FR2785098A1 - Laser doubler modular laser architecture comprises folded construction active laser regions single pump beam fed using progressive reflections - Google Patents
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Abstract
Description
LASER SOLIDE POMPE PAR DIODE LASER
L'invention concerne un laser solide pompé par diode laser et plus particulièrement un laser modulaire comprenant plusieurs lasers solides et son application aux lasers doublés en fréquence.SOLID LASER PUMP BY LASER DIODE
The invention relates to a solid laser pumped by laser diode and more particularly to a modular laser comprising several solid lasers and its application to lasers doubled in frequency.
Les lasers solides pompés par diodes laser ont connu un développement important ces dernières années du fait de nombreux avantages sur les autres familles de laser (efficacité, compacité, durée de vie, laser tout état solide , etc...). Ils peuvent fonctionner en régime continu ou en régime impulsionnel. Solid lasers pumped by laser diodes have experienced significant development in recent years due to many advantages over the other laser families (efficiency, compactness, lifetime, all solid state laser, etc.). They can operate in continuous mode or in impulse mode.
Les diodes laser transfèrent de l'énergie au milieu actif en émettant de la lumière à une longueur d'onde correspondant à une raie d'absorption du milieu actif (YAG : Nd par exemple). Ce pompage résonnant par diodes laser est ainsi plus efficace qu'un pompage par lampe. De plus, le faisceau des diodes laser étant directif, il permet de réaliser un pompage localisé spatialement dans le milieu actif. Le plus efficace consiste à faire se propager colinéairement le faisceau pompe et le faisceau laser (pompage longitudinal). On obtient ainsi un bon recouvrement spatial entre les deux faisceaux, d'où un rendement énergétique important. Si de surcroît la taille du faisceau de pompe est adaptée à la taille du mode fondamental de la cavité laser, t'émission laser se faire préférentiellement sur ce mode. The laser diodes transfer energy to the active medium by emitting light at a wavelength corresponding to an absorption line of the active medium (YAG: Nd for example). This resonant pumping by laser diodes is thus more efficient than pumping by lamp. In addition, the beam of the laser diodes being directional, it makes it possible to carry out a pumping located spatially in the active medium. The most effective consists in making the pump beam and the laser beam propagate collinearly (longitudinal pumping). This gives good spatial overlap between the two beams, resulting in a significant energy efficiency. If, in addition, the size of the pump beam is adapted to the size of the fundamental mode of the laser cavity, the laser emission is preferably done in this mode.
Pour une taille de faisceau de diode donné, la puissance disponible est imitée (quelques dizaines de watts maximum dans les cas usuels). L'objet de l'invention concerne une architecture de lasers solides pompés par diodes laser longitudinalement et permettant d'obtenir une puissance de sortie importante. For a given diode beam size, the available power is imitated (a few tens of watts maximum in usual cases). The object of the invention relates to an architecture of solid lasers pumped by laser diodes longitudinally and making it possible to obtain a large output power.
L'invention concerne donc un laser pompé comprenant plusieurs milieux actifs lasers placés en série dans une cavité optique et au moins une source optique de pompe émettant un faisceau de pompe vers chaque milieu actif laser ; dans chaque milieu actif laser, I'axe de la cavité optique étant quasi-colinéaire ou formant un angle aigu avec la direction du faisceau de pompe, ladite cavité optique étant repliée à l'intérieur de chaque milieu actif laser par réflexion sur une face réflectrice dudit milieu actif laser. The invention therefore relates to a pumped laser comprising several active laser media placed in series in an optical cavity and at least one optical pump source emitting a pump beam towards each active laser medium; in each active laser medium, the axis of the optical cavity being quasi-collinear or forming an acute angle with the direction of the pump beam, said optical cavity being folded back inside each active laser medium by reflection on a reflecting face of said active laser medium.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent :
-la figure 1, un module de base d'un laser selon l'invention ;
-la figure 2, un exemple de laser replié selon l'invention ;
-les figures 3a et 3b, des variantes de réalisation du laser selon
l'invention ;
-la figure 4, un laser à multi-passages n'utilisant que deux
milieux actifs ;
-les figures 5a et 5b, un exemple de réalisation dans lequel les
milieux actifs lasers sont disposés selon un cercle ;
-la figure 6, une commande des milieux actifs permettant
d'augmenter la fréquence impulsionnelle ;
-la figure 7, une application comportant un milieu non linéaire.The various objects and characteristics of the invention will appear more clearly in the description given by way of example and in the appended figures which represent:
FIG. 1, a basic module of a laser according to the invention;
FIG. 2, an example of a folded laser according to the invention;
FIGS. 3a and 3b, alternative embodiments of the laser according to
the invention;
FIG. 4, a multi-pass laser using only two
active environments;
FIGS. 5a and 5b, an exemplary embodiment in which the
active laser media are arranged in a circle;
FIG. 6, a control of the active media allowing
increase the pulse frequency;
FIG. 7, an application comprising a non-linear medium.
