FR3106668A1

FR3106668A1 - Dispositif de traitement d’un faisceau lumineux par l'intermediaire d’un convertisseur multi plan pour le conformer à une forme prédéterminée

Info

Publication number: FR3106668A1
Application number: FR2000880A
Authority: FR
Inventors: Clément JACQUARD
Original assignee: Cailabs SAS
Current assignee: Cailabs SAS
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2040-01-29
Also published as: WO2021152245A1; FR3106668B1; EP4097535A1; US20230141335A1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de traitement (1) d’un faisceau lumineux d’entrée comprenant au moins une impulsion optique présentant une durée originelle, le dispositif de traitement (1) visant à conformer le faisceau lumineux d’entrée selon une forme prédéterminée. Le dispositif comprend une entrée optique (2); un dispositif étireur (9) pour allonger temporellement la durée de l'impulsion optique et ainsi propager un rayonnement temporellement étiré; un dispositif compresseur (10) pour restaurer au moins en partie la durée originelle de l’impulsion optique; une sortie optique (4). Le dispositif de traitement comprend également un dispositif de mise en forme (6), comprenant au moins un convertisseur multi plan disposé en amont du dispositif compresseur (10), configuré pour traiter le rayonnement temporellement étiré en vue de conformer le faisceau de sortie à la forme prédéterminée. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2

Description

DISPOSITIF DE TRAITEMENT D’UN FAISCEAU LUMINEUX PAR L'INTERMEDIAIRE D’UN CONVERTISSEUR MULTI PLAN POUR LE CONFORMER À UNE FORME PRÉDÉTERMINÉE

DOMAINE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un dispositif optique de traitement d’un faisceau lumineux comprenant un convertisseur multi plan, le dispositif optique visant à mettre en forme ce faisceau et le conformer à une forme prédéterminée.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Il existe de nombreuses applications où la mise en forme spatiale d’un faisceau qui se propage en espace libre, c’est à dire conformer ce faisceau pour qu’il présente une forme spatiale prédéterminée, peut être pertinente. Parmi ces applications, on peut citer :

L’usinage, le perçage, la découpe de précision et le traitement ou la fonctionnalisation de surface de matériaux par laser, typiquement un laser impulsionnel dit “femtoseconde”
L’imagerie et en particulier la microscopie,
La détection par LIDAR,
Les communications optiques en espace libre.

Cette mise en forme spatiale du faisceau lumineux peut être mise en œuvre par de multiples moyens, par exemple en employant des éléments optiques tels que des éléments optiques imageant, des éléments diffractifs, des modulateurs de phase, des éléments optiques non sphériques et non plans, tel que des éléments optiques asphériques ou de formes libres (de la traduction de l’expression anglo-saxonne «freeform optics»). On connaît également de US9250454 et US2017010463 des dispositifs optiques de conversion de lumière multi plan (et plus succinctement “convertisseur multi plan” dans la suite de cette description), désignés par l’acronyme MPLC (de “Multi Plane Light Conversion” selon l’expression anglo-saxonne), permettant de réaliser toute transformation spatiale unitaire d’un rayonnement lumineux.

D’un point de vue théorique, et comme cela a été établi dans «Programmable unitary spatial mode manipulation », Morizur et Al, J. Opt . Soc. Am. A/Vol. 27, No. 11/ November 2010, une transformation spatiale unitaire peut effectivement être décomposée en une succession de transformations primaires, chaque transformation primaire affectant le profil de phase transverse du rayonnement lumineux. Dans la pratique, et sans que cela ne forme une limitation quelconque de cette technologie, un convertisseur multi plan applique typiquement entre 3 à 25 transformations primaires.

Comme cela est documenté dans la demande de brevet FR3076357, la mise en œuvre d’un convertisseur multi plan nécessite d’agencer entre elles avec une grande précision des pièces optiques dont les tolérances sont très resserrées. Par exemple, lorsque le convertisseur est mis en œuvre sous la forme d’une cavité multipassage comprenant une lame de phase réfléchissante tel que cela est décrit dans la demande précitée, cette lame de phase doit présenter une planéité aussi forte que possible, et l’agencement de cette lame vis-à-vis des autres pièces optiques du convertisseur être de l’ordre du micromètre et du microradian. Le montage doit également être très robuste pour son utilisation dans un milieu industriel, et être apte à supporter des contraintes thermiques, mécaniques (vibrations ou turbulence de l’air environnant) de fortes intensités. Former un convertisseur plus compact, mettant en œuvre des pièces optiques de plus petites dimensions et agencées plus à proximité les unes des autres, peut contribuer à résoudre ce problème général. Toutefois, cette recherche de compacité est limitée par la dimension des zones microstructurées sur lesquelles le faisceau se réfléchit et se transforme, ainsi que par la distance de propagation du faisceau en espace libre nécessaire à parfaire la transformation optique. Pour lever cette limitation selon à la fois la dimension transverse et longitudinale, il est nécessaire de réduire la taille du faisceau.

La réduction de la taille du faisceau conduit à densifier la distribution spatiale de son énergie. Cet accroissement de densité peut être amplifié localement lorsque la mise en forme du faisceau, comme c’est le cas dans un convertisseur multi plan, repose sur une modification itérative de son profil spatial, ce qui affecte au cours de ces itérations la distribution spatiale de son énergie. La fluence, c’est-à-dire la densité surfacique d’énergie, sur les pièces optiques qui composent le convertisseur peut devenir localement très importante et excéder les limites d’endommagement de ces pièces.

Ce problème se pose tout particulièrement lorsque le faisceau lumineux est formé d’un train d’impulsions très courtes, de quelques femtosecondes à quelques centaines de femtosecondes (voire même, pour certaines applications dites “mega joules”, pour des impulsions de quelques nanosecondes), conduisant à des fluences par impulsion pouvant excéder le seuil d’ablation des matériaux composant les pièces optiques, ce seuil étant typiquement de l’ordre d’une fraction de J/cm^2. Choisir des matériaux plus robustes pour former ces pièces ou fournir un revêtement de protection peut être très coûteux à mettre en œuvre, voire impossible.

