FR2840461A1 - Systeme d'amplification laser a haute puissance - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système d'amplification laser à haute puissance, par exemple pour une chaîne d'amplification d'une impulsion laser femtoseconde.Selon l'invention, le système d'amplification comprend un milieu à gain (10), des premiers moyens de réflexion (11a à 11f) permettant le passage multiple du faisceau signal dans ledit milieu à gain de telle sorte que le faisceau signal incident et les faisceaux réfléchis soient contenus dans un même plan ( Π B), et un dispositif de pompage du milieu à gain. Le dispositif de pompage comprend selon l'invention au moins quatre faisceaux de pompe incidents (IP1, à IP8) dans le milieu à gain selon des directions non contenues dans ledit plan ( Π ) du faisceau signal.
Description
temperature de ltordre de 475 C suivie d'un refroidissement rapide.
Systeme d'amplification laser a haute puissance La presente invention concerne un systeme d'amplification laser a haute puissance, par exemple pour une chane d'amplification d'une impulsion laser femtoseconde. Un systeme d'amplification d'un faisceau laser incident, appele faisceau << signal >> comprend generalement et de facon connue un milieu a gain, par exemple un cristal servant de milieu a gain, des moyens de reflexion permettant le passage multiple du faisceau signal dans le milieu a o gain afin d'augmenter la puissance du signal amplifie, et un dispositif de pompage du milieu a gain. Les moyens de reflexion comprennent par exemple des miroirs reflechissants du faisceau signal, disposes de part et d'autre du milieu a gain et formant ce qu'il est connu d'appeler le << papillon >>
(ou << bow tie >> suivant ['expression anglo-saxonne).
Le dispositif de pompage comprend generalement un ou deux
faisceaux laser dits faisceaux de pompe, incidents dans le milieu a gain.
Pour augmenter la puissance du signal amplifie, il est connu d'augmenter la puissance des faisceaux de pompe, etlou d'augmenter le nombre de passages du faisceau signal dans le milieu a gain. Mais la presence des zo faisceaux de pompe entrane des contraintes angulaires sur le positionnement des miroirs reflechissants du papillon, qui se trouvent eloignes les uns des autres et parfois dans des plans differents, entranant des angles importants du faisceau signal dans le milieu a gain, ce qui se
traduit par des effets d'aberration sur le signal amplifie.
z5 L'invention propose un systeme d'amplification haute puissance avec un dispositif de pompage a quatre faisceaux de pompe au moins, permettant ainsi d'augmenter l'energie sur le milieu a gain, les faisceaux etant agences de telle sorte qu'ils presentent des angles reduits entre eux et
avec le faisceau signal.
o Plus precisement, I'invention propose un systeme d'amplification haute puissance d'un faisceau laser signal incident comprenant un milieu a gain, des premiers moyens de reflexion permettant le passage multiple du faisceau signal dans ledit milieu a gain de telle sorte que le faisceau signal incident et les faisceaux reflechis solent contenus dans un meme plan, et un s5 dispositif de pompage du milieu a gain, caracterise en ce que le dispositif de pompage comprend au moins quatre faisceaux de pompe incidents dans le milieu a gain selon des directions non contenues dans ledit,olan du faisceau signal. Avantageusement, le dispositif de pompage comprend des seconds moyens de reflexion avec au moins une monture sur laquelle vent positionnes au moins quatre miroirs de renvoi desdits faisceaux de pompe
dans le milieu a gain.
D'autres avantages et caracteristiques apparatront plus
clairement a la lecture de la description qui suit, illustree par les figures
annexces qui representent: - Les figures 1A et 1 B. les schemes selon deux vues d'un systeme d'amplification haute puissance selon ['invention; - La figure 2, un exemple de realisation d'une monture pour le support des miroirs du dispositif de pompage; - Les figures 3A et 3B, des schemes selon deux vues d'un exemple de realisation du systeme d'amplification selon
['invention selon une autre variante.
