WO2016001604A1 - Système laser uv-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie - Google Patents

Système laser uv-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a laser system with ultra-short pulses, high power and / or high energy in the ultraviolet-visible (UV-visible) spectral range.
  • the invention relates to a laser system for generating ultrashort UV-visible laser pulses using a nonlinear optical frequency conversion optical device for controlling the optical frequency of the output laser pulses.
  • optical frequency conversion encompasses nonlinear optical techniques of sum frequency generation and multiple harmonic generation.
  • ultra-short pulses are defined as pulses of picosecond, sub-picosecond or femtosecond duration. More precisely, a picosecond pulse is understood to mean a light pulse with a duration of between 1 ps and 20 ps and a femtosecond pulse, a light pulse lasting between 1 fs and 1 ps.
  • An ultra-short pulse laser system generally emits at a high repetition rate, typically between 50kHz and 10MHz.
  • an ultrashort pulse laser system having a rate of 1 MHz emits a train of ultra-short pulses, each pulse being of duration ps or fs, with a time interval of the order of one microsecond between successive pulses.
  • a high-power pulse is understood to mean a light pulse having an average power of between 10W and 1 MW and preferably greater than or equal to 10W, and a high-energy pulse having a light pulse having an energy of between " ⁇ ⁇ and 1 kJ and preferably greater than or equal to 1 mJ
  • the ultraviolet (UV) spectral range is considered here to extend from 200 nm to 450 nm, the visible range from 450 nm to 750 nm and the infrared range from 750 nm to 1600 nm.
  • Ultrahigh-pulse lasers have many applications including laser micromachining, laser marking, analytical chemistry, nano-surgery and ophthalmic surgery.
  • a UV-visible laser pulse system is based on an infrared laser source and a non-linear optical frequency conversion optical device, for example by sum of frequency (also called harmonic generation).
  • a non-linear optical frequency conversion optical device for example by sum of frequency (also called harmonic generation).
  • sum of frequency also called harmonic generation
  • ultra-short pulse infrared laser sources make it possible to generate and amplify high power and / or high energy laser pulses in the infrared range.
  • a nonlinear optical frequency sum optical conversion device converts the infrared laser pulses into laser pulses of optical frequency equal to a double, triple or quadruple harmonic of the optical frequency of the infrared pulses.
  • a source of ultra-short UV-visible laser pulses is thus obtained.
  • the sum of frequencies consists in effect of producing an optical radiation at the optical frequency v3 from two optical frequency radiations v1 and v2 respectively, connected by the following relationship between the optical frequencies:
  • Figure 1 shows a conventional ultra-short pulse ultra-short pulse laser frequency conversion.
  • This UV-visible pulse laser comprises a source 1 1 of near-infrared laser pulses and a non-linear optical frequency conversion device here based on the use of two nonlinear optical crystals 1, 2 arranged in series.
  • the source 1 1 is a laser source doped Ytterbium fiber.
  • the source 1 1 of infrared laser pulses emits ultrashort light pulses 1 10 of wavelength ⁇ 1, in the infrared.
  • a first nonlinear optical crystal 1 receives infrared light pulses.
  • the first nonlinear optical crystal 1 Under particular conditions, in particular the intensity of the light pulses 1 10 and of phase matching, the first nonlinear optical crystal 1 generates light pulses 1 1 1 of wavelength ⁇ 2 different from the wavelength ⁇ 1 .
  • the wavelength ⁇ 2 is equal to half the wavelength ⁇ 1.
  • the wavelength ⁇ 1 is equal to 1030 nm
  • the wavelength ⁇ 2 is equal to 515 nm.
  • the transfer of the energy from the wavelength ⁇ 1 to the wavelength ⁇ 2 in the nonlinear optical crystal is partial, so that at the output of the first nonlinear optical crystal 1, there is a pulse 1 1 1 of wavelength ⁇ 2 and a pulse 1 10 of wavelength ⁇ 1.
  • another nonlinear optical crystal 2 is disposed on the optical path at the output of the first nonlinear optical crystal 1.
  • the other nonlinear optical crystal 2 receives light pulses 1 of wavelength ⁇ 1 and light pulses 1 1 1 of wavelength ⁇ 2, the light pulses 1 10 and 1 1 1 coming from the same source 1 1 .
  • the other nonlinear optical crystal 2 generates, by sum of frequency, other light pulses 1 12 of wavelength ⁇ 3 different from the wavelengths ⁇ 2 and ⁇ 1.
  • the other light pulses January 12 have an optical frequency equal to the optical frequency sum of the two incident light pulses 1 10, 1 1 1.
  • Such a device makes it possible to obtain harmonics of triple or quadruple frequency of the frequency of the source pulses, the wavelength ⁇ 3 of the light pulses January 12 being respectively equal to one third or one quarter of the wavelength ⁇ 1 of the light pulses.
  • a single frequency doubling conversion does not allow ultraviolet wavelengths to be attained when the laser source 11 generates light pulses in the near infrared.
  • the generation of triple or quadruple harmonics is generally necessary to obtain pulses in the ultraviolet.
  • the efficiency of frequency conversion by harmonic generation in a nonlinear optical crystal decreases as the multiplication factor in harmonic increases.
  • the efficiency of frequency conversion can reach 50% to 70% for frequency doubling but only 20% to 30% for frequency tripling and 10% to 25% for frequency quadrupling.
  • the optical fiber In the case of a source of conventional long-fiber optical fiber infrared pulses, for example erbium doped or erbium-ytterbium co-doped optical fiber, the optical fiber is limited in energy.
  • these pre-stretched pulses undergo nonlinear distortions that accumulate during amplification in the amplifying fiber.
  • the UV-visible pulses at the output of the frequency converter are in this case limited in energy by the maximum energy of the source of infrared pulses to optical fiber.
  • the crystal laser is limited in power because of the thermal effects in the crystal.
  • the UV-visible pulses at the output of the frequency converter are in this case limited in power by the maximum power of the solid crystal laser source.
  • the power and / or energy of the laser pulses 1 1 1 or 1 12, of picosecond or femtosecond duration, obtained by frequency conversion is therefore limited by the power and / or the energy of the laser source. 1 1 used and by the conversion efficiency in the nonlinear optical crystal (s) used.
  • One of the aims of the invention is to increase the energy and / or the power of a source of ultra-short pulses in the UV-visible range, especially when the source is based on an optical fiber technology.
  • Another object of the invention is to reduce the wavelength towards the ultraviolet of a source of ultra-short pulses of high energy and / or high power.
  • Yet another object of the invention is to improve the stability over time of a UV-visible ultra-short pulse laser of high energy and / or high power.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of prior art and more particularly relates to a UV-visible laser system ultrashort pulses of high power and / or high energy.
  • the laser system comprises a plurality of laser pulse sources, where the plurality of sources comprises between two and five distinct sources, each laser pulse source being adapted to emit at least one ultra-short laser pulse in the visible or infrared domain; at least one non-linear optical crystal adapted to receive two ultra-short laser pulses, said two ultra-short laser pulses being emitted respectively by two separate sources of laser pulses and synchronization means adapted to temporally synchronize said two incident ultrashort laser pulses; on said nonlinear optical crystal, so that said two ultra-short laser pulses temporally and spatially overlap in said nonlinear optical crystal with any phase shift, said at least one nonlinear optical crystal being adapted to generate, by sum frequency converter, a frequency-converted ultra-short laser pulse having an optical frequency equal to the sum of the respective optical frequencies of the two ultra-short laser pulses superimposed temporally and spatially in said nonlinear optical crystal.
  • any phase shift that the phase difference between two ultrashort pulses from two different sources and superimposed in the nonlinear optical crystal can take any value.
  • any phase shift may vary over time from a pair of ultrashort pulses to another pair of ultrashort pulses to be superimposed in the same nonlinear optical crystal.
  • the UV-visible laser system makes it possible to increase the power and / or the energy of the ultra-short pulses converted into frequency, without increasing the frequency conversion losses.
  • the energy and / or power of ultra-short UV-visible pulses increases with the number of sources used.
  • the system of the invention makes it possible to produce a pulse with a predetermined conversion efficiency.
  • the system of the invention makes it possible to ensure the stability of the frequency conversion efficiency of a pulse at the next pulse, and therefore the stability of the power and / or energy of ultra-short UV-visible pulses.
  • the system of the invention does not require an interferometric system to measure and control the optical phase shift between each pair of ultra-short pulses superimposed in a non-linear frequency conversion optical crystal.
  • a simple time synchronization system replaces the interferometric system usually used in a nanosecond laser, to achieve the phase matching condition between the superimposed beams in a nonlinear frequency-matched frequency conversion optical crystal.
  • the phase shift may be fluctuating from an ultrashort pulse to the next ultrashort pulse.
  • a laser in injected nanosecond regime, a laser emits in general several longitudinal modes, which generates instabilities of a pulse ns to the next pulse ns.
  • ultrashort pulse trains have a great stability over periods of up to several minutes.
  • the laser system comprises N nonlinear optical crystals, where N is an integer greater than or equal to two, each nonlinear optical crystal being adapted to receive two distinct laser pulses emitted respectively by two sources of light. separate laser pulses or generated by frequency sum conversion from two sources of ultra-short laser pulses, said two laser pulses incident on a nonlinear optical crystal being temporally synchronized, and said N nonlinear optical crystals being disposed of whereby a frequency-converted laser pulse is generated by successive frequency sum in said N nonlinear optical crystals.
  • the pulsed laser system comprises two separate laser pulse sources, each laser pulse source being adapted to emit an ultra-short laser pulse, in the visible or infrared range, and a non-linear optical crystal. adapted to simultaneously receive an ultrashort laser pulse from each of the two separate laser pulse sources, the nonlinear optical crystal being adapted to generate, by sum of frequency, an ultra-short laser pulse, having an optical frequency equal to the sum of the optical frequencies of the two sources.
  • the number N is equal to three
  • the pulsed laser system comprising three distinct laser pulse sources, each laser pulse source being adapted to emit an ultra-short laser pulse in the visible range or infrared; and a first nonlinear optical crystal adapted to simultaneously receive two ultra-short laser pulses respectively emitted by two of the three different laser pulse sources
  • the synchronization means being adapted to temporally synchronize said two incident laser pulses on the first nonlinear optical crystal so that said two incident laser pulses are superposed temporally and spatially in the first nonlinear optical crystal with any phase shift
  • the first nonlinear optical crystal being adapted to generate, by sum of frequency, a frequency-converted ultra-short laser pulse having an optical frequency equal to the sum optical frequencies of said two sources
  • a second nonlinear optical crystal being adapted to simultaneously receive said frequency-converted ultra-short laser pulse and another ultra-short laser pulse emitted respectively from the other laser pulse source from the three sources of impu laser lesions
  • the synchronization means being adapted
  • each source of laser pulses is adapted to emit an ultra-short pulse
  • the synchronization means are adapted to temporally synchronize two distinct laser pulses incident on a nonlinear optical crystal.
  • said two distinct laser pulses are superimposed temporally in said nonlinear optical crystal with a temporal accuracy less than or equal to 10% rms of the duration of said ultra-short pulses and preferably less than or equal to 5% rms of the duration of said ultra-short pulses.
  • the synchronization means comprise at least one optical delay line disposed between, on the one hand, one of said sources of light pulses and, on the other hand, said optical crystal. nonlinear, the optical delay line being adapted to reduce a time delay between two incident light pulses on said nonlinear optical crystal.
  • the synchronization means comprise synchronization electronic means adapted to temporally synchronize two ultra-short laser pulses in a non-linear optical crystal.
  • the plurality of light pulse sources comprise a plurality of laser sources, each laser pulse source being adapted to emit at least one laser pulse.
  • the plurality of light pulse sources comprises a common optical oscillator adapted to generate ultra-short mother light pulses of wavelength ⁇ ; and a plurality of amplifier systems optical, each optical amplifier system being adapted to receive an ultra-short mother light pulse of wavelength ⁇ and to generate an amplified ultra-short light pulse of wavelength ⁇ .
  • the laser system further comprises a time control device comprising a differential cross-correlator adapted to measure a time delay between two distinct laser pulses incident on a non-linear optical crystal.
