Mise en forme par modulation de phase

2.3.3.1 Approche réfractive : les systèmes asphériques

Depuis la maîtrise de l’utilisation et de la fabrication des éléments optiques simples tels que miroirs et lentilles minces sphériques, différents domaines se sont intéressés à l’utilisation de systèmes asphériques, plus adaptés car présentant de nouveaux paramètres (les coefficients d’ordre supérieur du polynôme décri-vant le profil radial). L’existence de ces coefficients pour la conception d’optiques complexes a permis, dans certains domaines tels que la correction d’aberrations, d’atteindre des résultats très significatifs. Cela étant les problèmes majeurs restent leur réalisation (en particulier pour les systèmes introduisant des asphéricités

d’ordre impair et perdant donc la symétrie de révolution), et a fortiori leur coût, ainsi que leur mise en œuvre.

Le principe général de cette technique est présenté par Dickey et Holswade [59], Erdei et al. [60] ainsi que par Fuse [61] et est souvent appliqué à la géneration de faisceaux uniformes dont l’éclairement est constant sur une zone d’intérêt donnée, souvent de forme géométrique simple (disque, carré, anneau, etc.). Pour en comprendre l’idée il faut considérer les rayons lumineux utilisés en optique géométrique comme des «canaux d’énergie». La densité locale de ces canaux serait directement liée à l’éclairement : ainsi un faisceau gaussien disposerait de ces canaux en plus grand nombre proche de l’axe optique. Afin de mettre en forme cette répartition, certains canaux vont être déviés de leur trajet initial vers une zone en déficit d’énergie par rapport à la répartition voulue. Cette déviation locale est réalisée par réfraction de la lumière à l’aide d’un système asphérique. Ce concept est illustré par la figure 2.10 pour la transformation d’un faisceau gaussien en un faisceau uniforme à base circulaire.

Figure 2.10: Mise en forme de faisceau par optique réfractive ; transformation d’un faisceau gaussien en un faisceau uniforme à base circulaire.

Cette technique est fondée sur la propagation de rayons lumineux, et non pas d’ondes. Elle permet donc la conception de ces éléments asphériques en exploitant les capacités des codes de conception optique. (Zemax, Code V, etc.).

Bien qu’efficace, elle présente néanmoins deux limitations majeures dans le cadre de notre application. La première est évidemment son manque de flexibilité : un système asphérique généré par celle-ci aura été conçu pour des conditions bien spécifiques (forme et taille du faisceau entrant, forme et taille du faisceau mis en forme, distance de travail, etc.). Hors de ces conditions la mise en forme obtenue présenterait des défauts ; en particulier, la cohérence du faisceau peut engendrer des effets interférométriques non prévus dans l’optimisation initiale puisque non pris en compte par le modèle, impliquant des oscillations de l’éclairement qui ne concordent pas avec une génération de faisceau uniforme. Par ailleurs, le résultat obtenu en pratique sera très sensible à la fois à l’alignement dudit élément, mais également à la stabilité du faisceau optique ; ces deux derniers point imposant une forte limitation de à la mise en œuvre pratique de la technique.

influence non négligeable sur la qualité du travail réalisé. Or, par effets non linéaires, cette durée augmente lorsque l’impulsion traverse des matériaux dispersifs tels que les verres. La présence d’un élement de type asphérique induit non seulement un étirement de l’impulsion, mais de surcroît cet étirement sera variable dans un plan transverse à la propagation dans la mesure où l’épaisseur de verre traversée varie. Il est ainsi probable que certaines spécificités de l’interaction soient modifiées. Cependant, cet effet ne sera visible que sur des impulsions initialement très courtes (de l’ordre de quelques dizaines de femtosecondes).

Enfin, là encore de par l’approche géométrique et la non prise en compte d’effets interférométriques, la taille des motifs créés est limitée (typiquement à une dizaine de fois la limite de diffraction). Si des tailles plus petites peuvent être atteintes par des systèmes d’imagerie à fort rétrécissement, la mise en place dans un contexte industriel reste compliquée.

Ainsi, si elle peut s’avérer d’une grande efficacité pour certaines applications spécifiques, cette technique de mise en forme par réfraction ne paraît pas adaptée au développement d’une station de travail de type prototype qui vise à répondre à des problématiques variées, aussi bien scientifiques qu’industrielles. On peut néanmoins imaginer qu’un tel dispositif trouve sa place dans le cadre d’une machine spécifique. Le développement du système asphérique nécessiterait alors une étude complète pour que la mise en forme réalisée soit parfaitement adaptée.

2.3.3.2 Approche diffractive : les hologrammes

Plus généralement, la conception de modulations optiques de phase pure pour la mise en forme est réa-lisée par une approche diffractive, comme présentée dans la première partie de ce chapitre. Le modulateur optique prend alors le nom d’hologramme (de phase pure), de masque de phase ou de kinoform.

Pour illustrer ce principe, une mise en forme de faisceau gaussien en faisceau uniforme carré par modulation de phase pure est donnée par la figure 2.11.

(a) Cible (b) Mise en forme simulée (c) Hologramme calculé

Figure 2.11: Exemple de mise en forme d’un faisceau gaussien sous la forme d’un carré par modulation de phase ; les images (b) et (c) sont liées par une transformation de Fourier

le cas de la modulation d’amplitude (2.8(b)), la répartition d’énergie à l’intérieur de la zone cible étant plus uniforme. En outre, il y a bien conservation théorique de l’énergie incidente puisque l’intégralité de l’énergie contenue dans la source se retrouve dans le plan de mise en forme 2.11(b). Il s’agit donc d’une réorganisation spatiale de l’énergie.