Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING A SPATIALLY LOCALISED HIGH-INTENSITY LASER BEAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/097197
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system for generating a spatially localised, high-intensity laser beam, comprising: a laser source (80) designed to generate a burst of N laser pulses with a duration of less than or equal to one picosecond, the N laser pulses having a first repetition frequency (f1) greater than or equal to 0.5 gigahertz; a resonant optical cavity (10) designed to receive and store the burst of N laser pulses, the resonant optical cavity (10) being designed to focus the burst of N laser pulses in an interaction region (25) of said resonant optical cavity (10); and a servo control system (13) designed to control the first repetition frequency (f1) relative to the return distance in the resonant optical cavity, such that the N pulses of the burst are superimposed temporally and spatially by constructive interferences in the interaction region (25) so as to form one giant ultra-short and high-energy pulse.

Inventors:
ZOMER FABIEN (FR)
FAVIER PIERRE (FR)
COURJAUD ANTOINE (FR)
Application Number:
FR2018/052924
Publication Date:
May 23, 2019
Filing Date:
November 20, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
AMPLITUDE SYSTEMES (33600, FR)
CENTRE NAT RECH SCIENT (75016, FR)
International Classes:
H01S3/13; H01S3/00; H01S3/10; H05G2/00
Domestic Patent References:
WO2006130856A22006-12-07
Foreign References:
US20070086713A12007-04-19
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
CHAUVIN, Vincent et al. (75008, FR)
Download PDF:
Claims:
REVENDICATIONS

1. Système de génération d’un faisceau laser de forte intensité localisé spatialement caractérisé en ce qu’il comporte :

- une source laser (80) adaptée pour générer une rafale de N impulsions laser, où N est un nombre entier naturel supérieur à 1 , les N impulsions laser ayant une première fréquence de répétition (T), les impulsions laser étant des impulsions laser ultrabrèves de durée inférieure ou égale à 1 picoseconde et la première fréquence de répétition (T) est supérieure ou égale à 0,5 gigahertz,

- une cavité optique résonante (10) adaptée pour recevoir et pour stocker ladite rafale de N impulsions laser, la cavité optique résonante (10) étant adaptée pour focaliser la rafale de N impulsions laser dans une zone d’interaction (25) de la cavité optique résonante (10), une distance aller-retour dans la cavité optique résonante étant égale à c/fi, où c représente la célérité de la lumière, et

- un système d’asservissement (13) adapté pour asservir la première fréquence de répétition (T) par rapport à la distance aller-retour dans la cavité optique résonante de manière à ce que les N impulsions de la rafale se superposent temporellement et spatialement par interférences constructives dans la zone d’interaction (25) pour former une impulsion géante ultrabrève et de forte énergie.

2. Système selon la revendication 1 dans lequel la source laser comporte un oscillateur (1 ) émettant à la première fréquence de répétition (T) supérieure ou égale à 1 GHz.

3. Système selon la revendication 1 dans lequel source laser (80) comporte un amplificateur régénératif comprenant une cavité optique primaire, et dans lequel le système d’asservissement (13) est adapté pour ajuster la longueur de la cavité optique primaire de manière à asservir la première fréquence de répétition (T).

4. Système selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel la source laser (80) comporte un sélecteur d’impulsion (3) adapté pour sélectionner la rafale de N impulsions laser ultrabrèves avec une deuxième fréquence de répétition (f2) inférieure ou égale à 4 MHz.

5. Système selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel la cavité optique résonante comporte des miroirs (M1 , M2, M3, M4) disposés en configuration planaire.

6. Système selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel la cavité optique résonante (10) est disposée dans une enceinte à vide (8) comprenant au moins une ouverture (9) adaptée pour recevoir la rafale de N impulsions laser ultrabrèves, ladite au moins une ouverture (9) étant adaptée pour recevoir un faisceau de particules chargées (40), la cavité optique résonante (10) étant disposée de manière à ce que le faisceau de particules chargées (40) se propage dans la zone d’interaction (25) sous un angle d’incidence inférieur ou égal à 5 degrés par rapport à une direction de propagation de la rafale d’impulsions laser dans la zone d’interaction (25).

7. Appareil de spectrométrie Raman comprenant le système selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la zone d’interaction (25) est destinée à recevoir un échantillon à analyser, l’appareil de spectrométrie Raman comprenant un spectromètre Raman disposé de manière à mesurer un faisceau optique de diffusion Raman formé par diffusion de ladite impulsion géante ultrabrève sur l’échantillon dans la zone d’interaction (25).

