FR2530018A1 - Dispositif permettant de determiner le comportement dans le temps d'impulsions optiques ultra-courtes - Google Patents

Abstract

IL S'AGIT D'UN DISPOSITIF SERVANT A DETERMINER LE COMPORTEMENT DANS LE TEMPS D'IMPULSIONS OPTIQUES ULTRA-COURTES. LA FORME D'IMPULSION ET LA DUREE D'IMPULSION DANS LE TEMPS SONT DEDUITES D'UNE FONCTION D'AUTO-CORRELATION LINEAIRE OBTENUE SELON LA METHODE D'INTERFERENCE. A CET EFFET, UN FAISCEAU PULSE EST DIVISE PAR UN DIVISEUR DE FAISCEAU EN DEUX FAISCEAUX PARTIELS, CES FAISCEAUX PARTIELS SONT REFLECHIS PAR DES REFLECTEURS APPROPRIES ET REUNIS PAR LE DIVISEUR DE FAISCEAU ET LA CONFIGURATION D'INTERFERENCE FORMEE EST EVALUEE, LA REPARTITION D'INTENSITE ETANT TRIBUTAIRE DU DEPLACEMENT D'AU MOINS L'UN DES REFLECTEURS.

Description

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-1 - "Dispositif permettant de déterminer-le comportement dans le temps d'impulsions optiques ultra-courtes"

L'invention concerne un dispositif permettant de détermi-

ner le comportement dans le temps d'impulsions optiques ultra-cour-

tes. Il existe déjà plusieurs dispositifs de ce genre C'est

ainsi que dans un premier dispositif connu, une mesure directe s'ef-

fectue à l'aide de détecteurs optiques rapides (en général des pho-

todiodes d'avalanche ou des transistors à effet de champ PES) en coopération avec des oscilloscopes à échantillonnage La forme de

l'impulsion optique est mesurée de façon directe Le pouvoir de ré-

solution dans le temps est délimité par la durée de montée et d'ex-

tinction du détecteur et du système d'échantillonnage ou, en d'au-

tres termes, d'une façon générale, par le comportement d'activation électrique du système de détection Actuellement, la largeur FWHM (Full Width Half Maximum) de tels systèmes est d'environ 50 à 100

ps La détermination de vraies largeurs d'impulsion optique infé-

rieures à 100 ps est possible, il est vrai, par la déconvolution.

quadratique du comportement du système, mais présente d'éventuels défauts systématiques suivant la largeur d'impulsion et la forme

d'impulsion En concordance avec les courbes de sensibilité spectra-

le en question du détecteur, il est en général possible de démontrer l'impulsion optique pour de petites énergies d'impulsion ( > 310 14

J) et dans une large gamme de longueurs d'onde (quelques 100 nm).

Dans un autre dispositif connu, la mesure s'effectue à l'aide d'une "caméra Streak" rapide Ici aussi la forme d'impulsion avec la limitation d'un système de comportement fini, qui se situe dans ce système dans la région des picosecondes, il est vrai est mesurée de façon directe Le pouvoir de résolution dans le temps de

la caméra Streak par rapport au susdit procédé est supérieur d'en-

viron 2 ordres de grandeur, la région spectrale est équivalente, les

énergies d'impulsion nécessaires également.

Finalement, il existe un dispositif de mesure d'auto-

orrélation non linêaire Ce dispositif, qui sert à 1 a mnesulre de Ja largeur d'impulsion, tire parti du principe physique de la formation

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-2- du deuxième harmonique (en anglais "second-harmonic generation"

(SHG)) dans un cristal non linéaire (par exemple KDP), qui est éga-

lement utilisé pour le redoublement de fréquences de lasers pour la

production de longueurs d'onde combinées ou très courtes: le rayon-

nement commun de deux fréquences D 1 et O 2 dans le cristal per-

met de produire des fréquences de combinaison D 1 + u O 2 respec-

tivement LÀ 1-2 par effet non linéaire L'utilisation pour la mesure de largeur d'impulsion consiste en ceci que la lumière de l'émetteur optique constituée par une série d'impulsions optiques

est divisée en deux faisceaux partiels dans un diviseur de faisceau.