  • the nonlinear optical crystal is a polarization multiplexing or angular multiplexing nonlinear optical crystal, said nonlinear optical crystal being selected from a barium borate crystal (3-BaB 2 O 4 ), or a lithium triborate crystal (UB 3 O 5 ) or lithium niobate crystal (LiNbO 3 ) of quasi-phase-locked type or PPLN.
  • the plurality of separate laser pulse sources comprise a plurality of high energy optical fiber laser sources.
  • the plurality of separate laser pulse sources comprise a plurality of solid laser sources with high power crystals.
  • the synchronization means comprise synchronization electronic means adapted to temporally synchronize a plurality of laser pulses emitted respectively by said plurality of laser sources.
  • the nonlinear optical system for the frequency conversion furthermore comprises:
  • Another source of light pulses adapted to emit at least one other light pulse at a wavelength
  • synchronization means adapted to synchronize, on the one hand, the light pulse of wavelength ⁇ 2 generated by frequency conversion at the output of the nonlinear optical crystal with, on the other hand, said other luminous pulse of length. wavelength ⁇ emitted by the other source of light pulses, and
  • another nonlinear optical crystal adapted to receive said luminous pulse of wavelength 1 and the other luminous pulse of wavelength ⁇ , said luminous pulses of respective wavelengths ⁇ 2 and ⁇ being synchronized temporally, and another nonlinear optical crystal being adapted to generate, by frequency conversion, at least one other light pulse of wavelength ⁇ 3 different from the wavelengths ⁇ 2 and ⁇ of said synchronized light pulses.
  • the plurality of separate laser pulse sources comprise a plurality of high energy optical fiber laser sources.
  • the plurality of separate laser pulse sources comprises a plurality of solid crystal laser sources of high power.
  • the invention also relates to a nonlinear optical method of frequency conversion, the method comprising the following steps:
  • the nonlinear optical crystal being adapted to generate, by frequency conversion, at least one output pulse of wavelength different from the lengths of waves of said light pulses from sources of light pulses.
  • the time synchronization step b) comprises a step of adjusting an optical delay on at least one optical delay line arranged between a source of light pulses and the nonlinear optical crystal.
  • the transmission step a) comprises transmitting a plurality of source pulses by an oscillator and amplifying each of said source pulses by a separate optical amplifier.
  • the transmission step a) comprises the emission of a plurality of laser pulses by a plurality of laser sources, each laser source being adapted to emit at least one laser pulse.
  • the time synchronization step b) comprises an electronic synchronization step adapted to temporally synchronize a plurality of laser pulses emitted by said plurality of laser sources, respectively.
  • the invention will find a particularly advantageous application in ultrashort laser pulse systems.
  • the invention advantageously makes it possible to combine several light sources at a time to convert them into optical frequency and to summon the optical power.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIG. 1 schematically represents a non-linear optical frequency conversion system according to the prior art
  • FIG. 2 schematically illustrates the principle of a non-linear optical frequency conversion system according to the invention
  • FIG. 3 schematically illustrates a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 schematically illustrates a second embodiment of the invention
  • Figure 5 schematically illustrates a third embodiment of the invention
  • FIG. 6 schematically illustrates a differential cross-correlator device for measuring the optical delay between two laser pulses.
  • FIG. 2 represents a UV-visible ultra-short pulsed laser system of high power and / or high frequency conversion energy.
  • the configuration of the proposed UV-visible laser system is based on the use of separate laser sources and not of a single source as in the previous system illustrated in FIG.
  • the system of FIG. 2 comprises three distinct laser sources: a laser source 1 1, a laser source 12 and a laser source 1 3.
  • the laser sources 1 1, 12, 13 are mode-locking ultra-short pulse laser sources.
  • the system of the invention comprises at least two distinct laser sources and up to five distinct ultra-short pulse laser sources.
  • a first source 11 and a second source 12 which are spatially separated laser sources are initially considered.
  • the first source 1 1 emits ultra-short pulses 31 of wavelength ⁇ 1 and the second source 1 2 emits ultra-short pulses 32 of wavelength ⁇ 2.
  • the first source 1 1 and the second source 1 2 are not coherent with each other.
  • the first source 1 1 and the second source 12 are arranged to couple an ultrashort pulse 31 of the first source 1 1 and another ultrashort pulse 1 20 of the second source 12 in a first non-linear frequency conversion crystal 1 .
  • an optical system may be arranged between the sources 1 1, 1 2 and the nonlinear optical crystal 1, so as to spatially and temporally superimpose an ultra-short pulse 31 and an ultra-short pulse 32 in the first one. non-linear crystal 1 frequency conversion.
  • the necessary and sufficient condition to produce ultrashort pulses in picosecond regime, up to 20 ps, or in steady state.
  • femtosecond by sum of frequencies in the non-linear crystal 1 is that an ultra-short pulse 31 and another ultra-short pulse 32 overlap temporally within the non-linear crystal 1, with any temporal phase relationship between these two pulses 31 and 32.
  • the two sources 1 1, 1 2 emit at the same rate of repetition ultrashort pulses 31 and 32 of the same pulse duration, having an energy of the same level and which overlap spatially in the nonlinear optical crystal 1.
  • Time slaving is sufficient to ensure the stability of the frequency conversion efficiency for a series of ultra-short pulses within a time interval of one microsecond to several minutes.
  • the enslavement of the temporal synchronization being realized, without enslavement of the optical phase, one does not observe instability of an ultra-short pulse converted in frequency to the following ultra-short pulses, in the same train of pulses, also converted to frequency.
  • the first source 11, the second source 12 and the first nonlinear frequency conversion crystal 1 make it possible, under the condition of synchronization of ultra-short pulses 31 and 32, to generate ultra-short pulses 131, having an optical frequency. equal to the sum of the respective optical frequencies of the ultra-short source pulses 31 and 32 generated respectively by the sources 1 1 and 12.
  • the system of FIG. 2 further comprises a third source 13 and a second non-linear frequency conversion crystal 2.
  • the third source 13 is spatially separated from the first source 11 and the second source 12 respectively.
  • the first source 11, the second source 12 and the third source 13 are not coherent with each other.
  • the third source 13 emits ultra-short pulses 33 at a wavelength ⁇ 3.
  • the second nonlinear optical frequency conversion crystal 2 is disposed on the optical path downstream of the first nonlinear optical crystal 1, so as to receive an ultra-short pulse 33 of the third source 13 and an ultra-short pulse 131 generated by frequency sum in the first non-linear optical crystal 1.
  • an optical system (not shown) is disposed between the third source 13 and the first and second nonlinear optical crystals 1, 2.
  • 131, 33 to be combined in a nonlinear optical crystal 1, respectively 2 are identical, whether in the picosecond regime or in the femtosecond regime.
  • the synchronization between the ultra-short pulses 33 and 131 in the second non-linear optical frequency conversion crystal 2 must be ensured with precision better than the duration of these pulses.
  • This synchronization can be performed actively electronically or optically, as detailed in connection with FIGS. 3 to 5.
  • the ultra-short pulse UV-visible laser system thus configured makes it possible to combine the ultra-short laser pulses of several infrared laser sources 1 1, 12, 13 synchronized temporally with respect to each other in order to convert pulses in pairs.
  • ultra-short different sources by sum of successive frequencies in nonlinear crystals arranged successively, in order to produce ultrashort pulses in the ultraviolet of high average power and / or high energy per pulse.
  • the laser system makes it possible to generate ultrashort pulses at the triple optical frequency, in other words at a wavelength equal to one third of the wavelength of the sources 1 1, 12, 13 .
  • the distribution of the initial infrared power in several sources 1 1, 12, 13 or more amplification channels makes it possible, with the limitations of a given technology, to delay the accessible performance in power and / or energy in the ultraviolet range.
  • the ultra-short pulse 132 obtained by frequency conversion has an energy, respectively a power, which increases as a function of the sum in energy, respectively in power, of the source pulses 31, 32, 33.
  • the energy, respectively the power the ultra-short pulse 132 is not limited by the energy, respectively the power, of one of the source pulses 31, 32, 33, but by the sum of the energy limits, respectively in power, of the different sources 1 1, 12, 13.
  • an additional source can be easily achieved by adding an independent source module and synchronization, without necessarily adding a non-linear optical crystal.
  • a laser system combining several sources makes it possible to ensure the energy and / or power stability of the ultra-short pulses converted into frequency delivered by the system.
  • the configuration illustrated in FIG. 2 is particularly suitable for sources 1 1, 12, 13 ultrashort pulses, in particular when they are injected by mode-locking laser sources.
  • the time synchronization of the pulses in a nonlinear optical frequency conversion crystal is controlled and optimized at the same time. considering the duration of the pulses considered, according to different active synchronization strategies, detailed in connection with Figures 3 to 6.
  • Fig. 3 schematically shows a multibeam frequency conversion laser system according to the first embodiment with active optical synchronization.
  • the first embodiment is based on the use of a common laser injection source, called oscillator 10.
  • the oscillator 10 emits ultra-short mother pulses 20.
  • the ultra-short mother pulses 20 are spatially distributed between several amplification modules, also called optical amplifiers 21, 22, 23.
  • the oscillator 10 and the amplifier 21 form a first source 21 1 of ultra-short pulses 31.
  • the oscillator 10 and the amplifier 22 form a second source 212 of ultra-short pulses 32.
  • the three sources 21 1, 212, 213 of ultra-short pulses are thus separated spatially.
  • Oscillator 10 and amplifier 23 form a third source 213 of ultra-short pulses 33.
  • the system of FIG. 3 comprises a first nonlinear optical conversion crystal 1 and a second nonlinear optical conversion crystal 2. .
  • the optical amplifier 21 receives an ultrashort pulse 20 and generates an ultra-short amplified pulse 31.
  • the optical amplifier 22 receives an ultra-short pulse 20 and generates an ultra-short amplified pulse 32.
  • the ultra-short amplified pulses 31, 32 have the same optical frequency, or the same wavelength ⁇ 1 and in general, the same duration as the mother pulse 20 of the oscillator 10.
  • An optical system for example a mirror system, not shown in FIG. 2, directs the ultra-short amplified pulses 31, 32 to a first non-optical crystal. linear 1 conversion.
  • This time delay is generally several picoseconds it is constant from one impulse to the next impulse, but it varies slowly over a period of several minutes.
  • This time delay comes in particular from the difference in optical path length between the optical paths associated respectively with the optical amplifiers 21 and 22.
  • This time delay depends on the amplification technology, in particular the amplification time and the material traversed, and temperature variations that impact the propagation distance of the pulse during this amplification.
  • the multibeam frequency conversion laser system of FIG. 3 provides for placing at least one optical delay line 41 or 42 on at least one channel, for example at the output of the optical amplifier 21 and / or respectively at the output of the optical amplifier. the optical amplifier 22.
  • An error signal is detected which it is desired to minimize in order to minimize the time delay, for example by means of a cross-correlator.
  • the optical delay line (s) 41, 42 make it possible to compensate the time delay between an ultra-short amplified pulse 31 coming from the optical amplifier 21 and an ultra-short amplified pulse 32 coming from the amplifier
  • the ultra-short amplified pulses 31, 32 are temporally synchronized in the non-linear optical conversion crystal 1.
  • an ultra-short pulse 131 doubled in frequency, is obtained.
  • the other optical amplifier 23 also receives an ultra-short mother pulse 20 coming from the oscillator 10.
  • the optical amplifier 23 amplifies an ultra-short mother pulse 20 and generates an ultra-short amplified pulse 33, of same wavelength ⁇ 1 as the ultra-short amplified pulses 31 and 32.
  • An optical system not shown in FIG. 3 directs the ultrashort amplified pulse 33 and the ultra-short pulse 131 converted in frequency towards the other nonlinear optical conversion crystal 2.
  • the ultra-short amplified pulse 33 generally has a time delay with respect to the frequency converted ultra-short pulse 131 from the first nonlinear optical crystal 1. This time delay is generally several picoseconds, but it is constant from one pulse to the next pulse, and it varies slowly over a period of several minutes.
  • the multibeam conversion device plans to have another optical delay line 43 on the path of the optical amplifier 23, for example at the output of this optical amplifier 23.
  • the optical delay line 43 makes it possible to compensate for the time delay between an impulse amplified ultra-short 33 from the optical amplifier 23 and an ultrashort pulse 131 converted into frequency from the first non-linear optical crystal 1.
