FR2919123A1

FR2919123A1 - Laser a capacite calorifique et milieu laser associe

Info

Publication number: FR2919123A1
Application number: FR0803799A
Authority: FR
Inventors: Marc Eichhorn
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2009-01-23
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: DE102007033624A1; DE102007033624B4; US20090022190A1; FR2919123B1; US7792168B2

Abstract

Le nouveau laser à capacité calorifique permet d'obtenir un faisceau de haute qualité, tout en présentant une puissance laser élevée.Pour cela, le laser à capacité calorifique (1) présentant un milieu laser solide (10), au moins une source de pompage (20,24) apte à émettre un rayonnement de pompage et une cavité optique (31, 32) caractérisé en ce qu'il comporte :. Au moins un dispositif (21,25) apte à homogénéiser le rayonnement de pompage,. un milieu laser (10) dopé comportant un corps (27) avec une première et une deuxième extrémités (18, 19) et présentant un étirement dans la longueur (I) de plus de 6 cm et sa hauteur en coupe (d) est inférieure à son étirement dans la longueur (1),. éventuellement, des premier moyens (22) de guidage d'un rayonnement de pompage en direction d'une première extrémité (18) du milieu laser (10),et en ce que, d'une part, la concentration du dopage dans le milieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau de ladite première extrémité et croissant jusqu'au centre du milieu laser et, d'autre part, soit la cavité comporte une optique de formation de faisceaux (40) apte à assurer l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser et la concentration du dopage du milieu laser est uniforme radialement, soit la cavité ne comporte pas d' optique de formation de faisceaux (40) et apte à assurer l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser et le milieu laser a une concentration en dopage qui varie radialement, la répartition radiale du dopage du milieu laser (10) étant définie de telle manière que le dopage augmente radialement du bard vers le centre du corps (27).

Description

L'invention concerne un laser à capacité calorifique. Il s'agit d'un laser

dans lequel le milieu laser n'est pas refroidi en mode laser. La durée d'utilisation d'un milieu laser est limitée par sa capacité calorifique. La capacité calorifique est définie comme le produit de la masse du milieu laser multipliée par sa chaleur massique.

Un laser à capacité calorifique a été décrit pour la première fois dans le brevet US 5 526 372 A. Le laser à capacité calorifique présente un milieu laser solide, une source de pompage et une cavité optique. La spécificité du laser à capacité calorifique réside dans le fait que celui-ci n'est pas refroidi en mode laser. Au contraire, la chaleur dégagée est stockée dans le milieu laser. En conséquence, la durée du mode laser est fonction de la quantité maximale d'énergie thermique pouvant être stockée dans le milieu laser. La quantité maximale d'énergie thermique pouvant être stockée est fonction de la masse du milieu laser, de la chaleur massique du matériau du milieu laser et de la différence encre la température de départ et la température finale. Dans le brevet US 5 526 372 A, il est particulièrement question de la répartition de la température au sein du milieu laser. Le texte de ce brevet indique qu'il est extrêmement avantageux que la température soit plus élevée à l'extérieur qu'à l'intérieur du milieu laser. Proportionnellement au niveau de température, on observe une expansion plus importante à l'extérieur du milieu laser. En conséquence, cela signifie que le milieu laser subira des contraintes en compression plus importantes à l'extérieur, phénomène que l'on souhaite favoriser. Sur le plan de ses caractéristiques mécaniques, le milieu laser peut être comparé à du verre : il supporte de fortes contraintes en compression mais de faibles contraintes de traction. Dans le cas d'entailles extérieures, les contraintes en compression extérieures n'entrainent pas de propagation des fissures. Rapportées à la durée du mode laser évoquée précédemment, les contraintes en compression dans le domaine de l'enveloppe extérieure sont à même d'élever la température maximale admissible par le milieu laser. En conséquence, la quantité de chaleur stockée est augmentée. La durée de fonctionnement en mode laser est donc allongée. Le brevet US 6 862 308 B2 décrit un autre laser à capacité calorifique. Pour ce laser à capacité calorifique, on utilise un barillet avec plusieurs milieux laser, ainsi qu'un dispositif de chargement et de déchargement. Lorsqu'un milieu laser a atteint sa température maximale, il est déchargé et refroidi. En même temps, il est remplacé par un autre milieu laser refroidi, issu du barillet. Dans ce brevet, on attire l'attention du lecteur sur le fait que la température est plus élevée sur l'extérieur du milieu laser, ainsi que sur les contraintes de tension en pression générées par ce fait, ceci permettant de tolérer des températures supérieures. Dans le cas du laser à capacité calorifique décrit dans les brevets US 5 526 372 A et US 6 862 308 B2, on constate que les différences de températures voulues pour assurer la résistance mécanique sont à l'origine d'un inconvénient. Le fait que la température extérieure soit supérieure à la température intérieure favorise la formation d'une lentille thermique. De plus, l'alternance de contraintes en compression et en traction au sein du milieu laser induit une double réfraction. Ceci entraine une dégradation de la qualité du faisceau laser. Et c'est particulièrement dans le cas de puissances laser élevées que l'effet négatif de la lentille thermique se fait sentir. À la base de la présente invention, il s'agit principalement de concevoir un laser à capacité calorifique qui présente une grande qualité de faisceau, tout en permettant une puissance laser élevée. La solution apportée est un laser à capacité calorifique présentant un milieu laser 15 solide, au moins une source de pompage apte à émettre un rayonnement de pompage et une cavité optique, et caractérisé en ce qu'il comporte : • au moins un dispositif apte à homogénéiser le rayonnement de pompage, • un milieu laser dopé comportant un corps avec une première et une deuxième extrémités et présentant un étirement dans la longueur de plus de 6 cm et sa 20 hauteur en coupe est inférieure à son étirement dans la longueur, • éventuellement, des premier moyens de guidage d'un rayonnement de pompage en direction d'une première extrémité du milieu laser, et en ce que, d'une part, la concentration du dopage dans le milieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau de ladite première 25 extrémité et croissant jusqu'au centre du milieu laser et, d'autre part, soit la cavité comporte une optique de formation de faisceaux apte à assurer l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser et la concentration du dopage du milieu laser est uniforme radialement, soit la cavité ne comporte pas d' optique de formation de faisceaux et apte à assurer l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser 30 et le milieu laser a une concentration en dopage qui varie radialement, la répartition radiale du dopage du milieu laser étant définie de telle manière que le dopage augmente radialement du bord vers le centre du corps.