La figure 1A represente un exemple de realisation d'un systeme d'amplification haute puissance d'un faisceau signal incident 15 selon une vue de dessus. II comprend un milieu a gain 10, des premiers moyens de reflexion 11a a 11f permettant le passage multiple du faisceau signal dans ledit milieu a gain afin de former un faisceau amplifie IA Ces moyens de reflexion, formes dans cet exemple de 3 miroirs disposes de chaque cote du milieu a gain, vent appeles classiquement le << papillon >> a cause de la forme en nceud papillon de l'agencement des miroirs. Selon ['invention, le faisceau signal incident Is et les faisceaux reflechis par les differents miroirs vent contenus dans un meme plan JIB, qui est ici le plan de la figure 1A. II est interessant d'avoir tous les miroirs du papillon dans un meme plan car le systeme est ainsi plus simple a realiser et a aligner. Le systeme d'amplification selon ['invention comprend egalement un dispositif de pompage du milieu a gain 10 comprenant au moins quatre faisceaux de pompe (dans cet exemple huit faisceaux Ip, a Ip3 symbolises par des fleches doubles), ces faisceaux etant incidents dans le milieu a gain selon des directions non contenues dans ledit plan [IB du faisceau signal. La figure 1A represente le systeme d'amplification selon une vue de dessus ce qui explique qu'une seule ligne materialise deux faisceaux de pompe. En fait Ip, et Ip2, Ip3 et Ip4, etc. ne vent pas dans le meme plan par rapport a llB, comme cela apparat sur la vue de cote de la figure 1 B. Grace a cet agencement des faisceaux de pompe, il est possible d'avoir plus de deux faisceaux de pompe, et done d'augmenter la puissance d'amplification, tout en ne necessitant pas d'augmenter les angles d'incidence dans le milieu a gain du faisceau signal et des faisceaux reflechis, ce qui serait inevitable avec un agencement classique dans iequel les faisceaux de pompe vent contenus dans le plan du papillon. En effet, dans ce cas, il est necessaire d'ecarter les miroirs du papillon pour permettre le passage des faisceaux de pompe. Ainsi, dans o l'exemple de la figure 1A, les faisceaux de pompe Ip', Ip3, Ips, Ip7 vent incidents avec un angle donne par rapport au plan B du papillon et les faisceaux de pompe Ip2, Ip4, Ip6, Ip8 vent incidents avec un angle-0 par
exemple par rapport au plan du papillon.
La figure 1B represente une vue de cote de l'agencement de la
figure 1A. Le plan IIB du papillon est materialise par une ligne en pointille.
Les faisceaux de pompe vent incidents dans le milieu a gain avec un angle non nul par rapport au plan B. De facon connue, le dispositif de pompage comprend des seconds moyens de reflexion formes de miroirs de renvoi pour envoyer les faisceaux zo de pompe dans le milieu a gain. Dans l'exemple des figures 1A et 1 B. il s'agit des miroirs M a M8 respectivement pour les faisceaux de pompe 1 a 18. La deposante a developpe pour le systeme d'amplification selon ['invention une monture particulierement avantageuse sur laquelle peuvent etre positionnes au moins quatre miroirs de renvoi desdits faisceaux de pompe dans le milieu z a gain, ce qui permet de reduire l'encombrement et done de diminuer les
angles d'incidence dans le milieu a gain et de faciliter le reglage.
La figure 2 represente une telle monture adaptee a l'exemple de realisation des figures 1A et 1B. La monture 20 comprend selon ['invention un support unique 21 destine a etre fixe sur la table de montage du dispositif o d'amplification (non representee) par deux points de fixation de part et d'autre de la monture. Par support unique, on comprend tout support forme
d'une ou plusieurs pieces solidaires dans un mouvement en translation.
Avantageusement, la monture est reglable en translation grace a deux trous oblongs 22a et 22b situes de part et d'autre. Sur le support vent fixes des platines 23a a 23d mobiles selon deux axes, chaque platine supportant un miroir de renvoi. De cette maniere, on rend minimal l'encombrement de la monture tout en permettant un reglage aise des miroirs grace aux moyens de translation du support unique et aux platines mobiles. L'exemple de la figure 2 represente une monture adaptee a l'exemple de la figure 1 A avec 4 miroirs M5, M6, M7, M8 de renvoi des quatre faisceaux de pompe IP5 a IP8. Les miroirs de renvoi vent dans cet exemple agences sous forme d'un carre dont le plan RB du signal incident forme un plan de symetrie. Dans l'exemple de la figure 1A, deux montures identiques a celles representees sur la figure 2 vent disposees de part et d'autre du milieu a gain pour envoyer les huit
o faisceaux de pompe.
