FR2858476A1

FR2858476A1 - LARGE OPTICAL CAVITY LASER SOURCE IN LARGE FINESSE SPECTRAL RING

Info

Publication number: FR2858476A1
Application number: FR0309336A
Authority: FR
Inventors: Jean Pierre Huignard; Arnaud Brignon
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-04
Also published as: WO2005015700A3; WO2005015700A2

Abstract

La présente invention est relative à une source laser, du type à cavité optique en anneau, et elle est caractérisée en ce que la cavité comporte une fibre optique à gain à pompage dont une première extrémité dont l'axe optique est aligné optiquement avec un miroir de sortie, et dont la seconde extrémité est dirigée vers la première, son axe optique coupant l'axe optique de la première extrémité sur la face frontale de cette première extrémité tout en étant distinct de l'axe optique de la première extrémité, un dispositif de remise en phase de faisceaux et un élément non réciproque étant respectivement disposés entre la deuxième et la première extrémités de la fibre optique.The present invention relates to a laser source, of the ring optical cavity type, and it is characterized in that the cavity comprises a pumped gain optical fiber, a first end of which the optical axis is optically aligned with a mirror. output, and the second end of which is directed towards the first, its optical axis intersecting the optical axis of the first end on the front face of this first end while being distinct from the optical axis of the first end, a device re-phasing of beams and a non-reciprocal element being respectively disposed between the second and the first ends of the optical fiber.

Description

SOURCE LASER DE PUISSANCE A CAVITE OPTIQUE EN ANNEAU A GRANDE FINESSELARGE FINESTICAL OPTICAL CAVITY POWER LASER SOURCE

SPECTRALESPECTRUM

La présente invention se rapporte à une source laser de puissance à cavité optique en anneau à grande finesse spectrale. The present invention relates to a ring-shaped optical cavity laser power source having a high spectral fineness.

On connaît, par exemple d'après la référence suivante: P. Sillard, A. Brignon and J.-P. Huignard Grating analysis of a self-starting loop 5 resonator with a self-pumped phase conjugate mirror in a Nd:YAG amplifier IEEE J. Quantum Electron. 34, 465-472 (1998), une source laser de puissance (de l'ordre d'une centaine de Watts). Cette source est schématisée en figure 1, et on en rappelle ici les caractéristiques principales. For example, according to the following reference: P. Sillard, A. Brignon and J.-P. Huignard Grating analysis of a self-starting loop resonator with a self-pumped phase conjugate mirror in a Nd: YAG amplifier IEEE J. Quantum Electron. 34, 465-472 (1998), a power laser source (of the order of a hundred Watts). This source is shown schematically in Figure 1, and here we recall the main characteristics.

Cette source connue comporte les éléments suivants: - Une cavité optique 1 se composant d'un anneau délimité par quatre miroirs 2 à 5 et dans le trajet optique de laquelle sont insérés: - Un milieu laser à gain 6, par exemple un cristal Nd-YAG ou NdYVO4, pompé par diodes, servant à la fois à l'amplification des 15 ondes et à l'inscription d'un hologramme dynamique générant une onde conjuguée par mélange à quatre ondes. This known source comprises the following elements: an optical cavity 1 consisting of a ring delimited by four mirrors 2 to 5 and in the optical path of which are inserted: a gain laser medium 6, for example an Nd-crystal; YAG or NdYVO4, pumped by diodes, for both the amplification of waves and the inscription of a dynamic hologram generating a conjugate wave by mixing four waves.

- Un élément non réciproque 7 assurant le contrôle de l'intensité respective des ondes incidentes et conjuguées contra propagatives dans la cavité. - A non-reciprocal element 7 ensuring the control of the respective intensity of the incident and counter-propagating conjugate waves in the cavity.

- Un trajet optique de sortie 8 issu du milieu à gain 6 sur lequel est placé un miroir de sortie 9 partiellement réfléchissant et partiellement transmissif. - An optical output path 8 from the gain medium 6 on which is placed a partially reflective and partially transmissive output mirror 9.

Les caractéristiques particulières de cette source reposent sur des propriétés de mélange d'ondes et de conjugaison de phase dans le milieu 25 laser à gain. Ce type de source assure une correction adaptative des aberrations du milieu amplificateur et permet d'extraire, à la sortie du miroir 9, un faisceau continu ou impulsionnel d'excellente qualité spectrale et spatiale. The particular characteristics of this source are based on wave mixing and phase conjugation properties in the gain laser medium. This type of source provides an adaptive correction of the aberrations of the amplifying medium and makes it possible to extract, at the exit of the mirror 9, a continuous or impulse beam of excellent spectral and spatial quality.

