WO1988006811A1 - Generateur laser a modes verrouilles en phase - Google Patents

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WO1988006811A1
WO1988006811A1 PCT/FR1988/000100 FR8800100W WO8806811A1 WO 1988006811 A1 WO1988006811 A1 WO 1988006811A1 FR 8800100 W FR8800100 W FR 8800100W WO 8806811 A1 WO8806811 A1 WO 8806811A1
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laser
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Alain Barthelemy
Serge Maneuf
Claude Froehly
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
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    • H01S2301/085—Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum solitons
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    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape

Definitions

  • the subject of the present invention is a laser generator with modes locked in phase, comprising a resonant cavity delimited by a rear reflecting mirror, and a semi-reflecting output mirror.
  • FIG. 1 schematically shows in a conventional laser source the arrangement of a rear mirror 1 and of an exit mirror 2 which define between them a path of length L during which the light passes through the amplifying active medium 3.
  • the nature and the geometry of the active medium 3 are not indicated in a limiting manner in FIG. 1.
  • the shape of the light intensity i ( t) as a function of time is represented in FIG. 3.
  • the correlation time dt which represents the inverse of the spectral width f of the transmitted signal, is indicated in FIG. 3.
  • the frequency spectrum I (f) of the periodic noise i (t) of FIG. 3 is represented in FIG. 4.
  • the frequency spectrum corresponding to a conventional laser emission comprises several groups of equidistant lines whose periodicity df is the inverse of that (T) of the time signal i (t).
  • df c / 2L (2) where L represents the distance between the two mirrors 1 and 2 and c is The speed of Light.
  • the intensities and the phases of the groups of equidistant lines are distributed randomly. It is therefore through a certain abuse of language that the frequency groups on which the laser energy is concentrated are called "modes".
  • modes In a conventional laser emission, of the noise type The amplitude of the power fluctuations in Noise is equal to the average power P of the radiation.
  • the laser emission regime represented in FIGS. 5 and 6 is generally designated by the terms "synchronization, phase lock or lock of the oscillator modes". In this type of laser emission, the energy is concentrated in narrow pulses much more powerful than the average power and being able to present a maximum power PN P. (T / dt) C3) where T ax —— represents The period 2L / c of the relation (1 ) and dt represents the inverse of the spectral width k f.
  • a blocking in so-called “passive” phase is carried out by introducing into the cavity a medium whose transparency changes as a function of the light intensity. It is a mixture of dye and solvent (chlorobenzene, dichloroethane, etc.) called “saturable absorbent”.
  • This Liquid contained in a cell, has a low transparency at low lighting level, then a transparency which becomes very high when the incident intensity exceeds a characteristic value: the intensity of saturation. A light pulse whose intensity exceeds this threshold is transmitted with negligible attenuation.
  • the emission of pulsed lasers in blocked modes is in the form of a series of fifteen brief pulses (30 ps) spaced about 10 ns and whose amplitude is modulated by an envelope of Gaussian time profile .
  • the most powerful impulse carries energy of the order of mJ.
  • the saturable absorbent solution wears out and must be renewed frequently (every 40 hours of use approximately),. these absorbents exist only for a few emission wavelengths in a limited number, and cannot be suitable for all types of laser,
  • a device if the pumping repetition rate exceeds 1 Hz, a device must be provided to circulate the dye.
  • the method of synchronizing the modes of the laser emission consists in periodically modulating the losses of the cavity at a frequency equal to c / 2L according to the above-mentioned relation C2), by means of an acoustical modulator. optical. Only The light signal in phase with this modulation can be amplified, the emerging laser beam then consists of a continuous series of brief light pulses, for example of the order of 100 picoseconds for YAG / Nd and Argon lasers, which are spaced for example 10 nanoseconds. The energy of each of these
  • phase locking of the modes of a continuous laser generator also has drawbacks.
  • each pulse emitted results from a large number of back and forth movements in the laser cavity.
  • the modulation frequency of the acousto-optical element C (which is generally between 80 and 100 MHz) must always correspond exactly to the inverse of a time of back and forth in the oscillator. It follows that the stability of the modulator must be extremely stable, remaining accurate to about ten hertzs.
  • the microwave sources used must then be stabilized by quartz and the modulation frequency must also be periodically readjusted to take account of variations in length of the cavity due to variations in temperature.
  • the technique of acousto-optics and its modulation source is expensive.
  • a device called “soliton laser” has been proposed.
  • a laser generator with synchronized modes with colored centers comprising conventional acousto-optical means of additional active modulation, is coupled with a second cavity called “soliton pulse” to effect regulation external to the main laser cavity of the generator.
  • the external regulation loop comprises a non-modal nonlinear dispersive fiber in which propagates a picosecond pulse.
  • iL is necessary that the basic laser generator is of the continuous type with a wavelength greater than 1.3 j ⁇ i.
  • Such a device has all the aforementioned drawbacks of continuous laser generators with synchronized modes, in particular the need to use an additional active modulation of the acousto-optical type, and involves the implementation of a second cavity external to the cavity of the. basic laser generator, using an optical fiber non-linear dispersive. The device is therefore complex, bulky, delicate to develop and can only be applied to a well-defined type of laser generator.
  • the object of the present invention is to remedy the abovementioned drawbacks and to produce a laser generator with locked modes in the simple and safe design phase, which does not require frequent readjustments after the initial settings, which can operate over a very wide range of lengths. wave and improves power stability between successive pulses, due to its operating principle.
  • a laser generator of the type mentioned at the head of the description characterized in that it further comprises a device for locking in phase the modes of the laser generator, placed between the amplifying active medium and the rear reflecting mirror. and comprising on the one hand, a non-linear non-dispersive medium placed in contact with said rear mirror and on the other hand, means for transforming a Gaussian beam with symmetry of revolution from the amplifying medium into a beam of morphology adapted to La soliton propagation in said nonlinear medium.
  • the present invention is applicable to laser generators of the continuous type as well as to laser generators of the pulsed type, whatever the wavelength.
  • Intermodal synchronization is ensured by the soliton propagation itself carried out inside the cavity of the basic laser generator and iL is not necessary to add to the basic laser generator neither additional modulator nor additional laser cavity.
  • the pulsed quasi-monochromatic beam is propagated in a non-linear non-dispersive medium.
  • the means for transforming a Gaussian beam comprise an interference device for dividing the amplitude of the laser beam to form two secondary waves, a spatial filter and an afocal system arranged on the path of the two secondary waves, to form on the face input of the non-linear medium opposite the rear mirror a reduced image of the interference figure created in the interference device for amplitude division.
  • the interference device, the afocal system and the spatial filter can themselves be produced in various ways.
  • the means for transforming a Gaussian beam comprise a WoLLaston biprism, a half-wave blade arranged on the path of one of the two secondary waves formed by the Wollaston biprism, a first converging lens, a spatial filter and a second converging lens.
  • the means for transforming a Gaussian beam comprise a WoLLaston biprism, a half-wave plate disposed on the path of one of the two secondary waves formed by WoLLaston biprism, first and second mirrors arranged on the paths of the two secondary waves to make them convergent and a spatial filter placed in front of the non-linear medium.
  • the means for transforming a Gaussian beam comprise an interference device constituted by a network or a hologram creating two secondary waves, a first converging lens, a spatial filter and a second converging lens.
  • the means for transforming a Gaussian beam further comprise a cylindrical lens whose focal point coincides with the entry face of the non-linear medium to form on this face an interference zone having the shape of a very rectangular elongate.
  • the non-linear place can be constituted by a tank containing a homogeneous non-linear material such as carbon disulphide and having a transparent entry face as well as a face opposite to the entry face which is closed by the reflecting mirror. back.
  • a homogeneous non-linear material such as carbon disulphide
  • the non-linear medium includes a transverse single-mode non-linear planar guide consisting of two layers of a transparent dielectric material of low refractive index enclosing a non-linear material of higher refractive index, and the rear mirror is in contact with the planar non-linear guide perpendicular to the different layers making up this guide.
