FR2902532A1 - Dispositif pour homogeneiser des faisceaux laser de forte energie sur un cristal - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un dispositif (1, 1A, 1B, 1C, 1D) pour générer un profil homogène uniforme d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel (2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H), ledit dispositif comprenant :- des moyens d'échantillonnage (3, 3A, 3B, 3C, 3D) spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sous-faisceaux élémentaires;- des moyens optiques de collection (4, 4A, 4B, 4C, 4D) aptes à recevoir ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires ;caractérisé en ce que ledit dispositif est agencé par rapport à un cristal laser (6) de sorte que ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires se propagent vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser;et en ce quelesdits moyens optiques ont un plan focal image, ledit dispositif étant agencé par rapport audit cristal laser de sorte que ledit cristal laser soit positionné hors dudit plan focal image, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal (P).
Description
DISPOSITIF POUR HOMOGÉNÉISER DES FAISCEAUX LASER DE FORTE ÉNERGIE SUR UN
CRISTAL
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs d'homogénéisation des faisceaux laser.
L'invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif pour générer un profil homogène uniforme d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel, ledit dispositif comprenant : - des moyens d'échantillonnage spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sousfaisceaux élémentaires; - des moyens optiques de collection aptes à recevoir ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires.
De tels dispositifs sont par exemple utilisés dans le domaine ultraviolet pour réaliser un marquage ou un usinage par un faisceau laser excimère unique. Dans ces dispositifs connus, le faisceau laser en sortie des moyens optiques de collection est ainsi mis en forme par exemple sur un substrat de silicium pour le recuit de silicium.
Ce type de dispositif est par exemple connu de la publication K. R. Mann et al., "Monitoring and shaping of excimer laser beam profiles," in Laser Technology Distribution Profiles: Measurement and Applications, J. M. Darchuk, ed., Proc. SPIE 1834, 184ù194 (1992).
Dans un tel dispositif, les moyens d'échantillonnage comprennent une matrice de microlentilles générant une pluralité de sous-faisceaux élémentaires à partir d'un faisceau initial, et les moyens optiques de collection comprennent au moins une lentille de champ destinée à recombiner les sous-faisceaux élémentaires dans le plan focal image de la lentille de champ.
Dans un tel dispositif, le substrat est positionné dans le plan focal image de la lentille de champ. Tous ces faisceaux se superposant dans le plan focal de la lentille de champ, on obtient théoriquement, dans ce plan, une répartition homogène de l'énergie sur une surface dont la forme est celle d'une microlentille et dont la dimension est donnée par la relation suivante : D='f2d f dans laquelle D et d sont respectivement les tailles caractéristiques de la tache éclairée au niveau du substrat positionné dans le plan focal de la lentille de champ, et d'une microlentille ; et fi et f2 sont les distances focales respectives des microlentilles et de la lentille de champ. La qualité d'homogénéisation est d'autant meilleure qu'un grand nombre de microlentilles est éclairé.
Le dispositif tel que décrit dans la publication précitée fonctionne de façon efficace pour le marquage du fait des propriétés particulières des lasers excimères. En effet, de tels lasers sont très peu cohérents spatialement et temporellement, ce qui limite les interférences entre les différents sous-faisceaux élémentaires issus de la matrice de microlentilles. Par ailleurs, de tels lasers ont une longueur d'onde d'émission se situant dans l'ultraviolet, ce qui (1) limite la diffraction provoquée par la faible ouverture des microlentilles.
Toutefois, de façon générale, il est connu que les lasers excimère ne sont pas adaptés pour le pompage d'un cristal laser tel qu'un cristal de saphir dopé titane. L'ensemble susmentionné comprenant un laser excimère et un dispositif d'homogénéisation fonctionnant au foyer image d'une lentille de champ n'est donc pas adapté pour réaliser du pompage laser.
Or, il est particulièrement avantageux d'homogénéiser des faisceaux laser de pompage d'un cristal laser.
En effet, on sait que les cristaux laser, tels que les cristaux de saphir dopé titane sont chers et difficiles à synthétiser, notamment les cristaux de grandes dimensions. L'obtention de puissance crête dans la gamme petawatt (1015Watts) nécessite par exemple des cristaux laser dont les ouvertures sont supérieures à 80 cm2. A titre indicatif, on note qu'à ce jour, le délai de fabrication d'un tel cristal en Saphir dopé au Titane est de l'ordre d'un an, pour des coûts très élevés.
