FR2861223A1 - Dispositif de pompage optique par diodes laser et procede de pompage optique associe. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de pompage optique par diodes laser comprenant :- au moins une plaque de matériau amplificateur (1) faiblement dopé, la plaque présentant deux grandes sections parallèles,- des moyens (2, 3) pour introduire une lumière de pompage dans la plaque, et- des moyens de refroidissement de la plaque,caractérisé en ce que la lumière de pompage est introduite dans la plaque par focalisation d'une lumière issue des diodes laser sur une première tranche de la plaque perpendiculaire aux deux grandes sections parallèles.L'invention s'applique, entre autres, aux lasers à forte puissance et à impulsions courtes.

Description

DISPOSITIF DE POMPAGE OPTIQUE PAR DIODES LASER

ET PROCEDE DE POMPAGE OPTIQUE ASSOCIE

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

L'invention concerne un dispositif de pompage optique par diodes laser et le procédé de pompage optique associé. L'invention concerne également un amplificateur comprenant un dispositif de pompage optique selon l'invention et le procédé d'amplification associé.

Le dispositif de pompage optique selon l'invention utilise tout type de matériau amplificateur ainsi que tout type de dopage de matériau amplificateur utilisable pour le pompage optique par diodes laser.

Cependant, comme cela apparaîtra dans la suite de la description, le dispositif de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec des matériaux amplificateurs dopés à l'Ytterbium.

L'émergence de nouvelles technologies de diodes laser à forte puissance crête couplée aux progrès récents des empilements de diodes de grandes dimensions est la raison pour laquelle les matériaux dopés à l'Ytterbium bénéficient d'un grand intérêt. Ces matériaux font partie de la famille des matériaux laser solides décrits par un diagramme de fonctionnement partiel ou total à trois niveaux. L'Ytterbium offre potentiellement un champ d'évolution très large en termes de performances et de flexibilité pour la plupart des applications envisageables pour les lasers solides, à savoir: lasers à haut rendement, B 14408.3/PR - lasers impulsionnels à haute énergie et haute cadence, - lasers à impulsions courtes, - lasers accordables en fréquence.

Le secteur des matériaux dopés à l'Ytterbium utilisables en pompage par diodes laser draine actuellement un volume de recherches important dans le domaine de la cristallogénèse, de la verrerie et des céramiques laser.

Comme cela a été rappelé ci-dessus, les matériaux dopés à l'Ytterbium ont un fonctionnement partiel ou total à trois niveaux. Une difficulté intrinsèque au fonctionnement partiel ou total à trois niveaux est le franchissement du seuil de transparence du matériau. Dans le domaine des basses intensités de pompe, tant que ce seuil n'est pas franchi, l'absorption intrinsèque du matériau dépasse le gain induit par la source de pompage. Le matériau ne peut alors pas être utilisé pour la réalisation d'un oscillateur ou d'un amplificateur laser. Lorsque le seuil est franchi, à partir d'une certaine intensité, le matériau devient amplificateur. Ce fonctionnement nécessite généralement de fortes puissances de pompe et de fortes densités volumiques déposées qu'il n'est 10 possible d'obtenir qu'en puissance déposée. Une fortes densités est alors confinant très fortement la conséquence directe de ces la production d'échauffements dans le matériau. essentiellement à ce défaut quantique , Ces échauffements sont liés que l'on appelle communément le ou rapport de la longueur d'onde de pompe à la longueur d'onde de l'émission laser. B 14408.3/PR Les échauffements ou dépôts thermiques se traduisent par l'apparition de gradients de température dans la section active du matériau. Ces gradients font alors varier l'indice optique de manière non homogène, ce qui est très préjudiciable aux performances laser. Il est donc important de réduire ou d'éliminer ces gradients de température en refroidissant le matériau de manière homogène.

La réduction ou l'élimination des gradients de température est d'autant plus difficile que le volume de matériau est plus grand et que l'énergie ou la puissance déposées dans le matériau sont plus élevées.

L'article Activation of the Mercury laser, a diode-pumped, gas-cooled, solid-state slab laser (A.Bayramian et al, Proceedings of ASSP Conference, Février 2003) divulgue une architecture de pompage optique refroidie à milieu amplificateur dopé par des ions Ytterbium. Le matériau amplificateur se présente sous forme de plaques entre lesquelles circule à grande vitesse du gaz Hélium. Le pompage optique s'effectue par des empilements de diodes de très grandes dimensions, empilements couplés dans un guide de lumière réflecteur. Le pompage est longitudinal par rapport à l'axe de la cavité laser. Le faisceau laser circule à l'intérieur d'une ouverture effectuée dans l'axe de la structure de pompage. Une telle architecture présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, des niveaux élevés de flux du signal de pompe sont présents autour des zones de sortie des guides de lumière, conduisant ainsi à une forte élévation locale B 14408.3/PR de température. Ensuite, l'architecture est non modulaire, les empilements de diodes étant intégrés dans de très grandes structures avant d'être distribués, en bloc, sur l'ensemble des plaques. Par ailleurs, la grande dimension des empilements de diodes pose également d'importants problèmes de réalisation, d'un point de vue technologique, du fait de la nécessité qu'il y a à maîtriser les gradients de température internes de l'architecture de pompage afin de ne pas élargir la raie spectrale de pompage.

