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La présente invention concerne une source supercontinuum apte à émettre des ondes entre le domaine infrarouge et le domaine ultraviolet.

Les sources supercontinuum, développées depuis quelques années, ont de nombreuses applications, notamment dans la spectroscopie, la métrologie ou encore l'imagerie médicale.

Une source supercontinuum connue comprend généralement une source laser apte à générer un faisceau laser et une fibre optique microstructurée non linéaire, apte à recevoir ledit faisceau laser.

A titre d'exemple, le document G&-2.386.434 décrit à la page 45 un mode de fabrication par extrusion d'une fibre optique microstructurée non linéaire. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et d'autres modes de fabrication peuvent être utilisés pour obtenir une fibre optique microstructurée non linéaire.

Selon l'invention, on s'intéresse particulièrement à une source supercontinuum comprenant une source laser impulsionnelle, de sorte que la source supercontinuum est apte à générer un faisceau pendant une durée d'impulsion donnée.

Les publications intitulées « White-light supercontinuum génération with 60-ps pump puises in a photonic crystal » et « compact braodband continuum source based on microship laser pumped microstructured fibre » décrivent une source supercontinuum impulsionnelle. Néanmoins, les sources décrites dans ces documents ou existantes ne sont pas paramétrable, et, par conséquent, on doit changer de source supercontinuum selon les caractéristiques que l'on souhaite obtenir.

Selon un autre inconvénient des sources supercontinuum décrites dans ces publications, la plage de fonctionnement est restreinte et ne s'étend pas du domaine infrarouge jusqu'au domaine de l'ultraviolet.

La publication intitulée « Laser à fibre amplifiée à 1060 nm paramétrable en fréquence et en durée d'impulsion : résultats à 1 MHz et 500 ps » décrit un moyen pour paramétrer la durée d'impulsion.

Ainsi, ce document décrit plus précisément un premier étage comportant une source sous forme d'une diode laser continue dont le faisceau est modulé en externe par un modulateur électro-optique indépendant et deux étages successifs d'amplification. Toutefois, le faisceau laser issu de cette source n'est pas appliqué à une fibre optique microstructurée non linéaire.

Si, on utilise l'enseignement de cette dernière publication aux sources supercontinuum décrites dans les premières publications il n'est pas possible d'obtenir une source supercontinuum impulsionnelle avec une plage de fonctionnement s'étendant du domaine infrarouge jusqu'au domaine de l'ultraviolet.

Le but de l'invention est de proposer une source supercontinuum paramétrable apte à émettre des ondes depuis le domaine infrarouge jusqu'au domaine ultraviolet.

A cet effet, l'invention concerne une source supercontinuum apte à émettre des ondes allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, comprenant une source laser impulsionnelle apte à générer un faisceau laser et une fibre optique microstructurée non linéaire, apte à recevoir ledit faisceau laser, de sorte que la source supercontinuum est apte à générer un faisceau pendant une durée d'impulsion donnée, caractérisée en ce que la source supercontinuum comprend des moyens de variation de ladite durée d'impulsion.

L'invention sera décrite maintenant plus en détail en référence aux figures annexées données uniquement à titre d'exemple et dans lesquelles :

-la figure 1 est une représentation schématique du montage d'une source supercontinuum selon l'invention,

-la figure 2 est une représentation de la puissance (exprimée en mW) d'une source laser de la source supercontinuum de la figure 1 en fonction de la durée d'impulsion (en ps),

-la figure 3 est une représentation de la puissance (en mW) en sortie du module préamplificateur en fonction de la durée d'impulsion (en ps),

-la figure 4A est une représentation spectrale de la puissance de la source supercontinuum de la figure 1 en échelle Log (en dBm) en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 960 nm à ll60 nm,

-la figure 4B est une représentation de la puissance de la source supercontinuum de la figure 1 en échelle linéaire (en UA) en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 960 nm à 1160 nm, -la figure 5 est une représentation de la puissance de crête calculée (en kW) en fonction de la durée d'impulsion (en ps),

