FR2742009A1 - Procede et dispositif pour produire une impulsion laser d'une duree longue ajustable - Google Patents

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Abstract

Des impulsions lasers d'énergie de l'ordre de 50 mJ amplifiables jusqu'à environ 1 Joule, et d'une durée de 200 à 1000 nanosecondes sont obtenues à l'aide d'un oscillateur laser solide Cr: LiSAF pompé par lampe flash ou par diode opérant en régime d'oscillation libre près du seuil, par auto-commutation des pertes par absorption provisoire dans le cristal, sans utilisation d'éléments de déclenchement interne ou externe autre que l'oscillateur 103 lui-même.

Description

PROJET DE DEMANDE DE BREVET EN FRANCE
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR PRODUIRE UNE IMPULSION LASER
D'UNE DUREE LONGUE AJUSTABLE
La présente invention concerne un procédé pour produire une impulsion laser d'une durée longue, ajustable entre 0,2 et 1 microseconde. La présente invention concerne
également un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé.
On connaît depuis plusieurs années des matériaux lasers solides permettant de générer un rayonnement laser accordable dans le proche infrarouge, tels que saphir dopé titane, le Cr:LiSAF et le Cr:LiCAF, matériaux qui émettent typiquement entre 750 et 950 nm. Le domaine d'émission de ces lasers peut être étendu au bleu-vert et à l'infrarouge en mettant en oeuvre des effets non linéaires, par exemple
la génération d'harmoniques et l'oscillation paramétrique.
Ces effets non linéaires n'ont généralement des rendements satisfaisants que lorsqu'on utilise des lasers impulsionnels fonctionnant en mode déclenché et délivrant
des puissances élevées.
Grâce aux techniques connues utilisées pour déclencher ces lasers, on peut produire des impulsions de quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes de durée avec des densités de puissance pouvant atteindre MW/cm2. Malheureusement, à ces densités de puissance, certains cristaux laser notamment le Cr:LiSAF et un grand nombre de cristaux non linéaires utilisés pour étendre la
plage spectrale d'accord, sont rapidement détruits.
Il se pose donc le problème de trouver des techniques permettant d'accroître la durée des impulsions lasers, de façon à réduire la densité de puissance pour éviter d'endommager les cristaux, tout en produisant des impulsions lasers dont l'énergie individuelle totale soit
la plus élevée possible.
Il est connu qu'en régime d'oscillation libre non déclenché, les matériaux lasers, qui ont des durées de vie radiatives nettement supérieures à la durée de vie du photon dans la cavité résonante, émettent des oscillations de relaxation dont la durée et l'amortissement dépendent principalement du niveau de pompage au dessus du seuil. En se plaçant très près du seuil, une seule impulsion de relaxation qui dure quelques centaines de nanosecondes peut être produite. Cependant, avec cette technique, dite "gain switching", l'énergie par impulsion ne dépasse pas l'ordre du mJ. En utilisant des matériaux à gain élevé tel que le rubis ou le Nd:YAG, comme amplificateurs à ondes progressives, on peut amplifier l'énergie faible délivrée par l'oscillateur jusqu'au niveau du joule. Mais comme le
signal d'entrée est faible, ce système oscillateur-
amplificateur nécessite une excellente isolation entre étages, dont le facteur de réflection doit approcher 103,
par exemple à l'aide d'un isolateur à effet Faraday.
D'autres montages utilisant un obturateur électro-
optique dans la cavité résonante permettent d'obtenir un allongement de l'impulsion laser jusqu'à une centaine de nanosecondes en ayant recours à une mise en forme temporelle particulière de l'impulsion électrique qui
commande cet obturateur, souvent une cellule de Pockels.
Cependant, dans un laser accordable, la tension de commande UN/4 doit être ajustée suivant la longueur d'onde sélectionnée; or l'écart de tension est de l'ordre de 20 % dans la plage de longueur d'onde 750 à 950 nanomètres cité
plus haut.
On a également proposé de rallonger la durée des impulsions laser en augmentant la durée de vie du photon dans la cavité, en plaçant dans la cavité résonante une
fibre optique de plusieurs dizaines de mètres de longueur.
