensité spectrale effectuée. L’amplitude complexe de l’impulsion, notée A(t), qui caractérise sa forme d’enveloppe, peut alors être déduite en utilisant des algorithmes itératifs, à partir de tous les signaux de détection S(ω, T) recueillis lorsque les deux paramètres ω et T ont des valeurs variables indépendamment l’un de l’autre.
[0004] Pour les méthodes FROG qui sont dites SHG-FROG, SHG signifiant «Second Harmonie Generation» ou méthode à génération de deuxième harmonique, le mécanisme non-linéaire qui est utilisé est le doublement de fréquence optique. Ce mécanisme est obtenu en disposant un cristal doubleur de fréquence, aussi appelé cristal SHG, sur le trajet du rayonnement, et en limitant la détection exclusivement aux photons à fréquence doublée. Dans ces conditions, chaque signal de détection S(ω, T) correspond à la formule suivante :
Figure imgf000004_0001
L’article intitulé «Highly simplified device for ultrashort-pulse measurement» de P. O’Shea et al., Opt. Lett. 26(12), 2001 , pp. 932-934 décrit une telle méthode SHG-FROG monocoup.
[0005] Enfin, le document FR 3 034 577 décrit encore une autre méthode mono-coup pour caractériser une impulsion de rayonnement électromagnétique. Cette autre méthode utilise un biprisme de Fresnel pour former une figure d’interférence en superposant deux parties de l’impulsion dans une portion d’espace, et la figure d’interférence est saisie par un capteur d’images qui est sélectionné pour n’être sensible qu’à des absorptions à deux photons. Ainsi, le capteur d’images produit un courant qui est directement proportionnel à la probabilité d’absorber deux photons à chaque endroit de la figure d’interférence. Il est nécessaire de garantir que le capteur d’images ne détecte pas des photons par le mécanisme d’absorption linéaire usuel, en le sélectionnant pour que son intervalle spectral de sensibilité ne contienne pas la ou les valeur(s) de longueur d’onde de l’impulsion. Dans ces conditions, les signaux de détection qui sont délivrés par le capteur d’images pour une impulsion ultracourte, lorsque la durée d’accumulation du capteur d’images est supérieure à celle de l’impulsion, sont proportionnels au carré du module de la fonction d’autocorrélation du champ électrique, ce champ électrique étant encore représenté par un nombre complexe. Toutefois, il n’est pas possible de déduire de façon univoque l’amplitude complexe du champ électrique de l’impulsion à partir des valeurs du carré du module de cette fonction d’autocorrélation. A cause de cela, il est nécessaire de faire l’hypothèse d’une forme paramétrique de l’impulsion pour déduire les valeurs de certains de ses paramètres. Ces paramètres peuvent être par exemple la durée de l’impulsion, une dérive temporelle de sa valeur instantanée de longueur d’onde, appelée «chirp» dans le jargon de l’Homme du métier, etc. Mais une telle caractérisation de l’impulsion n’est que partielle, et peut être inexacte si la forme réelle de l’impulsion ne correspond pas à la forme paramétrique qui a été utilisée.
Problème technique
[0006] A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer un nouveau procédé de caractérisation d’une impulsion de rayonnement électromagnétique, qui soit du type mono-coup. [0007] Un but supplémentaire de l’invention est de fournir une caractérisation complète et exacte de la forme d’une impulsion, c’est-à-dire sans qu’une hypothèse sur un type de forme paramétrique d’enveloppe d’impulsion soit nécessaire.
[0008] Encore un autre but de l’invention est d’utiliser un montage optique qui soit simple et peu onéreux.
[0009] Encore un autre but de l’invention est de permettre de caractériser des impulsions dont la longueur d’onde nominale se situe dans l’intervalle compris entre 1 ,2 pm et 2,4 pm, ou entre 1 ,7 pm et 3,4 pm, ou est sensiblement égale à 0,8 pm.
Résumé de l’invention
[0010] Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un nouveau système de caractérisation d’une impulsion de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps, qui comprend :
- un dispositif de formation d’une interférence, adapté pour superposer dans un volume d’interférence, plusieurs parties d’un rayonnement initial qui est incident sur ce dispositif ;
- un chemin optique d’entrée, agencé pour diriger l’impulsion à caractériser sur le dispositif de formation de l’interférence, de sorte que l’impulsion constitue le rayonnement initial qui est incident sur ce dispositif ;
- un capteur d’images matriciel, qui est disposé pour saisir sélectivement à partir d’absorptions à deux photons, une figure d’interférence formée par l’impulsion dans le volume d’interférence ; et
- une unité de traitement, qui est configurée pour déduire des caractéristiques de forme de l’impulsion à partir de signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel, et correspondant à la figure d’interférence formée par l’impulsion.
[0011] Selon l’invention, le dispositif de formation d’interférence est adapté pour superposer dans le volume d’interférence, quatre parties du rayonnement initial, de façon à former une interférence à quatre ondes et à ce que les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel varient en fonction de deux paramètres indépendants associés à deux directions différentes qui sont contenues dans la surface photosensible du capteur d’images matriciel. [0012] Au sens de la présente invention, on entend par absorptions à deux photons des mécanismes de transformation photonique qui consomment deux photons de l’impulsion. Un tel mécanisme peut se produire à l’intérieur du capteur d’images matriciel, auquel cas l’énergie des deux photons qui sont absorbés simultanément est transformée en signal électrique de détection. L’intervalle spectral de sensibilité du capteur d’images matriciel, qui est défini de façon usuelle pour le mécanisme d’absorption linéaire, c’est-à- dire à un seul photon, correspond alors à l’énergie totale des deux photons absorbés. Pour cette raison, l’intervalle spectral de sensibilité du capteur d’images matriciel doit contenir une valeur de longueur d’onde qui est égale à la moitié de celle de chaque photon impliqué dans le mécanisme à deux photons. Alternativement, les deux photons peuvent être absorbés simultanément dans un cristal SHG, ce cristal réémettant ensuite un photon unique qui est détecté par le capteur d’images matriciel. La longueur d’onde du photon unique qui est réémis par le cristal SHG est égale à la moitié de celle de chacun des photons absorbés initialement par ce cristal.
[0013] En outre, les caractéristiques de l’impulsion qui sont déduites par l’unité de traitement à partir d’une partie au moins des signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel, comprennent des valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe du champ de l’impulsion.
