Principe de l'étireur/compresseur

L'étirement et la compression d'impulsions femtoseconde

Introduction:

La puissance crête fournie par une impulsion est définie par son énergie divisée par sa durée. Dans le cas d'impulsions très courtes (femtoseconde), il est impossible d'augmenter suffisamment l'énergie d'une impulsion sans atteindre rapidement les seuils d'ablation des matériaux. Il faut donc préalablement augmenter la durée de l'impulsion (étirement), puis ramener l'impulsion à la durée initiale après amplification (compression).

Principe:

Le spectre d'une impulsion ultra-brève n'est pas monofréquence, comme pour un laser continu. Il possède une certaine largeur spectrale. La longueur d'onde centrale est 800nm mais le spectre s'étale de 795 à 805nm.

On va utiliser cette différence de longueur d'onde pour modifier la durée de l'impulsion.

Exemple:
Dans un matériau transparent, la vitesse de propagation dépend de la longueur d'onde (c'est la dispersion). En général, elle est plus rapide pour les grandes longueurs d'onde: le rouge se propage plus vite que le bleu. Si toutes les longueurs d'onde qui composent l'impulsion femtoseconde arrivent ensemble sur une lame de verre, elles ressortent légèrement décalées, et l'impulsion subit un étirement temporel.

Ordre de grandeur de l'étirement:

Ce phénomène n'est pas suffisant pour les facteurs d'étirement que l'on recherche (~1000). On utilisera plutôt des différences de trajet géométrique entre les différentes longueurs d'onde.

Etireur-compresseur dans les lasers femtosecondes:

La base du dispositif est un composant appelé réseau de diffraction. Un rayon qui arrive avec un angle q sur le réseau est renvoyé suivant un angle l qui dépend de la longueur d'onde.

Si maintenant le rayon revient sur le réseau avec l'angle l , il sera renvoyé suivant l'angle q .

L'étireur

Voici un schéma du montage optique qui permet d'exploiter cette propriété pour étirer une impulsion:

Le système se constitue de deux réseaux identiques parallèles. L'impulsion femtoseconde arrive sur un premier réseau. On a représenté sur la figure les deux longueurs d'onde extrêmes présentes dans l'impulsion (que l'on appellera composante "rouge" et composante "bleue"). La composante bleue est déviée par le premier réseau avec un certain angle. Après un passage sur un second réseau le rayon redevient parallèle au rayon d'entrée d'après le principe du réseau évoqué plus haut. Pour la composante rouge, le schéma est le même, seul change l'angle de déviation par le réseau et donc la longueur du parcours entre l'entrée et la sortie du système. Dans le plan A, la composante rouge sera "en retard" par rapport à la composante bleue, les rayons se propagent à nouveau dans la même direction.

A ce stade, on a donc étalé temporellement les longueurs d'onde, mais elles sont également décalées spatialement. Pour les faire coïncider à nouveau, il suffit de les renvoyer dans le système au moyen d'un miroir. Les trajets sont les même, donc les retards entre les longueurs d'onde s'ajoutent. En sortie, toutes les longueurs d'onde sont regroupées spatialement mais décalées dans le temps. On a bien réalisé un étirement de l'impulsion.

Le compresseur

Il faut maintenant un système capable de faire la transformation inverse, c'est à dire un système dans lequel la composante rouge parcourt moins de trajet que la composante bleue. Il s'agit aussi d'un couple de réseaux, mais séparés par un système optique de grandissement -1 (ici, il s'agit de deux lentilles mais les systèmes actuels utilisent des miroirs).

Conclusion:

En ajustant les angles et les longueurs dans les deux systèmes, on est capable d'étirer une impulsion d'un facteur 1000, puis de la recomprimer à sa durée initiale.

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