8. Procédé de génération d’un faisceau laser de forte intensité localisé spatialement comprenant les étapes suivantes :

- génération d’impulsions laser de durée inférieure ou égale à 1 picoseconde à une première fréquence de répétition (h), la première fréquence de répétition étant supérieure ou égale à 0,5 gigahertz ;

- sélection d’une rafale de N impulsions laser à la première fréquence de répétition (h), où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1 ;

- injection de la rafale de N impulsions laser dans une cavité optique résonante (10), la cavité optique résonante (10) ayant une distance aller-retour égale à c/fi où c représente la célérité de la lumière dans la cavité optique résonante, la cavité optique résonante (10) étant adaptée pour focaliser la rafale de N impulsions laser dans une zone d’interaction (25) de la cavité optique résonante (10) ; et

- asservissement de la première fréquence de répétition (fi) par rapport à la distance aller-retour de la cavité optique résonante (10) de manière à ce que les N impulsions de la rafale se superposent temporellement et spatialement par interférences constructives dans la zone d’interaction (25) pour former une impulsion géante ultrabrève et de forte énergie.

9. Procédé de mesure de diffusion inélastique par interaction de l’impulsion géante ultrabrève générée selon le procédé de la revendication 8 avec un faisceau de particules chargées se propageant dans la zone d’interaction (25) de la cavité optique résonante (10) de manière synchronisée avec l’impulsion géante ultrabrève.

10. Procédé de mesure de diffusion inélastique par interaction de l’impulsion géante ultrabrève générée selon le procédé de la revendication 8 avec un échantillon disposé dans la zone d’interaction (25) de la cavité optique résonante (10).

Description:
SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE GÉNÉRATION D’UN FAISCEAU LASER DE FORTE INTENSITÉ LOCALISÉ SPATIALEMENT

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le domaine des lasers.

Elle concerne plus particulièrement un système laser générant un faisceau laser de très forte intensité localisé en un point de l’espace.

Elle concerne aussi un système laser de très forte intensité destiné à interagir en un point localisé par diffusion inélastique avec un faisceau de particules chargées ou avec un échantillon à analyser.

Elle concerne en particulier un procédé et un appareil de mesure de diffusion Compton inverse généré par interaction entre un faisceau laser et un faisceau de particules chargées.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Les accélérateurs de particules sont de grands instruments scientifiques utilisés notamment en physique fondamentale. On cherche à développer de nouvelles applications pour ces faisceaux de particules dans le domaine de l’instrumentation scientifique ou des appareils médicaux. Ces applications nécessitent le développement d’une source de rayons X intense et compacte pour l’utilisation dans un environnement médical ou d’histoire de l’art par exemple.

En particulier, on cherche à générer un rayonnement de diffusion Compton inverse basé sur l’interaction Compton entre un paquet d’électrons et un faisceau laser. Or, l’intensité du rayonnement généré par diffusion inélastique dépend à la fois du nombre de photons et du nombre d’électrons lors de l’interaction. De plus, l’intensité du rayonnement de diffusion Compton inverse n’est pas distribué de manière isotrope. En effet, l’intensité du rayonnement de diffusion Compton inverse dépend fortement de l’angle entre le faisceau d’électrons et le faisceau laser et/ou de l’angle entre le faisceau laser incident et le faisceau diffusé. On cherche donc à maximiser l’intensité du rayonnement de diffusion Compton inverse détecté.

Différents types d’accélérateurs, linéaires ou en anneau, sont envisagés pour produire des paquets d’électrons de faible énergie (de l’ordre de 50 MeV). Un anneau de stockage présente une configuration avantageuse du fait de sa compacité, son faible coût et sa facilité d’utilisation. La compacité et la faible énergie imposent des défis sur le choix de l’accélérateur de particules ainsi que sur la configuration de couplage entre le faisceau de particules et un faisceau laser.

On connaît une source ELI-NP-GS qui utilise un recirculateur optique comprenant deux miroirs paraboliques et 31 paires de miroirs disposés en hélice de manière à faire circuler 32 fois une même impulsion laser de 200 mJ. Ainsi, cette même impulsion laser de 200 mJ interagit successivement en un même point de focalisation avec 32 paquets d’électrons générés à une cadence de 100 hertz (Hz). Toutefois, ce type de recirculateur optique est encombrant. De plus, le réglage des 64 miroirs dans une enceinte à vide est particulièrement complexe.