  • the ultra-short amplified pulse 33 and the frequency-converted ultra-short pulse 131 are synchronized temporally in the nonlinear optical conversion crystal 2.
  • an ultra-short pulse 132 is obtained, tripled in frequency with respect to the frequency of the oscillator 10.
  • Polarization multiplexing consists in arranging two pulses such that each pulse incident in the crystal has a polarization orthogonal to the other, the type of interaction then being of type II in the conversion crystal.
  • Angular multiplexing consists in arranging two incident pulses so that they form a different angle of incidence in the crystal, provided that the two pulses are spatially superimposed in the same conversion crystal. In the case of angular multiplexing, the two pulses can then have the same polarization (type I interaction), or orthogonal polarization (type II interaction).
  • the first nonlinear optical conversion crystal 1 is, for example, a type II barium beta borate (or BBO) crystal
  • the second nonlinear optical conversion crystal 2 is for example also a type II BBO crystal.
  • the nonlinear optical crystal is oriented at normal incidence and the cutting angle of the crystal makes it possible to achieve the phase agreement between the three waves propagating in the crystal.
  • the quasi-phase-tuned crystals such as periodically polished lithium niobate, or PPLN
  • PPLN lithium triborate
  • mJ type II collinear or type I non-collinear.
  • a laser source 1 1 with a femtosecond Ytterbium doped fiber of the prior art is considered.
  • Such a source 1 1 typically emits pulses 31 of energy 20 ⁇ per pulse, with a pulse duration of 400 fs, at a central wavelength ⁇ 1 of 1030 nm and at a rate of 1 MHz.
  • Such a source 1 1 is limited in energy by the optical nonlinearities accumulating during the amplification in the active fiber of the previously pre-stretched pulse.
  • the embodiment illustrated in FIG. 3 for example three amplifiers 21, 22, 23 emitting pulses each having an energy of 20 ⁇ , injected by the same femtosecond oscillator 10 are used.
  • the synchronization of the amplified pulses 31 , 32, 33 is controlled for example by a differential optical cross-correlation device, which makes it possible to actively adjust the time delay between the three pulses which are successively combined by sum of frequencies in the non-linear crystals 1, 2.
  • This first embodiment makes it possible to obtain pulses of high energy in the ultraviolet without exceeding the thermal deposition limits in each of the optical fiber amplifiers 21, 22, 23.
  • the second embodiment uses a plurality of distinct laser sources synchronized with each other electronically with a temporal accuracy less than the pulse duration.
  • FIG. 4 schematically represents a multi-beam frequency conversion optical system according to the second embodiment, with electronic synchronization.
  • the laser source 1 1 emits an ultra-short laser pulse 31.
  • the laser source 12 emits an ultra-short laser pulse 32.
  • the laser sources 11 and 12 are spatially separated. In this case, the laser sources 1 1 and 12 and are not coherent with each other.
  • a conventional electronic synchronization system 50 is connected on the one hand to the laser source 1 1 via an electronic link 51 and on the other hand to the laser source 12 via an electronic link 52.
  • the electronic delay, between the transmission of the laser source 1 1 and the laser source 12 is measured by means of a phase detector on electronic signals by an RF technique classic.
  • the electronic synchronization system 50 thus makes it possible to temporally synchronize the ultra-short laser pulse 31 and the ultra-short laser pulse 32.
  • An optical system (not shown) directs ultra-short laser pulses 31 and 32 to the nonlinear optical conversion crystal 1.
  • the multibeam conversion system further comprises at least one optical delay line 41 and / or 42 respectively, on at least one channel, for example at the output of the laser source 11 and / or respectively at the output of the laser source 12.
  • the relative time delay between an ultra-short laser pulse 31 and an ultra-short laser pulse 32 is for example measured by cross-correlation.
  • the delay line (s) 41, 42 make it possible to compensate the relative time delay between an ultra-short laser pulse 31 coming from the laser source 11 and an ultra-short laser pulse 32 coming from the laser source 12. It is assumed here that the different sources 1 1, 12 generate ultrashort pulses of the same duration and at the same rate of repetition.
  • the time delay between the ultra-short pulses 31, 32 from two sources is generally of the order of the ps, but this delay is constant from one pulse to the next. next pulse and slowly varies the duration of an ultrashort pulse over a period of time of several minutes.
  • the ultra-short laser pulses 31, 32 are synchronized temporally in the nonlinear optical conversion crystal 1.
  • an ultra-short pulse 131 doubled in frequency, is obtained.
  • the following pulses 31, 32 are also synchronized.
  • the other laser source 13 emits another ultra-short laser pulse 33.
  • An optical system (not shown in FIG. 4) directs the ultra-short laser pulse 33 and the ultra-short pulse 131 converted in frequency towards the other nonlinear optical crystal 2.
  • the ultra-short laser pulse 33 generally has a time delay with respect to the frequency converted ultra-short pulse 131 from the nonlinear optical conversion crystal 1.
  • the electronic synchronization system 50 is connected to the laser source 131 via an electronic link 53 which makes it possible to synchronize the ultrashort laser pulse 33 with the ultra-short pulse 131 converted into a frequency in the nonlinear optical conversion crystal. 2.
  • an optical delay line 43 is disposed between the laser source 13 and the nonlinear optical conversion crystal 2 to refine the synchronization of the ultra-short laser pulse 33 and the ultra-short pulse 131 converted into frequency in the nonlinear conversion crystal 2.
  • the non-linear conversion crystal 2 generates an ultra-short pulse 132, by frequency conversion, from the ultrafast laser pulse 33 and the ultrashort pulse 131 converted into frequency.
  • the ultra-short pulse 132 has an optical frequency equal to the sum of the optical frequencies of the laser pulse 33 and the converted pulse 131.
  • the ultra-short pulse 132 has the same duration, the same spatial profile as an ultra-short laser pulse 31, 32 or 33, with an energy which depends on the usual conversion efficiency of the non-linear crystals 1 and / or 2: 50 to 70% for second harmonic generation (SHG), 20 to 30% for third harmonic generation (THG), 15 to 25% for fourth harmonic generation (FHG).
  • Figure 5 schematically illustrates a third embodiment of the invention.
  • the laser system comprises a device 80 comprising a femtosecond oscillator followed by a stretcher, for temporally stretching the pulses delivered by the oscillator.
  • a first amplifier system 81 comprises a first optical amplifier followed by a first compressor for recompressing the amplified pulses.
  • a second amplifier system 82 includes a second optical amplifier followed by a second compressor for recompressing the amplified pulses
  • a third amplifier system 83 includes a third optical amplifier followed by a third compressor for recompressing the amplified pulses.
  • each compressor comprises a translation stage, which makes it possible to modify the propagation time of the pulse.
  • Each compressor of each of the amplifier systems 81, 82, 83 thus integrates the function of recompression of the stretched pulses as well as the optical delay line function. These compressors thus make it possible to adjust the synchronization between the different amplified pulses 31, 32, 33.
  • the amplifier system 81 forms with the device 80 a first source 31 1 of ultra-short pulses 31.
  • the amplifier system 82 forms with the device 80 a second source 312 of ultra-short pulses 32.
  • the amplifier system 83 forms with the device 80 a third source 313 of ultra-short pulses 33.
  • optical synchronization means and electronic synchronization means are combined in the same laser system. This combination makes it possible to take advantage of the synchronization dynamics specific to each technique, and thus to decorrelate the servo loops.
  • the laser system of FIG. 5 further comprises a differential cross-correlator 61 disposed between the output of the first amplifier system 81 and the second amplifier system 82 for measuring the time delay between an ultra-short pulse 31 and an ultra-short pulse 32
  • the laser system of FIG. 5 further comprises another differential cross-correlator 62 disposed between the output of the first nonlinear optical conversion crystal 1 and the output of the third amplifier system 83 for measuring the time delay. between an ultra-short pulse 131 converted into frequency and an ultra-short pulse 33 from the third amplifier system 83.
  • Figure 6 schematically illustrates a differential cross-correlator device for measuring the optical delay between two ultra-short laser pulses.
  • a differential cross-correlator is based on a device of two nonlinear crystals in series, or on a device comprising a nonlinear optical crystal used in double pass, in which pass the two pulses whose time synchronization is sought.
  • two ultra-short pulses 31, 32 to be synchronized have a crossed polarization, pass through a first dichroic mirror 71.
  • the portions of each ultra-short pulse 31, 32 in temporal overlap with the other are converted by sum of frequency into a frequency-sum nonlinear optical crystal 72, the cumulative energy of this frequency-converted pulse is measured on the detector 75 through the second dichroic mirror 74.
  • each pulse undergoes a different delay cumulated twice due to the double passage in the birefringent plate 73.
  • the overlapping zones of the two The pulses are no longer the same, the converted energy is then measured on the second detector 76 by reflection on the first dichroic mirror 71.
  • the difference 77 between the two signals measured by the detectors 75 and 76 provides an indicator of the delay between the two pulses 31 and 32 and an indicator of the direction of the delay.
  • This error signal 77 can therefore be directly sent in a feedback loop to an optical delay line on one of the two compressors of the amplifier systems 81, 82, for example.
  • the system of the invention comprises passive synchronization means adapted to stabilize the temporal synchronization between ultrashort pulses originating from different sources in a nonlinear optical frequency converter crystal.
  • passive synchronization means comprise, for example, a mechanical stabilization device with respect to the vibrations so as to reduce the optical delay fluctuations between incident ultra-short pulses on the same non-linear optical crystal.
  • the passive synchronization means may also comprise thermal stabilization means so as to reduce the optical delay fluctuations between thermally induced ultra-short pulses: for example, the supports of the mirrors in the optical path of the ultra-short pulses are preferably in invar so as to limit the thermal drifts.
  • the invention applies in particular to an embodiment with four sources of ultrashort pulses of the same optical frequency and three non-linear optical crystals, to form ultra-short pulses of optical frequency equal to the fourth harmonic of the frequency optics of the four sources.
  • This embodiment makes it possible, from sources emitting in the infrared, to generate ultra-short pulses in the UV of high power and / or high energy, and having a stable conversion efficiency of a pulse at the other.
  • the invention applies to an embodiment with five sources of ultrashort pulses of the same optical frequency and four non-linear optical crystals, to form ultra-short pulses of optical frequency equal to the fifth harmonic of the optical frequency of the five sources.
  • a first industrial application of the invention relates to the production of a laser source of ultrashort pulses of high energy in the UV, from optical fiber lasers, each optical fiber being limited in energy.
  • Such a system offers the advantage of delivering ultrashort pulses of high energy in the UV, with high energy stability from one pulse to the next pulse in a pulse train.
  • Another industrial application of the invention relates to the production of a laser source of ultrashort pulses of high power in the UV from solid crystal lasers, each crystal laser being limited in power.
  • a laser source of ultrashort pulses of high power in the UV from solid crystal lasers, each crystal laser being limited in power.
  • Such a system offers the advantage of delivering ultrashort pulses of high power in the UV, with high power stability from one pulse to the next pulse in a pulse train.
  • Adjusting the time synchronization is easier and more robust than adjusting an interferometric system.
  • the system of the invention has the advantage of being modular and relatively inexpensive. It is easy to add or replace one source module with another, to adapt the power or energy of the ultrashort output pulses. This system also offers the advantage of facilitating maintenance by replacing a module independently of the rest of the system.

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Abstract

La présente invention concerne un système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie. Selon l'invention, le système laser comprend au moins un cristal optique non linéaire (1) adapté pour recevoir deux impulsions laser distinctes (31, 32) ultra-courtes dans le domaine visible ou infrarouge émises respectivement par deux sources d'impulsions laser distinctes (11, 12) et des moyens de synchronisation temporelle (41, 42) adaptés de manière à ce que lesdites deux impulsions laser (31, 32) ultra-courtes se superposent temporellement et spatialement dans ledit cristal optique non linéaire (1) avec un déphasage quelconque, et génèrent, par somme de fréquence, une impulsion laser (131) ultra-courte ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques respectives des deux impulsions laser distinctes (31, 32).

Description

SYSTEME LASER UV-VISIBLE A IMPULSIONS ULTRA-COURTES DE FORTE
PUISSANCE ET/OU DE FORTE ENERGIE
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un système laser à impulsions ultra-courtes, de forte puissance et/ou de forte énergie dans le domaine spectral ultraviolet-visible (UV-visible).
