EP2556408A1 - Source supercontinuum impulsionnelle a duree d'impulsion variable - Google Patents

Source supercontinuum impulsionnelle a duree d'impulsion variable

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EP2556408A1
EP2556408A1 EP11730355A EP11730355A EP2556408A1 EP 2556408 A1 EP2556408 A1 EP 2556408A1 EP 11730355 A EP11730355 A EP 11730355A EP 11730355 A EP11730355 A EP 11730355A EP 2556408 A1 EP2556408 A1 EP 2556408A1
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EP
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supercontinuum
supercontinuum source
fiber
pulse duration
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EP11730355A
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Philippe Leproux
Vincent Couderc
Yves Hernandez
Anthony Bertrand
Marco Andreana
Stéphane HILAIRE
Philippe Roy
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MULTITEL
Universite de Limoges
LEUKOS
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MULTITEL
Universite de Limoges
LEUKOS
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Publication date
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    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
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    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/2333—Double-pass amplifiers

Definitions

  • the present invention relates to a supercontinuum source capable of emitting waves between the infrared range and the ultraviolet range.
  • a known supercontinuum source generally comprises a laser source capable of generating a laser beam and a nonlinear microstructured optical fiber capable of receiving said laser beam.
  • document G & -2.386.434 describes on page 45 a method of manufacturing by extrusion of a nonlinear microstructured optical fiber.
  • the invention is not limited to this embodiment and other methods of manufacture can be used to obtain a nonlinear microstructured optical fiber.
  • a supercontinuum source comprising a pulsed laser source, so that the supercontinuum source is able to generate a beam during a given pulse duration.
  • the operating range is restricted and does not extend from the infrared range to the ultraviolet range.
  • this document describes more precisely a first stage comprising a source in the form of a continuous laser diode whose beam is modulated externally by an independent electro-optical modulator and two successive stages of amplification.
  • a source in the form of a continuous laser diode whose beam is modulated externally by an independent electro-optical modulator and two successive stages of amplification.
  • the laser beam from this source is not applied to a nonlinear microstructured optical fiber.
  • the object of the invention is to propose a configurable supercontinuum source capable of emitting waves from the infrared range to the ultraviolet range.
  • the invention relates to a supercontinuum source capable of transmitting waves from the infrared range to the ultraviolet range, comprising a pulsed laser source capable of generating a laser beam and a nonlinear microstructured optical fiber capable of receiving said laser beam, so that the supercontinuum source is able to generate a beam for a duration given pulse, characterized in that the supercontinuum source comprises means for varying said pulse duration.
  • FIG 1 is a schematic representation of the mounting of a supercontinuum source according to the invention
  • FIG. 2 is a representation of the power (expressed in mW) of a laser source of the supercontinuum source of FIG. 1 as a function of the pulse duration (in ps),
  • FIG. 3 is a representation of the power (in mW) at the output of the preamplifier module as a function of the pulse duration (in ps),
  • FIG. 4A is a spectral representation of the power of the supercontinuum source of FIG. 1 in Log scale (in dBm) as a function of the wavelength (expressed in nm), in a wavelength range of 960; nm at 1160 nm,
  • FIG. 4B is a representation of the power of the supercontinuum source of FIG. 1 in linear scale (in AU) as a function of the wavelength (expressed in nm), in a wavelength range of 960 nm at 1160 nm
  • FIG. 5 is a representation of the calculated peak power (in kW) as a function of the pulse duration (in ps)
  • FIG. 6A is a representation of a section of a first nonlinear microstructured fiber for the assembly of FIG. 1,
  • FIG. 6B is a representation of a section of another nonlinear microstructured fiber for the assembly of FIG. 1,
  • FIG. 7A is a representation of the power spectral density (expressed in pW / nm) of the supercontinuum source of FIG. 1 with a fiber according to FIG. 6A as a function of the wavelength (expressed in nm), in a wavelength range of 350 nm to 1750 nm, for different pulse durations, and measured experimentally,
  • FIG. 7B is a representation of the power spectral density (expressed in pW / nm) of the supercontinuum source of FIG. 1 with a fiber according to FIG. 6A as a function of the wavelength (expressed in nm), in a wavelength range of 350 nm to 1750 nm, for different repetition frequencies, and measured experimentally, and
  • FIG. 8 is a representation of the power spectral density (expressed in pW / nm) of the supercontinuum source of FIG. 1 with a fiber according to FIG. 6A as a function of the wavelength (expressed in nm) , in a wavelength range of 350 nm to 1750 nm, for pulse durations between 171 ps and 2.12 ns, and measured experimentally.
  • FIG. 1 shows at 10 a supercontinuum source capable of emitting waves between the infrared range and the ultraviolet range.
  • the source 10 comprises a pulsed laser source 12 capable of generating a laser beam F, and a nonlinear microstructured optical fiber 14, adapted to receive the laser beam F.
  • the supercontinuum source 10 is capable of generating a beam F 'for a period of given impulse, denoted T.
  • supercontinuum source we mean optical source whose spectrum is broad and having characteristics of spatial coherence identical to those of a laser. We also speak of a continuous polychromatic source.
  • the supercontinuum source comprises means 16 for varying the pulse duration T of the waves emitted by the supercontinuum source 10. It is noted that the beam F 'can be emitted at a variable repetition frequency, as will be described later, that is to say that the source 10 emits wave trains, each wave train having a duration T . This variation in pulse duration makes the supercontinuum source 10 adaptable to various applications, without requiring any editing changes.
  • the laser source 12 comprises a pump laser source 20 able to emit a pump beam Fp and illustrated in the block A of FIG.
  • the laser source 12 comprises amplification means 22 of the pump beam Fp.