Il existe aussi des systèmes couplant un faisceau laser à une cavité Fabry-Perot pour amplifier un faisceau laser en régime stationnaire.

De manière générale, on souhaite disposer d’un système laser de forte intensité et localisé en un point déterminé.

Plus particulièrement, on cherche à développer un système pour l’interaction entre un faisceau de particules chargées et un faisceau laser de forte intensité, ce système étant de mise en œuvre aisée et qui permette d’augmenter l’intensité d’un faisceau de diffusion inélastique par effet Compton inverse généré par cette interaction.

OBJET DE L’INVENTION

Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un système de génération d’un faisceau laser de forte intensité localisé spatialement.

Plus particulièrement, on propose selon l’invention un système comportant une source laser adaptée pour générer une rafale de N impulsions laser, où N est un nombre entier naturel supérieur à 1 , les N impulsions laser ayant une première fréquence de répétition (T), les impulsions laser étant des impulsions laser ultrabrèves de durée inférieure ou égale à 1 picoseconde et la première fréquence de répétition (T) est supérieure ou égale à 0,5 gigahertz, une cavité optique résonante adaptée pour recevoir et pour stocker ladite rafale de N impulsions laser, la cavité optique résonante étant adaptée pour focaliser la rafale de N impulsions laser dans une zone d’interaction de la cavité optique résonante, une distance aller-retour dans la cavité optique résonante étant égale à c/fi, où c représente la célérité de la lumière, et un système d’asservissement adapté pour asservir la première fréquence de répétition (fi) par rapport à la distance aller- retour dans la cavité optique résonante de manière à ce que les N impulsions de la rafale se superposent temporellement et spatialement par interférences constructives dans la zone d’interaction pour former une impulsion géante ultrabrève et de forte énergie.

Ce système permet de générer en une zone d’interaction déterminée, un faisceau laser ayant une intensité extrêmement élevée, cette impulsion laser étant de durée ultrabrève et de puissance multipliée environ d’un facteur N par la cavité optique résonante.

De préférence, N est un nombre entier naturel compris entre 10 et 1000, et de manière plus préférentielle, compris entre 100 et 300.

Dans un mode de réalisation particulier, la source laser comporte un oscillateur émettant à la première fréquence de répétition (fi).

Dans un autre mode de réalisation particulier, la source laser comporte un amplificateur régénératif, de préférence à fibre optique, l’amplificateur optique comprenant une cavité optique primaire et le système d’asservissement est adapté pour ajuster la longueur de la cavité optique primaire de manière à asservir la première fréquence de répétition (fi).

De préférence, la première fréquence de répétition (fi) est supérieure ou égale à 1 GHz.

De façon avantageuse, la source laser comporte un sélecteur d’impulsion adapté pour sélectionner la rafale de N impulsions laser ultrabrèves avec une deuxième fréquence de répétition (f 2 ) inférieure ou égale à 4 MHz.

De préférence, la cavité optique résonante comporte des miroirs disposés en configuration planaire.

Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, la cavité optique résonante comporte deux miroirs sphériques et deux miroirs plans, les deux miroirs sphériques et deux miroirs plans étant disposés en configuration planaire.

Selon une variante, la cavité optique résonante comporte deux miroirs sphériques et un seul miroir plan.

De façon avantageuse, la cavité optique résonante comporte un premier miroir sphérique concave (M3), de rayon de courbure R/2, un deuxième miroir sphérique concave (M4), de rayon de courbure R/2, le premier miroir sphérique concave (M3) et le deuxième miroir sphérique concave (M4) étant disposés en configuration concentrique, la distance entre le premier miroir sphérique concave (M3) et le deuxième miroir sphérique concave (M4) étant égale à R.

Selon un aspect particulier, le système d’asservissement comporte un détecteur adapté pour détecter un signal représentatif des interférences constructives des N impulsions de la rafale dans la cavité optique résonante.

Selon un mode de réalisation, la cavité optique résonante est disposée dans une enceinte à vide comprenant au moins une ouverture adaptée pour recevoir la rafale de N impulsions laser ultrabrèves, ladite au moins une ouverture étant adaptée pour recevoir un faisceau de particules chargées, la cavité optique résonante étant disposée de manière à ce que le faisceau de particules chargées se propage dans la zone d’interaction sous un angle d’incidence inférieur ou égal à 5 degrés par rapport à une direction de propagation de la rafale d’impulsions laser dans la zone d’interaction.

De façon particulièrement avantageuse, la cavité optique résonante a un volume inférieur à quelques dm 3 et de préférence inférieur à 1 dm 3 .

L’invention propose également un appareil de spectrométrie Raman comprenant un système de génération d’un faisceau laser de forte intensité localisé spatialement dans lequel la zone d’interaction est destinée à recevoir un échantillon à analyser, l’appareil de spectrométrie Raman comprenant un spectromètre Raman disposé de manière à mesurer un faisceau optique de diffusion Raman formé par diffusion de ladite impulsion géante ultrabrève sur l’échantillon dans la zone d’interaction.

L’invention propose également un procédé de génération d’un faisceau laser de forte intensité localisé spatialement comprenant les étapes suivantes :

- génération d’impulsions laser de durée inférieure ou égale à 1 picoseconde à une première fréquence de répétition (h), la première fréquence de répétition étant supérieure ou égale à 0,5 gigahertz ;

- sélection d’une rafale de N impulsions laser à la première fréquence de répétition (h) , où N est un nombre entier naturel supérieur ou égal à 1 ;

- injection de la rafale de N impulsions laser dans une cavité optique résonante, la cavité optique résonante ayant une distance aller-retour égale à c/fi où c représente la célérité de la lumière dans la cavité optique résonante, la cavité optique résonante étant adaptée pour focaliser la rafale de N impulsions laser dans une zone d’interaction de la cavité optique résonante ; et

- asservissement de la première fréquence de répétition (fi) par rapport à la distance aller-retour de la cavité optique résonante de manière à ce que les N impulsions de la rafale se superposent temporellement et spatialement par interférences constructives dans la zone d’interaction pour former une impulsion géante ultrabrève et de forte énergie.

L’invention propose également un procédé de mesure de diffusion inélastique par interaction de l’impulsion géante ultrabrève générée selon le procédé revendiqué avec un faisceau de particules chargées se propageant dans la zone d’interaction de la cavité optique résonante de manière synchronisée avec l’impulsion géante ultrabrève.

Enfin, l’invention propose un procédé de mesure de diffusion inélastique par interaction de l’impulsion géante ultrabrève générée selon le procédé revendiqué avec un échantillon disposé dans la zone d’interaction de la cavité optique résonante.

DESCRIPTION DETAILLEE D’UN EXEMPLE DE RÉALISATION

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.

Sur les dessins annexés :

- la figure 1 représente schématiquement un système de génération d’impulsion laser géante ultrabrève selon l’invention ;

- la figure 2 représente schématiquement une vue en perspective d’une enceinte à vide comprenant une cavité optique résonante selon un exemple de réalisation ;

- la figure 3 représente schématiquement en perspective l’arrangement des montures de miroirs de la cavité optique résonante de la figure 2 ;

- la figure 4 représente un exemple de monture de miroirs avec ses réglages de micro-précision ;

- la figure 5 représente schématiquement un exemple de réalisation d’un arrangement de montures de miroirs formant une cavité optique résonante à 4 miroirs disposés en configuration coplanaire ;

- la figure 6 représente schématiquement en vue de perspective le couplage d’un faisceau de particules chargées avec une impulsion laser géante ultrabrève et de forte énergie focalisée en un point d’une cavité optique résonante à 4 miroirs pour former un faisceau de diffusion Compton inverse ;

- la figure 7 représente schématiquement une autre vue de l’interaction entre un faisceau de particules chargées avec un faisceau laser impulsionnel de forte énergie dans une cavité optique résonante à 4 miroirs pour former un faisceau de diffusion Compton inverse ;

- la figure 8 représente une variante de cavité optique résonante à trois miroirs ;

- la figure 9 représente schématiquement un système de génération d’impulsion laser géante ultrabrève selon une variante de l’invention.

Dispositif et procédé

Sur la figure 1 , on a représenté un système de génération d’impulsion laser géante ultrabrève.

Dans le présent document, on entend par impulsion ultrabrève, une impulsion lumineuse de durée comprise généralement entre 20 fs à environ 10 ps et une largeur spectrale de 0,1 à 50 nm.