Plus précisément, l'invention concerne un système laser pour générer des impulsions laser UV-visible ultra-courtes utilisant un dispositif optique non linéaire de conversion de la fréquence optique pour commander la fréquence optique des impulsions laser de sortie. Dans le présent document, le terme de conversion de la fréquence optique recouvre les techniques d'optique non-linéaire de génération de fréquence somme et de génération d'harmoniques multiples.
Dans le présent document, on entend par impulsions ultra-courtes des impulsions de durée picoseconde, sub-picoseconde ou femtoseconde. Plus précisément, on entend par impulsion picoseconde, une impulsion lumineuse de durée comprise entre 1 ps et 20 ps et par impulsion femtoseconde, une impulsion lumineuse de durée comprise entre 1 fs et 1 ps. Un système laser à impulsions ultra-courtes émet généralement à une cadence de répétition élevée, comprise en général entre 50kHz et 10MHz. Ainsi, un système laser à impulsions ultracourtes ayant une cadence de 1 MHz émet un train d'impulsions ultra-courtes, chaque impulsion étant de durée ps ou fs, avec un intervalle temporel de l'ordre de la microseconde entre impulsions successives. On entend par impulsion de forte puissance, une impulsion lumineuse ayant une puissance moyenne comprise entre 10W et 1 MW et de préférence, supérieure ou égale à 10W, et par impulsion de forte énergie une impulsion lumineuse ayant une énergie comprise entre "Ι ΟΟμύ et 1 kJ et de préférence, supérieure ou égale à 1 mJ. On considère ici que le domaine spectral ultraviolet (UV) s'étend de 200 nm à 450 nm, le domaine visible de 450 nm à 750 nm et le domaine infrarouge de 750 nm à 1600 nm.
On entend par fréquence optique v une variable inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ d'un rayonnement optique, définie par l'équation : v = c/λ où c représente la célérité de la lumière dans le vide.
Etat de la technique
Les lasers à impulsions ultra-courtes trouvent de nombreuses applications comprenant le micro-usinage laser, le marquage laser, la chimie analytique, la nano-chirurgie et la chirurgie ophtalmique.
On souhaite développer des lasers à impulsions ultra-courtes dans le domaine UV- visible, à des longueurs d'onde allant de plus en plus bas dans l'UV, à des énergies de plus en plus élevées par impulsion et/ou de puissance de plus en plus élevée par impulsion.
Généralement, un système d'impulsions laser UV-visible repose sur une source laser infrarouge et un dispositif optique non linéaire de conversion de fréquence optique, par exemple par somme de fréquence (aussi appelé génération d'harmoniques). En effet, on dispose de sources et d'amplificateurs à cristaux ou à fibre optique performants dans le domaine infrarouge, du fait de l'existence de technologies industrielles éprouvées. De telles sources laser infrarouge à impulsions ultra-courtes permettent de générer et d'amplifier des impulsions laser de forte puissance et/ou de forte énergie dans le domaine infrarouge. Un dispositif optique non linéaire de conversion de fréquence optique par somme de fréquence, permet de convertir les impulsions laser infrarouge en impulsions laser de fréquence optique égale à une harmonique double, triple ou quadruple de la fréquence optique des impulsions infrarouge. On obtient ainsi une source d'impulsions laser UV-visible ultra-courtes.
La somme de fréquence consiste en effet à produire un rayonnement optique à la fréquence optique v3 à partir de deux rayonnements de fréquences optiques v1 et v2 respectivement, reliés par la relation suivante entre les fréquences optiques :
v3 = v1 + v2
Cette relation équivaut alors à la relation suivante entre les longueurs d'onde respectives :
1 /λ3 = 1/λ1 + 1/λ2
A titre d'exemple illustratif, la figure 1 représente une configuration classique de laser à impulsions ultra-courtes UV-visible à conversion de fréquence. Ce laser à impulsions UV-visible comporte une source 1 1 d'impulsions laser proche infrarouge et un dispositif optique non linéaire de conversion de fréquence basé ici sur l'utilisation de deux cristaux optiques non linéaires 1 , 2 disposés en série. Par exemple, la source 1 1 est une source laser à fibre dopée Ytterbium. La source 1 1 d'impulsions laser infrarouge émet des impulsions lumineuses ultracourtes 1 10 de longueur d'onde λ1 , dans l'infrarouge. Un premier cristal optique non linéaire 1 reçoit les impulsions lumineuses 1 10 infrarouges. Dans des conditions particulières, en particulier d'intensité des impulsions lumineuses 1 10 et d'accord de phase, le premier cristal optique non linéaire 1 génère des impulsions lumineuses 1 1 1 de longueur d'onde λ2 différente de la longueur d'onde λ1 . En particulier, lorsque le cristal optique non linéaire fonctionne en doublage de fréquence, la longueur d'onde λ2 est égale à la moitié de la longueur d'onde λ1 . Par exemple, si la longueur d'onde λ1 est égale à 1030 nm, la longueur d'onde λ2 est égale à 515 nm. Le transfert de l'énergie de la longueur d'onde λ1 à la longueur d'onde λ2 dans le cristal optique non-linéaire est partiel, si bien qu'en sortie du premier cristal optique non linéaire 1 , on trouve une impulsion 1 1 1 de longueur d'onde λ2 et une impulsion 1 10 de longueur d'onde λ1 .
Dans l'exemple de la figure 1 , un autre cristal optique non linéaire 2 est disposé sur le chemin optique en sortie du premier cristal optique non linéaire 1 . L'autre cristal optique non linéaire 2 reçoit des impulsions lumineuses 1 10 de longueur d'onde λ1 et des impulsions lumineuses 1 1 1 de longueur d'onde λ2, les impulsions lumineuses 1 10 et 1 1 1 provenant de la même source 1 1 . Dans des conditions particulières d'accord de phase, l'autre cristal optique non linéaire 2 génère, par somme de fréquence, d'autres impulsions lumineuses 1 12 de longueur d'onde λ3 différente des longueurs d'ondes λ2 et λ1 . Ainsi, les autres impulsions lumineuses 1 12 ont une fréquence optique égale à la somme de fréquence optique des deux impulsions lumineuses incidentes 1 10, 1 1 1 . Un tel dispositif permet d'obtenir des harmoniques de fréquence triple ou quadruple de la fréquence des impulsions source, la longueur d'onde λ3 des impulsions lumineuses 1 12 étant respectivement égale au tiers ou au quart de la longueur d'onde λ1 des impulsions lumineuses 1 10 émises par la source 1 1 d'impulsions infrarouge. On peut ainsi par exemple, pour une longueur d'onde λ1 de 1030 nm, obtenir des impulsions de longueur d'onde λ3 égale à 343,3 nm dans le cas du triplage, ou à 257,5 nm dans le cas du quadruplage.
Une seule conversion par doublage de fréquence ne permet pas d'atteindre des longueurs d'onde dans l'ultraviolet lorsque la source laser 1 1 génère des impulsions lumineuses 1 10 dans le proche infrarouge. La génération d'harmoniques triple ou quadruple est en général nécessaire pour obtenir des impulsions dans l'ultraviolet.
Cependant, l'efficacité de la conversion de fréquence par génération d'harmonique dans un cristal optique non linéaire décroît à mesure que le facteur de multiplication en harmonique augmente. Ainsi, l'efficacité de la conversion de fréquence peut atteindre 50% à 70 % pour le doublage de fréquence mais seulement 20% à 30 % pour le triplage de fréquence et 10% à 25 % pour le quadruplage de fréquence.
Dans le cas d'une source d'impulsions infrarouge à fibre optique classique de grande longueur, par exemple à fibre optique dopée erbium ou co-dopée erbium-ytterbium, la fibre optique est limitée en énergie. Lorsque des impulsions ultra-courtes de forte énergie sont amplifiées dans un système de type amplification à dérive de fréquence (CPA pour chirped puise amplification), ces impulsions pré-étirées subissent des distorsions non-linéaires qui se cumulent lors de l'amplification dans la fibre amplificatrice. Les impulsions UV-visible en sortie du convertisseur de fréquence sont dans ce cas limitées en énergie par l'énergie maximum de la source d'impulsions infrarouge à fibre optique.
Dans le cas d'une source laser solide à cristaux, par exemple un laser Yb :YAG, le laser à cristal est limité en puissance, à cause des effets thermiques dans le cristal. Les impulsions UV-visible en sortie du convertisseur de fréquence sont dans ce cas limitées en puissance par la puissance maximum de la source laser solide à cristaux.
Dans le cas d'un milieu amplificateur de type fibre à large mode (ou LMA pour large mode area), de grand diamètre de cœur et de faible longueur (50 cm à quelques mètres), on se trouve dans un cas intermédiaire entre les lasers à fibre classiques et les lasers à solide, dans lequel les impulsions UV-visible en sortie du convertisseur de fréquence sont limitées en puissance et/ou en énergie par la puissance et/ou l'énergie maximum de la source laser à fibre large mode.
Problème technique
De manière générale, la puissance et/ou l'énergie des impulsions laser 1 1 1 ou 1 12, de durée picoseconde ou femtoseconde, obtenues par conversion de fréquence est donc limitée par la puissance et/ou par l'énergie de la source laser 1 1 utilisée et par l'efficacité de conversion dans le ou les cristaux optiques non linéaire(s) utilisés. Un des buts de l'invention est d'augmenter l'énergie et/ou la puissance d'une source d'impulsions ultra-courtes dans le domaine UV-visible, notamment lorsque la source est basée sur une technologie à fibre optique. Un autre but de l'invention est de diminuer la longueur d'onde vers l'ultraviolet d'une source d'impulsions ultra-courtes de forte énergie et/ou de forte puissance. Encore un autre but de l'invention est d'améliorer la stabilité dans le temps d'un laser à impulsions ultra-courtes UV-visible de forte énergie et/ou de forte puissance.
D'une part, il existe un besoin pour un système et une méthode permettant d'augmenter la puissance et/ou l'énergie des impulsions laser en sortie d'un laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte énergie et/ou de forte puissance utilisant un dispositif optique non linéaire de conversion de fréquence.
D'autre part, il existe un besoin pour un laser à impulsion ultra-courtes de forte énergie et/ou de forte puissance, à des longueurs d'onde plus faibles dans l'ultraviolet, et de préférence basé sur une technologie de laser à fibre optique.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques antérieures et concerne plus particulièrement un système laser UV-visible à impulsions ultracourtes de forte puissance et/ou de forte énergie.
Selon l'invention, le système laser comprend une pluralité de sources d'impulsions laser, où la pluralité de sources comporte entre deux et cinq sources distinctes, chaque source d'impulsions laser étant adaptée pour émettre au moins une impulsion laser ultra-courte dans le domaine visible ou infrarouge ; au moins un cristal optique non linéaire adapté pour recevoir deux impulsions laser ultra-courtes, lesdites deux impulsions laser ultra-courtes étant émises respectivement par deux sources distinctes d'impulsions laser et des moyens de synchronisation adaptés pour synchroniser temporellement lesdites deux impulsions laser ultracourtes incidentes sur ledit cristal optique non linéaire, de manière à ce que lesdites deux impulsions laser ultra-courtes se superposent temporellement et spatialement dans ledit cristal optique non linéaire avec un déphasage quelconque, ledit au moins un cristal optique non linéaire étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser ultra-courte convertie en fréquence, ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques respectives des deux impulsions laser ultra-courtes se superposant temporellement et spatialement dans ledit cristal optique non linéaire.
On entend ici par déphasage quelconque que le déphasage entre deux impulsions ultracourtes issues de deux sources distinctes et se superposant dans le cristal optique non linéaire peut prendre n'importe quelle valeur. De plus, ce déphasage quelconque peut varier dans le temps d'une paire d'impulsions ultracourtes à une autre paire d'impulsions ultracourtes à superposer dans un même cristal optique non linéaire.
Le système laser UV-visible permet d'augmenter la puissance et/ou l'énergie des impulsions ultra-courtes converties en fréquence, sans augmenter les pertes de conversion de fréquence. L'énergie et/ou la puissance des impulsions UV-visible ultra-courtes augmente en fonction du nombre de sources utilisées. Le système de l'invention permet de produire une impulsion avec une efficacité de conversion prédéterminée. Lorsque le système laser génère un train d'impulsion ultra-courtes avec une certaine cadence de répétition, le système de l'invention permet d'assurer la stabilité de l'efficacité de conversion en fréquence d'une impulsion à l'impulsion suivante, et donc la stabilité de la puissance et/ou de l'énergie des impulsions ultra-courtes UV-visible.
