MESURE AUTO REFERENCEE DE L’AMPLITUDE ET DE LA PHASE SPECTRALES « TIME-DOMAIN SPIDER » PAR LE DISPOSITIF PHAZZLER

Nous abordons maintenant la caractérisation temporelle des impulsions dans le domaine des femtosecondes. Nous sommes en présence de signaux courts comportant un petit nombre d’oscillations du champ électrique. On cherche à caractériser le plus complètement possible ces signaux en amplitude et en phase. Ce domaine a donné lieu à un très grand nombre d’études et de méthodes expérimentales diverses. Notre approche a consisté à reprendre le problème de manière générale, en tirant parti de la disponibilité récente du filtre dispersif acousto-optique programmable (le Dazzler) qui permet comme on le verra par la suite d’implanter avec un même dispositif un grand nombre de méthodologies différentes. Afin de mieux appréhender le travail d’analyse présenté dans ce chapitre, il est nécessaire d’introduire les principaux types de mesures auto référencées actuellement utilisées. Cette description non exhaustive suit un ordre presque chronologique de la mesure de phase spectrale sans toutefois refléter l’historique de ce développement.  Il est nécessaire de visualiser les montages optiques permettant de réaliser ces mesures pour comprendre le principe général des mesures auto-référencées. De nombreuses méthodes et implémentations ont été proposées (cf. [Dorrer 2001_1]), nous nous restreindrons ici aux descriptions de l’autocorrélation intensimétrique [Weber 1966], de l’autocorrélation interférométrique [Naganuma 1989], du TROG [Chilla 1991] (« Time Resolved Optical Gating »), de la DOSPM [Chu 1995] ( « Direct Optical Spectral Phase Measurement ») , du FROG [Trebino 1993 & 1997] ( « Frequency Resolved Optical Gating », dont SHG-FROG et PG-FROG), pour les méthodes basées sur des mesures d’intensité et des méthodes interférométriques de type SPIDER [Iaconis 1997].

Le premier type de mesure caractérisant partiellement les impulsions ultrabrèves utilisée fut les autocorrélations intensimétriques. Le principe est de réaliser une autocorrélation de l’intensité temporelle de l’impulsion par l’intermédiaire d’un interféromètre de Michelson et un cristal doubleur ou de type II ou non colinéaire. Une interaction non colinéaire dans le cristal doubleur permet simplement d’éliminer les signaux parasites correspondant aux doublage des impulsions de chaque bras : En modifiant le type de doublage et/ou la géométrie, l’autocorrélation est alors interférométrique et Naganuma [Nganuma 1989] et al. ont démontré qu’une autocorrélation interférométrique correspond à un seul type de phase spectrale à l’ambiguïté du signe de la phase près (la phase et son opposé sont solutions) : Cependant à ce jour aucun algorithme robuste et fiable n’a permis d’extraire la phase spectrale des autocorrélations interférométriques. La robustesse et la fiabilité sont essentielles dans ce type de mesure où il n’est pas aisément possible de comparer avec un autre type de mesure pour lever tout ambiguïté ou erreur. Reprenant des algorithmes développés pour la phase spatiale, d’autres méthodes nécessitant des données bidimensionnelles (double balayages) sont alors apparues. La première, le TROG (« Time Resolved Optical Gating »)([Chilla 1991],[Reid 2002]), consiste en un balayage temporel de l’impulsion à mesurer et d’un balayage spectral d’une composante extraite de cette même impulsion. Il s’agit donc de la mesure du retard relatif des composantes spectrales les unes par rapport aux autres en utilisant l’impulsion elle-même comme échantillonnage temporel d’où son autre nom FDPM (« Frequency Domain Phase Measurement »). Le schéma du montage optique est représenté sur la figure 5.3 ci-dessous :

La mesure de phase est obtenue par le battement entre les deux fréquences extraites échantillonné à un instant variable par l’impulsion de référence. On caractérise ainsi la différence de phase entre les deux fréquences. La complexité du montage a cependant limité l’utilisation de cette méthode. Utilisant également un double balayage, le SHG-FROG [Paye 93, Trebino 97] est très proche du dual dans l’espace de Fourier du TROG. Son montage optique est cependant assez différent utilisant la propriété du cristal doubleur de découpage temporel permettant d’échantillonner temporellement par l’impulsion : Cependant, le SHG-FROG nécessite un algorithme itératif et de plus il conserve dans la mesure des ambiguïtés sur le signe du temps et sur la phase relative d’impulsions multiples ([Trebino 1997]). Figure 5.6 : PG-FROG (“Polarization Gate Frequency Resolved Optical Gating”) Cette méthode nécessite toutefois encore un algorithme itératif ce qui rend cette méthode indirecte (il n’existe pas d’algorithme direct déterminant la phase à partir du signal ). Une méthode directe est la méthode de mesure interférométrique à décalage pour la phase spectrale dénommée SPIDER (« Spectral Phase Interferometry Direct Electric field Reconstruction »). Toute la subtilité de cette méthode est d’effectuer un décalage dans le domaine fréquentiel en utilisant de l’optique non-linéaire. Par un mélange à deux ondes dont l’une est l’impulsion à mesurer et la seconde une « impulsion » monochromatique (ω1), on obtient par somme de fréquences une impulsion spectralement décalée de l’impulsion à mesurer de ω1. Si on réitère ce mélange avec une autre pulsation optique pour l’onde monochromatique ω2, alors on peut faire interférer sur un spectromètre les deux impulsions décalées et on obtient une mesure interférométrique à décalage de la phase spectrale. La figure 5.7 montre une implémentation habituelle du SPIDER où figurent les spectres.