Ces faisceaux partiels sont réfléchis chacun par un réflecteur à réflexion élevée et réunis dans le cristal non linéaire Partant de distances égales entre les réflecteurs et le diviseur du faisceau,

il est possible d'obtenir mune différence de longueur de trajet opti-

que pour les deux faisceaux partiels par déplacement relatif de l'un des réflecteurs par rapport à l'autre et, de ce fait, un déplacement dans le temps des impulsions, les unes par rapport aux autres En concordance avec la durée de piopagation de la lumière dans l'air, il se produit la relation T = entre la différence en durée de propagation des impulsions et a différence de longueur de trajet optique 4 z des deux faiscealux partiels Un déplacement de 1 mm d'un réflecteur à partir de la position zéro (position symétrique) correspond à un retard dans le temps des impulsions partielles dans

le faisceau réuni d'environ 6,7 ps.

Le signal SHG dans le eristal KDP se produit à une

fréquence de signal t O et est proportionnel au produit des in-

1/2 tensités de faisceaux partiels chevauchantes entrant à la fréquence

t 1 (fréquence de laser ou d'émetteur) Dans le cas d'un chevau-

chement complet des impulsions partielles, ce qui veut dire à ( A Z = 0), le signal SHG est maximal Lorsque les impulsions ne chevauchent plus, ce qui veut dire que t Z> C 0/2 t TM, à TM étant la largeur maximale des impulsions optiques, le signal SHG disparaît ou retourne ensuite suivant la théorie exacte vers 1/3 du

signal maximal; pour d'autres explications, il y a lieu de s'en ré-

férer à "Spectra Physics, Laser Technical Bulletin", février 1978,

N 3 Aveu ses linitations, la largeur du signal SHG est donc pro-

portionnelle à la durée d'impulsion de l'impulsion optique A l'ex-

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-3- ception de certaines formes d'impulsion, par exemple la forme de Gaussche, il est possible de déterminer la largeur d'impulsion à

partir du signal SHG De plus, il y a lieu de s'en référer à l'arti-

cle "Autocorrelations function analysis"; dans IEEE Journal, QE-16,

1980, No 9, page 990).

Le pouvoir de résolution dans le temps de la mesure SHG est très élevé (supérieur à 0,1 ps), mais du fait qu'il s'agit d'un

effet non linéaire dans le cas de SHG, les énergies d'impulsion op-

tique nécessaires sont élevées De plus, la région spectrale dans

laquelle se produit SHG est fortement limitée par le choix du cris-

tal et son réglage Il faut satisfaire à la soi-disant "face mat-

ching condition" Et tout, ce procédé est ainsi très coûteux, il est compliqué et le réglage est difficile et le procédé est limité à des

énergies d'impulsion assez élevées.

La présente invention vise à fournir un dispositif du gen-

re mentionné dans le préambule présentant une structure simple et

convenant notamment à la mesure du comportement dans le temps d'im-

pulsions optiques de faibles énergies d'impulsion et de petites lar-

geurs d'impulsion absolues.

Le dispositif conforme à l'invention tire parti des susdi-

tes possibilités décrites pour le procédé SHG et concernant la divi-

sion, le retard et la réunion des rayons optiques pulsés avec des dispositifns interférométriques Toutefois, on tire également parti de l'attitude d'interférence dans la longueur de cohérence de la lumière cohérente, longueur de cohérence qui, dans le cas de rayons laser pulsés, est tributaire de la durée de l'émission et, de ce

fait, nécessairement de la durée des impulsions optiques.

Le procédé conforme à l'invention est caractérisé par un diviseur de faisceau, deux réflecteurs prévus dans les trajets de

deux faisceaux partiels formés par le diviseur de faisceau, réflec-

teurs dont au moins l'un peut être déplacé dans la direction de l'axe du faisceau partiel correspondant, un détecteur photosensible, inséré dans le trajet des faisceaux partiels qui interfèrent et qui sont réunis en un seul faisceau par le diviseur de faisceau et un

système pour le traitement du signal de détection.

rne premi re forme de réalisation du dispositif est en autre caractéristique en ce que les réfleteurs sont plans Ainsi,

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-4- après réflexion par les réflecteurs et réunion, les deux faisceaux

partiels peuvent interférer uniformément sur toute la section trans-

versale du faisceau de rayonnement formé à partir des faisceaux par-

tiels réunis Cette interférence ne se produit que lorsque les lon-

gueurs de trajet des faisceaux partiels ne différent pas plus que la

longueur de cohérence de la lumière laser pulsée Comme configura-

tion d'interférence, il se produit une répartition lumineuse unifor-

me sur la section transversale du faisceau réuni, répartition dont

l'intensité est tributaire de la phase relative des faisceaux par-

tiels L'intensité varie périodiquement dans le cas d'une variation

continue de la longueur de trajet de l'un des deux faisceaux par-

tiels, par déplacement de l'un des réflecteurs Une période corres-

pond au déplacement d'un réflecteur sur la moitié de la longueur

d'onde de la lumière utilisée L'amplitude de la variation d'inten-

sité est tributaire de la différence de longueur de trajet absolue

des deux faisceaux partiels, ce qui veut dire la différence de lon-

gueur de trajet dans le cas de positions optimales des deux réflec-

teurs, et de la durée de l'émission optique Les fluctuations d'in-

tensité sont maximales pour des longueurs de trajet optiques abso-

lues égales des faisceaux partiels et diminuent dans le cas d'un

déplacement de l'un des faisceaux à mesure que les impulsions par-

tielles chevauchent moins dans les faisceaux de rayonnement compo-

ses Pour des différences de longueur de trajet d'une grandeur telle que les impulsions partielles ne chevauchent plus, c'est-à-dire que les impulsions partielles sont déplacées les unes par rapport aux

autres de plus de la largsr d'impulsion, il ne se produit pas d'in-

terférence.

L'utilisation de réflecteurs perpendiculaires est avanta-

geuse lorsque les intensités disponibles du faisceau optique pulsé

sont petites du fait que par suite de la répartition lumineuse uni-

forme sur la section totale dil faisceau composé, la modulation d'in-

tensité est mesurée de façon intégrale sur la section totale du

faisceau dans le cas de déplacement de l'un des réflecteurs.

Selon une autre forme de réalisation avantageuse du procé-

dé conforme à l'invention, l'un des réflecteurs est mis dans une position oblique de façon que la normale au plan de ce réflecteur

soit inclinée par rapport à l'axe du faisceau partiel correspondant.

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-5- Comme configuration d'interférence, il se produit une configuration de bandes alternativement claires et sombres en concordance avec la phase relative localement différente des deux faisceaux partiels La distance de bandes parallèles juxtaposées est tributaire de l'angle d'inclinaison du réflecteur et de la longueur d'onde de la lumière pulsée Les fluctuations d'intensité locales maximales entre deux bandes juxtaposées sont tributaires de la différence de longueur

d'onde des faisceaux partiels et de la durée des impulsions opti-

ques Dans le cas de déplacement de l'un des réflecteurs, la confi-

guration d'interférence se déplace perpendiculairement à la direc-

tion longitudinale des bandes Un déplacement sur la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée correspond au déplacement de la configuration d'interférence sur une seule distance de bande La

modulation d'intensité locale entre des bandes juxtaposées (contras-

te de bande) est maximale pour les longueurs de trajet optiques éga-

les des faisceaux partiels, elle baisse à mesure que dans le cas de déplacement de l'un des réflecteurs, les impulsions des faisceaux partiels dans le faisceau composé chevauchent moins dans le temps et

disparaît dans le cas de différences de longueur relatives corres-

pondant à un déplacement dans le temps des faisceaux partiels rela-

tivement de plus de la largeur d'impulsion.

Ce dispositif offre l'avantage que le déplacement de la configuration d'interférence sur la section transversale du faisceau

de rayonnement permet d'obtenir des données directes sur la direc-

tion et la vitesse du déplacement des deux impulsions partielles, l'une par rapport à l'autre De plus, la présence d'interférence, notamment dans le cas de faibles amplitudes de modulation (faible chevauchement d'impulsions partielles) est plus facile à déterminer que dans le cas d'utilisation de réflecteurs perpendiculaires La configuration d'interférence peut être enregistrée point après

point.

Selon une autre forme de réalisation avantageuse du dispo-

sitif conforme à l'invention, des prismes, notamment des prismes à rétroréflexion sont utilisés comme réflecteurs Au moins l'un des

prismes peut être déplacé perpendiculairement à l'axe de rayonne-

ment Grâce à ce déplanement; Jes, faisceaux partiels réunis sont déplacés parallèlement, l'un par rapport à l'autre, sans qu'il ne se

