Présentation

Article interactif

1 - RÉSEAUX DE DIFFRACTION

2 - CHAÎNES LASERS

3 - MÉTROLOGIE DES RÉSEAUX DE DIFFRACTION

4 - CLASSIFICATION DES DIFFÉRENTS RÉSEAUX DE DIFFRACTION

5 - RÉSEAUX EN RÉFLEXION

6 - RÉSEAUX EN TRANSMISSION

7 - CONCLUSION

8 - SIGLES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6510 v1

Réseaux de diffraction
Réseaux de diffraction pour les lasers de haute intensité

Auteur(s) : Nicolas BONOD, Jérôme NÉAUPORT

Relu et validé le 26 avr. 2021

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

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.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Diffraction gratings for high intensity lasers

This article describes the basics and principles of diffraction gratings and explains their utility in high power laser chains. High power lasers present several challenges to improve the optical performance of gratings and increase their size and laser-induced damage thresholds. The different fabrication techniques are detailed and explained in the framework of the history of diffraction gratings. The mechanisms of laser damage and the associated metrology are described. The diffraction gratings mainly used in laser chains in reflection and transmission are classified and described.

Auteur(s)

  • Nicolas BONOD : Chargé de Recherche CNRS - Aix Marseille Université, CNRS, Centrale Marseille, Institut Fresnel, Marseille, France

  • 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.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

diffraction gratings   |   high power laser   |   chirped pulse amplification   |   spectral dispersion   |   laser damage

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6510


Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation

1. Réseaux de diffraction

Historique

Les premières descriptions des effets diffractifs induits par une modulation périodique de l’indice de réfraction remontent au XVIIe siècle avec une expérience décrite par l’astronome, mathématicien et physicien écossais James Gregory. Dans une lettre envoyée à l’éditeur John Collins datée du 13 mai 1673, il décrit une expérience de diffraction basée sur l’utilisation d’une plume d’oiseau : « Let in the sun’s light by a small hole to a darkened house, and at the hole place a feather, (the more delicate and white the better for this purpose, ) and it shall direct to a white wall or paper opposite to it a number of small circles and ovals, (if I mistake them not,) whereof one is somewhat white, (to wit, the middle, which is opposite to the sun,) and all the rest severally coloured. I would gladly hear his thoughts of it. » Nous reconnaissons dans cette expérience la création d’ordres dispersifs par la plume d’oiseau qui permet de séparer les différentes contributions chromatiques de la lumière du soleil. Nous notons également la présence de l’ordre spéculaire au centre, non dispersif, apparaissant donc blanc.

La seconde description a été faite aux États-Unis en 1786 par Francis Hopkinson, qui a observé un soir d’été un lampadaire dans une rue à travers un mouchoir de soie tendu entre ses mains. Il a repéré à nouveau la répétition du motif observé, le lampadaire, « although I moved the handkerchief to the right and left before my eyes, the dark bars did not seem to move at all, but remained permanent before the eye ». Il a décrit son observation dans une lettre adressée au physicien et astronome David Rittenhouse. Ce dernier a compris l’importance de cette observation et commence sa lettre de réponse par les mots suivants : « The experiment you mention, with a silk handkerchief and the distant flame of a lamp, is much more curious than one would at first imagine. » Étonnamment, il a entrepris de reproduire cette expérience en plaçant des cheveux à un pas régulier en s’aidant d’une vis, et plus précisément, du pas de vis. Il est ainsi parvenu à placer 55 cheveux entre 2 vis et à observer le ciel à travers une fente et ce que l’on peut appeler le premier réseau de diffraction fabriqué par l’homme. Il a observé le ciel à travers la fente et les cheveux disposés...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

TEST DE VALIDATION ET CERTIFICATION CerT.I. :

Cet article vous permet de préparer une certification CerT.I.

Le test de validation des connaissances pour obtenir cette certification de Techniques de l’Ingénieur est disponible dans le module CerT.I.

Obtenez CerT.I., la certification
de Techniques de l’Ingénieur !
Acheter le module

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Réseaux de diffraction
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOTTEN (L.), CADILHAC (M.), DERRICK (G.), MAYSTRE (D.), McPHEDRAN (R.), NEVIÈRE (M.), VINCENT (P.), PETIT (R.) -   Electromagnetic Theory of Gratings,  -  Vol. 22 of Topics in Current Physics (Springer, 1980).

  • (2) - PETIT (R.) -   Ondes Électromagnétiques en Radioélectricité et en Optique : Lois Générales, Calcul du Champ à partir des Sources, Propagation Libre et Guidée, Cavités, Réflexion, Réfraction, Diffraction,  -  Utilisation des Distributions en Électromagnétisme (Masson, 1989).

  • (3) - LOEWEN (E.G.), POPOV (E.) -      -  Diffraction Gratings and Applications (CRC Press, 1997).

  • (4) - CHEN (C.G.), KONKOLA (P.T.), HEILMANN (R.K.), JOO (C.), SCHATTENBURG (M.L.) -   Nanometer-accurate grating fabrication with scanning beam interference lithography,  -  Proc. SPIE 4936, 126-134 (2002).

  • (5) - JITSUNO (T.), MOTOKOSHI (S.), OKAMOTO (T.), MIKAMI (T.), SMITH (D.), SCHATTENBURG (M.L.), KITAMURA (H.), MATSUO (H.), KAWASAKI (T.), KONDO(K.), SHIRAGA (H.), NAKATA (Y.), HABARA (H.), TSUBAKIMOTO (K.),...

1 Événements

SPIE, Photonics West, LASE

SPIE, Laser Damage

SPIE, Pacific RIM

International Conference on Extreme Light (ICEL)

Bi annual Conferences of the International Committee on Ultrahigh Intensity Lasers

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

NF ISO 10110-7 - 2017 - Optique et photonique : Indications sur les dessins pour éléments et systèmes optiques – Tolérances d’imperfection de surface

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

NF ISO 11254-2 - 2011 - Lasers et équipements associés aux lasers – Méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser – Détermination du seuil

MIL – O – 13830A - (1963) - Specifications militaires : composants optiques pour instruments de contrôle du feu ; specification génrale régissant la fabrication, l’assemblage et l’inspection

HAUT DE PAGE

3 Brevets

Multilayer dielectric diffraction gratings, Michael D. Perry, Jerald A. Britten,...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire

QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE

1/ Quiz d'entraînement

Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

2/ Test de validation

Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS