FR2753011A1 - Dispositif de regulation mixte, en energie et en gain, d'une cavite laser pompee par diodes et declenchee en impulsions a frequence fixe - Google Patents
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Abstract
Dispositif de régulation mixte, en énergie et en gain, d'une cavité laser pompée par diodes et déclenchée en impulsions à fréquence fixe. Ce dispositif comprend des moyens (20) de prélèvement d'une partie de l'énergie lumineuse extraite de la cavité, des moyens (22) de prélèvement d'une partie de la lumière de fluorescence ré-émise par le barreau laser de la cavité lors de la phase de pompage optique et des moyens (34 à 58) de régulation de l'énergie des impulsions lumineuses fournies par la cavité et du gain de celle-ci, utilisant les signaux fournis par les moyens de prélèvement. Application aux lasers récurrents et aux lasers de grande puissance.
Description
DISPOSITIF DE REGULATION MIXTE, EN ENERGIE ET EN GAIN,
D'UNE CAVITE LASER POMPEE PAR DIODES ET DECLENCHEE
EN IMPULSIONS A FREQUENCE FIXE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de régulation mixte, en énergie et en gain, d'une cavité laser pompée par diodes et déclenchée en impulsions à fréquence fixe.
D'UNE CAVITE LASER POMPEE PAR DIODES ET DECLENCHEE
EN IMPULSIONS A FREQUENCE FIXE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de régulation mixte, en énergie et en gain, d'une cavité laser pompée par diodes et déclenchée en impulsions à fréquence fixe.
Une telle cavité comprend un barreau amplificateur placé entre deux miroirs formant un résonateur.
Différents éléments optiques peuvent être placés dans la cavité avec pour fonction de définir un plan de polarisation des photons émis par le laser ou d'induire une rotation de la polarisation de ces photons ou encore d'obtenir une mise en forme spatiale du faisceau laser.
Le dispositif objet de l'invention est susceptible d'être adapté à tous les types de lasers pompés par diodes
- dans une gamme d'énergies ou de puissances
étendue,
- à des oscillateurs ou à des amplificateurs.
- dans une gamme d'énergies ou de puissances
étendue,
- à des oscillateurs ou à des amplificateurs.
La présente invention s'applique tout particulièrement aux sources des lasers destinés à fournir des impulsions de grande énergie, supérieure à plusieurs centaines de kilojoules.
En effet, l'une des contraintes majeures d'un laser de ce type est la nécessité d'une très bonne homogénéité spatiale du dépôt d'énergie sur une cible.
Le niveau d'homogénéité en énergie, entre les nombreuses chaînes de puissance que comprend un tel laser, implique différentes contraintes, plus ou moins importantes en fonction des conditions de tir.
En effet, dans les tirs à pleine puissance, pour lesquels le gain des amplificateurs de puissance est relativement saturé, les contraintes d'homogénéité sont limitées par rapport au cas des tirs à puissance intermédiaire pour lesquels la saturation n'est pas atteinte.
Mais, dans tous les cas, et compte tenu des gains très élevés dans les chaînes de puissance, la précision avec laquelle il est possible de maîtriser la reproductibilité en énergie d'un tir à l'autre de la source laser est un facteur primordial.
C'est pourquoi la possibilité de réguler finement la valeur de 11 énergie fournie par chacune des voies du laser (quelques pourcents, de tir à tir) est intéressante.
La présente invention permet de résoudre ce problème.
Etat de la technique antérieure
Les techniques de régulation de lasers solides sont connues depuis longtemps et éprouvées.
Les techniques de régulation de lasers solides sont connues depuis longtemps et éprouvées.
Mais le contexte d'un laser solide impulsionnel, pompé par diodes et alimenté à partir d'une source de courant limitée, est particulier.
Un exemple des solutions connues et éprouvées est décrit dans les présentations effectuées dans le cadre de la première conférence ICF, à Monterey, Californie (USA), en juin 1995.
A ce sujet, on consultera le document suivant
"Laser Chain Alignment with Low Power Light
Sources", E.S. Bliss et al., First annual
international Conference on Solid State Lasers
for Application to Inertial Confinment Fusion, 31
mai-2 juin 1995, Monterey, California.
"Laser Chain Alignment with Low Power Light
Sources", E.S. Bliss et al., First annual
international Conference on Solid State Lasers
for Application to Inertial Confinment Fusion, 31
mai-2 juin 1995, Monterey, California.
Ces travaux du Lawrence Livermore National Laboratory décrivent un dispositif utilisant l'injection d'une source de référence externe dans la cavité laser.
Ce dispositif a de bonnes performances mais présente l'inconvénient d'utiliser une source externe qui conduit à une certaine complexité : il est par exemple nécessaire de prévoir des optiques d'injection, un alignement secondaire, des diagnostics spécifiques.
Dans le même ordre d'idées et en fonction du contexte d'application, des problèmes de mise en oeuvre et de coût peuvent se poser.
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
Elle a pour objet un dispositif de régulation, en énergie et gain, de la source laser, ce dispositif étant beaucoup plus simple que le dispositif connu, mentionné plus haut.