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-6- produise une différence de longueur de trajet additionnelle entre

les faisceaux partiels Ainsi, la région dans laquelle peuvent in-

terférer les faisceaux partiels peut être modifiée par déplacement de l'un des prismes perpendiculaires à l'axe de faisceau partiel correspondant Toutefois, du fait que dans ce cas, plusieurs régions de la section des deux faisceaux partiels peuvent interférer entre elles, la configuration d'interférence ainsi formée contient des informations sur le comportement local dans le temps des impulsions optiques Cette information est alors nécessaire pour déterminer la durée d'impulsion et la forme d'impuèion lorsque l'émission ne se produit pas simultanément dans toutes les régions de la section de

faisceau ou lorsque la lumière pulsée traverse des milieux non homo-

gènes, les diverses parties de faisceau étant sujettes à des retards

différents Dans les deux cas, la largeur d'impulsion totle du fais-

ceau est supérieure à celle correspondant à la longueur de cohérence

de la lumière utilisée.

L'avantage inhérent au dispositif conforme à l'invention est donc entre autres le fait que dans le cas d'utilisation d'un prisme à rétroréflexion pouvant être déplacé perpendiculairement à l'axe du faisceau, il est également possible de déterminer la durée

d'impulsion totale dans ces cas à partir de la variation de la con-

figuration d'interférence pendant le déplacement de l'un des compo-

sants réflecteurs et à partir de la variation du déplacement perpen-

diculaire. Selon une autre caractéristique du dispositif conforme à l'invention, un diaphragme est prévu entre les parties de faisceau

et le détecteur, diaphragme dont le diamètre d'ouverture est régla-

ble et/ou dont l'ouverture peut être déplacée dans une direction

perpendiculaire à l'axe du faisceau composé Une ouverture de dia-

phragme de diamètre variable est alors avantageusement utilisée dans

le cas d'utilisation d'un réflecteur et/ou d'un prisme dont la nor-

male au plan de base est inclinée par rapport à l'axe de faisceau partiel correspondant La configuration d'interférence en forme de bande mobile peut être explorée, point après point, à l'aide de l'ouverture de diaphragme Le diamètre de l'ouverture de diaphragme

est petit par rapport à l'espacement de bande.

Une ouverture de diaphragme, dont la position peut être

régulée perpendiculairement à l'axe du faisceau de rayonnement com-

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posé est avantageusement utilisée dans un dispositif, dont les fais-

ceaux partiels peuvent être déplacés parallèlement l'un par rapport à l'autre par déplacement d'un prisme perpendiculaire à l'axe de

faisceau partiel Dans ce cas, une variation de la position de l'ou-

verture de diaphragme perpendiculaire à l'axe du faisceau de rayon-

nement composé et une variation du diamètre de l'ouverture de dia-

phragme permet d'explorer la configuration d'interférence à divers endroits dans la section de faisceau respectivement pour plusieurs

régions de chevauchement des faisceaux partiels et de l'enregistrer.

Le pouvoir de résolution est alors tributaire du diamètre choisi

pour le diaphragme.

La description ci-après, en se référant aux dessins an-

nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com-

prendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 montre un dispositif présentant deux réflec-

teurs perpendiculaires aux faisceaux partiels.

La figure 2 illustre un dispositif présentant un réflec-

teur basculé.

La figure 3 montre un dispositif muni de deux prismes ser-

vant de composants réflecteurs et

Les figures 4 et 5 montrent les résultats de mesure obte-

nus avec le dispositif conforme à l'invention.

La figure 1 représente un dispositif présentant deux ré flecteurs perpendiculaires au faisceau partiel Dans ce dispositif, un faisceau laser LS, qui a traversé un élargisseur de faisceau SA,

est divisé en deux faisceaux partiels a, b dans un diviseur desfais-

ceau ST Une impulsion P est divisée par le diviseur de faisceau ST en deux impulsions partielles Pl et P 2 Ces faisceaux partiels a et b sont réfléchis par deux réflecteurs 51 et 52 perpendiculaires aux axes des faisceaux et sont réunis au cours du passage suivant par le diviseur de faisceau ST Dans l'exemple de réalisation représenté sur le dessin, le réflecteur 52 peut être déplacé par un moteur M

dans la direction de l'axe du faisceau partiel Un filtre d'amortis-

sement variable DF assure que, dans la région de la section B du

faisceau de rayonnement composé à partir des faisceaux partiels réu-

nis, les intensités de faisceau partiel sont approximativement éga-

les Les faisceaux partiels a et b interfèrent entre eux et dans ce

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-8- cas, l'intensité est la même dans toute la section transversale B. L'intensité est déterminée par la distance z 2 comprise entre le réflecteur 52 et le diviseur de faisceau ST Dans le trajet de