Un but de la présente invention est de remédier au moins en partie à ce problème. Plus spécifiquement, un but de l’invention est de fournir un dispositif de mise en forme d’un faisceau lumineux comprenant un convertisseur multi plan, le faisceau étant formé d’au moins une impulsion optique et le convertisseur pouvant être réalisé de manière compacte, de sorte à faciliter sa fabrication et améliorer sa robustesse lors de son utilisation, tout en limitant son coût.

BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION

L’objet de l’invention propose un dispositif de traitement d’un faisceau lumineux d’entrée comprenant au moins une impulsion optique présentant une durée originelle, le dispositif de traitement visant à conformer le faisceau lumineux d’entrée selon une forme prédéterminée.

Selon l’invention, le dispositif de traitement comprend et comprenant:

- une entrée optique pour recevoir le faisceau lumineux d’entrée ;

- un dispositif étireur pour allonger temporellement la durée de l'impulsion optique par étalement spectral du faisceau lumineux d’entréeet ainsi propager un rayonnement temporellement étiré;

- un dispositif compresseur pour restaurer au moins en partie la durée originelle de l’impulsion optique;

- une sortie optique, disposée en aval du dispositif compresseur, pour propager un faisceau de sortie ;

-un dispositif de mise en forme, comprenant au moins un convertisseur multi plan disposé en amont du dispositif compresseur, configuré pour traiter le rayonnement temporellement étiré en vue de conformer le faisceau de sortie à la forme prédéterminée.

L’allongement la durée de l’impulsion optique permet de réduire la taille du faisceau et de proposer un convertisseur multi plan compact, ce qui facilite sa fabrication et améliore sa robustesse. Cet effet est d’autant plus marqué que les distances de propagation nécessaires à la réalisation de la transformation optique, et donc la dimension longitudinale du convertisseur, évoluent quadratiquement avec la taille du faisceau.

Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaisontechniquement réalisable :

le dispositif de mise en forme comprend en outre au moins un élément optique diffractif, un modulateur de phase spatiale, un système optique comprenant au moins une lentille, un axicon ou un élément optique non sphérique et non plan ;

l’élément optique non sphérique et non plan est un élément optique réflectif ;

le convertisseur multi plan est configuré pour spatialement séparer, dans un plan de séparation, le rayonnement temporellement étiré en un rayonnement utile, dans un mode cible, et en un rayonnement de perturbation, et le dispositif de mise en forme comprend également au moins un dispositif de blocage du rayonnement de perturbation, disposé dans le plan de séparation pour qu’il ne contribue pas au faisceau de sortie ;

le dispositif de traitement comprend une pluralité de dispositifs de blocage disposés respectivement dans une pluralité de plans de séparation dans lesquels on isole spatialement une partie du rayonnement de perturbation ;

le au moins un dispositif de blocage comprend un élément optique absorbant, diffusant ou réfléchissant ;

le dispositif de traitement comprend au moins un amplificateur optique disposé entre le dispositif étireur et le dispositif de compresseur ;

le convertisseur multi plan est disposé en aval d’un amplificateur optique ;

le convertisseur multi plan est disposé en amont d’un amplificateur optique ;

l’amplificateur optique est intégré au convertisseur multi plan ;

le dispositif de mise en forme comprend une première partie disposée en amont du dispositif compresseur, et une deuxième partie disposée en aval de ce dispositif.

Selon un autre aspect, l’objet de l’invention propose un système optique comprenantune source émettant un faisceau lumineux d’entrée comprenant au moins une impulsion optique présentant une durée originelle et un dispositif de traitement tel que décrit précédemment.

Avantageusement, la durée originelle de l’impulsion optique est comprise entre 1 femtoseconde et plusieurs nanosecondes, et de préférence inférieure à 1 picoseconde.

D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels :

La figure1 représente un exemple d’application d’un dispositif de traitement conforme à l’invention;

La figure 2 représente schématiquement un dispositif de traitement conforme à l’invention;

La figure3 représente un exemple particulier du dispositif de traitement.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Définitions

Par souci de clarté, on définit dans la présente demande un rayonnement lumineux ou un faisceau lumineux comme un rayonnement formé d’au moins un mode du champ électromagnétique, chaque mode formant une distribution spatio-fréquentielle de l’amplitude, de la phase, et de la polarisation du champ. En conséquence, la modification ou la transformation de la phase du rayonnement lumineux désigne la modification ou la transformation spatio-fréquentielle de chacun des modes du rayonnement.

Par souci de simplification, on considérera dans la présente description que les rayonnements et/ou faisceaux sont polarisés selon une unique direction. Toutefois les principes exposés sont tout à fait applicables à un rayonnement ou un faisceau présentant plus d’une direction de polarisation.

On désignera par « forme » d’un rayonnement ou d’un faisceau la distribution transverse de l’amplitude et de la phase du mode ou la combinaison des distributions transverses d’amplitude et de phase des modes composant ce rayonnement. Il s’agit donc de la forme spatiale du rayonnement ou du faisceau.

On désigne par paramètres spatiaux d’un faisceau lumineux, ou plus simplement «paramètre du faisceau lumineux» les paramètres scalaires définissant les distributions d’amplitude et de phase associées au champ électromagnétique. On peut citer comme exemple de tels paramètres spatiaux les paramètres suivants :

la direction de propagation du faisceau lumineux, définie par l’intermédiaire de la phase linéaire moyenne du champ électromagnétique associé;
la position du faisceau lumineux, définie comme la position du centre de gravité de la distribution d’intensité du faisceau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau;
la taille horizontale ou verticale du faisceau lumineux, définie comme la déviation standard de la distribution d’intensité marginale horizontale ou verticale (ainsi que cela est bien défini par la norme internationale ISO);
l’ellipticité du faisceau;
la divergence du faisceau, éventuellement anisotrope.