Le système de la figure 1 comporte une source laser 80, adaptée pour générer une rafale d’impulsions laser ultrabrève et de haute énergie, combinée à une cavité optique résonante 10 et à un système d’asservissement à boucle de contre-réaction.

Dans un mode de réalisation, la source laser 80 comporte un oscillateur 1 de type impulsionnel, un séparateur de faisceau 2, un sélecteur d’impulsion 3

(ou puise picker en anglais), un système d’amplification optique 4, un combineur de faisceau 5, des miroirs de renvoi 6 et 7. L’oscillateur 1 est basé sur une cavité laser accordable. L’oscillateur 1 est adapté pour générer des impulsions source 100 à une première fréquence de répétition, notée fi. De façon avantageuse, la première fréquence de répétition est supérieure ou égale à 500 MHz et de préférence supérieure ou égale à 1 GHz, ou même plusieurs gigahertz. En fonction de la première fréquence de répétition fi, les impulsions source 100 sont séparées les une des autres d’un intervalle temporel compris entre 0,3 ns et 2 ns.

Le séparateur de faisceau 2 et le combineur de faisceau 5 sont par exemple du type cube séparateur de polarisation. Dans ce cas, les impulsions source 100 sont polarisées, par exemple linéairement en sortie de l’oscillateur 1. Le séparateur de faisceau 2 est disposé et orienté de manière à séparer spatialement le faisceau d’impulsions source 100 en un faisceau d’impulsions 110 et un autre faisceau d’impulsions 120. Le faisceau d’impulsions 110 est réfléchi sur les miroirs 6, 7 et forme un faisceau d’impulsions 110 basse puissance à la première fréquence de répétition fi .

Le sélecteur d’impulsion 3 est par exemple basé sur un modulateur électro-optique. Le sélecteur d’impulsion 3 reçoit l’autre faisceau d’impulsions 120 provenant de l’oscillateur 1 et sélectionne une rafale de N impulsions source, où N est un nombre entier naturel supérieur à 1 , de préférence compris entre 25 et 10000, et de manière encore plus préférentielle entre 100 et 300. Avantageusement, le sélecteur d’impulsion 3 fonctionne à une deuxième fréquence de répétition, notée f 2 , inférieure ou égale à 4 MHz. De façon alternative, le sélecteur d’impulsion 3 peut aussi fonctionner en sélectionnant une seule rafale d’impulsions. Dans une même rafale de N impulsions, les impulsions sont espacées de l’intervalle temporel déterminé par la première fréquence de répétition fi .

Le système d’amplification optique 4 comporte un ou plusieurs amplificateurs optiques disposés en série. Le système d’amplification optique 4 peut être à base d’amplificateurs à fibre optique, à disque et/ou à solide. Le système d’amplification optique 4 reçoit une rafale de N impulsions et les amplifie pour former une rafale de N impulsions lumineuses de haute puissance. Le système d’amplification optique 4 délivre ainsi un faisceau d’impulsions 120 haute puissance constitué de rafales de N impulsions, les rafales étant généralement émises à la deuxième fréquence de répétition f 2 .

Selon une variante, à la place de l’oscillateur impulsionnel haute fréquence et d’un ou plusieurs amplificateurs optiques linéaires, la source laser 80 comporte un amplificateur régénératif, de préférence à fibre optique. De préférence dans ce cas, l’amplificateur régénératif comporte une cavité optique régénérative, des moyens d’injection d’impulsions source à une période de répétition Ti dans ladite cavité optique régénérative et des moyens d’extraction desdites impulsions laser de ladite cavité optique régénérative. Dans ce cas, la cavité optique régénérative présente une longueur totale telle que la durée d’un aller-retour de chaque impulsion dans ladite cavité optique régénérative est comprise entre N-1 et N fois la période Ti où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, lesdits moyens d’injection sont adaptés pour piéger une salve de N impulsions laser dans ladite cavité optique régénérative, lesdits moyens d’extraction sont adaptés pour extraire ladite salve de N impulsions laser de ladite cavité optique régénérative et ledit milieu amplificateur optique est adapté pour former une salve d’impulsions laser amplifiées. De façon avantageuse, les moyens d’injection et les moyens d’extraction comportent une cellule de Pockels configurée de manière à être entièrement bloquante entre l’injection de la salve d’impulsions et l’extraction de ladite salve d’impulsions. De préférence, la cavité optique régénérative est une cavité multipassage et le milieu amplificateur est disposé dans ladite cavité optique régénérative multipassage de manière à ce qu’une impulsion de la salve d’impulsions effectue une pluralité de passages par le milieu amplificateur. Avantageusement, la cavité optique régénérative est une cavité multipassage comportant un système optique à miroirs disposés de manière à ce que le faisceau incident sur chacun desdits miroirs soit décalé spatialement à chaque passage dans ladite cavité multipassage et le milieu amplificateur est disposé à l’intérieur de la cavité optique régénérative.