La figure 1 représente un module laser de base selon l'invention. FIG. 1 represents a basic laser module according to the invention.
Ce module laser est composé d'un milieu laser actif 1, d'une diode laser de pompe 3a et des moyens 3b pour coupler au milieu actif le faisceau issu de la diode laser. La cavité est fermée par deux miroirs 2a et 2b. Le miroir 2b permet une transmission à la longueur d'onde laser. Par milieu laser actif il faut entendre milieu solide présentant une ou plusieurs transitions laser (YAG : Nd, YV04 : Nd, saphir : Ti, etc.). Par diode laser de pompage il faut entendre diode laser unitaire, tout assemblage de diodes laser (barrette, empilement de barrettes, plaques à émission par la surface, etc.) ou tout assemblage de diodes ou diode unitaire dont le faisceau a été remis en forme (lentille cylindrique, micromiroirs, miroirs, lentilles holographiques, injection dans une ou des fibres optiques, etc). Par moyens 3b, pour coupler le faisceau issu de la diode laser et le milieu actif il faut entendre des moyens de focalisation du faisceau 3a dans le milieu actif 1 par une lentille ou un ensemble de lentilles ; focalisation du faisceau de pompe 3a dans le milieu actif par un concentrateur de lumière conique ; injection du faisceau de pompe 3a en plaçant la face de sortie de la diode laser (ou du système de remise en forme du faisceau) tout près du milieu actif 1 etc.This laser module is composed of an active laser medium 1, a pump laser diode 3a and means 3b for coupling the beam coming from the laser diode to the active medium. The cavity is closed by two mirrors 2a and 2b. The mirror 2b allows transmission at the laser wavelength. By active laser medium is meant solid medium having one or more laser transitions (YAG: Nd, YV04: Nd, sapphire: Ti, etc.). By pumping laser diode is meant a unit laser diode, any assembly of laser diodes (strip, stack of strips, surface emission plates, etc.) or any assembly of diodes or unit diode whose beam has been reshaped (cylindrical lens, micromirrors, mirrors, holographic lenses, injection into one or more optical fibers, etc.). By means 3b, to couple the beam coming from the laser diode and the active medium is meant means for focusing the beam 3a in the active medium 1 by a lens or a set of lenses; focusing the pump beam 3a in the active medium by a conical light concentrator; injection of the pump beam 3a by placing the exit face of the laser diode (or of the beam fitness system) very close to the active medium 1 etc.
Le faisceau de pompe 3c pénètre dans le milieu actif 1 par la face 1a supportant un traitement dichroïque de très grand coefficient de réflexion à la longueur d'onde laser (par exemple R > 99,5 %) et de grande transmission cl la longueur d'onde de pompe (par exemple T > 95 %). Le faisceau laser 4 pénètre dans le milieu actif 1 par la face 1 b et se réfléchit sur la face 1 a avant de ressortir par la face 1 b. The pump beam 3c enters the active medium 1 through the face 1a supporting a dichroic treatment of very large reflection coefficient at the laser wavelength (for example R> 99.5%) and of great transmission cl the length d pump wave (for example T> 95%). The laser beam 4 enters the active medium 1 through the face 1b and is reflected on the face 1a before coming out through the face 1b.