Les avantages que permet d'obtenir l'invention résident dans le fait que, en mode laser, le milieu laser est échauffé en tous points de manière homogène. Ainsi, les contraintes mécaniques restent limitées au sein du milieu laser. Ceci permet également de réaliser des puissances de 10 kW à plus de 1 MW. En ce qui concerne la qualité optique du faisceau laser, la double réfraction induite par la tension est minimisée, on n'assiste donc pas à la formation d'une lentille thermique. Ceci est un élément favorable pour la qualité du faisceau. On peut obtenir une qualité de faisceau M2 inférieure à 5. Le laser à capacité calorifique présente tout d'abord un milieu laser solide, une source de pompage et une cavité optique. Le milieu laser présente une longueur supérieure à 6 cm. Sa hauteur est inférieure à sa longueur. Si le milieu laser présente une telle longueur et un tel rapport entre la longueur et la hauteur, cela signifie que la longueur d'absorption est importante. Une longueur d'absorption importante permet d'avoir une perte thermique moins importante en fonction du volume et donc une durée de fonctionnement plus longue du milieu laser, ainsi que des contraintes thermiques inférieures. La lumière de pompage peut être introduite par une extrémité ou par les deux extrémités du milieu laser. Dans ce dernier cas, la concentration du dopage dans le milieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau de chacune des première et seconde extrémités du milieu laser et augmentant vers le centre du corps et le laser à capacité calorifique comporte, éventuellement, des seconds moyens de guidage d'un rayonnement de pompage en direction d'une seconde extrémité du milieu laser et Par ces mesures, il est possible d'obtenir un échauffement homogène du milieu, en direction axiale également. En effet, le dopage augmentant sur le plan axial entraîne une augmentation de l'absorption par volume, qui permet de compenser la chute de puissance de pompage occasionnée par l'absorption. Ainsi, chaque volume élémentaire absorbe la même quantité d'énergie de pompage le long de l'axe. On utilise par ailleurs un dispositif d'homogénéisation de la lumière de pompage. Grâce au dispositif d'homogénéisation de la lumière de pompage, la lumière de pompage est introduite à l'extrémité d'introduction avec une densité de faisceau homogène. En conséquence, la lumière de pompage illumine le milieu laser de manière homogène, sur toute sa section. On obtient ainsi un couplage d'énergie homogène, sur toute la surface en coupe. Par ces mesures, il est possible d'obtenir un échauffement homogène du milieu, en direction radiale.