rayonnement du faisceau de rayonnement composé est inséré un dia-

phragme L, dont l'ouverture présente un diamètre OL Dans le cas en question, le diaphragme L est positionné de façon centrée par rapport au faisceau de rayonnement composé et l'ouverture correspond à la section B du faisceau de rayonnement (e L = B); le diaphragme ne sert donc qu'à réduire la lumière ambiante indésirable Derrière le diaphragme L se trouve un détecteur photosensible D permettant de convertir l'intensité du faisceau de rayonnement réuni en un signal

électrique Dans l'exemple de réalisation représenté, ce signal est-

enregistré sur l'axe vertical (Y) d'un dispositif d'enregistrement R, l'axe horizontal (X) étant contrôlé par l'intermédiaire du moteur M et par conséquent conformément à la distance z 2 du réflecteur 52 L'intensité est donc enregistrée de façon directe en fonction de la distance Z 2 Dans le cas d'une disposition de réflecteur symétrique

( z = z 2 z 1 = 0), le chevauchement dans le temps des impul-

sions partielles Pl et P 2 dans le faisceau de rayonnement composé est

maximal ( AT = 0) Lors d'un déplacement du réflecteur 52, l'intensi-

té varie périodiquement sur le détecteur, la période étant donnée par: z = > /2, ' étant la longueur d'onde de la lumière laser p

pulsée Un déplacement du réflecteur 52 sur une distance a z corres-

pond à une différence de longueur de trajet optique de 2 JE z entre deux faisceaux partiels et, de ce fait, à un déplacement dans le temps de l'impulsion partielle P 2 par rapport à l'impulsion partielle Pl Ainsi, le déplacement du reflecteur 52 dans une période e zp

correspond à un déplacemant dans le temps des deux impulsions par-

tielles àAT = X/c O 6 67 " 10-3 ps ( >) Dans le cas d'un /up déplacement îà z croissant du réflecteur, les impulsions partielles

Pl et P 2 sont toujours plus déplacées, dans le temps, l'une par rap-

port à l'autre, les parties d'impulsions pouvant interférer entre elles, c'est-à-dire qui peuvent chevaucher toujours dans le temps, diminuant de plus en plus De ce fait, l'amplitude de modulation du signal d'interférence pour A z croissant devient plus petite Pour

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-9- des déplacements a z tels que pour les retards en résultant LN T il

s'applique 8 T = 2,t z/c O J T (A To étant la largeur d'impul-

sion maximale de l'impulsion optique P), la modulation disparaît com-

plètement et l'on constate un signal constant dans le temps L'inten-

sité lumineuse enregistrée avec le dispositif d'enregistrement R en fonction du déplacement A 2 z du réflecteur 52 à partir de la position symétrique présente donc la variation caractéristique représentée sur la figure 1, à partir de laquelle peuvent être déduites la forme d'impulsion et la durée d'impulsion de l'impulsion laser P à l'aide

des procédés de l'analyse d'autocorrélation Comme la durée d'impul-

sion et la forme d'impulsion sont en corrélation univoque la longueur de cohérence de la lumière, il est possible de déduire des valeurs

quantitatives de l'impulsion.

La figure 2 représente un dispositif présentant un réflec-

teur 52, qui est basculé d'un angle V par rapport à l'axe de fais-

ceau partiel.

Les éléments de ce dispositif présentant la même fonction

que les éléments correspondants sur la figure 1.

Les faisceaux partiels interférents a, b constituent une configuration d'interférence en forme de bande, dont le contraste

d'interférence, espacement de bande et la position de bande sont tri-

butaires du déplacement ii z du réflecteur 52.