-la figure 6A est une représentation d'une section d'une première fibre microstructurée non linéaire pour le montage de la figure 1,

-la figure 6B est une représentation d'une section d'une autre fibre microstructurée non linéaire pour le montage de la figure 1,

-la figure 7A est une représentation de la densité spectrale de puissance (exprimée en pW/nm) de la source supercontinuum de la figure 1 avec une fibre conforme à la figure 6A en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 350 nm à 1750 nm, pour différentes durées d'impulsion, et mesurée expérimentalement,

-la figure 7B est une représentation de la densité spectrale de puissance (exprimée en pW/nm) de la source supercontinuum de la figure 1 avec une fibre conforme à la figure 6A en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 350 nm à 1750 nm, pour différentes fréquences de répétition, et mesurée expérimentalement, et

-la figure 8 est une représentation de la densité spectrale de puissance (exprimée en pW/nm) de la source supercontinuum de la figure 1 avec une fibre conforme à la figure 6 A en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), dans une plage de longueurs d'onde de 350 nm à 1750 nm, pour des durées d'impulsion comprises entre 171 ps et 2.12 ns, et mesurée expérimentalement.

Sur la figure 1, on a représenté en 10 une source supercontinuum apte à émettre des ondes entre le domaine infrarouge et le domaine ultraviolet. La source 10 comprend une source laser impulsionnelle 12 apte à générer un faisceau laser F, et une fibre optique microstructurée non linéaire 14, apte à recevoir le faisceau laser F. La source supercontinuum 10 est susceptible de générer un faisceau F' pendant une durée d'impulsion donnée, notée T.

Par source supercontinuum, on entend source optique dont le spectre est large et ayant des caractéristiques de cohérence spatiale identique à celles d'un laser. On parle également de source polychromatique continue.

Selon l'invention, la source supercontinuum comprend des moyens 16 de variation de la durée d'impulsion T des ondes émises par la source supercontinuum 10 . On note que le faisceau F' peut être émis à une fréquence de répétition variable, comme il sera décrit ultérieurement, c'est-à-dire que la source 10 émet des trains d'ondes, chaque train d'ondes ayant une durée T. Cette variation de la durée d'impulsion rend adaptable la source supercontinuum 10 à diverses applications, sans nécessiter aucun changement de montage.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser 12 comprend une source laser de pompe 20 apte à émettre un faisceau de pompe Fp et illustrée au bloc A de la figure 1.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser 12 comprend des moyens d'amplifications 22 du faisceau de pompe Fp.

Les moyens d'amplification 22 comprennent un module préamplificateur 24 illustré par le bloc B de la figure 1, de sorte que le faisceau FB a une puissance amplifiée entre 15 dB et 30 dB.

Les moyens d'amplification 22 comprennent en outre un module amplificateur 26 illustré par le bloc C de la figure 1, en sortie du module préamplificateur 24, de sorte que la puissance du faisceau Fc en sortie du module 26 est comprise entre 1 W et 3 W.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser 12 comprend également une fibre optique de sortie 25, reliée à la sortie du bloc C et illustrée par le bloc D de la figure 1, dont la fonction sera détaillée plus loin, et à la sortie de laquelle l'entrée de la fibre mictrostructurée 14 est connectée.

Le bloc A de la figure 1 va maintenant être décrit en détail.

La source laser de pompe 20, appelée par la suite pompe, est préférentiellement un laser semi-conducteur intégrant des moyens 16 de variation de la durée d'impulsion du faisceau de pompe Fp.

De préférence, la source laser de pompe 20 a une longueur d'onde de 1060 nm. Le fait que la source soit modulée en interne et comprennent les moyens 16 de la durée d'impulsions permet d'obtenir pour la source supercontinuum ainsi constituée une plage de fonctionnement large allant du domaine infrarouge jusqu'au domaine de l'ultraviolet. Une diode laser, par exemple vendue sous la référence LUMICS LU1055M200, est particulièrement adaptée, et la durée d'impulsion T du faisceau de pompe Fp d'une telle pompe est continûment ajustable entre 200 ps et 2 ns.