Par souci d’exhaustivité, on rappelle les principes de fonctionnement d’un convertisseur multi plan. Dans un tel dispositif, un faisceau lumineux incident subit une succession de réflexions et/ou de transmissions, chaque réflexion et/ou mise en forme étant suivie par une propagation du faisceau en espace libre. Certaines au moins des pièces optiques sur lesquelles s’opèrent les réflexions et/ou les transmissions, généralement en des emplacements successifs distincts, et qui guident la propagation du faisceau incident, présentent une surface microstructurée qui modifie la phase du faisceau lumineux incident pour lui impartir une fonction optique prédéterminée. On prévoit ainsi généralement au moins 4 réflexions et/ou transmissions, comme par exemple 8, 10, 12, 14, voire au moins 20 réflexions et/ou transmissions. Avantageusement, la forme du rayonnement lumineux incident et du rayonnement lumineux modifiés sont différentes l’une de l’autre. On trouvera en autre dans les documents « Programmable unitary spatial mode manipulation », Morizur et Al, J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 27, No. 11/November 2010 ; N. Fontaine et Al, (ECOC, 2017),“Design of High Order Mode-Multiplexers using Multiplane Light Conversion”; US9250454 et US2017010463 les fondements théoriques et des exemples de mise en œuvre pratique d'un tel convertisseur multi plan.

Par « surface microstructurée », on signifie que la surface de la pièce optique peut présenter un relief, par exemple sous la forme de « pixels » dont les dimensions sont comprises entre quelques microns à quelques centaines de microns. Le relief ou chaque pixel de ce relief présente une élévation variable par rapport à un plan moyen définissant la surface en question, allant de quelques centaines de nanomètres au maximum à quelques centaines de microns au maximum, en valeur absolue. Une pièce optique présentant une telle surface microstructurée forme un masque de phase introduisant des déphasages locaux au sein de la section transverse du faisceau lumineux qui s’y réfléchit ou qui s’y transmet.

Application

En introduction de la présente description, et à titre d’illustration des besoins ayant conduit à la présente invention, on a représenté sur la figure 1 un exemple d’application d’un dispositif de traitement 1 conforme à l’invention dans le domaine de l’usinage et du traitement de surfaces.

Un tel dispositif 1 possède une entrée optique 2 pour recevoir un faisceau lumineux d’entrée issu d’une source optique 3, par exemple une source laser impulsionnelle. Le faisceau d’entrée comprend au moins une impulsion optique présentant une durée déterminée. Conventionnellement, le faisceau d’entrée est formé d’un train d’impulsions de durées sensiblement identiques, les impulsions du train présentant une fréquence de répétition déterminée, mais l’invention n’est nullement limitée à cette configuration conventionnelle. Un dispositif de traitement 1 conforme à l’invention trouve un intérêt tout particulier lorsque la source est configurée pour générer un faisceau d’entrée présentant des impulsions dont la durée déterminée est très courte, par exemple de l’ordre de grandeur des femtosecondes (de 1fs à 1 ps). La fréquence de répétition de ces impulsions est typiquement comprise entre quelques kHz et 1 MHz, par exemple de l’ordre de 100kHz. L’énergie d’une impulsion optique générée par la source, notamment lorsque le faisceau d’entrée a été préalablement amplifié, peut atteindre des valeurs de l’ordre du micro Joule à plusieurs millijoules.

La taille du faisceau au niveau de l’entrée optique 2 du dispositif présente une valeur de préférence inférieure à 180 microns, de préférence inférieure à 130 microns, voire même 100 microns. On peut traiter de la sorte le faisceau à l’aide de dispositifs compacts. Pour être complet, on rappelle que le spectre optique d'une telle impulsion ultra-brève n'est pas monofréquence, comme cela peut être le cas pour faisceau continu, et ce spectre possède donc une certainelargeur spectrale.

Le dispositif de traitement 1 présente également une sortie optique 4 pour émettre un faisceau lumineux de sortie. Sur la représentation de la figure 1, l’entrée et la sortie optique 2, 4 sont constitués d’un simple passage permettant la propagation en espace libre des faisceaux, mais on pourrait prévoir que cette entrée et cette sortie soient l’une et/ou l’autre formées d’un connecteur ou d’un étage optique, permettant par exemple de coupler le dispositif de traitement 1 à au moins une fibre optique d’entrée et/ou de sortie.

Comme cela sera détaillé dans la suite de cette description, le dispositif de traitement 1 a pour fonction principale de conformer le faisceau lumineux de sortie à une forme prédéterminée. Dans l’exemple représenté sur la figure 1, le faisceau d’entrée présente une forme gaussienne, symbolisé par un cercle sur cette figure, et le faisceau de sortie présente une forme dite «top hat», symbolisée par un carré. La forme du faisceau lumineux de sortie est généralement différente de celle du faisceau lumineux d’entrée, mais cela n’est pas nécessairement toujours le cas. En effet, le dispositif de traitement 1 peut chercher à rendre stable et invariante la forme d’un faisceau d’entrée, lorsque celle-ci est susceptible de varier dans le temps, sans nécessairement chercher à modifier la forme nominale de ce faisceau. Ces variations peuvent correspondre à une instabilité de la source ou à un déplacement relatif de la source vis-à-vis des autres éléments du système, ce déplacement pouvant par exemple être provoqué par des vibrations ou un autre type d’interaction mécanique avec l’environnement du système. Ces variations conduisent à faire varier un paramètre du faisceau émis par la source, et le dispositif de traitement 1 peut chercher à compenser cette variation.

Dans l’exemple d’application de la figure 1, le dispositif de traitement est relié à un dispositif de balayage S permettant d’orienter de manière contrôlée le faisceau de sortie, pour le diriger vers une pièce qui doit être traitée et en balayer la surface. A cet effet, le dispositif de balayage S peut comprendre une pluralité de miroirs mobiles dont l’orientation est asservie par un dispositif de commande, non représenté, afin que le faisceau de sortie suive une trajectoire prédéterminée. Le dispositif de balayage S peut comprendre d’autres pièces optiques, telles que des lentilles, afin d’imager le faisceau lumineux de sortie sur la pièce à traiter.

Selon la nature du traitement de la pièce, on peut préférer projeter sur cette pièce un faisceau présentant une forme déterminée plutôt qu’une autre. La présente invention prévoit donc de fournir un dispositif de traitement pour mettre en œuvre cette mise en forme maîtrisée du faisceau.