[0014] Par conséquent, la caractérisation d’impulsion qui est fournie par le système de l’invention est du type mono-coup, grâce à l’échantillonnage de la figure d’interférence que produit le capteur d’images matriciel. En outre, elle est du type à fenêtrage optique résolu dans le temps, car chaque endroit de la figure d’interférence correspond à des valeurs de deux retards qui sont appliqués entre plusieurs parties de l’impulsion par le dispositif de formation de l’interférence.
[0015] Grâce au fait que la figure d’interférence soit bidimensionnelle, avec des variations d’intensité qui sont indépendantes entre les deux directions du capteur d’images matriciel, une information beaucoup plus complète est recueillie sur l’impulsion par le système de l’invention. Il est alors possible d’en déduire une caractérisation complète de la forme de l’impulsion, par les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe du champ de l’impulsion, par exemple de son champ électrique. Aucune hypothèse sur un type de forme paramétrique d’enveloppe d’impulsion n’est nécessaire de cette façon, si bien que la caractérisation de la forme de l’impulsion qui est fournie par le système de l’invention, est exacte.
[0016] Le dispositif de formation d’interférence à quatre ondes qui est utilisé dans le système de l’invention peut être particulièrement simple. En particulier, sa mise en œuvre peut être beaucoup plus simple que celle d’un spectromètre. Par exemple, ce peut être une portion d’un matériau réfringent limitée par une face d’entrée optique qui est plane et par quatre faces de sortie optique qui sont aussi planes, les quatre faces de sortie étant des images les unes des autres par des rotations de 90° autour d’un axe optique qui est perpendiculaire à la face d’entrée. Pour une telle réalisation du dispositif de formation d’interférence, chaque face de sortie forme un prisme avec la face d’entrée dont l’angle au sommet est non-nul, et elle est orientée en plus pour qu’une partie de faisceau du rayonnement initial qui est incidente sur la face d’entrée parallèlement à l’axe optique et qui émerge à travers cette face de sortie soit déviée par la portion de matériau réfringent en direction de l’axe optique en aval du dispositif de formation d’interférence.
[0017] Alternativement, le dispositif de formation d’interférence qui est utilisé dans le système de l’invention peut comprendre deux biprismes chacun en matériau réfringent et qui sont disposés l’un suivant l’autre sur un chemin de propagation du rayonnement initial, avec des arêtes respectives de ces deux biprismes qui ont des orientations différentes en projection sur un plan perpendiculaire au chemin de propagation du rayonnement initial. Préférablement, les arêtes des deux biprismes peuvent être orthogonales en projection sur le plan qui est perpendiculaire au chemin de propagation du rayonnement initial.
[0018] Dans des premiers modes de réalisation de l’invention, l’unité de traitement peut être configurée pour :
- sélectionner au moins une composante d’une décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence telle que saisie par le capteur d’images matriciel sélectivement à partir des absorptions à deux photons, et
- déduire les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe du champ de l’impulsion, à partir de l’au moins une composante sélectionnée. [0019] Avantageusement, l’unité de traitement peut être configurée pour que la composante qui est sélectionnée dans la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence, possède des valeurs nulles en dehors du volume d’interférence. Le résultat de la caractérisation d’impulsion qui est fourni par le système de l’invention dépend ainsi dans une moindre mesure, ou ne dépend pas, de la taille de la fenêtre spatiale de détection que constitue la surface photosensible du capteur d’images matriciel.
[0020] Par exemple, la composante de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence, qui est sélectionnée par l’unité de traitement, peut être associée au double d’une fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon une des directions du capteur d’images matriciel, et associée à une seule fois cette fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon l’autre direction du capteur d’images matriciel, lorsque les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel sont exprimés en fonction de contributions de retard qui sont créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel. Cette composante est appelée F2,I , et les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe du champ de l’impulsion sont déduites de cette composante F2,I par l’unité de traitement. La composante F2,I possède des valeurs nulles en dehors du volume d’interférence.
[0021] Alternativement, l’unité de traitement peut être configurée pour sélectionner la composante de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence, appelée F2,o, qui est associée au double de la fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon une première des directions du capteur d’images matriciel, mais sans être associée à aucune variation selon une seconde direction du capteur d’images matriciel, lorsque les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel sont exprimés en fonction des contributions de retard qui sont créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel. Les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe du champ de l’impulsion sont alors déduites de cette composante F2,o par l’unité de traitement. Toutefois, les valeurs de la composante F2,o ne sont pas nulles en dehors du volume d’interférence. Pour pallier cet inconvénient, l’unité de traitement peut être configurée pour sélectionner par ailleurs la composante de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence, appelée F2.2, qui est associée au double de la fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon la première des directions du capteur d’images matriciel, et qui est aussi associée au double de la fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon la seconde direction du capteur d’images matriciel, encore lorsque les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel sont exprimés en fonction des contributions de retard qui sont créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel. Alors, l’unité de traitement est aussi configurée pour calculer des transformées de Fourier unidimensionnelles respectives des composantes F2,o et F2,2 par rapport aux contributions de retard qui sont créées par les déplacements selon la première des directions du capteur d’images matriciel, ces transformées de Fourier unidimensionnelles étant notées TFI(F2,O) pour la composante F2,o, et TFI(F2,2) pour la composante F2,2. Elle est alors configurée pour déduire les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe du champ de l’impulsion, à partir d’un résultat de TFI(F2,O) - 2-Mod[TFi(F2.2)], où Mod[.] désigne un module de nombre complexe.
[0022] Dans des seconds modes de réalisation de l’invention, le système de caractérisation d’impulsion électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps peut comprendre en outre :
- une lame d’un cristal doubleur de fréquence, appelée lame de cristal SHG, qui est placée dans le volume d’interférence ;
- une optique de relais, qui forme une image de la lame de cristal SHG sur le capteur d’images matriciel ; et
- un diaphragme, qui est disposé sur un chemin optique entre la lame de cristal SHG et le capteur d’images matriciel, pour transmettre sélectivement en direction de ce capteur d’images matriciel un faisceau de rayonnement qui se propage parallèlement à une direction de propagation de l’impulsion effective en amont du dispositif de formation d’interférence, par rapport au sens de propagation de cette impulsion.
