REPARTITION UNIFORME D'ENERGIE

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] L'invention se rapporte au domaine de l'optique et en particulier au domaine des systèmes optiques permettant de transformer la distribution d'énergie d'un faisceau laser.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0002] Les faisceaux laser sont largement utilisés, tant dans l'industrie que dans le monde de la recherche. Généralement, les faisceaux laser présentent une répartition d'énergie gaussienne du fait de leurs procédés de génération. Cependant, dans de nombreuses applications, comme l'usinage, le marquage laser, l'holographie, ou encore les lasers de pompe, il est préférable d'utiliser un faisceau laser à répartition d'énergie uniforme.

[0003] Il existe donc plusieurs procédés permettant de transformer un faisceau laser gaussien en faisceau laser à répartition d'énergie uniforme. Un des procédés les plus connus consiste à filtrer le faisceau gaussien de façon à ne sélectionner qu'une partie du faisceau sensiblement uniforme. Un tel procédé est par exemple décrit dans le document EP0197897. Cependant, cette méthode entraîne des pertes d'énergie.

[0004] Un autre procédé consiste à utiliser une pluralité de microlentilles, prismes ou éléments de diffraction afin de diviser la source laser en plusieurs petites parties. Ces petites parties sont ensuite collectées dans un plan de travail grâce à des composants optiques additionnels de façon à ce que l'intensité finale dans le plan de travail soit définie par l'intégration de la lumière des petites parties du faisceau dans le plan de travail. Cette technique est par exemple décrite dans le préambule du document EP1998215. Cependant, cette technique est chère et compliquée à mettre en œuvre. [0005] On connaît également des méthodes de mise en forme de faisceaux gaussiens par apodisation, décrites par exemple dans le document FR2903032. Cependant, les pertes d'énergie importantes produites par l'apodisation sont une limitation à cette technique. [0006] On connaît en outre des méthodes de transformation d'un faisceau laser gaussien en faisceau laser à répartition d'énergie uniforme grâce à l'implantation d'une lame de phase. Cependant, l'utilisation d'une lame de phase nécessite une parfaite adaptation et un parfait centrage de la lame de phase par rapport au faisceau incident. En outre, la fabrication de la lame de phase peut s'avérer délicate.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0007] L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une méthode et un dispositif permettant de transformer un faisceau laser gaussien en faisceau "top-hat" qui soit simple de mise en œuvre, qui n'entraîne pas de perte d'énergie, qui soit peu onéreuse, et qui soit flexible et robuste.

[0008] Dans la suite, on entend par faisceau laser "top-hat" un faisceau laser dont la répartition d'énergie est uniforme c'est-à-dire un faisceau laser dont la fluence, ou densité d'énergie est quasi-uniforme sur un disque circulaire dont le diamètre est supérieur à la moitié du diamètre à mi-hauteur du faisceau laser. Un faisceau "top-hat" présente un profil spatial en forme de supergaussienne d'ordre n.

[0009] L'invention consiste à utiliser l'effet Kerr optique dans les matériaux en faisant passer le faisceau laser gaussien à travers un matériau non linéaire, ce qui modifie l'indice de réfraction du milieu non linéaire et donc la phase spatiale du faisceau laser. Cette modification de la phase spatiale modifie la propagation du faisceau laser et crée une zone, dans l'espace virtuel, dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Un système optique réalise ensuite une image réelle de cette zone. [0010] Le procédé de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser « top-hat » au passage d'un premier matériau, comporte les étapes suivantes:

• une étape de configuration comprenant le choix d'un premier ensemble de paramètres comprenant :

o une intensité du faisceau laser incident ;

o un diamètre du faisceau laser incident ;

o un indice de réfraction du premier matériau non linéaire et ; o une épaisseur du premier matériau ;

· une étape d'émission d'un faisceau laser incident traversant le premier matériau non linéaire ayant un indice non linéaire positif,

le choix du premier ensemble de paramètres et la disposition du premier matériau permettant :

o la création, dans ces conditions, d'un effet Kerr optique sur le faisceau laser ;

o après passage dans le premier matériau non linéaire, au faisceau laser de présenter une différence de phase spatiale entre le centre et le bord du faisceau comprise entre 1 et 10 radians ;

o la création, dans ces conditions, d'une zone « top-hat » dans un espace virtuel dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire;

