FR2791186A1 - Source laser a faisceau de sortie sans distorsions - Google Patents

Abstract

La source laser de l'invention est du type à cristal laser (3) à pompage par diodes (4) disposé dans une cavité optique (5, 6). Pour corriger les distorsions de phase produites dans le cristal par des gradients thermiques, on dispose dans la cavité une lame de phase (2) dont le profil est fonction des déphasages en chaque point de la section du faisceau à corriger. On obtient ainsi une onde plane à la sortie de la source.Application : Sources laser de puissance.

Description

SOURCE LASER A FAISCEAU DE SORTIE SANS DISTORSIONS

La présente invention se rapporte à une source laser à faisceau

de sortie sans distorsions.

On réalise actuellement des sources laser à l'état solide de plus en plus puissantes. Cette puissance croissante est liée à une augmentation importante des distorsions spatiales du faisceau émis, ce qui réduit

considérablement la luminance de ces sources.

En effet, la chaleur dissipée dans ces sources lors du pompage du milieu laser induit un important gradient thermique dans ce milieu. Ce gradient thermique induit à son tour un gradient d'indice de réfraction du cristal constituant le milieu laser. Ce gradient d'indice distord spatialement la phase de l'onde produite par ce milieu. De plus, ces distorsions varient très

fortement en fonction de la puissance émise par la source.

Pour réduire ces distorsions, on a proposé de disposer dans la cavité optique dans laquelle est inséré le milieu laser des dispositifs optiques (obturateurs...) éliminant certains modes de propagation transverse de l'onde laser, mais ces dispositifs, ne permettent pas d'éliminer toutes les distorsions du faisceau émis, et ne peuvent pas être asservis aux variations de puissance émise ou à d'autres paramètres influant sur les

caractéristiques des distorsions.

La présente invention a pour objet une source dont le faisceau émis présente le minimum possible de distorsions de phase, sans que son encombrement soit pratiquement modifié, quel que soit le régime de

fonctionnement de cette source.

La source laser conforme à l'invention, du type à milieu laser à l'état solide disposé dans une cavité optique, comporte au moins un dispositif correcteur intersectant le faisceau issu du milieu laser, ce dispositif modifiant sélectivement et spatialement les conditions de propagation de ce faisceau. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la

description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemple

non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: * la figure 1A est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention, avec lame de phase fixe, et milieu laser pompé transversalement; * les figures lB, 1C et 1D sont des exemples simplifiés de diagrammes de répartition d'amplitude et de phase relevés en différents endroits de la cavité de la figure 1A; * la figure 2 est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention, similaire à celle de la figure 1, mais avec un télescope * la figure 3 est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention, avec milieu laser pompé longitudinalement, lame de phase fixe et télescope; * la figure 4 est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention, avec source laser pompée transversalement et hologramme fixe fonctionnant en transmission; * la figure 5 est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention, similaire à celle de la figure 4, mais avec une lame à hologramme fixe fonctionnant en réflexion; * la figure 6 est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention avec milieu laser pompé transversalement et lame de phase asservie, et * la figure 7 est une vue en coupe simplifiée de la valve à cristal

liquide du dispositif de la figure 6.

La présente invention s'adresse aussi bien aux sources laser

fonctionnant en continu qu'à celles fonctionnant en régime impulsionnel.

Dans la présente description, le terme de " lame de phase " s'applique

aussi bien à des composants " passifs ", qu'ils soient très simples comme des disques en matériau transparent au rayonnement à traiter, disques dont un profil est fonction des aberrations à corriger, ou un peu plus complexes comme des hologrammes déposés sur des disques plans, qu'à des composants " actifs " tels que des valves à cristaux liquides dont les propriétés de correction des distorsions de phase peuvent être modifiées

dynamiquement. Dans la suite de la description, le faisceau corrigé sera

qualifié comme présentant une onde plane, mais il est bien entendu que la surface d'onde de ce faisceau pourra avoir une forme d'onde non plane (par

exemple courbe) mais corrigée des distorsions apportées par le milieu laser.

On a représenté en figure 1A le schéma de principe d'une source laser 1 dont la correction des aberrations est réalisée à l'aide d'une lame de phase fixe 2. Cette source laser 1 comporte essentiellement un milieu laser 3, par exemple un barreau de cristal Nd:YAG, pompé transversalement par un ensemble 4 de diodes laser. Ce milieu laser 3 est disposé dans une " cavité optique " formée par deux miroirs 5, 6 faisant face aux extrémités respectives du milieu laser 3 et ayant le même axe optique que ce dernier. Le miroir plan 5 a un coefficient de réflexion très élevé (proche de 100 %) au moins à la longueur d'onde laser produite. Le miroir 6 est le miroir de sortie

de la cavité, et c'est, par exemple, un miroir sphérique.

On a représenté en figures 1 B à 1D les variations d'amplitude et de phase du rayonnement le long d'un diamètre de la section du faisceau laser dans les plans P1, P2 et P3, sans la lame de phase 2. Les plans P1 et P2 sont situés de part et d'autre du milieu laser 3, tout près de ce dernier,

tandis que le plan P3 est juste en avant du miroir 6.

En P1 et P2, I'amplitude de l'intensité du rayonnement laser est pratiquement constante sur la majeure partie du faisceau, et ne s'atténue que sur son pourtour, tandis que sa phase ondule légèrement et généralement irrégulièrement autour d'une valeur moyenne (p1 et Qp2

respectivement), les ondulations étant différentes en P1 et P2.

En P3, par contre, l'amplitude ondule autour d'une valeur moyenne A3, ainsi que la phase (autour d'une valeur moyenne sp3). Ces ondulations sont généralement irrégulières et plus importantes qu'en P1 ou P2. On voit donc qu'il est préférable de disposer la lame correctrice la plus près possible du milieu laser 3, là o l'amplitude du rayonnement est la

moins perturbée.

La lame 2 est réalisée à partir d'une lame à faces parallèles, dont on " sculpte " l'une des faces (ou éventuellement les deux) de façon à corriger les distorsions de phase du faisceau issu du milieu 3. Ainsi, après traversée de cette lame, le faisceau laser présente la même phase en tous points de sa section (dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau). La mesure des distorsions de phase du faisceau se fait, de façon connue en soi, à l'emplacement futur de la lame 2. Le nombre de points de mesure sur la section du faisceau peut aller de plusieurs centaines à plusieurs milliers. En partant de l'épaisseur initiale de la lame, avant son usinage, à laquelle on fait correspondre la phase la plus en avance, on détermine, pour chacun de ces points de mesure, la diminution d'épaisseur de la lame pour les autres déphasages, puis on usine, également de façon connue en soi, la lame de façon à produire cette

diminution d'épaisseur sélective.

Ainsi, lorsque la lame 2 est en place, par exemple comme représenté en figure 1A, le faisceau laser, issu du milieu 3 en direction du miroir 5 et présentant des distorsions de phase, ne présente plus ces distorsions après avoir traversé la lame 2. C'est alors une onde plane. Cette situation se maintient jusqu'à la traversée en sens inverse de la lame 2 après réflexion sur le miroir 5. La deuxième traversée de la lame 2 en sens inverse de la précédente traversée, apporte au faisceau laser des distorsions de phase conjuguées en phase des premières, mais la traversée en sens inverse du milieu laser 3 rétablit une onde plane à la sortie de ce milieu laser en direction du miroir 6, puisque, par hypothèse, la lame 2 corrige les distorsions du milieu 3, et inversement. Dans ce mode de réalisation, comme dans tous ceux décrits ci-dessous, la cavité est formée par deux miroirs, mais il est bien entendu qu'elle peut en comporter

davantage, pour former une source dite " en anneau ".

En variante du dispositif de la figure 1A, plutôt que de disposer la lame 2 près du milieu laser 3 (en P1 ou P2), on dispose un système d'imagerie optique 10 (schématiquement représenté en traits interrompus sur la figure 1) entre le milieu 3 et le miroir 6. Ce système d'imagerie 10 permet d'imager le plan P2 en P3. Ainsi obtient en P3 des distorsions d'amplitude et de phase homothétiques de celles existant en P2, c'est-à- dire des distorsions en amplitude nettement moins importantes que celles que l'on aurait sans le système 10 (sans le système 10, on aurait les distorsions représentées en figure 1 D). Par conséquent, dans cette variante, on dispose

la lame 2 en P3.