  • the amplification means 22 comprise a preamplifier module 24 illustrated by the block B of FIG. 1, so that the beam FB has an amplified power of between 15 dB and 30 dB.
  • the amplification means 22 furthermore comprise an amplifier module 26 illustrated by the block C of FIG. 1, at the output of the preamplifier module 24, so that the power of the beam Fc at the output of the module 26 is between 1 W and 3 W.
  • the laser source 12 also comprises an optical output fiber 25, connected to the output of the block C and illustrated by the block D of FIG. 1, the function of which will be detailed later, and the output of which the input of the mictrostructured fiber 14 is connected.
  • the pump laser source 20, hereinafter referred to as a pump is preferably a semiconductor laser incorporating means 16 for varying the pulse duration of the pump beam Fp.
  • the pump laser source 20 has a wavelength of 1060 nm.
  • the fact that the source is modulated internally and includes means 16 of the pulse duration makes it possible to obtain for the supercontinuum source thus constituted a wide operating range from the infrared range to the ultraviolet range.
  • a laser diode for example sold under the reference LUMICS LU1055M200, is particularly suitable, and the pulse duration T of the pump beam Fp of such a pump is continuously adjustable between 200 ps and 2 ns.
  • This laser diode has a configurable repetition frequency between 1 Hz and 1 MHz.
  • the power supplied by the pump is a linear increasing function of the pulse duration, denoted T, whose slope increases with the repetition frequency of 1 MHz respectively (solid line), 500 kHz (broken line) and 250 kHz (dotted line). Nevertheless, whatever the repetition frequency, the output power is less than 0.15 mW and the pump beam Fp can not be injected directly into the microstructured fiber 14. This is why the assembly includes the amplification means 22.
  • the pump is a laser diode modulated externally by a modulator, for example of the electro-optical or acousto-optical type.
  • a modulator for example of the electro-optical or acousto-optical type.
  • This variant is less advantageous than the preceding variant comprising an internal modulation insofar as the electro-optical modulator limits the laser power of the beam Fp for low pulse durations, particularly because of continuous noise in the state of the art. current.
  • losses are generated depending on the polarization of the pump beam, which causes instabilities having a negative impact on the generation of the spectrum of the supercontinuum source 10 and reduces the service life.
  • Block B of FIG. 1, disposed at the output of block A, will now be described in detail.
  • the optical preamplifier module 24 comprises at least one doped optical fiber and a pump source.
  • the module 24 comprises at least one stage and preferably two stages, each stage comprising a single-mode optical fiber 28 doped with ytterbium Yb 3+ , the two fibers 28 being pumped by the same annexed pump source, monomode at 976 nm and delivering 200 mW of power, an optical circulator 32 and optical isolators 34 to ensure the path of the beam in the preamplifier module.
  • the module 24 also comprises a Bragg reflector 36 selecting a wide band of ⁇ 5 nm around 1060 nm and a narrow bandpass filter 38 for filtering the amplified spontaneous emission.
  • the bandpass filter 38 is arranged after the optical circulator 32, which makes it possible to filter all the spontaneous amplified emissions at the output of the pre-amplification module 24.
  • the beam noted FB is amplified between 15 dB and 30 dB according to the repetition frequency and the pulse duration of the beam Fp.
  • FIG. 3 more precisely illustrates the output power of the block B, denoted P, as a function of the pulse duration T of the pump beam, for a repetition frequency of 1 MHz (solid line), 500 kHz (discontinuous line), respectively. ) and 250 kHz (dotted line).
  • Block C of FIG. 1, disposed at the output of block B, will now be described in detail.
  • the amplifier module 26 of the block C comprises at least one auxiliary laser source 42 and an optical isolator 44.
  • the amplifier module 26 of the block C is an optical amplifier comprising a ytterbium-doped Yb 3+ doped optical fiber 40 and pumped by an auxiliary laser source 42 to 976 nm and emitting 6.5 W of power.
  • the fiber 40 has a core whose diameter is of the order of 5 ⁇ m.
  • the fiber has a length of 3.5 m, in order to limit the stimulated Raman scattering, the threshold power of appearance of this diffusion being inversely proportional to the length of the fiber.
  • the amplifier module makes it possible to obtain a high power of the beam Fc at the output of the block C of between 1 W and 3 W, and preferably of the order of 3 W, whatever the characteristics of pulse duration and frequency of repetition, the value of 3 W representing the limit of appearance of the Raman scattering.
  • Block D comprises the standard single-mode fiber at 1060 nm output from the amplification fiber 40, with a high index coating of the solder between the amplification fiber 40 and the standard fiber 25 to empty the pump residue. appendix, which allows to recover only the useful signal at 1060 nm and to prevent heating of the fiber 25.
  • the monomode fiber 25 eliminates the multimode pump residue from the inner sheath of the fiber 40 but also to couple a maximum of signal from the core of this fiber 40 in the core of the nonlinear microstructured fiber 14.
  • FIGS. 4A and 4B represents the power, denoted P, respectively in log and linear scale, as a function of the wavelength, denoted A, for a pulse duration of 2 ns for a repetition frequency of 500. kHz and comprises a main peak 44 at 1060 nm, with a width at mid-height of 7.4 nm, and a much smaller peak 46 at a wavelength of the order of 1030 nm corresponding to the spontaneous emission amplified unfiltered, and a peak 48 very reduced at 976 nm due to a low residual of the auxiliary pump.
  • P the power
  • Pc the calculated evolution of the peak power
  • T the pulse duration of the pump beam
  • the peak power is a decreasing function of pulse duration and repetition frequency, and is high, ranging from 3.5 kW to 7.5 kW.
  • the power generated by the source 12 enables the supercontinuum source 10 to be produced by injecting the beam F at the input of the nonlinear microstructured fiber 14 and propagating in the fiber 14.