L'invention présente l'avantage de ne nécessiter aucun des moyens habituels de régulation par absorption contrôlée ou par déplacement mécanique (motorisation) de l'un ou de plusieurs des éléments optiques que comprend la cavité du laser.
Dans la présente invention, on considère le cas d'une cavité laser déclenchée à fréquence fixe et stabilisée F.
L'invention vise à réguler précisément et à stabiliser en niveau l'énergie d'une impulsion laser en sortie de la cavité, selon les principes suivants
- Pour un temps de pompage donné Tp de la cavité,
le gain dans cette cavité est proportionnel à
l'intensité totale de fluorescence ré-émise par
le barreau laser qui se trouve dans la cavité.
- Pour un temps de pompage donné Tp de la cavité,
le gain dans cette cavité est proportionnel à
l'intensité totale de fluorescence ré-émise par
le barreau laser qui se trouve dans la cavité.
Cette intensité totale de fluorescence est
elle-même fonction de l'intensité I du courant
injecté dans les diodes qui servent à pomper la
cavité.
elle-même fonction de l'intensité I du courant
injecté dans les diodes qui servent à pomper la
cavité.
- Pour une intensité de fluorescence donnée,
l'énergie de l'impulsion extraite de la cavité
croît avec le temps de pompage Tp.
l'énergie de l'impulsion extraite de la cavité
croît avec le temps de pompage Tp.
Cela suppose simplement, du point de vue de la
physique du fonctionnement du laser, que la
valeur nominale Tpn de Tp ne soit pas trop
longue devant la constante de temps de
fluorescence Tf des ions actifs dans le matériau
constituant le barreau laser.
physique du fonctionnement du laser, que la
valeur nominale Tpn de Tp ne soit pas trop
longue devant la constante de temps de
fluorescence Tf des ions actifs dans le matériau
constituant le barreau laser.
Typiquement, Tpn est choisie dans l'intervalle
allant de If à 1,5 zf.
allant de If à 1,5 zf.
- Les deux grandeurs I et Tp sont deux
paramètres de régulation indépendants, dans
la limite de l'énergie totale admissible dans
les diodes, le produit de I par Tp ne devant
pas dépasser une valeur maximale fixée.
paramètres de régulation indépendants, dans
la limite de l'énergie totale admissible dans
les diodes, le produit de I par Tp ne devant
pas dépasser une valeur maximale fixée.
La puissance crête de pompage et le temps de
pompage sont donc les deux degrés de liberté,
indépendants l'un de l'autre, utilisés
respectivement comme paramètres de contrôle
("control parameters") régulation du gain et de
l'énergie à la sortie de la cavité laser.
pompage sont donc les deux degrés de liberté,
indépendants l'un de l'autre, utilisés
respectivement comme paramètres de contrôle
("control parameters") régulation du gain et de
l'énergie à la sortie de la cavité laser.
Dans l'hypothèse où seules de petites variations d'énergie dues à des variations (mécaniques, thermiques ou autres) d'alignement de la cavité sont à corriger, on pourrait ne considérer qu'une seule boucle de régulation en énergie.
Mais au moins deux raisons font qu'il est cependant tout à fait préférable de lui adjoindre une boucle de régulation du gain
- pour être capable de distinguer une variation
de gain intrinsèque à la tête d'amplification
d'une variation des pertes dans la cavité,
sachant que l'énergie extraite est directement
liée au rapport gain/pertes,
- pour étendre la plage d'accrochage de la boucle
de régulation en énergie, qui ne prend alors en
compte que les variations de pertes (notamment
dues à un défaut d'alignement ou à une
absorption) dans la cavité laser.
- pour être capable de distinguer une variation
de gain intrinsèque à la tête d'amplification
d'une variation des pertes dans la cavité,
sachant que l'énergie extraite est directement
liée au rapport gain/pertes,
- pour étendre la plage d'accrochage de la boucle
de régulation en énergie, qui ne prend alors en
compte que les variations de pertes (notamment
dues à un défaut d'alignement ou à une
absorption) dans la cavité laser.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de régulation d'une cavité laser contenant un barreau laser et pompée optiquement par des diodes qui sont commandées par une source de courant, cette cavité laser étant déclenchée en impulsions à fréquence fixe et stabilisée, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend
- des premiers moyens de prélèvement destinés à
prélever une partie de l'énergie lumineuse
extraite de la cavité et à fournir un signal
fonction de cette partie d'énergie lumineuse,
- des deuxièmes moyens de prélèvement destinés à
prélever une partie de la lumière de
fluorescence ré-émise par le barreau laser lors
de la phase de pompage optique, qui précède la
fourniture de l'impulsion laser, et à fournir
un signal fonction de cette partie de lumière
de fluorescence, et
- des moyens de régulation destinés à maîtriser
et à stabiliser en niveau l'énergie des
impulsions lumineuses fournies par la cavité,
ces moyens de régulation comprenant
- une première boucle de régulation de l'énergie
de ces impulsions lumineuses à l'aide du signal
fourni par les premiers moyens de prélèvement,
et
- une deuxième boucle de régulation du gain de la
cavité laser à l'aide du signal fourni par les
deuxièmes moyens de prélèvement.