Dans le trajet des rayons du faisceau de rayonnement compo-

sé est inséré, ici aussi, un diaphragme L, dont le diamètre d'ouver-

ture L est variable Le diaphragme L est positionné d'une façon centrée par rapport à l'axe du faisceau de rayonnement composé, et la section de l'ouverture est notablement plus petite que la moitié de la distance d de bandes d'interférence juxtaposées X 1 Z< 4 d/2) La

configuration d'interférence qui, lors du déplacement du réflec-

teur 52, se déplace dans la direction perpendiculaire à la direction

longitudinale des bandes, peut être explorée parle détecteur de lu-

mière D Dans l'exemple de réalisation représenté, le signal de ce

détecteur est enregistré sur l'axe (Y) vertical du dispositif d'enre-

gistrement R, l'axe (X) horizontal étant excité par l'intermédiaire

du moteur M et par conséquent conformément à la disposition du ré-

flecteur 52 L'intensité lumineuse à l'endroit de l'ouverture du dia-

phragme est donc enregistrée de façon directe en fonction de la posi-

tion de réflecteur z 2 -10- Dans le cas d'une disposition symétrique des réflecteurs

z z = 2 z 1 = 0), le chevauchement dans le temps des impul-

sions partielles Pl et P 2 dans le faisceau de rayonnement composé est maximal ( L T = 0) L'amplitude de modulation de la configuration

d'interférence en forme de bande est alors également maximale L'es-

pacement de bande d est égal pour toutes les bandes et, étant donné la condition d'interférence, elle est donnée dans ce cas par d \ = /2 tg Y Dans le cas d'un déplacement du réflecteur 52 à partir de la

position symétrique, la configuration d'interférence se déplace per-

pendiculairement à la direction longitudinale des bandes vers la gau-

che ou vers la droite suivant la direction de déplacement du réflec-

teur 52 Un déplacement du réflecteur 52 surd z 2 P = > /2 corres-

pond à une période la configuration d'interférence, ou bien à un dé-

placement de la configuration de bande sur un espacement de bande complet d Ce déplacement correspond en outre à un retard dans le temps de l'impulsion P 2 de ta Tp = /c O 6 67 1073 ps (\), /um

c étant la vitesse de la lumière laser.

o Dans le cas d'un déplacement accroissant d C z du réflecteur 52, les impulsions partielles Pl et P 2 sont toujours plus déplacées dans le temps l'une par rapport à l'autre et les parties d'impulsion pouvant interférer entre elles deviennent de plus en plus petites De ce fait, l'amplitude de modulation du signal d'interférence pour un à z de plus en plus grand devient plus petite Pour des déplacements z tels que les déplacements dans le temps en résultant i T = 2 a

z/c O > A T 0, (i S T O étant la largeur d'impulsion de l'impul-

sion P), le contraste d'interférence respectivement la configuration

de bandes disparaît complètement et seul un signal constant est dé-

tecté L'intensité lumineuse enregistrée à l'aide du dispositif d'en-

registremnent R présente donc la variation représentée qualitativement sur la figure 2 en fonction de déplacementà z du réflecteur 52, variation dont peuvent être déduites la forme d'impulsion et la durée

d'impulsion de l'impulsion P suivant les méthodes de l'analyse d'au-

to-correlation Lorsque les deux grandeurs sont en corrélation uni-

forme avec la longueur de cohérence de l'émission pour l'impulsion,

* des valeurs quantitatives de l'impulsion peuvent être déduites.

La figure 3 représente une forme de réalisation présentant

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deux prismes de rétroréflexion perpendiculaires aux axes des fais-

ceaux partiels.

Les éléments de cette réalisation présentent, ici aussi, la même fonction que les éléments correspondants des figure 1 et 2 Le prisme R Pl peut être déplacé perpendiculairement à-l'axe du faisceau partiel a sur une distance a r 1, alors que le prisme RP 2 peut être

déplacé par le moteur M dans la direction de l'axe du faisceau par-

tiel En concordance avec les propriétés connues d'un prisme de ré-

troréflexion, un déplacement du prisme R Pl sur une distance A r 1

perpendiculaire à l'axe du faisceau partiel a aboutit à un déplace-

ment parallèle de ces faisceaux partiels sur 2 t Ar 1 dans la région de la section B du faisceau de rayonnement composé Toutefois, la

longueur de trajet optique du faisceau partiel a ne subit pas de va-

riations Les faisceaux partiels a et b ne peuvent être intègrés que s'ils chevauchent après déplacement sur 2 b r 1 La configuration d'interférence dans cette région de chevauchement est non seulement tributaire de la distance z 2 du prisme RP 2, mais également du

déplacement A r lorsque le comportement dans le temps de l'impul-

sion laser P dans diverses régions du faisceau est différent D'une façon générale cela est le cas lorsque l'émission n'est pas homogène

sur la section de faisceau ou si de diverses parties de faisceau su-

bissent des retards différents, par exemple lorsqu'ils traversent des

milieux optiques non homogènes.