  • the nonlinear microstructured fiber 14 is now described in detail.
  • the nonlinear microstructured fiber 14 comprises a guide matrix of a given length in a so-called longitudinal guide direction, and a section in a plane to the guidance direction, otherwise called index profile.
  • the fiber 14 is based on silica.
  • the fiber 14 may be based on fluorinated glass (ZBLAN), chalcogenide glasses, tellurium oxide glasses, etc.
  • the index profile comprises an arrangement of a set of holes of diameter d whose centers of the holes are regularly spaced apart by a distance A, otherwise called "pitch", arranged around a heart of diameter noted c.
  • Another parameter of the fiber is the fraction of air which is defined by the ratio between the diameter d of the holes and the pitch A, that is to say d / A.
  • the fiber 14 is a fiber doped with Ytterbium Yb 3+ and provided with an air sheath G, as shown in Figure 6B.
  • the source supercoirt nuum 10 emits pulses whose duration T is substantially equal to the pulse duration T of the pump beam Fp.
  • the means of variation 16 of the pulse duration T are constituted by the variation means of the pump laser source 20, already described.
  • the duration T is preferably between 200 ps and 2 ns.
  • the supercontinuum source 10 has a configurable coherence length. Indeed, the coherence length depends on the pulse duration T, so that the control of the pulse duration T makes it possible to control the coherence length of the source 10.
  • the supercontinuum source 10 has a very low temporal dispersion, otherwise known as time jitter, essentially because the source 20 is a semiconductor laser.
  • the ratio between the time dispersion and the pulse duration is of the order of ⁇ 4% and preferably less than ⁇ 2%.
  • the supercontinuum source 10 is temporally very stable, which ensures consistent results during the use of the source.
  • the supercontinuum source 10 has a variable repetition frequency substantially equal to the repetition frequency of the pump laser source 20.
  • the repetition frequency is preferably between 250 kHz and 1 MHz, in particular for reasons of welding quality.
  • the nonlinear microstructured fiber 14 has the following characteristics: pitch A of the order of 3 ⁇ m and hole diameter d of the order of 1.5 ⁇ m with a dispersion zero for 1040 nm.
  • the length of the fiber 14 is of the order of 30 m.
  • FIG. 7A shows the spectral power density, denoted Ds, as a function of the wavelength, denoted by A, the repetition frequency being fixed at 500 kHz for different pulse durations between 171 ps and 2.12 ns.
  • the spectrum of the supercontinuum source 10 extends between 450 nm and 1750 nm, ie from the visible to the infrared, whatever the pulse duration.
  • the spectrum comprises a peak at 1060 nm and a residual peak at 1030 nm. It is noted that the spectral density increases with the pulse duration for wavelengths greater than 800 nm.
  • FIG. 7B represents the power spectral density, denoted Ds, as a function of the wavelength, denoted A, the pulse duration being fixed at 2 ns, for a repetition frequency of 1 MHz respectively (solid line), 500 kHz (broken line) and 250 kHz (dotted line).
  • the spectrum comprises a peak at 1060 nm and a residual peak at 1030 nm.
  • the spectral density increases with the repetition rate for wavelengths greater than 800 nm.
  • the nonlinear microstructured fiber 14 has the following characteristics: pitch A of the order of 4 m and hole diameter d of the order of 3 ⁇ , with a dispersion zero for 992 nm.
  • the spectrum of the supercontinuum source 10 extends between 400 nm and 1750 nm, ie from the ultraviolet to the infrared, irrespective of the pulse duration, and the frequency of repetition being fixed. at 500 kHz for different pulse durations between 171 ps and 2.12 ns.
  • the spectrum comprises a peak at 1060 nm and a residual peak at 1030 nm.
  • the spectral density increases with the pulse duration for wavelengths greater than 1100 nm.
  • the supercontinuum source 10 exhibits a temporal jitter between 70 ns and 80 ns, and on average 74.7 ns, six measurements having been made for a repetition frequency of 500 kHz, with a jitter of 75.2 respectively. ns, 76 ns, 72.4 ns, 78 ns, 74.40 ns and 72 ns. So, the supercontinuum source 10 has a very reduced temporal variation of the order of 3.8%.
  • the nonlinear microstructured fiber 14 has the following characteristics: pitch A of the order of 2.62 m, air fraction d / A of 0.6 and an air sheath.
  • the fiber 25 of the block D is removed and the fibers 40 and 14 are directly welded together. It is noted that the fiber 14 with air sheath is active and can then advantageously use the auxiliary pump residue from the doped fiber 40 of the C block.
  • the fiber 40 of the block C is a microstructured fiber with air sheath as described above and the fibers 25 and 14 are removed, that is to say that this fiber 40 sheathed of air performs both the amplification of the beam from the preamplifier module and the broadening of the spectrum.
  • the beam Fc corresponds to the beam F '.
  • the effective preamplification performed by the module 24 allows the use of a fiber 40 which has a small heart unlike the amplifying fibers usually used. Due to the geometric properties of the fibers 40 and 25, the weld between the fibers 40 and 25, itself having a small core, is of better quality, which guarantees the least possible loss and therefore an effective supercontinuum generation.
  • the invention also relates to a method for generating light waves from the infrared range to the ultraviolet range, comprising generating a laser beam for a given pulse duration, injecting said laser beam into a nonlinear microstructured optical fiber and making vary the pulse duration of the supercontinuum source beam.
  • the spectral broadening may vary depending in particular on the wavelength of the pump source 20, the characteristics of the fiber 14 (type of fiber, material, etc.) of the doping used. .
  • a pump source 20 with a wavelength of 1060 nm and a microstructured silica fiber 14 and ytterbium Yb doping will be chosen.