Dispositif de traitement

En référence à la figure 2, on décrit maintenant l’architecture générale d’un mode de mise en œuvre du dispositif de traitement 1. Outre l’entrée optique 2 et la sortie optique 4 qui ont déjà été décrits, un tel dispositif comprend, en aval de l’entrée optique 2, un dispositif étireur 9 pour allonger temporellement la durée des impulsions optiques du faisceau d’entrée. Un tel dispositif étireur tend à introduire un retard contrôlé entre les différentes fréquences optiques du faisceau d’entrée pour fournir et propager un rayonnement, désigné dans la suite de cette description «rayonnement temporellement étiré». Ce rayonnement temporellement étiré présente donc des impulsions dont la durée peut être jusqu’à 100 ou 1000 fois plus grande que la durée originelle des impulsions du faisceau d’entrée. En conséquence, la puissance crête des impulsions composant le rayonnement temporellement étiré est très réduite. La forme du faisceau d’entrée n’est pas particulièrement affectée par le dispositif étireur 9, si bien qu’un faisceau d’entrée présentant par exemple une forme gaussienne conduira à former un rayonnement temporellement étiré qui présente également une forme essentiellement gaussienne. On note que d’une manière générale, l’étalement temporel de l’impulsion “étirée” doit être inférieur à la période de répétition de cette impulsion (lorsque le faisceau issu de la source 3 est composé d’une telle répétition d’impulsions), pour éviter de superposer temporellement une pluralité d’impulsions après ce traitement.

Il existe de multiples manières de réaliser un tel dispositif étireur 9. La figure 2 présente une implémentation basée sur une paire de réseaux de diffraction, une paire de lentilles et un miroir plan. Cet agencement, comme cela est bien connu en soi, permet d’introduire un étalement dans le temps des impulsions sans introduire de transformation spatiale. Un agencement alternatif est possible en remplaçant la seconde moitié du dispositif par un miroir plan de manière à effectuer un repliement. On pourrait bien entendu envisager d’autres implémentations pour réaliser cet étalement temporel des impulsions composant le faisceau d’entrée, par exemple à base de prismes optiques ou de réseaux de Bragg fibrés ou volumiques.

Poursuivant la description de la figure 2, le dispositif de traitement 1 comprend également un dispositif compresseur 10, disposé en aval du dispositif étireur 9 et en amont de la sortie optique 4. Ce dispositif vise à restaurer (au moins en partie) la durée originelle de l’impulsion optique, en réalisant un traitement inverse à celui du dispositif étireur, c’est-à-dire en éliminant au moins une partie du retard contrôlé introduit entre les différentes fréquences optiques de l’impulsion d’origine. Il fournit un faisceau de sortie, comprenant un train d’impulsions dont la durée est similaire à la durée des impulsions du faisceau d’entrée, voire même réduite par rapport à la durée originelle des impulsions du faisceau d’entrée. Ce faisceau de sortie est dirigé vers la sortie optique 4 du dispositif de traitement 1.

Similairement au dispositif étireur 9, un exemple de mise en œuvre du dispositif compresseur peut comprendre deux réseaux de diffraction placé parallèlement l’un à l’autre et en vis-à-vis et d’un miroir agencé pour que le faisceau réalise un chemin optique d’aller-retour entre ces deux réseaux. D’autres modes de mise en œuvre sont possibles, notamment à base de prismes optiques ou de réseaux de Bragg fibrés ou volumiques.

Le rayonnement se propageant dans le dispositif de traitement 1, entre le dispositif étireur 9 et le dispositif compresseur 10, est donc formé d’impulsions dont la durée est bien supérieure à celle originelle des impulsions du faisceau d’entrée et dont la puissance crête est bien moindre. Ce rayonnement peut donc être traité, pour être mis en forme, par des pièces optiques conventionnelles, de dimensions relativement réduites et peu coûteuses. On peut donc, dans une certaine mesure, réduire la taille du faisceau d’entrée ou préserver un faisceau de taille raisonnable, ce qui permet de donner une forme compacte au dispositif de mise en forme 6, notamment lorsque celui-ci comporte un convertisseur multi plan, comme cela sera détaillé dans une section ultérieure de cette demande.

Poursuivant la description de l’exemple représenté sur la figure 1, disposé au moins en partie entre le dispositif étireur 9 et le dispositif compresseur 10, un dispositif de traitement conforme à la présente description comprend un dispositif de mise en forme 6 pour traiter le rayonnement temporellement étiré issu du dispositif étireur 9 et produire un rayonnement, désigné dans la suite de cette description par «rayonnement de sortie» présentant une forme prédéterminée. Ce rayonnement de sortie est ensuite propagé vers et traité par le dispositif compresseur 10, comme cela a été décrit précédemment, sans affecter la forme de ce rayonnement, si bien que le dispositif de mise en forme 6 a pour effet de conformer le faisceau de sortie du dispositif de traitement à la forme prédéterminée.

Dans le cadre de la présente description, et en référence à la figure 3, le dispositif de mise en forme 6 comprend un convertisseur multi plan 5, disposé en amont du dispositif compresseur 10. Ce convertisseur multi plan 5 peut avoir été configuré pour mettre en forme le faisceau pour que le faisceau de sortie présente la forme déterminée et/ou pour stabiliser le faisceau d’entrée, par filtrage modal. On pourra s’appuyer sur les références fournies dans un passage antérieur de cette description pour configurer le convertisseur multi plan pour qu’il façonne le rayonnement temporellement étalé en un rayonnement dont la forme est différente, contribuant à la forme déterminée du faisceau de sortie. Mais outre ce convertisseur multi plan 5, le dispositif de mise en forme peut également comprendre un agencement 11 d’éléments optiques choisis dans la liste suivante pour assister les transformations opérées par ce convertisseur 5 :

un élément optique diffractif («DOE» pour «Diffractive Optical Element» selon l’expression anglo-saxonne);
un modulateur de phase spatiale («SLM» pour «Spatial Light Modulator» selon l’expression anglo-saxonne),
un système optique imageant ou comportant au moins une lentille;
un axicon;
un miroir sphérique;
au moins un élément optique, transmissif ou réflectif, non sphérique et non plan, tel qu’un élément optique asphérique ou de forme libre (de la traduction de l’expression anglo-saxonne «freeform optics»).

Avantageusement, ces éléments optiques seront de type réflectif, car ils présentent une dispersion chromatique inférieure et une tenue en puissance supérieure à un élément optique de type transmissif.

Le convertisseur multi plan 5, éventuellement assisté des éléments optiques de l’agencement 11 du dispositif de mise en forme 6, sont configurés et agencés pour que le faisceau de sortie présente la forme prédéterminée. Cette forme est choisie selon le besoin de l’application et peut correspondre, en sortie du dispositif de traitement 1 ou après propagation du faisceau de sortie en espace libre ou guidée, à par exemple :

un faisceau à plateau plat (« Flat Top ») carré ou rectangulaire;
un faisceau à plateau plat (« Flat Top ») circulaire;
un faisceau de Bessel;
un faisceau à plateau en forme de ligne (produit d’un plateau plat selon une première direction et d’une gaussienne selon une direction perpendiculaire à la première);
un faisceau en forme d’anneau;
ou toute autre forme de faisceau pertinente au procédé concerné.

Pour faciliter la mise en forme du rayonnement de sortie et former un faisceau selon l’une des formes données en exemple ci-dessus, on peut notamment prévoir d’inclure dans le dispositif de mise en forme 6 au moins un élément optique non sphérique et non plan, et préférentiellement entre 1 et 3 de ces éléments. Par «élément optique non sphérique et non plan», on désigne un élément optique, transmissif ou réflectif, dont les surfaces ne sont ni sphériques, ni planes. Il peut par exemple s’agir d’un élément optique asphérique (qui présente généralement une symétrie de révolution autour d’un axe perpendiculaire à son plan moyen) ou d’un élément optique à forme libre (qui ne présente pas de symétrie de révolution ou de translation autour d’un axe perpendiculaire à son plan moyen).

Un faible nombre de tels éléments optiques non sphériques et non plan, de 1 à 3, permet de façonner un rayonnement de sortie selon une grande variété de formes de faisceau, en particulier ceux donnés en exemple ci-dessus, qui trouvent un intérêt tout particulier dans les applications d’usinage, de perçage, de découpe de précision et de traitement de surface de matériaux par laser. C’est tout particulièrement le cas lorsque le faisceau d’entrée du dispositif 1 est monomode.

Convertisseur multi plande filtrage modal

Avantageusement, le dispositif de mise en forme 6 comprend un convertisseur multi plan 5 (MPLC) qui permet d’assurer un filtrage modal du rayonnement temporellement étiré, c’est-à-dire de séparer et/ou d’extraire de ce rayonnement des composantes modales spatiales non souhaitées. Ces composantes peuvent provenir d’une variation dans le temps de la forme du faisceau issu de la source 3, ou d’une manière plus générale issues des éléments optiques disposés en amont du convertisseur multi plan, que l’on souhaite donc stabiliser.

Avantageusement, ce MPLC est disposé en amont d’un éventuel agencement d’éléments optiques 11 visant à mettre en forme le faisceau de sortie, ou à compléter sa mise en forme, comme cela est illustré sur la figure 3.

D’une manière générale, un MPLC permet de transformer une base de modes transverses spatiaux d’entrée en une base de modes de sortie. Pour concevoir un MPLC, il est donc nécessaire de définir ces deux bases. Pour implémenter un filtrage modal, la base d’entrée est déterminée à partir du rayonnement lumineux incident supposé (ou nominal) au MPLC et de la connaissance de ses variations possibles. La base de modes de sortie du MPLC est déterminée par le rayonnement lumineux souhaité en sortie de ce dispositif et par la nature du moyen d’extraction de la puissance optique des composantes modales non souhaitées. On désignera le mode du rayonnement souhaité (ou «utile») en sortie du dispositif MPLC 5 comme le mode cible.

A titre d’exemple, on pourra suivre la procédure suivante pour déterminer la base de modes d’entrée du MPLC 5, lorsque le rayonnement temporellement étiré nominal est monomode :

définir comme mode d’entrée nominal, le mode le plus proche possible du mode du rayonnement temporellement étiré qui sera effectivement utilisé;
construire une famille de modes à partir du mode d’entrée nominal dont on fait varier au moins un des paramètres spatiaux;
construire une base de modes à partir de la famille de modes en utilisant une décomposition en valeurs singulières;
déterminer un premier mode de la base, comme le mode de la base ayant un recouvrement maximal avec le mode d’entrée supposé;
compléter le premier mode avec les modes obtenus lors de la décomposition en valeurs singulières puis appliquer un procédé d'orthonormalisation de ces modes pour former la base d’entrée.

Si le faisceau d’entrée est produit par une source optique multimode 3, par exemple par le biais d’une fibre multimode, on peut construire la base d’entrée du MPLC 5 à partir des modes de la source plutôt que par le procédé décrit plus haut. Le mode d’entrée nominal est alors la composante modale du faisceau comportant le plus de puissance optique.

Dans tous les cas, la base de modes d’entrée est composée de modes qui ne sont pas entièrement spatialement disjoints.

On connaît du document «Quantum measurements of spatial conjugate variables: displacement and tilt of a Gaussian beam», V. Delaubert, Optics Letters, Vol. 31, Issue 10, pp. 1537-1539, (2006), que dans la limite de variations faibles d’un paramètre physique d’intérêt (par exemple, mais pas exclusivement, la direction et/ou la position d’un faisceau lumineux), une partie de l’énergie du faisceau lumineux est transférée vers le ou les modes d’ordres supérieurs. Ainsi, dans le cas d’un mode d’entrée supposé gaussien, on pourrait décider d’utiliser une base d’entrée de Hermite-Gauss dont le premier mode est le mode gaussien d’entrée supposé.

Pour déterminer la base de modes de sortie du dispositif de filtrage modal MPLC 5, on choisit une base pour laquelle il existe un plan, appelé plan de séparation dans la présente description, dans lequel les modes de sortie autres que le mode cible sont suffisamment disjoints spatialement du mode cible pour que ces modes de sortie puissent être bloqués, par exemple par un élément optique absorbant ou diffusant, ou déviés par un élément optique réfléchissant, étant entendu que le mode cible subisse une perte d’énergie arbitrairement basse. Par exemple, on pourrait utiliser des modes de sorties gaussiens, suffisamment séparés spatialement pour que leur recouvrement soit nul deux à deux et répartis de façon linéaire dans le plan séparation, en triangle ou en rectangle.