• une étape permettant la réalisation d'une image réelle de la zone « top-hat » à partir d'un système optique. [0011] Plus précisément, l'invention concerne un procédé de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser « top-hat », caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: le faisceau laser incident traverse un matériau non linéaire ayant un indice non linéaire positif, le matériau non linéaire positif étant disposé de telle sorte qu'il produise un effet Kerr optique sur le faisceau laser et produise ainsi une zone « top-hat » dans l'espace virtuel dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire; un système optique (8) est disposé de façon à réaliser une image réelle (4') de la zone « top-hat »(4).

[0012] Le procédé selon l'invention consiste à utiliser l'effet Kerr optique produit par le faisceau laser incident lorsqu'il traverse le matériau non linéaire afin de transformer le faisceau laser incident qui est gaussien en faisceau laser "top-hat".

[0013]On appelle matériau non linéaire un matériau dont l'indice de réfraction est non linéaire, c'est-à-dire dont l'indice de réfraction n varie comme n = n ₀ + n ₂ l avec n ₀ l'indice linéaire du matériau, n ₂ l'indice non-linéaire et I l'intensité du faisceau laser incident qui traverse le matériau non linéaire (I en W/m ² ). Par conséquent, lorsque le faisceau laser incident traverse le matériau non linéaire, l'indice de réfraction du matériau non linéaire varie avec l'intensité du faisceau laser incident.

[0014]Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, n ₂ est positif.

[0015] Or, la phase spatiale φ du faisceau laser qui traverse le matériau non linéaire dépend de l'indice de réfraction du matériau non linéaire puisque:

[0016] =2π n L/ λ = 2π ( n ₀ +n ₂ 1) L/ λ

[0017] Si on considère un faisceau gaussien, son intensité est donnée par I (x,y) = l ₀ exp (-(x ² +y ² )/A), et par conséquent, la phase spatiale induite φ est gaussienne puisqu'elle est égale à 2π ( n ₀ +n ₂ l ₀ exp (-(x ² +y ² )/A)) L/ λ. On appelle phase maximale ou maximum, la différence de phase entre le centre et le bord du faisceau laser (<> _max = 2πη ₂ Ι ₀ ί/ λ).

[0018] La propagation du faisceau laser qui traverse le matériau non linéaire dépend de cette phase et donc l'application de cette phase au faisceau laser incident modifie sa propagation. [0019]Avec une différence de phase entre le centre et le bord du faisceau de l'ordre de quelques radians, on obtient une zone "top-hat" dans l'espace virtuel dans laquelle la distribution spatiale d'énergie n'est plus gaussienne mais prend la forme d'un anneau ou est uniforme, c'est-à-dire une zone dans laquelle le faisceau est "top-hat". Pour la plupart des matériaux non linéaires n ₂ est positif et par conséquent cette zone est virtuelle, c'est-à-dire qu'elle se trouve en arrière du matériau non linéaire par rapport au sens de propagation du faisceau laser.

[0020] Cette zone "top-hat" dans l'espace virtuel dans laquelle la distribution spatiale d'énergie n'est plus gaussienne comprend :

- une zone intermédiaire dans laquelle le faisceau laser présente une distribution d'énergie annulaire, et

- deux plans, situés de part et d'autre de la zone intermédiaire, dans lesquels le faisceau laser présente une distribution d'énergie uniforme. [0021] A l'extérieur de cette zone "top-hat", le faisceau laser reprend progressivement une forme gaussienne.

[0022]On réalise ensuite une image réelle de la zone "top-hat" grâce à un système optique. On peut ensuite se placer dans n'importe quel plan P de cette image réelle et le faisceau laser dans ce plan P présente alors une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Il y a 2 plans où le faisceau laser est « top-hat » c'est-à-dire avec une distribution uniforme de l'énergie.

[0023] Si l'on veut utiliser le faisceau à répartition d'énergie uniforme comme laser de pompe, on place un cristal ou un milieu à gain dans un des plans "top-hat".

[0024]Avantageusement, le matériau non linéaire est une lame à faces parallèles. [0025] Selon différents modes de réalisation préférentiels de l'invention, la lame peut être placée dans un faisceau laser incident parallèle, convergent ou divergent ou au waist du faisceau.