- des premiers moyens de prélèvement destinés à
prélever une partie de l'énergie lumineuse
extraite de la cavité et à fournir un signal
fonction de cette partie d'énergie lumineuse,
- des deuxièmes moyens de prélèvement destinés à
prélever une partie de la lumière de
fluorescence ré-émise par le barreau laser lors
de la phase de pompage optique, qui précède la
fourniture de l'impulsion laser, et à fournir
un signal fonction de cette partie de lumière
de fluorescence, et
- des moyens de régulation destinés à maîtriser
et à stabiliser en niveau l'énergie des
impulsions lumineuses fournies par la cavité,
ces moyens de régulation comprenant
- une première boucle de régulation de l'énergie
de ces impulsions lumineuses à l'aide du signal
fourni par les premiers moyens de prélèvement,
et
- une deuxième boucle de régulation du gain de la
cavité laser à l'aide du signal fourni par les
deuxièmes moyens de prélèvement.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comprend en outre
- une porte analogique variable dont la sortie
commande la source de courant,
- un contrôleur prévu pour commander la porte
analogique variable, et
- un moyen de prélèvement d'une partie du courant
fourni par la source, ce moyen de prélèvement
fournissant au contrôleur un signal fonction de
cette partie prélevée du courant,
- la première boucle de régulation comprend
- un premier échantillonneur-bloqueur qui est
commandé par le contrôleur et qui reçoit en
entrée le signal fourni par les premiers moyens
de prélèvement,
- un premier comparateur dont les entrées sont
respectivement reliées à la sortie du premier
échantillonneur-bloqueur et à un moyen de
fourniture d'une valeur de consigne d'énergie,
- un premier moyen de sommation dont les entrées
sont respectivement reliées à la sortie du
premier comparateur et au moyen de fourniture
de la valeur de consigne d'énergie et dont la
sortie est reliée au contrôleur, la deuxième boucle de régulation comprend
- un deuxième échantillonneur-bloqueur qui est
commandé par le contrôleur et qui reçoit en
entrée le signal fourni par les deuxièmes
moyens de prélèvement,
- un deuxième comparateur dont les entrées sont
respectivement reliées à la sortie du deuxième
échantillonneur-bloqueur et à un moyen de
fourniture d'une valeur de consigne de gain et
dont la sortie est reliée au contrôleur, et
- un deuxième moyen de sommation dont les entrées
sont respectivement reliées à la sortie du
deuxième comparateur et au moyen de fourniture
de la valeur de consigne de gain et dont la
sortie est reliée à l'entrée de la porte
analogique variable.
- une porte analogique variable dont la sortie
commande la source de courant,
- un contrôleur prévu pour commander la porte
analogique variable, et
- un moyen de prélèvement d'une partie du courant
fourni par la source, ce moyen de prélèvement
fournissant au contrôleur un signal fonction de
cette partie prélevée du courant,
- la première boucle de régulation comprend
- un premier échantillonneur-bloqueur qui est
commandé par le contrôleur et qui reçoit en
entrée le signal fourni par les premiers moyens
de prélèvement,
- un premier comparateur dont les entrées sont
respectivement reliées à la sortie du premier
échantillonneur-bloqueur et à un moyen de
fourniture d'une valeur de consigne d'énergie,
- un premier moyen de sommation dont les entrées
sont respectivement reliées à la sortie du
premier comparateur et au moyen de fourniture
de la valeur de consigne d'énergie et dont la
sortie est reliée au contrôleur, la deuxième boucle de régulation comprend
- un deuxième échantillonneur-bloqueur qui est
commandé par le contrôleur et qui reçoit en
entrée le signal fourni par les deuxièmes
moyens de prélèvement,
- un deuxième comparateur dont les entrées sont
respectivement reliées à la sortie du deuxième
échantillonneur-bloqueur et à un moyen de
fourniture d'une valeur de consigne de gain et
dont la sortie est reliée au contrôleur, et
- un deuxième moyen de sommation dont les entrées
sont respectivement reliées à la sortie du
deuxième comparateur et au moyen de fourniture
de la valeur de consigne de gain et dont la
sortie est reliée à l'entrée de la porte
analogique variable.
Les premiers moyens de prélèvement peuvent comprendre
- un moyen de photodétection qui est prévu pour
capter la partie d'énergie lumineuse prélevée,
et
- un premier amplificateur de type trans impédance
dont l'entrée est reliée à ce moyen de
photodétection et dont la sortie est reliée à
l'entrée du premier échantillonneur-bloqueur.
- un moyen de photodétection qui est prévu pour
capter la partie d'énergie lumineuse prélevée,
et
- un premier amplificateur de type trans impédance
dont l'entrée est reliée à ce moyen de
photodétection et dont la sortie est reliée à
l'entrée du premier échantillonneur-bloqueur.