On a représenté en figure 2 une variante du dispositif de la figure 1A, et les mêmes éléments y sont affectés des mêmes références numériques. Le dispositif 7 de la figure 2 se différencie du dispositif 1 par la présence d'un télescope 8 (ou tout autre dispositif d'imagerie optique) entre le milieu laser 3 et le miroir 5, la lame 2 étant disposée entre ce télescope et le miroir 5. Dans un tel mode de réalisation, le télescope agrandit l'image de la face du milieu 3 par laquelle passe le faisceau laser pour la projeter sur la lame 2. Ainsi, lorsque la section du faisceau laser est faible (diamètre de quelques mm, par exemple), et que le gradient de phase est élevé sur la section du faisceau, il est plus facile de réaliser le profil de correction de phase de cette lame de plus grand diamètre. En outre, le télescope peut servir à compenser la lentille thermique formée dans le milieu laser. La lame de phase permet alors de compenser des aberrations géométriques résiduelles (astigmatisme, aberrations sphériques...). La lame 2 est avantageusement traitée antireflet. Dans certains cas, il peut être nécessaire de sélectionner le mode fondamental d'oscillations dans la cavité. Ceci peut 1o être réalisé en insérant dans la cavité un trou de filtrage, connu en soi, ce

qui peut s'appliquer aux autres modes de réalisation décrits ci-dessous.

Selon une variante, non représentée, le miroir 5 et la lame 2 peuvent être remplacés par un " miroir de phase " dont le profil est calculé pour que l'onde qu'il réfléchit ait, sur sa section, un déphasage équivalent à celui produit par la lame 2 sur une onde plane. Le faisceau laser est alors corrigé en retraversant le miroir 3. Dans ce cas, le faisceau laser peut être

extrait par l'autre miroir 6.

De façon générale, le profil de la lame de phase dépend de sa position dans la cavité. En d'autres termes, il faut tenir compte des effets de

propagation de l'onde pour déterminer la bonne loi de phase de la lame.

L'association d'une lame de phase à un résonateur laser réalise ce que l'on

peut qualifier de " cavité à transformée de Fresnel ".

On a représenté en figure 3 un mode de réalisation approprié à l'utilisation d'un milieu laser à pompage longitudinal. La source laser 9 de la figure 3 comprend un milieu laser 10 de grande section (par exemple d'un diamètre supérieur à 1 cm). Ce milieu 10 est pompé longitudinalement par un empilement 11 de diodes laser. Dans ce cas, la surface émissive de l'empilement 11 peut être importante, et il n'y a pas besoin d'utiliser d'optique de couplage (dite " entonnoir optique ") entre l'empilement de diodes et le milieu laser. Le faisceau laser issu du milieu 10 peut avoir également une section importante (supérieure à 1 cm2), de même que la lame de phase 12 disposée en aval (à l'opposé de l'empilement de diodes 11 par rapport au milieu 3), ce qui en facilite l'usinage. La face du milieu 10 qui est en vis-à-vis de l'empilement 11 est revêtue d'un revêtement 13 formant miroir qui est réfléchissant (à environ 100 %) à la longueur d'onde

laser et qui est à haute transmission à la longueur d'onde des diodes laser.

En variante, non représentée, un miroir semi-réfléchissant distinct du milieu , peut être disposé entre ce dernier et l'empilement 11. Un télescope 14 est disposé en aval de la lame 12 (à l'opposé du milieu 10 par rapport à la lame 12). Ce télescope réduit la section du faisceau, corrigé par la lame 10, à la valeur requise pour l'utilisation de la source. Un miroir de sortie 15 est

disposé au-delà du télescope 14, sur le trajet du faisceau à section réduite.

Le télescope 14 peut permettre de limiter le nombre de modes transverses qui peuvent parasiter le faisceau laser oscillant dans la cavité délimitée par les miroirs 13 et 15, et il corrige la " lentille thermique " formée dans le milieu laser. On peut avantageusement disposer dans la cavité, sur le trajet du faisceau laser, un trou de filtrage adapté (non représenté) pour assurer un fonctionnement monomode transverse, ou bien, on peut insérer dans la cavité des diaphragmes (non représentés) qui sélectionnent le mode

émis par le laser.

Ce mode de réalisation de la figure 3 présente les avantages suivants: simplification du dispositif de pompage, grâce au fait qu'il n'y a pas d'optique de couplage entre les diodes de pompage et le milieu laser; I'empilement de diodes laser peut avoir une section importante, ce qui assure une meilleure répartition de la puissance dans le cristal du milieu laser et donc une réduction potentielle des aberrations à corriger;

- I'encombrement de la source n'est pratiquement pas augmenté.