Cette diode laser présente une fréquence de répétition paramétrable entre 1 Hz et 1 MHz.

Comme visible sur la figure 2, la puissance fournie par la pompe, notée P, est une fonction croissante linéaire de la durée d'impulsion, notée T, dont la pente augmente avec la fréquence de répétition respectivement de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés). Néanmoins, quelle que soit la fréquence de répétition, la puissance de sortie est inférieure à 0,15 mW et le faisceau de pompe Fp ne peut donc pas être injecté directement dans la fibre microstructurée 14. C'est pour cela que le montage comprend les moyens d'amplification 22.

En variante, la pompe est une diode laser modulée de manière externe par un modulateur, par exemple de type électro-optique ou acousto-optique. Cette variante est moins avantageuse que la variante précédente comportant une modulation interne dans la mesure où le modulateur électro-optique limite la puissance laser du faisceau Fp pour des durées d'impulsion faibles notamment pour cause de bruit continu dans l'état de l'art actuel. De plus, des pertes sont générées en fonction de la polarisation du faisceau de pompe, ce qui provoque des instabilités ayant un impact négatif sur la génération du spectre de la source supercontinuum 10 et en réduit la durée de vie.

Le bloc B de la figure 1, disposé en sortie du bloc A, va maintenant être décrit en détail.

Le module préamplificateur optique 24 comprend au moins une fibre optique dopée et une source de pompage.

Sur la figure 1, le module 24 comprend au moins un étage et de préférence deux étages, chaque étage comprenant une fibre optique 28 monomode dopée à l'ytterbium Yb ³⁺ , les deux fibres 28 étant pompées par une même source de pompage 30 dite annexe, monomode à 976 nm et délivrant 200 mW de puissance, un circulateur optique 32 et des isolateurs optiques 34 pour assurer le trajet du faisceau dans le module préamplificateur. Le module 24 comprend également un réflecteur de Bragg 36 sélectionnant une bande large de ±5 nm autour de 1060nm et un filtre passe bande étroit 38 pour filtrer l'émission spontanée amplifiée. Avantageusement, le filtre passe bande 38 est disposé après le circulateur optique 32 ce qui permet de filtrer toute les émissions spontanées amplifiées à la sortie du module 24 de pré amplification.

En sortie du bloc B, le faisceau noté FB est amplifié entre 15 dB et 30 dB selon la fréquence de répétition et la durée d'impulsion du faisceau Fp.

La figure 3 illustre plus précisément la puissance en sortie du bloc B, notée P, en fonction de la durée d'impulsion T du faisceau de pompe, pour une fréquence de répétition respectivement de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés).

La puissance moyenne obtenue en sortie du module préamplificateur 24, de l'ordre de 5 mW à 20 mW, est alors suffisante pour injecter le faisceau issu du module 24 dans le module amplificateur de forte puissance du bloc C.

Le bloc C de la figure 1, disposé en sortie du bloc B, va être maintenant décrit en détail.

Le module amplificateur 26 du bloc C comprend au moins une source laser annexe 42 et un isolateur optique 44.

Selon un mode de réalisation, le module amplificateur 26 du bloc C est un amplificateur optique comprenant une fibre optique 40 double gaine dopée à l'ytterbium Yb ³⁺ et pompée par une source laser annexe de 42 à 976 nm et émettant 6.5 W de puissance. La fibre 40 a un cœur dont le diamètre est de l'ordre de 5 um. La fibre a une longueur de 3.5 m, afin de limiter la diffusion Raman stimulée, la puissance seuil d'apparition de cette diffusion étant inversement proportionnelle à la longueur de la fibre.