L'invention permet avantageusement de résoudre les inconvénients mentionnés ci-dessus. Le dispositif de pompage de l'invention permet en effet de réaliser un très fort confinement du signal de pompe dans de grands volumes du matériau amplificateur, tout en interdisant le développement de zones chaudes rédhibitoires pour réaliser les performances souhaitées. Le dispositif de pompage autorise avantageusement un refroidissement efficace de tout le volume du matériau pompé, dans une technologie de fabrication collective. Le dispositif de pompage réduit ainsi les gradients et élévations de température par rapport à ceux et celles existant dans la configuration divulguée dans l'article mentionné ci- dessus. La taille des empilements de diodes laser à utiliser reste limitée et l'ensemble de la puissance de pompe est réparti de façon équilibrée entre les empilements. Le dispositif de pompage selon l'invention est avantageusement évolutif et adaptable en fonction des pertes optiques présentes dans la cavité amplificatrice dans laquelle il est intégré.

B 14408.3/PR EXPOSÉ DE L'INVENTION En effet, l'invention concerne un dispositif de pompage optique par diodes laser comprenant: au moins une plaque de matériau amplificateur faiblement dopé, la plaque présentant deux grandes sections parallèles, des moyens pour introduire une lumière de pompage dans la plaque, et des moyens de refroidissement de la plaque, caractérisé en ce que la lumière de pompage est introduite dans la plaque par focalisation d'une lumière issue des diodes laser sur une première tranche de la plaque perpendiculaire aux deux grandes sections parallèles.

Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens pour introduire la lumière de pompage comprennent un assemblage de diodes et une optique cylindrique qui focalise la lumière issue de l'assemblage de diodes sur la première tranche de la plaque.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le matériau amplificateur est dopé à l'Ytterbium.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, une deuxième tranche de la plaque, située à l'opposé de la première tranche, est recouverte d'un traitement réflecteur.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, la plaque a un facteur de forme sensiblement compris entre 5 et 30.

B 14408.3/PR Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de refroidissement de la plaque comprennent une enceinte à flux laminaire comprenant deux fenêtres optiques situées de part et d'autre de la plaque, un fluide caloporteur circulant entre chaque fenêtre optique et la plaque.

Selon une caractéristique supplémentaire du premier mode de réalisation de l'invention, les fenêtres optiques sont recouvertes, sur chacune de leur face, d'un traitement anti-réflexion.

Selon encore une caractéristique supplémentaire du premier mode de réalisation de l'invention, les deux grandes sections de la plaque sont recouvertes d'un traitement anti-réflexion.

Selon encore une caractéristique supplémentaire du premier mode de réalisation de l'invention, l'assemblage de diodes est monté sur un support dans lequel est formé un conduit de circulation de fluide de refroidissement.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, une première grande section de la plaque est recouverte d'un traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire, la seconde grande section de la plaque parallèle à la première grande section est recouverte d'un traitement sensiblement anti-réflexion et les moyens de refroidissement sont constitués d'un radiateur mis en contact thermique avec la grande section de la plaque recouverte du traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire.

Selon une caractéristique supplémentaire du deuxième mode de réalisation de l'invention, le B 14408.3/PR traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire a un coefficient de réflectivité sensiblement égal à 1 pour un angle d'incidence sensiblement égal à 45 degrés et décroissant d'autant plus vers 0 que l'angle d'incidence s'éloigne de 45 degrés.

L'invention concerne également un amplificateur de signal optique comprenant un dispositif de pompage optique selon l'invention.

Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, l'amplificateur de signal optique comprend des moyens de régénération du signal optique.

L'invention concerne également un procédé de pompage optique par diodes laser comprenant: une introduction de lumière de pompage dans au moins une plaque de matériau amplificateur faiblement dopé, la plaque présentant deux grandes sections parallèles, et un refroidissement de la plaque, caractérisé en ce que la lumière de pompage est introduite dans la plaque par focalisation d'une lumière issue des diodes laser sur une première tranche de la plaque perpendiculaire aux deux grandes sections.

Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le pompage est un pompage à double passage.

L'invention concerne également un procédé d'amplification de signal optique comprenant un pompage optique de matériau amplificateur par diodes laser, caractérisé en ce que le pompage optique est un pompage optique selon l'invention.