Les deuxièmes moyens de prélèvement peuvent comprendre
- au moins une fibre optique dont une première
extrémité est prévue pour capter la partie de
la lumière de fluorescence,
- un moyen de photodétection et de filtrage
optique passe-haut qui est optiquement couplé à
la deuxième extrémité de la fibre optique, et
- un deuxième amplificateur de type
transimpédance dont l'entrée est reliée à ce
moyen de photodétection et de filtrage et dont
la sortie est reliée à l'entrée du deuxième
échantillonneur-bloqueur.
- au moins une fibre optique dont une première
extrémité est prévue pour capter la partie de
la lumière de fluorescence,
- un moyen de photodétection et de filtrage
optique passe-haut qui est optiquement couplé à
la deuxième extrémité de la fibre optique, et
- un deuxième amplificateur de type
transimpédance dont l'entrée est reliée à ce
moyen de photodétection et de filtrage et dont
la sortie est reliée à l'entrée du deuxième
échantillonneur-bloqueur.
Brève description du dessin
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de réalisation donné ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui est un schéma d'un mode de réalisation particulier du dispositif de régulation objet de la présente invention.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de réalisation donné ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui est un schéma d'un mode de réalisation particulier du dispositif de régulation objet de la présente invention.
Exposé détaillé d'un mode de réalisation particulier
Le dispositif de régulation mixte conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure annexée, est destiné à la régulation d'une cavité laser 2 contenant un barreau laser 4 de matériau
Nd:YAG par exemple et délimitée par deux miroirs 6 et 8.
Le dispositif de régulation mixte conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure annexée, est destiné à la régulation d'une cavité laser 2 contenant un barreau laser 4 de matériau
Nd:YAG par exemple et délimitée par deux miroirs 6 et 8.
Cette cavité constitue par exemple un amplificateur régénératif.
Le miroir 6 a une réflectivité élevée mais non égale à 1.
Le miroir 8 a une grande réflectivité.
Une faible partie de l'énergie lumineuse produite dans la cavité et sortant de celle-ci à travers ce miroir 8 est utilisée dans le dispositif conforme à 1' invention.
La cavité laser 2 est optiquement pompée par des diodes laser 10 qui sont montées en série.
Ces diodes 10 sont alimentées par une source de courant 12 qui est limitée et commandée en tension.
De plus, la cavité laser 2 est déclenchée en impulsions de fréquence fixe et stabilisée F, par exemple égale à 10 Hz.
On voit également sur la figure que la cavité laser 2 contient une cellule de KD*P référencée 14.
Cette cellule 14 constitue un interrupteur optique qui permet de former des impulsions de type "Q switch".
Cette cellule 14 est commandée par un générateur d'impulsions de haute tension non représenté sur la figure.
La cavité laser 2 contient aussi un polariseur 16, la cellule 14 étant placée entre ce polariseur 16 et le barreau laser 4.
Le polariseur 16 a pour fonction de sélectionner la polarisation du faisceau laser.
La cavité peut également comprendre d'autres composants 18 tels que lentilles, prismes, lames d'ondes.
Sur la figure annexée, la flèche F1 symbolise une impulsion à amplifier.
La flèche F2 symbolise l'impulsion amplifiée.
Le dispositif conforme à l'invention comprend
- des premiers moyens 20 de prélèvement de la
partie de l'énergie lumineuse produite dans la
cavité, qui sort par le miroir 8,
- des deuxièmes moyens 22 de prélèvement d'une
partie de la lumière de fluorescence ré-émise
par le barreau laser 4 lors de la phase de
pompage optique, et
- des moyens de régulation destinés à maîtriser
et à stabiliser en niveau l'énergie des
impulsions lumineuses fournies par la cavité.
- des premiers moyens 20 de prélèvement de la
partie de l'énergie lumineuse produite dans la
cavité, qui sort par le miroir 8,
- des deuxièmes moyens 22 de prélèvement d'une
partie de la lumière de fluorescence ré-émise
par le barreau laser 4 lors de la phase de
pompage optique, et
- des moyens de régulation destinés à maîtriser
et à stabiliser en niveau l'énergie des
impulsions lumineuses fournies par la cavité.
Ces moyens de régulation comprennent
- une première boucle de régulation de l'énergie
de ces impulsions lumineuses, à l'aide d'un
signal fourni par les moyens de prélèvement 20,
et
- une deuxième boucle de régulation du gain de la
cavité laser 2 à l'aide d'un signal fourni par
les deuxièmes moyens de prélèvement 22.
- une première boucle de régulation de l'énergie
de ces impulsions lumineuses, à l'aide d'un
signal fourni par les moyens de prélèvement 20,
et
- une deuxième boucle de régulation du gain de la
cavité laser 2 à l'aide d'un signal fourni par
les deuxièmes moyens de prélèvement 22.
Les moyens de prélèvement 20 comprennent
- un photodétecteur 24, par exemple une
photodiode en InGaAs, qui intègre un filtre
optique passe-haut et capte la partie de
l'énergie lumineuse produite dans la cavité
laser, partie qui a traversé le miroir 8, et
- un amplificateur de type trans impédance dont
l'entrée est reliée au photodétecteur-filtre 24
comme on le voit sur la figure.
- un photodétecteur 24, par exemple une
photodiode en InGaAs, qui intègre un filtre
optique passe-haut et capte la partie de
l'énergie lumineuse produite dans la cavité
laser, partie qui a traversé le miroir 8, et
- un amplificateur de type trans impédance dont
l'entrée est reliée au photodétecteur-filtre 24
comme on le voit sur la figure.
Les deuxièmes moyens de prélèvement 22 comprennent un ensemble 28 de N fibres optiques, N étant choisi dans l'intervalle allant de 1 à 10 suivant la configuration de la tête de pompage (qui est constituée par le barreau laser 4 et les diodes 10).
L'ensemble 28, dont une première extrémité se trouve dans la cavité laser 2, entre le barreau laser 4 et le miroir 8, permet de capter la partie de la lumière de fluorescence dont on a besoin.
Les deuxièmes moyens de prélèvement 22 comprennent aussi
- un photodétecteur 30, par exemple une
photodiode InGaAs, qui intègre un filtre
optique passe-haut et qui est optiquement
couplé, par des moyens non représentés, à la
deuxième extrémité de l'ensemble 28 de fibres
optiques, et
- un amplificateur de type transimpédance 32 dont
l'entrée est reliée au photodétecteur 30 muni
de son filtre comme on le voit sur la figure.
- un photodétecteur 30, par exemple une
photodiode InGaAs, qui intègre un filtre
optique passe-haut et qui est optiquement
couplé, par des moyens non représentés, à la
deuxième extrémité de l'ensemble 28 de fibres
optiques, et
- un amplificateur de type transimpédance 32 dont
l'entrée est reliée au photodétecteur 30 muni
de son filtre comme on le voit sur la figure.
Le filtre dont est muni le photodétecteur 24 ne laisse passer que les photons-laser.
Il est à noter que ce filtre n'est pas indispensable dans certaines configurations de la cavité.
Le filtre dont est muni le photodétecteur 30 ne laisse passer que les photons générés par le barreau 4.
L'amplificateur 26 définit le gain de la boucle de régulation de l'énergie des impulsions lumineuses.
L'amplificateur 32 définit le gain de la boucle de régulation du gain de la cavité.
Le dispositif conforme à l'invention comprend aussi
- une porte analogique variable 34 dont la sortie
36 commande la source de courant 12 pour régler
ce courant,
- un contrôleur 38 qui commande cette porte
analogique variable 34, et
- un moyen 40 de prélèvement d'une partie du
courant fourni par la source 12 à l'ensemble de
diodes 10, ce moyen de prélèvement 40 étant par
exemple une sonde inductive et fournissant au
contrôleur 38 un signal fonction de cette
partie de courant prélevée.
- une porte analogique variable 34 dont la sortie
36 commande la source de courant 12 pour régler
ce courant,
- un contrôleur 38 qui commande cette porte
analogique variable 34, et
- un moyen 40 de prélèvement d'une partie du
courant fourni par la source 12 à l'ensemble de
diodes 10, ce moyen de prélèvement 40 étant par
exemple une sonde inductive et fournissant au
contrôleur 38 un signal fonction de cette
partie de courant prélevée.
La première boucle de régulation comprend
- un échantillonneur-bloqueur 42 qui est commandé
par le contrôleur 38 et qui reçoit en entrée le
signal fourni par la sortie de l'amplificateur
de type transimpédance 26,
un comparateur 44 dont l'entrée - est reliée à
la sortie de l'échantillonneur-bloqueur 42 et
dont l'entrée + est reliée à un moyen 46 de
fourniture d'une valeur de tension de consigne
d'énergie VICE/
- un sommateur 48 dont une entrée + est reliée à
la sortie du comparateur 44 qui fournit ainsi
au sommateur 48 un signal de tension d'erreur
d'énergie VeE et dont l'autre entrée + est
reliée au moyen 46 de fourniture de la valeur
de tension de consigne d'énergie, la sortie de
ce sommateur 48 étant reliée au contrôleur 38
pour fournir à celui-ci un signal quasi-continu
permettant de définir la durée de fermeture de
la porte analogique variable 34.
- un échantillonneur-bloqueur 42 qui est commandé
par le contrôleur 38 et qui reçoit en entrée le
signal fourni par la sortie de l'amplificateur
de type transimpédance 26,
un comparateur 44 dont l'entrée - est reliée à
la sortie de l'échantillonneur-bloqueur 42 et
dont l'entrée + est reliée à un moyen 46 de
fourniture d'une valeur de tension de consigne
d'énergie VICE/
- un sommateur 48 dont une entrée + est reliée à
la sortie du comparateur 44 qui fournit ainsi
au sommateur 48 un signal de tension d'erreur
d'énergie VeE et dont l'autre entrée + est
reliée au moyen 46 de fourniture de la valeur
de tension de consigne d'énergie, la sortie de
ce sommateur 48 étant reliée au contrôleur 38
pour fournir à celui-ci un signal quasi-continu
permettant de définir la durée de fermeture de
la porte analogique variable 34.