[0026] La lame à faces parallèles a de préférence une épaisseur comprise entre 0.1 et 10 cm. On appelle épaisseur la dimension de la lame qui est parallèle au sens de propagation du faisceau laser incident. Avantageusement, la lame a une épaisseur égale à 2,5 cm. [0027]Avantageusement, le matériau non linéaire est constitué par du verre ou un cristal optique.

[0028]Avantageusement, le matériau non linéaire présente un indice non linéaire compris entre 10 ^"21 et 10 ^"18 m ² /W, et de préférence égal à 7.10 ^"20 m ² /W. [0029]Avantageusement, l'intensité du faisceau laser incident, le diamètre du faisceau laser incident, l'indice de réfraction du premier matériau non linéaire et son épaisseur sont choisis de sorte que, après passage dans le premier matériau, par exemple une lame, le faisceau laser présente une différence de phase spatiale entre le bord et le centre du faisceau comprise entre 1 et 10 radians, et de préférence égale à 2 radians. En effet, la phase spatiale est donnée par 2π ( n ₀ +n ₂ lo exp (-(x ² +y ² )/A)) L / λ.

[0030] Le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant car il est très simple d'utilisation et ne nécessite pas de réglage important ni d'alignement de précision, contrairement aux procédés de l'art antérieur. En effet, le procédé selon l'invention s'applique à tous les faisceaux gaussiens et un même matériau non linéaire peut être utilisé pour tous les faisceaux lasers incidents, à condition que l'intensité du faisceau laser incident soit réglée de façon à ce que, associée à l'indice de réfraction du matériau non linéaire et à son épaisseur, la phase spatiale maximale soit comprise entre 1 et 10 radians, et de préférence qu'elle soit sensiblement égale à 2 radians.

[0031] Pour déterminer l'étendue et la position de la zone "top-hat", on peut tout d'abord faire un calcul numérique avec un code prenant en compte les effets non linéaires, la diffraction et la dispersion des matériaux. Pour mener à bien ce calcul, huit paramètres interviennent : - la longueur d'onde centrale du faisceau laser incident,

- la largeur spectrale du faisceau laser incident,

- la durée de l'impulsion du faisceau laser incident,

- l'énergie et le diamètre du faisceau laser incident, - l'épaisseur du matériau non linéaire,

- l'indice non linéaire du matériau non linéaire, et

- la dispersion de vitesse de groupe du matériau non linéaire.

[0032] Le procédé de l'invention comprend un calcul du premier code, du diamètre du faisceau et de la position du faisceau formé. Un dispositif optique est configuré pour produire un faisceau "top-hat" de position et dimension souhaitées.

[0033] Un code de calcul utilisant ces paramètres permet d'obtenir une formule empirique sur la distance Δ entre le matériau non linéaire et le premier plan "top- haf' du type: avec d le diamètre à mi-hauteur du faisceau incident et φ la phase spatiale maximale (φ = 2πη ₂ ΙοΙ-/ λ). K et a sont des coefficients à déterminer. Avantageusement, a est compris entre 0.5 et 1 et K est de l'ordre de 10 ⁶ en unité du système international.

[0034] Si on n'a pas de code de calcul, on peut également déterminer la position de la zone "top-hat" grâce à des essais expérimentaux en déterminant l'endroit où le faisceau laser a une répartition d'énergie uniforme ou annulaire et en ajustant le diamètre du faisceau laser incident afin d'avoir l'intensité adéquate. En effet, le procédé selon l'invention permet de procéder par tâtonnement car il autorise une grande tolérance sur la position et l'étendue de la zone "top-hat": la tolérance sur la position du premier plan « top-hat » dans l'espace virtuel est de plus ou moins 20% et dans l'espace réel, la tolérance dépend du système optique utilisé.

[0035]Avantageusement, on place le plan P à l'endroit où le faisceau laser a une fluence quasi-uniforme sur un disque circulaire présentant un diamètre supérieur à la moitié du diamètre à mi-hauteur du faisceau laser incident. [0036]Avantageusement, le plan P est positionné à l'endroit où le faisceau laser présente un profil spatial en forme de supergaussienne d'ordre n.