Mais la densité de puissance de fracture de la fibre optique est rapidement atteinte, même avec des énergies
modestes, si le faisceau est monomode transverse.
Le but de la présente invention est de produire des impulsions lasers d'une durée allongée et ajustable entre 0,2 et 1 microseconde, donc d'une densité d'une puissance acceptable par les matériaux utilisés, mais d'énergie la plus élevée possible, typiquement de l'ordre de 50 mJ en sortie d'oscillateur, amplifiable jusqu'à un joule par une
chaîne d'amplification.
Ce but est atteint grâce à un procédé dans lequel on fait fonctionner un oscillateur en régime d'oscillation libre près du seuil, ledit oscillateur comprenant un matériau laser à absorption transitoire saturable générant une commutation interne des pertes induites pendant le pompage optique, sans utiliser d'élément de déclenchement, actif ou passif, interne ou externe, autre que
l'oscillateur lui-même.
Le dispositif à laser solide pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention utilise comme matériau laser
constitutif de l'oscillateur un cristal de Cr: LiSAF.
Il existe en effet des cristaux qui ont des pertes internes par réabsorption. Dans l'état de la technique, ces effets sont considérés comme une simple perte d'efficacité du pompage optique, puisque le cristal consomme une partie de la lumière de pompage pour créer des espèces transitoires dans des états excités situés au dessus du
niveau supérieur de la transition laser.
Or les inventeurs ont trouvé que les pertes internes à certains cristaux, sous forme d'absorption transitoire au cours du processus de pompage, peuvent jouer le rôle d'un interrupteur interne permettant d'accroître l'efficacité du laser en régime d'oscillation libre près du seuil. Le procédé selon l'invention fait donc appel à une commutation interne des pertes qui apparaissent dans certains cristaux lasers, et met à profit ces pertes internes à l'aide du dispositif selon l'invention, pour obtenir des impulsions de relaxation dont l'énergie, au moins dans le cas du Cr: LiSAF est supérieure à celle que l'on pouvait obtenir avec d'autres matériaux connus tel que
le Nd: YAG ou le rubis.
En effet le cristal de Cr: LiSAF possède une absorption transitoire dont le spectre recouvre presque la totalité de la plage spectrale d'émission du laser entre 750 et 950 nm, de sorte que cet effet de commutation interne peut être mis à profit dans toute la bande
d'émission du laser.
Les pertes internes de ce cristal, et les paramètres de la cavité résonante permettent d'obtenir une énergie laser en une seule impulsion, à l'aide d'un petit cristal de Cr: LiSAF, qui est près de 20 fois supérieure à celle obtenue avec un excellent cristal de Nd: YAG de mêmes dimensions et utilisé dans une même configuration de cavité. Un des effets des pertes internes du cristal est l'accroissement de la pseudo-période et de l'amortissement des oscillations de relaxation, ce qui permet d'obtenir une bonne stabilité et reproductibilité des impulsions uniques générées. De préférence, dans le procédé selon l'invention, l'oscillateur est mis en oeuvre en mode transverse fondamental. On peut simplement réaliser le pompage optique par
une lampe flash.
Selon un mode d'exécution préféré de l'invention, on réalise un affinement spectral et un accord de longueur d'onde de l'impulsion laser dans la cavité résonnante de l'oscillateur. Selon une variante préférée, l'affinement spectral
et l'accord de longueur d'onde sont obtenus par auto-
injection de cette cavité.
Selon une autre variante préférée, l'affinement spectral et l'accord en longueur d'onde sont obtenus par injection d'un signal continu monofréquence et accordable, délivré à travers le miroir de sortie de l'oscillateur par
un laser à Cr:LiSAF pompé par diode.
De préférence, en sortie d'oscillateur, l'impulsion
peut être amplifiée.
Le domaine de longueur d'onde de l'impulsion émise et amplifiée peut être étendu en dehors de l'intervalle 750
- 950 nm par mise en oeuvre d'effets non linéaires.