Pour de tels seconds modes de réalisation de l’invention, le capteur d’images matriciel est mis en œuvre ou sélectionné pour détecter uniquement des photons à fréquence optique doublée qui sont produits par la lame de cristal SHG, à l’exclusion de photons de l’impulsion qui ont traversé cette lame de cristal SHG. Eventuellement, l’intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel qui est utilisé avec une telle lame de cristal SHG peut être limité par un filtre spectral qui est situé sur le chemin optique entre cette lame et ce capteur, de façon à supprimer une détection des photons de l’impulsion qui ont traversé la lame de cristal SHG.
[0023] De tels seconds modes de réalisation sont adaptés tout particulièrement pour caractériser des impulsions qui ont des valeurs de longueur d’onde nominale proches de 0,8 pm. En effet, pour de telles valeurs de longueur d’onde nominale, il n’existe pas à ce jour de capteur d’images matriciel qui soit capable de fonctionner uniquement par le mécanisme d’absorption à deux photons.
[0024] Un second aspect de l’invention propose un procédé de caractérisation d’une impulsion de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps, qui est exécuté en utilisant un système conforme au premier aspect ci-dessus. En outre, l’impulsion à caractériser possède un spectre tel que toutes les valeurs de longueur d’onde qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles, ou sensiblement non- nulles, soient en dehors d’un intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel, et tel que des résultats de divisions par deux de ces valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles ou sensiblement non-nulles, soient à l’intérieur de l’intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel.
[0025] L’ intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel peut être directement son intervalle spectral de sensibilité. Dans ce cas, l’intervalle spectral de sensibilité du capteur d’images matriciel doit exclure toutes les valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles ou sensiblement non-nulles, et contenir les résultats des divisions par deux de ces valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles ou sensiblement non-nulles. Par exemple, le capteur d’images matriciel qui est utilisé dans le système de l’invention peut être est d’un type à base de silicium, auquel cas son intervalle spectral de sensibilité s’étend approximativement de 400 nm (nanomètre) à 1200 nm, en valeurs de longueur d’onde. Alors, toutes les valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion à caractériser qui correspondent à des amplitudes spectrales non- nulles ou substantiellement non-nulles doivent être comprises entre 1200 nm et 2400 nm. Selon une autre possibilité, le capteur d’images matriciel peut être d’un type à base d’alliage indium-galium-arsenic (InGaAs), et dans ce cas toutes les valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion à caractériser qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles doivent être comprises entre 1700 nm et 3400 nm. Pour les seconds modes de réalisation décrits plus haut, qui utilisent une lame de cristal SHG, et lorsqu’un filtre spectral est utilisé simultanément, l’intervalle spectral de détection résulte de la combinaison de l’intervalle spectral de sensibilité du capteur d’images matriciel avec une fenêtre de transmission spectrale du filtre.
Brève description des figures
[0026] Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
[0027] [Fig. 1a] est une vue en perspective d’un dispositif de formation d’interférence qui peut être utilisé dans un système conforme à l’invention ;
[0028] [Fig. 1 b] regroupe une vue en plan et des sections du dispositif de formation d’interférence de [Fig. 1a] ;
[0029] [Fig. 1c] correspond à [Fig. 1a] pour un mode de réalisation alternatif de l’invention ;
[0030] [Fig. 2] est un schéma synoptique d’un premier mode de réalisation d’un système conforme à l’invention ;
[0031] [Fig. 3] montre des étapes exécutées par une unité de traitement d’un système conforme à [Fig. 2] ;
[0032] [Fig. 4] est un diagramme qui illustre un résultat de caractérisation d’une impulsion de rayonnement électromagnétique, tel que fourni par le système de [Fig. 2] ; et
[0033] [Fig. 5] correspond à [Fig. 2] pour un second mode de réalisation d’un système conforme à l’invention. Description détaillée de l’invention
[0034] Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, certains de ces éléments ne sont représentés que symboliquement, et des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.
[0035] Conformément à [Fig. 1 a] et [Fig. 1 b], un dispositif de formation d’interférence 1 comprend une portion d’un matériau homogène, transparent et réfringent pour la longueur d’onde nominale d’une impulsion de rayonnement électromagnétique à caractériser. So désigne une face d’entrée optique de cette portion, qui est plane, et Si, S2, S3 et S4 désignent ses quatre faces de sortie optique qui ont des formes identiques et sont chacune aussi planes. Les quatre faces de sortie S1-S4 sont situées sur un côté de la portion de matériau réfringent qui est opposé à celui de la face d’entrée So. En outre, les faces de sortie S1-S4 sont réparties autour d’un axe optique A-A qui est perpendiculaire à la face d’entrée So, conformément à une symétrie par rotation d’ordre quatre pour qu’un faisceau de rayonnement initial Ro qui est incident sur la face d’entrée So en étant parallèle à cet axe optique et centré par rapport à lui, ressorte de façon équirépartie à travers les quatre faces de sortie S1-S4. En outre, chaque face de sortie S1-S4 est inclinée par rapport à la face d’entrée So de façon à ce que le dispositif 1 divise le faisceau du rayonnement initial Ro en quatre parties de faisceau qui ressortent de la portion de matériau réfringent une-à-une par chacune des faces de sortie S1-S4, avec des directions de propagation respectives qui se rapprochent de l’axe optique A-A. Les parties de faisceau qui émergent des faces de sortie S1-S4 se superposent ainsi à l’intérieur d’un volume d’interférence qui est noté V (voir [Fig. 2]), et qui s’étend à partir d’un sommet P commun aux quatre faces de sortie. Une surface latérale SL de la portion de matériau réfringent qui constitue le dispositif de formation d’interférence 1 , entre la face d’entrée So d’une part et les faces de sortie S1-S4 d’autre part, peut avoir une forme sélectionnée pour augmenter une surface de section transversale du volume d’interférence V. L’angle entre les bissectrices respectives issues du sommet P de deux des faces de sortie S1-S4 qui sont opposées par rapport à l’axe optique A-A est noté a, et peut être d’environ 160° (degré). Deux faces de sortie qui sont voisines sont séparées par une arête rectiligne, et deux de ces arêtes qui sont opposées par rapport à l’axe optique A-A forment entre elles un angle 0. Les valeurs respectives des angles a et β sont reliées par formule : où acos( )
Figure imgf000014_0001
désigne la fonction réciproque du cosinus, et tan(.) désigne la fonction tangente.