[0037] Le plan P est positionné de préférence à l'endroit où le faisceau laser présente un profil spatial de supergaussienne d'ordre 3 ou 4. [0038] L'invention concerne également un dispositif de transformation d'un faisceau laser incident à répartition d'énergie gaussienne en un faisceau laser "top-hat", le dispositif comprenant:

- des moyens d'émission du faisceau laser incident;

- un matériau non linéaire ayant un indice non linéaire positif, transparent au faisceau laser et disposé de manière à produire, par effet Kerr optique, une zone "top-hat" dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire;

- un système optique disposé à une distance du matériau non linéaire telle que le système optique réalise une image réelle de la zone "top-hat". Selon différents modes de réalisation, le système optique peut être placé en amont ou en aval du matériau non linéaire.

Avantageusement :

- le matériau comprend une lame comprenant des faces parallèles, la lame induisant une phase spatiale par effet Kerr optique ;

- un système optique convergent, ayant une focale, transforme le faisceau ayant acquis une phase par l'effet Kerr optique dans la lame.

Avantageusement, la formation d'un faisceau comprenant une répartition d'énergie uniforme est obtenue en au moins un premier plan perpendiculaire à l'axe optique.

Avantageusement, la formation d'un faisceau comprenant une répartition d'énergie en forme d'anneau est obtenue en au moins un second plan perpendiculaire à l'axe optique ; Avantageusement, le premier ou le second plan est situé après le plan focal.

Avantageusement, un mode de réalisation permet l'utilisation d'une lame homogène et transparente au faisceau.

Avantageusement, la lame est comprise dans le dispositif optique de manière à former un seul élément qui permet de créer une différence de phase dans le faisceau.

[0039] Selon différents modes de réalisation de l'invention :

- les moyens d'émission du faisceau laser incident comprennent une source laser femtoseconde ;

- le laser femtoseconde émet des impulsions d'une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et un diamètre d de 8 mm ;

- le matériau non linéaire est composé de calcite présentant un indice non linéaire égal à 7.10 ^"20 m ² /W ;

- le matériau non linéaire forme une lame de 2,5 cm d'épaisseur ;

- le système optique est une lentille ;

- la lentille présente une focale de 2 m ;

- la lentille est située à 20 cm du matériau non linéaire.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0040] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :

- la figure 1 , une vue schématique d'un dispositif selon l'invention;

- la figure 2, une simulation illustrant le profil spatial du faisceau laser après passage dans le dispositif de la figure 1 en fonction du plan P d'observation : - la figure 3, une simulation illustrant la forme du faisceau laser après passage dans le matériau ayant un indice non linéaire, le faisceau laser étant coupé dans différents plans de l'espace virtuels situés chacun à une distance Δ du matériau non linéaire ;

- la figure 4, une simulation illustrant la forme du faisceau laser après passage dans le matériau non linéaire et dans la lentille, le faisceau laser étant situé dans différents plans P de l'espace réels situés chacun à une distance D du foyer de la lentille du dispositif de la figure 1 ;

- la figure 5, une simulation illustrant la forme du faisceau laser dans un plan Q de l'espace virtuel après passage dans le matériau non linéaire en fonction de la valeur de la phase spatiale induite maximale;

- la figure 6, les résultats expérimentaux obtenus pour le faisceau laser à la sortie de l'amplificateur du laser et au foyer de la lentille 1 1 de la fig.1 ;

- la figure 7, les résultats expérimentaux concernant la forme du faisceau laser après passage dans le matériau non linéaire et la lentille 1 1 , le faisceau laser étant mesuré dans différents plans P situés chacun à une distance D du foyer de la lentille pour D égal 24 cm, 34 cm et 46 cm ;

- la figure 8, la forme du faisceau laser mesuré dans différents plans P avec un trou de filtrage de 800 μιτι de diamètre placé au foyer de la lentille ; la figure 8 correspond au montage de la figure 1 , le trou de filtrage ajouté au foyer permet simplement de lisser les irrégularités de la fluence.

- la figure 9, un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention.

[0041] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION

[0042] Un dispositif de transformation d'un faisceau laser incident gaussien en faisceau "top-hat" selon l'invention est représenté sur la figure 1 .