On a représenté en figure 4 un mode de réalisation d'une source laser 16 à plaque hologramme 17 utilisée en transmission. Cette source 16 comporte, par exemple, les mêmes éléments 2 à 6 que la source 1 de la figure 1, le miroir 5 n'étant pas disposé dans l'axe du milieu laser. La normale à la surface du miroir 5 fait avec l'axe optique du milieu 3 un angle a qui est fonction des conditions de réalisation de la plaque à hologramme 17. L'hologramme est inscrit, par exemple, sur un matériau photopolymère. Il est réalisé de façon à corriger les distorsions provoquées par le milieu laser 3. Soit A1 I'onde sortant du milieu laser 3 en direction de la plaque 17 et présentant des distorsions optiques géométriques. L'hologramme 17 est réalisé de façon connue en soi pour que l'onde A2 diffractée issue de

l'hologramme vers le miroir 5 soit une onde plane. Comme expliqué ci-

dessus à propos du mode de réalisation de la figure 1, I'onde plane se réfléchit sur le miroir 5, se re-diffracte sur I'hologramme qui lui applique des distorsions conjuguées en phase de celles produites par le milieu laser. Par conséquent, après traversée du milieu laser, I'onde re-diffractée est corrigée de ses distorsions et on obtient à la sortie de la cavité, en aval du miroir 6,

une onde plane.

Selon un exemple de réalisation, le photopolymère dans lequel est inscrit l'hologramme a une épaisseur de 30 pm, le pas des franges d'interférence inscrites est de 1 pm, I'angle e entre les ondes A1 et A2 est d'environ 600, et l'efficacité de diffraction est d'environ 99 % (rapport des

intensités des faisceaux avant et après diffraction).

De façon avantageuse, on peut déposer un traitement antireflets sur le substrat de verre de la plaque 17. Pour éviter que l'interface photopolymère-air soit la cause de pertes par réflexion, on peut " sandwicher " la couche de photopolymère entre deux substrats de verre traités antireflets. On peut également réaliser avantageusement le dispositif de telle sorte que les faisceaux A1 et A2 soient à l'incidence de Brewster au

niveau de l'hologramme, ce qui peut éviter l'emploi de traitements antireflets.

Comme représenté en figure 5, on peut également utiliser un hologramme en réflexion. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure 4 ont été affectés des mêmes références numériques. Dans la source 18 de la figure 5, la plaque 19 à hologramme est placée face au faisceau 20 issu du milieu laser 3, à l'opposé du miroir 6. La surface de la plaque 19 est disposée par rapport à l'axe du faisceau 20 pour satisfaire les conditions de Bragg. Le miroir 5 est placé perpendiculairement sur le trajet du faisceau diffracté et réfléchi par la plaque 19. De même que dans le cas du dispositif de la figure 4, I'onde réfléchie par la plaque 19 vers le miroir 5 est une onde plane. Cette onde plane, après réflexion sur le miroir 5 est renvoyée vers la plaque 19, qui la re- diffracte et lui apporte des distorsions de phase conjuguées de celles produites par le milieu laser. Ainsi, après traversée du milieu laser, en direction du miroir 6, on retrouve une onde plane. Dans ce mode de réalisation, le faisceau arrivant sur l'hologramme de la plaque 19, en provenance du milieu laser ou en provenance du miroir 5, ne rencontre qu'une interface air-verre. Il suffit alors d'appliquer un traitement antireflets uniquement sur la face de la plaque 19 tournée vers le

milieu 3.

Dans les deux modes de réalisation des figures 4 et 5, il est possible d'utiliser un télescope (ou dispositif optique équivalent) entre le milieu laser et l'hologramme pour imager la face de sortie correspondante du milieu laser sur l'hologramme et adapter la taille du faisceau à celle de l'hologramme et pour s'affranchir éventuellement de la déformation en

amplitude subie par le faisceau lors de sa propagation.

Les modes de réalisation des figures 1 à 5 ne permettent la correction de phase d'un faisceau laser que pour un ensemble donné de

conditions (puissance de la pompe laser, cadence de pompage...

température du cristal du milieu laser...). Si ces conditions n'évoluent pas, ces modes de réalisation sont satisfaisants. Dans le cas contraire, on utilise un dispositif tel que celui représenté en figure 6 (référencé 21), qui diffère essentiellement de ceux décrits ci-dessus par l'emploi d'un dispositif de correction de phase asservi. Dans le présent exemple, ce dispositif de correction est une valve à cristal liquide adressée optiquement,

schématiquement représenté en coupe en figure 7.

Le dispositif 21 comporte un milieu laser 3 avec ses diodes de pompage 4. La cavité optique est délimitée par le miroir 6 (miroir de sortie) et une lame dichroiïque 22. La valve à cristal liquide 23 est disposée entre le milieu 3 et la lame 22. L'adressage optique de la valve 23 se fait à l'aide d'un modulateur spatial de lumière 24 (écran à matrice active à cristaux liquides, du type écran plat de télévision...) éclairé par une lampe 25. Un système optique 26 image le modulateur 24 sur la face de la valve 23 qui est

en vis-à-vis de la lame 22 (faisant fonction de miroir semi-transparent).