La deuxième boucle de régulation comprend
- un échantillonneur-bloqueur 50 qui est commandé
par le contrôleur 48 et qui reçoit en entrée le
signal fourni par l'amplificateur de type
transimpédance 32,
- un comparateur 52 dont l'entrée - est reliée à
la sortie de l'échantillonneur-bloqueur 50 et
dont l'entrée + est reliée à un moyen 54 de
fourniture d'une valeur de tension de consigne
de gain VcG, et dont la sortie est reliée au
contrôleur 38 pour fournir à celui-ci un signal
de tension d'erreur de gain VeG, et
- un sommateur 56 dont une entrée + est reliée à
la sortie du comparateur 52 et dont l'autre
entrée + est reliée au moyen 54 de fourniture
d'une valeur de tension de consigne de gain, et
dont la sortie est reliée à l'entrée 58 de la
porte analogique variable 34.
- un échantillonneur-bloqueur 50 qui est commandé
par le contrôleur 48 et qui reçoit en entrée le
signal fourni par l'amplificateur de type
transimpédance 32,
- un comparateur 52 dont l'entrée - est reliée à
la sortie de l'échantillonneur-bloqueur 50 et
dont l'entrée + est reliée à un moyen 54 de
fourniture d'une valeur de tension de consigne
de gain VcG, et dont la sortie est reliée au
contrôleur 38 pour fournir à celui-ci un signal
de tension d'erreur de gain VeG, et
- un sommateur 56 dont une entrée + est reliée à
la sortie du comparateur 52 et dont l'autre
entrée + est reliée au moyen 54 de fourniture
d'une valeur de tension de consigne de gain, et
dont la sortie est reliée à l'entrée 58 de la
porte analogique variable 34.
On rappelle que le contrôleur 38 engendre les signaux de commande de cette dernière.
Le dispositif comprend aussi des moyens 60 de commande de ce contrôleur 38.
Le contrôleur 38 reçoit en entrée, de la part de ces moyens 60, une donnée représentant la valeur choisie par les utilisateurs pour la fréquence stabilisée F ainsi qu'une autre donnée représentant le temps maximum Tmax au bout duquel "l'accrochage" de la régulation en énergie doit être effectué.
La porte analogique variable 34 fournit à la source de courant 12 un signal de tension Ve(t) qui est tel que
Ve(t) = (VçG + VeG) x Net,.
Ve(t) = (VçG + VeG) x Net,.
Dans cette formule, n(t) représente le signal quasi-continu qui définit la durée de fermeture de la porte analogique variable 34.
On explique ci-après le fonctionnement du dispositif représenté sur la figure.
On précise d'abord que l'alimentation en courant I de l'ensemble des diodes laser 10 doit être limitée, intrinséquement, en ce qui concerne le courant-crête et la durée de pompage.
Cela signifie que le courant-crête doit être inférieur à une valeur Im et que la durée de pompage Tp doit également être inférieure à une valeur Tprn, quel que soit le signal de commande reçu.
Ces limitations sont respectées grâce à la source de courant 12.
De plus, cette source de courant 12 qui alimente l'ensemble de diodes 10 est commandée en tension par des impulsions de tension carrées dont la durée définit la durée de pompage Tp et dont le niveau-crête Vç définit le courant-crête dans les diodes.
Les moyens de commande 60 reçoivent du contrôleur 38 des signaux destinés à informer ces moyens de commande 60 de la présence d'un défaut, à savoir que le courant-crête est égal à Im ou que la durée de pompage
Tp est égale à Tpm pendant un temps supérieur à la valeur Tmax.
Tp est égale à Tpm pendant un temps supérieur à la valeur Tmax.
On explique maintenant la régulation du gain de la cavité laser ou plus exactement de la tête de pompage qui est constituée par le barreau laser 4 et les diodes 10.
On effectue un prélèvement de l'intensité de fluorescence ré-émise par le barreau laser 4 en phase de pompage, en considérant que l'intensité de fluorescence mesurée If est proportionnelle au gain d'amplification G "vu" par une impulsion laser incidente.
L'objectif est d'amener la tête de pompage près d'un point de fonctionnement nominal qui correspond à l'intensité nominale recherchée pour le courant et que l'on peut noter In
On active alors la boucle d'asservissement de gain qui fonctionne en continu car on y a inséré l'échantillonneur-bloqueur 50 qui enregistre la valeur moyenne de l'intensité mesurée If
Le dispositif conforme à l'invention fonctionne alors avec une valeur de gain d'amplification G égale à une valeur de consigne Gc fournie (sous forme d'une tension) par le moyen 54, valeur que l'on peut programmer, mais les défauts d'alignement de la cavité laser 2 ne sont pas encore pris en compte et l'énergie des impulsions lumineuses de sortie E n'est pas connue.
On active alors la boucle d'asservissement de gain qui fonctionne en continu car on y a inséré l'échantillonneur-bloqueur 50 qui enregistre la valeur moyenne de l'intensité mesurée If
Le dispositif conforme à l'invention fonctionne alors avec une valeur de gain d'amplification G égale à une valeur de consigne Gc fournie (sous forme d'une tension) par le moyen 54, valeur que l'on peut programmer, mais les défauts d'alignement de la cavité laser 2 ne sont pas encore pris en compte et l'énergie des impulsions lumineuses de sortie E n'est pas connue.