Lorsque l'on veut envoyer dans le milieu a gain huit faisceaux de pompe, comme dans l'exemple de la figure 1A, les miroirs vent orientes de telle sorte a envoyer les faisceaux de pompe issus des sources exterieures (non representees) vers le milieu a gain. Ainsi, dans l'exemple de la figure 2, les miroirs M5 et M7 vent orientes a 45 . Les sources exterieures peuvent etre constituees d'autant de lasers independents qu'il y a de faisceaux de pompe ou d'un ou deux lasers plus puissants emettant des faisceaux qui vent
ensuite divises pour former les faisceaux de pompe.
Selon une variante de ['invention une partie des miroirs de renvoi o vent des miroirs de recyclage destines a renvoyer vers le milieu a gain un
des faisceaux de pompe pour un deuxieme passage dans le milieu a gain.
Cela permet notamment dans le cas de milieux a gain a faible absorption de rendre maximale l'energie stockee dans le milieu a gain et d'augmenter ainsi le rendement de l'amplificateur. Cheque miroir de recyclage est situe dans z une position symetrique d'un miroir de renvoi par rapport au milieu a gain et est oriente de telle sorte a renvoyer vers le milieu a gain le faisceau de pompe pour un deuxieme passage. Par exemple, le systeme d'amplification comprend deux montures du type de celle de la figure 2, chaque monture comprenant quatre miroirs de renvoi, les deux miroirs superieurs permettant ao de renvoyer les faisceaux de pompe issus des sources exterieures et les deux miroirs inferieurs etant des miroirs de recyclage, qui vent destines a renvoyer un faisceau de pompe pour un deuxieme passage dans le milieu a gain. Dans l'exemple de la figure 2, les miroirs M6 et M8 vent orientes pour
permettre le recyclage.
Selon ['invention, les miroirs de renvoi peuvent egalement etre agences differemment sur le support 21 de la monture 20. Par exemple, ils peuvent etre agences sous forme d'une couronne, tout en gardant de fa,con preferentielle le plan FIB du signal incident comme plan de symetrie afin d'optimiser les angles diincidence des faisceaux de pompe dans le milieu a gain. Les figures 3A et 3B representent des vues de dessus et de cote d'un systeme d'amplification selon ['invention selon une variante. Dans cet exemple, le milieu a gain 10 presente deux faces 10a et 10b et les premiers o moyens de reflexion comprennent notamment un miroir 11 positionne a proximite d'une des faces (10a) du milieu a gain et permettant deux passages du faisceau laser signal 15 dans le milieu a gain. Le faisceau signal Is et le faisceau reflechi formant le signal amplifie IA vent dans un meme plan 11B comme dans l'exemple precedent (plan de la figure 3A). Selon ['invention, le dispositif de pompage comprend alors au moins quatre faisceaux de pompe incidents dans le milieu a gain selon des directions non contenues dans le plan JIB, comme cela est illustre sur la figure 3B. Avantageusement, le dispositif de pompage comprend une monture telle que celle decrite sur la figure 2, avec quatre miroirs de renvoi orientes pour permettre d'envoyer vers le milieu a gain quatre faisceaux de pompe issus de quatre sources exterieures. Le systeme d'amplification haute puissance selon ['invention peut etre integre par exemple dans une chane d'amplification d'une impulsion laser femtoseconde. Par exemple, le milieu a gain est un cristal de Saphir Titane adapte pour ['amplification d'un signal dans le proche infrarouge, la longueur d'onde des faisceaux de pompe pouvant etre de 532 nm par exemple. Grace au systeme d'amplification selon ['invention, la deposante a pu realiser des chanes d'amplification femtoseconde basse cadence (inferieure a 20 Hz) de puissance crete superieure a 15 TW, grace a un dispositif de pompage a quatre faisceaux de pompe (deux faisceaux de pompe incidents de chaque cote du milieu a gain) et une fonction de recyclage telle qu'elle a ete decrite precedemment. Le laser de pompe est
par exemple un laser Nd:YAG double en frequence.
Dans un autre exemple de realisation, huit faisceaux de pompe
a vent utilises, quatre de chaque cote, sans la fonction de recyclage.
Avantageusement un laser de type Nd: verre (verre dope Neodyme) est
utilise pour la pompe.