Le dispositif d'homogénéisation de la lumière de pompage peut être constitué par une fibre optique creuse dont l'intérieur est réfléchissant ou une fibre optique homogène et transparente. Pour le second type de fibre optique, on pourra par exemple faire appel à une pyramide tronquée à reflet total et fabriquée à base de matériau optiquement transparent. Du fait de la réflexion totale, la lumière de pompage homogénéisée est dirigée vers le milieu laser et éclaire entièrement sa section de manière homogène. Ainsi, elle est absorbée de manière efficace. Par ailleurs, le laser comporte soit une optique de formation de faisceaux qui assure l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser, accompagnée d'un dopage uniforme du milieu laser sur le plan radial, soit, si le laser ne comporte pas d'optique de formation de faisceaux, le faisceau laser présente un profil Gaussien et le milieu laser comporte un dopage dont la répartition radiale est définie de telle manière que le dopage augmente du bord vers le centre du corps du milieu laser. La première possibilité û c'est-à-dire l'utilisation d'une optique de formation de faisceaux û permet une extraction uniforme de l'énergie par le rayonnement laser. Alliée à une introduction uniforme de la lumière de pornpage, on obtient ainsi une répartition homogène de la perte thermique dans le milieu laser. Par contre, la deuxième possibilité û celle du profil gaussien du faisceau û repose sur l'intention d'adapter le profil du dopage sur le plan radial de telle sorte que l'association du profil gaussien du faisceau à une répartition homogène de la lumière de pompage permette une répartition homogène de la perte thermique sur le volume. Etant donné que l'énergie stockée dans le cristal peut être plus aisément évacuée aux endroits où l'intensité laser est plus forte, il est nécessaire d'absorber plus de lumière de pompage à ces mêmes endroits afin de garantir une génération homogène de chaleur sur le plan radial. Partant du principe d'une répartition homogène de la lumière de pompage sur le plan radial, le dopage doit donc être plus élevé au centre des barreaux que sur les côtés. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, le milieu laser est dopé à l'erbium, au thulium ou à l'holmium. Chacun des dopages précités permet de réaliser un faisceau laser dans un domaine spectral à sécurité oculaire. La longueur d'ondes est supérieure à 1400 nm. Chacun des dopants précités est tout à fait adapté à la longue course d'absorption de plus de 6 cm. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, on utilise un dispositif d'arrêt qui permet d'interrompre le mode laser dès que la différence de température maximale relative rapportée à la température moyenne du milieu laser exprimée en Kelvin est de 6% en différents points du milieu laser sur les axes longitudinal et transversal. La qualité du faisceau est bonne, jusqu'à la valeur de différence de température indiquée. L'effet de lentille thermique est négligeable, jusqu'à la limite indiquée en pourcentage. De plus, la contrainte mécanique du milieu laser est à un niveau faible. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, le dispositif d'arrêt comprend également un calculateur de dépouillement, relié à au moins deux capteurs de température qui permettent de mesurer la température en deux points différents. Ce calculateur comporte en outre soit une mémoire comportant les puissances du rayonnement de pompe et du rayonnement laser généré lors des tirs qui sont, en prinicipe, reproductibles, soit des connections avec des capteurs aptes à mesurer en temps réel des paramètres relatifs à la puissance du rayonnement de pompage et à celle de la puissance laser. L'avantage du dispositif d'arrêt décrit plus haut réside dans le fait que les valeurs des paramètres de puissance de pompage et de puissance laser sont connues de toute façon. II n'est donc nécessaire que de disposer de deux capteurs de température supplémentaires. Un calculateur déjà disponible est en mesure d'assurer la fonction de calculateur de dépouillement. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, chaque extrémité d'introduction de la lumière de pompage du milieu laser présente une forme élargie en 20 cône. Cette géométrie permet de réaliser une bonne transition entre le dispositif d'homogénéisation de la lumière de pompage et le milieu laser. Ainsi, la lumière de pompage est injectée avec un taux de rendement élevé. Les extrémités coniques permettent en outre de réfracter exactement la symétrie du cylindre. En conséquence, 25 on constate que, pour la lumière émise de manière spontanée, un petit angle de réflexion supplémentaire vient s'ajouter au faisceau de lumière propagé, et ce pour toute réflexion interne au sein du milieu laser au niveau des extrémités. Ainsi, on obtient des distances de propagation limitées pour l'émission spontanée. Ceci permet de minimiser l'émission spontanée amplifiée (ASE ou äAmplified Spontaneous Emission) 30 qui aurait un effet limitant sur la puissance laser. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, la surface extérieure du milieu laser présente un polissage optique. Ce polissage optique permet d'obtenir une réflexion de la lumière de pompage.

Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, un revêtement optique réfléchissant a été appliqué sur le polissage optique, qui permet de réfléchir de manière sélective la lumière de pompage. Ceci permet d'exploiter encore mieux la lumière de pompage. Parallèlement, la lumière émise spontanément peut sortir du milieu laser, ceci permet d'éviter la formation d'un effet ASE. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, le milieu laser présente, en-dessous du polissage, une enveloppe extérieure dopée aux ions et qui permet d'absorber l'émission spontanée. Les moyens d'absorption permettent d'éviter que se mette en place une réflexion multiple des rayons lumineux de l'émission spontanée au sein du milieu laser. Ainsi, la puissance de sortie du laser n'est pas limitée par l'effet ASE. Il est particulièrement avantageux que l'épaisseur de l'enveloppe extérieure et le niveau de son dopage soient conçus de telle manière que l'on obtienne en phase laser une température quasiment équivalente dans l'enveloppe extérieure et dans le reste du milieu laser. Ceci permet de tenir compte du concept global d'un milieu laser à échauffement homogène. Si un revêtement optique réfléchissant est apposé, ceci permet de réduire les caractéristiques de la lumière de pompage ou même de les laisser entièrement de côté. Conformément à une autre forme d'exécution de l'invention, le laser à capacité calorifique présente un barillet contenant plusieurs milieux laser et un dispositif de chargement et de déchargement, celui-ci permettant de remplacer un milieu laser échauffé par un milieu laser non échauffé. Cette disposition, déjà présentée dans le brevet US 6 862 308 B2 est particulièrement bien adaptée au laser à capacité calorifique présenté ici. L'invention concerne aussi un milieu laser dopé conçu pour un laser à capacité calorifique selon l'invention et comportant un corps avec deux extrémités, caractérisé en ce que ce corps présente un étirement dans la longueur de plus de 6 cm et sa hauteur en coupe est inférieure à son étirement dans la longueur, et en ce que la concentration du dopage dans le milieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau d'au moins l'une des dites extrémités et croissant jusqu'au centre du milieu laser. Selon une caractéristique particulière, la concentration en dopage du milieu laser varie radialement, la répartition radiale du dopage du milieu laser étant définie de telle manière que le dopage augmente du bord vers le centre.

Ce milieu laser, qui se présente sous la forme d'un barreau, peut avoir une section circulaire ou polygonale. L'invention est décrite plus en détails ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les figures : Ces figures représentent : La figure 1 : un laser à capacité calorifique sous forme d'un schéma en perspective, La figure 2 : le niveau de dopage sur la longueur du milieu laser, présenté sous forme de diagramme, La figure 3 : le profil du milieu laser du laser à capacité calorifique présenté en figure 1, représenté en coupe. L'indication II-II portée sur la figure 1 représente le tracé de la coupe. La figure 4: le niveau de dopage sur le diamètre du milieu laser sous forme de diagramme, conformément à une alternative de concept pour laquelle on n'utilise pas une optique de formation de faisceaux, La figure 5 : l'évolution du facteur de différence relative de température en fonction du temps d'activation du mode laser, sous forme de diagramme, La figure 6 : un schéma du dispositif d'arrêt.

La figure 1 représente un laser à capacité calorifique (1). Celui-ci dispose d'un milieu laser solide (10), de deux sources (20, 24) de lumière de pompage et d'une cavité optique. La cavité optique est composée d'un miroir opaque (31) et d'un miroir partiellement opaque (32). Le milieu laser (10) présente une longueur de plus de 6 cm, sa hauteur est inférieure à sa longueur I (figure 2).

Dans l'exemple d'exécution présenté, le milieu laser (10) présente un corps (27) comportant une section arrondie et une forme de barreau avec deux extrémités (18,19). Dans d'autres variantes, la section du milieu laser peut également être polygonale. La section polygonale permet de produire une répartition particulièrement homogène de la lumière de pompage. Ceci est particulièrement vrai pour les polygones de faible hauteur qui présentent quatre ou cinq côtés. Une section arrondie présente des surfaces extérieures courbées, celles-ci ayant la tendance négative de focaliser la lumière conduite sur l'axe du barreau. D'autre part, on sait que les milieux laser de forme arrondie sont plus faciles à fabriquer.

On utilise un dispositif (21) permettant l'homogénéisation de la lumière de pompage.

La lumière de pompage est introduite par les deux extrémités du milieu laser (10). Dans d'autres variantes, l'introduction de la lumière de pornpage peut être effectuée de manière unilatérale, par une extrémité seulement. Dans le cas d'une introduction de la lumière de pompage des deux côtés, le dopage Do est plus faible aux extrémités (18, 19) par lesquelles la lumière de pompage est introduite et augmente vers le milieu. Ce phénomène est illustré par la figure 2. Dans le cas û non représenté ici û d'une introduction de la lumière de pompage par un seul côté, le dopage est plus faible à l'extrémité par laquelle la lumière de pompage est introduite et augmente jusqu'à l'autre extrémité. La figure 1 présente une première alternative de concept : on utilise une optique de formation de faisceaux (40) qui homogénéise le faisceau laser en mode laser, en relation avec un dopage homogène du milieu laser (10) dans l'axe radial. En guise d'optique de formation de faisceaux, on utilise un élément de conversion asphérique. Ceci peut être réalisé au moyen de lentilles asphériques. L'optique de formation de faisceau 40 transforme le mode de base du faisceau laser en un faisceau laser homogénéisé avec diffusion en rectangle. La diffusion en rectangle présente un diamètre homogène sur le faisceau qui remplit au moins 95% de la coupe du milieu laser 10 et qui tend rapidement vers zéro en allant vers les bords, ceci permettant de minimiser les pertes par diffraction au niveau de l'ouverture de l'optique. Pour la diffusion en rectangle, les bords, c'est-à-dire la phase de transition entre l'intensité homogène et le niveau zéro, jouent un rôle décisif : • S'ils sont trop plats, la chaleur au sein du milieu laser 10 n'est pas diffusée de manière suffisamment homogène et les effets thermiques entrainent une réduction de la qualité de faisceau. De plus, la superposition du profil de pompage et du laser est moins bonne, ce qui entraine une moins bonne efficacité du laser. • S'ils sont trop raides, la diffraction fait diverger trop fortement le faisceau rectangle, il n'est pas possible de maintenir un diamètre constant sur la longueur du milieu laser. 30 Dans une autre variante de la version représentée en figure 1, un deuxième concept est possible : ne pas employer d'optique de formation de faisceaux. Dans ce cas, le faisceau laser conserve son profil gaussien. De plus, la répartition radiale du dopage du milieu laser est conçue de telle manière que le dopage Do augmente du bord vers le centre, comme cela est illustré par la figure 4. La lettre d désigne le diamètre du milieu laser. Le dispositif (21) décrit en figure 1 a pour objet l'homogénéisation de la lumière de pompage. Il s'agit d'une fibre optique creuse dont l'intérieur est réfléchissant ou d'une fibre optique homogène et transparente. Si l'on utilise des sources de pompage présentant une faible divergence de faisceau (< 4 ), il est également possible de placer une plaque de phase holographique dans le trajet des rayons de la lumière de pompage. Cette plaque permet d'homogénéiser la lumière de pompage qui éclaire l'extrémité du milieu laser. Dans ce cas, la fibre optique creuse ou la fibre optique transparente n'est plus nécessaire pour l'homogénéisation. Les miroirs (22, 23) permettent d'introduire la lumière de pompage homogénéisée dans le trajet des rayons. II est également possible de concevoir un système sans les miroirs (22, 23). Dans ce cas, la lumière de pompage homogénéisée doit être introduite suivant un angle aigu par rapport à l'axe longitudinal du milieu laser (10), par les extrémités (18, 19) d'introduction de la lumière de pompage. Chaque extrémité du corps (27) formant le milieu laser (10) est élargie en forme de cône tronqué (28,29). Comme cela est montré à la figure 3, la surface extérieure du milieu laser présente un polissage optique (15). Sur le polissage optique (15), on a appliqué un revêtement optique réfléchissant (16) qui reflète de manière sélective la lumière de pompage. Le milieu laser (10) présente, en-dessous du polissage (15), une enveloppe extérieure (14) dopée aux ions et qui permet d'absorber l'émission spontanée. Si l'on utilise l'Erbium en tant qu'ion actif laser, on pourrait par exemple utiliser du Dysprosium ou du Thulium. L'épaisseur de l'enveloppe extérieure (14) et le niveau de son dopage sont conçus de telle manière qu'ils permettent d'obtenir en phase laser une température quasiment équivalente dans l'enveloppe extérieure (14) et dans le reste du milieu laser (10). L'effet d'absorption de l'émission spontanée fait que l'enveloppe extérieure (14) s'échauffe à une température comparable à celle du reste du milieu laser (10). L'enveloppe extérieure (14) qui fait partie du milieu laser (10) peut, en dérogation par rapport à ce qui est représenté sur la figure, être un enrobage ou une couche déposée ultérieurement, par exemple par vaporisation.