Le système de l'invention ne requiert pas de système interférométrique pour mesurer et contrôler le déphasage optique entre chaque paire d'impulsions ultra-courtes se superposant dans un cristal optique non-linéaire à conversion de fréquence. Un simple système de synchronisation temporelle remplace le système interférométrique utilisé habituellement dans un laser fonctionnant en régime nanoseconde, pour réaliser la condition d'accord de phase entre les faisceaux se superposant dans un cristal optique non-linéaire à conversion de fréquence par somme de fréquence. Le déphasage peut être fluctuant d'une impulsion ultracourte à l'impulsion ultracourte suivante. Au contraire, en régime nanoseconde, on doit contrôler l'accord de phase pour chaque paire d'impulsions d'un train d'impulsions que l'on souhaite convertir en fréquence dans un cristal optique non-linéaire. En effet, en régime nanoseconde injecté, un laser émet en général plusieurs modes longitudinaux, ce qui génère des instabilités d'une impulsion ns à l'impulsion ns suivante. De manière particulièrement intéressante, en régime ps ou fs, les trains d'impulsions ultracourtes présentent une grande stabilité sur des durées pouvant aller jusqu'à plusieurs minutes.
Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, le système laser comprend N cristaux optiques non linéaires, où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, chaque cristal optique non linéaire étant adapté pour recevoir deux impulsions laser distinctes émises respectivement par deux sources d'impulsions laser distinctes ou générées par conversion de somme de fréquence à partir de deux sources d'impulsions laser ultra-courtes, lesdites deux impulsions laser incidentes sur un cristal optique non linéaire étant synchronisées temporellement, et lesdits N cristaux optiques non linéaires étant disposés de manière à générer, par somme de fréquence successives dans lesdits N cristaux optiques non linéaire, une impulsion laser convertie en fréquence.
Selon un mode de réalisation, le système laser à impulsions comprend deux sources d'impulsions laser distinctes, chaque source d'impulsions laser étant adaptée pour émettre une impulsion laser ultra-courte, dans le domaine visible ou infrarouge, et un cristal optique non linéaire adapté pour recevoir simultanément une impulsion laser ultra-courte de chacune des deux sources d'impulsions laser distinctes, le cristal optique non linéaire étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser ultra-courte, ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques des deux sources.
Selon un autre mode de réalisation, le nombre N est égal à trois, le système laser à impulsions comprenant trois sources d'impulsions laser distinctes, chaque source d'impulsions laser étant adaptée pour émettre une impulsion laser ultra-courte dans le domaine visible ou infrarouge ; et un premier cristal optique non linéaire adapté pour recevoir simultanément deux impulsions laser ultra-courtes émises respectivement par deux parmi les trois sources d'impulsions laser distinctes, les moyens de synchronisation étant adaptés pour synchroniser temporellement lesdites deux impulsions laser incidentes sur le premier cristal optique non linéaire de manière à ce que lesdites deux impulsions laser incidentes se superposent temporellement et spatialement dans le premier cristal optique non linéaire avec un déphasage quelconque, le premier cristal optique non linéaire étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser ultra-courte convertie en fréquence ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques desdites deux sources, un deuxième cristal optique non linéaire étant adapté pour recevoir simultanément ladite impulsion laser ultra-courte convertie en fréquence et une autre impulsion laser ultra-courte émise respectivement par l'autre source d'impulsions laser parmi les trois sources d'impulsions laser, les moyens de synchronisation étant adaptés pour synchroniser temporellement ladite impulsion laser ultracourte convertie en fréquence et ladite autre impulsion laser ultra-courte incidentes sur le deuxième cristal optique non linéaire de manière à ce que lesdites impulsions laser ultra-courte se superposent temporellement et spatialement dans le deuxième cristal optique non linéaire avec un déphasage quelconque, le deuxième cristal optique non linéaire étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser ultra-courte ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques desdites trois sources.
Selon un aspect particulier et avantageux de l'invention, chaque source d'impulsions laser est adaptée pour émettre une impulsion ultra-courte, et les moyens de synchronisation sont adaptés pour synchroniser temporellement deux impulsions laser distinctes incidentes sur un cristal optique non linéaire de manière à ce que lesdites deux impulsions laser distinctes se superposent temporellement dans ledit cristal optique non linéaire avec une précision temporelle inférieure ou égale à 10 % rms de la durée desdites impulsions ultra-courtes et de préférence inférieure ou égale à 5 % rms de la durée desdites impulsions ultra-courtes.
Selon un aspect particulier et avantageux de l'invention, les moyens de synchronisation comprennent au moins une ligne à retard optique disposée entre, d'une part, l'une desdites source d'impulsions lumineuses et, d'autre part, ledit cristal optique non linéaire, la ligne à retard optique étant adaptée pour réduire un retard temporel entre deux impulsions lumineuses incidentes sur ledit cristal optique non linéaire.
Selon un aspect particulier et avantageux de l'invention, les moyens de synchronisation comprennent des moyens électroniques de synchronisation adaptés pour synchroniser temporellement deux impulsions laser ultra-courtes dans un cristal optique non linéaire.
Dans un mode de réalisation, la pluralité de sources d'impulsions lumineuses comprend une pluralité de sources laser, chaque source d'impulsions laser étant adaptée pour émettre au moins une impulsion laser.
Dans un autre mode de réalisation, la pluralité de sources d'impulsions lumineuses comprend un oscillateur optique commun adapté pour générer des impulsions lumineuses mères ultra-courtes de longueur d'onde λΐ ; et une pluralité de systèmes amplificateurs optiques, chaque système amplificateur optique étant adapté pour recevoir une impulsion lumineuse mère ultra-courte de longueur d'onde λΐ et pour générer une impulsion lumineuse ultra-courte amplifiée de longueur d'onde λΐ .
Selon un aspect particulier et avantageux de l'invention, le système laser comporte en outre un dispositif d'asservissement temporel, comprenant un cross-corrélateur différentiel adapté pour mesurer un retard temporel entre deux impulsions laser distinctes incidentes sur un cristal optique non-linéaire.
De façon avantageuse, le cristal optique non linéaire est un cristal optique non linéaire à multiplexage par polarisation ou à multiplexage angulaire, ledit cristal optique non linéaire étant choisi parmi un cristal de bêta borate de baryum (3-BaB204), ou un cristal de triborate de lithium (UB3O5) ou un cristal de niobate de lithium (LiNb03) de type à quasi-accord de phase ou PPLN.
Dans un mode de réalisation, la pluralité de sources d'impulsions laser distinctes comporte une pluralité de sources laser à fibres optiques de forte énergie.
Dans un autre mode de réalisation, la pluralité de sources d'impulsions laser distinctes comporte une pluralité de sources laser solides à cristaux de forte puissance.
Selon un aspect particulier et avantageux du deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens de synchronisation comprennent des moyens électroniques de synchronisation adaptés pour synchroniser temporellement une pluralité d'impulsions laser émises respectivement par ladite pluralité de sources laser.
Selon un autre aspect particulier et avantageux de l'invention, le système optique non linéaire pour la conversion de fréquence comprend en outre :
- une autre source d'impulsions lumineuses adaptée pour émettre au moins une autre impulsion lumineuse à une longueur d'onde ;
- des moyens de synchronisation adaptés pour synchroniser temporellement, d'une part, l'impulsion lumineuse de longueur d'onde λ2 générée par conversion de fréquence en sortie du cristal optique non linéaire avec, d'autre part, ladite autre impulsion lumineuse de longueur d'onde λΐ émise par l'autre source d'impulsions lumineuses, et
- un autre cristal optique non linéaire adapté pour recevoir ladite impulsion lumineuse de longueur d'onde 1 et l'autre impulsion lumineuse de longueur d'onde λΐ , lesdites impulsions lumineuses de longueurs d'onde respectives λ2 et λΐ étant synchronisées temporellement, et l'autre cristal optique non linéaire étant adapté pour générer, par conversion de fréquence, au moins une autre impulsion lumineuse de longueur d'onde λ3 différente des longueurs d'ondes λ2 et λΐ desdites d'impulsions lumineuses synchronisées.
Dans un mode de réalisation particulier, la pluralité de sources d'impulsions laser distinctes comporte une pluralité de sources laser à fibres optiques de forte énergie.
Dans un mode de réalisation particulier, la pluralité de sources d'impulsions laser distinctes comporte une pluralité de sources laser solides à cristaux de forte puissance. L'invention concerne aussi un procédé optique non linéaire de conversion de fréquence, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) émission d'une pluralité d'impulsions lumineuses, respectivement par une pluralité de sources d'impulsions lumineuses ;
b) synchronisation temporelle de ladite pluralité d'impulsions lumineuses pour générer une pluralité d'impulsions lumineuses synchronisées,
c) réception de la pluralité d'impulsions lumineuses synchronisées sur un cristal optique non linéaire, le cristal optique non linéaire étant adapté pour générer, par conversion de fréquence, au moins une impulsion lumineuse de sortie de longueur d'onde différente des longueurs d'ondes desdites d'impulsions lumineuses des sources d'impulsions lumineuses.
Préférentiellement, l'étape b) de synchronisation temporelle comprend une étape d'ajustement d'un retard optique sur au moins une ligne à retard optique disposée entre une source d'impulsions lumineuses et le cristal optique non linéaire.
Selon un premier mode de réalisation, l'étape a) d'émission comprend l'émission d'une pluralité d'impulsions source par un oscillateur et l'amplification de chacune desdites impulsions source par un amplificateur optique séparé.
Selon un deuxième mode de réalisation, l'étape a) d'émission comprend l'émission d'une pluralité d'impulsions laser par une pluralité de sources laser, chaque source laser étant adapté pour émettre au moins une impulsion laser.
Avantageusement, dans le deuxième mode de réalisation, l'étape b) de synchronisation temporelle comprend une étape de synchronisation électronique adaptée pour synchroniser temporellement une pluralité d'impulsions laser émises par respectivement par ladite pluralité de sources laser.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans les systèmes d'impulsions laser ultracourtes.
L'invention permet avantageusement de combiner plusieurs sources lumineuses à la fois pour les convertir en fréquence optique et pour en sommer la puissance optique.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un système optique non-linéaire de conversion de fréquence selon l'art antérieur ;
- la figure 2 illustre schématiquement le principe d'un système optique non linéaire de conversion de fréquence selon l'invention ;
- la figure 3 illustre schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 illustre schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 illustre schématiquement un dispositif cross-corrélateur différentiel pour mesurer le retard optique entre deux impulsions laser.
Description détaillée
La figure 2 représente un système de laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie à conversion par somme de fréquence. La configuration du système laser UV-visible proposé se base sur l'utilisation de sources laser distinctes et non pas d'une seule source comme dans le système antérieur illustré sur la figure 1 .
A titre d'exemple illustratif, le système de la figure 2 comporte trois sources laser distinctes : une source laser 1 1 , une source laser 12 et une source laser 1 3. De façon avantageuse, les sources laser 1 1 , 12, 13 sont des sources laser à impulsions ultra-courtes de type à blocage de mode.
De manière générale, le système de l'invention comporte au moins deux sources laser distinctes et jusqu'à cinq sources laser distinctes à impulsions ultra-courtes.
Dans le système de la figure 2, on considère dans un premier temps une première source 1 1 et une deuxième source 12 qui sont des sources laser séparées spatialement. La première source 1 1 émet des impulsions ultra-courtes 31 de longueur d'onde λ1 et la deuxième source 1 2 émet des impulsions ultra-courtes 32 de longueur d'onde λ2. La première source 1 1 et la deuxième source 1 2 ne sont pas cohérentes entre elles. La première source 1 1 et la deuxième source 12 sont agencées de manière à coupler une impulsion ultracourte 31 de la première source 1 1 et une autre impulsion ultracourte 1 20 de la deuxième source 12 dans un premier cristal non-linéaire 1 de conversion de fréquence. A cet effet, un système optique peut être disposé entre les sources 1 1 , 1 2 et le cristal optique non-linéaire 1 , de manière à superposer spatialement et temporellement une impulsion ultra-courte 31 et une impulsion ultra- courte 32 dans le premier cristal non-linéaire 1 de conversion de fréquence.