Le dispositif de filtrage modal MPLC 5 d’un dispositif de mise en forme 6 conforme à la présente description est configuré pour transformer la base de modes d’entrée en la base de mode de sortie en assurant notamment que le mode d’entrée supposé soit transformé en le mode cible.

L’élément optique bloquant, diffusant ou réfléchissant (ou plus généralement le dispositif de blocage 8) peut être intégré au dispositif de mise en forme 6. Il peut notamment être intégré au MPLC 5, ou séparé physiquement de celui-ci, comme cela est le cas sur la représentation schématique de la figure 3. Le MPLC 5 peut notamment être assorti d’un élément de détection permettant de collecter les modes de sortie du MPLC 5 associés aux modes de perturbations du faisceau lumineux incident en vue de leur détection totale ou partielle.

Il peut exister une multitude de plans transverses dans lequel le rayonnement utile et le rayonnement de perturbation sont spatialement séparés. On pourra dans ce cas placer le dispositif de blocage 8 dans l’un au moins de ces plans, ou répartir les éléments optiques composant le dispositif de blocage 8 dans une pluralité de tels plans.

Dans le cas d’un rayonnement temporellement étiré particulier, correspondant à un rayonnement temporellement étiré nominal dont un au moins des paramètres spatiaux aurait été modifié, le dispositif de filtrage modal MPLC 5 effectue une projection, au sens mathématique du terme, de ce rayonnement particulier sur la base de ses modes d’entrée. La puissance optique dans chaque mode d’entrée du MPLC 5 est transférée vers le mode de sortie associé. En l’absence d’une variation de l’un au moins des paramètres spatiaux, la totalité de la puissance optique du rayonnement lumineux d’entrée particulier est transférée par le MPLC 5 vers le mode cible. En cas de variation des paramètres du rayonnement temporellement étiré vis-à-vis des paramètres nominaux de ce rayonnement, la part de puissance optique du rayonnement temporellement étiré particulier dans le mode d’entrée nominal, désignée comme la puissance utile, est transférée par le MPLC 5 du mode d’entrée nominal vers le mode cible sous forme de rayonnement utile. La part de puissance optique du rayonnement temporellement étiré particulier dans les autres modes d’entrée de la base, désignée comme la puissance non utile, est transférée par le MPLC 5 vers les modes de sortie, orthogonaux au mode cible, sous forme de rayonnement de perturbation. Dit autrement, le MPLC est configuré pour spatialement séparer, dans un plan de séparation 7, le rayonnement temporellement étiré en un rayonnement utile, dans un mode cible qui se propage vers les éléments de mise en forme de l’agencement 11, et en un rayonnement de perturbation.

La part de puissance optique dans les modes de sortie du MPLC 5 orthogonaux au mode cible, c’est-à-dire le rayonnement de perturbation, peut alors être bloquée par le dispositif de blocage 8, formé par exemple d’un élément optique absorbant, diffusant, ou par un quelconque élément optique de collection en vue d’une détection totale ou partielle.

Le MPLC 5 constitue ainsi un filtre modal passif où, dans la limite de petites variations des paramètres spatiaux du rayonnement temporellement étiré, la puissance optique du rayonnement lumineux qui est en dehors du mode d’entrée nominal est totalement extraite.

Le mode cible (constituant le rayonnement utile) et les autres modes (constituant le rayonnement de perturbation) peuvent ne pas être tous séparables dans un unique plan de séparation. Dans cette situation, on peut prévoir une pluralité de plans de séparation, distants les uns des autres d’un espace de propagation, dans lesquels on peut successivement isoler une partie des autres modes contribuant au rayonnement de perturbation. On prévoira dans ce cas une pluralité de dispositifs de blocage 8 qu’on disposera respectivement dans les plans de séparation, afin de bloquer la part du rayonnement de perturbation spatialement isolée dans chaque plan.

Le dispositif de filtrage modal MPLC 5 permet de séparer la puissance utile de la puissance non utile, c’est-à-dire le rayonnement utile du rayonnement de perturbation. Il peut être particulièrement intéressant d’optimiser les paramètres spatiaux du faisceau lumineux d’entrée ou du rayonnement temporellement étiré en maximisant et/ou minimisant respectivement la puissance utile et/ou la puissance non utile. On peut utiliser un dispositif de commande actif (des miroirs motorisés, ou un dispositif acousto-optique par exemple) ou non actif (miroirs avec monture optomécanique) disposé en amont du dispositif MPLC 5, par exemple intégré au dispositif étireur 9 ou disposé entre la source 3 et le dispositif de traitement 1. Dans le cas de l’utilisation de dispositifs d’alignement actifs, on ajuste leurs paramètres par l'intermédiaire d’une boucle de rétroaction dont l’un au moins des paramètres d’entrée serait les mesures totales ou partielles des puissances utiles et/ou non utiles.

Comme on l’a déjà énoncé, le convertisseur multi plan 5 peut à la fois chercher à mettre en forme, au moins en partie, le rayonnement temporellement étiré et filtrer modalement ce rayonnement. C’est le cas notamment lorsque le convertisseur multiplan a été configuré de sorte que le mode cible de la base de sortie présente une forme différente du mode d’entrée nominal de la base d’entrée. Dans ce cas, il est possible de concevoir un unique convertisseur multiplan implémentant successivement ou simultanément la fonction de filtrage modal du rayonnement temporellement étiré et la fonction de mise en forme de ce même rayonnement, ou d’une partie de cette mise en forme.

Amplificateur optique

Selon un mode de mise en œuvre particulier, on peut prévoir de placer un amplificateur optique entre le dispositif étireur 9 et le dispositif compresseur 10. On profite alors du fait que le rayonnement se propageant entre ces deux dispositifs présente une puissance crête relativement faible pour être injecté dans un milieu à gain optique. L’amplificateur optique peut être mis en œuvre par l’intermédiaire de toute technique connue, par exemple d’un amplificateur à fibre dopée, ou d’un amplificateur en espace libre où le milieu à gain est un cristal. Il peut par exemple s’agir d’une cavité régénératrice et d’un amplificateur multipassage.

Plusieurs variantes de ce mode de mise en œuvre sont possibles.