Le module amplificateur permet d'obtenir une puissance élevée du faisceau Fc en sortie du bloc C comprise entre 1 W et 3 W, et préférentiellement de l'ordre de 3 W, quelles que soient les caractéristiques de durée d'impulsion et de fréquence de répétition, la valeur de 3 W représentant la limite d'apparition de la diffusion Raman.

On note que la diffusion Raman n'est pas souhaitable dans la mesure où elle est un phénomène non linéaire qui consomme inutilement l'énergie issue du faisceau. Le bloc D comprend la fibre 25 monomode standard à 1060 nm en sortie de la fibre d'amplification 40, avec un revêtement fort indice de la soudure entre la fibre d'amplification 40 et la fibre standard 25 afin de vider le résidu de la pompe annexe, ce qui permet de ne récupérer que le signal utile à 1060 nm et d'éviter un échauffement de la fibre 25. Ainsi, la fibre monomode 25 permet d'éliminer le résidu de pompe multimode provenant de la gaine interne de la fibre 40 mais également de coupler un maximum de signal provenant du cœur de cette fibre 40 dans le cœur de la fibre microstructurée non linéaire 14.

Les caractéristiques de la source laser 12, mesurées en sortie de la fibre standard 25, sont maintenant décrites en détails.

Le spectre illustré aux figures 4A et 4B représente la puissance, notée P, respectivement en échelle log et linéaire, en fonction de la longueur d'onde, notée A, pour une durée d'impulsion de 2 ns pour une fréquence de répétition de 500 kHz et comprend un pic principal 44 à 1060 nm, avec une largeur à mi- hauteur de 7.4 nm, ainsi qu'un pic 46 beaucoup plus faible à une longueur d'onde de l'ordre de 1030 nm correspondant à l'émission spontanée amplifiée non filtrée, et un pic 48 très réduit à 976 nm dû à un faible résidu de la pompe annexe. La figure 5 illustre l'évolution calculée de la puissance crête, notée Pc, en fonction de la durée d'impulsion du faisceau de pompe, notée T, pour une fréquence de répétition de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés). La puissance crête est une fonction décroissante de la durée d'impulsion et de la fréquence de répétition, et est élevée, puisque comprise entre 3.5 kW et 7.5 kW.

Ainsi, la puissance générée par la source 12 permet la réalisation de la source supercontinuum 10 par injection du faisceau F à l'entrée de la fibre microstructurée non linéaire 14 et propagation dans la fibre 14.

La fibre microstructurée non linéaire 14 est maintenant décrite en détails.

Comme illustré aux figures 6A et 6B, la fibre microstructurée non linéaire 14 comprend une matrice de guidage d'une longueur donnée dans une direction de guidage dite longitudinale, et d'une section dans un plan à la direction de guidage, autrement appelée profil d'indice.

Selon un mode de réalisation non limitatif, la fibre 14 est à base de silice.

En variante, la fibre 14 peut être à base de verre fluorés (ZBLAN), de verres chalcogénures, de verres d'oxyde de tellure,...

Le profil d'indice comprend un agencement d'un ensemble de trous de diamètre d dont les centres des trous sont régulièrement espacés d'une distance A, autrement appelée « pas », disposés autour d'un cœur de diamètre noté c. Un autre paramètre de la fibre est la fraction d'air qui est définie par le rapport entre le diamètre d des trous et le pas A, c'est-à-dire d/A.

Les paramètres de la fibre 14 seront détaillés ultérieurement.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la fibre 14 est une fibre dopée à l'ytterbium Yb ³⁺ et munie d'une gaine d'air G, comme illustrée à la figure 6B.

