EP2812959A1 - Système amplificateur optique et laser à impulsions limitées en énergie par impulsion - Google Patents

Système amplificateur optique et laser à impulsions limitées en énergie par impulsion

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EP2812959A1
EP2812959A1 EP13706660.1A EP13706660A EP2812959A1 EP 2812959 A1 EP2812959 A1 EP 2812959A1 EP 13706660 A EP13706660 A EP 13706660A EP 2812959 A1 EP2812959 A1 EP 2812959A1
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EP
European Patent Office
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optical
laser
continuous
resonant cavity
pulse
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13706660.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
François Salin
Julien Saby
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Eolite Systems SAS
Original Assignee
Eolite Systems SAS
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/2333—Double-pass amplifiers

Definitions

  • the present invention relates to the operation of lasers and optical amplifiers in pulsed mode for the amplification of laser pulses of high power, high energy and high speed. More specifically, the invention relates to an amplifier or pulsed laser in which the maximum energy stored and / or produced is limited to a predetermined value, regardless of the variations in the rate of the pulses. The invention preferably relates to a bar-type optical fiber amplifier or laser.
  • Oscillators that produce periodic pulse trains directly and amplifiers that increase the energy of pulses produced elsewhere can be distinguished in a simplified manner.
  • Pulse laser systems are widely used in the industry especially for machining, marking, engraving, drilling various materials. In all these applications, the user wishes to trigger the emission of pulses only when the workpiece is centered on the laser beam.
  • the system therefore alternates between stopping phases and transmission phases during which a pulse or a series of pulses is transmitted at high speed. These emission and shutdown phases alternate at scales that can range from a few microseconds to a few minutes and with extremely variable periodicities.
  • Most modern solid state lasers use continuous laser diodes as a source of pumping.
  • a laser material is inserted into a resonator and continuously receives radiation from one or more pump laser diodes.
  • the resonator further contains an optical switch capable of blocking or passing the laser emission.
  • the switch is held in the blocking position for a period T1 to allow the laser material to charge energy. At the end of this period, the switch is opened abruptly and a short laser pulse is emitted.
  • the energy of the emitted laser pulse is proportional to the energy stored in the laser medium.
  • the pulsed lasers are designed so that the energy stored during a pumping period and thus emitted by the pulse can not exceed the damage threshold of the laser components.
  • a solid-state laser medium generally has a fluorescence time, corresponding approximately to the time during which it is capable of storing energy, which is much longer than the time elapsed between the emission of two successive steady-state pulses.
  • the fluorescence time Neodymium ion in the YAG is of the order of 200 ⁇ and that of the Ytterbium ion in the glass of the order of 1200 ⁇ . These times are much longer than the typical periods of pulsed lasers that typically operate at rates from 10 kHz to several MHz. According to the repetition frequency, the duration T1 between two successive pulses of a laser pulse train is therefore generally less than 100 ⁇ and may be less than 1 ⁇ .
  • the user may want to modify in real time the frequency of the pulses while maintaining a constant pulse energy. This is particularly the case when the triggering of the pulses must be synchronous with the movement of a part. During the acceleration and deceleration phases of the part, the frequency of the pulses must vary in a factor which may exceed ten. The storage time then varies continuously and it becomes impossible to keep a constant energy in the amplifying medium.
  • a solid state laser in which the pump power is reduced when the time between two successive pulses exceeds a certain limit value. In this way the energy stored in the laser medium is limited to the value corresponding to the steady state.
  • the laser diodes can be modulated rapidly, which is not the case for most of the power diodes used to pump solid state lasers.
  • rapidly modulating the power emitted by a laser diode greatly reduces its life and causes a variation in its emission wavelength, introducing fluctuations in the pulses of the laser.
  • this system only works at a predefined rate.
  • US6038241 discloses a solid state laser including an optical switch whose losses are electronically controlled to maintain a level of energy (given by the amount of excited population) in the amplifying medium near the stationary level.
  • the excess energy is discharged in the form of a continuous beam which has the same geometrical characteristics as the pulsed laser beam.
  • This system has several disadvantages: it requires a complex control electronics, it requires knowing in advance the frequency of the pulses after the interruption by the user, it produces a continuous laser beam likewise direction, same wavelength and polarization as the main beam pulsed.
  • the continuous laser beam can damage or disturb the workpiece.
  • Patent document WO 2004/095657 discloses a similar system used to maintain a constant thermal lens in a solid state laser.
  • US60091 discloses another example of an electronic system based on a similar mode of operation but adapted to lasers whose wavelength is converted intra-cavity.
  • Patent document WO 2008/060407 describes a regenerative amplifier integrating an electro-optical polarization modification system and a complex electronic system in order to suppress the first (overpowered) pulse after an interruption in the emission of laser pulses.
  • This regenerative amplifier comprises a laser cavity and an electro-optical modulator which makes it possible to inject into the cavity an externally generated pulse and then to eject the amplified pulse after a large number of passages in the cavity.
  • WO 2005/013445 discloses an erbium-doped optical fiber amplifier for amplifying pulses at a first wavelength, the amplifier being disposed inside a secondary resonator which emits pulses to another wavelength when the gain of the amplifying medium reaches a threshold.
  • a first object of the invention is to protect the components of the optical fiber amplifier system with respect to too much energy stored in the amplifying medium.
  • the invention aims to limit the energy stored in an optical fiber amplifier medium, regardless of the pumping power, regardless of the repetition frequency and regardless of the interruption time between trains. successive impulses.
  • the invention thus aims to limit the energy of a first laser pulse after an interruption of the emission of a laser pulse train.
  • a second object of the invention is to ensure that the energy of the delivered pulses is constant regardless of the frequency of the pulses, the duration of interruption between two successive pulses and / or whatever the pumping power.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art and more particularly relates to an optical amplifier system for the amplification of high-power, high-energy, high-speed laser pulses, said optical amplifier system comprising an optical amplifier medium. solid, said optical amplifier medium being adapted to receive a beam of laser pulses to amplify and generate a beam of amplified laser pulses, the rate of the laser pulses being between 1 kHz and several hundred kHz, and means for limiting the energy stored by optical pumping in said amplifying medium optical.
  • said limiting means comprise a continuous resonant cavity disposed around said optical amplifier medium and first optical separation means disposed in said continuous resonant cavity, said first optical separation means being able to separate said continuous resonant cavity into a common part and a loss branch, the common part comprising the optical amplifying medium and the loss branch comprising optical loss means, said first optical separation means being capable of selectively directing a pulse beam outside the optical path of the beam.
  • said loss branch of the resonant cavity continues and directing a continuous beam toward said loss branch of the continuous resonant cavity so as to generate a continuous laser beam in said continuous resonant cavity when the gain of the amplifying medium is greater than or equal to a predicted threshold terminated equal to the optical losses and generating a pulsed energy limited pulse beam of amplified pulses, said amplifying medium imposing a single propagation axis to the amplified pulse beam and the continuous laser beam.
  • the optical amplifier system of the invention further comprises second optical separation means capable of spatially separating said amplified pulse beam and the continuous laser beam , the optical amplifier medium being disposed between the first optical separation means and the second optical separation means, so as to generate a beam of amplified pulses limited in energy in a first direction and to generate a continuous laser beam in another direction.
  • said optical amplifying medium comprises an optical fiber or an optical fiber bar, the path of the continuous laser beam and the pulse beam being collinear in the amplifying medium, and said optical fiber or said fiber bar.
  • optical having an amplification bandwidth or an amplification gain of spectral width greater than or equal to 1 nm.
  • said first optical separation means and / or the second optical separation means comprise at least one dichroic filter capable of separating on the one hand the beam of laser pulses at a wavelength ⁇ and other part of the continuous laser beam at a wavelength ⁇ 2 .
  • the second optical separation means comprise a polarization filter and / or said first optical separation means comprise a polarization filter, said polarization filter being able to separate the laser pulse beam according to a first polarization. and the continuous laser beam according to a second polarization distinct from the first polarization.
  • the optical losses induced by said optical loss means are adjustable so as to adjust the threshold of the continuous resonant cavity.
  • the invention also relates to a pulse laser of high power, high energy and high speed, the triggered laser comprising a solid optical amplifier medium disposed in a first resonant cavity, optical triggering means disposed in said first resonant cavity, so as to trigger the emission of a beam of laser pulses at a high rate in said first resonant cavity, the rate of the laser pulses being between 1 kHz and several hundred kHz, and means for limiting the stored energy by optical pumping into said optical amplifier medium.
  • said laser comprises a second continuous resonant cavity, the first resonant cavity and the second continuous resonant cavity having a common part comprising the optical amplifier medium and the optical triggering means, the first resonant cavity having at least one first branch.
  • the second resonant cavity having at least one second loss branch separated from said common part
  • said second loss branch comprising optical loss means and first optical separation means being disposed in said first and second resonant cavity so as to separate the common portion respectively of the first branch and the second loss branch
  • said first optical separation means being adapted to direct a laser pulse beam to the first branch of the first resonant cavity and to direct a laser beam c to the second loss branch of the second continuous resonant cavity.
  • said optical triggering means comprise a polarizing or non-polarizing acousto-optical modulator or an electro-optical modulator.
  • said optical amplifier medium comprises an optical fiber or a bar of optical fiber, said optical fiber or said optical fiber bar has an amplification bandwidth and / or an amplification gain of greater spectral width. or equal to 1 nm.
  • the second optical separation means comprise a dichroic filter and / or said first optical separation means comprise a dichroic filter, said dichroic filter being able to separate the laser pulse beam to a length of dichroic. wave ⁇ and the continuous laser beam at a wavelength ⁇ 2 .
  • the second optical separation means comprise a polarization filter and / or said first optical separation means comprise a polarization filter, said polarization filter being adapted to separating the laser pulse beam according to a first polarization and the continuous laser beam according to a second polarization distinct from the first polarization.
  • said optical triggering means comprise a Q-switch type passive trigger, or a non-polarizing acousto-optic modulator or an acousto-optic modulator.
  • said loss means are adjustable so as to adjust the threshold of the continuous resonant cavity.
  • the second optical separation means comprise a nonlinear crystal capable of producing a wave at a frequency different from the fundamental wave with a yield dependent on the incident wavelength and / or the incident polarization. and / or incident peak power.
  • the invention also relates to a triggered pulse laser and an optical amplifier using an energy limiter according to one of the embodiments described, the system comprising two amplifying media separated by at least one optical component closing the first resonant cavity of the laser. triggered pulse, wherein the continuous laser beam produced by the second continuous resonant cavity passes through the second amplifying medium.
  • the invention also relates to a method for amplifying laser pulses of high power, high energy and high speed, the method comprising the following steps:
  • ⁇ generating a pulse laser beam to be amplified at a rate between 1 kHz and several hundred kHz;
  • the method comprises a step of limiting the energy stored by optical pumping in said optical amplifier medium
  • said limiting step comprising the following step:
  • a continuous resonant cavity comprising said solid optical amplifier medium so as to generate a continuous laser beam in said continuous resonant cavity when the gain of the amplifying medium is greater than or equal to a predetermined threshold equal to the optical losses and to generate a beam of amplified pulses limited in energy per pulse.