  • a pump source 20 with a wavelength of 1550 nm and a silica or other fiber 14, of standard or microstructured type, and doping will be chosen.
  • the pulse duration of the beam of the supercontinuum source is varied by varying the pulse duration of the laser beam.
  • the supercontinuum source 10 has a variable pulse duration, and therefore a configurable coherence length; it is therefore adaptable to the desired observations. It also advantageously has a variable repetition frequency, which makes it completely flexible to the desired applications.
  • the non-linear fiber also makes it possible to amplify the beam, which simplifies the assembly as described previously.
  • the supercontinuum source is fully fiberized, which makes it particularly stable, compact and nomadic.
  • the invention also relates to a device for transmitting light waves from the infrared range to the ultraviolet range, characterized in that it comprises a supercontinuum source as described above and means for controlling synchronization of the supercontinuum source to an element reference.
  • the control means allow the beam trains of the beam F 'to be transmitted in synchronization with the reference element.
  • These control means are similar or incorporated in the means 16 for varying the pulse duration of the supercontinuum source 10.
  • the reference element may be, for example, the passage of a biological cell in an analysis window.

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Abstract

L'objet de l'invention est une source supercontinuum apte à émettre des ondes entre le domaine infrarouge et le domaine ultraviolet, comprenant une source laser impulsionnel (12) apte à générer un faisceau laser et une fibre optique microstructurée non linéaire (14), apte à recevoir ledit faisceau laser, de sorte que la source supercontinuum est apte à générer un faisceau (F') pendant une durée d'impulsion (T'), caractérisée en ce que la source supercontinuum comprend des moyens de variation de ladite durée d'impulsion.

Description

SOURCE SUPERCONTINUUM IMPULSIONNELLE A DUREE D'IMPULSION
VARIABLE
La présente invention concerne une source supercontinuum apte à émettre des ondes entre le domaine infrarouge et le domaine ultraviolet.
Les sources supercontinuum, développées depuis quelques années, ont de nombreuses applications, notamment dans la spectroscopie, la métrologie ou encore l'imagerie médicale.
Une source supercontinuum connue comprend généralement une source laser apte à générer un faisceau laser et une fibre optique microstructurée non linéaire, apte à recevoir ledit faisceau laser.
A titre d'exemple, le document G&-2.386.434 décrit à la page 45 un mode de fabrication par extrusion d'une fibre optique microstructurée non linéaire. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et d'autres modes de fabrication peuvent être utilisés pour obtenir une fibre optique microstructurée non linéaire.
Selon l'invention, on s'intéresse particulièrement à une source supercontinuum comprenant une source laser impulsionnelle, de sorte que la source supercontinuum est apte à générer un faisceau pendant une durée d'impulsion donnée.
Les publications intitulées « White-light supercontinuum génération with 60-ps pump puises in a photonic crystal » et « compact braodband continuum source based on microship laser pumped microstructured fibre » décrivent une source supercontinuum impulsionnelle. Néanmoins, les sources décrites dans ces documents ou existantes ne sont pas paramétrable, et, par conséquent, on doit changer de source supercontinuum selon les caractéristiques que l'on souhaite obtenir.
Selon un autre inconvénient des sources supercontinuum décrites dans ces publications, la plage de fonctionnement est restreinte et ne s'étend pas du domaine infrarouge jusqu'au domaine de l'ultraviolet.
La publication intitulée « Laser à fibre amplifiée à 1060 nm paramétrable en fréquence et en durée d'impulsion : résultats à 1 MHz et 500 ps » décrit un moyen pour paramétrer la durée d'impulsion.
Ainsi, ce document décrit plus précisément un premier étage comportant une source sous forme d'une diode laser continue dont le faisceau est modulé en externe par un modulateur électro-optique indépendant et deux étages successifs d'amplification. Toutefois, le faisceau laser issu de cette source n'est pas appliqué à une fibre optique microstructurée non linéaire.
Si, on utilise l'enseignement de cette dernière publication aux sources supercontinuum décrites dans les premières publications il n'est pas possible d'obtenir une source supercontinuum impulsionnelle avec une plage de fonctionnement s'étendant du domaine infrarouge jusqu'au domaine de l'ultraviolet.
Le but de l'invention est de proposer une source supercontinuum paramétrable apte à émettre des ondes depuis le domaine infrarouge jusqu'au domaine ultraviolet.
A cet effet, l'invention concerne une source supercontinuum apte à émettre des ondes allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, comprenant une source laser impulsionnelle apte à générer un faisceau laser et une fibre optique microstructurée non linéaire, apte à recevoir ledit faisceau laser, de sorte que la source supercontinuum est apte à générer un faisceau pendant une durée d'impulsion donnée, caractérisée en ce que la source supercontinuum comprend des moyens de variation de ladite durée d'impulsion.