Un problème posé par cette source connue est que le milieu à 30 gain 6 s'échauffe fortement lorsque l'on veut faire produire à la cavité une puissance élevée (100 Watts ou plus), car le rendement optique du milieu laser (puissance optique délivrée/ puissance optique de pompage) de l'ordre de 50%, et un rendement électrique/optique (puissance optique délivrée/puissance électrique appliquée aux diodes de pompage) bien inférieur, de l'ordre de 25 %, ce qui impose l'utilisation de moyens de refroidissement du milieu laser 6 onéreux et encombrants. En outre, le gain du milieu laser 6 peut être insuffisant dans certains cas, et l'on doit alors insérer dans l'anneau de la cavité un deuxième milieu laser 10. A problem posed by this known source is that the gain medium 6 heats up strongly when it is desired to make the cavity produce a high power (100 Watts or more), because the optical efficiency of the laser medium (optical power delivered / optical pumping power) of the order of 50%, and an electrical / optical efficiency (optical power delivered / electrical power applied to the pump diodes) much lower, of the order of 25%, which imposes the use expensive and bulky laser medium cooling means 6. In addition, the gain of the laser medium 6 may be insufficient in some cases, and it is then necessary to insert into the ring of the cavity a second laser medium 10.

La présente invention a pour objet une source laser de puissance (en régime continu, supérieure à 100 Watts, et même à 1 kW) ne présentant pas les problèmes d'échauffement de la source mentionnée ci-dessus, tout en ayant une grande finesse spectrale (par exemple de l'ordre de 1 nm). The subject of the present invention is a laser source of power (in continuous mode, greater than 100 Watts, and even to 1 kW) not exhibiting the problems of heating of the source mentioned above, while having a great spectral finesse (for example of the order of 1 nm).

La source laser conforme à l'invention, du type à cavité optique en anneau, est caractérisée en ce que la cavité comporte un anneau délimité par un émetteur laser semiconducteur constitué d'au moins un élément laser, et par au moins deux dispositifs réfléchissants et au moins deux dispositifs de collimation dans un plan disposés de part et d'autre de 15 l'émetteur, dans l'anneau, I'émetteur étant partiellement réfléchissant et partiellement transmissif, un autre élément de collimation dans un plan étant disposé face à la sortie de l'émetteur. The laser source according to the invention, of the ring optical cavity type, is characterized in that the cavity comprises a ring delimited by a semiconductor laser emitter consisting of at least one laser element, and by at least two reflecting devices and at least two planar collimators arranged on either side of the emitter in the ring, the emitter being partially reflecting and partially transmissive, another collimating element in a plane being disposed facing the output of the transmitter.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non 20 limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: * la figure 1, citée ci-dessus, est un schéma simplifié d'une source laser connue, et * les figures 2 et 3 sont des schémas simplifiés de deux modes de réalisation d'une source laser conforme à l'invention. The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which: FIG. 1, cited above, is a simplified diagram of a known laser source, and FIGS. 2 and 3 are simplified diagrams of two embodiments of a laser source according to the invention.

* la figure 4 est un schéma simplifié d'un élément non réciproque pouvant être utilisé dans la source de l'invention. FIG. 4 is a simplified diagram of a non-reciprocal element that can be used in the source of the invention.

L'invention part de la source de la figure 1, car l'oscillateur formé par la cavité en anneau est capable de rayonner une onde monomode et monofréquence en exploitant des propriétés de mélange d'ondes et 30 d'holographie dynamique dans le milieu à gain. Dans cet oscillateur, on génère deux ondes contra- propagatives qui sont strictement conjuguées en phase. On peut dans ces conditions obtenir au niveau du miroir de sortie une onde gaussienne monomode qui constitue l'onde émise par la source. The invention starts from the source of FIG. 1, since the oscillator formed by the ring cavity is capable of radiating a monomode and single frequency wave by exploiting wave mixing and dynamic holography properties in the medium to gain. In this oscillator, two counter-propagating waves are generated which are strictly conjugate in phase. Under these conditions, a single-mode Gaussian wave can be obtained at the output mirror, which constitutes the wave emitted by the source.

L'invention propose de modifier l'anneau de cavité de la figure 1, en 35 supprimant le cristal 6, et en utilisant pour la fonction amplificateur laser au moins un élément émetteur laser semiconducteur, et, de préférence une barrette de tels émetteurs. The invention proposes to modify the cavity ring of FIG. 1, by removing the crystal 6, and by using for the laser amplifier function at least one semiconductor laser emitting element, and preferably a bar of such emitters.

Cependant, on ne pourrait pas remplacer simplement le cristal laser par de tels émetteurs laser semiconducteurs, car bien qu'ils soient 5 susceptibles d'émettre une puissance optique élevée, typiquement plusieurs centaines de Watts, voire quelques kW, ils ont une émission laser à trop large spectre et trop large angle d'émission. However, it would not be possible to simply replace the laser crystal with such semiconductor laser emitters, since although they are likely to emit high optical power, typically several hundred watts, or even a few kilowatts, they have a laser emission. too broad spectrum and too broad emission angle.

Pour résoudre ces problèmes, la présente invention propose les structures décrites ci-dessous en référence aux figures 2 et 3. To solve these problems, the present invention proposes the structures described below with reference to FIGS. 2 and 3.

La structure de la figure 2 comprend un chemin optique en anneau 11. Dans le cas présent, cet anneau est le plus simple possible, et sa structure est triangulaire, avec un dispositif réfléchissant à chaque sommet du triangle, mais il pourrait comporter un nombre supérieur de dispositifs réfléchissants, et donc une structure polygonale à plus de trois côtés. Ces 15 trois dispositifs réfléchissants sont: deux miroirs simples 12, 13 et un émetteur laser semiconducteur 14. Cet émetteur laser 14 peut être soit un seul élément laser semiconducteur de puissance (de quelques dizaines de Watts au moins), soit, de préférence, une barrette formée de plusieurs tels éléments laser, ou bien un laser semiconducteur unique à ruban large. Le 20 trajet optique dans la cavité délimitée par les deux miroirs 12, 13 et la face réfléchissante (face d'émission laser) de l'émetteur 11 est alors triangulaire. Il comporte les faisceaux 11A (entre 12 et 13), 11B (entre 13 et 14) et 11C (entre 14 et 12). Etant donné que la surface d'émission 14A de l'émetteur 14 est en forme de ruban allongé très étroit, en particulier lorsqu'il s'agit d'une 25 barrette à plusieurs éléments ou d'un ruban laser, le faisceau laser émis a une ouverture très large dans un plan. Pour transformer ce faisceau large en un fin faisceau, et aussi pour transformer les faisceaux fins arrivant sur l'émetteur 14 depuis les miroirs 12 et 13, on dispose devant l'émetteur 14 une lentille cylindrique 15, sur le trajet des faisceaux 11B et 11C. En 30 général, il suffit d'une seule lentille commune aux deux branches 11 B et 11 C, car l'angle formé par les faisceaux 11B et 11C est assez faible (quelques degrés, par exemple). De façon avantageuse, on intercale dans la cavité 11 un élément non réciproque 16 identique ou similaire à l'élément 7 de la figure 1. The structure of FIG. 2 comprises a ring optical path 11. In the present case, this ring is as simple as possible, and its structure is triangular, with a reflecting device at each vertex of the triangle, but it could comprise a larger number reflective devices, and thus a polygonal structure with more than three sides. These three reflecting devices are: two simple mirrors 12, 13 and a semiconductor laser emitter 14. This laser emitter 14 can be either a single semiconductor laser power element (of a few tens of Watts or more), or, preferably, a bar formed of several such laser elements, or a single semiconductor laser wide ribbon. The optical path in the cavity delimited by the two mirrors 12, 13 and the reflecting face (laser emission face) of the emitter 11 is then triangular. It comprises the beams 11A (between 12 and 13), 11B (between 13 and 14) and 11C (between 14 and 12). Since the emitting surface 14A of the emitter 14 is in the form of a very narrow elongated strip, particularly when it is a multi-element strip or a laser strip, the emitted laser beam has a very wide opening in a plane. To transform this wide beam into a thin beam, and also to transform the fine beams arriving on the transmitter 14 from the mirrors 12 and 13, there is arranged in front of the transmitter 14 a cylindrical lens 15, in the path of the beams 11B and 11C . In general, only one lens common to the two branches 11B and 11C is sufficient, since the angle formed by the beams 11B and 11C is rather small (a few degrees, for example). Advantageously, a nonreciprocal element 16 identical or similar to the element 7 of FIG. 1 is inserted in the cavity 11.

Sur le trajet de sortie de la source de la figure 2, c'est-à-dire devant la face 14B de l'émetteur 14 (face opposée à la face 14A), on dispose respectivement: une lentille cylindrique 17, un filtre spatial 18, qui est avantageusement un diaphragme disposé au foyer commun de deux lentilles 5 convergentes, ou bien un miroir associé à un interféromètre de type FabryPerrot et un dispositif optique de sortie 19 à réflexion et transmission, qui est avantageusement un réseau partiellement réfléchissant et partiellement transmissif pour une longueur d'onde donnée. In the output path of the source of FIG. 2, that is to say in front of the face 14B of the emitter 14 (face opposite to the face 14A), there are respectively: a cylindrical lens 17, a spatial filter 18, which is advantageously a diaphragm disposed at the common focus of two convergent lenses 5, or a mirror associated with a FabryPerrot type interferometer and an optical output device 19 with reflection and transmission, which is advantageously a partially reflective and partially transmissive network for a given wavelength.

L'oscillateur laser 14 est muni d'une couche Rmin ( à réflexion 10 minimale) sur ses deux faces pour éviter l'oscillation entre celles-ci. The laser oscillator 14 is provided with a Rmin (minimum reflection) layer on both sides to avoid oscillation between them.

La source représentée en figure 3 comporte, comme celle de la figure 2, un chemin optique en anneau 20. Dans le cas présent, cet anneau est également le plus simple possible, et sa structure est triangulaire (comportant respectivement les branches 20A, 20B, 20C), avec 15 un dispositif réfléchissant à chaque sommet du triangle. A l'un des sommets de ce triangle (entre les branches 20A et 20C), on dispose un émetteur laser 21, qui peut être l'un des dispositifs remplissant la fonction de l'émetteur 14 de la figure 2. A un autre sommet (entrez les branches 20A et 20B), on dispose un miroir 22 particulier: il comporte, sur sa face opposée à celle 20 portant une couche réfléchissante, un revêtement opaque 23 dans lequel est pratiqué un trou 24 juste à l'endroit coïncidant avec le sommet de la structure triangulaire. Au troisième sommet, on dispose un élément 25 réfléchissant sélectivement (pour une longueur d'onde donnée). Cet élément réfléchissant est avantageusement un réseau conformé en filtre sélectif. Comme dans le 25 cas de la source de la figure 2, on dispose devant l'élément laser 21 une lentille cylindrique 26. Dans la branche 20A, on intercale une lentille cylindrique 27 focalisant le faisceau issu de la source 21 au centre du trou 24 (et, inversement, élargissant le faisceau contra-propagatif issu par réflexion du miroir 22), et dans la branche 20B, on intercale une lentille cylindrique 28 30 élargissant le faisceau cylindrique réfléchi par le miroir 22 (et, inversement focalisant sur le trou 24 le faisceau élargi provenant du filtre 25). Dans la branche 20C, on intercale un élément non réciproque 29, qui peut être identique à l'élément 16 de la figure 2. A la sortie de l'émetteur 21 ( en regard de sa face opposée à celle qui fait face aux éléments 22 et 25), on dispose, 35 sur le trajet du faisceau de sorite 30 de la source, une lentille cylindrique 31. The source represented in FIG. 3 comprises, like that of FIG. 2, a ring optical path 20. In the present case, this ring is also the simplest possible, and its structure is triangular (comprising respectively the branches 20A, 20B, 20C), with a reflective device at each vertex of the triangle. At one of the vertices of this triangle (between the branches 20A and 20C), there is a laser transmitter 21, which may be one of the devices fulfilling the function of the transmitter 14 of FIG. 2. At another vertex (enter the branches 20A and 20B), there is a particular mirror 22: it comprises, on its opposite side to that 20 carrying a reflective layer, an opaque coating 23 in which is formed a hole 24 just at the place coinciding with the top of the triangular structure. At the third vertex, there is a selectively reflective element (for a given wavelength). This reflective element is advantageously a network shaped as a selective filter. As in the case of the source of FIG. 2, a cylindrical lens 26 is arranged in front of the laser element 21. In the branch 20A, a cylindrical lens 27 is inserted, focusing the beam coming from the source 21 at the center of the hole 24. (and, conversely, widening the contra-propagative beam coming from reflection of the mirror 22), and in the branch 20B, a cylindrical lens 28 is inserted, enlarging the cylindrical beam reflected by the mirror 22 (and, inversely, focusing on the hole 24 the enlarged beam from the filter 25). In the branch 20C, a non-reciprocal element 29 is inserted, which may be identical to the element 16 of FIG. 2. At the output of the emitter 21 (facing its face opposite to that facing the elements 22 and 25), a cylindrical lens 31 is disposed in the path of the output beam 30 from the source.

Cette cavité, comme celle de la figure 1, fonctionne par conjugaison de phase avec un filtrage spatial et spectral approprié des modes pour réaliser une source émettant un faisceau de puissance dont l'ouverture limitée par diffraction. Comme pour la source de la figure 2, le contrôle de l'intensité des 5 deux ondes contra- propagatives dans la cavité est réalisé par un élément non réciproque 29 adapté à la longueur d'onde d'émission. This cavity, like that of FIG. 1, operates by phase conjugation with an appropriate spatial and spectral filtering of the modes to produce a source emitting a power beam whose opening is limited by diffraction. As for the source of FIG. 2, the control of the intensity of the two counter-propagating waves in the cavity is achieved by a non-reciprocal element 29 adapted to the emission wavelength.

L'émetteur laser 21 est muni, sur sa face côté sortie, d'une couche R, T (à réflexion et transmission) assurant le couplage extérieur de cavité et d'une couche Rmin sur l'autre face. The laser transmitter 21 is provided, on its output side, with a layer R, T (reflection and transmission) providing the outer cavity coupling and one Rmin layer on the other side.

On a représenté en figure 4 un exemple de réalisation de l'élément non réciproque 16 (ou 29), qui est le même que celui de la figure 1. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the non-reciprocal element 16 (or 29), which is the same as that of FIG. 1.

Cet élément comprend, dans l'ordre, une lame 2 référencée 31, un rotateur de Faraday 32 et un polariseur 33. Selon une variante de l'invention, on inverse les positions des éléments 31 et 32. This element comprises, in order, a blade 2 referenced 31, a Faraday rotator 32 and a polarizer 33. According to a variant of the invention, the positions of the elements 31 and 32 are reversed.

Dans les deux sources décrites ci-dessus, la génération d'un hologramme dynamique dans le milieu à gain (14 ou 21) résulte d'une interaction à quatre ondes. Le réseau qui s'inscrit est du type réseau de gain et réseau d'indice, cette dernière composante étant la plus importante dans le cas où la période spatiale du réseau est grande. In the two sources described above, the generation of a dynamic hologram in the gain medium (14 or 21) results from a four-wave interaction. The network that is registered is of the type gain network and index network, the latter component being the most important in the case where the spatial period of the network is large.

La source de l'invention présente une autre caractéristique importante: compte tenu du filtrage spatial et spectral du faisceau, elle réalise une mise en phase de tous les éléments émetteurs de la barrette. The source of the invention has another important feature: given the spatial and spectral filtering of the beam, it performs a phasing of all the emitter elements of the bar.

Dans ces conditions, la luminance de la source est imposée par la longueur de la barre émettrice et non par la dimension d'un élément rayonnant 25 élémentaire. Selon une application, on réalise la mise en phase de sources laser à semiconducteur de puissance telles que des réseaux de lasers, ou un laser unique à ruban très large, ayant des longueurs d'ondes typiques de 810 nm ou 980 nm (valeurs les plus courantes actuellement). Le dispositif de l'invention réalise donc à partir d'amplificateurs à semiconducteurs 30 l'équivalent d'une source de puissance dont l'ouverture du faisceau est limitée par diffraction et réalisant une mise en phase de tous les éléments de la barrette. Under these conditions, the luminance of the source is imposed by the length of the transmitting bar and not by the size of an elementary radiating element. According to one application, phasing of power semiconductor laser sources such as laser arrays, or a single very wide ribbon laser, having typical wavelengths of 810 nm or 980 nm (most current). The device of the invention thus realizes from semiconductor amplifiers 30 the equivalent of a power source whose beam opening is limited by diffraction and performing a phasing of all the elements of the bar.

Claims

1. Laser source, of the ring optical cavity type, characterized in that the cavity comprises a ring (11, 20) delimited by a semiconductor laser emitter (14, 21) and by at least two reflecting devices 5 (12-13 , 22, 25) and at least two planar collimating devices (15, 26) disposed on either side of the transmitter, in the ring, the emitter being partially reflecting and partially transmissive, another element collimation in a plane being disposed facing the output of the transmitter (17, 30).

2. Laser source according to claim 1, characterized in that the laser emitter comprises a bar of semiconductor lasers.

Laser source according to one of the preceding claims, characterized in that the two reflecting devices are mirrors (12, 13).

4. Laser source according to one of claims 1 or 2, characterized in that the two reflecting devices are a mirror (22) coated with an opaque layer (23) in which is formed a hole (24), and a reflective device selective wavelength (25), a cylindrical lens (27, 28) being interposed on the incident beams and reflected by this device.