Le milieu laser (10) est dopé à l'erbium. Il serait également possible d'employer du thulium ou du holmium pour obtenir une lumière laser dans un domaine de longueurs d'onde à sécurité oculaire aux environs de 2pm.

En principe, il est également possible d'employer du néodyme ou de l'ytterbium pour obtenir un faisceau dans un domaine de longueurs d'onde en dehors du domaine de sécurité oculaire aux environs de 1,06 pm.

Pour le milieu laser, on peut employer un monocristal dopé ou une céramique transparente. Le milieu laser peut être polycristallin ou amorphe. Dans l'exemple d'exécution présenté ici, le milieu laser est constitué par un YAG céramique qui est, comme cela a déjà été présenté, dopé à l'erbium.

L'objet du paragraphe suivant est de décrire le fonctionnement d'un laser à capacité calorifique : • On active dans un premier temps la lumière de pompage. La source de pompage est constituée par des diodes laser. La lumière émise est concentrée et homogénéisée par une fibre optique creuse dont l'intérieur est réfléchissant. • Le milieu laser 10 présente une longueur de 10 cm, ce qui permet une absorption optimale de la lumière de pompage lors de son passage. • Maintenant, le milieu laser 10 émet le rayonnement laser souhaité. En même temps, le milieu laser est échauffé par la chaleur déposée dans le milieu lors de l'émission laser. • On utilise un dispositif d'arrêt 50 qui permet d'interrompre le mode laser dès que la différence de température maximale relative rapportée à la température moyenne (Tmoyenne) du milieu laser exprimée en Kelvin est de 6% en différents points du milieu laser sur les axes longitudinal et transversal. • La figure 5 illustre ce phénomène : exemple d'un milieu laser dopé de manière homogène sur le plan radial, avec dopage variable sur le plan axial, comme présenté la figure 2. Le facteur OT = (Tmax-Tmin)/Tmoyen représente la différence relative de température, Tmin et Tmax apparaissant aux extrémités du barreau et au milieu du barreau. Le choix du profil de dopage permet d'obtenir une répartition homogène de la température au sein du milieu laser 10 après une durée de fonctionnement tN, comme au début du fonctionnement, la température ayant toutefois augmenté. Ensuite, la valeur de AT recommence à augmenter. Au point tN, la pente de la courbe change de signe. Le choix d'un dopage adapté permet de fixer le point TN de telle manière qu'il se situe à environ 2/3 de la durée de fonctionnement souhaitée pour le milieu laser. Ainsi, au bout d'environ 1/3 de la durée de fonctionnement, AT atteint un niveau à peu près équivalent à celui qu'il a en fin de la durée de fonctionnement, au point de mise hors circuit désigné par tA. La durée de fonctionnement est de l'ordre de 0,1 à 5 secondes. • Comme cela est montré en figure 6, le dispositif d'arrêt 50 comprend un calculateur de dépouillement 51 connecté à un premier capteur de température TI et à un second capteur de température T2. Ceux-ci permettent de mesurer la température en deux points distincts du milieu laser 10. Les capteurs de température TI et T2 déterminent la température par effet pyrométrique. Le calculateur de dépouillement 51 permet également de traiter le paramètre de la puissance de pompage Pp et le paramètre de la puissance laser PL. L'intégrale temporelle sur la différence entre la puissance de pompage et la puissance laser permet au calculateur de dépouillement 51 de calculer la température moyenne. Ces informations permettent de tracer la courbe présentée en figure 5. • Comme cela est présenté en figure 1, le laser à capacité calorifique présente un barillet 60, semblable à celui d'un revolver, et qui contient plusieurs milieux laser 101, 102, 103, ainsi que d'autres milieux laser non représentés sur la figure. La figure ne présente pas de détails concernant le dispositif de chargement et de déchargement ou le système de refroidissement. Le dispositif d'arrêt 50 décrit en figure 6 permet d'interrompre le mode laser grâce au commutateur 52. La figure 5 montre où se trouve le point d'arrêt tA. Suite à cela, le milieu laser échauffé 10 est remplacé par un milieu laser refroidi, représenté en 101 à la figure 1.