On prélève une partie du faisceau de sortie 27 (en aval du miroir 6) par exemple à l'aide d'un miroir semi-transparent 28 disposé à 45 , et on mesure la répartition de phase de son front d'onde à l'aide d'un dispositif de mesure approprié 29. Des moyens de calcul 30 calculent la loi de répartition de phase de ce front d'onde et la correction à y faire apporter par la valve 23. Ces moyens de calcul envoient les informations de correction au

modulateur 24 via un circuit de commande approprié 31.

La valve 23 comporte, dans l'ordre, depuis sa face tournée vers le milieu laser 3, un substrat de verre 32, une première électrode 33, une plaque 34 de cristal liquide, un cristal photoconducteur 35 par exemple de BSO et une deuxième électrode 36. Une source de tension 37 est appliquée aux deux électrodes 33, 36. Bien entendu, tous les composants 32 à 36 sont transparents aux rayons laser et au moins l'électrode 36 est transparente

aux rayons de la lampe 25.

Le faisceau lumineux de la lampe 25 est modulé spatialement en intensité par le modulateur 24. Lorsque ce faisceau illumine le matériau o10 photoconducteur du cristal 35, les modifications locales de champ électrique ainsi produites induisent en leurs emplacements respectifs une réorientation locale correspondante des molécules de cristal liquide de la plaque 34, comme représenté de façon simplifiée en figure 7. Il en résulte une modulation spatiale de la phase de l'onde laser transmise par la valve 23, cette modulation spatiale de phase étant contrôlée par l'image projetée de

l'écran du modulateur 24.

Le matériau photoconducteur 35 doit être sensible dans un domaine spectral ne comportant pas la longueur d'onde du laser, afin que le faisceau laser n'affecte pas le fonctionnement de la valve 23. Par exemple, si le laser est un laser Nd:YAG fonctionnant à 1,06 pm, le matériau photoconducteur peut être un cristal de BSO sensible dans le domaine

spectral de la lampe 25, par exemple sensible dans le domaine 420-550 nm.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on défocalise légèrement l'image de la matrice du modulateur 24 sur le photoconducteur. Ainsi, on évite les effets de diffraction parasite due aux

" pixels " de la matrice.

On notera que la résolution spatiale du dispositif 21 est élevée elle peut par exemple être d'environ 300 x 300 points. Le déphasage produit par la valve 23 est, typiquement, de 2 à 10 a, grâce à l'effet électrooptique élevé des cristaux liquides (leur variation d'indice de réfraction peut être de 0,2 à 0,3). La tenue au flux laser de la valve 23 (qui peut supporter une puissance de 300 à 500 mJ/cm2) lui permet d'être disposée dans la cavité optique. En variante (non représentée) du dispositif 21, I'ensemble (miroir 22 + valve 23) peut être remplacé par une valve à cristal liquide fonctionnant

en réflexion.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Source laser du type à milieu laser à l'état solide (3), disposé dans une cavité optique (5-6, 13-15, 22-6), caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un dispositif correcteur (2, 12, 17, 19, 23) intersectant le faisceau issu du milieu laser, ce dispositif modifiant sélectivement et spatialement les conditions de propagation de ce faisceau.

2. Source laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait

que le dispositif correcteur est une lame de phase fixe (2).

3. Source laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait

que le dispositif est un hologramme (17, 19).

4. Source laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le dispositif de correction est une valve à cristal liquide (23) sur laquelle est imagé (26) un modulateur spatial de lumière (24), et qu'un dispositif de mesure du front d'onde de sortie de la source (28, 29) est relié par un

dispositif de traitement (30) au dispositif de commande (31) du modulateur.

5. Source laser selon la revendication 4, caractérisée par le fait

que l'image du modulateur spatial est défocalisée sur la valve.

6. Source laser selon l'une des revendications précédentes,

caractérisée par le fait qu'elle comporte un télescope (8, 14) entre le milieu

laser et le dispositif de correction.

7. Source laser selon l'une des revendications précédentes,

caractérisée par le fait que l'on insère un trou de filtrage dans la cavité.

8. Source laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée

par le fait que l'on insère dans la cavité des diaphragmes qui sélectionnent

le mode émis par le laser.