Dans le trajet des rayons du faisceau de rayonnement compo-

sé est inséré un diaphragme, dont l'ouverture peut être déplacée dans la direction radiale et dont le diamètre d'ouverture WL peut être modifié Derrière le diaphragme L est prévu un détecteur photosensi= ble D permettant de convertir l'intensité lumineuse dans l'ouverture de diaphragme intensité lumineuse qui est modulée dans le cas d'un déplacement du prisme RP 2 en un signal électrique Ce signal est enregistré sur l'axe (Y) vertical du dispositif d'enregistrement R. L'axe (X) horizontal est simultanément excité par l'intermédiaire du moteur M, en concordance avec la distance z 2 comprise entre le prisme RP 2 et le diviseur de faisceau ST L'intensité à l'endroit de l'ouverture de diaphragme peut être mesurée de façon directe en fonction de la distance z 2 pour diverses valeurs du déplacement

radial r 1 du prisme RP 1.

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Dans le cas d'une position symétrique des prismes de rétro-

réflexion (S z = z 1 -z 2 = 0, a r 1 = 0), le chevauchement, tant sur ladistance que dans le temps des impulsions partielles Pl

et P 2 est maximal Dans le cas de déplacement du prisme RP 2, l'inten-

sité subit des variations périodiques, qui sont les mêmes sur la sec-

tion totale B du faisceau de rayonnement composé, la période A z = p

/2 Cette période a z correspond à un retard de l'impulsion par-

p tielle P 2 par rapport à l'impulsion partielle Pl de i Tp = \ /c 6,67 10-3 ps ( >), O o étant la vitesse de la lumière laser Dans le cas d'un déplacement croissants z, les impulsions partielles sont de plus en plus déplacées dans le temps l'une par rapport à l'autre, de sorte que les parties d'impulsion pouvant interférer entre elles deviennent de plus en plus petites En concordance, l'amplitude de modulation présentant un z croissant

devient plus petite Pour les déplacementsà z tels que pour les dé-

placements dans le temps résultant il s'applique a T = 2 i z/c >A To, a To étant la largeur d'impulsion de l'impulsion de laser) on ne constate qu'une intensité constante Un comportement similaire qualitatif est déterminé lorsque le prisme R Pl est déplacé dans la direction perpendiculaire à l'axe du faisceau partiel a et lorsque, partant de la position symétrique du prisme RP 2 (z 2 z 1 = z = 0), l'amplitude de modulation est enregistrée, ici aussi, en fonction du déplacement A z du prisme RP 2 Toutefois, dans ce cas,

les parties non correspondantes des faisceaux partiels a et b chevau-

chent de sorte que, si le comportement dans le temps de l'impulsion laser varie dans la section du faisceau, les régions de modulation maximale se déplacent en fonction du déplacement A r du prisme R Pl et

du déplacement & r 1 du diaphragme L Les courbes d'intensité en-

registrées à l'aide du dispositif d'enregistrement R présentent donc une variation différente pour différentes valeurs de S r 1, comme le montre la figure 3 Pour la eourbe C, A z 1 est égal à zéro et pour la courbe d, a z n'est pas égal à zéro Dans ce cas, une analyse complète de ces courbes de modulation en ce qui concerne la forme et la position des maxima en fonction de A r 1 et dea r L fournit des données sur la longueur de cohérence de l'impulsion (durée de l'émission) et de la structure de temps et d'endroit de l'impulsion

(variation sur la section du faisceau).

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-13- Les figures 4 et 5 montrent des exemples de configuration d'interférence mesurées à l'aide du dispositif conforme à l'invention

et les variations résultantes de la fonction d'auto-correlation.

La figure 4 montre les variations d'intensité, en fonction deen z, dans le faisceau de rayonnement composé, comme mesuré avec un

dispositif selon la figure 1 Comme source lumineuse pulsée fut uti-

lisé un laser de couleur à pompage synchrone verrouillé en mode émet-

tant de la lumière d'une longueur d'onde de 900 nm Dans ce cas, une période correspond à une variation de longueur d'onde de 0,25 u/M respectivement à un retard dans le temps de l'impulsion partielle P 2 de 5,7 10 3 ps(c Tp = 2 A zp/O/) A partir des variations de

l'amplitude de modulation de i z peuvent être déterminées les varia-

tions caractéristiques dans le temps de la fonction de la corrélation Imo (A T)T mx(jÉàT = 0) Imod ()max( La figure 5 montre une telle variation pour l'impulsion d'un laser de couleur à pompage synchrone verrouillé en mode (courbe K) et pour une impulsion d'un laser à ion krypton verrouillé en mode (courbe R) L'échelle horizontale supérieure m corresond à la courbe K et l'échelle horizontale inférieure N à la courbe L.

