FR2884977A1 - Systeme actif composite pour laser a solide - Google Patents
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Abstract
- Système actif composite pour laser à solide.- Selon l'invention, ce système actif composite comporte :. un barreau (1) traversé par un faisceau laser (L-L) et pourvu d'au moins une face plane (2) sur laquelle se réfléchit, intérieurement audit barreau (1) et en réflexion totale, ledit faisceau laser (L-L) ;. un bloc de matière thermiquement conductrice (3) pourvu d'un plan (4) sur lequel ladite face plane (2) du barreau (1) est solidarisée par sol-gel, ladite matière thermiquement conductrice dudit bloc (3) étant transparente pour une lumière de pompage ; et. une source de lumière de pompage (7) disposée du côté dudit bloc (3) opposé audit barreau cristallin (1) et pompant ce dernier transversalement à travers ledit bloc (3) et la couche de sol-gel (6).
Description
La présente invention concerne un système actif composite pour laser à
solide.
Par exemple par les documents US-5 315 612 et US-6 002 695, on connaît déjà un système actif pour laser à solide comportant: un barreau cristallin ou vitreux, généralement appelé slab dans la technique laser, traversé par le faisceau laser et pourvu d'au moins une face plane sur laquelle se réfléchit intérieurement, en réflexion totale, ledit faisceau laser; et une source de lumière de pompage, généralement une barrette de diode semi-conductrice, disposée extérieurement audit barreau du côté de la-dite face plane de celui-ci et pompant ledit barreau transversalement à ladite face plane.
Un tel système actif est particulièrement efficace en ce qui concerne le pompage, du fait que la lumière de pompage pompe, sans ab-sorption préalable, la région superficielle dudit barreau proche de ladite face plane, région dans laquelle passe le faisceau laser. En effet, la lumière de pompage n'a pas à traverser le barreau avant d'atteindre la région superficielle de passage du faisceau laser, ce qui évite toute absorption de ladite lumière de pompage par la matière dudit barreau.
En revanche, dans un système actif composite de ce type, il n'est possible d'évacuer la chaleur, engendrée lors de la génération et de l'amplification du rayonnement laser, qu'à travers des faces du barreau autres que ladite face plane de réflexion totale.
En effet, comme le montre par exemple le document US-A1-2004/0076211, si l'on désire refroidir ladite face plane par un dispositif de refroidissement, il est alors nécessaire de déplacer ladite source de lumière de pompage du côté du barreau opposé à ladite face plane, de sorte qu'alors le pompage est moins efficace, du fait de l'absorption de la lumière de pompage par la matière dudit barreau avant que ladite lumière n'atteigne la région de ladite face plane.
De plus, le refroidissement de ladite face plane à travers d'autres faces du barreau (comme indiqué dans US-6 002 695) ne peut être optimal, de sorte qu'il est quasiment impossible d'assurer que ladite face plane reste plane sous la contrainte thermique du pompage. Or, la qualité du faisceau lumineux issu du barreau dépend directement de la qualité des optiques qu'il traverse et sur lesquelles il se réfléchit. II en résulte donc que les systèmes actifs composites du type connu rappelé ci-dessus, dans lesquels la ou les faces planes de réflexion totale ne peuvent être efficace-ment refroidies et présentent en fonctionnement une planéité dégradée, ne peuvent engendrer des faisceaux lumineux de qualité.
Par ailleurs, dans l'article "Diode Arrays, Crystals, and Thermal Management for Solid-State Lasers" de Stephen A. Payne, Raymond J. Beach, Camille Bibeau, Christopher A. Ebbers, Mark A. Emanuel, Eric C. Honea, Christopher D. Marshall, Ralph H. Page, Kathleen I. Schaffers, Jay A. Skidmore, Steven B. Sutton et William F. Krupke, paru dans l'IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 3, n 1 de février 1997, on décrit un système actif composite, du type rappelé ci-dessus, comportant un bloc de matière thermiquement conductrice et transparente pour la lumière de pompage, ledit bloc étant pourvu d'un plan sur lequel ledit barreau est solidarisé par sa face plane. Dans ce système actif composite, la source de lumière de pompage est disposée du côté du bloc opposé au barreau et pompe ce dernier à travers ledit bloc.
Ainsi, dans un tel système actif composite connu, la lumière de pompage traverse, sans absorption ou presque, ledit bloc de matière conductrice et pompe transversalement la région superficielle dudit bar-reau, au voisinage de ladite face plane de réflexion totale, région dans la-quelle passe le faisceau laser. L'efficacité du pompage est donc particulièrement bonne.