En régime nanoseconde, pour générer des impulsions par somme de fréquence dans un cristal optique non-linéaire, il est essentiel d'asservir la phase optique entre impulsions incidentes successives, afin d'assurer la stabilité en puissance et/ou en énergie des impulsions converties en fréquence en fonction du temps. L'asservissement de la phase optique requiert en général la mise en œuvre d'un système interférométrique précis pour mesurer le déphasage optique entre impulsions successives de durée nanoseconde.
Au contraire, selon l'invention, en plus de remplir les conditions d'accord de phase dans le cristal non-linéaire, la condition nécessaire et suffisante pour produire des impulsions ultracourtes (en régime picoseconde, jusqu'à 20 ps, ou en régime femtoseconde) par somme de fréquence dans le cristal non-linéaire 1 , est qu'une impulsion ultra-courte 31 et une autre impulsion ultra-courte 32 se superposent temporellement au sein du cristal non-linéaire 1 , avec une relation de phase temporelle quelconque entre ces deux impulsions 31 et 32. De préférence, les deux sources 1 1 , 1 2 émettent à une même cadence de répétition des impulsions ultracourtes 31 et 32 de même durée d'impulsion, ayant une énergie de même niveau et qui se recouvrent spatialement dans le cristal optique non linéaire 1 . Un asservissement temporel suffit à assurer la stabilité de l'efficacité de conversion de fréquence pour une série d'impulsions ultra-courtes comprises dans un intervalle de temps allant d'une microseconde jusqu'à plusieurs minutes. L'asservissement de la synchronisation temporelle étant réalisé, sans asservissement de la phase optique, on n'observe pas d'instabilité d'une impulsion ultra-courte convertie en fréquence aux impulsions ultra-courtes suivantes, dans le même train d'impulsions, également converties en fréquence.
Il s'agit donc d'assurer la synchronisation temporelle entre les impulsions ultra-courtes 31 et 32 des deux sources 1 1 et 12 dans le premier cristal optique non-linéaire 1 de conversion de fréquence, avec une précision temporelle meilleure que la durée des impulsions ultracourtes. Cette synchronisation temporelle peut être assurée électroniquement ou optiquement, comme détaillé en lien avec les figures 3 à 5.
La première source 1 1 , la deuxième source 12 et le premier cristal non-linéaire 1 de conversion de fréquence permettent, sous condition de synchronisation des impulsions ultra- courtes 31 et 32, de générer des impulsions ultra-courtes 131 , ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques respectives des impulsions source ultra-courtes 31 et 32 générées respectivement par les sources 1 1 et 12.
Le système de la figure 2 comporte en outre une troisième source 13 et un deuxième cristal non-linéaire 2 de conversion de fréquence. La troisième source 13 est séparée spatialement de la première source 1 1 et de la deuxième source 12 respectivement. La première source 1 1 , la deuxième source 12 et la troisième source 13 ne sont pas cohérentes entre elles. La troisième source 13 émet des impulsions ultra-courtes 33 à une longueur d'onde λ3. Le deuxième cristal optique non-linéaire 2 de conversion de fréquence est disposé sur le chemin optique en aval du premier cristal optique non-linéaire 1 , de manière à recevoir une impulsion ultra-courte 33 de la troisième source 13 et une impulsion ultra-courte 131 générée par somme de fréquence dans le premier cristal optique non-linéaire 1 . A cet effet, un système optique (non représenté) est disposé entre la troisième source 13 et les premier et deuxième cristaux optiques non-linéaires 1 , 2.
Dans des conditions où une impulsion ultra-courte 33 issue de la troisième source 13 et une impulsion ultra-courte 131 générée par somme de fréquence dans le premier cristal optique non-linéaire 1 , se superposent spatialement et temporellement dans le deuxième cristal optique non-linéaire 2, on observe la génération d'une nouvelle impulsion ultra-courte 132, dont la fréquence optique est égale à la somme des fréquences optiques des trois sources 1 1 , 12 et 13.
On suppose ici que les durées des deux impulsions ultra-courtes 31 , 32 respectivement
131 , 33 à combiner dans un cristal optique non linéaire 1 , respectivement 2, sont identiques, que ce soit en régime picoseconde ou en régime femtoseconde.
La synchronisation entre les impulsions ultra-courtes 33 et 131 dans le deuxième cristal optique non-linéaire 2 de conversion de fréquence doit être assurée avec une précision temporelle meilleure que la durée de ces impulsions. Cette synchronisation peut être réalisée de manière active électroniquement ou optiquement, comme détaillé en lien avec les figures 3 à 5.
Le système de laser UV-visible à impulsions ultra-courtes ainsi configuré permet de combiner les impulsions laser ultra-courtes de plusieurs sources laser infrarouges 1 1 , 12, 13 synchronisées temporellement les unes par rapport aux autres, pour convertir deux à deux les impulsions ultra-courtes des différentes sources par somme de fréquences successives dans des cristaux non-linéaires disposés successivement, afin de produire des impulsions ultracourte dans l'ultraviolet de forte puissance moyenne et/ou de forte énergie par impulsion.
Par exemple, si les trois sources 1 1 , 12, 13 émettent des impulsions ultra-courtes 31 ,
32, 33 de même longueur d'onde, le système laser permet de générer des impulsions ultracourtes à la fréquence optique triple, autrement dit à une longueur d'onde égale au tiers de la longueur d'onde des sources 1 1 , 12, 13.
La répartition de la puissance infrarouge initiale dans plusieurs sources 1 1 , 12, 13 ou plusieurs voies d'amplification permet, avec les limitations d'une technologie donnée, de repousser les performances accessibles en puissance et/ou en énergie dans le domaine ultraviolet. L'impulsion ultra-courte 132 obtenue par conversion de fréquence a une énergie, respectivement une puissance, qui augmente en fonction de la somme en énergie, respectivement en puissance, des impulsions source 31 , 32, 33. L'énergie, respectivement la puissance de l'impulsion ultra-courte 132 n'est pas limitée par l'énergie, respectivement la puissance, d'une des impulsions sources 31 , 32, 33, mais par la somme des limites en énergie, respectivement en puissance, des différentes sources 1 1 , 12, 13.
Ce principe exposé en lien avec la figure 2 peut se généraliser à tout degré harmonique à partir du rayonnement fondamental, au degré harmonique lui correspond le nombre de sources lasers maximal pouvant être combinées. Ainsi, pour le doublage de fréquence, on disposera de deux sources lasers distinctes, pour le triplage, de trois sources lasers, pour le quadruplage, de deux à quatre sources lasers.
La combinaison d'une source supplémentaire peut être réalisée aisément par l'ajout d'un module source indépendant et d'une synchronisation, sans nécessairement ajouter de cristal optique non-linéaire. Un système laser combinant plusieurs sources permet d'assurer la stabilité en énergie et/ou en puissance des impulsions ultra-courtes converties en fréquence délivrées par le système.
La configuration illustrée sur la figure 2 est particulièrement adaptée pour des sources 1 1 , 12, 13 impulsionnelles ultracourtes, notamment lorsqu'elles sont injectées par des sources laser à blocage de mode.
Afin d'obtenir le meilleur rendement de conversion et/ou la meilleure stabilité en puissance d'une impulsion à l'impulsion suivante, la synchronisation temporelle des impulsions dans un cristal optique non-linéaire de conversion de fréquence est contrôlée et optimisée au regard de la durée des impulsions considérées, selon différentes stratégies de synchronisation actives, détaillées en lien avec les figures 3 à 6.
La figure 3 représente schématiquement un système laser à conversion de fréquence multifaisceaux selon le premier mode de réalisation avec une synchronisation optique active.
Le premier mode de réalisation se base sur l'utilisation d'une source laser commune d'injection, appelée oscillateur 10. L'oscillateur 10 émet des impulsions mères ultra-courtes 20. Les impulsions mères ultra-courtes 20 sont réparties spatialement entre plusieurs modules d'amplification, aussi appelés amplificateurs optiques 21 , 22, 23. L'oscillateur 10 et l'amplificateur 21 forment une première source 21 1 d'impulsions ultra-courtes 31 . L'oscillateur 10 et l'amplificateur 22 forment une deuxième source 212 d'impulsions ultra-courtes 32. Les trois sources 21 1 , 212, 213 d'impulsions ultra-courtes sont ainsi séparées spatialement. L'oscillateur 10 et l'amplificateur 23 forment une troisième source 213 d'impulsions ultra-courtes 33. Le système de la figure 3 comporte un premier cristal optique non-linéaire 1 de conversion et un deuxième cristal optique non-linéaire 2 de conversion.
Considérons tout d'abord deux amplificateurs optiques 21 , 22 et le premier cristal optique non-linéaire 1 de conversion. L'amplificateur optique 21 reçoit une impulsion ultracourtes 20 et génère une impulsion amplifiée ultra-courte 31 . De manière similaire, l'amplificateur optique 22 reçoit une impulsion ultra-courtes 20 et génère une impulsion amplifiée ultra-courte 32. Les impulsions amplifiées ultra-courtes 31 , 32 ont la même fréquence optique, ou la même longueur d'onde λ1 et en général la même durée, que l'impulsion mère 20 de l'oscillateur 10. Un système optique, par exemple à miroirs, non représenté sur la figure 2, dirige les impulsions amplifiées ultra-courtes 31 , 32 vers un premier cristal optique non linéaire 1 de conversion. Les impulsions amplifiées ultra-courtes 31 , respectivement 32, dans chaque amplificateur 21 , respectivement 22 subissent cependant un retard temporel qui peut être différent d'un amplificateur optique 21 à l'autre amplificateur optique 22. Ce retard temporel est en général de plusieurs picosecondes, il est constant d'une impulsion à l'impulsion suivante, mais il varie lentement sur une durée de plusieurs minutes. Ce retard temporel provient notamment de la différence de longueur de chemin optique entre les voies optiques associées respectivement aux amplificateurs optiques 21 et 22. Ce retard temporel dépend de la technologie d'amplification, notamment du temps d'amplification et du matériau traversé, et des variations de température qui impactent la distance de propagation de l'impulsion pendant cette amplification.
Le système laser à conversion de fréquence multifaisceaux de la figure 3 prévoit de disposer au moins une ligne à retard optique 41 , respectivement 42 sur au moins une voie, par exemple en sortie de l'amplificateur optique 21 et/ou respectivement, en sortie de l'amplificateur optique 22. On détecte un signal d'erreur que l'on souhaite minimiser afin de minimiser le retard temporel, par exemple grâce à un cross-corrélateur. La(les) ligne(s) à retard optique 41 , 42 permettent de compenser le retard temporel entre une impulsion amplifiée ultra-courte 31 issue de l'amplificateur optique 21 et une impulsion amplifiée ultra-courte 32 issue de l'amplificateur optique 22. Ainsi, en utilisant le signal généré par le cross-corrélateur, les impulsions amplifiées ultra-courtes 31 , 32 sont synchronisées temporellement dans le cristal optique non-linéaire 1 de conversion. En sortie du cristal optique non-linéaire 1 de conversion, on obtient une impulsion ultra-courte 131 , doublée en fréquence.
Considérons maintenant, un autre amplificateur optique 23 et un autre cristal optique non linéaire 2 de conversion. De façon avantageuse, l'autre amplificateur optique 23 reçoit aussi une impulsion mère ultra-courte 20 issue de l'oscillateur 10. L'amplificateur optique 23 amplifie une impulsion mère ultra-courte 20 et génère une impulsion amplifiée ultra-courte 33, de même longueur d'onde λ1 que les impulsions amplifiées ultra-courtes 31 et 32.
Un système optique non représenté sur la figure 3 dirige l'impulsion amplifiée ultracourte 33 et l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence vers l'autre cristal optique non linéaire 2 de conversion.