L'invention sera décrite maintenant plus en détail en référence aux figures annexées données uniquement à titre d'exemple et dans lesquelles :
-la figure 1 est une représentation schématique du montage d'une source supercontinuum selon l'invention,
-la figure 2 est une représentation de la puissance (exprimée en mW) d'une source laser de la source supercontinuum de la figure 1 en fonction de la durée d'impulsion (en ps),
-la figure 3 est une représentation de la puissance (en mW) en sortie du module préamplificateur en fonction de la durée d'impulsion (en ps),
-la figure 4A est une représentation spectrale de la puissance de la source supercontinuum de la figure 1 en échelle Log (en dBm) en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 960 nm à ll60 nm,
-la figure 4B est une représentation de la puissance de la source supercontinuum de la figure 1 en échelle linéaire (en UA) en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 960 nm à 1160 nm, -la figure 5 est une représentation de la puissance de crête calculée (en kW) en fonction de la durée d'impulsion (en ps),
-la figure 6A est une représentation d'une section d'une première fibre microstructurée non linéaire pour le montage de la figure 1,
-la figure 6B est une représentation d'une section d'une autre fibre microstructurée non linéaire pour le montage de la figure 1,
-la figure 7A est une représentation de la densité spectrale de puissance (exprimée en pW/nm) de la source supercontinuum de la figure 1 avec une fibre conforme à la figure 6A en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 350 nm à 1750 nm, pour différentes durées d'impulsion, et mesurée expérimentalement,
-la figure 7B est une représentation de la densité spectrale de puissance (exprimée en pW/nm) de la source supercontinuum de la figure 1 avec une fibre conforme à la figure 6A en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 350 nm à 1750 nm, pour différentes fréquences de répétition, et mesurée expérimentalement, et
-la figure 8 est une représentation de la densité spectrale de puissance (exprimée en pW/nm) de la source supercontinuum de la figure 1 avec une fibre conforme à la figure 6 A en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 350 nm à 1750 nm, pour des durées d'impulsion comprises entre 171 ps et 2.12 ns, et mesurée expérimentalement.
Sur la figure 1, on a représenté en 10 une source supercontinuum apte à émettre des ondes entre le domaine infrarouge et le domaine ultraviolet. La source 10 comprend une source laser impulsionnelle 12 apte à générer un faisceau laser F, et une fibre optique microstructurée non linéaire 14, apte à recevoir le faisceau laser F. La source supercontinuum 10 est susceptible de générer un faisceau F' pendant une durée d'impulsion donnée, notée T.
Par source supercontinuum, on entend source optique dont le spectre est large et ayant des caractéristiques de cohérence spatiale identique à celles d'un laser. On parle également de source polychromatique continue.
Selon l'invention, la source supercontinuum comprend des moyens 16 de variation de la durée d'impulsion T des ondes émises par la source supercontinuum 10 . On note que le faisceau F' peut être émis à une fréquence de répétition variable, comme il sera décrit ultérieurement, c'est-à-dire que la source 10 émet des trains d'ondes, chaque train d'ondes ayant une durée T. Cette variation de la durée d'impulsion rend adaptable la source supercontinuum 10 à diverses applications, sans nécessiter aucun changement de montage.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser 12 comprend une source laser de pompe 20 apte à émettre un faisceau de pompe Fp et illustrée au bloc A de la figure 1.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser 12 comprend des moyens d'amplifications 22 du faisceau de pompe Fp.
Les moyens d'amplification 22 comprennent un module préamplificateur 24 illustré par le bloc B de la figure 1, de sorte que le faisceau FB a une puissance amplifiée entre 15 dB et 30 dB.
Les moyens d'amplification 22 comprennent en outre un module amplificateur 26 illustré par le bloc C de la figure 1, en sortie du module préamplificateur 24, de sorte que la puissance du faisceau Fc en sortie du module 26 est comprise entre 1 W et 3 W.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser 12 comprend également une fibre optique de sortie 25, reliée à la sortie du bloc C et illustrée par le bloc D de la figure 1, dont la fonction sera détaillée plus loin, et à la sortie de laquelle l'entrée de la fibre mictrostructurée 14 est connectée.
Le bloc A de la figure 1 va maintenant être décrit en détail.
La source laser de pompe 20, appelée par la suite pompe, est préférentiellement un laser semi-conducteur intégrant des moyens 16 de variation de la durée d'impulsion du faisceau de pompe Fp.
De préférence, la source laser de pompe 20 a une longueur d'onde de 1060 nm. Le fait que la source soit modulée en interne et comprennent les moyens 16 de la durée d'impulsions permet d'obtenir pour la source supercontinuum ainsi constituée une plage de fonctionnement large allant du domaine infrarouge jusqu'au domaine de l'ultraviolet. Une diode laser, par exemple vendue sous la référence LUMICS LU1055M200, est particulièrement adaptée, et la durée d'impulsion T du faisceau de pompe Fp d'une telle pompe est continûment ajustable entre 200 ps et 2 ns.
Cette diode laser présente une fréquence de répétition paramétrable entre 1 Hz et 1 MHz.
Comme visible sur la figure 2, la puissance fournie par la pompe, notée P, est une fonction croissante linéaire de la durée d'impulsion, notée T, dont la pente augmente avec la fréquence de répétition respectivement de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés). Néanmoins, quelle que soit la fréquence de répétition, la puissance de sortie est inférieure à 0,15 mW et le faisceau de pompe Fp ne peut donc pas être injecté directement dans la fibre microstructurée 14. C'est pour cela que le montage comprend les moyens d'amplification 22.
En variante, la pompe est une diode laser modulée de manière externe par un modulateur, par exemple de type électro-optique ou acousto-optique. Cette variante est moins avantageuse que la variante précédente comportant une modulation interne dans la mesure où le modulateur électro-optique limite la puissance laser du faisceau Fp pour des durées d'impulsion faibles notamment pour cause de bruit continu dans l'état de l'art actuel. De plus, des pertes sont générées en fonction de la polarisation du faisceau de pompe, ce qui provoque des instabilités ayant un impact négatif sur la génération du spectre de la source supercontinuum 10 et en réduit la durée de vie.
Le bloc B de la figure 1, disposé en sortie du bloc A, va maintenant être décrit en détail.
Le module préamplificateur optique 24 comprend au moins une fibre optique dopée et une source de pompage.