[0036] Les angles 8 et y d’émergence du rayonnement qui sont produits par le dispositif de formation d’interférence 1 lorsque le rayonnement initial Ro est incident sur la face d’entrée So parallèlement à l’axe optique A-A, tels que ces angles 8 et y sont indiqués dans [Fig. 1a], sont donnés par les formules : δ = asin(2-1/2 • sin(0r)) et y = atan(2-1/2 • tan (θr)), où sin(.) et asin(.) désignent le sinus et sa fonction réciproque, atan(.) désigne la fonction réciproque de tangente, et θr est donné par
Figure imgf000014_0002
n étant l’indice de réfraction du matériau qui constitue le dispositif de
Figure imgf000014_0003
p formation d’interférence 1 pour la longueur d’onde nominale du rayonnement initial Ro.
[0037] Dans [Fig. 2], la référence 10 désigne globalement un système de caractérisation d’impulsion de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps qui est conforme à l’invention. Le système 10 comprend le dispositif de formation d’interférence 1 , un chemin optique d’entrée 2, un capteur d’images matriciel 3 et une unité de traitement 4. Le plan de [Fig. 2] contient les bissectrices de deux des faces de sortie du dispositif 1 qui sont opposées par rapport à l’axe optique A-A, par exemple les bissectrices respectives des faces de sortie S2 et S4. La référence I désigne l’impulsion à caractériser. Elle peut être produite par une source 11 d’impulsions laser ultracourtes, aussi appelée laser femtoseconde et notée FS-LASER, par exemple avec une longueur d’onde nominale λo qui est proche de la valeur 1550 nm.
[0038] Le chemin optique d’entrée 2 peut être conçu pour adapter une taille de section de faisceau de l’impulsion I conformément à la taille de la face d’entrée So du dispositif de formation d’interférence 1 . Il peut comprendre une optique d’entrée, par exemple à base d’une combinaison de plusieurs miroirs sphériques et/ou de lentilles. Le chemin optique d’entrée 2 est de préférence conçu pour que l’impulsion I soit incidente sur la face d’entrée So parallèlement à l’axe A-A, et d’une façon qui est centrée sur cet axe. Ainsi, l’impulsion I constitue le rayonnement initial Ro pour le dispositif de formation d’interférence 1 . Dans ces conditions, le volume d’interférence V commence au sommet commun P des faces de sortie S1-S4, est symétrique par rapport à l’axe A-A, et possède une section perpendiculaire à l’axe A-A qui est de plus en plus grande jusqu’à un plan de section maximale, notée SM.
[0039] Le capteur d’images matriciel 3 possède par exemple 600 x 600 éléments photosensibles. Il est disposé dans le volume d’interférence V, perpendiculairement à l’axe A-A, de préférence à proximité du plan de section maximale SM. Il est orienté de sorte que ses directions de lignes et de colonnes d’éléments photosensibles, notées x et y respectivement, soient parallèles un-à-un aux côtés latéraux du volume d’interférence V. L’angle a du dispositif de formation d’interférence 1 est saillant, en étant suffisamment proche de 180° pour que les franges d’interférence qui sont produites dans le volume V soient résolues par le capteur d’images matriciel 3. Ainsi, un pas p des éléments photosensibles de ce capteur d’images matriciel détermine une limite inférieure pour l’angle a. Pour respecter la condition de Nyquist, l’angle 0r introduit plus haut doit satisfaire l’inégalité : où λo est encore la longueur d’onde nominale de l’impulsion I.
Figure imgf000015_0001
Par exemple, le pas p des éléments photosensibles peut être égal à 1 ,6 pm lorsque la longueur d’onde nominale λo est égale à environ 1550 nm.
[0040] Le capteur d’images matriciel 3 est sélectionné ou mis en œuvre pour ne pas être sensible à la valeur de longueur d’onde nominale λo de l’impulsion I, mais sensible dans un intervalle spectral qui contient la valeur moitié de cette valeur de longueur d’onde nominale λo, c’est-à-dire λo/2, en s’étendant suffisamment de part et d’autre de λo/2. Lorsque la longueur d’onde nominale λo de la source 11 des impulsions laser est d’environ 1550 nm, le capteur d’images matriciel 3 peut être du type à base de silicium. Dans ces conditions, le capteur d’images matriciel 3 est sensible à des absorptions à deux photons qui sont générées par l’impulsion I et se produisent dans ses éléments photosensibles, et dont le nombre d’occurrences dépend du lieu où se trouve chaque élément photosensible à l’intérieur du volume d’interférence V. Du fait que l’impulsion I soit beaucoup plus courte que la durée d’accumulation des éléments photosensibles du capteur d’images matriciel 3, le signal de détection qui est délivré par chaque élément photosensible du capteur d’images matriciel 3 est :
Figure imgf000016_0001
où Etot est le champ électrique que génère l’impulsion I en un point du volume d’interférence V et à l’instant t. En prenant l’une des quatre ondes qui sont produites par le dispositif de formation d’interférence 1 à l’endroit de l’élément photosensible considéré comme référence de déphasage, le champ électrique Etot est donné par :
Figure imgf000016_0002
+ complexe conjugué.
Figure imgf000016_0003
où T1 et T2 sont les retards qui résultent des déplacements selon les deux directions x et y par rapport à l’onde prise pour référence de déphasage, ωo est la pulsation nominale de l’impulsion I, égale à 2TT-C/λ0 OÙ C est la vitesse de propagation du rayonnement dans l’air. A(t) est l’amplitude complexe du champ électrique de l’impulsion I à l’instant t, de sorte que le champ électrique instantané de l’impulsion I est :
A(t) • e-iω0t
Lorsque le dispositif de formation d’interférence 1 possède la constitution de [Fig. 1a] et [Fig. 1 b], les retards τ1 et τ2 ont les expressions suivantes en fonction des déplacements selon les deux directions x et y :
Figure imgf000016_0004
[0041] Les signaux de détection S(T1,T2) qui sont alors délivrés par les éléments photosensibles du capteur d’images matriciel 3 comprennent vingt-cinq termes qui peuvent être identifiés chacun par deux valeurs d’entiers relatifs n et m, n étant égal à -2, - 1 , 0, +1 ou +2 et m étant indépendamment aussi égal à -2, -1 , 0, +1 ou +2. Le terme du couple (n, m) est proportionnel à exp[-i(n-wo-T1+ m.w0.T2)], où exp[.] désigne la fonction exponentielle.