Ainsi, on peut prévoir de placer l’amplificateur optique directement en aval du convertisseur multi plan 5 . Celui-ci traite donc un rayonnement temporellement étiré issu du dispositif étireur 9 qui présente donc une puissance crête relativement faible, ce qui permet de limiter son encombrement.

Alternativement, on peut également envisager de placer l’amplificateur optique en amont du convertisseur multi plan 5. Cette configuration particulièrement avantageuse, lorsque le dispositif de conversion 5 du dispositif de mise en forme 6 réalise un filtrage modal, permet de supprimer les éventuelles instabilités du rayonnement induites par l’amplificateur optique. Bien que l’énergie du rayonnement temporellement étiré traité par le convertisseur multi plan soit supérieure à la configuration de la variante précédente, on tire profit de l’étalement temporel du rayonnement pour préserver le caractère compact du dispositif de mise en forme 6.

Dans une autre alternative, on peut exploiter la présence d’un amplificateur optique dans le dispositif de traitement 1 pour limiter l’énergie du faisceau d’entrée fourni par la source 3. On peut alors dans ce cas prévoir de placer le convertisseur multi plan 5, entre l’entrée optique 2 et le dispositif étireur 9.

On peut également envisager de mixer les variantes précédentes, en plaçant le convertisseur multi plan 5 entre deux amplificateurs optiques, un premier amplificateur optique étant disposé en amont du convertisseur 5(avant ou après le dispositif étireur 9) et un deuxième amplificateur optique étant disposé en aval du convertisseur 5, en amont du dispositif de compression 10.

Enfin, on peut également prévoir un unique dispositif combinant la fonction de mise en forme du faisceau avec la fonction d’amplification. Par exemple, ce dispositif unique peut être formé d’un milieu à gain d’une cavité multipassage, traversé à de multiples reprises par le rayonnement. L’une au moins des surfaces réfléchissantes de la cavité peut être munie d’un pluralité de zones microstructurées mettant en œuvre un convertisseur multi plan visant à mettre en forme le rayonnement dans la cavité. Pour simplifier la réalisation pratique de ce dispositif unique, un nombre limité de zones microstructurées (2 à 5) peuvent être disposées sur l’une au moins des surfaces réfléchissantes pour intercepter le rayonnement lors de ses dernières réflexions, avant qu’il ne s’extraie de la cavité.

Alternativement, on peut former un dispositif unique fondée sur une architecture de cavité multipassage comme dans l’exemple précédent, mais dans laquelle une au moins des surface réfléchissante serait formée d’un élément optique asphérique, non plan ou de forme libre. Cette forme serait conçue et configurée pour mettre en forme le rayonnement et contribuer à donner au faisceau de sortie sa forme prédéterminée.

Dans le cas où le faisceau d’entrée est constitué d’impulsions courtes, comprise par exemple entre 1 femtoseconde et plusieurs nanosecondes (comme 5 ns), et préférentiellement inférieure à 1 picoseconde, le dispositif de traitement 1 devient particulièrement pertinent de par:

sa compatibilité avec des faisceaux lumineux de spectres optiques larges;
sa compatibilité avec des faisceaux dont les énergies par impulsion sont importantes, tout en préservant une dimension transverse du faisceau relativement petite, ce qui conduit à permettre de former un dispositif compact;
la robustesse qu’il procure aux changements des paramètres spatiaux du faisceau d’entrée lorsqu’un dispositif de filtrage modal est prévu;
le faible nombre d’éléments optiques qui composent le dispositif assure la stabilité des paramètres spatiaux des faisceaux produits, et la facilité de fabrication du dispositif.

On décrit ci-dessous un exemple de mise en œuvre rendant très apparents les avantages de l’invention.

Une source laser impulsionnelle émet un faisceau lumineux d’entrée présentant une forme gaussienne et dont la fréquence porteuse est dans le visible ou l’infrarouge proche. Cette source délivre des impulsions d’une durée de l’ordre d’une centaine de femtosecondes avec un taux de répétition de l’ordre de quelques dizaines à une centaine de mégahertz et des énergies par impulsion de l’ordre de la dizaine de nanojoules.

Dans certains cas, il peut être avantageux d’abaisser le taux de répétition à une dizaine ou une centaine de kilohertz à l’aide d’un dispositif électro-optique qui sélectionne une impulsion sur cent ou sur mille, par exemple.

Ce faisceau d’entrée est introduit dans l’entrée optique 2 d’un dispositif de traitement 1 par propagation libre. Les impulsions contenues dans le faisceau sont étirées temporellement à l’aide d’un dispositif étireur 9 semblable au dispositif étireur présenté sur la figure 3 et composé de composants standards, tels que des réseaux de diffraction holographiques à 600 lignes par millimètres et des lentilles de focales communes, par exemple de cent ou deux cents millimètres. On obtient alors un rayonnement temporellement étiré présentant des impulsions dont la durée est de l’ordre de la centaine de picosecondes, soit 1000 fois plus longues que leurs durées originelles.

Les impulsions sont ensuite amplifiées à l’aide d’un amplificateur optique en espace libre comme une cavité régénératrice ou un amplificateur multipassage, ou la combinaison successive de ces deux solutions. Les impulsions ainsi obtenues contiennent alors une énergie de quelques dizaines de microjoules à quelques dizaines de millijoules selon le gain de chaque étage amplificateur.

À la suite de cette amplification optique, on réalise une mise en forme spatiale du rayonnement amplifié à l’aide d’un dispositif de mise en forme 6 conforme au dispositif 6 décrit en relation avec la description des figures 2 et 3. Le dispositif de mise en forme 6 comprend notamment ici un dispositif de conversion multi plan 5 configuré pour stabiliser les paramètres du rayonnement issu de l’étage d’amplification optique, la propagation du rayonnement de perturbation étant alors bloqué par un élément absorbant. Le rayonnement utile fourni par le dispositif de conversion multiplan, présente à l’issue de ce traitement, une forme stable et gaussienne. Ce rayonnement est alors mis en forme de plateau plat carré par un agencement formé de 2 optiques réflectives à formes libres, et dont les formes respectives ont été conçues pour précisément opérer cette transformation.