Sur la figure 1, le module 24 comprend au moins un étage et de préférence deux étages, chaque étage comprenant une fibre optique 28 monomode dopée à l'ytterbium Yb 3+ , les deux fibres 28 étant pompées par une même source de pompage 30 dite annexe, monomode à 976 nm et délivrant 200 mW de puissance, un circulateur optique 32 et des isolateurs optiques 34 pour assurer le trajet du faisceau dans le module préamplificateur. Le module 24 comprend également un réflecteur de Bragg 36 sélectionnant une bande large de ±5 nm autour de 1060nm et un filtre passe bande étroit 38 pour filtrer l'émission spontanée amplifiée. Avantageusement, le filtre passe bande 38 est disposé après le circulateur optique 32 ce qui permet de filtrer toute les émissions spontanées amplifiées à la sortie du module 24 de pré amplification.
En sortie du bloc B, le faisceau noté FB est amplifié entre 15 dB et 30 dB selon la fréquence de répétition et la durée d'impulsion du faisceau Fp.
La figure 3 illustre plus précisément la puissance en sortie du bloc B, notée P, en fonction de la durée d'impulsion T du faisceau de pompe, pour une fréquence de répétition respectivement de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés).
La puissance moyenne obtenue en sortie du module préamplificateur 24, de l'ordre de 5 mW à 20 mW, est alors suffisante pour injecter le faisceau issu du module 24 dans le module amplificateur de forte puissance du bloc C.
Le bloc C de la figure 1, disposé en sortie du bloc B, va être maintenant décrit en détail.
Le module amplificateur 26 du bloc C comprend au moins une source laser annexe 42 et un isolateur optique 44.
Selon un mode de réalisation, le module amplificateur 26 du bloc C est un amplificateur optique comprenant une fibre optique 40 double gaine dopée à l'ytterbium Yb 3+ et pompée par une source laser annexe de 42 à 976 nm et émettant 6.5 W de puissance. La fibre 40 a un cœur dont le diamètre est de l'ordre de 5 um. La fibre a une longueur de 3.5 m, afin de limiter la diffusion Raman stimulée, la puissance seuil d'apparition de cette diffusion étant inversement proportionnelle à la longueur de la fibre.
Le module amplificateur permet d'obtenir une puissance élevée du faisceau Fc en sortie du bloc C comprise entre 1 W et 3 W, et préférentiellement de l'ordre de 3 W, quelles que soient les caractéristiques de durée d'impulsion et de fréquence de répétition, la valeur de 3 W représentant la limite d'apparition de la diffusion Raman.
On note que la diffusion Raman n'est pas souhaitable dans la mesure où elle est un phénomène non linéaire qui consomme inutilement l'énergie issue du faisceau. Le bloc D comprend la fibre 25 monomode standard à 1060 nm en sortie de la fibre d'amplification 40, avec un revêtement fort indice de la soudure entre la fibre d'amplification 40 et la fibre standard 25 afin de vider le résidu de la pompe annexe, ce qui permet de ne récupérer que le signal utile à 1060 nm et d'éviter un échauffement de la fibre 25. Ainsi, la fibre monomode 25 permet d'éliminer le résidu de pompe multimode provenant de la gaine interne de la fibre 40 mais également de coupler un maximum de signal provenant du cœur de cette fibre 40 dans le cœur de la fibre microstructurée non linéaire 14.
Les caractéristiques de la source laser 12, mesurées en sortie de la fibre standard 25, sont maintenant décrites en détails.
Le spectre illustré aux figures 4A et 4B représente la puissance, notée P, respectivement en échelle log et linéaire, en fonction de la longueur d'onde, notée A, pour une durée d'impulsion de 2 ns pour une fréquence de répétition de 500 kHz et comprend un pic principal 44 à 1060 nm, avec une largeur à mi- hauteur de 7.4 nm, ainsi qu'un pic 46 beaucoup plus faible à une longueur d'onde de l'ordre de 1030 nm correspondant à l'émission spontanée amplifiée non filtrée, et un pic 48 très réduit à 976 nm dû à un faible résidu de la pompe annexe. La figure 5 illustre l'évolution calculée de la puissance crête, notée Pc, en fonction de la durée d'impulsion du faisceau de pompe, notée T, pour une fréquence de répétition de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés). La puissance crête est une fonction décroissante de la durée d'impulsion et de la fréquence de répétition, et est élevée, puisque comprise entre 3.5 kW et 7.5 kW.
Ainsi, la puissance générée par la source 12 permet la réalisation de la source supercontinuum 10 par injection du faisceau F à l'entrée de la fibre microstructurée non linéaire 14 et propagation dans la fibre 14.
La fibre microstructurée non linéaire 14 est maintenant décrite en détails.
Comme illustré aux figures 6A et 6B, la fibre microstructurée non linéaire 14 comprend une matrice de guidage d'une longueur donnée dans une direction de guidage dite longitudinale, et d'une section dans un plan à la direction de guidage, autrement appelée profil d'indice.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la fibre 14 est à base de silice.
En variante, la fibre 14 peut être à base de verre fluorés (ZBLAN), de verres chalcogénures, de verres d'oxyde de tellure,...
Le profil d'indice comprend un agencement d'un ensemble de trous de diamètre d dont les centres des trous sont régulièrement espacés d'une distance A, autrement appelée « pas », disposés autour d'un cœur de diamètre noté c. Un autre paramètre de la fibre est la fraction d'air qui est définie par le rapport entre le diamètre d des trous et le pas A, c'est-à-dire d/A.
Les paramètres de la fibre 14 seront détaillés ultérieurement.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la fibre 14 est une fibre dopée à l'ytterbium Yb 3+ et munie d'une gaine d'air G, comme illustrée à la figure 6B.
En sortie de la fibre microstructurée 14, un spectre très étendu est généré, d'où le terme de source supercontinuum 10. La source supercoirt nuum 10 émet des impulsions dont la durée T est sensiblement égale à la durée d'impulsion T du faisceau de pompe Fp. Ainsi, les moyens de variation 16 de la durée d'impulsion T sont constitués par les moyens de variation de la source laser de pompe 20, déjà décrits. La durée T est préférentiellement comprise entre 200 ps et 2 ns.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la source supercontinuum 10 présente une longueur de cohérence paramétrable. En effet, la longueur de cohérence dépend de la durée d'impulsion T, de sorte que le contrôle de la durée d'impulsion T permet de contrôler la longueur de cohérence de la source 10.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la source supercontinuum 10 présente une très faible dispersion temporelle, autrement appelée gigue temporelle, en raison essentiellement du fait que la source 20 est un laser semiconducteur. Le rapport entre la dispersion temporelle et la durée d'impulsion est de l'ordre de ±4% et préférentiellement inférieur à ±2%. Ainsi, la source supercontinuum 10 est temporellement très stable, ce qui assure des résultats constants au cours de l'utilisation de la source.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la source supercontinuum 10 présente une fréquence de répétition variable, sensiblement égale à la fréquence de répétition de la source laser de pompe 20. La fréquence de répétition est préférentiellement comprise entre 250 kHz et 1 MHz, notamment pour des raisons de qualité de soudure.
Selon un premier mode de réalisation, la fibre microstructurée non linéaire 14 présente les caractéristiques suivantes : pas A de l'ordre de 3 um et diamètre de trous d de l'ordre de 1.5 um avec un zéro de dispersion pour 1040 nm. La longueur de la fibre 14 est de l'ordre de 30 m.
Le spectre obtenu à partir de cette fibre 14 est illustré aux figures 7 A et 7B. Sur la figure 7 A est représentée la densité spectrale de puissance, notée Ds, en fonction de la longueur d'onde, notée A, la fréquence de répétition étant fixée à 500 kHz pour différentes durées d'impulsion comprises entre 171 ps et 2,12 ns.
Comme visible sur cette figure, le spectre de la source supercontinuum 10 s'étend entre 450 nm et 1750 nm, soit du visible à l'infrarouge, quelle que soit la durée d'impulsion. Le spectre comprend un pic 52 à 1060 nm et un pic résiduel 54 à 1030 nm. On note que la densité spectrale augmente avec la durée d'impulsion pour des longueurs d'onde supérieures à 800 nm.
La figure 7B représente la densité spectrale de puissance, notée Ds, en fonction de la longueur d'onde, notée A, la durée d'impulsion étant fixée à 2 ns, pour une fréquence de répétition respectivement de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés). Le spectre comprend un pic 52 à 1060 nm et un pic résiduel 54 à 1030 nm. La densité spectrale augmente avec la fréquence de répétition pour des longueurs d'onde supérieures à 800nm.
Selon un deuxième mode de réalisation, la fibre microstructurée non linéaire 14 présente les caractéristiques suivantes : pas A de l'ordre de 4 m et diamètre de trous d de l'ordre de 3 μτη, avec un zéro de dispersion pour 992 nm.
Comme visible sur la figure 8, le spectre de la source supercontinuum 10 s'étend entre 400 nm et 1750 nm, soit de l'ultraviolet à l'infrarouge, quelle que soit la durée d'impulsion, et la fréquence de répétition étant fixée à 500 kHz pour différentes durées d'impulsion comprises entre 171 ps et 2,12 ns.
Le spectre comprend un pic 52 à 1060 nm et un pic résiduel 54 à 1030 nm. La densité spectrale augmente avec la durée d'impulsion pour des longueurs d'onde supérieures à 1100 nm.
La source supercontinuum 10 présente dans ce mode de réalisation une gigue temporelle comprise entre 70 ns et 80 ns, et en moyenne de 74.7 ns, six mesures ayant été effectuées pour une fréquence de répétition de 500 kHz, avec une gigue respectivement de 75,2 ns, 76 ns, 72,4 ns, 78 ns, 74,40 ns et 72 ns. Ainsi, la source supercontinuum 10 présente une variation temporelle très réduite de l'ordre de 3,8%.
Selon un autre mode de réalisation, la fibre microstructurée non linéaire 14 présente les caractéristiques suivantes : pas A de l'ordre de 2,62 m, fraction d'air d/A de 0,6 et une gaine d'air. Selon ce même mode de réalisation, la fibre 25 du bloc D est supprimée et les fibres 40 et 14 sont directement soudées entre elles. On note que la fibre 14 à gaine d'air est active et peut alors avantageusement utiliser le résidu de pompe annexe provenant de la fibre dopée 40 du bloc C.
Selon un autre mode de réalisation, la fibre 40 du bloc C est une fibre microstructurée à gaine d'air telle que décrite ci-dessus et les fibres 25 et 14 sont supprimées, c'est-à-dire que cette fibre 40 à gaine d'air réalise à la fois l'amplification du faisceau issu du module préamplificateur et l'élargissement du spectre. Dans ce cas, le faisceau Fc correspond au faisceau F'.
On note que la préamplification efficace réalisée par le module 24 permet l'utilisation d'une fibre 40 qui a un petit cœur au contraire des fibres amplificatrices habituellement utilisées. Du fait des propriétés géométriques des fibres 40 et 25, la soudure entre les fibres 40 et 25, elle-même ayant un cœur petit, est de meilleure qualité, ce qui garantit le moins de perte possible et donc une génération de supercontinuum efficace.
L'invention concerne également un procédé de génération d'ondes lumineuses allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, consistant à générer un faisceau laser pendant une durée d'impulsion donnée, à injecter ledit faisceau laser dans une fibre optique microstructurée non linéaire et à faire varier la durée d'impulsion du faisceau de la source supercontinuum.