On dispose ainsi d’une source laser générant une rafale de N impulsions laser ultrabrèves et de forte puissance, les impulsions d’une même rafale étant à la première fréquence de répétition, fi, supérieure ou égale à 0,5 gigahertz (GHz), et de préférence supérieure ou égale à 1 GHz.

On utilise de manière équivalente dans la suite du présent document les termes suivants : salve d’impulsions, train d’impulsions, série d’impulsions ou macro-pulse (multibunch ou burst en anglais).

Le combineur de faisceau 5 est disposé et orienté de manière à recombiner spatialement le faisceau d’impulsions 110 basse puissance à la première fréquence de répétition fi et le faisceau d’impulsions 120 haute puissance constitué de rafales de N impulsions en un faisceau d’impulsions lumineuses 150.

Ce faisceau d’impulsions lumineuses 150 est injecté par une ouverture 9 dans l’enceinte à vide 8 comportant la cavité optique résonante.

Les figures 2 à 7 illustrent de manière détaillée une cavité optique résonante à quatre miroirs selon un premier mode de réalisation de l’invention. La cavité optique résonante 10 comporte deux miroirs plans M1 , M2 et deux miroirs sphériques M3, M4. Les miroirs M1 , M2, M3, M4 sont disposés en configuration planaire, aux extrémités d’un quadrilatère allongé. Les miroirs M3 et M4 sont disposés en configuration concentrique et ont de préférence le même rayon de courbure, R/2, la distance entre les miroirs M3 et M4 étant égale à R. Le faisceau d’impulsions 150 est injecté dans la cavité optique résonante à travers le miroir plan M1 et se dirige vers le miroir plan M2 qui le réfléchit vers le miroir sphérique M3. Le miroir M3 réfléchit le faisceau d’impulsions 150 en direction du miroir M4 tout en focalisant ce faisceau dans une zone d’interaction 25 située sur l’axe optique entre le miroir M3 et le miroir M4. Le miroir réfléchit le faisceau d’impulsions 150 en direction du miroir M1 formant ainsi un chemin optique en boucle fermée. La cavité optique résonante 10 permet ainsi de propager le faisceau d’impulsions 150 suivant une boucle repliée en forme de X (voir figure 7- 8). La longueur totale d’un aller-retour dans la cavité optique résonante est ajustée de manière à ce que les N impulsion d'une même rafale se superposent de manière cohérente par interférences constructives pour former une impulsion géante dans la cavité optique résonante. De plus, la cavité optique résonante 10 focalise l’impulsion géante dans une zone d’interaction 25 par exemple dans un plan focal 20 situé entre les miroirs M3 et M4. L’impulsion géante circule N fois dans la cavité, à la cadence GHz. La cavité optique résonante 10 est remplie et vidée à la cadence de la rafale d’impulsion, c’est-à-dire à la deuxième fréquence de répétition f 2 .

L’impulsion géante a la même durée que les impulsions laser de la source laser.

Pour une rafale de N «2000 impulsions ayant une durée de ~ 200 fs, et une énergie par impulsion source de l’ordre de 20-30 mJ, on obtient une impulsion ayant une intensité de l’ordre de 10 15 W/cm 2 dans la zone d’interaction 25. La dimension transverse à la taille (waist) du faisceau laser est de l’ordre de 30 microns. Ainsi, l’énergie des impulsions d’une rafale est stockée au point d’interaction. De plus, l’impulsion géante peut être répétée à la deuxième fréquence de répétition dans la même zone d’interaction 25. Il est donc ainsi possible d’interagir de multiples fois avec une impulsion laser géante.