[0043] Ce dispositif comporte des moyens d'émission 1 d'un faisceau laser incident constitués par une source laser femtoseconde 9 qui produit des impulsions ayant une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et un diamètre d de 8 mm. Le dispositif comporte également un matériau non linéaire 2 qui est ici de la calcite. Le matériau non linéaire (2) présente un indice de réfraction non linéaire n ₂ =7.10 ^"20 m ² /W. Le matériau non linéaire 2 forme une lame 10 à faces parallèles.

[0044] La source laser 9 émet un faisceau laser incident 3 qui est gaussien et qui traverse la lame 10. Lors de cette traversée, le faisceau laser 3 subit l'effet Kerr optique, ce qui modifie sa phase spatiale par effet non linéaire. Cette phase spatiale induite agit, lors de la propagation ultérieure du faisceau laser, sur la répartition spatiale énergétique du faisceau laser.

[0045] En effet, la lame 10, qui est constituée d'un matériau d'indice non linéaire 2, présente un indice de réfraction n qui est égal à n ₀ + n ₂ l avec n ₀ l'indice linéaire du matériau, n ₂ l'indice non-linéaire et I l'intensité du faisceau incident (I en W/m ² ). n ₂ est positif.

[0046] La phase spatiale du faisceau laser est donc modifiée par la variation de l'indice de réfraction du matériau non linéaire, lui-même modifié par l'intensité du faisceau laser puisque la phase spatiale φ du faisceau laser est égale à 2π n L/ λ = 2π ( n ₀ +n ₂ 1) L/ λ. Or puisque le faisceau laser 3 est gaussien, son intensité I est égale à I (x,y) = l ₀ exp (-(x ² +y ² )/A). La phase spatiale induite est donc gaussienne et l'application de cette phase au faisceau incident modifie sa propagation. Par conséquent, suite à la propagation du faisceau laser dans le matériau d'indice non linéaire 2, le profil spatial du faisceau laser varie.

[0047] Le paramètre essentiel pour la formation du faisceau laser "top-hat" est la valeur de la phase spatiale induite par l'effet non linéaire. Cette valeur dépend entre autre de l'intensité du faisceau incident et de l'indice de réfraction du matériau non-linéaire. [0048]Avec une phase spatiale induite pour laquelle la différence entre le centre et le bord du faisceau est de l'ordre de deux radians, on obtient une zone "top- hat" 4 située dans l'espace virtuel et dans laquelle le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire. Cette zone "top-hat" 4 est située ici en amont du matériau d'indice non linéaire 2 dans le sens de propagation du faisceau laser incident 3, c'est-à-dire entre la source laser 9 et la lame 10 car n ₂ est positif comme dans la plupart des matériaux non linéaires. Cette zone "top- hat" 4 comporte une zone intermédiaire 5, dans laquelle la distribution spatiale d'énergie du faisceau laser est annulaire, et deux plans 6 et 7, situés de part et d'autre de la zone intermédiaire 5, et dans lesquels la distribution spatiale d'énergie du faisceau laser est uniforme. A l'extérieur de la zone « top-hat » 4, le faisceau laser 3 reprend progressivement une forme gaussienne.

[0049] Un système optique 8, qui est ici une lentille 1 1 , réalise ensuite une image réelle 4' de cette zone "top-hat" 4. L'image réelle 4' comporte également une zone intermédiaire réelle 5' dans laquelle le faisceau incident présente une répartition d'énergie annulaire et deux plans 6' et 7' dans lesquels le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme. Par conséquent, dans l'espace réel, le profil spatial du faisceau laser varie : l'espace réel comporte en effet une zone 4' dans laquelle le faisceau présente une répartition d'énergie uniforme ou annulaire, et en dehors de cette zone 4', le faisceau laser reprend progressivement un profil gaussien.

