Compriment les impulsions et compensent la dispersion des lasers ultrarapides

Les miroirs ultrarapides hautement dispersifs sont essentiels pour la compression d'impulsions et la compensation de dispersion dans les applications laser ultrarapides. Les lasers ultrarapides émettent des impulsions extrêmement courtes avec des durées de picosecondes, de femtosecondes ou d'attosecondes et, en raison du principe d'incertitude de Heisenberg, les impulsions limitées par transformée de Fourier qui atteignent leur limite inférieure pour la durée des impulsions ont une grande largeur de bande couvrant une grande plage de longueurs d'onde (Figure 1). La dispersion de cette grande largeur de bande lors de sa transmission à travers de milieux optiques, tels que des objectifs, des fenêtres ou des lentilles, allonge la durée d'impulsion des impulsions ultrarapides, faisant de la compensation de dispersion une partie importante des applications laser ultrarapides.

Figure 1: Plus l'impulsion d'un laser ultrarapide est courte, plus sa bande spectrale est large.

Lasers ultrarapides : La vitesse, ça compte

Les durées d'impulsion courtes et les puissances de crête élevées des lasers ultrarapides sont très avantageuses pour un certain nombre d'applications, notamment le traitement des matériaux, le micro-usinage, les applications biomédicales, l'imagerie non linéaire et la microscopie, la défense et les communications. Pour le traitement des matériaux et le micro-usinage, les lasers ultrarapides permettent d'obtenir de meilleures tolérances dimensionnelles, de réduire les dommages aux zones environnantes et d'éliminer les étapes de post-traitement.1 Les durées d'impulsion courtes des lasers ultrarapides réduisent également les traumatismes dans les applications laser médicales, comme la chirurgie oculaire LASIK, tout en réduisant le besoin de stérilisation et d'anesthésie (Figure 2).²

Figure 2: Les lasers ultrarapides sont utilisés pour la chirurgie oculaire LASIK sans lame afin d'accroître la sécurité des patients, de réduire le risque d'infection et d'améliorer la précision

Dispersion : Qu'est-ce que c'est et pourquoi est-ce important ?

La dispersion chromatique décrit la variation de la vitesse de phase de la lumière dans un milieu optique selon sa fréquence ou sa longueur d'onde. La plupart des matériaux utilisés pour les composants optiques présentent une dispersion positive, ce qui signifie que les longueurs d'onde plus longues auront une vitesse de phase plus élevée que les longueurs d'onde courtes (Figure 3). Cela allonge la durée d'impulsion des impulsions ultrarapides dans un processus de appelé « dérive de fréquence positive », ce qui est néfaste dans les applications ultrarapides.

Figure 3: La dispersion entraîne l'élargissement des impulsions laser ultrarapides. AOM signifie modulateur acousto-optique, qui est un composant qui permet aux lasers d'émettre un faisceau pulsé

However, this can be compensated by optical components, such as multilayer dielectric mirrors, that feature negative dispersion, in which shorter wavelengths have a higher phase velocity than long wavelengths. This balances out the positive dispersion that occurred earlier in the system, resulting in pulse compression for optimal performance (Figure 4).

Figure 4: La compression d'impulsions grâce à la dispersion négative peut supprimer la dispersion positive que les impulsions ultrarapides subissent lorsqu'elles traversent un milieu optique

Lorsque l'on examine comment la dispersion affecte les systèmes laser ultrarapides, il est nécessaire de comprendre le retard de groupe et la dispersion de retard de groupe (GDD). Le retard de groupe d'un composant optique est la dérivée du changement de phase du champ électrique du rayonnement par rapport à sa fréquence angulaire. La GDD est définie comme la dérivée du retard de groupe, ou la deuxième dérivée de la phase spectrale, par rapport à la fréquence. La GDD par unité de longueur est connue sous le nom de dispersion de vitesse de groupe (GVD). La GDD est typiquement exprimée en fs² tandis que la GVD est exprimée en fs²/mm. Les optiques de compression d'impulsions ont généralement une GDD fortement négative afin de comprimer les impulsions à dérive de fréquence positive. Pour plus d'informations sur la dispersion et la GVD, veuillez lire notre note d'application sur la Dispersion.

