Miroirs hautement dispersifs

Vous trouverez des descriptions détaillées de la dispersion et de la façon dont ce phénomène peut impacter de manière significative les systèmes laser ultrarapides dans nos notes d’application Dispersion et Dispersion ultrarapide. La fluctuation de fréquence positive, ou dispersion, introduite par la plupart des milieux optiques au sein des systèmes ultrarapides, peut être compensée pour l’utilisation de composants optiques tels que les miroirs hautement dispersifs, impliquant une dispersion négative. Cela donne aux courtes longueurs d’onde une vitesse de phase supérieure à celle de longueurs d’onde plus longues, ce qui équilibre la fluctuation de fréquence positive et comprime la durée d’impulsion (Figure 1).

Figure 1 : Les miroirs hautement dispersifs et autres optiques à compression d’impulsion introduisent une dispersion négative, venant annuler la dispersion positive rencontrée par les impulsions laser ultrarapides lorsqu’elles se propagent à travers les milieux optiques

Anciennes méthodes de compensation de la dispersion

Différents types d’optiques à compression d’impulsion étaient auparavant utilisés le plus souvent au sein de systèmes ultrarapides avant l’introduction de miroirs hautement dispersifs, notamment des prismes, réseaux, miroirs GTI (interféromètres de Gires-Tournois) et miroirs comprimés.

Réseaux et prismes dispersifs

Plusieurs prismes et réseaux à dispersion négative peuvent être introduits dans des systèmes laser ultrarapides pour équilibrer la fluctuation de fréquence positive et comprimer la durée d’impulsion (Figure 2). Les prismes dispersifs constituent généralement des configurations volumineuses prenant beaucoup de place. Les réseaux comme les prismes dispersifs présentent généralement un faible rendement, une haute sensibilité à l’alignement et à la distance de séparation et un niveau élevé de dispersion de troisième ordre, ce qui augmente l’extension temporelle.

Figure 2 : Tandis que les prismes et les réseaux peuvent être utilisés pour la compression d’impulsion, ils présentent un certain nombre d’inconvénients comparés aux miroirs hautement dispersifs

Miroirs GTI (interféromètres de Gires-Tournois)

Il est important de bien connaître les miroirs GTI (interféromètres de Gires-Tournois) pour comprendre le fonctionnement des miroirs hautement dispersifs. Les interféromètres de Gires-Tournois sont des résonateurs à ondes stationnaires utilisant un miroir GTI hautement réfléchissant pour générer une dispersion chromatique. La phase de lumière réfléchie par les miroirs GTI dépend de la longueur d’onde en raison de la résonance interne au traitement du miroir, ce qui permet aux miroirs GTI d’offrir une GDD négative dépendante de l’angle pour le contrôle de la dispersion intracavitaire dans les lasers ultrarapides. Cependant, les miroirs GTI introduisent une dispersion d’ordre élevée et ne fournissent une GDD négative que sur une gamme de longueurs d’onde limitée.

Miroirs comprimés

Il est également important de comprendre le concept de miroirs comprimés pour appréhender entièrement les miroirs hautement dispersifs. Contrairement aux miroirs GTI fournissant une GDD négative en utilisant l’effet de résonance, les miroirs comprimés introduisent une GDD négative contrôlée par le biais d’une profondeur de pénétration dépendante de la longueur d’onde dans le traitement du miroir. Les miroirs diélectriques conventionnels sont conçus pour réfléchir une longueur d’onde particulière, tandis que chaque couche de traitement d’un miroir comprimé est conçue pour réfléchir une longueur d’onde différente. L’épaisseur des couches de traitement augmente de la surface externe du miroir à la couche du fond. En conséquence, les longueurs d’onde plus longues pénètrent plus profondément dans le traitement et rencontrent des longueurs de trajet optiques plus importantes que les longueurs d’onde plus courtes, venant contrebalancer la dispersion positive (Figure 3).

Figure 3 : L’épaisseur de couche variable des miroirs comprimés entraîne une dispersion négative

Malheureusement, les transitions brusques entre différentes épaisseurs de couche dans cette structure diélectrique simple provoquent des oscillations de la dispersion de retard de groupe (GDD) en fonction de la longueur d’onde (Figure 4).

Figure 4 : Oscillations de la GDD d’un miroir comprimé ultrarapide dues à l’interversion subtile entre différentes épaisseurs de couche

Miroirs hautement dispersifs

Les miroirs hautement dispersifs ultrarapides combinent une pénétration qui dépend de la longueur d’onde, similaire à celle des miroirs comprimés, à un effet de résonance multiple interne au traitement appelé multi-GTI.¹ Cette combinaison permet de contrer à la fois les limitations de bande passante et de miroirs GTI conventionnels et les oscillations de GDD de miroirs comprimés. Les miroirs hautement dispersifs ont également pour avantages une cadence élevée, zéro dispersion de troisième ordre et une GDD négative de grande amplitude, c’est pourquoi ils constituent des optiques de compression d’impulsion parfaitement adaptés aux systèmes ultrarapides (Figure 5 et Figure 6).

Figure 5 : Outre la dispersion négative pour compression d’impulsion ultrarapide, les miroirs hautement dispersifs offrent un niveau élevé de réflectivité permettant d’optimiser la cadence

Figure 6 : Les miroirs hautement dispersifs ultrarapides offrent une GDD négative de grande amplitude et nettement moins d’oscillations dépendant de la longueur d’onde comparés aux miroirs comprimés

Les divers avantages des miroirs hautement dispersifs par rapport aux miroirs GTI et miroirs comprimés conventionnels en ont fait des éléments essentiels de configurations laser ultrarapides. Ils sont extrêmement avantageux dans le cadre d’applications de génération d’impulsion ultrarapide à haute énergie nécessitant une GDD négative de grande amplitude. Ces miroirs permettent une compression d’impulsion sans augmenter le nombre de rebonds de miroirs dispersifs, ce qui limite la sensibilité à l’alignement et les pertes liées aux allers-retours.

Miroirs hautement dispersifs d’Edmund Optics®

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Références

1. Pervak, V., et al. "High-Dispersive Mirrors for Femtosecond Lasers." Optics Express, vol. 16, no. 14, 2008, pp. 10220–10233., doi:10.1364/oe.16.010220.

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