Selon l'invention, la propagation de la B 14408.3/PR lumière et le dépôt de l'énergie de pompe dans le matériau laser sont avantageusement mis en oeuvre pour étendre le domaine d'application vers les hautes énergies et les hautes puissances laser. Ainsi, tout d'abord, le guidage et le confinement de la lumière s'effectuent-ils à l'intérieur d'un guide optique de géométrie planaire ayant une partie centrale à indice optique élevé (indice du matériau laser). Ensuite, les plaques de matériau amplificateur peuvent être spécifiées avec un dopage très faible, afin que la section laser active soit très grande et compatible avec l'amplification de fortes énergies. De façon générale, un avantage du dispositif de pompage optique selon l'invention est de permettre un choix optimal de l'ensemble des paramètres du système. Ces paramètres comprennent, entre autres, la taille des plaques du matériau amplificateur, le dopage du matériau (au plus une plaque est grande, au plus le dopage peut être faible et réciproquement) et l'épaisseur des plaques.

Il est par exemple possible d'utiliser des plaques peu dopées, de grande section et d'épaisseur très faible, compatibles avec un fonctionnement à haute puissance moyenne.

De façon générale, une plaque de matériau amplificateur est de forme parallélépipédique et présente, en conséquence, six faces. Par grandes sections parallèles de la plaque, il faut entendre deux faces parallèles de la plaque dont les dimensions sont très sensiblement plus grandes que les dimensions des quatre autres faces. La distance qui sépare les deux grandes sections de la plaque est alors B 14408.3/PR l'épaisseur de la plaque. Les deux grandes sections d'une plaque sont les faces sur lesquelles le signal optique à amplifier est incident.

BREVES DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, faite en référence aux figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente une vue de côté d'un tiroir élémentaire de dispositif de pompage optique selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 représente une vue en perspective d'un dispositif de pompage optique selon le premier mode 15 de réalisation de l'invention; la figure 3 représente une vue de dessus du dispositif de pompage optique représenté en figure 2; la figure 4 représente un amplificateur de signal 20 optique à multiples passages comprenant un dispositif de pompage optique selon le premier mode de réalisation de l'invention; la figure 5 illustre le principe connu du pompage optique à double passage; la figure 6 représente une vue de côté d'un tiroir élémentaire de dispositif de pompage optique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; la figure 7 représente une vue de dessus d'un amplificateur de signal optique comprenant des moyens de pompage optique tels que représentés en figure 6.

Sur toutes les figures, les mêmes repères B 14408.3/PR désignent les mêmes éléments.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES

La figure 1 représente une vue de côté d'un tiroir élémentaire de dispositif de pompage optique selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Le tiroir élémentaire comprend une plaque de matériau amplificateur 1, un assemblage de diodes laser 2 (par exemple une matrice de barrettes linéaires de diodes), une optique cylindrique 3, un support de diodes 4 dans lequel est formé un conduit 5 de circulation de fluide de refroidissement (par exemple de l'eau). La lumière L émise par l'assemblage de diodes 2 est focalisée sur une tranche de la plaque 1 par l'optique cylindrique 3. De façon préférentielle, mais non obligatoire, la tranche de la plaque 1 située à l'opposé de la tranche sur laquelle la lumière L est focalisée est recouverte d'un traitement réflecteur 6 qui permet un pompage optique à double passage. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de refroidissement de la plaque 1 sont constitués d'une enceinte à flux laminaire comprenant deux fenêtres optiques W1 et W2 situées de part et d'autre de la plaque. Un avantage du flux laminaire est le maintien d'une meilleure qualité du faisceau laser à amplifier.

Le pompage optique à double passage va maintenant être décrit ci-dessous en référence à la figure 5. La plaque 1 est attaquée, sur une première tranche du matériau laser, par le faisceau de pompe L, la tranche de matériau située à l'opposé de la première B 14408.3/PR tranche étant recouverte du traitement optique réflecteur 6. Le faisceau de pompe qui pénètre la plaque est alors réfléchi lorsqu'il atteint la face recouverte par le traitement optique réflecteur 6. Une première fraction du signal de pompe est déposée dans le matériau laser à l'aller et une deuxième fraction du signal de pompe est déposée dans le matériau laser au retour, après réflexion sur le traitement optique réflecteur 6. La fraction du signal de pompe déposée à l'aller est représentée, de façon symbolique, par la courbe en traits discontinus A sur la figure 5, alors que la fraction du signal de pompe déposée au retour est représentée, de façon symbolique, par la courbe en pointillés B. Comme cela est connu de l'homme de l'art, c'est le dopage du matériau qui définit la profondeur de pénétration du signal de pompe et la pente de la courbe de pénétration est d'autant plus forte que le dopage est élevé. Selon l'invention, le dopage du matériau est préférentiellement choisi de telle sorte que la fraction non absorbée au retour ne soit pas nulle mais très faible. Le profil de dépôt est alors quasi-symétrique et quasi-plat tel que représenté, de manière symbolique, par la courbe C. Le rendement de dépôt de la pompe est alors élevé et son profil est uniformisé.

Selon l'invention, le pompage optique sur la tranche d'épaisseur d conduit avantageusement à un fort confinement du signal de pompe dans la plaque. Du fait de l'indice optique élevé du matériau qui constitue la plaque 1, l'énergie du signal de pompe est guidée en réflexions multiples à l'intérieur de la B 14408.3/PR plaque et reste ainsi confinée dans son volume, sur toute la section active. Dans la mesure où le lobe d'émission de l'empilement de diodes est inscrit dans le lobe d'acceptance (ouverture numérique) de la plaque, les seules pertes d'énergie de pompage sont celles dues à la fraction non absorbée du signal de pompe au cours du trajet aller-retour. Ces pertes sont minimisées en adaptant convenablement le dopage du matériau actif à la dimension de la plaque. Ce procédé de dépôt en allers-retours présente l'avantage d'un profil de gain quasi-symétrique et quasi-uniforme, qui peut être mis à profit pour l'extraction de faisceaux laser dans une cavité laser à grands modes avec un haut rendement.

A titre d'exemple non limitatif, l'épaisseur d de la tranche sur laquelle est focalisé le lobe de pompe peut être comprise entre 1mm et 3mm et la distance hl qui sépare la tranche de la plaque sur laquelle la lumière est focalisée de la tranche de la plaque située à l'opposé est comprise entre lcm et 3cm. La largeur D du support de diodes est comprise entre lcm et 3cm et la largeur h2 de la plaque selon la direction perpendiculaire au plan de la figure 1 (non représentée sur la figure 1, cf. figure 2), peut varier, par exemple, de lcm à 6cm comme cela sera précisé ultérieurement.

Le rapport R = h1/d définit le facteur de forme de la plaque 1. Le procédé de l'invention s'appuie sur des valeurs de R élevées, par exemple de l'ordre de 5 à 30. La surface hl x h2 d'une section de plaque est conditionnée par deux critères: B 14408.3/PR l'énergie totale ou la puissance crête laser par impulsion doit demeurer en deçà de la zone d'apparition d'effets non linéaires induits par le faisceau laser à amplifier dans le matériau (la section active étant directement proportionnelle à la puissance crête ou à l'énergie pour une largeur d'impulsion donnée), la faisabilité technologique en fonction de la nature du matériau amplificateur (les dimensions d'une plaque dépendant de la nature du matériau, le verre ou la céramique pouvant conduire à des dimensions plus importantes que les matériaux à base de cristaux).

Un tiroir élémentaire tel que représenté en figure 1 peut ne pas fournir le gain nécessaire pour un rendement optimum d'extraction de l'énergie stockée dans la plaque, compte tenu de la faible longueur d'amplification disponible (épaisseur d). Il convient, dans ce cas, d'associer plusieurs tiroirs amplificateurs en cascade. Le gain d'amplification qui en résulte est alors égal au produit des gains élémentaires de chaque tiroir amplificateur.

Les figures 2 et 3 illustrent, respectivement, une vue en perspective et une vue de dessus d'un exemple de dispositif de pompage optique selon le premier mode de réalisation de l'invention associant 4 tiroirs élémentaires distribués en cascade le long d'un axe longitudinal XX'. De façon générale, un dispositif de pompage comprend N tiroirs élémentaires distribués en cascade, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1. Les plaques des B 14408.3/PR différents tiroirs élémentaires sont parallèles les unes aux autres. Deux supports latéraux 7 et 8 (non représentés sur la figure 2) maintiennent les différents tiroirs entre eux (cf. figure 3). Ces supports sont équipés d'ouvertures pour permettre la circulation du fluide de refroidissement Fd des diodes laser.

La distribution en plaques minces 1, faiblement dopées, du milieu amplificateur permet de limiter les gradients thermiques dans les trois dimensions de l'espace du volume actif de matériau amplificateur. Les calories générées à partir du dépôt de l'énergie du signal de pompe sont évacuées par toute la surface des sections transversales des plaques, au plus près des zones pompées. Un fluide caloporteur Fc (gaz ou liquide) circule entre les plaques 1 (cf. figure 2). Le refroidissement est alors d'autant plus efficace que la densité volumique d'énergie de pompe dans les plaques est élevée, ce qui est bien adapté, par exemple, à la prise en compte des contraintes de franchissement de seuil de transparence rencontrées avec un dopage Ytterbium.

Comme cela a ete mentionné précédemment, l'invention concerne également un amplificateur de signal optique.

Selon une première variante du premier mode de réalisation d'amplificateur de signal optique selon l'invention, le signal optique à amplifier se propage dans la cavité amplificatrice selon l'axe longitudinal XX' (incidence nulle sur les plaques). Afin d'éviter que le faisceau qui se propage ne se réfléchisse aux B 14408.3/PR interfaces, il est alors nécessaire d'appliquer un traitement optique anti-réflexion sur les sections transversales des plaques et les deux faces de chaque fenêtre optique W1, W2.

Le traitement optique anti-réflexion sur les sections transversales des plaques doit alors prendre en compte la contrainte de conservation de l'effet de guidage de la pompe dans la plaque pour les incidences élevées de la pompe. Selon cette première variante, les dimensions h1 et h2 des plaques sont comprises, par exemple, entre 1cm et 3cm.

Selon une deuxième variante du premier mode de réalisation d'amplificateur de signal optique selon l'invention, l'angle d'incidence du signal optique à amplifier sur les sections transversales des plaques est égal à l'angle de Brewster, ce qui permet de fortement diminuer le facteur de réflexion du signal sur les plaques. Le signal optique à amplifier est dans ce cas polarisé linéairement. Avantageusement, il n'est alors nécessaire d'appliquer un traitement optique anti-réflexion ni sur les faces des plaques 1, ni sur les fenêtres optiques W1 et W2. L'indice optique nf du fluide caloporteur Fc qui circule entre les plaques d'indice optique np est alors tel que: nf < np, le saut d'indice An = np - nf présentant une valeur minimale dont dépend l'angle d'acceptance de pompage de la plaque. Cette condition permet de préserver le confinement du signal de pompe dans les plaques. Une valeur Anmin existe, pour laquelle l'angle d'acceptance de pompe vaut 2n stéradians et permet d'éliminer toute B 14408.3/PR contrainte de collimation de la pompe. Un exemple est celui d'une plaque Yb: YAG placée dans l'air. Selon cette deuxième variante, la largeur h2 des plaques dans la direction perpendiculaire à l'axe longitudinal XX' est alors comprise, par exemple, entre 1,6 hl et 1,9 h1 pour que l'ouverture vue par le faisceau laser à amplifier demeure carrée.

Le dispositif de pompage à plaques minces distribuées en cascade selon l'invention propose une solution globale à l'ensemble des problèmes mentionnés précédemment.

Malgré les inévitables pertes optiques supplémentaires résultant du cumul des plaques, l'accroissement du rapport gain/pertes est très important lorsque l'on augmente le nombre de plaques. Le rapport gain/pertes G1 d'un tiroir élémentaire est légèrement supérieur à 1. Le rapport gain/pertes G2 d'un ensemble de N tiroirs similaires en cascade s'écrit.

G2 = N x G1.

Avantageusement, le rapport G2 peut alors prendre une valeur élevée pouvant atteindre, par

exemple, 10.

Le dispositif selon l'invention, en utilisant des plaques dont la distribution permet de réaliser un moyen efficace pour l'évacuation des calories générées en phase de pompage, permet donc de bénéficier simultanément: B 14408.3/PR - de la possibilité d'amplifier de forts niveaux de puissance ou d'énergie, grâce aux sections d'amplification de grandes dimensions disponibles pour le faisceau laser lorsque le dopage du matériau amplificateur est faible (les fluences laser ne sont limitées que par le domaine d'apparition des effets non-linéaires dans le matériau actif) ; - d'un fort confinement de la puissance de pompe, ce qui est un critère fondamental pour déterminer l'utilisation des matériaux à trois niveaux en raison de l'existence d'un seuil laser élevé ; - de la possibilité de fournir un gain d'amplification linéique élevé situé très au dessus des pertes optiques de la cavité amplificatrice, par le biais du remplacement d'une grande longueur de matériau amplificateur par la somme des épaisseurs de tranche des plaques de matériau assemblées en cascade; de grandes surfaces d'échange pour une évacuation efficace des calories générées à partir de l'absorption de la puissance ou de l'énergie de pompe (ceci est un critère important pour la réalisation de lasers à haute puissance moyenne) ; - d'un faible volume élémentaire de matériau, à l'intérieur duquel les gradients de température ne peuvent pas se développer, pour un volume total compatible avec celui requis par la densité volumique de pompe à produire (ceci est un critère important pour la maîtrise de la qualité du faisceau laser) ; - d'une compatibilité de principe avec les domaines des très hautes puissances ou des très hautes énergies, B 14408.3/PR de par son caractère modulaire et une technologie de réalisation collective.

Un tel dispositif peut naturellement être réalisé avec des matériaux amplificateurs classiques à quatre niveaux. Il présente cependant un intérêt particulier pour les matériaux à trois niveaux et, de manière prospective, les matériaux dopés Ytterbium en constituent un champ d'application important.