Le principal risque d'endommagement des cristaux laser est la qualité spatiale des faisceaux laser de pompe. En effet, la présence d'une surintensité locale dans le faisceau de pompe peut très rapidement endommager voire détruire un cristal laser.
Il est donc avantageux que le ou les faisceaux laser incidents sur le cristal soient très homogènes à la surface du cristal. Or, il est fréquent que la qualité spatiale des faisceaux des lasers de pompage de haute énergie, tels que des laser de type verre30 dopé néodyme, est altérée notamment lorsque l'on augmente la cadence de répétition, par des phénomènes thermiques liés à l'excitation du laser. Cette dégradation altère donc la qualité de pompage des cristaux laser et induit un risque élevé d'endommagement des cristaux.
Si l'on désire utiliser le dispositif tel que décrit précédemment pour pomper un cristal laser à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux de pompe issus par exemple de lasers Nd:verre, il se produit des interférences spatiales provoquées par la recombinaison des les sous-faisceaux élémentaires interceptés par chaque microlentilles. Ces interférences se retrouvent ainsi notamment à la surface du cristal positionné dans le plan focal de la lentille de champ, ce qui risque d'endommager de façon systématique le cristal.
Par ailleurs, dans le plan focal de la lentille de champ, on observe une représentation de la transformée de Fourier de la répartition d'intensité en champ proche de la lentille de champ, c'est-à-dire la convolution des interférences dues au recouvrement de l'éclairement des sous-faisceaux élémentaires avec la figure de diffraction due à l'ouverture de chaque microlentille. Ainsi, dans le plan focal de la lentille de champ du dispositif tel que précédemment décrit on observe en fait autant de points de forte intensité, qu'il y a de microlentilles éclairées, chacun étant une tâche d'Airy correspondant à une répartition d'intensité en sinus cardinal au carré.
Si l'on désire pomper un cristal laser à l'aide du dispositif tel que précédemment décrit, les différents pics d'intensité au niveau du cristal sont donc potentiellement des lieux d'endommagement du cristal et génèrent une répartition d'énergie absorbée par le cristal fortement modulée. Cette modulation au niveau du cristal est donc potentiellement un inconvénient du dispositif tel que précédemment décrit.
L'invention vise notamment à pallier ces inconvénients.
Un premier but de l'invention est donc de fournir une alternative aux dispositifs d'homogénéisation connus dans le cas de lasers de pompe de cristaux laser présentant un faible niveau de cohérence spatiale, ce qui est le cas, par exemple, des lasers Nd:verre multimodes.
D'autre part, l'amplification à forte énergie, c'est-à-dire l'amplification de puissance en régime de saturation, dans des systèmes laser requiert l'utilisation d'un profil de lasers de pompe uniformes pour obtenir des rendements satisfaisants. Un tel profil uniforme est appelé profil flat-top en langue anglaise.
Un deuxième but de l'invention est donc de générer un profil de faisceau de pompe effectif uniforme au niveau du cristal, c'est à 20 dire présentant une zone d'éclairement constant.
Un troisième but de l'invention est de fournir une alternative aux dispositifs d'homogénéisation qui soit adaptée pour le pompage d'un cristal laser par un faisceau laser, par exemple par un laser 25 de type Nd:verre multimode.
Un quatrième but de l'invention est de fournir un dispositif permettant de limiter les interférences spatiales entre des sous- faisceaux élémentaires, dues à leur recombinaison au niveau d'un 30 cristal laser.
On connaît des dispositifs pour améliorer l'homogénéité d'un faisceau laser de pompage sur un cristal. Un tel dispositif est par exemple décrit dans la publication de Di Chiara et al. TEMOO terawatt amplification by use of micro-optic spatial mode conversion Optics Letters 28(21) :2106-2108. Dans le dispositif d'homogénéisation de cette publication, une matrice de microlentilles est placée en amont d'un système afocal utilisé en relais d'image.