[0050] La figure 2 est une simulation qui représente l'évolution du profil spatial du faisceau laser dans l'espace réel en fonction de la distance D à laquelle on se trouve du foyer de la lentille 1 1 . La lentille 1 1 utilisée dans cette simulation possède une focale f de 60 cm. Le diamètre du faisceau incident d est de 2 mm et le matériau non linéaire et l'intensité du faisceau incident sont choisis de façon à ce que la phase spatiale non linéaire φ maximale soit de deux radians. On constate alors que le profil spatial du faisceau laser évolue en fonction de la distance à laquelle on se trouve du foyer de la lentille. Au foyer de la lentille, la distance D est nulle et le faisceau laser est gaussien. A 3,5 cm du foyer de la lentille et à 35 cm, le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme. Entre 4,3 cm et 15 cm, le faisceau laser présente une répartition d'énergie annulaire.

[0051] Pour avoir un faisceau à répartition d'énergie uniforme, il suffit donc de se placer dans un plan P disposé à 35 cm ou à 3,7 cm du foyer de la lentille. [0052] Plus généralement, le procédé et le dispositif selon l'invention sont très avantageux car ils autorisent une grande tolérance dans le positionnement du plan P. En effet, dans l'espace virtuel, dans le cas où n ₂ est positif, l'étendue et la position de la zone "top-hat" 4 dépendent de la phase spatiale non linéaire et du diamètre du faisceau. La distance Δ entre le premier plan "top-hat" 7 et la lame en matériau non-linéaire 2 est proportionnelle au carré du diamètre du faisceau laser et est inversement proportionnelle à la valeur de la phase maximum.

[0053] La formule empirique établie à partir des simulations donne pour le calcul de Δ : Δ ^« 0.13 ^* 2π/λ ^* d ² /(|), où d est le diamètre à mi-hauteur du faisceau laser incident et φ la valeur maximale de la phase spatiale non linéaire.

[0054] La figure 3 est une simulation qui représente le profil spatial du faisceau laser dans différents plans situés chacun dans l'espace virtuel à une distance Δ de la lame en matériau non linéaire. Il apparaît clairement sur cette figure que le faisceau laser est "top-hat" dans toute la zone qui est située entre 1 ,3 m et 2 m du matériau non linéaire. Par conséquent, le faisceau laser reste supergaussien ou "top-hat" sur une grande plage de positions par rapport à la lame en matériau non linéaire et on a une tolérance sur le positionnement du plan « top-hat » 7 de plus ou moins 20%. La figure 3 permet de localiser le premier plan "top-hat" 7 et de savoir qu'il se trouve à une distance comprise entre 1 ,3 et 2 m du matériau non linéaire 2.

[0055] La lentille 1 1 réalise ensuite une image réelle de cette zone "top-hat" 4.

[0056] La figure 4 est une simulation qui représente le profil spatial du faisceau laser dans l'espace réel à différentes distances D du foyer de la lentille 1 1 . En effet, pour observer la distribution "top-hat", il faut utiliser un système optique et obtenir une image réelle de la zone « top-hat » 4. En connaissant la position et le diamètre d'un faisceau "top-hat" virtuel, il est possible de manipuler l'image comme n'importe quel objet optique et de l'observer dans l'espace réel. Avec une lentille de focale f placée à la distance e du matériau non-linéaire, le faisceau "top-hat" considéré se trouve à une distance D après le foyer de la lentille telle que D=f ² /(e+A-f). [0057] Le choix de la focale de la lentille et de sa position dépend du résultat désiré, en termes de dimension et de position du faisceau "top-hat".

[0058] On constate sur la figure 4 que le faisceau laser présente une répartition d'énergie annulaire lorsque l'on se trouve à une distance D=26 cm du foyer de la lentille 1 1 et que le faisceau laser présente une répartition d'énergie uniforme lorsque l'on se trouve à une distance D comprise entre 36 et 51 cm du foyer de la lentille.

[0059] Comme dans l'espace virtuel, il existe une tolérance importante sur la position du plan "top-hat" ou supergaussien. [0060] L'ordre de la supergaussienne évolue en fonction de la distance D ce qui permet en pratique une grande flexibilité.

[0061] Les figures 6, 7 et 8 montrent les résultats obtenus avec le dispositif de la figure 1 . Les résultats ont été obtenus avec un laser femtoseconde 9 qui produit des impulsions ayant une durée de 25 fs, une énergie de 1 mJ et un diamètre de 8 mm. La lame 10 produisant l'effet non-linéaire est en calcite, d'indice non-linéaire 7.10 ^"20 m ² /W, et d'épaisseur 2,5 cm. La focale de la lentille 1 1 est de 2 m. Afin d'éviter des effets non linéaires supplémentaires dans l'air au niveau du foyer, la propagation après la lentille 1 1 se fait sous vide.