Selon un autre aspect de l'invention, l'élargissement spectral peut varier en fonction notamment de la longueur d'ondes de la source de pompe 20, des caractéristiques de la fibre 14 (type de fibre, matériau, ..) du dopage utilisé. Pour obtenir un élargissement spectral allant de l'ultraviolet à l'infrarouge moyen, on choisira une source de pompe 20 avec un longueur d'onde de 1060 nm et une fibre 14 en silice microstructuree et un dopage à l'ytterbium Yb.
Pour obtenir un élargissement spectral allant du visible au début de l'infrarouge lointain, on choisira une source de pompe 20 avec un longueur d'onde de 1550 nm et une fibre 14 en silice ou autre, de type standard ou microstructurée, et un dopage à Erbium Er ou un codopage Erbium/Ytterbium ou une source de pompe 20 avec un longueur d'onde de l'ordre de 2 m et une fibre 14 en silice ou autre, de type standard ou microstructurée, et un dopage au Thulium Tm ou à l'holmium Ho.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on fait varier la durée d'impulsion du faisceau de la source supercontinuum en faisant varier la durée d'impulsion du faisceau laser.
La source supercontinuum 10 selon l'invention présente une durée d'impulsion variable, et par conséquent une longueur de cohérence paramétrable ; elle est donc, de ce fait, adaptable aux observations souhaitées. Elle présente également avantageusement une fréquence de répétition variable, ce qui la rend complètement flexible aux applications souhaitées.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la fibre non linéaire permet également d'amplifier le faisceau, ce qui simplifie le montage comme décrit précédemment. On note que la source supercontinuum est entièrement fibrée, ce qui la rend particulièrement stable, compacte et nomade.
L'invention concerne également un dispositif d'émission d'ondes lumineuses allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, caractérisé en ce qu'il comprend une source supercontinuum telle que décrite précédemment et des moyens de contrôle de synchronisation de la source supercontinuum à un élément de référence. Ainsi, les moyens de contrôle permettent que les trains d'ondes du faisceau F' soient émis en synchronisation de l'élément de référence. Ces moyens de contrôle sont semblables ou incorporés aux moyens 16 de variation de la durée d'impulsion de la source supercontinuum 10. L'élément de référence peut être, par exemple, le passage d'une cellule biologique dans une fenêtre d'analyse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Source supercontinuum apte à émettre des ondes allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, comprenant une source laser impulsionnelle (12) apte à générer un faisceau laser (F) et une fibre optique microstructurée non linéaire (14), apte à recevoir ledit faisceau laser (F), de sorte que la source supercontinuum est apte à générer un faisceau (F') pendant une durée d'impulsion (T), caractérisée en ce que la source supercontinuum (10) comprend des moyens de variation (16) de ladite durée d'impulsion (T).
2. Source supercontinuum selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source laser (12) comprend une source laser de pompe impulsionnelle (20) apte à émettre un faisceau de pompe (Fp) pendant une durée d'impulsion (T) et des moyens de variation de ladite durée d'impulsion (T) du faisceau de pompe (Fp) intégrés à la source laser de pompe impulsionnelle (20), les moyens de variation (16) de la durée d'impulsion (T) du faisceau de pompe (Fp) constituant les moyens de variation (16) de la durée d'impulsion (T) de la source supercontinuum (10).
3. Source supercontinuum selon la revendication 2, caractérisée en ce que la source de pompe (20) est un laser semi-conducteur intégrant les moyens de variation (16) de la durée d'impulsion de la source supercontinuum.
4. Source supercontinuum selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source laser (12) comprend des moyens d'amplification (22) du faisceau de pompe (Fp).
5. Source supercontinuum selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'elle comprend une fibre (25) monomode intercalée entre les moyens d'amplification (22) et la fibre optique microstructurée non linéaire (14).
6. Source supercontinuum selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fibre (25) monomode est une fibre standard à 1060 nm reliée à la fibre de sortie (40) des moyens d'amplification (22) avec un revêtement fort indice.
7. Source supercontinuum selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'amplification (22) comprennent un module préamplificateur optique (24), de sorte que le faisceau laser de pompe (Fp) voit sa puissance amplifiée entre 15 dB et 30 dB.
8. Source supercontinuum selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le module préamplificateur (24) comprend au moins une fibre optique (28) dopée apte à être pompée par un laser de pompe.
9. Source supercontinuum selon la revendication 8, caractérisé en ce que le module préamplificateur (24)comprend deux étages, chaque étage comprenant une fibre optique (28) pompées par une même source de pompage (30) dite annexe, un circulateur optique (32) et des isolateurs optiques (34) pour assurer le trajet du faisceau dans le module préamplificateur ainsi qu'un réflecteur de Bragg (36) disposé après le circulateur optique (32).
10. Source supercontinuum selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que les moyens d'amplification (22) comprennent un module amplificateur (26) en sortie du module préamplificateur (24), de sorte que le faisceau présente une puissance comprise entre 1 W et 3 W en sortie du module amplificateur (26).
11. Source supercontinuum selon la revendication 10, caractérisée en ce que le module amplificateur (26) comprend au moins une source laser annexe (42) et un isolateur optique (44).
12. Source supercontinuum selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la fibre optique microstructurée non linéaire (14) est active et comprend une gaine d'air (G).
13. Source supercontinuum selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la fibre optique microstructuree à gaine d'air est soudée en sortie d'une source laser annexe (42) et d'un isolateur optique (44) de manière à être utilisée comme fibre amplificatrice et non linéaire dans le module amplificateur (26).
14. Source supercontinuum selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source supercontinuum présente une fréquence de répétition variable.
15. Dispositif d'émission d'ondes lumineuses entre le domaine infrarouge et le domaine ultraviolet, caractérisé en ce qu'il comprend une source supercontinuum selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 et des moyens de contrôle de synchronisation de la source supercontinuum à un élément de référence.
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