  • the invention will find a particularly advantageous application in a pulse laser on optical fiber.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIG. 1 schematically represents the evolution of the excited ion population (top curve) as a function of time and as a function of the pulses of an external trigger (pulses of the medium), and respectively the energy of the laser pulses ( lower pulses) in a pulsed laser of the prior art;
  • FIG. 2 diagrammatically represents the principle of limiting the excited population in an optical amplifier or pulsed laser medium
  • FIG. 3 schematically shows a single-pass optical amplifier incorporating an energy limiter according to a first embodiment
  • FIG. 4 schematically represents a single-pass optical amplifier incorporating an energy limiter according to another embodiment
  • FIG. 5 schematically represents an optical fiber amplifier according to a variant of the embodiment of FIG. 4;
  • FIG. 6 schematically represents a double-pass optical amplifier incorporating an energy limiter according to a second embodiment
  • FIG. 7 schematically represents a pulsed laser comprising an energy limiter by nested cavities according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 8 schematically represents a pulsed laser comprising an energy limiter by nested cavities according to a variant of FIG. 7;
  • FIG. 9 schematically represents an optical fiber pulse laser according to a variant of FIG. 8;
  • FIG. 10 schematically represents a system integrating a plurality of optical amplifier mediums according to another embodiment
  • FIG. 11 schematically represents a system integrating a plurality of optical amplifier mediums according to a variant of FIG. 10;
  • FIG. 12 schematically represents an energy-limited pulse laser according to another embodiment using an acousto-optic modulator
  • FIG. 13 schematically represents an energy-limited pulse laser according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 14 represents a set of average power measurements produced by the laser according to one embodiment of the invention, the average power depending on the current applied to the pump diode and the level of induced losses;
  • FIGS. 15A and 15B show a train of laser pulses at different operating rates of the laser.
  • the invention is based on the use of a device for eliminating an "overflow" of energy as it is stored in a solid amplifying medium during continuous optical pumping.
  • the invention relates to a system, preferably passive, for limiting to an adjustable value the energy of the pulses produced by a triggered oscillator or an amplifier.
  • the device may be used to suppress the first pulse of a pulse train in a pulsed system to produce pulses of constant energy at randomly varying frequencies or to limit the energy output from an optical amplifier and avoid any damage in the final application.
  • FIG. 1 schematically represents the evolution as a function of time of the excited ion population (curve 33) in an optical amplifier medium triggered at times distributed as a function of time (trigger pulses 30). It is known that the energy E of a pulse produced by a trigger pulsed laser oscillator is proportional to the energy stored in the amplifying medium before the triggering of the optical switch. When the triggering is done periodically, a stationary state is shown schematically in FIG. 1 for the first five pulses. The population excited in the amplifying medium oscillates between the values n f and n ,. The energy E of the pulses 34 is proportional to the difference n, - n f .
  • the excited population increases to a value where it saturates.
  • the first pulse emitted 35 has a much higher energy because of this very large excited population stored in the laser medium.
  • the energy E of the transmitted pulses 34 varies proportionally.
  • pulses emitted 34 of high energy can damage the amplifying medium, especially when it is an optical fiber amplifier or a fiber optic bar.
  • the object of the invention is to maintain a maximum excited population equal to a predefined level below the maximum level n ⁇ .
  • Figure 2 explains the principle implemented in the invention.
  • the operating mode of a pulsed laser according to the prior art is represented by the curves 31 and 33 and the transmitted pulse 35.
  • the excited ion population oscillates between the values n f and n, (curve 31). If the rate of tripping decreases, the pumping time increases and the excited population increases to the saturation value of the medium (curve 33). This operation may trigger the emission of an overpowering pulse 35.
  • the energy of the transmitted pulses 34 is limited by this maximum level of excited population (defined by the curve 32).
  • a continuous laser stabilizes very rapidly around an operation for which the gain in the cavity is very exactly equal to the losses of the latter. This operating point corresponds to the population level necessary to reach the threshold since the gain is directly proportional to the excited population.
  • the excess energy of the amplified pulses can also pose a problem to the user who wishes a constant energy whatever the rate of repetition of the incident pulses.
  • the present invention proposes a first particular embodiment explained in FIG. 3.
  • a laser oscillator 12 is used to produce laser pulses to be amplified 10.
  • the time separating two pulses 10 can vary in large proportions but the user wishes to obtain a constant energy at the output of the amplification chain.
  • the pulses 10 to be amplified are incident on an optical amplifying medium 1.
  • a filter 7 and a filter 8 are positioned on each side of the amplifying medium 1.
  • the filters 7 and 8 are advantageously able to filter the polarization or the wavelength of an optical beam.
  • a laser cavity or resonator C2 (shown in solid line) is formed by two mirrors M5 and M6 of which at least one is partially reflective.
  • the optical amplifying medium 1 is located inside the continuous resonator C2.
  • An adjustable loss system 9 is inserted in this resonator C2, but not in the optical path of the pulses to be amplified 10 nor in the amplified pulses 20.
  • This system of adjustable losses may for example be composed of a quarter-wave plate 9 associated with a polarizer which may or may not be distinct from the filter 7.
  • the losses introduced by this set are adjusted by adjusting the angle formed by the direction of polarization defined by the polarizer and the direction of the slow axis of the quarter-wave plate .
  • the rotation of the quarter-wave plate can advantageously be motorized.
  • the loss system can also be composed of a blade of a transparent material whose angle between the surface and the axis of the beam can be modified.
  • the reflectivity of this blade varies with the incidence, one can thus adjust the losses of the cavity C2.
  • the blade may optionally be treated with one or more layers in order to accentuate this variable reflectivity effect.
  • the optical amplifying medium 1 is an amplifying medium having a wide gain band, that is capable of amplifying, possibly with a different gain, a pulse beam at a first wavelength. ⁇ and a continuous laser beam at a second wavelength different ⁇ 2 different from ⁇ -,.
  • the optical amplifying medium 1 is an optical fiber or an optical fiber rod having a broad gain spectral band (preferably greater than or equal to 1 nm).
  • the optical fiber or fiber optic amplifier medium generally has a small transverse spatial extent. The pulse beam and the continuous laser beam are then collinear in the optical fiber or fiber optic amplifier medium.
  • the filters 7 and 8 are advantageously wavelength filters, for example capable of transmitting a pulse beam at the wavelength ⁇ and of reflecting a continuous laser beam at the wavelength ⁇ 2 , the lengths wavelength ⁇ and ⁇ 2 being located in the gain band of the amplifying medium.
  • the amplifying medium 1 may not retain the polarization and the beam to be amplified 10 did not need to be polarized.
  • the mirrors M5 and M6 are incorporated in the filters 7 and 8. These filters 7 and 8 then operate at normal incidence. At least one of the mirrors M5, M6 must have a lower reflectivity to 1.
  • Each of these filters 7, 8 may for example be composed of a massive Bragg grating which reflects light at the wavelength ⁇ 2 and transmits any other wavelength, in particular ⁇ .
  • the two continuous and pulsed beams are then emitted along the same axis. They are then separated by another spectral filter 22 which may be a simple dichroic mirror or another massive Bragg grating operating outside the zero incidence or else a harmonic generation module whose spectral acceptance is narrower than the separation between ⁇ and 2 .
  • the adjustment of the losses in the cavity C2 may, for example, be adjusted by changing the temperature of one of the Bragg gratings 7, 8. Such a variation of the temperature will slightly shift the reflectivity curve of said grating spectrally. The wavelengths corresponding to the reflection maximum of the two networks M5 and M6 no longer exactly correspond, which introduces losses into the cavity C2. The larger the offset, the greater the losses.
  • the filters 7 and 8 may be integrated or welded to the amplifying optical fiber 1, for example taking the form of fiber Bragg gratings, at least one of which has a reflectivity lower than 100%.
  • the reflection wavelength of the gratings 7 and 8 is then chosen to be different from the wavelength of the pulses to be amplified.
  • These two Bragg gratings thus form a cavity C2 whose losses are adjusted for example by adjusting the temperature of one of the two fiber Bragg gratings.
  • This cavity C2 can thus emit continuous radiation at the wavelength ⁇ 2 as soon as the gain in the amplifying medium 1 exceeds the losses introduced by the set of two Bragg gratings 7, 8.
  • the optical amplifier medium 1 is used in double pass.
  • a polarizer January 3 is placed on the optical path between the oscillator 1 2 and the optical amplifier medium 1.
  • the polarizer 13 is for example a polarization splitter cube.
  • a quarter wave plate 15 and a mirror M5 are placed after the amplifying medium 1.
  • the pulse train to be amplified 10 carries out a first pass through the amplifier 1 in a polarization and makes a second pass along the same propagation axis but in the opposite direction and with a perpendicular polarization.
  • the polarizer 13 separates the incident beam of pulses to be amplified 10 and the beam of amplified pulses 20.
  • a resonant cavity C2 has at the ends a mirror M5 and a mirror M6 and comprises the broadband gain amplifying medium 1.
  • the resonant cavity C2 also comprises an optical loss system 9.
  • a filter 7 is disposed in the resonant cavity C2 between the amplifying medium 1 and the optical loss system 9 so that the optical loss system 9 is not on the optical path of the pulses to be amplified or amplified pulses 20.
  • the filter 7 is a filter capable of separating a first wavelength ⁇ and a second wavelength ⁇ 2 . The filter 7 thus separates the resonant cavity C2 into a common part and a branch comprising the loss system.
  • the common part comprises the amplifying medium 1.
  • the optical path of the continuous laser beam and pulses is collinear.
  • the mirror M5 is able to reflect both continuous and pulsed beams at wavelengths ⁇ 2 and ⁇ on a continuous laser beam 1 out of 1 propagates in the branch losses of the resonant cavity C2.
  • an adjustable optical loss system 9 is used. It may be composed for example by a glass slide or any other transparent material whose angle relative to the axis of the continuous laser beam 11 may be varied. By adjusting the loss level of the optical loss system 9, it is possible to adjust the resonant cavity C2 to limit the energy stored in the amplifying medium 1 without hindering the propagation of the pulse beam to be amplified.
  • Fig. 7 shows a block diagram of another embodiment of the invention in a short pulse laser.
  • the optical amplifying medium 1 is surrounded by two mirrors M2 and M3 forming the ends of a first resonant cavity C1 or first laser cavity (represented by a dashed line).
  • One of the two mirrors (M2 or M3) is partially reflective.
  • the first resonant cavity C1 further comprises an optical switch 4, which may be an acousto-optical type switch adapted to modify the direction of an optical beam or an electro-optical switch capable of modifying the polarization of an optical beam.
  • the optical switch 4 remains in a fixed state during the entire pumping period during which we wish to limit the energy.
  • a second resonant cavity C2 (represented by a solid line) closed by two end mirrors M5 and M6, at least one of which is semi-reflective so as to extract the continuous laser beam.
  • the two resonant cavities C1 and C2 share the same optical amplifier medium 1.
  • An optical loss system 9 is arranged a separate branch of the second cavity C2 not forming part of the first cavity C1.
  • a filter 7 separates the resonant cavity C2 into a common part comprising the amplifying medium 1 and a loss branch comprising the optical loss system 9.
  • a filter 8 separates a beam to the length of the wave ⁇ and a beam at the wavelength ⁇ 2 .
  • the switch 4 blocks the emission of laser pulses in the first cavity C1
  • the excited population increases in the amplifying medium 1 until the gain in this medium is equal to the losses of the cavity C2.
  • the second cavity C2 automatically switches to laser continuously and any additional energy provided by the optical pumping system is reported on the continuous laser beam emitted by the second cavity C2.
  • an adjustable loss system 9 is used in the second cavity C2, in order to adjust the level of loss and therefore the maximum level of the excited population in the amplifying medium 1.
  • the adjustable loss system may be composed of a polarizer associated with a quarter-wave plate placed between the mirror M5 and the polarizer or a polarizer and a half-wave plate placed between the filter 7 and the polarizer or a simple glass slide whose incidence can be varied.
  • the filters 7 and 8 are preferably wavelength filters capable of separating a pulse beam at a first wavelength ⁇ and a beam. continuous laser at a second wavelength different ⁇ 2 .
  • the optical amplifying medium 1 is able to amplify, possibly with a different gain, a pulse beam at the first wavelength ⁇ and a continuous laser beam at the second different wavelength ⁇ 2 .