L'oscillateur selon l'invention utilise de préférence un cristal de Cr: LiSAF en forme de barreau dont les deux faces planes parallèles opposées sont
traitées anti-reflet entre 750 et 950 umm.
En dehors des miroirs à large bande de la cavité résonante et le traitement anti-reflet entre 750 et 950 nm sur les faces du barreau de Cr: LiSAF, l'oscillateur ne comporte aucun autre élément ayant des pertes qui dépendent de la longueur d'onde. Il ne comporte dans la cavité résonante aucun autre élément passif ou actif servant au déclenchement. Les caractéristiques de l'impulsion en sortie d'oscillateur déterminent substantiellement les caractéristiques de l'impulsion à la sortie de la chaîne d'amplification, notamment la durée moyenne de l'impulsion, la largeur de bande spectrale émise, la divergence du faisceau. Si l'on souhaite accorder l'impulsion en fréquence en sortie de chaîne d'amplification sur une plage étendue de fréquence, il y est préférable de faire fonctionner l'oscillateur en mode fondamental transverse. Une cavité longue en configuration hémiconcentrique favorise
l'émission du mode transverse fondamental.
Pour l'affinement spectral de la raie émise, on peut utiliser une cavité résonante en anneau pour l'oscillateur. Selon une variante préférée, l'affinement spectral
et l'accord de longueur d'onde sont obtenus par auto-
injection de cette cavité en anneau, dans un dispositif o les éléments sélecteurs sont montés dans un bras extérieur couplé à la cavité résonante principale. Selon une autre variante préférée, l'affinement spectral et l'accord de longueur d'onde sont obtenus par injection d'un signal continu, monofréquence et accordable dans un dispositif o ce signal est délivré à travers le miroir de sortie par un
laser pompé par diode.
La présente invention sera mieux comprise de
l'homme de métier grâce à la description détaillée de modes
de réalisation préférés et des figures accompagnantes, dans lesquelles la figure 1 montre un schéma de principe d'un dispositif d'émission, d'amplification et d'accord d'une impulsion laser selon l'invention; - la figure 2 montre un dispositif en configuration hémiconcentrique avec un élément sélecteur intra-cavité; - la figure 3 montre un oscillateur auto-injecté à cavité en anneau;
- la figure 4 montre un autre oscillateur auto-
injecté à cavité en anneau, avec élément sélecteur; - la figure 5 montre un oscillateur en anneau injecté par laser continu; - la figure 6 montre un profil typique d'impulsion généré selon l'invention; On constate sur la figure 6 que ce profil est approximativement celui d'une courbe de Gauss. Dans la suite du texte, on entendra par "durée d'impulsion" la
largeur à mi-hauteur4t 1/2 de cette courbe.
la figure 2 montre une vue schématique d'un oscillateur selon l'invention dont la cavité résonnante est en configuration hémiconcentrique. Le miroir 1 est un miroir concave dont le coefficient de réflexion est le plus élevé possible. En 2 est symbolisé un prisme dispersif, dont le montage est optionnel, en 3 est symbolisé un barreau laser de diamètre 3mm et de longueur 55 mm de Cr: LiSAF, dopé à 1,5 % de Cr3+, accordable entre 750 nm et 1000 nm. Les deux extrémités sont traitées anti-reflet dans le domaine 750 nm - 950 nm. En 4 se trouve un miroir de sortie dont le coefficient de réflexion peut varier entre et 75 %. Le pompage est assuré par une lampe flash au xénon de 2 pouces, avec un arc de 3rmm de diamètre, alimentée en impulsions électriques de 60 gs, et un
réflecteur plaqué or.
La largeur de l'impulsion est déterminée par la durée de vie des photons dans la cavité, elle-même déterminée par la longueur du résonateur et le coefficient de réflexion du miroir de sortie. En modifiant la longueur de la cavité jusqu'à une valeur voisine de celle du rayon de courbure du miroir Rmax on accroît légèrement les pertes intrinsèques au résonateur. L'énergie de pompage doit alors être accrue pour revenir au seuil et obtenir une seule impulsion dont l'énergie aura augmentée un peu et la durée légèrement diminuée. La durée des impulsions et l'énergie peuvent être réglées en jouant sur la longueur de la cavité
et le coefficient de réflexion du miroir de sortie.