Le pompage par la tranche proposé selon 10 l'invention se caractérise principalement par les aspects originaux suivants.

pompage par la tranche de plaques minces à faible dopage et grand facteur de forme, placées dans un fluide caloporteur à haut débit, compatible avec un fonctionnement en amplificateur sans recouvrement spatial (élimination des effets connus de l'homme du métier sous l'appellation effets de spatial hole burning ) ; technologie d'assemblage des plaques en cascade linéaire à l'intérieur d'une cavité résonante, dans une structure simple, modulaire, évolutive vers des gains et des flux laser élevés, compatible avec une fabrication collective.

Un premier avantage est d'associer la possibilité d'amplifier des énergies très élevées (présence de grandes sections d'amplification) à celle de confiner fortement, de manière spatialement uniforme, la puissance de pompage (condition nécessaire pour le franchissement du seuil laser dans les matériaux dopés Ytterbium) tout en bénéficiant d'une haute capacité de refroidissement (avantage pour de B 14408.3/PR fortes puissances moyennes) . Un deuxième avantage de la structure selon l'invention est sa simplicité en termes de fabrication et d'alignement, du fait de son caractère collectif.

La figure 4 représente un amplificateur régénérateur comprenant un dispositif de pompage optique selon l'invention.

L'amplificateur régénérateur comprend une cavité résonante définie par deux miroirs M1 et M2, un dispositif de pompage optique selon l'invention 9, une cellule de Pockels CP commandée par un signal d'activation Sa et un polariseur P. Le dispositif d'aiguillage spatial constitué par la cellule de Pockels CP et le polariseur P a pour fonction de permettre le contrôle de la durée d'amplification, égale à un nombre entier d'allers- retours entre les miroirs.

Le fonctionnement de l'amplificateur régénérateur fait intervenir trois phases: 1) l'injection de l'impulsion I à amplifier, au niveau du polariseur P, avec application d'une première transition haute tension àla cellule de Pockels CP pour piéger l'impulsion dans la cavité, le faisceau laser manipulé étant polarisé linéairement; 2) l'amplification régénératrice, caractérisée par la réalisation d'un grand nombre d'allers-retours de l'impulsion à amplifier entre les miroirs M1 et M2 de la cavité, au cours de laquelle l'énergie stockée dans les plaques du milieu amplificateur est transférée progressivement à l'impulsion; B 14408.3/PR 3) l'extraction de l'impulsion amplifiée la hors de la cavité, obtenue lors de l'application d'une seconde transition haute tension à la cellule de Pockels CP, l'impulsion étant extraite lorsque la plus grande partie de l'énergie stockée dans le milieu amplificateur a été consommée.

L'amplification régénératrice sera préférée à l'amplification en ligne, par exemple, dans le cas où les plaques de matériau amplificateur sont dopées à l'Ytterbium. En effet, l'Ytterbium présente un gain réduit par suite de très faibles sections efficaces d'amplification. Le gain par plaque qui en résulte est limité. L'énergie ne peut alors être correctement extraite d'une ou plusieurs plaques qu'en configuration d'amplification régénératrice à multiples passages.

La configuration d'amplificateur régénérateur mentionnée ci-dessus, incluant le dispositif de pompage optique selon l'invention, peut avantageusement être incorporée dans une grande variété d'applications. Parmi ces applications, il est possible de citer, par exemple: - les sources laser à impulsions courtes de très hautes intensités, dans le cadre, par exemple, de la montée en puissance pour la fusion contrôlée; les lasers à forte puissance moyenne et à impulsions courtes ou larges, accordables en fréquence; - les lasers impulsionnels de haute énergie en cadence pour la production d'énergie à partir de la fusion; - les lasers pour la photolithographie à rayons X ou ultraviolet, dans le contexte des procédés de réalisation de puces à haute densité pour les B 14408.3/PR ordinateurs du futur; - les lasers à rayons X. La figure 6 représente une vue de côté d'un tiroir élémentaire de dispositif de pompage optique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Le tiroir élémentaire comprend une plaque 1 recouverte, sur une première face, d'un traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire Tb et, sur une deuxième face parallèle à la première face, d'un traitement anti-réflexion Ta. Les moyens de refroidissement de la plaque sont constitués d'un radiateur 11 en contact thermique avec le traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire Tb. De même que précédemment, le tiroir élémentaire comprend un assemblage de diodes 2 monté sur un support de diodes 10 et une optique cylindrique 3. Avantageusement, selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, il n'est pas nécessaire qu'un fluide de refroidissement circule dans le support de diodes 10.

Il s'ensuit que le support de diodes 10 est dépourvu de conduit 5 (cf. figure 1).

La figure 7 représente une vue de dessus d'un amplificateur comprenant des moyens de pompage optique tels que représentés en figure 6.

L'amplificateur comprend deux dispositifs de pompage optique constitués, chacun, d'une succession de tiroirs élémentaires alignés, côte à côte, dans un même plan. Les plaques du premier dispositif de pompage optique sont parallèles aux plaques du deuxième dispositif de pompage optique. Le radiateur 11 est, par exemple, un support métallique plan commun aux tiroirs B 14408.3/PR élémentaires d'un même dispositif de pompage. Les plaques d'un premier dispositif de pompage sont placées en vis à vis des plaques du second dispositif et décalées par rapport à ces dernières de façon que la propagation du signal optique à amplifier s'effectue par réflexions successives sur les faces des plaques recouvertes du traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité Tb. De façon préférentielle, l'angle d'incidence n/2 - cx du signal à amplifier sur une plaque est sensiblement égal à 45 degrés. Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, les contraintes de refroidissement externe sont allégées. Il n'est plus nécessaire de mettre en place une circulation laminaire de fluide de refroidissement, comme c'est le cas dans le premier mode de réalisation de l'invention. Par exemple, une simple circulation d'eau mise en contact des radiateurs 11 peut ici suffire. Afin de réduire au mieux l'amplification stimulée parasite, communément appelée amplification ASE (ASE pour Amplified Spontaneous Emission ), il est nécessaire de réduire au mieux l'étendue géométrique dans laquelle celle- ci est susceptible d'apparaître. A cette fin, de façon préférentielle: - le traitement à haute réflectivité Tb est spécifié à 45 degrés par rapport à la normale, avec une haute sélectivité angulaire (le coefficient de réflectivité est alors proche de 1 à 45 degrés et décroît fortement vers 0 pour les autres angles) ; - le traitement anti-réflexion Ta est spécifié proche 30 de 0 pour tous les angles compris entre 0 et 90 degrés; B 14408.3/PR des absorbants 12 sont placés, sur les radiateurs 11, entre deux plaques voisines d'un même dispositif de pompage, permettant ainsi d'isoler les plaques entre elles.

Compte tenu de l'incidence à 45 degrés du faisceau à amplifier et du besoin général d'une ouverture symétrique dans l'amplificateur, les grandes sections des plaques présentent une forme rectangulaire telle que, par exemple, la largeur h2 d'une plaque est sensiblement égale à 1,4 x h1.

De même que dans le premier mode de réalisation de l'invention, de façon préférentielle, un traitement réflecteur 6 recouvre la tranche de la plaque située à l'opposé de la première tranche.

Egalement, l'amplificateur de signal optique tel que décrit en figure 7 peut être du type à passages multiples et, en conséquence, comprendre des moyens de régénération du signal optique. Il est ainsi possible d'obtenir, avec le deuxième mode de réalisation de l'invention, tous les avantages décrits précédemment pour le premier mode de réalisation de l'invention.

B 14408.3/PR

Claims (28)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de pompage optique par diodes laser comprenant: au moins une plaque (1) de matériau amplificateur faiblement dopé, la plaque présentant deux grandes sections parallèles, des moyens (5, 2, 3) pour introduire une lumière de pompage (L) dans la plaque (1), et des moyens de refroidissement de la plaque (1), caractérisé en ce que la lumière de pompage est introduite dans la plaque (1) par focalisation d'une lumière issue des diodes laser sur une première tranche de la plaque perpendiculaire aux deux grandes sections parallèles.

2. Dispositif de pompage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour introduire la lumière de pompage comprennent un assemblage de diodes (2) et une optique cylindrique (3) qui focalise la lumière issue de l'assemblage de diodes (2) sur la première tranche de la plaque.

3. Dispositif de pompage optique selon 25 l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau amplificateur est dopé à l'Ytterbium.

4. Dispositif de pompage optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une deuxième tranche de la plaque B 14408.3/PR (1), située à l'opposé de la première tranche, est recouverte d'un traitement réflecteur (6).

5. Dispositif de pompage optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque a un facteur de forme (hl/d) compris entre 5 et 30.

6. Dispositif de pompage optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement de la plaque (1) comprennent une enceinte à flux laminaire comprenant deux fenêtres optiques (W1, W2) situées de part et d'autre de la plaque (1), un fluide caloporteur (Fc) circulant entre chaque fenêtre optique (W1, W2) et la plaque (1).

7. Dispositif de pompage optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fenêtres optiques sont recouvertes, sur chacune de leur face, d'un traitement anti-réflexion.

8. Dispositif de pompage optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux grandes sections de la plaque (1) sont recouvertes d'un traitement antiréflexion.

9. Dispositif de pompage optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'assemblage de diodes (2) est B 14408.3/PR monté sur un support (4) dans lequel est formé un conduit (5) de circulation de fluide de refroidissement (Fd).