En prenant l’hypothèse que le rayonnement incident au dispositif de mise en forme 6 est composé d’impulsions de 100 picosecondes contenant chacune 1 millijoule avec un taux de répétition de 100 kilohertz, ce rayonnement présente alors une puissance optique moyenne de 100 watts. Dans le cas d’un rayonnement incident gaussien, et pour une fluence maximale tolérée par les pièces composant le dispositif de mise en forme 6 de 10J/cm², une taille du rayonnement incident au dispositif de mise en forme 6 de 160 micromètres permet d’éviter tout endommagement. Pour une telle taille de faisceau, le dispositif de conversion multi plan 5 peut alors être contenu dans un volume de l’ordre de 250cm³.

La partie utile du rayonnement émis par le dispositif de mise en forme 6 se propage et les impulsions qu’il contient sont comprimées temporellement à l’aide d’un dispositif compresseur 10 similaire à celui décrit en relation avec la description de la figure 2. Il est ici composé de réseaux de diffraction semblables à ceux du dispositif étireur 9 décrit plus haut. Les impulsions du rayonnement émis par le dispositif compresseur 10 atteignent alors une durée de l’ordre de la centaine de femtosecondes, 500 femtosecondes par exemple. Ce rayonnement se propage vers la sortie optique pour former le faisceau de sortie, dont la forme est en plateau plat carré et dont les paramètres sont bien stables.

Dans les mêmes hypothèses de travail (c.-à-d. un rayonnement incident de forme gaussienne contenant des impulsions de 500 femtosecondes de chacune 1 millijoule et un taux de répétition de 100 kilohertz), l’utilisation d’un dispositif de mise en forme 6 de l’état de la technique aurait imposé que le rayonnement incident au dispositif de mise en forme 6 présente une taille minimale de 1100 micromètres pour éviter tout endommagement des pièces optiques. Le convertisseur multi plan 5 de ce contre-exemple aurait alors occupé un volume de l’ordre de 5000cm³, vingt fois supérieur au convertisseur multi plan 5 d’un dispositif de mise en forme 6 conforme à l’invention.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit et à ses variantes. On peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Le dispositif de traitement 1 peut prévoir d’autres éléments optiques que ceux qui viennent d’être décrits. Il peut notamment s’agir d’éléments, tels que les miroirs représentés sur la figure 2, permettant de guider la propagation du rayonnement optique traversant le dispositif 1 pour qu’il soit traité successivement par les différents dispositifs qui le compose (dispositif étireur, compresseur, de transmission, amplificateur(s)).

Par ailleurs, on peut prévoir que le dispositif de traitement 1 comprenne d’autres éléments optiques visant à mettre en forme le faisceau, par exemple disposé en aval du dispositif compresseur 10. Le dispositif de mise en forme 6 comprend alors une première partie disposée en amont du dispositif compresseur 10, et une deuxième partie disposée en aval de ce dispositif compresseur 10. On prendra soin dans ce cas de choisir les éléments optiques de la deuxième partie du dispositif de mise en forme 6 pour qu’ils soient compatibles avec l’énergie délivrée par le faisceau de sortie.

Claims

Dispositif de traitement (1) d’un faisceau lumineux d’entrée comprenant au moins une impulsion optique présentant une durée originelle, le dispositif de traitement (1) visant à conformer le faisceau lumineux d’entrée selon une forme prédéterminée et comprenant:
- une entrée optique (2) pour recevoir le faisceau lumineux d’entrée ;
- un dispositif étireur (9) pour allonger temporellement la durée de l'impulsion optique par étalement spectral du faisceau lumineux d’entré et ainsi propager un rayonnement temporellement étiré;
- un dispositif compresseur (10) pour restaurer au moins en partie la durée originelle de l’impulsion optique;
- une sortie optique (4), disposée en aval du dispositif compresseur (10), pour propager un faisceau de sortie ;
-un dispositif de mise en forme (6), comprenant au moins un convertisseur multi plan (5) disposé en amont du dispositif compresseur (10), configuré pour traiter le rayonnement temporellement étiré en vue de conformer le faisceau de sortie à la forme prédéterminée.
Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de mise en forme (6) comprend en outre au moins un élément optique diffractif, un modulateur de phase spatiale, un système optique comprenant au moins une lentille, un axicon ou un élément optique non sphérique et non plan.
Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente dans lequel l’élément optique non sphérique et non plan est un élément optique réflectif.
Dispositif de traitement (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le convertisseur multi plan (5) est configuré pour spatialement séparer, dans un plan de séparation (7), le rayonnement temporellement étiré en un rayonnement utile, dans un mode cible, et en un rayonnement de perturbation, et le dispositif de mise en forme (6) comprend également au moins un dispositif de blocage (8) du rayonnement de perturbation, disposé dans le plan de séparation (7) pour qu’il ne contribue pas au faisceau de sortie.
Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente comprenant une pluralité de dispositifs de blocage (8) disposés respectivement dans une pluralité de plans de séparation (7) dans lesquels on isole spatialement une partie du rayonnement de perturbation.
Dispositif de traitement (1) selon l’une des deux revendications précédentes dans lequel le au moins un dispositif de blocage (8) comprend un élément optique absorbant, diffusant ou réfléchissant.
Dispositif de traitement (1) selon l’une des revendications précédentes comprenant au moins un amplificateur optique disposé entre le dispositif étireur (9) et le dispositif de compresseur (10).
Dispositif de traitement (1) selon la revendication précédente dans lequel le convertisseur multi plan (5) est disposé en aval d’un amplificateur optique.
Dispositif de traitement (1) selon la revendication 7 ou 8 dans lequel le convertisseur multi plan (5) est disposé en amont d’un amplificateur optique.
Dispositif de traitement (1) selon la revendication 7 dans lequel l’amplificateur optique est intégré au convertisseur multi plan (5).
Dispositif de traitement (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de mise en forme (6) comprend une première partie disposée en amont du dispositif compresseur (10), et une deuxième partie disposée en aval de ce dispositif (10).
Système optique comprenant:
une source (3) émettant un faisceau lumineux d’entrée comprenant au moins une impulsion optique présentant une durée originelle;

un dispositif de traitement (1) conforme à l’une des revendications précédentes.
Système optique selon la revendication précédente dans lequel la durée originelle de l’impulsion optique est comprise entre 1 femtoseconde et plusieurs nanosecondes, et de préférence inférieure à 1 picoseconde.