  • the optical amplifying medium 1 is preferably an optical fiber or an optical fiber rod having a wide gain band (preferably greater than or equal to 1 nm).
  • optical components 7 and / or 8 which make it possible to create two resonant cavities C1 and C2 whose at least one physical property differs, without introducing excessive losses on the cavity C1.
  • the optical components 7 and / or 8 also ensure that the optical path of the pulse beam and the optical path of the continuous laser beam are collinear in the optical amplifier medium 1 common to the two resonant cavities C1 and C2.
  • the component 8 is placed outside the resonant cavities C1 and C2, the mirror M6 forming an output end common to the resonant cavities C1 and C2.
  • the component 8 makes it possible to separate the transmission direction of the continuous laser beam 11 and the emission direction of the amplified pulse beam 20, which is the main beam of interest for the user.
  • the continuous laser beam 11 is thus emitted in a direction different from the laser pulse beam 20.
  • the radiation of the continuous laser beam 11 can reach a very high power but can be trapped to avoid disturbing the beam utilization. pulses 20.
  • the component 8 can operate in reflection, transmission or absorption.
  • the wavelength filter 7 may be placed anywhere between the gain medium 1 and the cavity background mirror M2.
  • the main beam of pulses oscillates between the mirrors M2 and M3 and can be pulsed at a variable rate by the switch 4.
  • the continuous laser beam oscillates between the mirrors M5 and M3.
  • the optical amplifier medium 1 is pumped continuously by one or more laser diodes.
  • the switch 4 is used to block the emission of laser pulses between the mirrors M2 and M3.
  • the excited population stored in medium 1 is gradually increasing.
  • a continuous laser beam is emitted.
  • the excited population is then constantly maintained at this value by the continuous laser effect.
  • a laser pulse at the wavelength ⁇ is formed in the cavity C1 and is emitted by the laser C1.
  • the wavelength filter 8 makes it possible to separate the pulse beam at the wavelength ⁇ - ⁇ and rejects the continuous laser beam at the wavelength ⁇ 2 out of the path of the main beam of pulses.
  • the device then works in the case of a polarized laser.
  • a polarizing element making it possible to operate the two resonant cavities according to two polarization eigenvalues (for example: horizontal polarization for the first resonant cavity C1 and vertical polarization for the second resonant cavity C2).
  • the main beam of pulses (dashed) is then polarized for example horizontally and the continuous laser beam (solid line) is polarized vertically.
  • the device for adjusting the level of limitation of the excited population may be composed of a quarter-wave phase plate whose orientation is adjusted so that associated with a polarizer, the phase plate induces losses necessary to set the maximum level of population that the amplifying medium 1 can store.
  • a partially reflective M5 mirror can also be used for roughly adjust the level of losses and use the phase blade and polarizer device to refine the setting.
  • the filters 7 and / or 8 may be composed of fiber Bragg gratings.
  • the reflectors M2 and M3 forming the cavity C1 can also be one or the other or both of the fiber Bragg gratings.
  • the cavity C1 is formed by the Bragg mirrors M2 and M3 and produces pulses thanks to the switch 4.
  • the cavity C2 formed by the gratings 7 and 8 emits at a different wavelength a continuous radiation as soon as the gain in the amplifying medium 1 exceeds a predetermined threshold.
  • a classic case consists in using a first optical amplifier medium 1 in a laser cavity composed by the mirrors M2 and M3 to produce a generally pulsed radiation, followed by a second optical amplifying medium 23 in order to amplify this radiation.
  • the energy-limiting device is integrated in the first resonator forming a second cavity using the mirrors M5 and M3 but the continuous radiation 11 produced by the cavity C2 when the energy stored in the first optical amplifier medium 1 exceeds the limit fixed by the user, is kept on a propagation axis common to that of the pulsed radiation to be amplified.
  • a filter 8 can be introduced after the second amplifying medium 23 in order to separate the radiation continuous produced by the cavity C2 and amplified by the amplifier of the pulsed radiation produced by the cavity C1 and amplified by the amplifier.
  • a mirror M3 common to the cavities C1 and C2 can be used.
  • the mirror M3 reflects only the pulsed wave 20 and transmits the continuous wave 11.
  • the cavity C2 is then formed using the mirror M5 and a mirror M6 positioned after the second amplifying medium 23 and separated from the radiation 20 by the filter 8.
  • the filter 8 and the mirror M6 can be replaced by a single element taking for example the shape of a Bragg mirror or a dichroic mirror.
  • the second filter 8 is composed of a non-linear crystal capable of producing harmonic radiation from a fundamental frequency wave at the right wavelength.
  • the conversion efficiency obtained in this crystal will be optimized in polarization, wavelength and peak power for the wave from the cavity C1 and will therefore be much lower for the wave from the cavity C2.
  • This system does not distinguish the continuous and pulsed waves respectively from the cavities C2 and C1 by directing them in different directions but by the conversion efficiency to a wave of different wavelength.
  • the non-linear crystal may be a crystal cut for the production of the second harmonic of the fundamental wave.
  • This crystal can be for example a crystal of LBO, KTP, BBO or LiNb0 3 .
  • FIG. 12 proposes a particular embodiment in which the mirror M2 is replaced by a diffraction grating 22 and the switch is an acousto-optical modulator 14.
  • the diffraction grating 22 has an angular acceptance smaller than the diffraction angle between two orders of acousto-optic modulators.
  • the main beam of pulses 10 is then diffracted by the acousto-optical modulator 14 when the acousto-optical modulator is in the conducting position.
  • the first resonant cavity C1 has at its ends the mirror M3 and the diffraction grating 22.
  • a pulse laser pulse beam oscillates in the first resonant cavity C1.
  • the control signal of the acousto-optic modulator 14 is set to zero and the light is no longer diffracted.
  • a second resonant cavity C2 is formed, the ends of which are the mirror M5 and the mirror M3.
  • no laser pulse 10 can be amplified in the amplifying medium 1.
  • a continuous laser beam 11 can be formed in the second resonant cavity C2.
  • the diffraction grating 22 is chosen to be very angularly selective, so as to reflect a beam diffracted by the acousto-optic modulator and so as to transmit a beam transmitted by the acousto-optic modulator.
  • the acousto-optic modulator is used to switch the pulse beam into the first cavity C1 and the continuous laser beam into the second cavity C2.
  • the second resonant cavity C2 comprises an optical loss system 9, preferably adjustable so as to adjust the threshold of the second laser cavity.
  • a pair of filters 7 and 8 makes it possible to distinguish the continuous beam 11 from the main beam 10 or 20 by an optical characteristic (wavelength, polarization or any other characteristic) and to separate at output the continuous laser beam 11 and the beam of amplified laser pulses 20.
  • the filter 7 is used to force the laser cavity C2 on the lambda wavelength 2 to be rejected by the filter 8.
  • C2 goes laser at the peak of the gain and risk of 'In the same way if 7 and 8 are polarisers it should be oriented so that C1 and C2 lasers on polarizations perpendicular to each other.
  • the diffraction grating 22 is replaced by a mirror M2 whose dimensions are such that said mirror M2 is able to reflect a beam diffracted by the acousto-optical modulator while allowing the continuous beam 11 to pass next to the mirror M2 without being reflected.
  • the laser amplifying medium 1 is a crystalline or vitreous solid medium or an optical fiber.
  • a special case is the use of a rod-type fiber called rod type fiber.
  • the fiber is a fiber capable of propagating a polarization without transforming it.
  • the output mirror M3, M6 common to the two resonant cavities C1 and C2 may be formed by polishing or cleaving the output face of the amplifying fiber 1 perpendicular to the axis of the fiber ( see Figure 8). The cavities C1 and C2 are then merged between the mirror M6 and the filter 7 and separate between firstly the filter 7 and the mirror M2 or between the filter 7 and the mirror M5.
  • FIG. 13 represents a preferred embodiment of the invention, in which a pulsed laser is produced from a "rod type" optical fiber inserted in a first resonant cavity C1 formed by a mirror M2 at one end and the face M3 of the optical fiber polished perpendicular to the beam at the other end.
  • the first resonant cavity C1 is triggered by an acousto-optical modulator 14 and comprises a polarizer filter 7 followed by a mirror M2.
  • a second resonant cavity C2 has for its ends the face M3 of the optical fiber and the glass plate 9 acting as a partially reflecting reflector M5, with a reflection coefficient of the order of 4%.
  • the amplifying medium 1 is pumped by a continuous laser diode.
  • the transmission rate is fixed at 10 kHz.
  • the power P produced by the laser increases approximately linearly (black squares in FIG. 14).
  • the power curve stops at the value of 6.5W corresponding to 650 ⁇ at 10 kHz which is the threshold of damage of the fiber. We see in this example that if the user continues to increase the pump current the laser will be damaged.
  • the device described in the invention is then introduced by placing a polarization filter between the acousto-optic modulator and the cavity background mirror and placing a reflector 9 on the beam reflected by the polarizer.
  • a reflector 9 having a reflection coefficient equal to 4%, the black circles are obtained in FIG. 14. It can be seen that, starting from an 18-amp pump current I, the power P of the laser saturates and that the E energy pulses becomes independent of the pump power. Similarly, it is observed that by changing the reflection coefficient to 8% (triangles points upwards in FIG. 14) or 30% (triangles points downwards in FIG. 14), the level of saturation can be varied. The explanation of this saturation is the threshold of the laser effect on the second resonant cavity C2. Beyond this threshold, all additional pump power is transferred to the continuous beam and no longer to the laser pulse. There is therefore a limitation of the energy of the pulses emitted.
  • the invention makes it possible to limit the energy accumulated in an optical amplifying medium intended to amplify optical pulses, preferably by single or double passage in the optical amplifier medium, and makes it possible to regulate the energy of the amplified pulses whatever the frequency pulses and whatever the duration of interruption between two trains of successive pulses.
  • the device of the invention makes it possible to generate a laser pulse beam limited in energy at a predetermined level which is independent of the repetition rate of the pulses, by generating a continuous laser beam emitted simultaneously with the laser pulses when the gain of the medium amplifier is greater than or equal to a predetermined threshold.

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Abstract

L'invention concerne un système amplificateur optique pour l'amplification d'impulsions laser comprenant un milieu amplificateur optique solide apte à recevoir un faisceau d'impulsions laser à amplifier et à générer un faisceau d'impulsions laser amplifiées et des moyens de limitation de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique. Selon l'invention, lesdits moyens de limitation comprennent une cavité résonante continue et des premiers moyens optiques de séparation aptes à séparer ladite cavité résonante continue en une partie commune et une branche de pertes, la partie commune comprenant le milieu amplificateur optique et la branche de pertes comprenant des moyens de pertes optiques, lesdits moyens optiques de séparation étant aptes à diriger sélectivement un faisceau d'impulsions en dehors du trajet optique de ladite branche de pertes de la cavité résonante continue et à diriger un faisceau continu vers ladite branche de pertes de la cavité résonante continue.

Description

Système amplificateur optique et laser à impulsions limitées en énergie par impulsion
La présente invention concerne le fonctionnement des lasers et des amplificateurs optiques en mode puisé pour l'amplification d'impulsions laser de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence. Plus précisément, l'invention concerne un amplificateur ou un laser à impulsions dans lequel l'énergie maximale stockée et/ou produite est limitée à une valeur prédéterminée, indépendamment des variations de cadence des impulsions. L'invention concerne préférentiellement un amplificateur ou laser à fibre optique de type à barreau.
II existe de nombreuses façons de produire des rayonnements puisés à partir d'un système laser. On peut distinguer de manière simplifiée les oscillateurs qui produisent des trains d'impulsions périodiques directement et les amplificateurs qui augmentent l'énergie d'impulsions produites par ailleurs.
Les systèmes lasers à impulsions sont très utilisés dans l'industrie en particulier pour usiner, marquer, graver, percer des matériaux variés. Dans toutes ces applications, l'utilisateur souhaite déclencher l'émission d'impulsions uniquement lorsque la pièce à usiner est centrée sur le faisceau laser. Le système alterne donc entre des phases d'arrêt et des phases d'émission pendant lesquelles une impulsion ou une série d'impulsions est émise à haute cadence. Ces phases d'émission et d'arrêt alternent à des échelles qui peuvent aller de quelques microsecondes à quelques minutes et avec des périodicités extrêmement variables.
Une difficulté apparaît dans tous les systèmes laser à solide lors de ces phases marche/arrêt à cause de la capacité de stockage limitée en énergie des milieux amplificateurs utilisés dans ces lasers. La plupart des lasers à solide modernes utilisent des diodes laser continues comme source de pompage. Dans le cas d'un oscillateur, un matériau laser est inséré dans un résonateur et reçoit en permanence un rayonnement d'une ou plusieurs diodes laser de pompe. Le résonateur contient en outre un interrupteur optique capable de bloquer ou de laisser passer l'émission laser. L'interrupteur est maintenu en position bloquante pendant une durée T1 afin de laisser le matériau laser se charger en énergie. A la fin de cette période, on ouvre brusquement l'interrupteur et une impulsion laser brève est émise. L'énergie de l'impulsion laser émise est proportionnelle à l'énergie stockée dans le milieu laser. Les lasers puisés sont conçus afin que l'énergie stockée durant une période de pompage et donc émise par l'impulsion ne puisse pas dépasser le seuil de dommage des composants du laser.
Un milieu laser à solide a généralement un temps de fluorescence, correspondant approximativement au temps pendant lequel il est capable de stocker de l'énergie, qui est beaucoup plus long que le temps écoulé entre l'émission de deux impulsions successives en régime stationnaire. Par exemple le temps de fluorescence de l'ion Néodyme dans le YAG est de l'ordre de 200 με et celui de l'ion Ytterbium dans le verre de l'ordre de 1200 με. Ces durées sont beaucoup plus longues que les périodes typiques des lasers puisés qui fonctionnent généralement à des cadences de 10 kHz à plusieurs MHz. Selon la fréquence de répétition, la durée T1 entre deux impulsions successives d'un train d'impulsions laser est donc généralement inférieure à 100 με et peut être inférieure à 1 με.
Lorsque l'utilisateur stoppe l'émission laser, il maintient l'interrupteur dans l'état bloquant. Cependant, la pompe fonctionnant en continu, elle continue à charger le milieu amplificateur en énergie. Quand l'utilisateur décide d'utiliser le laser, il débloque l'interrupteur et le laser émet une impulsion dont l'énergie peut être beaucoup plus grande que celle du régime stationnaire. Ce phénomène de première impulsion géante dans les lasers à solide est bien connu et de nombreuses solutions ont été proposées pour tenter de le combattre.
D'autre part, l'utilisateur peut vouloir modifier en temps réel la fréquence des impulsions tout en maintenant une énergie par impulsion constante. C'est particulièrement le cas lorsque le déclenchement des impulsions doit être synchrone du déplacement d'une pièce. Lors des phases d'accélération et de décélération de la pièce, la fréquence des impulsions doit varier dans un facteur qui peut dépasser dix. Le temps de stockage varie alors en permanence et il devient impossible de garder une énergie constante dans le milieu amplificateur.
Dans le brevet US5226051 , un laser à solide est proposé dans lequel la puissance de pompe est réduite lorsque la durée entre deux impulsions successives excède une certaine valeur limite. De cette façon l'énergie stockée dans le milieu laser est limitée à la valeur correspondant au régime stationnaire. Cette solution n'est envisageable que si les diodes laser peuvent être modulées rapidement ce qui n'est pas le cas de la plupart des diodes de puissance utilisées pour pomper des lasers à solide. De plus, moduler rapidement la puissance émise par une diode laser réduit fortement sa durée de vie et provoque une variation de sa longueur d'onde d'émission, introduisant des fluctuations dans les impulsions du laser. Enfin, ce système ne fonctionne qu'à une cadence prédéfinie.
Le brevet US6038241 décrit un laser à solide incluant un interrupteur optique dont les pertes sont contrôlées électroniquement afin de maintenir un niveau d'énergie (donné par la quantité de population excitée) dans le milieu amplificateur proche du niveau stationnaire. L'énergie en excès est évacuée sous la forme d'un faisceau continu qui possède les mêmes caractéristiques géométriques que le faisceau laser puisé. Ce système a plusieurs inconvénients : il demande une électronique de commande complexe, il impose de connaître à l'avance la fréquence des impulsions après l'interruption par l'utilisateur, il produit un faisceau laser continu de même direction, même longueur d'onde et même polarisation que le faisceau principal puisé. Le faisceau laser continu peut endommager ou perturber la pièce à traiter.
Le document de brevet WO 2004/095657 décrit un système similaire utilisé pour maintenir une lentille thermique constante dans un laser à solide.
Le brevet US60091 10 donne un autre exemple de système électronique basé sur un mode de fonctionnement similaire mais adapté à des lasers dont la longueur d'onde est convertie intra-cavité.
Le document de brevet WO 2008/060407 décrit un amplificateur régénératif intégrant un système électro-optique de modification de la polarisation et un système électronique complexe afin de supprimer la première impulsion (surpuissante) après une interruption de l'émission d'impulsions laser. Cet amplificateur régénératif comprend une cavité laser et un modulateur électro-optique qui permet d'injecter dans la cavité une impulsion générée extérieurement puis d'éjecter l'impulsion amplifiée après un grand nombre de passages dans la cavité.
Le document WO 2005/013445 décrit un amplificateur à fibre optique dopée erbium pour l'amplification d'impulsions à une première longueur d'onde, l'amplificateur étant disposé à l'intérieur d'un résonateur secondaire qui émet des impulsions à une autre longueur d'onde lorsque le gain du milieu amplificateur atteint un seuil.
Ces différents systèmes peuvent fonctionner avec des lasers déclenchés ou des amplificateurs régénératifs mais ne sont pas adaptés dans le cas d'un amplificateur à simple ou double passage. Les dispositifs antérieurs utilisent des modes de pilotage complexes d'un interrupteur optique placé dans le résonateur. De plus, ils peuvent provoquer l'émission d'un faisceau laser continu colinéaire avec le faisceau d'impulsions laser qui peut ne pas être acceptable pour l'utilisateur.
Un premier but de l'invention est de protéger les composants du système amplificateur à fibre optique vis à vis d'une trop grande énergie stockée dans le milieu amplificateur. Dans ce but, l'invention vise à limiter l'énergie stockée dans un milieu amplificateur à fibre optique, quelle que soit la puissance de pompage, quelle que soit la fréquence de répétition et quelle que soit la durée d'interruption entre trains d'impulsions successifs. L'invention vise ainsi à limiter l'énergie d'une première impulsion laser après une interruption de l'émission d'un train d'impulsions laser.
Un second but de l'invention est d'assurer que l'énergie des impulsions délivrées soit constante quelle que soit la fréquence des impulsions, la durée d'interruption entre deux impulsions successives et/ou quelle que soit la puissance de pompage.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques antérieures et concerne plus particulièrement un système amplificateur optique pour l'amplification d'impulsions laser de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence, ledit système amplificateur optique comprenant un milieu amplificateur optique solide, ledit milieu amplificateur optique étant apte à recevoir un faisceau d'impulsions laser à amplifier et à générer un faisceau d'impulsions laser amplifiées, la cadence des impulsions laser étant comprise entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz, et des moyens de limitation de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique. Selon l'invention, lesdits moyens de limitation comprennent une cavité résonante continue disposée autour dudit milieu amplificateur optique et des premiers moyens optiques de séparation disposés dans ladite cavité résonante continue, lesdits premiers moyens optiques de séparation étant aptes à séparer ladite cavité résonante continue en une partie commune et une branche de pertes, la partie commune comprenant le milieu amplificateur optique et la branche de pertes comprenant des moyens de pertes optiques, lesdits premiers moyens optiques de séparation étant aptes à diriger sélectivement un faisceau d'impulsions en dehors du trajet optique de ladite branche de pertes de la cavité résonante continue et à diriger un faisceau continu vers ladite branche de pertes de la cavité résonante continue de manière à générer un faisceau laser continu dans ladite cavité résonante continue lorsque le gain du milieu amplificateur est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé égal aux pertes optiques et à générer un faisceau d'impulsions amplifiées limité en énergie par impulsion, ledit milieu amplificateur imposant un axe de propagation unique au faisceau d'impulsions amplifiées et au faisceau laser continu.
Selon un aspect particulier de l'invention, le système amplificateur optique de l'invention comprend en outre des seconds moyens optiques de séparation aptes à séparer spatialement ledit faisceau d'impulsions amplifiées et le faisceau laser continu, le milieu amplificateur optique étant disposé entre les premiers moyens optiques de séparation et les seconds moyens optiques de séparation, de manière à générer un faisceau d'impulsions amplifiées limité en énergie suivant une première direction et à générer un faisceau laser continu suivant une autre direction.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit milieu amplificateur optique comprend une fibre optique ou un barreau de fibre optique, le trajet du faisceau laser continu et du faisceau d'impulsions étant colinéaires dans le milieu amplificateur, et ladite fibre optique ou ledit barreau de fibre optique ayant une bande passante d'amplification ou un gain d'amplification de largeur spectrale supérieure ou égale à 1 nm.
Selon des aspects particuliers, lesdits premiers moyens optiques de séparation et/ou les seconds moyens optiques de séparation comprennent au moins un filtre dichroïque apte à séparer d'une part le faisceau d'impulsions laser à une longueur d'onde λ et d'autre part le faisceau laser continu à une longueur d'onde λ2.
Selon un autre aspect particulier, les seconds moyens optiques de séparation comprennent un filtre de polarisation et/ou lesdits premiers moyens optiques de séparation comprennent un filtre de polarisation, ledit filtre de polarisation étant apte à séparer le faisceau d'impulsions laser selon une première polarisation et le faisceau laser continu selon une seconde polarisation distincte de la première polarisation. Selon un aspect préféré, les pertes optiques induites par lesdits moyens de pertes optiques sont ajustables de manière à ajuster le seuil de la cavité résonante continue.
L'invention concerne aussi un laser déclenché à impulsions de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence, le laser déclenché comprenant un milieu amplificateur optique solide disposé dans une première cavité résonante, des moyens de déclenchement optique disposés dans ladite première cavité résonante, de manière à déclencher l'émission d'un faisceau d'impulsions laser à haute cadence dans ladite première cavité résonante, la cadence des impulsions laser étant comprise entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz, et des moyens de limitation de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique. Selon l'invention, ledit laser comprend une deuxième cavité résonante continue, la première cavité résonante et la deuxième cavité résonante continue ayant une partie commune comprenant le milieu amplificateur optique et les moyens de déclenchement optique, la première cavité résonante ayant au moins une première branche séparée de ladite partie commune, et la deuxième cavité résonante ayant au moins une deuxième branche de pertes séparée de ladite partie commune, ladite deuxième branche de pertes comprenant des moyens de pertes optiques et des premiers moyens optiques de séparation étant disposés dans lesdites première et deuxième cavité résonante de manière à séparer la partie commune respectivement de la première branche et la deuxième branche de pertes, lesdits premiers moyens optiques de séparation étant aptes à diriger un faisceau d'impulsions laser vers la première branche de la première cavité résonante et à diriger un faisceau laser continu vers la deuxième branche de pertes de la deuxième cavité résonante continue.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdits moyens de déclenchement optique comprennent un modulateur acousto-optique polarisant ou non polarisant ou un modulateur électro-optique.
Selon un mode de réalisation préféré, ledit milieu amplificateur optique comprend une fibre optique ou un barreau de fibre optique, ladite fibre optique ou ledit barreau de fibre optique a une bande passante d'amplification et/ou un gain d'amplification de largeur spectrale supérieure ou égale à 1 nm.
Selon un aspect particulier du laser à impulsions, les seconds moyens optiques de séparation comprennent un filtre dichroïque et/ou lesdits premiers moyens optiques de séparation comprennent un filtre dichroïque, ledit filtre dichroïque étant apte à séparer le faisceau d'impulsions laser à une longueur d'onde λ et le faisceau laser continu à une longueur d'onde λ2.
Selon un autre mode de réalisation, les seconds moyens optiques de séparation comprennent un filtre de polarisation et/ou lesdits premiers moyens optiques de séparation comprennent un filtre de polarisation, ledit filtre de polarisation étant apte à séparer le faisceau d'impulsions laser selon une première polarisation et le faisceau laser continu selon une seconde polarisation distincte de la première polarisation.
Selon différents aspects de l'invention, lesdits moyens de déclenchement optique comprennent un déclencheur passif de type Q-switch, ou un modulateur acousto- optique non polarisant ou un modulateur acousto-optique.
Selon un aspect particulier, lesdits moyens de perte sont ajustables de manière à ajuster le seuil de la cavité résonante continue.
Selon un autre aspect particulier, les seconds moyens optiques de séparation comprennent un cristal non-linéaire apte à produire une onde à une fréquence différente de l'onde fondamentale avec un rendement dépendant de la longueur d'onde incidente et/ou de la polarisation incidente et /ou de la puissance crête incidente.
L'invention concerne aussi un laser à impulsions déclenché et un amplificateur optique utilisant un limiteur d'énergie selon l'un des modes de réalisation décrits, le système comportant deux milieux amplificateurs séparés par au moins un composant optique fermant la première cavité résonante du laser à impulsion déclenché, dans lequel le faisceau laser continu produit par la deuxième cavité résonante continue traverse le second milieu amplificateur.
L'invention concerne aussi un procédé d'amplification d'impulsions laser de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence, le procédé comprenant les étapes suivantes:
■ pompage optique d'un milieu amplificateur optique solide ;
■ génération d'un faisceau d'impulsions laser à amplifier à une cadence comprise entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz ;
■ adressage du faisceau d'impulsions laser à amplifier en direction d'un milieu amplificateur optique solide ;
■ amplification du faisceau d'impulsions laser par simple ou double passage dans le milieu amplificateur optique solide de manière à générer un faisceau d'impulsions laser amplifiées.
Selon l'invention, le procédé comprend une étape de limitation de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique,
ladite étape de limitation comportant l'étape suivante :
- formation d'une cavité résonante continue comprenant ledit milieu amplificateur optique solide de manière à générer un faisceau laser continu dans ladite cavité résonante continue lorsque le gain du milieu amplificateur est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé égal aux pertes optiques et à générer un faisceau d'impulsions amplifiées limité en énergie par impulsion.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans un laser à impulsion sur fibre optique. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description d'un (des) mode(s) de réalisation particulier(s) de l'invention donné(s) uniquement à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins :
- la figure 1 représente schématiquement l'évolution de la population d'ions excités (courbe du haut) en fonction du temps et en fonction des impulsions d'un trigger externe (impulsions du milieu), et respectivement l'énergie des impulsions laser (impulsions du bas) dans un laser puisé de l'art antérieur ;
- la figure 2 représente schématiquement le principe de la limitation de la population excitée dans un milieu amplificateur optique ou laser puisé ;
- la figure 3 représente schématiquement un amplificateur optique à un seul passage intégrant un limiteur d'énergie selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 4 représente schématiquement un amplificateur optique à un seul passage intégrant un limiteur d'énergie selon un autre mode de réalisation ;
- la figure 5 représente schématiquement un amplificateur à fibre optique selon une variante du mode de réalisation de la figure 4 ;
- la figure 6 représente schématiquement un amplificateur optique à double passage intégrant un limiteur d'énergie selon un second mode de réalisation ;
- la figure 7 représente schématiquement un laser à impulsions comprenant un limiteur d'énergie par cavités imbriquées selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 8 représente schématiquement un laser à impulsions comprenant un limiteur d'énergie par cavités imbriquées selon une variante de la figure 7 ;
- la figure 9 représente schématiquement un laser à impulsions à fibre optique selon une variante de la figure 8 ;
- la figure 10 représente schématiquement un système intégrant plusieurs milieux amplificateurs optiques selon un autre mode de réalisation ;
- la figure 1 1 représente schématiquement un système intégrant plusieurs milieux amplificateurs optiques selon une variante de la figure 10 ;
- la figure 12 représente schématiquement un laser à impulsions limité en énergie selon un autre mode de réalisation utilisant un modulateur acousto-optique;
- la figure 13 représente schématiquement un laser à impulsions limité en énergie selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 14 représente un ensemble de mesures de puissance moyenne produite par le laser selon un mode de réalisation de l'invention, la puissance moyenne étant fonction du courant appliqué à la diode de pompage et du niveau des pertes induites ;
- les figures 15A et 15B représentent un train d'impulsions laser à différentes cadences de fonctionnement du laser.
L'invention repose sur l'utilisation d'un dispositif permettant d'éliminer un « trop- plein » d'énergie au fur et à mesure que celle-ci est stockée dans un milieu amplificateur solide pendant le pompage optique en continu.
Plus précisément, l'invention concerne un système, de préférence passif, permettant de limiter à une valeur ajustable l'énergie des impulsions produites par un oscillateur déclenché ou un amplificateur. Le dispositif peut être utilisé pour supprimer la première impulsion d'un train d'impulsions dans un système puisé, pour produire des impulsions d'énergie constante à des fréquences variables aléatoirement ou pour limiter l'énergie produite en sortie d'un amplificateur optique et éviter tout endommagement dans l'application finale.
Afin de simplifier l'explication, nous décrivons tout d'abord le fonctionnement du dispositif dans un amplificateur. Le fonctionnement dans une cavité résonante laser est décrit plus loin.
La figure 1 représente schématiquement l'évolution en fonction du temps de la population d'ions excités (courbe 33) dans un milieu amplificateur optique déclenché à des instants distribués en fonction du temps (impulsions de déclenchement 30). On sait que l'énergie E d'une impulsion produite par un oscillateur laser puisé par déclenchement est proportionnelle à l'énergie stockée dans le milieu amplificateur avant le déclenchement de l'interrupteur optique. Lorsque le déclenchement se fait de manière périodique, on atteint un état stationnaire schématisé par la figure 1 pour les cinq premières impulsions. La population excitée dans le milieu amplificateur oscille entre les valeurs nf et n,. L'énergie E des impulsions 34 est proportionnelle à la différence n, - nf. Après une série d'impulsions, supposons que l'utilisateur stoppe l'émission d'impulsions pendant un temps long devant une période du fonctionnement standard, la population excitée augmente jusqu'à une valeur n∞ où elle sature. Lorsqu'on reprend le déclenchement, la première impulsion émise 35 possède une énergie beaucoup plus importante à cause de cette très grande population excitée stockée dans le milieu laser. De même, si la période entre impulsions 30 successives de déclenchement varie, l'énergie E des impulsions émises 34 varie proportionnellement. Or les impulsions émises 34 de forte énergie risquent d'endommager le milieu amplificateur, notamment lorsqu'il s'agit d'une fibre optique amplificatrice ou d'un barreau de fibre optique.
Le but de l'invention est de maintenir une population excitée maximale égale à un niveau prédéfini inférieur au niveau maximum n∞. La figure 2 explicite le principe mis en œuvre dans l'invention. Le mode de fonctionnement d'un laser à impulsions selon l'art antérieur est représenté par les courbes 31 et 33 et l'impulsion émise 35. A haute cadence de déclenchement, la population d'ions excités oscille entre les valeurs nf et n, (courbe 31 ). Si la cadence de déclenchement diminue, le temps de pompage augmente et la population excitée augmente jusqu'à la valeur de saturation du milieu (courbe 33). Ce fonctionnement risque de déclencher l'émission d'une impulsion surpuissante 35. Nous souhaitons limiter le niveau de population excitée à une valeur prédéfinie (comme représenté sur la courbe 32) quelle que soit la cadence du laser. Dans ce cas, l'énergie des impulsions émises 34 est limitée par ce niveau maximum de population excitée (défini par la courbe 32). Pour obtenir cet effet de limitation, nous utilisons un effet laser continu dans une cavité laser imbriquée dans la cavité principale. Un laser continu se stabilise très rapidement autour d'un fonctionnement pour lequel le gain dans la cavité est très exactement égal aux pertes de cette dernière. Ce point de fonctionnement correspond au niveau de population nécessaire à atteindre le seuil puisque le gain est directement proportionnel à la population excitée. En changeant le niveau des pertes dans un laser continu on peut donc ajuster la population excitée du milieu laser et ajuster le niveau de limitation n, pour l'amplification des impulsions.
Nous allons maintenant décrire la mise en œuvre de ce principe dans un amplificateur à un seul passage, représenté schématiquement sur la figure 3. Considérons un milieu amplificateur optique 1 pompé en continu. Sur les figures 3 et suivantes, la source de pompage continu n'est pas représentée. La population d'ions excités augmente dans le milieu amplificateur 1 au fur et à mesure de la durée de pompage jusqu'à une valeur de saturation. Lorsqu'une impulsion laser est incidente sur le milieu amplificateur 1 , elle est amplifiée par émission stimulée et produit une diminution de la population excitée dans le milieu amplificateur. L'énergie de l'impulsion amplifiée est proportionnelle à l'énergie stockée dans le milieu. Comme expliqué en lien avec la figure 1 , dans un laser déclenché selon l'art antérieur, lorsque le temps de pompage varie, l'énergie des impulsions amplifiées varie proportionnellement. L'énergie des impulsions amplifiées peut excéder le seuil de dommage de l'amplificateur. L'énergie excédentaire des impulsions amplifiées peut aussi poser problème à l'utilisateur qui souhaite une énergie constante quel que soit le taux de répétition des impulsions incidentes. La présente invention propose un premier mode de réalisation particulier explicité sur la figure 3. Un oscillateur laser 12 est utilisé pour produire des impulsions laser à amplifier 10. Le temps séparant deux impulsions 10 peut varier dans de grandes proportions mais l'utilisateur souhaite obtenir une énergie constante en sortie de la chaîne d'amplification. Les impulsions 10 à amplifier sont incidentes sur un milieu amplificateur optique 1 . Un filtre 7 et un filtre 8 sont positionnés de chaque coté du milieu amplificateur 1 . Les filtres 7 et 8 sont avantageusement aptes à filtrer la polarisation ou la longueur d'onde d'un faisceau optique. Une cavité laser ou résonateur C2 (représentée en trait continu) est formée par deux miroirs M5 et M6 dont l'un au moins est partiellement réfléchissant. Le milieu amplificateur optique 1 est situé à l'intérieur du résonateur continu C2. Un système de pertes ajustables 9 est inséré dans ce résonateur C2 mais pas sur le trajet optique des impulsions à amplifier 10 ni des impulsions amplifiées 20. Ce système de pertes ajustables peut par exemple être composé d'une lame quart d'onde 9 associée à un polariseur qui peut être distinct ou non du filtre 7. On ajuste les pertes introduites par cet ensemble en ajustant l'angle formé par la direction de polarisation définie par le polariseur et la direction de l'axe lent de la lame quart d'onde. La rotation de la lame quart d'onde peut avantageusement être motorisée. Dans une autre réalisation le système de pertes peut aussi être composé d'une lame d'un matériau transparent dont l'angle entre la surface et l'axe du faisceau peut être modifié. La réflectivité de cette lame variant avec l'incidence, on peut ainsi régler les pertes de la cavité C2. La lame peut éventuellement être traitée avec une ou plusieurs couches afin d'accentuer cet effet de réflectivité variable.
Lorsque le temps de pompage de l'amplificateur 1 augmente, le gain de cet amplificateur 1 augmente jusqu'à ce que le gain de l'amplificateur soit égal aux pertes dans la cavité C2. Une oscillation laser continue se créée alors entre les miroirs M5 et M6 et maintient la population excitée à la valeur correspondant au seuil d'oscillation de la cavité laser continu C2. Lorsqu'une impulsion émise par l'oscillateur 12 arrive dans l'amplificateur 1 , elle ne trouve que la population excitée correspondant à ce seuil et son énergie après amplification ne peut donc pas dépasser une valeur limite fixée par les pertes du dispositif 9.
Dans un mode de réalisation préféré, le milieu amplificateur optique 1 est un milieu amplificateur ayant une bande de gain large, c'est à dire apte à amplifier, éventuellement avec un gain différent, un faisceau d'impulsions à une première longueur d'onde λ et un faisceau laser continu à une deuxième longueur d'onde différente λ2 différente de λ-, . De préférence, le milieu amplificateur optique 1 est une fibre optique ou un barreau de fibre optique ayant une bande spectrale de gain large (de préférence supérieure ou égale à 1 nm). Le milieu amplificateur à fibre optique ou à barreau de fibre optique a généralement une faible étendue spatiale transverse. Le faisceau d'impulsions et le faisceau laser continu sont alors colinéaires dans le milieu amplificateur à fibre optique ou à barreau de fibre optique. Les filtres 7 et 8 sont avantageusement des filtres en longueur d'onde, par exemple aptes à transmettre un faisceau d'impulsions à la longueur d'onde λ et à réfléchir un faisceau laser continu à la longueur d'onde λ2, les longueurs d'onde λ et λ2 étant situées dans la bande de gain du milieu amplificateur. Dans ce cas particulier, le milieu amplificateur 1 peut ne pas conserver la polarisation et le faisceau à amplifier 10 n'a pas nécessité à être polarisé.
Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 4, les miroirs M5 et M6 sont incorporés dans les filtres 7 et 8. Ces filtres 7 et 8 fonctionnent alors à incidence normale. Au moins un des miroirs M5, M6 doit avoir une réflectivité inférieure à 1 . Chacun de ces filtres 7, 8 peut être par exemple composé par un réseau de Bragg massif qui réfléchit la lumière à la longueur d'onde λ2 et transmet toute autre longueur d'onde dont en particulier λ . Les deux faisceaux continus et puisé sont alors émis selon le même axe. Ils sont alors séparés par un autre filtre spectral 22 qui peut être un simple miroir dichroïque ou un autre réseau de Bragg massif travaillant en dehors de l'incidence nulle ou encore un module de génération d'harmonique dont l'acceptance spectrale est plus étroite que la séparation entre λ et 2. Le réglage des pertes dans la cavité C2 peut par exemple être ajusté en changeant la température d'un des réseaux de Bragg 7, 8. Une telle variation de la température va légèrement décaler spectralement la courbe de réflectivité dudit réseau. Les longueurs d'onde correspondant au maximum de réflexion des deux réseaux M5 et M6 ne correspondent plus exactement ce qui introduit des pertes dans la cavité C2. Plus le décalage est important plus les pertes sont importantes.
Dans un mode de réalisation particulier représenté sur la figure 5, les filtres 7 et 8 peuvent être intégrés ou soudés à la fibre optique amplificatrice 1 en prenant par exemple la forme de réseaux de Bragg fibrés dont l'un au moins présente une réflectivité inférieure à 1 00%. La longueur d'onde de réflexion des réseaux 7 et 8 est alors choisie pour être différente de la longueur d'onde des impulsions à amplifier. Ces deux réseaux de Bragg forment ainsi une cavité C2 dont les pertes sont ajustées par exemple en ajustant la température de l'un des deux réseaux de Bragg fibrés. Cette cavité C2 peut ainsi émettre un rayonnement continu à la longueur d'onde λ2 dès que le gain dans le milieu amplificateur 1 dépasse les pertes introduites par l'ensemble des deux réseaux de Bragg 7, 8.
Dans un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 6, le milieu amplificateur optique 1 est utilisé en double passage. Un polariseur 1 3 est placé sur le chemin optique entre l'oscillateur 1 2 et le milieu amplificateur optique 1 . Le polariseur 13 est par exemple un cube séparateur de polarisation. Une lame quart d'onde 1 5 et un miroir M5 sont placés après le milieu amplificateur 1 . Le train d'impulsion à amplifier 1 0 effectue un premier passage dans l'amplificateur 1 selon une polarisation et fait un second passage selon le même axe de propagation mais en sens opposé et avec une polarisation perpendiculaire. Le polariseur 1 3 sépare le faisceau incident d'impulsions à amplifier 1 0 et le faisceau d'impulsions amplifiées 20. Comme dans le mode de réalisation de la figure 3, une cavité résonante C2 a pour extrémités un miroir M5 et un miroir M6 et comprend le milieu amplificateur 1 à gain large bande. La cavité résonante C2 comprend aussi un système de pertes optiques 9. Un filtre 7 est disposé dans la cavité résonante C2 entre milieu amplificateur 1 et le système de pertes optiques 9 de manière à ce que le système de pertes optiques 9 ne soit pas sur le trajet optique des impulsions à amplifier 1 0 ou des impulsions amplifiées 20. Le filtre 7 est un filtre apte à séparer une première longueur d'onde λ et une deuxième longueur d'onde λ2. Le filtre 7 sépare donc la cavité résonante C2 en une partie commune et une branche comprenant le système de pertes. La partie commune comprend le milieu amplificateur 1 . Dans la partie commune, le trajet optique du faisceau laser continu et des impulsions est colinéaire. Le miroir M5 est apte à réfléchir les deux faisceaux continus et puisés aux longueurs d'onde λ et λ2 Seul un faisceau laser continu 1 1 se propage dans la branche de pertes de la cavité résonante C2. De préférence, on utilise un système de pertes optiques 9 ajustable. Il peut être composé par exemple par une lame de verre ou de tout autre matériau transparent dont l'angle par rapport à l'axe du faisceau laser continu 1 1 peut être varié. En ajustant le niveau de pertes du système de pertes optiques 9, on peut régler la cavité résonante C2 pour limiter l'énergie stockée dans le milieu amplificateur 1 sans pour autant gêner la propagation du faisceau d'impulsions à amplifier.
On peut aisément étendre l'utilisation du dispositif de l'invention à un laser à impulsions brèves. La problématique reste similaire. Pour ce faire nous proposons d'imbriquer deux résonateurs laser partageant le même milieu à gain 1 . La figure 7 représente un schéma de principe d'un autre mode de réalisation de l'invention dans un laser à impulsions brèves. Le milieu amplificateur optique 1 est entouré de deux miroirs M2 et M3 formant les extrémités d'une première cavité résonante C1 ou première cavité laser (représentée par une ligne en tirets). L'un des deux miroirs (M2 ou M3) est partiellement réfléchissant. La première cavité résonante C1 comprend en outre un interrupteur optique 4, qui peut être un interrupteur de type acousto-optique apte à modifier la direction d'un faisceau optique ou un interrupteur électro-optique apte à modifier la polarisation d'un faisceau optique. L'interrupteur optique 4 reste dans un état fixe durant toute la période de pompage pendant laquelle nous souhaitons limiter l'énergie. Selon l'invention nous construisons une deuxième cavité résonante C2 (représentée par une ligne en trait continu) fermée par deux miroirs d'extrémités M5 et M6, dont l'un au moins est semi-réfléchissant de manière à extraire le faisceau laser continu. Les deux cavités résonantes C1 et C2 partagent le même milieu amplificateur optique 1 . Un système de pertes optiques 9 est disposé une branche séparée de la deuxième cavité C2 ne faisant pas partie de la première cavité C1 . Un filtre 7 sépare la cavité résonante C2 en une partie commune comprenant le milieu amplificateur 1 et une branche de pertes comprenant le système de pertes optiques 9. A l'autre extrémité de la partie commune, un filtre 8 sépare un faisceau à la longueur d'onde λ et un faisceau à la longueur d'onde λ2. Lorsque l'interrupteur 4 bloque l'émission d'impulsions laser dans la première cavité C1 , la population excitée augmente dans le milieu amplificateur 1 jusqu'à ce que le gain dans ce milieu soit égal aux pertes de la cavité C2. Dès que le gain du milieu amplificateur 1 atteint le niveau de perte de la deuxième cavité C2, la deuxième cavité C2 se met automatiquement à laser en continu et toute énergie supplémentaire apportée par le système de pompage optique est reportée sur le faisceau laser continu émis par la deuxième cavité C2. On utilise avantageusement un système de perte ajustable 9 dans la deuxième cavité C2, afin de régler le niveau de perte et donc le niveau maximal de la population excitée dans le milieu amplificateur 1 . Le système de pertes ajustable peut être composé d'un polariseur associé à une lame quart d'onde placé entre le miroir M5 et le polariseur ou d'un polariseur et d'une lame demi-onde placée entre le filtre 7 et le polariseur ou d'une simple lame de verre dont l'incidence peut être variée.
De même que dans le mode de réalisation décrit en lien avec la figure 3, les filtres 7 et 8 sont de préférence des filtres en longueur d'onde aptes à séparer un faisceau d'impulsions à une première longueur d'onde λ et un faisceau laser continu à une deuxième longueur d'onde différente λ2. Le milieu amplificateur optique 1 est apte à amplifier, éventuellement avec un gain différent, un faisceau d'impulsions à la première longueur d'onde λ et un faisceau laser continu à la deuxième longueur d'onde différente λ2. Le milieu amplificateur optique 1 est de préférence une fibre optique ou un barreau de fibre optique ayant une bande de gain large (de préférence supérieure ou égale à 1 nm).
De nombreuses variantes sont possibles qui présentent des avantages ou des inconvénients variés. En particulier il convient de trouver des composants 7 et/ou 8 qui permettent de créer deux cavités résonantes C1 et C2 dont au moins une propriété physique diffère, sans introduire de pertes excessives sur la cavité C1 . Dans un milieu amplificateur à fibre optique ou à barreau de fibre optique, les composants optiques 7 et/ou 8 assurent également que le chemin optique du faisceau d'impulsions et respectivement le chemin optique du faisceau laser continu soient colinéaires dans le milieu amplificateur optique 1 commun aux deux cavités résonantes C1 et C2.
Selon une première variante (cf. Figure 8), le composant 8 est placé à l'extérieur des cavités résonantes C1 et C2, le miroir M6 formant une extrémité de sortie commune aux cavités résonantes C1 et C2. Le composant 8 permet de séparer la direction d'émission du faisceau laser continu 1 1 et la direction d'émission du faisceau d'impulsions amplifiées 20, qui est le faisceau principal d'intérêt pour l'utilisateur. Le faisceau laser continu 1 1 est ainsi émis dans une direction différente du faisceau d'impulsions laser 20. Le rayonnement du faisceau laser continu 1 1 peut atteindre une très forte puissance mais peut être piégé pour éviter de perturber l'utilisation du faisceau d'impulsions 20. Notons que le composant 8 peut fonctionner en réflexion, en transmission ou en absorption.
Nous proposons un mode particulier de fonctionnement du limiteur d'énergie qui permet d'une part de garantir que les impulsions émises par le laser ont une énergie maximale fixée par l'utilisateur et d'autre part d'éliminer le faisceau continu parasite sans pour autant créer de pertes sur le principal faisceau d'impulsions. Pour obtenir deux cavités C1 , C2 imbriquées mais indépendantes nous proposons d'utiliser des filtres en longueur d'onde 7 et 8 aptes à séparer un faisceau à une première longueur d'onde λ et un faisceau à une longueur d'onde différente λ2. Dans ce cas la première cavité résonante C1 lase sur une première longueur d'onde λ transmise par les filtres 7 et 8 et la deuxième cavité résonante C2 lase sur une longueur d'onde différente λ2, réfléchie par les filtres 7 et 8. Le filtre en longueur d'onde 7 peut être placé à n'importe quel endroit entre le milieu à gain 1 et le miroir de fond de cavité M2.
Le faisceau principal d'impulsions oscille entre les miroirs M2 et M3 et peut être puisé à une cadence variable par l'interrupteur 4. Le faisceau laser continu oscille entre les miroirs M5 et M3.
Dans un mode fonctionnement particulier, le milieu amplificateur optique 1 est pompé en continu par une ou plusieurs diodes laser. L'interrupteur 4 est utilisé pour bloquer l'émission d'impulsions laser entre les miroirs M2 et M3. La population excitée stockée dans le milieu 1 augmente progressivement. Dès que la population atteint le niveau correspondant au seuil de l'effet laser dans la deuxième cavité résonante C2 formée par les miroirs M5 et M6, un faisceau laser continu est émis. La population excitée est alors constamment maintenue à cette valeur par l'effet laser continu. Dès que l'utilisateur déclenche la cavité C1 en basculant l'interrupteur 4, une impulsion laser à la longueur d'onde λ se forme dans la cavité C1 et est émise par le laser C1 . Le filtre en longueur d'onde 8 permet de séparer le faisceau d'impulsions à la longueur d'onde λ-ι et rejette le faisceau laser continu à la longueur d'onde λ2 hors du trajet du faisceau principal d'impulsions.
De manière alternative ou complémentaire, on peut envisager d'utiliser les propriétés de polarisation dans la première cavité résonante C1 et/ou dans la deuxième cavité résonante C2. Le dispositif fonctionne alors dans le cas d'un laser polarisé. Sur la partie séparée de la première cavité et/ou de la deuxième cavité résonante, on peut placer un élément polarisant permettant de faire fonctionner les deux cavités résonantes suivant deux états propres de polarisation (par exemple : polarisation horizontale pour la première cavité résonante C1 et polarisation verticale pour la deuxième cavité résonante C2). Le faisceau principal d'impulsions (en tirets) est alors polarisé par exemple horizontalement et le faisceau laser continu (trait continu) est polarisé verticalement.
Par ailleurs, le dispositif de réglage du niveau de limitation de la population excitée peut être composé d'une lame de phase quart d'onde dont on règle l'orientation de façon à ce qu'associée à un polariseur, la lame de phase induise des pertes nécessaire à fixer le niveau maximal de population que le milieu amplificateur 1 peut stocker. On peut aussi utiliser un miroir M5 partiellement réfléchissant pour grossièrement adapter le niveau de pertes et utiliser le dispositif à lame de phase et polariseur pour affiner le réglage.
De manière alternative représentée sur la figure 9 les filtres 7 et/ou 8 peuvent être composés par des réseaux de Bragg fibrés. Les réflecteurs M2 et M3 formant la cavité C1 peuvent eux aussi être l'un, l'autre ou tous les deux des réseaux de Bragg fibrés. La cavité C1 est formée par les miroirs de Bragg M2 et M3 et produit des impulsions grâce à l'interrupteur 4. La cavité C2 formée par les réseaux 7 et 8 émet à une longueur d'onde différente un rayonnement continu dès que le gain dans le milieu amplificateur 1 dépasse un seuil prédéterminé.
Dans une configuration particulière explicitée sur la figure 10 on peut utiliser l'objet de l'invention afin de limiter l'énergie des impulsions produites dans un système intégrant plusieurs milieux amplificateurs optiques. Un cas classique consiste à utiliser un premier milieu amplificateur optique 1 dans une cavité laser composée par les miroirs M2 et M3 pour produire un rayonnement généralement puisé, suivi d'un second milieu amplificateur optique 23 afin d'amplifier ce rayonnement. Le dispositif limiteur d'énergie est intégré dans le premier résonateur en formant une seconde cavité à l'aide des miroirs M5 et M3 mais le rayonnement continu 1 1 , produit par la cavité C2 lorsque l'énergie stockée dans le premier milieu amplificateur optique 1 dépasse la limite fixée par l'utilisateur, est conservé sur un axe de propagation commun à celui du rayonnement puisé à amplifier 20. Pour ce faire il convient de ne pas utiliser de second filtre 8 entre l'amplificateur 1 et l'amplificateur 23. Le faisceau laser continu 1 1 est donc incident sur le second milieu amplificateur 23 et se trouve amplifié. Il extrait une partie de l'énergie stockée dans ce second milieu amplificateur 23, limitant par là même l'énergie des impulsions amplifiées dans ce second milieu amplificateur 23. On peut introduire un filtre 8 après le second milieu amplificateur 23 afin de séparer le rayonnement continu produit par la cavité C2 puis amplifié par l'amplificateur du rayonnement puisé produit par la cavité C1 et amplifié par l'amplificateur.
Dans un premier mode de réalisation de la figure 10 on peut utiliser un miroir M3 commun aux cavités C1 et C2.
Dans un second mode de réalisation sur la figure 1 1 , le miroir M3 ne réfléchit que l'onde puisée 20 et transmet l'onde continue 1 1 . La cavité C2 est alors formée à l'aide du miroir M5 et d'un miroir M6 positionné après le second milieu amplificateur 23 et séparé du rayonnement 20 par le filtre 8. Ici encore le filtre 8 et le miroir M6 peuvent être remplacés par un unique élément prenant par exemple la forme d'un miroir de Bragg ou d'un miroir dichroïque.
Dans un mode de réalisation particulier, le second filtre 8 est composé d'un cristal non-linéaire susceptible de produire un rayonnement harmonique à partir d'une onde de fréquence fondamentale à la bonne longueur d'onde. Le rendement de conversion obtenu dans ce cristal sera optimisé en polarisation, longueur d'onde et puissance crête pour l'onde issue de la cavité C1 et sera par conséquent beaucoup plus faible pour l'onde issue de la cavité C2. Ce système ne distingue pas les ondes continue et puisée issues respectivement des cavités C2 et C1 en les dirigeant dans des directions différentes mais par le rendement de conversion vers une onde de longueur d'onde différente. En particulier le cristal non-linéaire peut être un cristal taillé pour la production du second harmonique de l'onde fondamentale. Ce cristal peut être par exemple un cristal de LBO, de KTP, de BBO ou de LiNb03.
La figure 12 propose un mode de réalisation particulier dans lequel le miroir M2 est remplacé par un réseau de diffraction 22 et l'interrupteur est un modulateur acousto-optique 14. Le réseau de diffraction 22 possède une acceptance angulaire inférieure à l'angle de diffraction entre deux ordres du modulateurs acousto-optique. Le faisceau principal d'impulsions 10 est alors diffracté par le modulateur acousto-optique 14 lorsque le modulateur acousto-optique est en position passante. La première cavité résonante C1 a pour extrémités le miroir M3 et le réseau de diffraction 22. Un faisceau d'impulsions laser d'impulsions oscille dans la première cavité résonante C1 . Pour bloquer la première cavité résonante C1 , le signal de commande du modulateur acousto-optique 14 est fixé à zéro et la lumière n'est plus diffractée. En plaçant un miroir M5 derrière le réseau de diffraction 22 on forme une seconde cavité résonante C2 ayant pour extrémités le miroir M5 et le miroir M3. Lorsque le modulateur acousto- optique 14 est en position bloquante, aucune impulsion laser 10 ne peut être amplifiée dans le milieu amplificateur 1 . Lorsque le pompage du milieu amplificateur 1 se poursuit, un faisceau laser continu 1 1 peut se former dans la deuxième cavité résonante C2. Le réseau de diffraction 22 est choisi pour être très sélectif angulairement, de manière à réfléchir un faisceau diffracté par le modulateur acousto- optique et de manière à transmettre un faisceau transmis par le modulateur acousto- optique. Dans ce mode de réalisation, le modulateur acousto-optique sert à aiguiller le faisceau d'impulsions dans la première cavité C1 et le faisceau laser continu dans la deuxième cavité C2. De manière analogue aux modes de réalisation précédents, la deuxième cavité résonante C2 comprend un système de pertes optiques 9, de préférence ajustable de manière à ajuster le seuil de la deuxième cavité laser. Une paire de filtres 7 et 8 permet de distinguer le faisceau continu 1 1 du faisceau principal 10 ou 20 par une caractéristiques optique (longueur d'onde, polarisation ou toute autre caractéristique) et de séparer en sortie le faisceau laser continu 1 1 et le faisceau d'impulsions laser amplifiées 20. Le filtre 7 sert à obliger la cavité C2 à laser sur la longueur d'onde lambda 2 pour pouvoir être rejeté par le filtre 8. En son absence, C2 va laser au pic du gain et risque d'être transmis par le filtre 8. De la même façon si 7 et 8 sont des polariseurs il convient de les orienter de façon à ce que C1 et C2 lasent sur des polarisations perpendiculaires l'une à l'autre. Dans une variante représentée sur la figure 13, le réseau de diffraction 22 est remplacé par un miroir M2 dont les dimensions sont telles que ledit miroir M2 est apte à réfléchir un faisceau diffracté par le modulateur acousto-optique tout en permettant au faisceau continu 1 1 de passer à coté du miroir M2 sans être réfléchi.
Le milieu amplificateur 1 laser est un milieu solide cristallin ou vitreux ou une fibre optique. Un cas particulier est l'utilisation d'une fibre de type barreau dite rod type fiber. Dans certains modes de réalisation, la fibre est une fibre apte à propager une polarisation sans la transformer. Dans le cas d'une fibre optique, le miroir de sortie M3, M6 commun aux deux cavités résonantes C1 et C2 peut être formé par polissage ou clivage de la face de sortie de la fibre amplificatrice 1 perpendiculairement à l'axe de la fibre (cf Figure 8). Les cavités C1 et C2 sont alors confondues entre le miroir M6 et le filtre 7 et distinctes entre d'une part le filtre 7 et le miroir M2 ou d'autre part entre le filtre 7 et le miroir M5.
La figure 13 représente un mode de réalisation préféré de l'invention, dans lequel un laser puisé est fabriqué à partir d'une fibre optique "rod type" insérée dans une première cavité résonante C1 formée par un miroir M2 à une extrémité et la face M3 de la fibre optique polie perpendiculairement au faisceau à l'autre extrémité. La première cavité résonante C1 est déclenchée par un modulateur acousto-optique 14 et comprend un filtre 7 polariseur suivi d'un miroir M2. Une deuxième cavité résonante C2 a pour extrémités la face M3 de la fibre optique et la lame de verre 9 jouant le rôle de réflecteur M5 partiellement réfléchissant, avec un coefficient de réflexion de l'ordre de 4%. Le milieu amplificateur 1 est pompé par une diode laser continu. La cadence d'émission est fixée à 10 kHz.
Lorsque le courant I appliqué sur la diode de pompage est progressivement augmenté, la puissance P produite par le laser augmente à peu près linéairement (carrés noirs sur la figure 14). La courbe de puissance s'arrête à la valeur de 6.5W correspondant à 650 μϋ à 10 kHz qui est le seuil d'endommagement de la fibre. On voit sur cet exemple que si l'utilisateur continue à augmenter le courant de pompe le laser va être endommagé.