L'énergie de pompage est toujours adaptée de façon à
obtenir une seule impulsion.
Avec un miroir concave dont le rayon de courbure est de 1,5 mètre, on constate qu'à longueur constante de résonateur (1,35m) la durée de l'impulsion augmente d'environ 200 nanosecondes à environ 350 nanosecondes lorsque le coefficient de réflexion du miroir de sortie
augmente de 40 % à 75 %.
Avec un autre montage dans la même configuration, avec un miroir concave de rayon de courbure 3 mètres, un miroir de sortie 2 dont le coefficient de réflexion est de % et une longueur de cavité de 2,5 mètres, on a pu
obtenir une impulsion de 57 mJ de durée 305 nanosecondes.
Les mesures ci-dessus sont réalisées sans prisme dispersif. La présence d'un prisme de Brewster (SF4) diminue l'énergie à la sortie d'environ 30 % mais permet d'accorder l'émission entre 750 et 950 nm avec une largeur
de raie de 0,5 à 0,1 nm.
A énergie de pompage constante, le maximum d'énergie est stockée dans le barreau avec un miroir de
sortie à bas coefficient de réflexion.
A coefficient de réflexion constant (50 %) du miroir de sortie, l'énergie de l'impulsion augmente fortement avec la longueur du résonateur, d'environ 6 mJ pour une longueur de 1,2 mètre à environ 35 mJ pour une longueur de 1,45 mètre, pour le miroir concave dont le rayon de courbure est 1,5 mètre. On observe donc des énergies d'impulsion nettement plus élevées que pour d'autres matériaux tel que Nd: YAG ou Nd: YAP ainsi
qu'une stabilité plus grande de l'impulsion.
Selon d'autres modes d'exécutions préférés de
l'invention, on utilise une cavité résonante en anneau.
La figure 3 montre un oscillateur auto-injecté à
cavité en anneau. Le pompage est effectué comme ci-dessus.
Les miroirs 10 et 11 sont des miroirs concaves à réflectivité maximale, les miroirs 12 et 13 sont des miroirs plans à coefficient de réflexion maximale. Le miroir 14 est un miroir de sortie de coefficient de réflexion 80 %, le barreau laser est le même que précédemment. Avec une longueur de cavité résonante de 2,9 mètres, et un rayon de courbure de 3 mètres, on peut obtenir une impulsion d'une énergie de 6,3 mJ avec une durée de 1000 nanosecondes. Avec un rayon de courbure de 1,5 mètre, les autres paramètres de montage restant identiques, on obtient une impulsion de 34 mJ, d'une durée
de 500 nanosecondes.
Avec ce montage, on constate que lorsque la longueur de cavité augmente et le coefficient de réflexion
diminue, l'énergie de l'impulsion augmente.
L'agencement en cavité résonante en anneau est particulièrement adapté au montage d'un dispositif avec affinement spectral et accord en longueur d'onde par injection. La figure 4 montre un dispositif o l'affinement spectral et l'accord de longueur d'onde sont obtenus par auto-injection de cette cavité en anneau, les éléments sélecteurs S, tel que par exemple un filtre de Lyot, ou des étalons Fabry-Perot étant montés dans un bras extérieur, couplé à la cavité résonnante principale. Sur la figure 4, les miroirs M1, M2, M3 et M5 sont des miroirs à large bande à réflectivité maximale, M4 est un miroir de sortie à
larges bandes. F désigne le faisceau de sortie.
La figure 5 montre une autre variante d'exécution o l'affinement spectral et l'accord de longueur d'onde sont obtenus par injection d'un signal continu monofréquence et accordable, délivré à travers le miroir de sortie par un laser pompé par diode, L. Sur la figure 5, M1, M2 et M3 désignent des miroirs concaves à large bande et coefficient de réflexion maximal,
M4 est un miroir de sortie à large bande.