Le laser à capacité calorifique décrit dans ce document permet d'appliquer un facteur d'échelle sans aucune difficulté. En effet, tous les paramètres de fonctionnement, à savoir principalement l'échauffement cinétique, la durée de fonctionnement ou l'efficience dépendent uniquement de l'intensité de pompage et de laser. Une augmentation de la section permet d'appliquer le facteur d'échelle nécessaire, tout en conservant l'intensité de pompage. Si le profil du milieu laser est comparable à lalongueur, il est possible de réduire le dopage de tous les types de milieux laser ne nécessitant pas de dopage minimal - comme par exemple l'erbium à pompage résonnant - ceci permettant d'allonger encore la longueur d'absorption. Ainsi, on conserve les avantages que présente la géométrie du milieu laser - hauteur de profil inférieure à sa longueur -tout en augmentant la durée de fonctionnement grâce à l'accroissement de la capacité calorifique. Concernant les milieux laser présentant une haute durée de vie d'excitation - comme par exemple 7 ms pour l'erbium en YAG -il est possible d'intégrer un Q-switch pour obtenir une émission pulsée du laser. Dans un exemple d'exécution autre que celui représenté ici, le laser à capacité calorifique peut être utilisé comme amplificateur d'un faisceau laser. La modulation de la lumière de pompage sur une fréquence de résonance des oscillations de relaxation du laser permet également de réaliser une génération d'impulsion. Cette méthode est efficace pour générer des impulsions, sans qu'elle apporte pour autant une trop forte augmentation de puissance - celle-ci étant d'un facteur de 5 à 50.

Claims

Revendications

1. Laser à capacité calorifique (1) présentant un milieu laser solide (10), au moins une source de pompage (20,24) apte à émettre un rayonnement de pompage et une cavité optique (31, 32) caractérisé en ce qu'il comporte : • Au moins un dispositif (21,25) apte à homogénéiser le rayonnement de pompage, • un milieu laser (10) dopé comportant un corps (27) avec une première et une deuxième extrémités (18, 19) et présentant un étirement dans la longueur (I) de plus de 6 cm et sa hauteur en coupe (d) est inférieure à son étirement dans la longueur (I), • éventuellement, des premier moyens (22) de guidage d'un rayonnement de pompage en direction d'une première extrémité (18) du milieu laser (10), et en ce que, d'une part, la concentration du dopage dans le milieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau de ladite première extrémité et croissant jusqu'au centre du milieu laser et, d'autre part, soit la cavité comporte une optique de formation de faisceaux (40) apte à assurer l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser et la concentration du dopage du milieu laser est uniforme radialement, soit la cavité ne comporte pas d' optique de formation de faisceaux (40) et apte à assurer l'homogénéisation du faisceau laser dans la phase laser et le milieu laser a une concentration en dopage qui varie radialement, la répartition radiale du dopage du milieu laser (10) étant définie de telle manière que le dopage augmente radialement du bord vers le centre du corps (27).

2. Laser à capacité calorifique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration du dopage dans le milieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau de chacune des première et seconde extrémités du milieu laser et augmentant vers le centre du corps (27), et en ce qu'il comporte, éventuellement, des seconds moyens (23) de guidage d'un rayonnement de pompage en direction d'une seconde extrémité (19) du milieu laser (10).

3. Laser à capacité calorifique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le milieu laser (10) est dopé Erbium, Thulium ou Holmium.