De plus, puisque ladite face plane du barreau est solidarisée dudit bloc de matière thermiquement conductrice, il en résulte que: d'une part, la chaleur apparaissant dans ledit barreau au niveau de la-dite face plane est transmise audit bloc de matière thermiquement conductrice, qui peut aisément la dissiper; et d'autre part, ladite face plane de réflexion totale du barreau est empê- chée de se déformer par le plan dudit bloc contre lequel elle est appli- quée et fixée.
Pour ces deux raisons, ladite face plane de réflexion totale peut conserver une excellente planéité malgré la contrainte thermique du pompage.
Le système actif composite décrit dans l'article précité est donc particulièrement avantageux. Cependant, on doit constater que, dans ce système, le barreau est constitué par du grenat d'yttrium-aluminium dopé à l'erbium et est solidarisé dudit bloc par soudure par diffusion (diffusion bonding). Une telle méthode de solidarisation ne peut, toutefois, être mise en oeuvre que pour des barreaux dont la matière constitutive, d'une part, est suffisamment solide pour résister aux conditions thermiques de la sou-dure par diffusion et, d'autre part, présente un coefficient de dilatation proche de celui dudit bloc.
Or, de nombreuses matières constitutives de barreaux, comme par exemple l'orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme, sont trop fragiles pour permettre une soudure directe sur un bloc de matière thermiquement conductrice transparente.
La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient en permettant de réaliser un système actif composite du type décrit cidessus, quelles que soient les matières constitutives dudit barreau et dudit bloc.
A cette fin, selon l'invention, le système actif composite pour laser à solide comportant: un barreau traversé par un faisceau laser et pourvu d'au moins une face plane sur laquelle se réfléchit, intérieurement audit barreau et en ré-flexion totale, ledit faisceau laser; un bloc de matière thermiquement conductrice pourvu d'un plan sur lequel ledit barreau est solidarisé par ladite face plane; et 1 o une source engendrant une lumière de pompage pour laquelle ledit bloc est transparent, ladite source étant disposée extérieurement audit barreau du côté dudit bloc opposé audit barreau et pompant ledit barreau, à travers ledit bloc, transversalement à ladite face plane, est remarquable en ce que la solidarisation de ladite face plane du barreau sur ledit plan dudit bloc est assurée par une couche de verre de synthèse obtenue à partir d'un sol- gel et transparente pour ladite lumière de pompage.
On sait que les produits de synthèse obtenus par sol-gel sont issus de précurseurs moléculaires en solution, généralement des alcoxydes, subissant une réaction d'hydrolyse, puis une réaction de condensation. Par exemple, pour réaliser ainsi un verre de silice (SiO2), on hydrolyse un aI- coxyde de silicium pour obtenir un sol contenant des fonctions réactives Si-OH, après quoi on condense ledit sol pour obtenir un gel et finalement un solide constitué de verre de silice. On sait de plus qu'aussi bien la réac- tion d'hydrolyse que la réaction de condensation s'effectuent à tempéra- ture ambiante.
Ainsi, selon l'invention, on obtient la solidarisation du barreau sur ledit bloc, sans élévation en température et donc sans risque de destruction dudit barreau.
On remarquera de plus que, ladite couche de verre de synthèse obtenue par sol-gel étant de très faible épaisseur, le transfert de la chaleur du barreau vers ledit bloc s'effectue dans d'excellentes conditions. En outre, une telle solidarisation par sol-gel n'applique pas de contraintes méca- niques au barreau et, par ailleurs, résiste bien au flux laser.
Pour assurer que, dans le système composite actif conforme à la présente invention, le faisceau laser intérieur au barreau se réfléchisse sur ladite face plane en réflexion totale, l'indice de réfraction dudit verre de synthèse doit être inférieur à celui de la matière constituant ledit barreau.
Par ailleurs, pour de faibles valeurs d'indice du sol-gel (<1,6) , le niveau des pertes de pompage aux interfaces bloc/sol-gel/barreau peut être jugé trop élevé. Un sol-gel réalisé à partir du seul précurseur de la silice a un indice de l'ordre de 1,4, qui va engendrer des pertes. Il est aisé de remédier à cet inconvénient en ajoutant, audit précurseur de la silice, le précurseur d'au moins une autre matière, par exemple l'oxyde de titane, pour former un sol-gel hybride apte à engendrer une couche de verre de synthèse multicomposants (SiO2-TiO2) présentant l'indice de réfraction approprié.
En variante, pour assurer la réflexion totale sur ladite face plane du barreau, on peut revêtir celle-ci d'une couche de silice de bas indice de réfraction, ou autre matière appropriée, avant application dudit sol-gel entre la face plane du barreau et le plan dudit bloc.
Notamment lorsque ledit barreau est réalisé en orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme (YVO4:Nd), dont la conductivité thermique est de l'ordre de 5 W.m-'.K-', ledit bloc peut être constitué par le grenat d'yt- triumaluminium (YAG), dont la conductivité thermique est supérieure (de l'ordre de 10 W.m-'.K- . Cependant, il est préférable de réaliser ledit bloc en saphir, dont la conductivité thermique est encore plus élevée (de l'ordre de 40 W.m-'.K-1). Eventuellement, ledit bloc pourrait être réalisé en diamant synthétique, dont la conductivité thermique est comprise entre 1200 et 2000 W.m-'K-'. La matière thermiquement conductrice dudit bloc peut également être un cristal ou une céramique transparente de SiC.
Ledit bloc de matière thermiquement conductrice peut présenter la forme d'un disque dont les faces opposées sont planes et parallèles, l'une de ces faces formant ledit plan pour la solidarisation dudit barreau. Dans ce cas, ledit barreau est centré par rapport audit disque et disposé selon un diamètre de celui-ci. Ledit bloc peut également, en variante, former un lumiduque canalisant la lumière de pompage vers ledit barreau.
Un tel barreau peut être un prisme de Dove.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 illustre, en coupe schématique selon la ligne I-I de la figure 2, un exemple de réalisation du système actif composite pour laser à solide conforme à la présente invention.
La figure 2 est une vue en plan schématique du système actif de la figure 1, vu du côté du barreau.
Le système actif composite pour laser à solide, représenté schématiquement à titre d'exemple sur les figures 1 et 2, comporte un barreau 1, par exemple en forme de prisme de Dove et réalisé en orthovanate d'yttrium dopé au néodyme. En fonctionnement, un faisceau laser L-L traverse ledit barreau 1, ledit faisceau entrant et sortant par les faces d'extrémité inclinées 1E dudit barreau 1 et subissant une réflexion totale (en R) sur la face plane 2 formant la base de celui-ci.
Le système actif comporte de plus un bloc 3 de matière thermiquement conductrice par exemple grenat d'yttrium-aluminium, saphir ou diamant synthétique qui, dans l'exemple illustré, présente la forme d'un disque épais. Le bloc 3 est délimité par deux faces parallèles 4 et 5, transversales et opposées. Lesdites faces 4 et 5 sont planes et la face 4 forme un plan sur lequel est fixé le barreau 1. A cet effet, la face plane 2 du barreau 1 est collée sur la face plane 4 du bloc 3 par l'intermédiaire d'une couche de verre de synthèse 6 obtenue à partir d'un sol-gel (pour des raisons de clarté de la figure 1, l'épaisseur de la couche 6 est forte- ment exagérée sur cette figure).
Le barreau 1 est centré sur le bloc 3 et disposé diamétralement par rapport à celui-ci.
En variante, la face 5 du bloc 3 pourrait être concave ou convexe et participer en conséquence au système optique qui transporte le rayonnement de pompage de la diode 7 au barreau 1. En particulier, le bloc 3 pourrait avoir la double fonction de bloc de refroidissement et de lumiduque (lensduct), dont le rôle est de canaliser le rayonnement issu de la diode vers le milieu actif.
En regard de la face 5 du bloc 3, est disposée une barrette de diode semiconductrice 7 émettant une lumière de pompage, symbolisée par les flèches P. Cette lumière de pompage pompe transversalement le barreau 1, à travers le bloc 3 et la couche de verre de synthèse 6, transparents pour cette lumière, ainsi qu'à travers la face plane 2.
De façon connue, le sol-gel donnant naissance au verre de syn-thèse de la couche 6 est obtenu à partir d'un alcoxyde de silicium Si-(OR) 4 à qui l'on fait subir une réaction d'hydrolyse et une réaction de condensation à température ambiante.
Ce sol-gel est appliqué entre la face plane 2 du barreau 1 et la face plane 4 du bloc 3 et le barreau 1 est pressé en direction dudit bloc 3 par une pression mécanique, forçant ladite face 2 à rester plane (le sol- gel est une matière relativement malléable avant durcissement). Le seul poids du barreau 1 peut suffire pour obtenir un collage convenable dudit barreau 1 sur le bloc 3. En variante, cette pression mécanique peut être exercée par l'intermédiaire d'un autre bloc 8, qui peut être également thermiquement conducteur et qui peut éventuellement rester en place après collage du barreau 1 sur le bloc 3, ledit barreau 1 étant alors disposé entre lesdits blocs thermiquement conducteurs 3 et 8.
Par ailleurs, on peut revêtir la face 2 du barreau 1 d'une couche de SiO2 à bas indice (non représentée), qui assure la réflexion totale du faisceau laser L-L, puis ensuite effectuer le collage avec un sol-gel. Dans le cas où l'on souhaite minimiser les pertes du faisceau de pompe, on peut ajuster l'indice du sol-gel pour qu'il soit juste suffisamment inférieur à l'indice du barreau 1 en mélangeant à l'alcoxyde de silicium, avant hydrolyse et condensation, un précurseur d'oxyde de titane (TiO2), afin d'obtenir un sol-gel hybride apte à engendrer une couche 6 multicomposants (SiO2-TiO2) présentant un indice de réfraction inférieur à celui du barreau, mais supérieur à ce qu'il aurait été s'il était de composition SiO2 pure.
On comprendra aisément que le volume et la conductivité du bloc 3 étant grands par rapport au volume et à la conductivité du barreau 1 et l'épaisseur de la couche 6 étant faible, le refroidissement de la face plane 2 est particulièrement efficace. On notera de plus que, la face plane 2 du barreau 1 étant solidarisée de la face plane 4 du bloc 3 à température ambiante, elle reste plane pendant la solidarisation. Ensuite, la solidarisation minimise sa déformation. Ainsi, la face plane 2, sur laquelle se produit la réflexion du faisceau L-L, reste plane malgré les contraintes thermiques du pompage. De plus, les matières constitutives du bloc 3 et de la couche 6 étant transparentes pour la lumière de pompage P, celle-ci ne subit pas ou peu d'absorption.
Claims (11)
1. Système actif composite pour laser à solide comportant: un barreau (1) traversé par un faisceau laser (L-L) et pourvu d'au moins une face plane (2) sur laquelle se réfléchit, intérieurement audit barreau 5 (1) et en réflexion totale, ledit faisceau laser (L-L) ; un bloc de matière thermiquement conductrice (3) pourvu d'un plan (4) sur lequel ledit barreau (1) est solidarisé par ladite face plane (2) ; et une source (7) engendrant une lumière de pompage pour laquelle ledit bloc (3) est transparent, ladite source étant disposée extérieurement audit barreau (1) du côté dudit bloc (3) opposé audit barreau et pompant ledit barreau, à travers ledit bloc (3), transversalement à ladite face plane (2), caractérisé en ce que la solidarisation de ladite face plane (2) du barreau (1) sur le plan (4) dudit bloc (3) est assurée par une couche de verre de synthèse (6) obtenue à partir d'un sol-gel et transparente pour ladite lu- mière de pompage.
2. Système actif composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction dudit verre de synthèse est inférieur à celui dudit barreau (1).
3. Système actif composite selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche de verre de synthèse (6) est obtenue à partir d'un sol-gel hybride.
4. Système actif composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite face plane (2) est revêtue, préalablement à la formation de ladite couche de verre de synthèse (6), d'une couche de matière à bas indice de réfraction apte à favoriser la réflexion totale dudit faisceau laser sur ladite face plane (2).
5. Système actif composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit barreau (1) est réalisé en orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme.
6. Système actif composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière thermiquement conductrice dudit bloc (3) est le grenat d'yttrium-aluminium.
7. Système actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière thermiquement conductrice dudit bloc (3) est le saphir.
8. Système actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière thermiquement conductrice dudit bloc (3) est le diamant synthétique.
9. Système actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière thermiquement conductrice dudit bloc (3) est un cristal ou une céramique transparente de SiC.
10. Système actif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit bloc de matière thermiquement conductrice (3) présente la forme d'un disque dont les faces opposées (4, 5) sont planes et parallèles, l'une (4) de ces faces formant ledit plan pour la solidarisation dudit barreau (1).
1 1. Système actif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit barreau (1) est centré par rapport audit disque et disposé diamétralement par rapport à celui-ci.
12. Système actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit barreau cristallin (1) présente la forme d'un prisme de Dove.
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