Comparativement aux dispositifs selon l'état de la techni-

que (détecteur rapide + échantillonnage, Streak caméra, SHG), le dis-

positif conforme à l'invention offre les avantages suivantes: Dans toutes les formes de réalisation, la structure est compacte, simple et peu coûteuse L'adaptation aux diverses sources lumineuses est possible sans réglage coûteux Suivant la qualité des éléments optiques, la mesure peut s'effectuer sans adaptation de ces

éléments dans une grande région spectrale de longueurs d'onde de la-

ser Du fait que l'interférence est un effet linéaire, il est possi-

ble de mesurer des modulations pour des puissances d'impulsion extrê-

mement petites La sensibilité est élevée de façon correspondante et peut être augmentée davantage, par exemple à l'aide de la technique de verrouillage C'est ainsi que les énergies d'impulsion minimales pouvant toujours être détectées sans technique de verrouillage sont par exemple d'environ 10-9 Ws, alors qu'à l'aide des techniques de

verrouillage, elles sont d'environ 10 i 12 Ws De la fonction d'auto-

correlation obtenue conformément à la méthode d'interférence, peut être reconstruite la forme explicite de l'impulsion optique d'une

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-14- façon plus simple que dans le cas de la mesure de SHG non linéaire; du fait que le signal mesuré est proportionnel de façon directe aux régions chevauchantes des impulsions, des variations dans le temps de l'impulsion peuvent être obtenus à partir de la reconstruction simple

dans le temps de la courbe d'auto-correlation Le pouvoir de résolu-

tation dans le temps est très élevé, alors que simultanément, des

repères d'étalonnage pour l'axe de temps peuvent être obtenus ( 1 pé-

riode 6 67 10-3 ps ( \), voir la figure 4), simultanément à partir de la périodicité des variations de modulation sur A z Le pouvoir de résolution dans le temps est déterminé par la précision des éléments de décalage mécaniques et dépasse 10-2 ps La mesure

des courbes de modulation d'interférence ne requiert pas de détec-

teurs rapides La vitesse du moteur peut être choisie très lentement et correspond à la sensibilité du détecteur Des séries d'impulsion

répétées rapides peuvent être intégrées comme signal de "lumière uni-

forme" sans que l'information sur la structure d'impulsion dans le temps ne se perde Un dispositif conforme à l'invention permet de

mesurer des retards de temps dans une impulsion optique élargie spa-

tialement à grand pouvoir de résolution dans le temps, par exemple

supérieure à 10-1 ps.

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-15-

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Dispositif permettant de déterminer le comportement dans le

temps d'impulsions optiques ultra-courtes, caractérisé par un divi-

seur de faisceau, deux réflecteurs prévus dans les trajets de deux faisceaux partiels formés par le diviseur de faisceau, réflecteurs dont au moins l'un peut être déplacé dans la direction de l'axe du faisceau partiel correspondant, un détecteur photosensible, inséré dans le trajet des faisceaux partiels qui s'interfèrent et qui sont réunis en un seul faisceau par le diviseur de faisceau et un système

pour le traitement du signal de détection.

2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément permettant de régler l'intensité de ce faisceau partiel

est inséré dans le trajet-d'au moins l'un des faisceaux partiels.

3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce

qu'un diaphragme est prévu entre le diviseur de faisceau et le détec-

teur et son diamètre d'ouverture est réglable et/ou l'ouverture peut être déplacée dans une direction perpendiculaire à l'axe du faisceau composé. 4 Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce

que les réflecteurs sont des réflecteurs plans.

Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que

l'un des réflecteurs est incliné par rapport à l'axe du faisceau par-

tiel correspondant.

6 Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en

ce que les réflecteurs sont formés par des prismes.

7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que

les prismes sont des prismes de rétroréflexion.

8 Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caratérisé en ce qu'au moins l'un des prismes peut être déplacé dans une direction

perpendiculaire à l'axe du faisceau partiel correspondant.

9 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le plan de base de l'un des prismes est incliné par rapport à l'axe

du faisceau partiel correspondant.