Le faisceau laser 4 et le faisceau de pompe 3c ont un. angle d'incidence sur la face 1a nul ou petit ( < 15 ). On réalise bien ainsi un pompage longitudinal. The laser beam 4 and the pump beam 3c have one. angle of incidence on side 1a zero or small (<15). One thus realizes a longitudinal pumping.
La face 1a est plane ou courbe pour compenser la lentille thermique induite dans le milieu actif 1 par son échauffement sous pompage. Pour que le faisceau laser 4 ne subisse pas de pertes par réflexion sur la face 1 b, celle-ci est soit traitée antireflet à la longueur d'onde laser soit inclinée pour que le faisceau laser soit à l'incidence de Brewster (faisceau polarisé). Dans le premier cas, la face 1 a est plane ou courbe par exemple pour compenser la lentille thermique. The face 1a is flat or curved to compensate for the thermal lens induced in the active medium 1 by its heating under pumping. So that the laser beam 4 does not undergo reflection losses on the face 1 b, the latter is either anti-reflective treatment at the laser wavelength or tilted so that the laser beam is at Brewster incidence (polarized beam ). In the first case, the face 1a is flat or curved for example to compensate for the thermal lens.
La figure 2 représente un exemple d'architecture laser. Elle est composée de plusieurs modules, de préférence identiques, mis les uns à la suite des autres dans la cavité laser. La figure 2 expose une réalisation possible d'une cavité composée par exemple de quatre modules de pompage 5a à 5d. La cavité laser est dans ce cas fermée par un des modules 5a et un miroir 6b présentant une transmission non nulle à la longueur d'onde laser par où sort le faisceau laser. Les milieux lasers 5a, 5c d'une part et 5b, 5d d'autre part sont arrangés selon des lignes L1, L2 disposées de part et d'autre d'un axe OX. Les faces des milieux lasers les plus éloignées de I'axe OX par rapport au milieu laser sont réflectrices à la longueur d'onde laser de telle façon que le faisceau laser est réfléchi d'une ligne L1 de milieux lasers à l'autre ligne L2 de milieux lasers. Figure 2 shows an example of laser architecture. It is made up of several modules, preferably identical, placed one after the other in the laser cavity. Figure 2 shows a possible embodiment of a cavity composed for example of four pumping modules 5a to 5d. The laser cavity is in this case closed by one of the modules 5a and a mirror 6b having a non-zero transmission at the laser wavelength through which the laser beam exits. The laser media 5a, 5c on the one hand and 5b, 5d on the other hand are arranged along lines L1, L2 arranged on either side of an axis OX. The faces of the laser media furthest from the axis OX with respect to the laser medium are reflective at the laser wavelength so that the laser beam is reflected from a line L1 of laser media to the other line L2 of laser media.
L'adjonction de lentilles intermédiaires 7a à 7c ou de tout autre système de contrôle de faisceau entre les modules de pompage peut s'avérer nécessaire pour que le faisceau laser ait la mme taille dans chaque module quelque soit leur nombre. On peut également envisager l'emploi de miroirs actifs compensant les perturbations de phase et se substituant à certains des modules laser. The addition of intermediate lenses 7a to 7c or of any other beam control system between the pumping modules may prove to be necessary so that the laser beam has the same size in each module regardless of their number. One can also consider the use of active mirrors compensating for phase disturbances and replacing some of the laser modules.
L'intért de l'invention est de pouvoir combiner l'efficacité du pompage longitudinal avec des puissances laser importantes. La modularité a cet avantage qu'il suffit de définir un module puis de faire le facteur d'échelle en les multipliant. D'où entre autres, des réductions de coût de conception et de production. The advantage of the invention is to be able to combine the efficiency of longitudinal pumping with high laser powers. Modularity has the advantage that it suffices to define a module and then to make the scale factor by multiplying them. Hence, among other things, reductions in design and production costs.
La figure 3a représente une variante de réalisation de l'architecture de la figure 2. FIG. 3a represents an alternative embodiment of the architecture of FIG. 2.
Dans cette architecture, tous les milieux actifs lasers 5a à 5d sont disposés selon des plans parallèles. II faut donc prévoir un miroir 6a perpendiculaire au faisceau laser 4'. Tous les faisceaux pompe émis par les diodes lasers 3aa à 3ad vers les milieux actifs sont donc parallèles entre eux y compris celui dirigé vers le milieu actif 5a. In this architecture, all of the active laser media 5a to 5d are arranged in parallel planes. It is therefore necessary to provide a mirror 6a perpendicular to the laser beam 4 '. All the pump beams emitted by the laser diodes 3aa to 3ad towards the active media are therefore mutually parallel, including that directed towards the active medium 5a.
La figure 3b représente une structure repliée dans laquelle les milieux actifs lasers 5a à 5f sont arrangés sur deux lignes parallèles à une direction OX et sont en mme nombre sur ces deux lignes. Les milieux actifs 5c à 5f ont leur face de réflexion parallèles à la direction OX. Les milieux actifs 5c à 5f ont leur face de réflexion parallèles à la direction OX. Les milieux actifs 5a et 5b sont placés en vis-à-vis et se renvoient le faisceau laser. Les miroirs 6b et 6b de la cavité optique de l'ensemble sont disposés tous deux du mme côté par rapport à l'ensemble de milieux actifs lasers. FIG. 3b represents a folded structure in which the active laser media 5a to 5f are arranged on two lines parallel to a direction OX and are in the same number on these two lines. The active media 5c to 5f have their reflection face parallel to the direction OX. The active media 5c to 5f have their reflection face parallel to the direction OX. The active media 5a and 5b are placed opposite and return the laser beam. The mirrors 6b and 6b of the optical cavity of the assembly are both arranged on the same side with respect to the set of active laser media.
On réalise ainsi une cavité en anneau. En prévoyant dans la cavité un composant optique unidirectionnel, on réalise une cavité unidirectionnelle.This produces a ring cavity. By providing a unidirectional optical component in the cavity, a unidirectional cavity is produced.
La figure 4 représente une architecture laser dérivée de celle représentée en figure 3a. Elle ne comporte que deux milieux actifs lasers 17a et 17b. Le milieu 17a englobe les milieux 5a et 5c de la figure 3a et le milieu 17b englobe les milieux 5b et 5d. FIG. 4 represents a laser architecture derived from that represented in FIG. 3a. It only comprises two active laser media 17a and 17b. The medium 17a includes the media 5a and 5c of Figure 3a and the medium 17b includes the media 5b and 5d.
La figure 5a représente une variante de réalisation dans laquelle les milieux actifs lasers 9a à 9g sont disposés selon un cercle. De préférence, ce sont les faces réflectrices de ces milieux qui sont disposées selon un cercle. A l'emplacement de sortie du faisceau laser est placé un miroir de sortie 19. On a ainsi réalisé une cavité en anneau. Un élément optique unidirectionnel 18 est également prévu comme en figure 3b. FIG. 5a represents an alternative embodiment in which the active laser media 9a to 9g are arranged in a circle. Preferably, it is the reflecting faces of these media which are arranged in a circle. At the laser beam exit location, an exit mirror 19 is placed. A ring cavity has thus been produced. A unidirectional optical element 18 is also provided as in FIG. 3b.
La figure 5b représente une variante de la figure 5a dans laquelle la cavité est fermée par deux miroirs 29 et 39. Au lieu de réaliser une cavité en anneau, on réalise ainsi t'équivalent d'une cavité linéaire. FIG. 5b represents a variant of FIG. 5a in which the cavity is closed by two mirrors 29 and 39. Instead of producing a ring cavity, the equivalent of a linear cavity is thus produced.
La figure 6 représente un mode de commande permettant d'augmenter la fréquence impulsionnelle du système par multiplexage temporel. Par exemple, si on considère l'architecture de la figure 3b, les milieux actifs lasers 5a, 5c, 5e sont commandés par des impulsions de pompe A telles que représentées sur le diagramme d'impulsions A et les milieux actifs lasers 5b, 5d, 5f sont commandés par des impulsions de pompe B déphasées de par rapport aux impulsions A. FIG. 6 represents a control mode making it possible to increase the pulse frequency of the system by time multiplexing. For example, if we consider the architecture of FIG. 3b, the active laser media 5a, 5c, 5e are controlled by pump pulses A as shown in the pulse diagram A and the active laser media 5b, 5d, 5f are controlled by pump pulses B out of phase with respect to pulses A.
Dans les différentes configurations qui viennent d'tre décrites, on a prévu d'associer à chaque milieu actif laser une diode laser de pompe. In the various configurations which have just been described, provision has been made to associate with each active laser medium a pump laser diode.
Cependant, on peut également prévoir d'arranger les milieux actifs pour qu'ils soient le plus près possible les uns des autres de façon à pouvoir pomper plusieurs milieux actifs à I'aide d'un mme faisceau laser. Dans le cadre de la configuration de la figure 4a, notamment, les faisceaux pompes 3c1 à 3c3 peuvent tre un mme faisceau et les faisceaux 3c4 à 3c6 peuvent également tre un mme faisceau.However, it is also possible to arrange the active media so that they are as close as possible to one another so as to be able to pump several active media using the same laser beam. In the context of the configuration of FIG. 4a, in particular, the pump beams 3c1 to 3c3 can be the same beam and the beams 3c4 to 3c6 can also be the same beam.
Une cavité a été réalisée (voir figure 3a) avec un ou deux modules lasers (5a, 5b,...) ; un miroir concave 6a de 20 cm de rayon de courbure incliné d'un angle de 15 et avec une réflectivité maximale à 1,06 um ; un miroir concave 6b de 10 cm de rayon de courbure et avec une réflectivité de 5 % à 1,06 pm. Un laser comportant des modules de base ainsi conçu émet typiquement 6W à 1,06 um (pour 12 W de pompe). En plaçant en série 2 modules dans la cavité, nous avons obtenu 11,5 W, démontrant ainsi l'intért de I'approche modulaire. A cavity was made (see Figure 3a) with one or two laser modules (5a, 5b, ...); a concave mirror 6a with a radius of curvature 20 cm inclined at an angle of 15 and with a maximum reflectivity of 1.06 µm; a concave mirror 6b with a 10 cm radius of curvature and with a reflectivity of 5% at 1.06 μm. A laser comprising basic modules thus designed typically emits 6W at 1.06 μm (for 12 W of pump). By placing 2 modules in series in the cavity, we obtained 11.5 W, thus demonstrating the advantage of the modular approach.
Les diodes laser peuvent fonctionner en régime continu ou impulsionnel. De mme, le laser peut fonctionner en mode relaxé (continu ou impulsions longues), ou en mode d'impulsions courtes par adjonction, par exemple, d'une cellule de déclenchement dans la cavité. The laser diodes can operate in continuous or pulse mode. Likewise, the laser can operate in relaxed mode (continuous or long pulses), or in short pulse mode by adding, for example, a trigger cell in the cavity.
On peut ajouter dans la cavité une opération de conversion de fréquence exploitant les propriétés non linéaires de matériaux optiques (doublage, OPO, etc.). C'est ainsi que la figure 7 représente un laser possédant deux milieux actifs 1a, 1b agencés comme décrit précédemment. One can add in the cavity a frequency conversion operation exploiting the non-linear properties of optical materials (doubling, OPO, etc.). Thus, Figure 7 shows a laser having two active media 1a, 1b arranged as described above.
De plus, un milieu non linéaire 8 est placé dans la cavité réalisée par le miroir 13 et le milieu actif 1a. In addition, a non-linear medium 8 is placed in the cavity produced by the mirror 13 and the active medium 1a.
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