Interféromètre de Gires-Tournois

L'interféromètre de Gires-Tournois, aussi dénommé Gires-Tournois, miroir GTI et, en anglais, Gires-Tournois Interferometer, GTI, Gires-Tournois etalon, est un résonateur optique linéaire utilisé pour introduire de la dispersion chromatique. Il a été inventé en 1964 par les physiciens français François Gires (1931-2013) et Pierre Tournois (1936-2017).

Description

En optique, un interféromètre de Gires-Tournois est une lame transparente munie de deux faces réfléchissantes, dont l'une l'est quasi-parfaitement. Un faisceau de lumière arrivant sur la face opposée s'y réfléchit et se réfracte. L'onde réfractée subit ensuite un ensemble de réflexions d'amplitude décroissante à chaque nouvelle réflexion sur la face d'entrée. Par interférence de l'ensemble des ondes issues du côté éclairé, le faisceau initial est (presque) entièrement réfléchi, avec un déphasage dépendant fortement de la longueur d'onde.

La représentation complexe du coefficient de réflexion d'un interféromètre de Gires-Tournois est donnée par $r=-{\frac {r_{1}-e^{-i\delta }}{1-r_{1}e^{-i\delta }}}$ où $r$₁ est le coefficient de réflexion de la première face, $\delta$ le déphasage associé à un aller-retour dans la lame, avec $\delta ={\frac {4\pi }{\lambda }}ne\cos \theta _{t}$,

n étant l'indice de réfraction de la lame,

e son épaisseur,

θ_t l'angle de réfraction de la lumière dans la lame, et

λ la longueur d'onde du faisceau dans le vide.

Variation non linéaire du déphasage avec la longueur d'onde

Évolution du déphasage φ en fonction de δ pour R∈{0; 0,1; 0,5; 0,9}.

La réflexion de l'ensemble de l'énergie induite se traduit par $|r|=1$, indépendamment de $\delta$. La forte dépendance du déphasage $\varphi$ avec la longueur d'onde $\lambda$ est caractérisée par une relation non linéaire. Pour illustrer cet effet, nous considérerons le cas où $r_{1}$ est réel, avec $r_{1}={\sqrt {R}}$, $R$ étant le coefficient de réflexion en intensité de la première face. À partir de la définition

$r=e^{i\varphi }$,

nous obtenons

$\tan \left({\frac {\varphi }{2}}\right)=-{\frac {1+{\sqrt {R}}}{1-{\sqrt {R}}}}\tan \left({\frac {\delta }{2}}\right)$.

Bien que cela ne soit pas le cas en pratique, nous pouvons vérifier que si $R$ = 0, la première surface n'étant pas réfléchissante, le déphasage est celui engendré par l'aller-retour entre les deux surfaces : $\varphi$ = - $\delta$. La réponse est alors linéaire. Lorsque $R$ est proche de 1, la dépendance du déphasage $\varphi$ en fonction de $\delta$ devient non linéaire, avec une dépendance en escalier.

L'interféromètre de Gires-Tournois se distingue de celui de Fabry-Perot de par sa face quasi-parfaitement réfléchissante, les deux lames d'un Fabry-Perot étant symétriques. Pour ce dernier, utilisé en transmission et non pas en réflexion, le transfert de l'intensité n'est plus total, indépendamment de la fréquence.

Applications

L'interféromètre de Gires-Tournois a des applications dans la compression des impulsions lumineuses, étape notamment nécessaire au fonctionnement des lasers femtoseconde. Il intervient aussi dans l'interféromètre de Michelson non linéaire, où un interféromètre de Gires-Tournois est placé sur l'un des bras d'un interféromètre de Michelson. Ce type de dispositif peut être utilisé dans le multiplexage et le démultiplexage de signaux transmis par fibres optiques.

Sources

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article de Wikipedia en anglais intitulé Gires-Tournois etalon, dans sa version du 2 janvier 2014.
• François Gires et Pierre Tournois, « Interféromètre utilisable pour la compression d'impulsions lumineuses modulées en fréquence », C.R. Hebd. Séance Acad. Sci., vol. 258, n^o 5,‎ 22 juin 1964, p. 6112-6115 (ISSN 0001-4036, lire en ligne)
• (en) "Gires-Tournois Interferometer", dans RP Photonics Encyclopedia of Laser Physics and Technology.

Bibliographie

Le Gires-Tournois a fait l'objet de nombreuses communications et citations depuis 1964. Parmi elles :

Sur la compression des impulsions lumineuses

• "Compression of pulses from a modelocked He-Ne laser", M.A. Duguay et J.W.Hansen, Applied Physics Letters, volume 14, p. 14, 1969
• "Intercavity chirp compensation in a colliding pulse mode-locked laser using thin-film interferometers", J. Heppner et J. Kurl, Applied Physics Letters, volume 47, p. 453-455, septembre 1985
• "Double Gires-Tournois Interferometer negative-dispersion mirrors for use in turn mode-locked lasers", B. Golubovic, R.R. Austin, M.K. Steiner-Shepard, M.K. Reed, S.A. Diddans, D.J. Jones et Amelia G. Van Engen, Optical Society of America, Optics Letters, volume 25, n° 4, 2000
• "Gires-Tournois interferometer type negative dispersion mirrors for deep ultraviolet pulse compression", Christopher A. Rivera, Stephen E. Bradforth et Gabriel Tempea, Optics Express, volume 18, n° 18, p. 18615-18624, 2010

Sur l’interféromètre de Michelson non linéaire

• "Electro-optic Michelson-Gires-Tournois modulator for optical information processing and optical fiber communications", Miao Yang, Claire Gu et John Hong, Optical Society of America, Optics Letters, volume 24, n° 17, 1999
• "Flat-Top Interleavers Using Two Gires-Tournois Etalons as Phase-Dispersive Mirrors in a Michelson Interferometer", Chao-Hsing Hsieh et all., IEEF Photonics Technology Letters, volume 15, n° 2, février 2003

Sur le réglage du Gires-Tournois

• "MEMS Optical Wavelength Deinterleaver With Continuously Variable Channel Spacing and Center Wavelength", Kyoungsik Yu et Olav Solgaard, IEEF Photonics Technology Letters, volume 15, n° 3, mars 2003, p. 425-427
• "Tunable dispersion and dispersion slope compensator using novel Gires-Tournois Bragg grating couple-cavities", S. Done, R. Slavik et S. LaRochelle, Photonics Technology Letters, volume 1, n° 11, 2004 (réglage par un système microélectromécanique)
• "In-Plane MEMS Tunable Gires-Tournois Interferometers", Raphal St-Gelais, Thomas Kerrien, Alexandre Poulin et Yves-Alain Peter, Optical Society of America, 2010 (réglage par ajustement de température).