On introduit alors le dispositif décrit dans l'invention en plaçant un filtre en polarisation entre le modulateur acousto-optique et le miroir de fond de cavité et en plaçant un réflecteur 9 sur le faisceau réfléchi par le polariseur. Avec un réflecteur 9 ayant un coefficient de réflexion égal à 4% on obtient les ronds noirs sur la figure 14. On observe qu'à partir d'un courant I de pompe de 18 ampères, la puissance P du laser sature et que l'énergie E des impulsions devient indépendante de la puissance de pompe. De même on observe qu'en changeant le coefficient de réflexion à 8% (triangles pointe vers le haut sur la figure 14) ou 30 % (triangles pointe vers le bas sur la figure 14) on peut faire varier le niveau de saturation. L'explication de cette saturation est le seuil de l'effet laser sur la seconde cavité résonante C2. Au delà de ce seuil, toute la puissance de pompe supplémentaire est transférée sur le faisceau continu et non plus sur l'impulsion laser. Il y a donc limitation de l'énergie des impulsions émises.
Une expérience complémentaire à été effectuée en pompant le laser ci-dessus avec une puissance très élevée de 200W. Le dispositif utilisant un réflecteur de 4% était en place. Nous avons alors fait varier la cadence du laser en changeant le signal de commande du modulateur acousto-optique. En absence de limiteur, un tel laser devrait produire environ 100W indépendamment de la cadence soit 50 mJ à 2 kHz et 10 mJ à 10 kHz. Ces valeurs sont théoriques puisqu'elles se situent respectivement 50 fois et 10 fois au dessus du seuil de dommage de la fibre. En absence de limiteur il n'est donc pas possible de maintenir une puissance de pompe de 200 W tout en modifiant la cadence sur une plage allant de 2 kHz à plusieurs centaines de kHz. Lorsqu'on introduit le limiteur on obtient les courbes d'énergie par impulsion 34 de la figure 15A pour une cadence des impulsions déclenchées 30 de 5 kHz et respectivement les courbes d'énergie par impulsion 34 de la figure 15B pour une cadence des impulsions déclenchées 30 de 80 kHz. On observe que quelle que soit la cadence entre 2 et 80 kHz l'énergie des impulsions (hauteur des pics) reste à peu près constante. Ceci prouve que l'invention limite l'énergie délivrée par le laser quel que soit le temps de pompage entre deux impulsions.
L'invention permet de limiter l'énergie accumulée dans un milieu amplificateur optique destiné à amplifier des impulsions optiques, de préférence par simple ou double passage dans le milieu amplificateur optique, et permet de réguler l'énergie des impulsions amplifiées quelle que soit la fréquence des impulsions et quelle que soit la durée d'interruption entre deux trains d'impulsions successifs.
Le dispositif de l'invention permet de générer un faisceau d'impulsions laser limité en énergie à un niveau prédéterminé qui est indépendant de la cadence de répétition des impulsions, en générant un faisceau laser continu émis simultanément avec les impulsions laser lorsque le gain du milieu amplificateur est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système amplificateur optique pour l'amplification d'impulsions laser (10) de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence, ledit système amplificateur optique comprenant :
■ un milieu amplificateur optique (1 ) solide, ledit milieu amplificateur optique (1 ) étant apte à recevoir un faisceau d'impulsions laser à amplifier (10) et à générer un faisceau d'impulsions laser amplifiées (20), la cadence des impulsions laser (10, 20) étant comprise entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz, et
■ des moyens de limitation de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique (1 ),
caractérisé en ce que :
■ lesdits moyens de limitation comprenant une cavité résonante continue (C2) disposée autour dudit milieu amplificateur optique (1 ) et des premiers moyens optiques de séparation (7, 14) disposés dans ladite cavité résonante continue
(C2), lesdits moyens optiques de séparation (7, 14) étant aptes à séparer ladite cavité résonante continue (C2) en une partie commune et une branche de pertes, la partie commune comprenant le milieu amplificateur optique (1 ) et la branche de pertes comprenant des moyens de pertes optiques (9), lesdits premiers moyens optiques de séparation (7, 14) étant aptes à diriger sélectivement un faisceau d'impulsions en dehors du trajet optique de ladite branche de pertes de la cavité résonante continue (C2) et à diriger un faisceau continu vers ladite branche de pertes de la cavité résonante continue (C2) de manière à générer un faisceau laser continu (1 1 ) dans ladite cavité résonante continue (C2) lorsque le gain du milieu amplificateur (1 ) est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé égal aux pertes optiques et à générer un faisceau d'impulsions amplifiées (20) limité en énergie par impulsion, et
■ en ce que le milieu amplificateur optique (1 ) impose un axe de propagation unique au faisceau laser continu (1 1 ) et au faisceau d'impulsions laser amplifiées (20).
2. Système amplificateur optique selon la revendication 1 , comprenant en outre des seconds moyens optiques de séparation (8) aptes à séparer spatialement ledit faisceau d'impulsions amplifiées (20) et le faisceau laser continu (1 1 ), le milieu amplificateur optique (1 ) étant disposé entre les premiers moyens optiques de séparation (7, 14) et les seconds moyens optiques de séparation (8), de manière à générer un faisceau d'impulsions amplifiées (20) limité en énergie suivant une première direction et à générer un faisceau laser continu (1 1 ) suivant une autre direction.
3. Système amplificateur optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ledit milieu amplificateur optique (1 ) comprend une fibre optique ou un barreau de fibre optique, le trajet du faisceau laser continu et du faisceau d'impulsions étant colinéaires dans le milieu amplificateur (1 ), ladite fibre optique ou ledit barreau de fibre optique ayant une bande passante d'amplification ou un gain d'amplification de largeur spectrale supérieure ou égale à 1 nm.
4. Système amplificateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les premiers moyens optiques de séparation (7, 14) et/ou les seconds moyens optiques de séparation (8) comprennent au moins un filtre dichroïque apte à séparer d'une part le faisceau d'impulsions laser à une longueur d'onde λ et d'autre part le faisceau laser continu (1 1 ) à une longueur d'onde λ2.
5. Système amplificateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les seconds moyens optiques de séparation (8) comprennent un filtre de polarisation et/ou dans lequel lesdits premiers moyens optiques de séparation (7, 14) comprennent un filtre de polarisation, ledit filtre de polarisation étant apte à séparer le faisceau d'impulsions laser selon une première polarisation et le faisceau laser continu (1 1 ) selon une seconde polarisation distincte de la première polarisation.
6. Système amplificateur optique selon la revendication 1 , dans lequel les pertes optiques induites des moyens de pertes optiques (9) sont ajustables de manière à ajuster le seuil de la cavité résonante continue (C2).
7. Laser déclenché à impulsions de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence, le laser déclenché comprenant :
■ un milieu amplificateur optique (1 ) solide disposé dans une première cavité résonante (C1 ),
■ des moyens de déclenchement optique (4, 14) disposés dans ladite première cavité résonante, de manière à déclencher l'émission d'un faisceau d'impulsions laser à haute cadence dans ladite première cavité résonante (C1 ), la cadence des impulsions laser étant comprise entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz, et
■ des moyens de limitation (9, M5, M6) de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique (1 ),
caractérisé en ce que ledit laser comprend :
- une deuxième cavité résonante continue (C2), la première cavité résonante (C1 ) et la deuxième cavité résonante continue (C2) ayant une partie commune comprenant le milieu amplificateur optique (1 ) et les moyens de déclenchement optique (4), la première cavité résonante (C1 ) ayant au moins une première branche séparée de ladite partie commune, et la deuxième cavité résonante (C2) ayant au moins une deuxième branche de pertes séparée de ladite partie commune, ladite deuxième branche de pertes comprenant des moyens de pertes optiques (9), et - des premiers moyens optiques de séparation (7, 14) étant disposés dans lesdites première et deuxième cavité résonante (C1 , C2) de manière à séparer la partie commune respectivement de la première branche et la deuxième branche de pertes, lesdits premiers moyens optiques de séparation (7, 14) étant aptes à diriger un faisceau d'impulsions laser vers la première branche de la première cavité résonante (C1 ) et à diriger un faisceau laser continu vers la deuxième branche de pertes de la deuxième cavité résonante continue (C2).
8. Laser à impulsions déclenché selon la revendications 7 dans lequel lesdits moyens de déclenchement optique (4) comprennent un modulateur acousto-optique polarisant ou non polarisant ou un modulateur électro-optique.
9. Laser à impulsions déclenché selon la revendication 7 ou 8 dans lequel ledit milieu amplificateur optique (1 ) comprend une fibre optique ou un barreau de fibre optique, ladite fibre optique ou ledit barreau de fibre optique (1 ) ayant une bande passante d'amplification et/ou un gain d'amplification de largeur spectrale supérieure ou égale à 1 nm.
10. Laser à impulsions déclenché selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les seconds moyens optiques de séparation (8) comprennent un filtre dichroïque et/ou dans lequel lesdits premiers moyens optiques de séparation (7, 14) comprennent un filtre dichroïque, ledit filtre dichroïque étant apte à séparer le faisceau d'impulsions laser à une longueur d'onde λ et le faisceau laser continu à une longueur d'onde λ2 .
1 1 . Laser à impulsions déclenché selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les seconds moyens optiques de séparation (8) comprennent un filtre de polarisation et/ou dans lequel lesdits premiers moyens optiques de séparation (7, 14) comprennent un filtre de polarisation, ledit filtre de polarisation étant apte à séparer le faisceau d'impulsions laser selon une première polarisation et le faisceau laser continu selon une seconde polarisation distincte de la première polarisation.
12. Laser à impulsions déclenché selon l'une des revendications 7 à 1 1 , dans lequel lesdits moyens de perte sont ajustables de manière à ajuster le seuil de la cavité résonante continue.
13. Laser à impulsions déclenché et/ou amplificateur optique selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel les seconds moyens optiques de séparation comprennent un cristal non-linéaire apte à produire une onde à une fréquence différente de l'onde fondamentale avec un rendement dépendant de la longueur d'onde incidente et/ou de la polarisation incidente et /ou de la puissance crête incidente.
14. Laser à impulsions déclenché et amplificateur optique utilisant un limiteur d'énergie selon l'une des revendication 1 à 13, caractérisé en ce que : • le système comporte deux milieux amplificateurs séparés par au moins un composant optique fermant la première cavité résonante (C1 ) du laser à impulsion déclenché,
• dans lequel le faisceau laser continu produit par la deuxième cavité résonante continue (C2) traverse le second milieu amplificateur.
15. Procédé d'amplification d'impulsions laser (10) de forte puissance, de forte énergie et à haute cadence, le procédé comprenant les étapes suivantes:
■ pompage optique d'un milieu amplificateur optique (1 ) solide ;
■ génération d'un faisceau d'impulsions laser à amplifier (10) à une cadence comprise entre 1 kHz et plusieurs centaines de kHz ;
■ adressage du faisceau d'impulsions laser à amplifier (10) en direction d'un milieu amplificateur optique (1 ) solide ;
■ amplification du faisceau d'impulsions laser (10) par simple ou double passage dans le milieu amplificateur optique (1 ) solide de manière à générer un faisceau d'impulsions laser amplifiées (20) ;
ledit procédé comprenant une étape de limitation de l'énergie stockée par pompage optique dans ledit milieu amplificateur optique (1 ),
caractérisé en ce que ladite étape de limitation comporte les étapes suivantes : - formation d'une cavité résonante continue comprenant ledit milieu amplificateur optique (1 ) solide de manière à générer un faisceau laser continu dans ladite cavité résonante continue (C2) lorsque le gain du milieu amplificateur (1 ) est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé égal aux pertes optiques et à générer un faisceau d'impulsions amplifiées (20) limité en énergie par impulsion.
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