La matrice de microlentille permet d'échantillonner le faisceau laser en une pluralité de sous-faisceaux, et deux lentilles de courtes distances focales sont agencées pour refocaliser l'ensemble des sous-faisceaux au niveau du cristal. La diffraction due à la faible ouverture des microlentilles permet d'obtenir dans le plan de travail un profil de faisceau de pompe de forme gaussienne modulée par des interférences à petite échelle dues à la cohérence spatiale du laser. Ces interférences sont appelées speckles en langue anglaise. Ce dispositif est donc limité à la réalisation d'un pompage gaussien, d'énergie peu élevée, sur une surface peu étendue, typiquement inférieure à 1cm2, la densité d'énergie sur le cristal étant limitée par les modulations du speckle.
Un dispositif plus conventionnel largement répandu pour le pompage laser consiste à imager sur le cristal laser un plan de référence dans lequel le faisceau originel est exempt de défaut majeur. Un tel dispositif, basé sur un système afocal, implique que tout défaut apparaissant dans le plan de référence, par exemple à cause d'un endommagement d'une optique du laser, est reporté sur le cristal. Le risque d'endommagement du cristal est donc élevé.
Par ailleurs, dans un tel dispositif afocal, la focalisation du faisceau peut provoquer des claquages dus à l'ionisation de l'air à haute énergie. Il est donc nécessaire de faire le vide entre les deux lentilles du système afocal, ce qui pose un inconvénient pratique.
Par ailleurs, afin de pallier le risque d'endommagement du cristal, il est fréquent d'utiliser un filtre spatial correspondant à un trou de très faible diamètre, situé dans le plan focal des lentilles du système afocal qui filtre les modulations de haute fréquences spatiales. Toutefois, ce filtre modifie le profil d'intensité en sortie du système afocal en lui donnant une forme gaussienne qui est mal adaptée au pompage à haute énergie. De plus, le trou de filtrage peut se retrouver très rapidement endommagé en cas de léger désalignement de laser de pompe, le faisceau se retrouvant alors focalisé en bordure du trou de filtrage. Le filtre peut aussi être endommagé en cas de trop fortes modulations de hautes fréquences du faisceau laser de pompe, une partie trop importante de l'énergie étant dans ce cas interceptée par la bordure du trou.
L'invention vise également à pallier ces inconvénients.
Au moins un de ces buts est atteint par l'invention, qui se rapporte à un dispositif pour générer un profil homogène uniforme d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel, ledit dispositif comprenant : - des moyens d'échantillonnage spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sous-faisceaux élémentaires; - des moyens optiques de collection aptes à recevoir ladite pluralité de sous- faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires; caractérisé en ce que ledit dispositif est agencé par rapport à un cristal laser de sorte que ladite pluralité de sous- faisceaux élémentaires se propagent vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser; et en ce que lesdits moyens optiques ont un plan focal image, ledit dispositif étant agencé par rapport audit cristal laser de sorte que ledit cristal laser soit positionné hors dudit plan focal image, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal.
Dans ce dispositif, les moyens d'échantillonnage spatial comprennent par exemple une matrice de microlentilles, et les moyens de collection comprennent par exemple une lentille de champ.
Selon l'invention, le dispositif d'homogénéisation est donc positionné pour réaliser l'homogénéisation d'un faisceau laser sur un cristal laser et permet d'assurer la réalisation d'un profil de faisceau d'excitation uniforme au niveau du cristal laser.
Selon l'invention, le faisceau laser d'excitation peut être issu de plusieurs faisceaux originels. Ce faisceau d'excitation est utilisé pour pomper le cristal laser. En décalant le cristal laser du plan focal image de la lentille de champ, les modulations d'intensité dues aux effets d'interférences diminuent au niveau du cristal laser. Ceci a pour conséquence de diminuer les pics d'intensité et donc de fournir une meilleure homogénéité du faisceau d'excitation.
Selon l'invention, même pour des faisceaux de pompe de très fortes énergies, supérieures à plusieurs dizaines de joules pour des tailles de faisceaux de plusieurs dizaines de cm2, l'homogénéité du faisceau au niveau du cristal évitera l'endommagement du cristal.
Le niveau de cohérence acceptable pour l'homogénéisation est directement relié à l'ouverture des microlentilles utilisées. La largeur de cohérence spatiale traduit la distance maximale séparant deux points du faisceau au-delà de laquelle ils ne peuvent interférer. Le système tel que décrit précédemment est donc particulièrement efficace lorsque la largeur de cohérence du faisceau laser est plus petite que la taille individuelle d'une microlentille.
Par ailleurs, dans le dispositif susmentionné, pour éviter que le faisceau n'ait des pics d'intensité localisés dus à des effets cohérents d'auto-imagerie, lesdits moyens d'échantillonnage spatial définissant des plans de Talbot périodiques marqués par de fortes modulations d'intensité reprenant la forme de la matrice de microlentilles, ledit dispositif peut être agencé de sorte que ledit cristal soit positionné entre deux plans de Talbot successifs.
Par ailleurs, toutefois, le profil homogène obtenu pour un seul faisceau originel n'est pas nécessairement circulaire au niveau du cristal laser, selon la forme des micro-lentilles, ce qui peut provoquer un faisceau d'excitation, utilisé pour le pompage du cristal laser, non optimisé pour le recouvrement dans le cristal avec le faisceau à amplifier qui est généralement de section circulaire.
Afin de pallier efficacement cet inconvénient, dans le dispositif tel que précédemment décrit, ledit faisceau laser d'excitation peut être issu d'une pluralité de faisceaux laser originels, et lesdits moyens d'échantillonnages peuvent comprendre une pluralité de matrices de microlentilles aptes chacune à recevoir un faisceau laser originel respectif de ladite pluralité de faisceaux laser originels.
Par ailleurs, chacune desdites matrices de microlentilles de ladite pluralité de matrices de microlentilles peut avoir une orientation privilégiée respective, chacune desdites orientation respective correspondant à une rotation d'une matrice de microlentilles différente par rapport à chacun des axes de propagation de chacun desdits faisceaux laser originels correspondant au pompage d'une face dudit cristal.
Par ailleurs, afin d'améliorer la surface de contact entre les microlentilles, chacune des microlentilles de ladite pluralité de matrices de microlentilles a une forme de polygone, ledit polygone ayant un angle propre, chacune desdites orientation respective correspondant à une rotation d'un angle respectif distinct dudit angle propre par rapport à chacun des axes de propagation de chacun desdits faisceaux laser originels.
Ceci permet notamment de positionner les matrices de microlentilles selon un angle conforme à la forme polygonale des microlentilles. Par exemple, pour des microlentilles hexagonales ayant donc un angle propre de 60 , l'association de deux matrices de microlentilles tournées de 30 l'une par rapport à l'autre améliore la circularité du faisceau obtenu au niveau du cristal laser.
L'invention concerne également une Installation comprenant : - un cristal laser ; - un dispositif pour générer un profil homogène uniforme d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel sur ledit cristal laser, ledit dispositif comprenant : o des moyens d'échantillonnage spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sousfaisceaux élémentaires; o des moyens optiques de collection aptes à recevoir ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires; caractérisée en ce que ledit dispositif est agencé par rapport audit cristal laser de sorte que ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires se propagent vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser; et en ce que lesdits moyens optiques ont un plan focal image, ledit dispositif étant agencé par rapport audit cristal laser de sorte que ledit cristal laser soit positionné hors dudit plan focal image, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal image.
Elle concerne également une installation telle que précédemment décrite, comprenant en outre au moins un laser de pompe, ledit au moins un laser de pompe étant apte à émettre ledit au moins un faisceau laser originel.
Par ailleurs, afin d'améliorer l'efficacité de l'homogénéité, ledit faisceau laser originel a un faible niveau de cohérence spatiale.
L'invention concerne également un procédé pour améliorer l'homogénéité d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel à l'aide d'un dispositif d'homogénéisation comprenant des moyens d'échantillonnage spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sousfaisceaux élémentaires et des moyens optiques de collection aptes à recevoir ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, ledit procédé comprenant des étapes consistant à : - fournir un cristal laser ; - positionner ledit dispositif d'homogénéisation par rapport au cristal laser de sorte que ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires converge vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser et de sorte que ; - ledit cristal laser soit hors du plan focal image desdits moyens optiques de collection, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal.
Le procédé susmentionné peut également comprendre une étape consistant à pomper ledit cristal laser à l'aide dudit faisceau laser d'excitation.
On décrit maintenant un mode de réalisation de l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente un dispositif pour améliorer l'homogénéité d'un faisceau laser d'amplification sur un cristal selon l'invention ; - la figure 2 représente un exemple d'ensemble de pompage comprenant un dispositif d'homogénéisation selon l'invention pour une pluralité de lasers de pompe ; - la figure 3 illustre un agencement de deux matrices de microlentilles destiné à combiner selon un profil homogène global circulaire deux faisceaux laser de pompe selon un mode de réalisation de l'invention.
Comme illustré figure 1, un dispositif 1 pour améliorer l'homogénéité spatiale d'un faisceau laser d'excitation sur un cristal d'amplification laser selon l'invention comprend une matrice de microlentilles 3. La matrice de microlentille 3 peut recevoir un faisceau de pompe appelé de façon général par la suite faisceau originel 2. La matrice de microlentilles échantillonne ce faisceau originel 2 en une pluralité de sous-faisceaux élémentaires 6A, 6B, 6C, 6D. Le dispositif 1 selon l'invention comprend également une lentille de champ 4 agencée pour recevoir les sous-faisceaux élémentaires 6A à 6D. La matrice de microlentilles a pour distance focale et la lentille de champ 4 a pour distance focale f2. Par construction d'optique géométrique, tous les sous-faisceaux élémentaires 6A à 6D interceptés par la lentille de champ se confondent dans le plan focal image P situé à la distance f2 du plan de la lentille de champ 4.
Selon l'invention, le cristal laser destiné à recevoir le laser de pompe est positionné à une distance L' de la lentille de champ 4. La distance L' est choisie différente de la distance focale f2 de la lentille de champ 4. Le cristal laser est donc situé dans un plan P' différent du plan focal P.
Dans ce cas, le faisceau de pompe effectif correspondant à la recombinaison des différents faisceaux lumineux élémentaires au niveau du plan du cristal P' a une dimension homogène uniforme D' sensiblement égale à (L' * d) / fi dans lequel d est la taille caractéristique d'une microlentille.
Par ailleurs, il est connu en soi qu'à cause de la périodicité structurelle de la matrice de microlentilles 3 et de la cohérence du faisceau laser 2, la matrice de microlentilles donne lieu à l'apparition périodique de structures d'intensité contrastées le long de la propagation du faisceau à directement liées à la taille des microlentilles et à la longueur d'onde du laser de pompe. Ce phénomène est un effet d'auto-imagerie appelé effet Talbot. Il est par exemple décrit dans la publication de Benkamou et al., "Effets Optiques des Structures Périodiques." IEEE Canadian Revue: 25-27 2004.
La distance de périodicité de reproduction des structures le long de la propagation du faisceau en sortie de la matrice de microlentilles 3, ou distance de Talbot est donnée en fonction de la longueur d'onde du faisceau laser 2 par : (2) Dans cette formule, d est la taille caractéristique des microlentilles dans la matrice de microlentilles 3 et est la longueur d'onde du faisceau originel incident sur la matrice de microlentilles 3.
Par ailleurs, la structure contrastée se répète selon une demi période ZT/2 avec une inversion de contraste. La matrice de microlentille 3 définit donc une pluralité de plans dits plans contrastés de Talbot dans lesquels le faisceau issu de la matrice de microlentilles induit des zones fortement contrastées. Ces plans sont séparés d'une distance ZT/2.
Selon l'invention, le cristal laser est positionné entre deux de ces plans contrastés de Talbot, et de préférence dans un plan situé à égale distance de deux plans contrastés de Talbot successifs.
Par exemple, pour des microlentilles de 500pm d'ouverture et à une longueur d'onde de 530nm, ces plans de Talbot successifs sont séparés d'environ 50 cm. De la sorte, en plaçant le cristal à environs 25 cm d'un plan de Talbot le contraste des modulations d'intensité du faisceau issu de la matrice de microlentille est diminué au niveau du cristal laser.
Illustré figure 2, on décrit maintenant le positionnement d'un dispositif 1 selon l'invention pour homogénéiser un faisceau d'excitation issu de la combinaison une pluralité de faisceaux de pompe. Sur la figure 2, un ensemble de pompage 7 comprend quatre lasers de pompe 5A, 5B, 5C, 5D. Ces lasers, présentant un faible degré de cohérence spatiale sont dans ce cas des lasers de Nd :verre multimodes, destinés à pomper un cristal laser de Ti :Sa 6. Le niveau d'énergie pour le pompage est de 100 Joules, réparties sur huit faisceaux originels 2A à 2H de 12,5 joules chacun. Le cristal laser Ti :Sa est éclairé par quatre faisceaux sur chaque face. On positionne huit dispositifs d'homogénéisation conformes à l'invention, un pour chaque faisceau 2A à 2H. Sur la figure, on a représenté des dispositifs d'homogénéisation 1A, 1B, 1C et 1 D sur les trajets des faisceaux 2A, 2B, 2C, 2D. Des dispositifs similaires sont également positionnés sur les trajets des faisceaux 2E, 2F, 2G, 2H. Le dispositif d'homogénéisation 1A, respectivement 1B, 1C, 1 D comprend une matrice de microlentilles 3A, respectivement 3B, 3C, 3D et une lentille de champ 4A, respectivement 4B, 4C, 4D telles que précédemment décrites.
Les dispositifs d'homogénéisation 1A, 1B, 1C et 1 D et le cristal 6 sont positionnés comme sur la figure 1 pour chacun des faisceaux 2A à 2D, c'est-à-dire de sorte que le cristal 6 soit hors du plan focal image des lentilles de champ respectives 4A à 4D, et entre deux plans de Talbot successifs définis par les matrices de microlentilles 3A à 3D. Chacune des matrices 3A à 3D de microlentilles ont une surface de 5x5 cm2. Les microlentilles de chacune des matrices de microlentilles 3A à 3D ont une forme hexagonale, et ont une taille caractéristique d de 480 micromètres. Elles ont une distance focale fi de 10 millimètres. La zone éclairée sur chacune des matrices de microlentille a un diamètre d'environ 25 millimètres. Chacune des lentilles de champ 4A à 4D a une ouverture de 50 millimètres et une distance focale de 3500 millimètres. La distance entre chacune des matrices de microlentilles et chacune des lentilles de champ est de 20 centimètres. La distance L' entre la lentille de champ et le cristal 6 est déterminée empiriquement de façon à optimiser la forme et la qualité spatiale du faisceau au niveau du cristal, cette qualité étant contrôlée avec une caméra CCD.
Dans la configuration précédente, la Demanderesse a déterminé une distance L' d'environ 1.2m. Dans ce cas, la profondeur de champ du système correspondant à la tolérance sur la distance L' pour laquelle un profil homogène est maintenu est de l'ordre de 10cm.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les matrices de microlentilles 3A à 3D de la figure 2 sont agencées pour fournir un faisceau résultant sur la face du cristal 6 qui soit le plus circulaire possible de façon à optimiser son recouvrement avec le faisceau à amplifier. Pour ce faire, les matrices 3A à 3D sont tournées les unes par rapport aux autres de sorte que la superposition des formes hexagonales des faisceaux résultant de chacun des dispositifs 1A à 1 D approchent une forme circulaire.
La figure 3 illustre la rotation de deux matrices de microlentilles pour une illumination par deux faisceaux de pompe. Sur la figure 3, une première matrice de microlentille 3A est constituée de microlentilles de formes hexagonales. Les hexagones des microlentilles sont tous de même taille et sont orientés selon une même direction. Lorsque la matrice de microlentilles reçoit un faisceau lumineux 2A, le faisceau résultant après recombinaison par une lentille de champ a également une forme hexagonale 8A.
Selon l'invention, une deuxième matrice de microlentille 3B comprenant les mêmes microlentilles hexagonales est utilisée sur le trajet d'un deuxième faisceau 2B. Cette matrice 3B est orientée de sorte que la figure hexagonale des microlentilles soit tournée d'un angle de 30 par rapport à la figure hexagonale des microlentilles de la matrice 3A. De la sorte, le faisceau résultant est un hexagone 8B tourné de 30 par rapport à l'hexagone 8A. La combinaison de ces deux faisceaux hexagonaux fournit alors une figure 9 dont la circularité est meilleure que celle des faisceaux 8A et 8B.
De façon générale, l'homme du métier est apte à déterminer les angles de rotation nécessaires pour les matrices de microlentilles en fonction du nombre de matrices et de la forme des microlentilles. En particulier, lorsque les microlentilles sont des polygones réguliers, ces polygones ont un angle propre qui fixe l'angle de rotation adapté. Des matrices demicrolentilles tournées chacune d'un angle égal à cet angle propre divisé par le nombre de matrices permettent alors d'améliorer la circularité du faisceau équivalent global obtenu.