La solution : Miroirs ultrarapides hautement dispersifs

Il existe plusieurs types d'optiques de compression d'impulsions pour compenser la dispersion d’impulsions ultrarapides, y compris les réseaux et les prismes. Cependant, les miroirs hautement dispersifs sont avantageux pour la compression d'impulsions en raison de leur taille compacte, de leur faible perte et de leur dispersion très négative sur une grande largeur de bande, ce qui pourrait être utilisé pour les compresseurs d'impulsions insensibles à l'alignement qui compensent la GDD ainsi que la dispersion de troisième ordre et d’ordre supérieur.³

Pour comprendre le fonctionnement des miroirs ultrarapides hautement dispersifs, il est important de comprendre deux autres types de miroirs : Les miroirs à interféromètre de Gires-Tournois (GTI) et les miroirs à dérive de fréquence. Les miroirs GTI utilisent la résonance pour fournir une GDD négative dépendante de l'angle pour le contrôle de la dispersion intracavitaire dans les lasers ultrarapides. Cependant, les miroirs GTI fournissent des GDD négatives sur une largeur de bande très limitée et introduisent une certaine dispersion d'ordre élevé.

D'autre part, les miroirs à dérive de fréquence fournissent une GDD négative contrôlée sur toute la profondeur de pénétration qui dépend de la longueur d'onde de l'impulsion laser. L'épaisseur de la couche diélectrique augmente en fonction de la profondeur de pénétration dans le traitement. Ainsi, les longueurs d'onde plus courtes ont des profondeurs de pénétration plus courtes dans le traitement que les longueurs d'onde plus longues, ce qui permet essentiellement aux longueurs d'onde plus longues de « rattraper » les longueurs d'onde plus courtes et de subir un retard de groupe plus important (Figure 5). Cependant, pour ces structures diélectriques multicouches simples, la variation discrète entre différentes épaisseurs de couches conduit à des oscillations dans la GDD en fonction de la longueur d'onde, similaires à celles d'un résonateur Fabry-Perot.

Figure 5: Les miroirs à dérive de fréquence ont des couches d'épaisseur variable qui provoque une dispersion négative en permettant aux longueurs d'onde plus longues de pénétrer plus profondément dans le revêtement que les longueurs d'onde courtes.

Les miroirs ultrarapides hautement dispersifs compensent ce problème en combinant un effet de pénétration dépendant de la longueur d'onde, semblable à celui des miroirs à dérive de fréquence traditionnels, et un effet multi-résonance appelé multi-GTI.3 Cette combinaison optimisée d'effets de pénétration et de résonance permet d'obtenir des valeurs GDD plus élevées et de faibles pertes sur une grande largeur de bande sans augmenter l'épaisseur de la structure multicouche du traitement.

Les optiques à compression d'impulsions traditionnelles, telles que les réseaux ou les prismes à dispersion, pourraient également être utilisées pour la compression d'impulsions ultrarapide et la compensation de dispersion. Cependant, les miroirs hautement dispersifs sont plus avantageux en raison de leur taille compacte, de leur faible perte ainsi que des GDDs hautement négatives sur une grande largeur de bande (Figures 6 et 7). Ils sont utilisés pour les compresseurs à impulsions insensibles à l'alignement, entièrement en miroir, qui compensent la GDD ainsi que la dispersion de troisième ordre et d’ordre supérieur.

Figure 6: Courbe de réflectivité des Miroirs Ultrarapides Hautement Dispersifs 1030 nm

Figure 7: Courbe de dispersion de retard de groupe (GDD) des Miroirs Ultrarapides Hautement Dispersifs 1030 nm

Les lasers typiques basés sur l’amplification d'impulsions à dérive de fréquence (CPA), qui amplifient les impulsions ultrarapides pour atteindre des pics d'intensité optique élevés tout en évitant des distorsions d'impulsions non linéaires excessives ou des dommages au milieu de gain, reposent sur l'étirement et la compression d'impulsions avant et après amplification, respectivement. Par conséquent, les optiques à compression telles que les miroirs ultrarapides hautement dispersifs sont d'une importance capitale pour les lasers CPA.