[0062] La figure 6 représente en (a) la forme du faisceau obtenu à la sortie de la source laser 9 et en (b) la forme du faisceau laser au foyer de la lentille 1 1 . Dans les deux cas, le faisceau laser est gaussien.

[0063] La figure 7 représente le profil spatial du faisceau laser obtenu dans différents plans P, situés respectivement à une distance D du foyer de la lentille égale à 24, 34 et 46 cm. On constate que le faisceau laser est "top-hat" dans les plans P situés à 34 cm et à 46 cm du foyer de la lentille. Le faisceau laser "top- hat" situé dans le plan P à 34 cm présente une forme de supergaussienne d'ordre 4, tandis que le faisceau laser "top-hat" situé dans le plan P à 46 cm présente une forme de supergaussienne d'ordre 3. [0064] La figure 8 représente le profil du faisceau laser dans trois plans P placés respectivement à trois distances D égales à 27, 40 et 46 cm du foyer de la lentille 1 1 après passage dans un trou de filtrage de 800 μιτι placé au foyer de la lentille. Le trou de filtrage ajouté au foyer de la lentille permet de lisser les irrégularités de la fluence.

[0065] L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation présenté précédemment. En particulier, dans le mode de réalisation présenté sur les figures 1 à 4, l'intensité du faisceau laser incident, son diamètre et le matériau non linéaire sont choisis de façon à ce que la phase spatiale non linéaire du faisceau laser présente un maximum égal à 2 radians. Cependant, on peut choisir d'autres valeurs de l'intensité du faisceau laser incident, de son diamètre, de l'indice de réfraction du matériau non linéaire et de son épaisseur afin d'avoir soit la même valeur soit d'autres valeurs de la phase spatiale non linéaire maximale.

[0066] La figure 5 représente l'évolution du profil spatial du faisceau laser dans un plan P en fonction de la phase spatiale non linéaire maximale du faisceau laser. On constate sur cette figure que, lorsque la phase maximale est nulle, le faisceau laser est gaussien. Dans le cas contraire, la répartition de l'énergie du faisceau laser est approximativement supergaussienne, l'ordre de la supergaussienne variant de 2 à 4. Plus la phase spatiale non linéaire maximale est grande, plus l'ordre de la supergaussienne est élevé. Au-delà d'une phase maximale de 4 radians, la forme du profil spatial du faisceau laser ne change plus sauf si la dispersion dans le matériau non linéaire ne peut pas être négligée : dans ce cas, la forme du faisceau "top-hat" est modulée.

[0067] Les simulations montrent que pour une phase spatiale maximale supérieure à 2 radians, le diamètre du faisceau supergaussien est 1 ,7 fois plus grand que le diamètre du faisceau gaussien initial tel qu'il serait sans effet non linéaire.

[0068]Afin d'obtenir la mise en forme souhaitée pour un faisceau laser donné, il faut choisir le matériau non linéaire et son épaisseur de manière à avoir une différence de phase de quelques radians entre le centre et le bord du faisceau. Pour tenir compte de la dispersion du matériau, on introduit un facteur k dans la formule donnant la phase φ :

[0069] φ = k 2π n L / λ = k 2π ( n ₀ +n ₂ 1) L / λ

[0070] La dispersion diminue l'intensité du faisceau en augmentant sa durée. Cet effet est plus ou moins important, selon le spectre initial du laser et selon la longueur et la dispersion de la vitesse de groupe du matériau. Si la dispersion est négligeable, k = 1 .

[0071]Sur le tableau 1 est présentée l'intensité nécessaire à l'obtention d'une phase maximale égale à 2 et 4 radians en fonction de la durée initiale de l'impulsion (donc de son spectre). Les conditions du calcul sont les suivantes: la lame mesure 10 mm d'épaisseur avec une dispersion de vitesse de groupe égale à 400 fs ² /cm et un indice non linéaire n ₂ = 7 10 ^"20 m ² /W. Le diamètre du faisceau à mi-hauteur est égal à 2 mm.