10. Amplificateur de signal optique comprenant un dispositif de pompage optique, caractérisé en ce que le dispositif de pompage optique est un dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 9.

11. Amplificateur de signal optique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régénération du signal optique.

12 Amplificateur de signal optique selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le signal optique se propage selon un axe longitudinal (XX') perpendiculaire aux grandes sections de la plaque.

13. Amplificateur de signal optique selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l'angle d'incidence du signal optique sur les grandes sections de la plaque (1) est sensiblement égal à l'angle de Brewster.

14. Procédé de pompage optique par diodes laser comprenant: une introduction de lumière de pompage (L) dans au 30 moins une plaque (1) de matériau amplificateur B 14408.3/PR faiblement dopé, la plaque présentant deux grandes sections parallèles, et un refroidissement de la plaque (1), caractérisé en ce que la lumière de pompage est introduite dans la plaque (1) par focalisation d'une lumière issue des diodes laser sur une première tranche de la plaque perpendiculaire aux deux grandes sections.

15. Procédé de pompage optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que le pompage optique est un pompage à double passage.

16. Procédé de pompage optique selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce qu'un fluide caloporteur (Fc) circule, de part et d'autre de la plaque, sous la forme d'un flux laminaire.

17. Procédé de pompage optique selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l'assemblage de diodes (2) est refroidi par un fluide.

18. Procédé d'amplification de signal optique comprenant un pompage optique de matériau amplificateur par diodes laser, caractérisé en ce que le pompage optique est un pompage optique selon l'une quelconque des revendications 14 à 17.

B 14408.3/PR

19. Procédé d'amplification de signal optique selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend la régénération du signal optique.

20. Procédé d'amplification de signal optique selon l'une quelconque des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que le signal optique se propage selon un axe longitudinal (XX') perpendiculaire aux grandes sections de la plaque.

21. Procédé d'amplification de signal optique selon l'une quelconque des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que l'angle d'incidence du signal optique sur les grandes sections de la plaque (1) est sensiblement égal à l'angle de Brewster.

22. Dispositif de pompage optique par diodes laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une première grande section de la plaque est recouverte d'un traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire (Tb), en ce que la seconde grande section de la plaque parallèle à la première grande section est recouverte d'un traitement sensiblement anti-réflexion (Ta) et en ce les moyens de refroidissement sont constitués d'un radiateur (11) mis en contact thermique avec la grande section de la plaque recouverte du traitement à haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire (Tb).

23. Dispositif de pompage optique selon la revendication 22, caractérisé en ce que le traitement à B 14408.3/PR haute réflectivité et à haute sélectivité angulaire (Tb) a un coefficient de réflectivité sensiblement égal à 1 pour un angle d'incidence sensiblement égal à 45 degrés et décroissant d'autant plus vers 0 que l'angle d'incidence s'éloigne de 45 degrés.

24. Amplificateur de signal optique comprenant des moyens de pompage optique, caractérisé en ce que les moyens de pompage optique comprennent un premier dispositif de pompage optique selon la revendication 22 ou 23 dans lequel les plaques (1) sont alignées et placées les unes à côté des autres dans un premier plan et un second dispositif de pompage optique selon la revendication 22 ou 23 dans lequel les plaques (1) sont alignées et placées les unes à côté des autres dans un second plan parallèle au premier plan, les plaques du premier dispositif de pompage optique étant décalées par rapport aux plaques du second dispositif de pompage optique de sorte que le signal optique à amplifier se propage par réflexions successives entre les plaques du premier dispositif et les plaques du second dispositif.

25. Amplificateur de signal optique selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il comprend un absorbant (12) entre deux plaques voisines d'un même dispositif de pompage optique.

26. Amplificateur de signal optique selon

l'une quelconque des revendications 24 ou 25,

B 14408.3/PR caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régénération du signal optique.

27. Procédé d'amplification de signal optique comprenant un pompage optique de matériau amplificateur par diodes laser, caractérisé en ce que le pompage optique est un pompage optique selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15 et en ce que l'amplification du signal optique se fait par réflexions successives du signal optique entre les plaques d'un premier ensemble de plaques (1) et les plaques d'un second ensemble de plaques (1), les plaques du premier ensemble de plaques étant alignées et placées les unes à côté des autres dans un premier plan et les plaques du second ensemble de plaques étant alignées, placées les unes à côté des autres dans un second plan parallèle premier plan et décalées par rapport aux plaques du premier ensemble de plaques afin de permettre les réflexions successives.

28. Procédé selon la revendication 27, caractérisé en ce que l'angle d'incidence du signal optique sur les plaques des premier et second ensembles de plaques est sensiblement égal à 45 degrés.

B 14408.3/PR