L'ensemble des opérations de contrôle et de gestion des mesures est effectué par le contrôleur 38.
Ce contrôleur 38 détermine également l'écart relatif de gain sG qui est donné par la formule suivante sG = (G - Gc)/Gc.
On explique maintenant la régulation de l'énergie des impulsions lumineuses.
On prend en compte, dans ce cas, les défauts d'alignement de la cavité, pour asservir l'énergie E des impulsions lumineuses à une valeur de consigne Ec qui est fournie, sous forme d'une tension, par le moyen 46.
Le contrôleur 38 commute le dispositif conforme à l'invention sur la boucle de régulation d'énergie (boucle de régulation principale) dès lors que eG est inférieur à une valeur de consigne 8 par exemple égale à 1%, à l'aide d'une fonction de multiplexage qui est intégrée au contrôleur 38.
On cherche à stabiliser l'énergie de sortie E des impulsions lumineuses par rapport à la valeur de consigne Ec, à la fréquence F fixe, dans le cas de petites variations AE (par exemple dérives à long terme ou à court terme, vieillissement, effets d'environnement mécanique ou thermique) autour de Ec.
On explique maintenant la nature des régulations.
Celles-ci sont effectuées en gain et en énergie, à partir de la puissance prélevée par les photodiodes référencées respectivement 30 et 24 en sachant que la fréquence F est fixe.
La constance du profil temporel provient, selon que la cavité 2 est un amplificateur régénératif (exemple de la figure) ou un oscillateur autodéclenché, du fait que le nombre de tours effectué dans la cavité laser 2 par le faisceau laser est constant (par hypothèse).
L'échantillonneur-bloqueur référencé 42 sur la figure est déclenché à chaque tir par le contrôleur 38, de telle sorte que les corrections apportées au courant d'alimentation et au temps de pompage le sont d'une impulsion à l'autre.
Comme on l'a vu plus haut, on note Im la valeur limite du courant d'alimentation de l'ensemble de diodes 10 et l'on note Tpm la valeur limite du temps de pompage que peut fournir la source courant 12 destinée à alimenter cet ensemble de diodes.
On note In et Tpn respectivement la valeur nominale recherchée pour le courant et la valeur nominale recherchée pour le temps de pompage.
Afin de ne pas trop dégrader la durée de vie des diodes, les valeurs limites du courant et du temps de pompage sont calées de telle sorte que le rapport
(Im - In)/In soit peu différent du rapport ( Tpm - Tpn) /Tpn lui-même peu différent de 15% par exemple.
(Im - In)/In soit peu différent du rapport ( Tpm - Tpn) /Tpn lui-même peu différent de 15% par exemple.
La tête de pompage doit fournir "rapidement" les valeurs nominales de G et de E.
Si ce n'est pas le cas, c'est-à-dire par exemple si le courant I circulant dans les diodes est égal à 1m ou si le temps de pompage est égal à Tpm pendant un temps supérieur à une valeur déterminée T1, mémorisée dans les moyens de commande 60, on considère le dispositif en défaut et on coupe le courant d'alimentation des diodes.
Cette action est gérée par le contrôleur 38 (qui adresse aussi un message de défaut aux moyens 60 qui commandent ce contrôleur 38).
On explique maintenant la nature des prélèvements.
La lumière de fluorescence est prélevée par l'intermédiaire de l'ensemble de fibres optiques 28 couplé au photodétecteur-filtre 30 dont la réponse spectrale permet une discrimination des photons lasers par rapport aux photons de pompage.
Cette discrimination est également améliorée par des considérations géométriques (l'émission de l'ensemble de diodes 10 est relativement directive alors que la fluorescence est répartie dans tout l'espace et donc dans un angle solide de 4x stéradians).
L'énergie E est enregistrée sur le photodétecteurfiltre 24 qui se trouve derrière le miroir de fond de cavité 8 et dont la surface est suffisamment grande pour capter tous les photons du faisceau laser qui a traversé ce miroir 8.
On précise que l'ouverture du système d'extraction de l'impulsion laser amplifiée (ce système étant formé par la cellule 14 de KD*P, par le générateur non représenté commandant celle-ci et par le polariseur 16) dépend de la tension appliquée à la cellule 14 de KD*P par le générateur associé, non représenté.
Cette tension appliquée à la cellule peut aussi être gérée par le contrôleur 38.