En sortie de la fibre microstructurée 14, un spectre très étendu est généré, d'où le terme de source supercontinuum 10. La source supercoirt nuum 10 émet des impulsions dont la durée T est sensiblement égale à la durée d'impulsion T du faisceau de pompe Fp. Ainsi, les moyens de variation 16 de la durée d'impulsion T sont constitués par les moyens de variation de la source laser de pompe 20, déjà décrits. La durée T est préférentiellement comprise entre 200 ps et 2 ns.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source supercontinuum 10 présente une longueur de cohérence paramétrable. En effet, la longueur de cohérence dépend de la durée d'impulsion T, de sorte que le contrôle de la durée d'impulsion T permet de contrôler la longueur de cohérence de la source 10.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source supercontinuum 10 présente une très faible dispersion temporelle, autrement appelée gigue temporelle, en raison essentiellement du fait que la source 20 est un laser semiconducteur. Le rapport entre la dispersion temporelle et la durée d'impulsion est de l'ordre de ±4% et préférentiellement inférieur à ±2%. Ainsi, la source supercontinuum 10 est temporellement très stable, ce qui assure des résultats constants au cours de l'utilisation de la source.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source supercontinuum 10 présente une fréquence de répétition variable, sensiblement égale à la fréquence de répétition de la source laser de pompe 20. La fréquence de répétition est préférentiellement comprise entre 250 kHz et 1 MHz, notamment pour des raisons de qualité de soudure.

Selon un premier mode de réalisation, la fibre microstructurée non linéaire 14 présente les caractéristiques suivantes : pas A de l'ordre de 3 um et diamètre de trous d de l'ordre de 1.5 um avec un zéro de dispersion pour 1040 nm. La longueur de la fibre 14 est de l'ordre de 30 m.

Le spectre obtenu à partir de cette fibre 14 est illustré aux figures 7 A et 7B. Sur la figure 7 A est représentée la densité spectrale de puissance, notée Ds, en fonction de la longueur d'onde, notée A, la fréquence de répétition étant fixée à 500 kHz pour différentes durées d'impulsion comprises entre 171 ps et 2,12 ns.

Comme visible sur cette figure, le spectre de la source supercontinuum 10 s'étend entre 450 nm et 1750 nm, soit du visible à l'infrarouge, quelle que soit la durée d'impulsion. Le spectre comprend un pic 52 à 1060 nm et un pic résiduel 54 à 1030 nm. On note que la densité spectrale augmente avec la durée d'impulsion pour des longueurs d'onde supérieures à 800 nm.

La figure 7B représente la densité spectrale de puissance, notée Ds, en fonction de la longueur d'onde, notée A, la durée d'impulsion étant fixée à 2 ns, pour une fréquence de répétition respectivement de 1 MHz (trait continu), 500 kHz (trait discontinu) et 250 kHz (pointillés). Le spectre comprend un pic 52 à 1060 nm et un pic résiduel 54 à 1030 nm. La densité spectrale augmente avec la fréquence de répétition pour des longueurs d'onde supérieures à 800nm.

Selon un deuxième mode de réalisation, la fibre microstructurée non linéaire 14 présente les caractéristiques suivantes : pas A de l'ordre de 4 m et diamètre de trous d de l'ordre de 3 μτη, avec un zéro de dispersion pour 992 nm.

Comme visible sur la figure 8, le spectre de la source supercontinuum 10 s'étend entre 400 nm et 1750 nm, soit de l'ultraviolet à l'infrarouge, quelle que soit la durée d'impulsion, et la fréquence de répétition étant fixée à 500 kHz pour différentes durées d'impulsion comprises entre 171 ps et 2,12 ns.

Le spectre comprend un pic 52 à 1060 nm et un pic résiduel 54 à 1030 nm. La densité spectrale augmente avec la durée d'impulsion pour des longueurs d'onde supérieures à 1100 nm.

La source supercontinuum 10 présente dans ce mode de réalisation une gigue temporelle comprise entre 70 ns et 80 ns, et en moyenne de 74.7 ns, six mesures ayant été effectuées pour une fréquence de répétition de 500 kHz, avec une gigue respectivement de 75,2 ns, 76 ns, 72,4 ns, 78 ns, 74,40 ns et 72 ns. Ainsi, la source supercontinuum 10 présente une variation temporelle très réduite de l'ordre de 3,8%.

