Auto-optimisation moderne des impulsions ultracourtes

Introduction

Les lasers à impulsions courtes sont utilisés dans d'innombrables applications, notamment dans le traitement des matériaux, la chirurgie réfractive, l'imagerie multiphotonique, l'inspection des semi-conducteurs et une multitude d'utilisations scientifiques. Pour les fabricants de lasers, cette grande diversité encourage le développement de plateformes technologiques flexibles qui doivent être configurées en fonction des besoins des utilisateurs finaux. La gestion de cette flexibilité et de ces différentes configurations est souvent un défi ; en effet, plusieurs facteurs peuvent compliquer l'atteinte des performances visées dans les plages de fonctionnement souhaitées. Comment trouver les réglages optimaux pour chaque unité à produire avec des rendements, des délais et des coûts acceptables ? Comment s'assurer que l'impulsion aura les caractéristiques demandées par l'utilisateur à telle ou telle fréquence de répétition ?

Ce livre blanc traite du potentiel du Tunable Pulse Stretcher (TPSR) d'indiepour obtenir automatiquement des impulsions optimales avec des lasers à impulsions courtes basés sur l'amplification d'impulsions chirpées (CPA).

Rappel sur le principe des systèmes CPA

L'architecture du laser à fibre de type CPA utilisé pour générer les résultats présentés dans cet article est illustrée de manière simplifiée dans la Figure 1. Il s'agit d'une configuration classique qui permet d'élargir temporellement une impulsion laser (ici à l'aide d'un TPSR) afin d'augmenter son énergie sans risquer d'atteindre des puissances crêtes trop élevées susceptibles de générer des effets non linéaires pouvant compromettre la qualité de l'impulsion, voire l'intégrité de la chaîne d'amplification. L'étape finale consiste à recompresser l'impulsion, en propagation en espace libre, pour lui redonner sa durée minimale.

Fondamentalement, le maintien de la qualité de l'impulsion consiste à s'assurer que la dispersion de l'étireur annule la dispersion du compresseur, ainsi que toute autre contribution provenant d'un phénomène physique lié à la propagation de l'impulsion dans la chaîne optique. Pour mettre en évidence cette notion d'équilibre, nous pouvons nous concentrer sur la phase de l'impulsion qui se propage dans notre laser. Celle-ci peut être décomposée en une série de Taylor [1], et ainsi faire apparaître les coefficients de dispersion β2, β3, etc,

Ainsi, sans effet non linéaire, les phases induites par chacune des composantes du laser s'annulent :

Il convient de noter qu'il existe une phase induite par la dispersion de la fibre, PhasePropagation, correspondant principalement à la dispersion de la vitesse de groupe (GVD) de la fibre. Elle est généralement extrêmement faible, de l'ordre de quelques pourcents de PhaseTPSR. En outre, le TPSR est normalement conçu pour précompenser cette phase, c'est pourquoi elle n'est pas représentée ici. Dans une situation réelle, plusieurs conditions peuvent compromettre le maintien de l'équilibre souhaité, en particulier le fonctionnement en régime non linéaire (contribution de la modulation de phase automatique (MPA)), les tolérances des composants optiques et l'alignement du compresseur. C'est dans ces conditions que l'accordabilité de la phase TPSR devient un atout majeur, car elle permet désormais de s'affranchir de ces effets normalement limitants pour les systèmes CPA.

Optimisation automatique de la qualité de l'impulsion avec un étireur d'impulsion accordable (TPSR)

Afin d'illustrer les possibilités offertes par le TPSR, nous pouvons commencer par analyser une impulsion qui n'a pas été correctement optimisée, dont la phase finale (spectrale) n'est pas nulle. Ceci peut être dû à des composantes dont les phases ne s'annulent pas. La figure 2A) représente le profil temporel et spectral d'une impulsion mesurée via un FROG (Frequency Resolved Optical Gating) [2]. Comme on peut le voir sur le profil temporel, l'impulsion a une durée d'environ 1,2 ps alors que la largeur de son spectre pourrait fournir une durée limitée par la transformée de Fourier (TFL) d'environ 355 fs. Cette différence provient de la phase spectrale non nulle représentée en rouge sur le graphique de droite de la figure 2A).

Pour s'approcher de la limite de Fourier, cette phase doit être annulée soit en réalignant le compresseur, soit en ajustant le TPSR. D'un point de vue technique, le compresseur peut être ajusté en modifiant la distance de propagation interne et/ou en ajustant l'angle d'incidence du faisceau. Toutefois, ces ajustements nécessitent un travail laborieux qui s'effectue en propagation en espace libre et dépend de montages mécaniques rotatifs ayant leurs tolérances et leur fiabilité. De plus, dans un compresseur à réseau, les ajustements modifieront β2 et β3 de manière co-dépendante, ce qui limite la précision et la marge de manœuvre de cette méthode. La compensation avec le TPSR permet de jouer finement et indépendamment sur les paramètres ω0, β2, et β3, qui constituent la phase de l'équation (1), sans avoir recours à des pièces mobiles.