Tableau 1 : Intensité nécessaire pour avoir une phase spatiale induite maximale de 2 ou 4 radians.

[0072] La lame produisant l'effet non linéaire peut être placée dans un faisceau laser incident parallèle, convergent ou divergent ou au waist du faisceau.

[0073] La figure 9 montre un dispositif où la lame est placée, après la lentille, dans un faisceau convergent. Ce dispositif est équivalent au dispositif de la figure 1 avec une lentille dont la focale serait égale à la focale de la lentille placée avant la lame moins la distance de la lame à cette lentille. Le dispositif équivalent, tracé en pointillé rouge sur la figure 9 permet de calculer la position et le diamètre du faisceau laser "top-hat" comme dans le cas de la figure 1 .

[0074] L'intérêt de ce montage est de pouvoir ajuster l'intensité du faisceau incident sur la lame non linéaire en choisissant la valeur du diamètre du faisceau interagissant avec la lame non linéaire.

[0075] Le dispositif selon l'invention est particulièrement avantageux puisqu'il est simple et auto-adapté aux paramètres du faisceau laser. L'utilisation du faisceau incident pour auto-induire la phase spatiale qui conduira à la répartition uniforme d'énergie élimine les problèmes d'alignement et de centrage du faisceau laser comme il peut y en avoir avec une lame de phase concrète.

[0076] Le dispositif est donc flexible et robuste. La plage de positions où le faisceau laser est "top-hat" est importante, de même la plage de valeurs de phase utilisable est assez grande, ce qui permet d'accepter des instabilités d'énergie ou de durée du faisceau laser incident. En outre, il n'y a pas de perte d'énergie. [0077] Le processus est peu coûteux. Le matériau non linéaire peut être du verre optique donc un matériau peu cher. En outre, il n'y a pas de coût de développement et de fabrication de la lame de phase.

[0078] La technique est achromatique. Elle ne dépend pas de la longueur d'onde et est efficace quelle que soit la longueur d'onde dès lors que le matériau non- linéaire est transparent.

[0079] Naturellement, le procédé et le dispositif selon l'invention ne sont pas limités aux modes de réalisation présentés ici. On pourra par exemple utiliser toutes sortes de matériaux ayant un indice de réfraction non linéaire du moment que la phase spatiale maximale est comprise entre 1 et 10 radians. Le procédé selon l'invention peut également être utilisé avec tout type de sources laser, dont la durée peut être comprise entre la femtoseconde et quelques nanosecondes et où l'énergie peut être supérieure au nanojoule. Le procédé peut donc être appliqué à tous les faisceaux laser, la seule limite étant la tenue au flux du matériau non linéaire. [0080] Les caractéristiques suivantes de l'invention :

• le choix d'un premier ensemble de paramètres comprenant l'intensité du faisceau laser incident, le diamètre du faisceau laser incident, l'indice de réfraction du matériau non linéaire et son épaisseur ; · une différence de phase spatiale entre le centre et le bord du faisceau comprise entre 1 et 10 radians ;

• la création, dans ces conditions, d'un effet Kerr optique sur le faisceau laser ;

• la création d'une zone « top-hat » (4) dans un espace virtuel ;

· un matériau non linéaire ayant un indice non linéaire (n ₂ ) positif,

permettent de d'obtenir les avantages suivants :

• le faisceau laser reste "top-hat" sur une grande plage de positions par rapport à la lame en matériau non linéaire ;

• on a une tolérance sur le positionnement du plan « top-hat » 7 de plus ou moins 20% ;

• il est possible de manipuler l'image comme n'importe quel objet optique ;

• Comme dans l'espace virtuel, il existe une tolérance importante sur la position du plan "top-hat". [0081] Il en résulte une grande flexibilité de configuration et une adaptation permettant de nombreuses utilisations de ce type de laser. En effet, augmenter la zone « top-hat » permet une grande marge de réglage du dispositif optique. Par ailleurs, la phase non linéaire est calculée et utilisée pour la formation de la zone top-hat. [0082] L'invention permet, par ailleurs, de ne pas restreindre le diamètre du faisceau qui peut être notamment supérieur à 5mm, il peut être également non centré sur la lame tout en assurant une bonne performance.