Claims (13)
1. Dispositif (1, 1A, 1B, 1C, 1 D) pour générer un profil homogène uniforme d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel (2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H), ledit dispositif comprenant : - des moyens d'échantillonnage (3, 3A, 3B, 3C, 3D) spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sous-faisceaux élémentaires; - des moyens optiques de collection (4, 4A, 4B, 4C, 4D) aptes à recevoir ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires; caractérisé en ce que ledit dispositif est agencé par rapport à un cristal laser (6) de sorte que ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires se propagent vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser; et en ce que lesdits moyens optiques ont un plan focal image, ledit dispositif étant agencé par rapport audit cristal laser de sorte que ledit cristal laser soit positionné hors dudit plan focal image, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal (P).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens d'échantillonnage (3) comprennent une matrice de microlentilles.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens optiques de collection comprennent une lentille de champ.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens d'échantillonnage spatial, définissant des plans de Talbot successifs, sont agencés de sorte que ledit cristal soit positionné dans un plan de travail entre deux plans de Talbot successifs.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit plan de travail est situé à égale distance de deux plans de Talbot successifs.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit faisceau laser d'excitation est issu d'une pluralité de faisceaux laser originels, et dans lequel lesdits moyens d'échantillonnages comprennent une pluralité de matrices de microlentilles aptes chacune à recevoir un faisceau laser originel respectif de ladite pluralité de faisceaux laser originels.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel chacune desdites matrices de microlentilles de ladite pluralité de matrices de microlentilles a une orientation privilégiée respective, chacune desdites orientation respective correspondant à une rotation d'une matrice de microlentilles différente par rapport à chacun des axes de propagation de chacun desdits faisceaux laser originels correspondant au pompage d'une face dudit cristal.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chacune des microlentilles de ladite pluralité de matrices de microlentilles a une forme de polygone, ledit polygone ayant un angle propre, chacune desdites orientation respective correspondant à une rotation d'un angle respectif distinct dudit angle propre par rapport à chacun des axes de propagation de chacun desdits faisceaux laser originels.
9. Installation comprenant : - un cristal laser ; - un dispositif (1, 1A, 1B, 1C, ID) pour générer un profil homogène uniforme d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel (2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H) sur ledit cristal laser ledit dispositif comprenant : o des moyens d'échantillonnage (3, 3A, 3B, 3C, 3D) spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sous-faisceaux élémentaires; o des moyens optiques de collection (4, 4A, 4B, 4C, 4D) aptes à recevoir ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous- faisceaux élémentaires; caractérisée en ce que ledit dispositif est agencé par rapport audit cristal laser (6) de sorte que ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires se propagent vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser; et en ce que lesdits moyens optiques ont un plan focal image, ledit dispositif étant agencé par rapport audit cristal laser de sorte que ledit cristal laser soit positionné hors dudit plan focal image, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal image (P).
10. Installation selon la revendication 9, comprenant en outre au moins un laser de pompe (5A, 5B, 5C, 5D), ledit au moins un laser de pompe étant apte à émettre ledit au moins un faisceau laser originel.
11. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, dans lequel ledit faisceau laser originel a un faible niveau de cohérence spatiale.
12. Procédé pour améliorer l'homogénéité d'un faisceau laser d'excitation issu d'au moins un faisceau laser originel à l'aide d'un dispositif comprenant des moyens d'échantillonnage spatial de chacun desdits au moins un faisceau laser originel aptes à recevoir chacun desdits au moins un faisceau laser originel en entrée et à générer en sortie, une pluralité de sous-faisceaux élémentaires et des moyens optiques de collection aptes à recevoir ladite pluralité de sous- faisceaux élémentaires, et à recombiner ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires, ledit procédé comprenant des étapes consistant à : - fournir un cristal laser ; - positionner ledit dispositif d'homogénéisation par rapport au cristal laser de sorte que ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires converge vers ledit cristal laser, ledit faisceau laser d'excitation étant issu d'une recombinaison de ladite pluralité de sous-faisceaux élémentaires au niveau dudit cristal laser et de sorte que ledit cristal laser soit hors du plan focal image desdits moyens optiques de collection, entre lesdits moyens optiques de collection et ledit plan focal.
13. Procédé selon la revendication 12 comprenant une étape consistant à pomper ledit cristal laser à l'aide dudit faisceau laser d'excitation.
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