Dans l'exemple qui nous intéresse ici, l'annulation de la phase résiduelle implique d'ajouter des variations sur le TPSR pour que β2 = -0,196 ps2 et β3 = -0,24 ps3. Afin de trouver le réglage idéal du TPSR de manière simple, un algorithme d'optimisation multivariée a été utilisé : la méthode Nelder-Mead [3]. Celle-ci permet d'optimiser chaque coefficient de l'équation (1) dans le but de réduire la durée de l'impulsion mesurée (ou d'augmenter la puissance de crête, en fonction de l'outil de mesure choisi).

Si l'on revient à l'impulsion présentée précédemment (Fig. 2A)), et que l'on optimise le TPSR via la méthode Nelder-Mead, on obtient en moins de 4 minutes, sans intervention humaine, une impulsion comprimée très proche de sa TFL, telle que présentée dans la Fig. 2B)). Malgré cette optimisation, l'impulsion n'est pas parfaite et la phase présentée sur la courbe de droite n'est pas nulle. Cependant, les valeurs des coefficients résiduels ont diminué de plus d'un ordre de grandeur.

Compensation du désalignement du compresseur

Si le compresseur n'est pas parfaitement aligné avec la distance et les angles optimaux du réseau, l'équilibre de l'équation (2) ne tient plus et l'impulsion ne sera pas optimale. Il est donc nécessaire de compenser cette variation qui met en péril l'équilibre initial. Dans les paragraphes suivants, nous montrerons que le TPSR peut compenser automatiquement le désalignement du compresseur en quelques minutes.

Commençons par faire de notre mieux pour positionner notre compresseur à son angle optimal : θ0=62,97°, ce qui correspond à l'angle nominal de la conception du TPSR. Mais avec un alignement imparfait et des effets non linéaires, la compression de l'impulsion n'est pas parfaite, comme le montre la figure 3A). Comme pour la FIG. 2, les profils temporels sont représentés à gauche et les profils spectraux, ainsi que leur phase, à droite. Notons que cette fois-ci, la trace FROG est également présente. Les rebonds asymétriques de ce profil temporel suggèrent que le TOD (Third Order Dispersion) est le principal contributeur. En fait, l'impulsion semble assez courte dans le temps, et ne nécessitera qu'un léger ajustement du β2. La figure 3B) présente l'impulsion après l'optimisation du TPSR via la méthode Nelder-Mead. Le profil temporel est beaucoup plus symétrique et ne présente qu'un très faible piédestal. La phase résiduelle est beaucoup plus plate et les coefficients β2 et β3 résiduels ont fortement diminué, ce qui confirme l'optimisation de l'impulsion.

L'impulsion est donc optimisée pour une position initiale du compresseur. Nous allons maintenant forcer un désalignement de celui-ci, en faisant tourner les grilles. L'angle initial, θ0, sera réduit de 0,06°. Cette rotation modifie les paramètres du compresseur et l'équilibre de l'équation (2) est rompu. L'impulsion est directement affectée, comme le montre la figure 4A). Sa durée est considérablement allongée et sa phase spectrale est loin d'être nulle. Là encore, le TPSR peut être utilisé pour l'optimiser via la méthode de Nelder-Mead. Le résultat est illustré à la figure 4B). Un résultat tout aussi probant (non montré ici) a été obtenu en appliquant cette méthode pour un désalignement angulaire de +0,06°.

Conclusion

Les quelques exemples présentés dans ce livre blanc démontrent le potentiel de l'étireur d'impulsions accordable (TPSR) d'indiepour obtenir automatiquement des impulsions optimales avec des lasers à impulsions courtes basés sur l'amplification d'impulsions chirpées (CPA). La méthode décrite ici peut être adaptée à la production d'assemblages laser et offrir plusieurs avantages. Par rapport aux approches traditionnelles par essais et erreurs, cette méthode permet de gagner du temps dans l'obtention d'une qualité d'impulsion optimale et réduit la nécessité d'un personnel hautement qualifié. Les distorsions résultant de la variabilité des caractéristiques des composants optiques et des processus de fabrication peuvent être rapidement compensées. La finesse du contrôle de phase du TPSR suggère d'explorer des solutions d'automatisation encore plus avancées, basées par exemple sur l'apprentissage automatique, pour compenser les variations de phase d'origines diverses. Ne manquez pas nos exemples d'automatisation typique dans l'une de nos prochaines publications sur le sujet.

Nous vous invitons à contacter indie si vous avez des projets ou des besoins liés à l'automatisation de la qualité des impulsions des lasers à impulsions courtes. Nous serons heureux d'en discuter avec vous et d'explorer de nouvelles idées.

Bibliographie

[1] G. P. Agrawal, Nonlinear fiber optics. Elsevier Science, 2013.

[2] D. J. Kane et R. Trebino, "Characterization of arbitrary femtosecond pulses using frequency-resolved optical gating", IEEE J. Quantum Electron, vol. 29, no. 2, pp. 571-579, 1993, doi : 10.1109/3.199311.

[3] J. A. Nelder et R. Mead, "A Simplex Method for Function Minimization", Comput. J., vol. 7, no. 4, pp. 308-313, Jan. 1965, doi : 10.1093/COMJNL/7.4.308.

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