Selon un autre mode de réalisation, la fibre microstructurée non linéaire 14 présente les caractéristiques suivantes : pas A de l'ordre de 2,62 m, fraction d'air d/A de 0,6 et une gaine d'air. Selon ce même mode de réalisation, la fibre 25 du bloc D est supprimée et les fibres 40 et 14 sont directement soudées entre elles. On note que la fibre 14 à gaine d'air est active et peut alors avantageusement utiliser le résidu de pompe annexe provenant de la fibre dopée 40 du bloc C.

Selon un autre mode de réalisation, la fibre 40 du bloc C est une fibre microstructurée à gaine d'air telle que décrite ci-dessus et les fibres 25 et 14 sont supprimées, c'est-à-dire que cette fibre 40 à gaine d'air réalise à la fois l'amplification du faisceau issu du module préamplificateur et l'élargissement du spectre. Dans ce cas, le faisceau Fc correspond au faisceau F'.

On note que la préamplification efficace réalisée par le module 24 permet l'utilisation d'une fibre 40 qui a un petit cœur au contraire des fibres amplificatrices habituellement utilisées. Du fait des propriétés géométriques des fibres 40 et 25, la soudure entre les fibres 40 et 25, elle-même ayant un cœur petit, est de meilleure qualité, ce qui garantit le moins de perte possible et donc une génération de supercontinuum efficace.

L'invention concerne également un procédé de génération d'ondes lumineuses allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, consistant à générer un faisceau laser pendant une durée d'impulsion donnée, à injecter ledit faisceau laser dans une fibre optique microstructurée non linéaire et à faire varier la durée d'impulsion du faisceau de la source supercontinuum.

Selon un autre aspect de l'invention, l'élargissement spectral peut varier en fonction notamment de la longueur d'ondes de la source de pompe 20, des caractéristiques de la fibre 14 (type de fibre, matériau, ..) du dopage utilisé. Pour obtenir un élargissement spectral allant de l'ultraviolet à l'infrarouge moyen, on choisira une source de pompe 20 avec un longueur d'onde de 1060 nm et une fibre 14 en silice microstructuree et un dopage à l'ytterbium Yb.

Pour obtenir un élargissement spectral allant du visible au début de l'infrarouge lointain, on choisira une source de pompe 20 avec un longueur d'onde de 1550 nm et une fibre 14 en silice ou autre, de type standard ou microstructurée, et un dopage à Erbium Er ou un codopage Erbium/Ytterbium ou une source de pompe 20 avec un longueur d'onde de l'ordre de 2 m et une fibre 14 en silice ou autre, de type standard ou microstructurée, et un dopage au Thulium Tm ou à l'holmium Ho.

Selon une autre caractéristique de l'invention, on fait varier la durée d'impulsion du faisceau de la source supercontinuum en faisant varier la durée d'impulsion du faisceau laser.

La source supercontinuum 10 selon l'invention présente une durée d'impulsion variable, et par conséquent une longueur de cohérence paramétrable ; elle est donc, de ce fait, adaptable aux observations souhaitées. Elle présente également avantageusement une fréquence de répétition variable, ce qui la rend complètement flexible aux applications souhaitées.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la fibre non linéaire permet également d'amplifier le faisceau, ce qui simplifie le montage comme décrit précédemment. On note que la source supercontinuum est entièrement fibrée, ce qui la rend particulièrement stable, compacte et nomade.

L'invention concerne également un dispositif d'émission d'ondes lumineuses allant du domaine infrarouge au domaine ultraviolet, caractérisé en ce qu'il comprend une source supercontinuum telle que décrite précédemment et des moyens de contrôle de synchronisation de la source supercontinuum à un élément de référence. Ainsi, les moyens de contrôle permettent que les trains d'ondes du faisceau F' soient émis en synchronisation de l'élément de référence. Ces moyens de contrôle sont semblables ou incorporés aux moyens 16 de variation de la durée d'impulsion de la source supercontinuum 10. L'élément de référence peut être, par exemple, le passage d'une cellule biologique dans une fenêtre d'analyse.