La longueur du chemin optique lors d’un aller-retour dans la cavité optique résonante 10 est déterminée en fonction de la première fréquence de répétition fi . Plus précisément, cette longueur aller-retour est égale à c/f1 où c représente la célérité de la lumière dans la cavité optique résonante. Par exemple, pour une première fréquence de répétition fi de ~1 GHz, on choisit une longueur aller-retour dans la cavité optique résonante de ~30 cm. La longueur physique L de la cavité optique résonante est dans ce cas de l’ordre de ~15 cm et les miroirs M3 et M4 ont un rayon de courbure d’environ 8 cm. La longueur physique L de la cavité optique résonante est ici quatre fois plus faible qu’une cavité optique résonante à deux miroirs ayant la même longueur aller-retour. Dans un autre exemple, pour un oscillateur fonctionnant à une première fréquence de répétition fi de 3 GHz, on choisit une longueur aller-retour dans la cavité optique résonante de ~10 cm et des miroirs M3, M4 ayant un rayon de courbure de l’ordre de 2,5 cm. Le diamètre des miroirs M1 , M2, M3, M4 est compris entre 1 mm et quelques centimètres, par exemple de l’ordre de 6 mm (ou ¼ de pouce). Toutefois, cette configuration pose des difficultés techniques d’alignement optique de la cavité optique résonante avec la contrainte de maintien de l’efficacité de cette cavité optique résonante. Cette configuration nécessite des réglages optomécaniques miniaturisés et de très haute précision pour obtenir le réglage interférométrique souhaité. On obtient ainsi une cavité optique résonante très compacte. La cavité optique résonante est repliée ce qui permet de réduire l’encombrement de la cavité optique résonante autour de la zone d’interaction. La cavité optique résonante est aisément maniable. Cette compacité permet de placer la cavité optique résonante dans une enceinte à vide de faible volume, ce qui simplifie considérablement la mise en œuvre de ce système. La compacité de l’enceinte à vide et de la cavité optique résonante permettent une meilleure isolation vis-à-vis des vibrations environnantes et une réduction du coût de l’ensemble du système. De plus, le faible encombrement de la cavité optique résonante, même disposée dans une enceinte à vide, permet d’insérer plus facilement ce système sur une ligne de faisceau de particules chargées, dont l’environnement est généralement très encombré par divers instruments scientifiques. Cette configuration permet de réaliser plus aisément une interaction entre une impulsion laser de très forte intensité et un faisceau de particules chargées dans une zone d’interaction déterminée.

La figure 3 illustre le montage des supports des miroirs M1 , M2, M3 et M4 sur une même plateforme 28. Plus précisément, le miroir M1 est monté sur un support 21 , et respectivement, le miroir M2 sur un support 22, le miroir M3 sur un support 23 et le miroir M4 sur un support 24. Le support 21 est disposé sur une platine de translation 41. De manière analogue, le support 22, respectivement 23, 24 est disposé sur une platine de translation 42, respectivement 43, 44.

La figure 4 illustre de manière plus détaillée le montage du miroir M1 sur le support 21 , muni de réglages micrométriques 31.

Plus précisément, l’oscillateur laser 1 fonctionnant en régime impulsionnel est asservi en fréquence sur la cavité optique résonante 10 afin de stocker l’énergie des impulsions laser d’une rafale par interférences constructives.

Dans la variante où un amplificateur régénératif est utilisé pour générer la rafale d’impulsions, la longueur de la cavité optique régénérative, qui détermine la première fréquence de répétition, est asservie sur la cavité optique résonante 10 afin de stocker l’énergie des impulsions laser d’une rafale par interférences constructives.

Le miroir M1 est configuré de manière à laisser passer une partie 200 du faisceau d’impulsions à basse puissance injecté simultanément avec la rafale d’impulsions dans la cavité optique résonante 10. Un détecteur 12 détecte la partie 200 du faisceau d’impulsions à basse puissance extraite de la cavité optique résonante. La partie 200 du faisceau d’impulsions à basse puissance est aussi à la première fréquence de répétition fi .

Un système d’asservissement 13 en déduit un signal d’erreur et applique ce signal d’erreur de manière à asservir la cavité de l’oscillateur laser 1 ou, respectivement, la cavité optique régénérative de l’amplificateur régénératif. Ainsi, la première fréquence de répétition fi est asservie en fonction de la longueur de la cavité optique résonante de manière à maximiser l’énergie et/ou la puissance de l’impulsion géante dans une zone d’interaction 25 de la cavité optique résonante. Cette boucle d’asservissement fonctionne à une fréquence de l’ordre de 1 MHz. Ainsi, la fréquence de la source laser est asservie en fonction des dérives lentes de la longueur de la cavité optique résonante 10.