Cependant, l'impulsion amplifiée ultra-courte 33 présente en général un retard temporel par rapport à l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence provenant du premier cristal optique non linéaire 1 . Ce retard temporel est en général de plusieurs picosecondes, mais il est constant d'une impulsion à l'impulsion suivante, et il varie lentement sur une durée de plusieurs minutes. Le dispositif de conversion multifaisceaux prévoit de disposer une autre ligne à retard optique 43 sur la voie de l'amplificateur optique 23, par exemple en sortie de cet amplificateur optique 23. La ligne à retard optique 43 permet de compenser le retard temporel entre une impulsion amplifiée ultra-courte 33 issue de l'amplificateur optique 23 et une impulsion ultracourte 131 convertie en fréquence issue du premier cristal optique non-linéaire 1 . Ainsi, l'impulsion amplifiée ultra-courte 33 et l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence sont synchronisées temporellement dans le cristal optique non-linéaire 2 de conversion. En sortie du cristal optique non-linéaire 2 de conversion, on obtient une impulsion ultra-courte 132, triplée en fréquence par rapport à la fréquence de l'oscillateur 10.
Plusieurs méthodes peuvent être employées pour combiner les impulsions dans les cristaux optiques non-linéaires 1 , 2 de conversion. Plus particulièrement, on considère ici le multiplexage par polarisation et le multiplexage angulaire. Le multiplexage par polarisation consiste à disposer deux impulsions telles que chaque impulsion incidente dans le cristal possède une polarisation orthogonale à l'autre, le type d'interaction étant alors de type II dans le cristal de conversion. Le multiplexage angulaire consiste à disposer deux impulsions incidentes de manière à ce qu'elles forment un angle d'incidence différent dans le cristal, à condition que les deux impulsions se superposent spatialement dans ce même cristal de conversion. Dans le cas du multiplexage angulaire, les deux impulsions peuvent alors avoir la même polarisation (interaction type I), ou une polarisation orthogonale (interaction type II).
Le premier cristal optique non-linéaire 1 de conversion est par exemple un cristal de beta borate de baryum (ou BBO) en type II, et le deuxième cristal optique non-linéaire 2 de conversion est par exemple également un cristal de BBO en type II. Avantageusement, le cristal optique non-linéaire est orienté en incidence normale et l'angle de coupe du cristal permet de réaliser l'accord de phase entre les trois ondes se propageant dans le cristal. Selon les niveaux d'énergie des impulsions, les cristaux à quasi accord de phase (tels que le niobate de lithium polé périodiquement, ou PPLN) pourront être préférés, pour des faibles énergies (nJ) en configuration colinéaire, tandis que le triborate de lithium (ou LBO) pourra être préféré à plus haute énergie (mJ), en type II colinéaire ou type I non colinéaire.
A titre d'exemple, on considère une source laser 1 1 à fibre dopée Ytterbium femtoseconde de l'art antérieur. Une telle source 1 1 émet typiquement des impulsions 31 d'énergie 20 μύ par impulsion, avec une durée d'impulsion de 400 fs, à une longueur d'onde centrale λ1 de 1030 nm et à une cadence de 1 MHz. Une telle source 1 1 est limitée en énergie par les non linéarités optiques se cumulant lors de l'amplification dans la fibre active de l'impulsion pré-étirée préalablement. Afin de disposer d'impulsions d'énergie 18μϋ à une longueur d'onde dans l'ultraviolet de 343 nm et à 1 MHz, une approche classique consisterait à développer une source émettant au moins 60 μύ à 1 MHz, nécessitant un étirement trois fois plus important de l'impulsion avant amplification ou un design de fibre ayant une aire effective trois fois plus importante. Dans ces deux cas, il est également nécessaire de gérer un dépôt thermique trois fois plus important dans cette même fibre active.
Au contraire, selon le mode de réalisation illustré sur la figure 3, on utilise par exemple trois amplificateurs 21 , 22, 23 émettant des impulsions ayant chacune une énergie de 20 μύ, injectées par un même oscillateur femtoseconde 10. La synchronisation des impulsions amplifiées 31 , 32, 33 est contrôlée par exemple par un dispositif de cross-corrélation optique différentiel, qui permet d'ajuster activement le retard temporel entre les trois impulsions qui sont successivement combinées par somme de fréquence dans les cristaux non linéaires 1 , 2.
Ce premier mode de réalisation permet d'obtenir des impulsions de forte énergie dans l'ultraviolet sans dépasser les limites de dépôt thermique dans chacun des amplificateurs à fibre optique 21 , 22, 23.
Le deuxième mode de réalisation utilise plusieurs sources laser distinctes, synchronisées l'une avec l'autre électroniquement avec une précision temporelle inférieure à la durée d'impulsion.
La figure 4 représente schématiquement un système optique de conversion de fréquence multi-faisceaux selon le deuxième mode de réalisation, avec une synchronisation électronique.
Considérons tout d'abord deux sources laser 1 1 , 12 et le cristal optique non-linéaire de conversion 1 . La source laser 1 1 émet une impulsion laser ultra-courte 31 . La source laser 12 émet une impulsion laser ultra-courte 32. Les sources laser 1 1 et 12 sont séparées spatialement. Dans ce cas, les sources laser 1 1 et 12 et ne sont pas cohérentes entre elles. Un système électronique de synchronisation 50 classique est relié d'une part à la source laser 1 1 par une liaison électronique 51 et d'autre part à la source laser 12 par une liaison électronique 52. Le retard électronique, entre l'émission de la source laser 1 1 et de la source laser 12, est mesuré au moyen d'un détecteur de phase sur des signaux électroniques par une technique RF classique. Le système électronique de synchronisation 50 permet ainsi de synchroniser temporellement l'impulsion laser ultra-courte 31 et l'impulsion laser ultra-courte 32.
Un système optique (non représenté) dirige les impulsions laser ultra-courtes 31 et 32 vers le cristal optique non-linéaire de conversion 1 .
De façon complémentaire, comme illustré sur la figure 4, le système de conversion multifaisceaux comporte en outre au moins une ligne à retard optique 41 et/ou respectivement 42, sur au moins une voie, par exemple en sortie de la source laser 1 1 et/ou respectivement, en sortie de la source laser 12. Le retard temporel relatif entre une impulsion laser ultra-courte 31 et une impulsion laser ultra-courte 32 est par exemple mesuré par cross-corrélation. La(les) ligne(s) à retard 41 , 42 permettent de compenser le retard temporel relatif entre une impulsion laser ultra-courte 31 issue de la source laser 1 1 et une impulsion laser ultra-courte 32 issue de la source laser 12. On suppose ici que les sources différentes 1 1 , 12 génèrent des impulsions ultracourtes de même durée et à une même cadence de répétition. Comme indiqué plus haut, en régime d'impulsions ultracourtes, le retard temporel entre les impulsions ultra-courtes 31 , 32 provenant de deux sources est en général de l'ordre de la ps, mais ce retard est constant d'une impulsion à l'impulsion suivante et varie lentement de la durée d'une impulsion ultracourte sur un laps de temps de plusieurs minutes.
Grâce au système électronique de synchronisation temporelle, et de manière optionnelle grâce aux lignes à retard 41 , 42, les impulsions laser ultra-courtes 31 , 32 sont synchronisées temporellement dans le cristal optique non-linéaire de conversion 1 . En sortie du cristal optique non-linéaire 1 , on obtient une impulsion ultra-courte 131 , doublée en fréquence. Les impulsions suivantes 31 , 32 sont aussi synchronisées.
Considérons maintenant une autre source laser 13 et un autre cristal optique non- linéaire de conversion 2.
L'autre source laser 13 émet une autre impulsion laser ultra-courte 33.
Un système optique (non représenté sur la figure 4) dirige l'impulsion laser ultra-courte 33 et l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence vers l'autre cristal optique non linéaire 2.
Cependant, l'impulsion laser ultra-courte 33 présente en général un retard temporel par rapport à l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence provenant du cristal optique non- linéaire 1 de conversion.
Avantageusement, le système électronique de synchronisation 50 est relié à la source laser 131 par une liaison électronique 53 qui permet de synchroniser l'impulsion laser ultracourte 33 avec l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence dans le cristal optique non- linéaire de conversion 2.
De manière complémentaire, une ligne à retard optique 43 est disposée entre la source laser 13 et le cristal optique non linéaire de conversion 2 pour affiner la synchronisation de l'impulsion laser ultra-courte 33 et de l'impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence dans le cristal non-linéaire de conversion 2. Le cristal non-linéaire de conversion 2 génère, une impulsion ultra-courte 132, par conversion de fréquence, à partir de l'impulsion laser ultra-courte 33 et de l'impulsion ultracourte 131 convertie en fréquence. L'impulsion ultra-courte 132 a une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques de l'impulsion laser 33 et de l'impulsion convertie 131 . L'impulsion ultra-courte 132 a la même durée, le même profil spatial qu'une impulsion laser ultra-courte 31 , 32 ou 33, avec une énergie qui dépend de l'efficacité de conversion habituelle des cristaux non-linéaires 1 et/ou 2 : 50 à 70% pour la génération de seconde harmonique (SHG), 20 à 30% pour la génération de troisième harmonique (THG), 15 à 25% pour la génération de quatrième harmonique (FHG).
La figure 5 illustre schématiquement un troisième mode de réalisation de l'invention.
Les mêmes signes de référence désignent les mêmes éléments que sur la figure 4. Le système laser comporte un dispositif 80 comprenant un oscillateur femtoseconde suivi d'un étireur, pour étirer temporellement les impulsions délivrées par l'oscillateur. Un premier système amplificateur 81 comporte un premier amplificateur optique suivi d'un premier compresseur pour recomprimer les impulsions amplifiées. De même, un deuxième système amplificateur 82 comporte un deuxième amplificateur optique suivi d'un deuxième compresseur pour recomprimer les impulsions amplifiées, et un troisième système amplificateur 83 comporte un troisième amplificateur optique suivi d'un troisième compresseur pour recomprimer les impulsions amplifiées. De façon avantageuse, chaque compresseur comporte une platine de translation, qui permet de modifier le temps de propagation de l'impulsion. Chaque compresseur de chacun des systèmes amplificateurs 81 , 82, 83 intègre donc la fonction de recompression des impulsions étirées ainsi que la fonction de ligne à retard optique. Ces compresseurs permettent ainsi d'ajuster la synchronisation entre les différentes impulsions amplifiées 31 , 32, 33.
Le système amplificateur 81 forme avec le dispositif 80 une première source 31 1 d'impulsions ultra-courtes 31 . De manière analogue, le système amplificateur 82 forme avec le dispositif 80 une deuxième source 312 d'impulsions ultra-courtes 32. Enfin, le système amplificateur 83 forme avec le dispositif 80 une troisième source 313 d'impulsions ultra-courtes 33.
Dans une variante de ce troisième mode de réalisation, on combine des moyens de synchronisation optique et des moyens de synchronisation électronique dans un même système laser. Cette combinaison permet de tirer profit de la dynamique de synchronisation propre à chaque technique, et ainsi de décorréler les boucles d'asservissement.
Le système laser de la figure 5 comporte en outre un cross-corrélateur différentiel 61 disposé entre la sortie du premier système amplificateur 81 et du deuxième système amplificateur 82 pour mesurer le retard temporel entre une impulsion ultra-courte 31 et une impulsion ultra-courte 32. Le système laser de la figure 5 comporte en outre un autre cross- corrélateur différentiel 62 disposé entre la sortie du premier cristal optique non-linéaire 1 de conversion et la sortie du troisième système amplificateur 83 pour mesurer le retard temporel entre une impulsion ultra-courte 131 convertie en fréquence et une impulsion ultra-courte 33 issue du troisième système amplificateur 83.
La figure 6 illustre schématiquement un dispositif cross-corrélateur différentiel pour mesurer le retard optique entre deux impulsions laser ultra-courtes.
Un cross-corrélateur différentiel est basé sur un dispositif de deux cristaux non-linéaires en série, ou sur un dispositif comprenant un cristal optique non linéaire utilisé en double passage, dans lequel passent les deux impulsions dont on cherche à assurer la synchronisation temporelle.
