Réseaux de diffraction pour les lasers de haute intensité

Un réseau de diffraction est un composant optique obtenu en structurant périodiquement une interface séparant deux matériaux. Cette structuration entraîne une modulation de l’indice de réfraction suivant une ou deux directions du plan de l’interface. Cette modulation périodique de l’interface est à l’origine de la propriété optique la plus remarquable des réseaux de diffraction, que l’on peut résumer très simplement : un faisceau lumineux éclairant le réseau à une incidence donnée est diffracté en faisceaux secondaires réfléchis et/ou transmis suivant plusieurs angles précis. Chacun des faisceaux diffractés correspond à ce que l’on appelle un ordre de diffraction. Le nombre de faisceaux réfléchis et/ou transmis, ainsi que leurs angles associés, peuvent être prédits très simplement avec la loi des réseaux. Cette loi annonce les angles de diffraction en fonction de la période de la modulation, de l’angle d’incidence et de la longueur d’onde. Et c’est précisément cette dernière dépendance, celle de l’angle de diffraction en fonction de la longueur d’onde, qui est à l’origine des nombreuses applications des réseaux. Cette caractéristique entraîne en effet une dispersion des faisceaux diffractés. En particulier, un faisceau lumineux possédant un contenu spectral sera diffracté, pour chaque ordre de diffraction donné, avec des angles différents en fonction de la longueur d’onde. Il sera alors possible de mesurer l’intensité spectrale du faisceau. Cette propriété dispersive des réseaux de diffraction les amène à être couramment utilisés en spectroscopie pour des applications dans les domaines du spatial, des biosenseurs, ou des capteurs.

La période du réseau étant de l’ordre de la longueur d’onde, la fabrication de ces composants optiques requiert un contrôle sub-micrométrique de la gravure. Le premier réseau a été fabriqué au XVIII^e siècle et les techniques de fabrication n’ont depuis jamais cessé de progresser. Ces dernières ont notamment bénéficié dans les années 1960 de l’invention du laser. La mise en forme de faisceaux monochromatiques cohérents a en effet conduit au développement de la photolithographie. Cette technique interférométrique a permis un progrès considérable dans le contrôle de la période de gravure sur de grandes surfaces. Si l’avènement de la photolithographie par laser a marqué un tournant technologique pour les réseaux de diffraction, l’histoire montre que les réseaux de diffraction ont à leur tour révolutionné le domaine des lasers à partir des années 1980, plus précisément le domaine des lasers de haute intensité.

Ces lasers font appel à la technique d’amplification par dérive de fréquences, technique proposée en 1984 pour contourner le problème lié à l’endommagement des cristaux amplificateurs par l’impulsion. L’impulsion est tout d’abord étirée temporellement avant d’être comprimée par un ou plusieurs réseaux de diffraction. Le dimensionnement de ces faisceaux lasers de forte intensité conduit à fabriquer des réseaux de très grandes tailles, c’est-à-dire des réseaux fabriqués à l’échelle du décimètre, voire du mètre. Ces tailles sont très importantes, spécialement si l’on se réfère à l’échelle sub-micrométrique de la période de modulation. Cependant, ces faisceaux lasers poussent également les réseaux de diffraction vers leurs limites en termes de performances optiques, notamment avec des recherches d’efficacité maximale et de tolérance spectrale pour un ordre diffractif donné. Combiner ces efficacités de diffraction d’un ordre approchant les 100 % sur une gamme de longueurs d’onde pouvant aller de quelques nanomètres à plus d’une centaine de nanomètres, et ce, sur toute la surface du réseau, soulève de nombreux défis technologiques.

Cet article décrit tout d’abord les principes électromagnétiques des réseaux de diffraction et explique leur principe de fonctionnement (loi des réseaux, dispersion, ordres de propagation…). Il présente ensuite les méthodes de fabrication les plus couramment utilisées et les différents types de réseaux employés dans les chaînes lasers.

L’objectif de cet article est également de détailler l’ensemble des défis technologiques posés lors de la conception de réseaux par les chaînes laser de haute intensité pour répondre aux contraintes particulièrement exigeantes des efficacités optiques, de résistance au flux laser, de taille… Ces différents développements réalisés pour répondre à des contraintes modernes montrent l’importance de ces composants optiques majeurs que sont les réseaux de diffraction.

Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles et symboles utilisés.