La figure 5 illustre le montage optomécanique de la cavité optique résonante à quatre miroirs. De façon particulièrement avantageuse, la cavité optique résonante 10 comporte une première ouverture 26 sur la monture 23 en dessous du miroir sphérique M3. De même, la cavité optique résonante 10 comporte une deuxième ouverture 27 sur la monture 24 au dessus du miroir M4. La cavité optique résonante peut être implémentée sur un accélérateur de particules.

Dans une application à l’interaction entre un faisceau d’électrons et un faisceau laser, illustrée sur les figures 6 et 7, on injecte un faisceau d’électrons 40 dans la cavité optique résonante 10. Plus précisément, le faisceau d’électrons 40 est orienté de manière à passer à travers la première ouverture 26 et/ou la deuxième ouverture 27 en direction de la zone de focalisation de la cavité optique résonante 10. Ainsi, le faisceau d’électrons 40 peut interagir avec l’impulsion géante formée dans la zone d’interaction 25 de la cavité optique résonante 10. Cette interaction génère un faisceau de diffusion Compton inverse 50 qui peut être détecté.

Le diamètre des miroirs sphériques M3, M4 détermine l’angle de croisement minimal entre le faisceau de particules chargées 40 et le faisceau laser 160.

La distance entre les miroirs peut être ajustée en fonction de la distance entre paquets de particules chargées, au moyen des platines de translation 41 , 42, 43 et/ou 44. Le recouvrement de l’impulsion laser géante et du faisceau de particules chargées est d’autant meilleur que l’angle de croisement ALPHA est faible et la taille transverse du faisceau laser est petite par rapport à la taille transverse du faisceau de particules chargées. On obtient, un angle de croisement ALPHA inférieur ou égal à 3 ou 4 degrés pour une cavité ayant une longueur aller- retour de ~30 cm.

Ce système est particulièrement avantageux dans le cas où des paquets de particules chargées sont émis avec une période inter-paquet de l’ordre de 1 ns, c’est-à-dire à une fréquence de l’ordre du Gigahertz. En effet, la première fréquence de répétition fi de l’oscillateur peut être synchronisée via un deuxième système d’asservissement sur la fréquence de génération des paquets de particules chargées.

La figure 8 illustre une cavité optique résonante selon une variante à trois miroirs. Dans cette variante, la cavité optique résonante 10 comporte un miroir plan M1 , d’injection, et deux miroirs sphériques M3, M4. Les trois miroirs M1 , M3, M4 sont disposés en configuration planaire. De façon avantageuse, les deux miroirs sphériques M3, M4 sont disposés en configuration concentrique. Par exemple, les miroirs sphériques M3, M4 ont le même rayon de courbure, R/2, et la distance entre les miroirs M3 et M4 est égale à R. Ainsi, la zone d’interaction où l’impulsion laser géante se focalise est située à mi-distance entre le miroir M3 et le miroir M4. La longueur physique L de la cavité optique résonante à trois miroirs est ici environ trois fois plus faible qu’une cavité optique résonante à deux miroirs ayant la même longueur aller-retour.

La figure 9 illustre une variante d’un système de génération d’impulsion laser géante ultrabrève et de forte énergie, comportant en outre d’autres détecteurs 14, 15, 16 disposés de manière à détecter d’autres signaux de fuites issus des miroirs M2 et M4.

Dans une autre application, la source laser asservie sur la cavité optique résonante peut être utilisée pour générer une interaction entre un faisceau laser et un échantillon et mesurer une diffusion inélastique, par exemple de type diffusion Raman.

A cet effet, on dispose un échantillon à analyser dans la zone d’interaction 25 d’une cavité optique résonante d’un système tel que décrit ci- dessus et on collecte un faisceau lumineux formé par diffusion de l’impulsion laser géante sur l’échantillon. Un filtre sépare le faisceau lumineux diffusé en un faisceau lumineux représentatif de la composante de diffusion élastique, ou diffusion Rayleigh, et un faisceau lumineux représentatif de la composante de diffusion inélastique, par exemple de diffusion Raman. Un spectromètre analyse spectralement le faisceau lumineux de diffusion inélastique. Ce système permet d’augmenter l’intensité du faisceau lumineux de diffusion inélastique du fait de l’intensité extrêmement forte de l’impulsion laser géante incidente sur l’échantillon.