Claims (4)
1. Dispositif de régulation d'une cavité laser (2) contenant un barreau laser (4) et pompée optiquement par des diodes (10) qui sont commandées par une source de courant (12), cette cavité laser étant déclenchée en impulsions à fréquence fixe et stabilisée, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend
- des premiers moyens de prélèvement (20)
destinés à prélever une partie de 1 'énergie
lumineuse extraite de la cavité et à fournir un
signal fonction de cette partie d'énergie
lumineuse,
- des deuxièmes moyens de prélèvement (22)
destinés à prélever une partie de la lumière de
fluorescence ré-émise par le barreau laser lors
de la phase de pompage optique, qui précède la
fourniture de l'impulsion laser, et à fournir
un signal fonction de cette partie de la
lumière de fluorescence, et
- des moyens de régulation destinés à maîtriser
et à stabiliser en niveau l'énergie des
impulsions lumineuses fournies par la cavité
(2), ces moyens de régulation comprenant
- une première boucle de régulation de l'énergie
de ces impulsions lumineuses à l'aide du signal
fourni par les premiers moyens de prélèvement
(20), et
- une deuxième boucle de régulation du gain de la
cavité laser (2) à l'aide du signal fourni par
les deuxièmes moyens de prélèvement (22).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre
- une porte analogique variable (34) dont la
sortie commande la source de courant (12),
- un contrôleur (38) prévu pour commander la
porte analogique variable (34), et
- un moyen (40) de prélèvement d'une partie du
courant fourni par la source (12), ce moyen de
prélèvement fournissant au contrôleur un signal
fonction de cette partie prélevée du courant,
en ce que la première boucle de régulation
comprend
- un premier échantillonneur-bloqueur (42) qui
est commandé par le contrôleur et qui reçoit en
entrée le signal fourni par les premiers moyens
de prélèvement,
- un premier comparateur (44) dont les entrées
sont respectivement reliées à la sortie du
premier échantillonneur-bloqueur et à un moyen
(46) de fourniture d'une valeur de consigne
d'énergie,
- un premier moyen de sommation (48) dont les
entrées sont respectivement reliées à la sortie
du premier comparateur et au moyen de
fourniture de la valeur de consigne d'énergie
et dont la sortie est reliée au contrôleur,
en ce que la deuxième boucle de régulation comprend
- un deuxième échantillonneur-bloqueur (50) qui
est commandé par le contrôleur et qui reçoit en
entrée le signal fourni par les deuxièmes
moyens de prélèvement,
- un deuxième comparateur (52) dont les entrées
sont respectivement reliées à la sortie du
deuxième échantillonneur-bloqueur et à un moyen
de fourniture d'une valeur de consigne de gain
et dont la sortie est reliée au contrôleur, et
- un deuxième moyen de sommation (56) dont les
entrées sont respectivement reliées à la sortie
du deuxième comparateur et au moyen de
fourniture de la valeur de consigne de gain et
dont la sortie est reliée à l'entrée de la
porte analogique variable.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers moyens de prélèvement (20) comprennent
- un moyen de photodétection (24) qui est prévu
pour capter la partie d'énergie lumineuse
prélevée, et
- un premier amplificateur de type trans impédance
(26) dont l'entrée est reliée à ce moyen de
photodétection (24) et dont la sortie est
reliée à l'entrée du premier échantillonneur
bloqueur (42).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de prélèvement (22) comprennent
- au moins une fibre optique (28) dont une
première extrémité est prévue pour capter la
partie de la lumière de fluorescence,
- un moyen de photodétection et de filtrage
optique passe-haut (30) qui est optiquement
couplé à la deuxième extrémité de la fibre
optique, et - un deuxième amplificateur de type
transimpédance (32) dont l'entrée est reliée à
ce moyen de photodétection et de filtrage et
dont la sortie est reliée à l'entrée du
deuxième échantillonneur-bloqueur (50).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9610842A FR2753011B1 (fr) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | Dispositif de regulation mixte, en energie et en gain, d'une cavite laser pompee par diodes et declenchee en impulsions a frequence fixe |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9610842A FR2753011B1 (fr) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | Dispositif de regulation mixte, en energie et en gain, d'une cavite laser pompee par diodes et declenchee en impulsions a frequence fixe |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2753011A1 true FR2753011A1 (fr) | 1998-03-06 |
| FR2753011B1 FR2753011B1 (fr) | 1998-10-09 |
Family
ID=9495471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9610842A Expired - Fee Related FR2753011B1 (fr) | 1996-09-05 | 1996-09-05 | Dispositif de regulation mixte, en energie et en gain, d'une cavite laser pompee par diodes et declenchee en impulsions a frequence fixe |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2753011B1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1239557A3 (fr) * | 2001-03-07 | 2006-05-24 | Laserfront Technologies, Inc. | Laser à l'état solide pompé par laser à diode et méthode de diagnostique |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5018152A (en) * | 1989-09-07 | 1991-05-21 | Spectra-Physics, Inc. | Apparatus for controlling pulse energy in a Q-switched laser system |
| US5291505A (en) * | 1993-01-21 | 1994-03-01 | Hughes Aircraft Company | Active energy control for diode pumped laser systems using pulsewidth modulation |
-
1996
- 1996-09-05 FR FR9610842A patent/FR2753011B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5018152A (en) * | 1989-09-07 | 1991-05-21 | Spectra-Physics, Inc. | Apparatus for controlling pulse energy in a Q-switched laser system |
| US5291505A (en) * | 1993-01-21 | 1994-03-01 | Hughes Aircraft Company | Active energy control for diode pumped laser systems using pulsewidth modulation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1239557A3 (fr) * | 2001-03-07 | 2006-05-24 | Laserfront Technologies, Inc. | Laser à l'état solide pompé par laser à diode et méthode de diagnostique |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2753011B1 (fr) | 1998-10-09 |
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |