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EnglishRÉSUMÉ
Cet article décrit les principes électromagnétiques des réseaux de diffraction, puis explique leur intérêt dans les chaînes lasers de forte intensité. Ces chaînes lasers posent de nombreux défis à relever pour améliorer les performances optiques des réseaux et augmenter leur taille et leur résistance au flux laser. Les différentes techniques de fabrication sont détaillées et situées dans un contexte historique. Les mécanismes d’endommagement laser et la métrologie associée sont ensuite détaillés. Les principaux réseaux de diffraction utilisés dans les chaînes lasers en réflexion ou en transmission sont classifiés puis décrits.
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Nicolas BONOD : Chargé de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel, Marseille, France
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Jérôme NÉAUPORT : Ingénieur de recherche - CEA, DAM, CEA-CESTA, Le Barp, France
INTRODUCTION
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 XVIIIe 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.
MOTS-CLÉS
réseaux de diffraction lasers de puissance amplification par dérive de fréquences dispersion spectrale endommagement laser
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Métrologie des réseaux de diffraction
3.1 Caractérisation optique
La connaissance précise des propriétés optiques du réseau de compression d’impulsion est indispensable pour maîtriser au mieux la propagation du faisceau laser lors de sa compression. Ces propriétés optiques sont a minima l’efficacité de diffraction et la qualité de surface d’onde diffractée.
L’efficacité de diffraction est caractérisée à l’aide d’un photomètre [R6410] à l’incidence, à la longueur d’onde et à la polarisation de fonctionnement du réseau. Suivant le besoin et les équipements disponibles, l’efficacité de diffraction peut être mesurée en quelques points de la surface équi-répartis sur la zone utile de fonctionnement du composant optique ou sur toute la zone utile (photométrie à balayage). L’efficacité de diffraction peut varier localement ce qui traduit un écart au profil théorique du réseau fabriqué. Cette variation dépend du tolérancement du design du réseau, ainsi que des éventuelles erreurs amenées par le procédé de fabrication du réseau, elle peut atteindre un facteur 10 dans certaines zones. C’est généralement l’efficacité moyenne sur toute la zone utile du réseau qui est spécifiée, puisqu’elle traduit la perte induite par le passage d’un réseau de l’étage de compression d’impulsion. Néanmoins, les variations locales ne sont pas à négliger en fonction du schéma optique considéré.
La figure 5 présente un photomètre dédié à la mesure de composants optiques de taille métrique et donne l’exemple d’une mesure d’efficacité de diffraction sur un réseau 1 780 tr/mm (mesure à 1 053 µm, polarisation TE, incidence de 64°)
La mesure de planéité de l’onde diffractée est généralement caractérisée par interférométrie ...
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BIBLIOGRAPHIE
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NF ISO 11254-1 (2011), Lasers et équipements associés aux lasers – Méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser – Définitions et principes de base
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