[0042] L’ unité de traitement 4 est notée CPU dans [Fig. 2], Elle est connectée pour recevoir en entrée les signaux de détection S(T1 ,T2) qui sont délivrés par les éléments photosensibles du capteur d’images matriciel 3, et pour fournir en sortie une caractérisation de la forme de l’impulsion I, sous forme de valeurs complexes de A(t). Les étapes qui sont exécutées par l’unité de traitement 4 sont décrites maintenant en référence à [Fig. 3]. [0043] L’unité de traitement 4 numérise les signaux de détection S(τ1, τ2) à l’étape notée NUM. Elle en calcule ensuite une transformation de Fourier bidimensionnelle par rapport aux deux variables τ1 et τ2, à l’étape suivante notée FOURIER. Une fonction à deux variables TF(S)(ω)I,ω2 ) est ainsi obtenue, où ω1 est la variable conjuguée à τ1, ω2 est la variable conjuguée à τ2, et TF(S) désigne la transformée de Fourier bidimensionnelle des signaux S(τ1, τ2). La fonction TF(S)(ω)I,ω2 ) est constituée par vingt-cinq pics qui correspondent aux vingt-cinq termes indiqués plus haut pour la fonction S(τ1, τ2). Un filtrage adaptatif est alors appliqué à l’un de ces pics, à l’étape notée FILT., pour isoler au moins une des composantes, correspondant à une valeur de n et à une valeur de m. Par exemple, le filtrage isole le pic correspondant à ωι=2·ωο et ω2=ωο, c’est-à-dire n=2 et m=1 , avec une certaine largeur de fenêtre de filtrage bidimensionnelle autour de ce pic. Cette largeur de fenêtre de filtrage dans le plan des valeurs de pulsations ωι,ω2 est adaptée pour rester suffisamment à distance des autres pics. Une fonction filtrée dérivée de TF(S)(ω)I,ω2 ) est alors construite, en conservant dans la fenêtre de filtrage les valeurs de TF(S)(ω)I,ω2 ) sans les modifier, et en complétant par des valeurs nulles en dehors de la fenêtre de filtrage. Enfin, une transformation de Fourier bidimensionnelle inverse est appliquée à la fonction TF(S)(ω)I,ω2 ) filtrée. Ainsi, la composante de la fonction S(τ1, τ2) qui correspond à n=2 et m=1 a été isolée. Elle est notée F2,I et est de nouveau une fonction des deux retards τ1 et τ2. La méthode de filtrage qui vient d’être décrite est couramment appelée filtrage adaptatif par l’Homme du métier. Elle fournit un échantillonnage des valeurs de la fonction F2,1( τ1 , τ2)
[0044] Par ailleurs, en reportant l’expression de Etot(t,τ1, τ2) dans S(τ1, τ2) et en développant les termes nécessaires, il vient : [J
Figure imgf000017_0001
En utilisant un algorithme d’optimisation connu de l’Homme du métier, il est alors possible de déduire la fonction A(t) des valeurs de F2,i(τ1, τ2) telles que fournies par l’étape de filtrage des signaux de détection. Une telle obtention de la fonction A(t) est possible grâce au fait que la donnée de départ F2,I soit une fonction de deux variables indépendantes, à savoir τ1 et x2. Cette étape est notée OPT. dans [Fig. 3]. Par exemple, des algorithmes d’optimisation utilisables sont les algorithmes dits de reconstruction, tels que les algorithmes à projections généralisés.
[0045] Pour l’étape OPT., les inventeurs ont utilisé un algorithme qui est couramment appelé algorithme d’évolution ou algorithme génétique. Un tel algorithme d’évolution met en œuvre des mécanismes qui sont inspirés de la sélection naturelle pour optimiser un jeu de valeurs, afin reproduire une cible. Pour l’invention, l’algorithme a pour but de déterminer les valeurs d’amplitude instantanée A(t), en module noté Mod[A(t)] et en phase notée φ(t), qui permettent de reproduire au mieux les valeurs de F2, 1(T1,T2) fournies par l’étape FILT., qui constituent la cible. De façon équivalente, l’algorithme peut déterminer l’amplitude A(ω) des composantes spectrales de la fonction A(t), par leur module Mod[A(ω)] et leur phase φ(ω). De même, il est aussi équivalent d’utiliser pour cible d’optimisation les valeurs de TF(S)(ω1 ,ω2 ) filtrée qui ont été obtenues au cours de l’étape FILT. Des valeurs de départ sont adoptées pour Mod[A(ω)] et φ(ω), pour un ensemble de valeurs d’échantillonnage de la pulsation ω. Ces valeurs de départ déterminent une forme de départ pour l’impulsion I, à partir de laquelle une évaluation de TF(F2.I)(ω1 ,ω2 ) est calculée, où TF(F2.I)(ω1 ,ω2 ) est la transformée de Fourier bidimensionnelle de F2, 1(11, 12) déduite de l’expression donnée plus haut pour cette dernière. Pour l’algorithme d’évolution, chaque couple de valeurs de départ adoptées pour Mod[A(ω)] et φ (ω), pour une même des valeurs de ω, constitue un gène, et l’ensemble des valeurs de Mod[A(ω)] et φ(ω) qui sont associées à toutes les valeurs d’échantillonnage de ω constitue un individu. L’algorithme d’évolution démarre avec un ensemble d’individus qui sont sélectionnés aléatoirement, et qui constituent une population initiale. La fonction TF(F2,I)(ω1 ,ω2 ) est calculée pour chaque individu de la population initiale, et le résultat obtenu pour chaque individu est comparé à TF(S)(ω1 ,ω2 ) filtrée telle qu’obtenue à l’issue de l’étape FILT. à partir des signaux de détection S(T1,T2). Un score est alors attribué à chaque individu, qui quantifie le niveau de coïncidence entre son évaluation pour la fonction TF(F2,I)(ω1 ,ω2 ) et les valeurs de TF(S)(ω1 ,ω2 ) filtrée. Cette coïncidence est recherchée entre les deux fonctions TF(F2,1) et TF(S) filtrée lorsque les deux variables ωi et ω2 varient indépendamment l’une de l’autre. Les individus aux scores les plus bas sont éliminés, et ceux aux scores les plus hauts sont sélectionnés pour devenir parents d’une nouvelle génération d’individus. Les gènes de chaque individu de la nouvelle génération sont obtenus par mélange de ceux de deux parents sélectionnés, et en introduisant des mutations aléatoires d’un ou plusieurs des gènes. La comparaison des individus aux valeurs de TF(S)(ω1 ,ω2 ) filtrée déduites des signaux de détection est alors répétée avec les individus de la nouvelle génération, et l’ensemble du procédé est répété de façon récurrente pour chaque génération successive. Ces répétitions sont enchaînées ainsi jusqu’à obtenir une convergence, c’est-à-dire obtenir une situation où les individus d’une génération à la suivante n’améliorent plus ou presque plus les scores de coïncidence. L’individu au meilleur score constitue le résultat pour la forme de l’impulsion I.
[0046] Le diagramme de [Fig. 4] montre le résultat qui a été obtenu ainsi à partir de la composante F2,I - L’axe horizontal du diagramme repère le temps, noté t et exprimé en femtosecondes (fs). L’axe vertical à gauche du diagramme repère les valeurs de φ (t), exprimées en radians, et l’axe vertical à droite du diagramme repère les valeurs de Mod2[A(t)] exprimées en unité arbitraire (a.u.). L’impulsion I qui a été caractérisée possède donc une durée d’environ 40 fs.
[0047] Alternativement, la forme de l’impulsion I peut être obtenue selon l’invention en utilisant la composante F2,o de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la fonction S(T1 ,T2), correspondant à n=2 et m=0, à la place de la composante F2,I - Cette composante F2,o est la suivante, d’après les expressions de
Figure imgf000019_0002
Figure imgf000019_0001
[0048] Toutefois, contrairement à la composante F2.I, la composante F2,o n’est pas nulle à l’extérieur du volume d’interférence V. Afin de retrouver une telle annulation pour des valeurs qui sont issues des signaux de détection et sont utilisées à l’étape OPT., il est possible d’utiliser les résultats de TFI(F2,O)( ω1,T2) - 2-Mod[TFi(F2.2)( ω1,T2)], où F2.2 désigne la composante de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la fonction S(T1,T2) qui correspond à n=2 et m=2, et TFi(.) désigne l’opération de transformation de Fourier unidimensionnelle qui est effectuée par rapport à la variable de retard T1. La composante F2.2 a pour expression :
Figure imgf000020_0001
et alors :
Figure imgf000020_0002
La fonction TFI(F2.O)(ω1 ,T2) - 2-Mod[TF1(F2.2)(ω1 ,T2)] qui est ainsi obtenue est identique à celle mentionnée pour les méthodes SHG-FROG décrites dans l’article intitulé «Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating», de R. Trebino et al., Rev. Sci. Instrum. 68 (9), septembre 1997, American Institute of Physics, pp. 3277-3295.
[0049] [Fig. 5] illustre un autre mode de réalisation de l’invention, pour lequel le mécanisme à deux photons est réalisé indépendamment du capteur d’images matriciel, c’est-à-dire réalisé en dehors de ce capteur. Pour cela, le capteur d’images matriciel est remplacé à l’intérieur du volume d’interférence V par une lame de cristal SHG qui est désignée par la référence 5. Une optique de relais 6 est utilisée pour imager cette lame de cristal SHG 5 sur le capteur d’images matriciel 3. Ce peut être une lentille convergente unique, mais tout autre dispositif optique imageur peut aussi être utilisé. La valeur du grandissement de l’optique de relais 6 est connue, ou elle peut être déterminé par une procédure d’étalonnage usuelle dans le domaine technique de l’imagerie. Comme précédement, le dispositif de formation d’interférence 1 divise le rayonnement de l’impulsion I en quatre faisceaux obliques qui convergent vers l’axe optique A-A, avec des directions de propagation respectives qui se transforment entre elles par des rotations successives de 90° (degré) autour de l’axe optique A-A. Dans ces conditions, la lame de cristal SHG 5 transforme ces quatre faisceaux qui ont comme valeur de longueur d’onde celle de l’impulsion I, en neuf faisceaux qui ont des valeurs de longueur d’onde sensiblement égales à la moitié de celle de l’impulsion I. L’un de ces neuf faisceaux, noté Fo dans [Fig. 5], se propage parallèlement à l’axe optique A-A. Les huit autres faisceaux, désignés globalement par F1-8 dans la figure, se propagent obliquement par rapport à l’axe optique A-A en ayant des vecteurs d’onde respectifs qui pointent vers les sommets et les milieux des côtés d’un carré dans l’espace tridimensionnel réciproque, et en étant répartis spatialement autour du faisceau Fo. Un diaphragme 7 est placé entre la lame de cristal SHG 5 et le capteur d’images matriciel 3, par exemple juste avant l’optique de relais 6, pour ne laisser passer en direction du capteur d’images matriciel 3 que le faisceau Fo, en bloquant les faisceaux obliques F1-8. En fonction de la valeur de longueur d’onde nominale de l’impulsion I par rapport à l’intervalle spectral de sensibilité du capteur d’images matriciel 3, il peut être nécessaire d’ajouter un filtre spectral 8 entre la lame de cristal SHG 5 et le capteur d’images matriciel 3. Par exemple, le filtre 8 peut être placé entre l’optique de relais 6 et le capteur 3. Dans ce cas, le filtre 8 est sélectionné pour laisser passer du rayonnement dont la valeur de longueur d’onde est sensiblement égale à la moitié de celle nominale de l’impulsion I, en étant opaque pour cette valeur de longueur d’onde nominale de l’impulsion I. Toutefois, si l’intervalle spectral de sensibilité du capteur d’images matriciel 3 exclut la valeur de longueur d’onde nominale de l’impulsion I en contenant sa valeur moitié, le filtre 8 n’est pas nécessaire. Dans ces conditions, et en reprenant les notations déjà utilisées, le signal de détection qui est délivré par chaque élément photosensible du capteur d’images matriciel 3 est :
Figure imgf000021_0001
En l’absence du diaphragme 7, la fonction S(T1,T2) aurait les mêmes vingt-cinq termes que dans le mode de réalisation de l’invention représenté dans [Fig. 2], et c’est le filtrage optique qui est produit par le diaphragme 7, sous la forme d’un filtrage spatial adaptatif, qui réduit cette fonction S(T1,T2) au seul terme ∫| A(t)- A(t-(τ1 +T2))+ A(t-xi ) .(t-T2)|2dt. Il n’est alors plus nécessaire, pour le mode de réalisation de [Fig. 5], que l’unité de traitement 4 réalise un filtrage adaptatif numérique de composantes de Fourier de l’image qui est saisie par le capteur d’images matriciel 3. L’amplitude complexe du champ A(t) ou A(co) peut alors être déduite par l’unité de traitement 4 directement des signaux S(T1,T2) en reprenant un algorithme de reconstruction tel que décrit plus haut, notamment l’algorithme génétique.