Dans l'exemple illustré sur la figure 6, deux impulsions ultra-courtes 31 , 32 à synchroniser ont une polarisation croisée, traversent un premier miroir dichroïque 71 . Les parties de chaque impulsion ultra-courte 31 , 32 en recouvrement temporel avec l'autre sont converties par somme de fréquence dans un cristal optique non linéaire 72 à somme de fréquence, l'énergie cumulée de cette impulsion convertie en fréquence est mesurée sur le détecteur 75 à travers le deuxième miroir dichroïque 74. Par réflexion de l'onde fondamentale sur le deuxième miroir dichroïque 74, chaque impulsion subit un retard différent cumulé deux fois en raison du double passage dans la lame biréfringente 73. Les zones de recouvrement des deux impulsions ne sont plus les mêmes, l'énergie convertie est alors mesurée sur le deuxième détecteur 76 par réflexion sur le premier miroir dichroïque 71 . La différence 77 entre les deux signaux mesurés par les détecteurs 75 et 76 fournit un indicateur du retard entre les deux impulsions 31 et 32 et un indicateur du sens du retard. Ce signal d'erreur 77 peut donc être directement envoyé dans une boucle de rétroaction vers une ligne à retard optique sur un des deux compresseurs des systèmes amplificateurs 81 , 82, par exemple.
De manière alternative et/ou complémentaire, le système de l'invention comporte des moyens de synchronisation passive adaptés pour stabiliser la synchronisation temporelle entre des impulsions ultracourtes issus de différentes sources dans un cristal optique non-linéaire convertisseur de fréquence. Ces moyens de synchronisation passive comprennent par exemple un dispositif de stabilisation mécanique vis-à-vis des vibrations de manière à réduire les fluctuations de retard optique entre impulsions ultra-courtes incidentes sur un même cristal optique non-linéaire. Les moyens de synchronisation passive peuvent aussi comprendre des moyens de stabilisation thermique de manière à réduire les fluctuations de retard optique entre impulsions ultra-courtes induites thermiquement : par exemple, les supports des miroirs sur le trajet optique des impulsions ultra-courtes sont de préférence en invar de manière à limiter les dérives thermiques.
L'invention ne se limite nullement aux modes de réalisation ici décrits.
L'invention s'applique en particulier à un mode de réalisation à quatre sources d'impulsions ultracourtes de même fréquence optique et trois cristaux optiques non-linaires, pour former des impulsions ultra-courtes de fréquence optique égale à la quatrième harmonique de la fréquence optique des quatre sources. Ce mode de réalisation permet, à partir de sources émettant dans l'infrarouge de générer des impulsions ultra-courtes dans l'UV de forte puissance et/ou de forte énergie, et ayant une efficacité de conversion stable d'une impulsion à l'autre.
De même, l'invention s'applique à un mode de réalisation à cinq sources d'impulsions ultracourtes de même fréquence optique et quatre cristaux optiques non-linaires, pour former des impulsions ultra-courtes de fréquence optique égale à la cinquième harmonique de la fréquence optique des cinq sources.
Une première application industrielle de l'invention concerne la réalisation d'une source laser d'impulsions ultracourtes de forte énergie dans l'UV, à partir de lasers à fibres optiques, chaque fibre optique étant limitée en énergie. Un tel système offre l'avantage de délivrer des impulsions ultracourtes de forte énergie dans l'UV, avec une grande stabilité en énergie d'une impulsion à l'impulsion suivante dans un train d'impulsions.
Une autre application industrielle de l'invention concerne la réalisation d'une source laser d'impulsions ultracourtes de forte puissance dans l'UV à partir de lasers solides à cristaux, chaque laser à cristal étant limité en puissance. Un tel système offre l'avantage de délivrer des impulsions ultracourtes de forte puissance dans l'UV, avec une grande stabilité en puissance d'une impulsion à l'impulsion suivante dans un train d'impulsions.
L'ajustement de la synchronisation temporelle est plus facile et plus robuste que le réglage d'un système interférométrique.
Le système de l'invention présente l'avantage d'être modulaire et relativement peu onéreux. Il est aisé d'ajouter ou de remplacer un module source par un autre, pour adapter la puissance ou l'énergie des impulsions ultracourtes de sortie. Ce système offre aussi l'avantage de faciliter la maintenance, par le remplacement d'un module, indépendamment du reste du système.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une pluralité de sources d'impulsions laser (1 1 , 12, 13, 21 1 , 212, 213, 31 1 , 312, 313), où la pluralité de sources comporte entre deux et cinq sources distinctes, chaque source (1 1 , 12, 13, 21 1 , 212, 213, 31 1 , 312, 313) étant adaptée pour émettre au moins une impulsion laser ultra-courte (31 , 32) dans le domaine visible ou infrarouge ; et
- au moins un cristal optique non linéaire (1 ) adapté pour recevoir deux impulsions laser ultra-courtes (31 , 32), lesdites deux impulsions laser ultracourtes (31 , 32) étant émises respectivement par deux sources (1 1 , 12, 21 1 , 212, 31 1 , 312) distinctes d'impulsions laser ;
- des moyens de synchronisation (41 , 42, 50, 51 , 52) adaptés pour synchroniser temporellement lesdites deux impulsions laser ultra-courtes (31 , 32) incidentes sur ledit cristal optique non linéaire (1 ), de manière à ce que lesdites deux impulsions laser ultra-courtes (31 , 32) se superposent temporellement et spatialement dans ledit cristal optique non linéaire (1 ) avec un déphasage quelconque ;
- ledit au moins un cristal optique non linéaire (1 ) étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser ultra-courte convertie en fréquence (131 ) ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques respectives des deux impulsions laser ultra-courtes (31 , 32) se superposant temporellement et spatialement dans ledit cristal optique non linéaire (1 ).
2. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon la revendication 1 comprenant N cristaux optiques non linéaires (1 , 2), où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, chaque cristal optique non linéaire (1 , 2) étant adapté pour recevoir deux impulsions laser distinctes émises respectivement par deux sources d'impulsions laser distinctes ou générées par conversion de somme de fréquence à partir de deux sources d'impulsions laser ultra-courtes, lesdites deux impulsions laser incidentes sur un cristal optique non linéaire étant synchronisées temporellement, et lesdits N cristaux optiques non linéaires (1 , 2) étant disposés de manière à générer, par somme de fréquence successives dans lesdits N cristaux optiques non linéaire (1 , 2), une impulsion laser convertie en fréquence (132).
3. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon la revendication 2 comprenant :
- deux sources (11, 12, 211, 212, 311, 312) d'impulsions laser distinctes, chaque source d'impulsions laser (11, 12, 211, 212, 311, 312) étant adaptée pour émettre une impulsion laser ultra-courte (31 , 32) dans le domaine visible ou infrarouge ; et
- un cristal optique non linéaire (1) adapté pour recevoir simultanément une impulsion laser ultra-courte (31, 32) de chacune des deux sources d'impulsions laser distinctes (11 , 12, 211 , 212, 311 , 312),
- le cristal optique non linéaire (1) étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser (131) ultra-courte, ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques des deux sources (11,
211, 12, 212, 311, 312).
4. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon la revendication 2 comprenant :
- trois sources (11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313) d'impulsions laser distinctes, chaque source d'impulsions laser (11, 12, 13, 211, 212, 213, 311, 312, 313) étant adaptée pour émettre une impulsion laser ultra-courte (31, 32, 33) dans le domaine visible ou infrarouge ; et
- un premier cristal optique non linéaire (1 ) adapté pour recevoir simultanément deux impulsions laser ultra-courtes (31, 32) émises respectivement par deux parmi les trois sources d'impulsions laser (11, 12,211,212,311,312),
- les moyens de synchronisation temporelle (41, 42, 50, 51, 52) étant adaptés pour synchroniser temporellement lesdites deux impulsions laser (31, 32) incidentes sur le premier cristal optique non linéaire (1) de manière à ce que lesdites deux impulsions laser distinctes (31, 32) se superposent temporellement et spatialement dans le premier cristal optique non linéaire (1) avec un déphasage quelconque, le premier cristal optique non linéaire (1) étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser (131) ultra-courte convertie en fréquence, ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques desdites deux sources (11, 12, 211,
212, 311, 312),
- un deuxième cristal optique non linéaire (2) étant adapté pour recevoir simultanément ladite impulsion laser (131) ultra-courte convertie en fréquence et une autre impulsion laser ultra-courte (33) émise respectivement par l'autre source d'impulsions laser (13, 213, 313) parmi les trois sources d'impulsions laser, - les moyens de synchronisation (43, 50, 53) étant adaptés pour synchroniser temporellement ladite impulsion laser (131 ) convertie en fréquence et ladite autre impulsion laser (33) incidentes sur le deuxième cristal optique non linéaire (2) de manière à ce que lesdites impulsions laser (131 , 33) ultracourtes se superposent temporellement et spatialement dans le deuxième cristal optique non linéaire (2) avec un déphasage quelconque, le deuxième cristal optique non linéaire (2) étant adapté pour générer, par somme de fréquence, une impulsion laser (132) ultra-courte ayant une fréquence optique égale à la somme des fréquences optiques desdites trois sources (1 1 , 12, 13, 21 1 , 212, 213, 31 1 , 312, 313).
5. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque source (1 1 , 12, 13, 21 1 , 212, 213, 31 1 , 312, 313) d'impulsions laser est adaptée pour émettre une impulsion ultra-courte (31 , 32, 33), et dans lequel les moyens de synchronisation (41 , 42, 43, 50, 51 , 52, 53) sont adaptés pour synchroniser temporellement deux impulsions laser distinctes (31 , 32, 33) incidentes sur un cristal optique non linéaire (1 , 2) de manière à ce que lesdites deux impulsions laser distinctes (31 , 32, 33) se superposent temporellement dans ledit cristal optique non linéaire (1 , 2) avec une précision temporelle inférieure ou égale à 10 % rms de la durée desdites impulsions ultra-courtes et de préférence inférieure ou égale à 5 % rms de la durée desdites impulsions ultra-courtes.
6. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de synchronisation comprennent au moins une ligne à retard optique (41 , 42) disposée entre d'une part l'une desdites source d'impulsions lumineuse (1 1 , 12, 21 1 , 212) et ledit cristal optique non linéaire (1 ), la ligne à retard optique (41 , 42) étant adaptée pour réduire un retard temporel entre deux impulsions lumineuses (31 ) incidentes sur ledit cristal optique non linéaire (1 ).
7. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de synchronisation comprennent des moyens électroniques de synchronisation (50, 51 , 52, 53) adaptés pour synchroniser temporellement deux impulsions laser ultracourtes (31 , 32) dans un cristal optique non linéaire (1 , 2).
8. Système laser à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ladite pluralité de sources comprend une pluralité de sources laser (1 1 , 12, 13), chaque source laser (1 1 , 12, 13) étant adaptée pour émettre au moins une impulsion laser ultra-courte (31 , 32, 33).
9. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ladite pluralité de sources d'impulsions laser comprend :
- un oscillateur optique (10, 80) commun adapté pour générer des impulsions mères ultra-courtes de longueur d'onde λ1 ; et
- une pluralité de systèmes amplificateurs optiques (21 , 22, 23, 81 , 82, 83), chaque système amplificateur optique (21 , 22, 23, 81 , 82, 83) étant adapté pour recevoir une impulsion mère ultra-courte (20) de longueur d'onde λ1 et pour générer une impulsion lumineuse ultra-courte (31 , 32, 33) amplifiée de longueur d'onde λ1 .
10. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre un dispositif d'asservissement temporel, comprenant un cross-corrélateur différentiel adapté pour mesurer un retard temporel entre deux impulsions laser distinctes (31 , 32, 33) incidentes sur un cristal optique non-linéaire (1 , 2).
1 1 . Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel ledit cristal optique non linéaire (1 , 2) est un cristal optique non linéaire à multiplexage par polarisation ou à multiplexage angulaire, ledit cristal optique non linéaire (1 , 2) étant choisi parmi un cristal de bêta borate de baryum (3-BaB204), ou un cristal de triborate de lithium (UB3O5) ou un cristal de niobate de lithium (LiNb03) de type à quasi-accord de phase ou PPLN.
12. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel la pluralité de sources d'impulsions laser distinctes (1 1 , 12, 13, 21 1 , 212, 213, 31 1 , 312, 313) comporte une pluralité de sources laser à fibres optiques de forte énergie.
1 3. Système laser UV-visible à impulsions ultra-courtes de forte puissance et/ou de forte énergie selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel la pluralité de sources d'impulsions laser distinctes (1 1 , 12, 13, 21 1 , 212, 213, 31 1 , 312, 313) comporte une pluralité de sources laser solides à cristaux de forte puissance.
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