La deposante a egalement mis en ceuvre un systeme d'amplification a cadence elevee (superieure a 1 kHz), en utilisant un dispositif de pompage avec quatre faisceaux de pompe et la fonction de recyclage. Le laser de pompe est par exemple un laser de type Nd:YLF (Ytterbium Lithium Fluor dope Neodyme) emettant a 527 nm ou 523,5 nm. Le
milieu a gain est avantageusement un cristal de Saphir-Titane.
Claims (8)
1- Systeme d'amplification haute puissance d'un faisceau laser signal incident (is) comprenant un milieu a gain (10), des premiers moyens de reflexion (11a a 11) permettant ie passage multiple du faisceau signal dans ledit milieu a gain de telle sorte que le faisceau signal incident et les faisceaux reflechis soient contenus dans un meme plan (B), et un dispositif de pompage du milieu a gain, caracterise en ce que le dispositif de pompage comprend au moins quatre faisceaux de pompe incidents (IP, a IP8) dans le o milieu a gain selon des directions non contenues dans ledit plan ([IB) du
faisceau signal.
2- Systeme amplificateur selon la revendication 1, caracterise en ce que le dispositif de pompage comprend des seconds moyens de reflexion (M' a M8) avec au moins une monture (20) sur laquelle sont-positionnes au moins quatre miroirs de renvoi desdits faisceaux de pompe dans le milieu a gain. 3- Systeme amplificateur selon la revendication 2, caracterise en ce que sur chaque monture vent positionnes quatre miroirs de renvoi formant
un carre dont le plan (B) du signal incident forme un plan de symetrie.
zo 4- Systeme amplificateur selon l'une des revendications 2 ou 3,
caracterise en ce que chaque monture comprend un support unique reglable en translation et des platines mobiles selon deux axes fixes sur ledit support,
chaque platine supportant un miroir de renvoi.
- Systeme amplificateur selon l'une des revendications 2 a 4,
z caracterise en ce que lesdits moyens de reflexion comprennent deux montures situees de part et d'autre du milieu a gain, sur chaque monture etant positionnes au moins quatre miroirs de renvoi desdits faisceaux de
pompe dans le milieu a gain.
6- Systeme amplificateur selon la revendication 5, caracterise en o ce qu'au moins un miroir de renvoi d'au moins une monture est un miroir de recyclage destine a renvoyer vers le milieu a gain un faisceau de pompe
pour un deuxieme passage dans le milieu a gain.
7- Systeme am p l ificateu r s elon la revendication 6, caracte rise en ce que chaque monture comprend quatre miroirs de renvoi dont deux miroirs de recyclage, un miroir de recyclage d'une monture etant dans une position symetrique d'un miroir de renvoi de l'autre monture par rapport au milieu a gain.
8- Systeme amplificateur selon l'une des revendications
precedentes, caracterise en ce que les premiers moyens de reflexion comprennent trots miroirs situes de chaque cote du milieu amplificateur,
permettant trots passages du faisceau signal dans le milieu a gain.
9- Systeme amplificateur selon l'une des revendications 1 a 4,
caracterise en ce que le milieu a gain comprenant deux faces opposees, les premiers moyens de reflexion comprennent un miroir (1 1) positionne a o proximite d'une desdites faces du milieu a gain, permettant deux passages du faisceau signal dans le milieu a gain, et en ce que les faisceaux de pompe vent incidents sur une face opposee a celle a proximite de laquelle se trouve
ledit miroir des premiers moyens de reflexion.
- Chane d'amplification d'une impulsion laser- femtoseconde comprenant un systeme amplificateur haute puissance selon l'une des
revendications precedentes.
11- Charne d'amplification selon la revendication 10, caracterise en ce que le milieu a gain est un cristal de Saphir-Titane, la longueur d'onde des faisceaux de pompe est de 532 nm et la longueur d'onde du faisceau
signal a amplifier est dans le proche infra rouge.
12- Chane d'amplification basse cadence d'une impulsion laser femtoseconde comprenant un systeme amplificateur haute puissance selon la revendication 7, caracterise en ce que le milieu a gain est un cristal de Saphir-Titane et les faisceaux de pompe vent obtenus a partir d'au moins un laser Nd:YAG double en frequence fonctionnant a une cadence inferieure a Hz. 13- Chane d'amplification haute cadence d'une impulsion laser femtoseconde comprenant un systeme amplificateur haute puissance selon la revendication 7, caracterise en ce que le milieu a gain est un cristal de so Saphir-Titane et les faisceaux de pompe vent obtenus a partir d'au moins un
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