[0050] Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, les modifications suivantes sont énumérées de façon non-limitative :
- le dispositif de formation d’interférence 1 peut être différent de celui de [Fig. 1a] et [Fig. 1 b]. Par exemple, [Fig. 1c] montre un autre dispositif de formation d’interférence à quatre ondes, qui comprend deux biprismes disposés l’un derrière l’autre sur le chemin de propagation du rayonnement initial Ro, destiné à être constitué par l’impulsion I à caractériser. Les références 1a et 1 b qui sont indiquées dans [Fig. 1c] désignent ces deux biprismes, respectivement. Les arêtes respectives des deux biprismes 1a et 1 b sont de préférence perpendiculaires entre elles en projection dans un plan qui est perpendiculaire à l’axe A-A ;
- pour le mode de réalisation de [Fig. 2] et [Fig. 3], une composante filtrée de la figure d’interférence, autre que F2,I et F2,o, ou une combinaison de plusieurs composantes filtrées de la figure d’interférence, autre que TFI (F2,O) - 2-Mod[TFi(F2.2)], peut être utilisée pour en déduire la forme de l’impulsion I à caractériser. Notamment, des composantes F1,2 et F0,2 peuvent être utilisées à la place de F2,I et F2,O en permutant les rôles de T1 et T2 dans les équations et en calculant une transformation de Fourier unidimensionnelle non pas sur la première variable mais sur la seconde ;
- un algorithme de reconstruction peut être utilisé, qui est différent de celui du type génétique qui a été décrit ; et - toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système (10) de caractérisation d’une impulsion (I) de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps, comprenant :
- un dispositif (1 ) de formation d’une interférence, adapté pour superposer dans un volume d’interférence (V), plusieurs parties d’un rayonnement initial (Ro) qui est incident sur ledit dispositif ;
- un chemin optique d’entrée (2), agencé pour diriger l’impulsion (I) à caractériser sur le dispositif (1 ) de formation de l’interférence, de sorte que l’impulsion constitue le rayonnement initial (Ro) qui est incident sur ledit dispositif ;
- un capteur d’images matriciel (3), qui est disposé pour saisir sélectivement à partir d’absorptions à deux photons, une figure d’interférence formée par l’impulsion (I) dans le volume d’interférence (V) ; et
- une unité de traitement (4), configurée pour déduire des caractéristiques de forme de l’impulsion (I) à partir de signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel (3), et correspondant à la figure d’interférence formée par l’impulsion, le système (10) étant caractérisé en ce que le dispositif (1 ) de formation d’interférence est adapté pour superposer dans le volume d’interférence (V), quatre parties du rayonnement initial (Ro), de façon à former une interférence à quatre ondes et à ce que les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel (3) varient en fonction de deux paramètres indépendants associés à deux directions différentes qui sont contenues dans une surface photosensible dudit capteur d’images matriciel, et en ce que les caractéristiques de l’impulsion (I) qui sont déduites par l’unité de traitement (4) à partir d’une partie au moins des signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel (3), comprennent des valeurs instantanées de module et de phase d’une amplitude complexe (A(t)) de champ de l’impulsion.
[Revendication 2] Système (10) selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif (1 ) de formation d’interférence comprend une portion d’un matériau réfringent limitée par une face d’entrée optique (So) qui est plane et par quatre faces de sortie optique (S1-S4) qui sont aussi planes, les quatre faces de sortie étant des images les unes des autres par des rotations de 90° autour d’un axe optique (A-A) qui est perpendiculaire à la face d’entrée, et chaque face de sortie formant un prisme avec la face d’entrée qui possède un angle au sommet non-nul, et étant orientée de façon à ce qu’une partie de faisceau du rayonnement initial (Ro) qui est incidente sur la face d’entrée parallèlement à l’axe optique et qui émerge à travers ladite face de sortie, soit déviée par la portion de matériau réfringent en direction dudit axe optique en aval du dispositif de formation d’interférence, ou le dispositif (1 ) de formation d’interférence comprend deux biprismes (1a, 1 b) chacun en matériau réfringent, et qui sont disposés l’un suivant l’autre sur un chemin de propagation du rayonnement initial (Ro), des arêtes respectives des deux biprismes ayant des orientations différentes en projection sur un plan perpendiculaire audit chemin de propagation du rayonnement initial.
[Revendication 3] Système (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’unité de traitement (4) est configurée pour :
- sélectionner au moins une composante d’une décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence telle que saisie par le capteur d’images matriciel (3) sélectivement à partir des absorptions à deux photons, et
- déduire les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe (A(t)) du champ de l’impulsion (I), à partir de l’au moins une composante sélectionnée.
[Revendication 4] Système (10) selon la revendication 3, dans lequel la composante sélectionnée possède des valeurs nulles en dehors du volume d’interférence (V).
[Revendication 5] Système (10) selon la revendication 4, dans lequel la composante sélectionnée, appelée F2,I , est associée au double d’une fréquence nominale de l’impulsion (I) à caractériser selon une des directions (x, y) du capteur d’images matriciel (3), et est associée à une seule fois ladite fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon une autre (y) desdites directions du capteur d’images matriciel, lorsque les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel sont exprimés en fonction de contributions de retard créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel, et les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe (A(t)) du champ de l’impulsion (I) sont déduites de la composante F2,I par l’unité de traitement (4).
[Revendication 6] Système (10) selon la revendication 3, dans lequel la composante sélectionnée, appelée F2,o, est associée au double d’une fréquence nominale de l’impulsion (I) à caractériser selon une (x) des directions du capteur d’images matriciel (3), mais sans être associée à aucune variation selon une autre (y) desdites directions dudit capteur d’images matriciel, lorsque les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel sont exprimés en fonction de contributions de retard créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel, et les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe (A(t)) du champ de l’impulsion (I) sont déduites de la composante F2,o par l’unité de traitement (4).