Le Cr: LiSAF est un matériau laser qui possède un gain par passage relativement important dans le cas du pompage par flash, de 3 à 9 par passage dans un cristal de mm de longueur suivant le niveau d'entrée des signaux à amplifier et l'énergie de pompage. On peut donc, par une chaîne d'amplification, amener l'énergie de sortie de quelques dizaines de mJ délivrés par l'oscillateur jusqu'au
niveau du Joule, et ceci avec un bon rapport signal/bruit.
La figure 1 schématise une telle chaîne d'amplification: symbolise un laser d'injection; 103 un oscillateur à Cr:LiSAF semblable à celui décrit précédement; le signal à la sortie de cet oscillateur, d'une énergie de 40 mJ et d'une durée de 400ns étant amplifié en mettant en oeuvre un premier barreau (101), amplificateur Cr: LiSAF de diamètre 6mm et de 100 mm de longueur. Le gain est de l'ordre de 8 à pour 2 à 3 passages. En sortie, le faisceau est élargi à l'aide d'un télescope (104), pour utiliser la totalité du diamètre du deuxième barreau (102) amplificateur et éviter la saturation. Le deuxième barreau a un diamètre de 8 mm et une longueur de 114 mm. Il présente un gain de 3 en un seul passage; l'amplification totale peut atteindre ainsi un gain de 25 à 30, soit un niveau de sortie de l'ordre du joule pour des durées d'impulsion de l'ordre de 400 à 500 nanosecondes, sans risquer d'endommager le barreau. A la sortie du deuxième barreau amplificateur Cr: LiSAF on peut placer un oscillateur (105) paramétrique optique (OPO) employant des cristaux non linéaires tels que par exemple
le KNbO3.
Le dispositif selon la présente invention peut être réalisé avec de nombreuses variantes. On constate en conclusion que le procédé selon l'invention fournit une il méthode de production d'une impulsion laser de durée longue et de haut niveau d'énergie d'une manière beaucoup plus simple que les dispositifs à "Q-switching" et avec une fiabilité et reproductibilité meilleures que les dispositifs à absorbeurs saturables.

Claims (13)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour produire une impulsion laser d'une durée longue ajustable entre 0,2 et 1 microseconde, caractérisé en ce que on fait fonctionner un oscillateur en régime d'oscillation libre près du seuil, ledit oscillateur comprenant un matériau laser à absorption transitoire saturable générant une commutation interne des pertes induites pendant le pompage optique, sans utiliser d'élément de déclenchement actif ou passif, interne ou
externe, autre que l'oscillateur lui-même.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit oscillateur fonctionne en mode transverse fondamental.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pompage optique est réalisé par
une lampe flash.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que l'impulsion émise subit un affinement spectral et un accord de longueur d'onde dans la cavité
résonnante de l'oscillateur.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'affinement spectral et l'accord de longueur d'onde
sont obtenus par auto-injection de cette cavité.
6. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'affinement spectral et l'accord de longueur d'onde sont obtenus par injection d'un signal continu monofréquence et accordable, délivré à travers le miroir de
sortie de l'oscillateur par un laser pompé par diodes.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que le domaine de longueur d'onde de l'impulsion émise est étendu en dehors de l'intervalle 750
- 950 nanomètres par mise en oeuvre d'effets non linéaires.
8. Dispositif à laser solide pour la mise en oeuvre
d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
7 caractérisé en ce que le matériau laser constitutif de
l'oscillateur est un cristal de Cr: LiSAF.
9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit cristal est un barreau (3) dopé à 1,5 % de Cr et traité anti-reflet entre 750 et 950 nanomètres sur
ces deux faces parallèles opposées.
10. Dispositif à laser solide selon l'une des
revendications 8 ou 9, accordable, caractérisé en ce que il
comprend une cavité résonnante en anneau.
11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à
, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments sélecteurs (S) sont montés dans un bras extérieur couplé à
la cavité résonnante principale.
12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à
caractérisé en qu'il comprend une chaîne d'amplification (101, 102, 104) du signal de sortie de l'oscillateur
constitué de barreau de Cr: LiSAF.
13. Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce que il comprend un dispositif d'extension
(105) du domaine de longueur d'onde à effet non linéaire.
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