4. Laser à capacité calorifique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'arrêt (50) apte à interrompre l'effet laser au plus tard lorsque la différence de température relative maximale (AT) atteint 6% par rapport à la température moyenne du milieu laser (10) en degrés Kelvin, mesurée en différents points du milieu laser (10), sur l'axe des abscisses comme des ordonnées.

5. Laser à capacité calorifique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif d'arrêt (50) comporte un calculateur de dépouillement (51), connecté, d'une part, à un premier capteur de température (TI) et à un second capteur de température (T2) aptes à mesurer la température du milieu laser (10) en deux points différents et, d'autre part, à des capteurs du niveau de pompage (Pp) et de la puissance laser (PL).

6. Laser à capacité calorifique (1) selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif (21,25) apte à homogénéiser le rayonnement de pompage est constitué par une fibre optique creuse dont l'intérieur est réfléchissant ou une fibre optique homogène et transparente.

7. Laser à capacité calorifique(1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, à partir de ladite première extrémité (18) le rnilieu laser à une forme de cône tronqué (28) dont la base est constituée par ladite première extrémité (18). 25

8. Laser à capacité calorifique(1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, à partir de ladite première extrémité (18) le rnilieu laser à une forme de cône tronqué (28) dont la base est constituée par ladite première extrémité (18) et en ce que à partir de ladite seconde extrémité (19) le milieu laser à 30 une forme de cône tronqué (29) dont la base est constituée par ladite seconde extrémité (19) .

9. Laser à capacité calorifique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface extérieure (17) du milieu laser (10) comporte un polissage optique (15).20

10. Laser à capacité calorifique (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que un revêtement optique réfléchissant (16) apte à refléter de manière sélective le rayonnement de pompage recouvre le polissage optique (15).

11. Laser à capacité calorifique (1) selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le milieu laser (10) comporte, sous le polissage, une enveloppe extérieure (15), dopée avec des ions aptes à absorber l'émission spontanée du milieu laser.

12. Laser à capacité calorifique (1) selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe extérieure (14) et le niveau de son dopage sont aptes à permettre l'obtention, en phase laser, d'une température quasirnent équivalente dans l'enveloppe extérieure (14) et dans le reste du milieu laser (10). 15

13. Laser à capacité calorifique (1) selon quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un barillet (60) possédant plusieurs milieux laser et un dispositif de chargement et de déchargement, celui-ci étant apte à permettre le remplacement d'un milieu laser échauffé (10) par un milieu laser non échauffé (101, 20 102, 103).

14. Milieu laser (10) dopé comportant un corps (27) avec deux extrémités (18, 19), caractérisé en ce que ce corps (27) présente un étirement dans la longueur (I) de plus de 6 cm et sa hauteur en coupe (d) est inférieure à son étirement dans la 25 longueur (I), et en ce que la concentration du dopage dans le rnilieu laser varie axialement, cette concentration étant plus faible au niveau d'au moins l'une des dites extrémités et croissant jusqu'au centre du milieu laser.

15. Milieu laser (10) selon la revendication 14, caractérisé en ce que la concentration en 30 dopage varie radialement, la répartition radiale du dopage du milieu laser (10) étant définie de telle manière que le dopage augmente du bord vers le centre.

16. Milieu laser (10) selon l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que, à partir de ladite première extrémité (18) le milieu laser à une forme de cône 10tronqué (28) dont la base est constituée par ladite première extrémité (18) et, éventuellement, à partir de ladite seconde extrémité (19) le milieu laser à une forme de cône tronqué (29) dont la base est constituée par ladite seconde extrémité (19).

17. Milieu laser (10) selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le milieu laser (10) est dopé Erbium, Thulium ou Holmium.

18. Milieu laser (10) selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que sa surface extérieure (17) comporte un polissage optique (15) et est, éventuellement, recouverte par un revêtement optique réfléchissant (16), apte à refléter de manière sélective le rayonnement de pompage, recouvre le polissage optique (15).

19. Milieu laser (10) selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte, sous le polissage, une enveloppe extérieure (14), dopée avec des ions aptes à absorber l'émission spontanée du milieu laser.

20. Milieu laser (10) selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe extérieure (14) et le niveau de son dopage sont aptes à permettre l'obtention, en phase laser, d'une température quasiment équivalente dans l'enveloppe extérieure (14) et dans le reste du milieu laser (10).