[Revendication 7] Système (10) selon la revendication 3, dans lequel l’unité de traitement (4) est configurée pour sélectionner la composante de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence, appelée F2,o, qui est associée au double d’une fréquence nominale de l’impulsion (I) à caractériser selon une première (x) des directions du capteur d’images matriciel (3), mais sans être associée à aucune variation selon une seconde (y) desdites directions du capteur d’images matriciel, lorsque les signaux de détection délivrés par le capteur d’images matriciel sont exprimés en fonction de contributions de retard créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel, et pour sélectionner par ailleurs la composante de la décomposition par transformation de Fourier bidimensionnelle de la figure d’interférence, appelée F2,2, qui est associée au double de la fréquence nominale de l’impulsion (I) à caractériser selon la première (x) des directions du capteur d’images matriciel (3), et qui est aussi associée au double de la fréquence nominale de l’impulsion à caractériser selon la seconde (y) desdites directions du capteur d’images matriciel, encore lorsque les signaux de détection délivrés sont exprimés en fonction des contributions de retard créées par des déplacements respectifs selon les deux directions du capteur d’images matriciel, et l’unité de traitement (4) est configurée en outre pour calculer des transformées de Fourier unidimensionnelles respectives des composantes F2,o et F2.2 par rapport aux contributions de retard qui sont créées par les déplacements selon la première (x) des directions du capteur d’images matriciel (3), lesdites transformées de Fourier unidimensionnelles étant notées TFi(F2,o) pour la composante F2,o, et TFi(F2,2) pour la composante F2.2, et pour déduire les valeurs instantanées du module et de la phase de l’amplitude complexe (A(t)) du champ de l’impulsion (I), à partir d’un résultat de TFI(F2,O) - 2-Mod[TFi(F2,2)], où Mod[.] désigne un module de nombre complexe.
[Revendication 8] Système (10) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre :
- une lame d’un cristal doubleur de fréquence (5), qui est placée dans le volume d’interférence (V) ;
- une optique de relais (6), qui forme une image de la lame de cristal doubleur de fréquence (5) sur le capteur d’images matriciel (3) ; et
- un diaphragme (7), qui est disposé sur un chemin optique entre la lame de cristal doubleur de fréquence (5) et le capteur d’images matriciel (3), pour transmettre sélectivement en direction dudit capteur d’images matriciel un faisceau de rayonnement qui se propage parallèlement à une direction de propagation de l’impulsion (I) effective en amont du dispositif de formation d’interférence (1 ), par rapport à un sens de propagation de ladite impulsion, et dans lequel le capteur d’images matriciel (3) est mis en œuvre ou sélectionné pour détecter uniquement des photons à fréquence optique doublée qui sont produits par la lame de cristal doubleur de fréquence (5), à l’exclusion de photons de l’impulsion (I) qui ont traversé ladite lame de cristal doubleur de fréquence.
[Revendication 9] Système (10) selon la revendication 8, comprenant en outre :
- un filtre spectral (8) qui est situé sur le chemin optique entre la lame de cristal doubleur de fréquence (5) et le capteur d’images matriciel (3), pour limiter un intervalle spectral de détection dudit capteur d’images matriciel afin de supprimer une détection des photons de l’impulsion (I) qui ont traversé ladite lame de cristal doubleur de fréquence.
[Revendication 10] Procédé de caractérisation d’une impulsion (I) de rayonnement électromagnétique par fenêtrage optique résolu en temps, exécuté en utilisant un système (10) conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, et suivant lequel l’impulsion (I) à caractériser possède un spectre tel que toutes les valeurs de longueur d’onde qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles soient en dehors d’un intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel (3), et tel que des résultats de divisions par deux desdites valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles, soient à l’intérieur dudit intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel.
[Revendication 11] Procédé selon la revendication 10, suivant lequel l’intervalle spectral de détection du capteur d’images matriciel (3) est un intervalle spectral de sensibilité dudit capteur d’images matriciel, ledit intervalle spectral de sensibilité excluant toutes les valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion (I) qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles, et contenant les résultats des divisions par deux desdites valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles.
[Revendication 12] Procédé selon la revendication 11 , suivant lequel le capteur d’images matriciel (3) est d’un type à base de silicium, et toutes les valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion (I) à caractériser qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles, sont comprises entre 1200 nm et 2400 nm, ou suivant lequel le capteur d’images matriciel (3) est d’un type à base d’alliage indium- galium-arsenic, et toutes les valeurs de longueur d’onde du spectre de l’impulsion (I) à caractériser qui correspondent à des amplitudes spectrales non-nulles, sont comprises entre 1700 nm et 3400 nm.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10028756A1 (de) * 2000-06-09 2002-01-10 Forschungsverbund Berlin Ev Verfahren und Anordnung zur orts-und zeitaufgelösten interferometrischen Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen
US20020057435A1 (en) * 2000-11-14 2002-05-16 Georgia Tech Research Corporation Electromagnetic wave analyzer
WO2010089511A1 (fr) * 2009-02-06 2010-08-12 Ecole Polytechnique Dispositif autocorrelateur a biprisme pour la mesure temporelle d'impulsions de lumiere ultrabreves
US8068230B2 (en) 2008-08-29 2011-11-29 Mesa Photonics, LLC Real-time measurement of ultrashort laser pulses
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Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10028756A1 (de) * 2000-06-09 2002-01-10 Forschungsverbund Berlin Ev Verfahren und Anordnung zur orts-und zeitaufgelösten interferometrischen Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen
US20020057435A1 (en) * 2000-11-14 2002-05-16 Georgia Tech Research Corporation Electromagnetic wave analyzer
US8068230B2 (en) 2008-08-29 2011-11-29 Mesa Photonics, LLC Real-time measurement of ultrashort laser pulses
WO2010089511A1 (fr) * 2009-02-06 2010-08-12 Ecole Polytechnique Dispositif autocorrelateur a biprisme pour la mesure temporelle d'impulsions de lumiere ultrabreves
FR3034577A1 (fr) 2015-03-31 2016-10-07 Univ Bourgogne Dispositif et procede de caracterisation d’une impulsion laser femtoseconde

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
P. O'SHEA ET AL., OPT. LETT., vol. 26, no. 12, 2001, pages 932 - 934
R. TREBINO ET AL.: "Rev. Sci. Instrum.", vol. 68, September 1997, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, pages: 3277 - 3295

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