  • the amplifying active medium can consist of a semiconductor laser diode having an anti-reflection treated output face and the means for transforming a Gaussian beam include a converging lens interposed between the laser diode and the non-reflective medium. linear plane single transverse mode.
  • the amplifying medium can also comprise a network of laser diodes implanted on the same substrate and having an anti-reflection treated output face, and the means for transforming a Gaussian beam include an optical system consisting of an afocal device and 'A spatial filter to produce a simple image of the output face of the diode array on the input face of the non-linear guide, so as to excite only a higher order mode.
  • FIG. 1 symbolically represents a conventional laser generator with independent modes
  • FIG. 2 symbolically represents a conventional laser generator with synchronized modes
  • FIGS. 3 and 4 respectively represent the temporal structure and the spectral structure of a laser emission in independent modes, that is to say show the curves giving the intensity i (t) of the laser beam emitted as a function of time t and
  • Figures 5 and 6 respectively represent La time structure and spectral structure of a laser emission in synchronized modes and show curves giving Intensity i (t) as a function of time t and Intensity I (f) as a function of frequency f in a parallel manner to the curves of FIGS. 3 and 4, FIG.
  • FIG. 7 shows in perspective the soliton self-confinement of a laser beam in a medium with non-linearity Kerr
  • FIG. 8 shows in perspective an example of a laser generator whose modes are locked in phase by soliton beam in accordance with the present invention
  • FIG. 9 shows an example of the form of electrical signal delivered by a fast response photodetector from a laser emission with phase locked modes produced in accordance with the invention.
  • FIG. 10 shows in perspective an example of a flat non-linear guide usable in a laser generator according to the invention
  • FIGS. 11 to 13 schematically show three exemplary embodiments of phase-locking devices for the modes of a laser generator, using soliton propagation in a non-linear medium, and
  • FIGS. 14 and 15 schematically show laser generators with modes locked in phase by soliton beam, using respectively a laser diode and an array of laser diodes.
  • non-linear material means a material whose refractive index varies as a function of the intensity of the light beam passing through this material (optical Kerr effect). Optical non-linearity is also often referred to as "self-induced variation in the refractive index”.
  • An essential means of the present invention lies in the implementation of a soliton propagation for a particular purpose which makes it possible to achieve phase locking of the modes of a laser generator.
  • a soliton propagation for a particular purpose which makes it possible to achieve phase locking of the modes of a laser generator.
  • Figure 8 shows an example of a device for implementing the present invention.
  • FIG. 8 thus shows a laser generator with an output mirror 2, the transmission rate of which may for example be 35%, which is crossed by an output laser beam 8 in synchronized modes.
  • An active amplifying medium 3 for example a neodymium-doped glass rod pumped by flashes, which can be operated for example on a diameter of 5 mm, is conventionally interposed between the output mirror 2 and a fully reflecting rear mirror 1.
  • a cell of a non-dispersive linear medium 5 for example a tank containing a Kerr liquid such as carbon disulfide is placed in such a way that the rear mirror 1 of the resonant cavity is in contact with the non-linear cell.
  • the mirror 1 can thus directly constitute one of the faces of the tank containing the Kerr Liquid 5.
  • Different optical elements conventional in themselves, are interposed between the amplifying medium 3 and the non-linear medium 5 to transform the main laser beam passing through the amplifying medium 3, so that this beam, which usually exhibits symmetry of revolution and substantially Gaussian, or transformed into a beam of morphology conducive to soliton propagation on the entry face of the non-linear medium 5 opposite the rear mirror 1.
  • FIG. 8 a bi-prism of WoLLaston 11 which creates an interference figure and divides the main laser beam 20 into two secondary beams 21, 22.
  • a half-wave plate 12 is placed on one of the secondary beams to make parallel The orthogonal polarizations created by The Wollaston prism 11.
  • Two convergent circular lenses 13, 15 produce an afocal system which forms a reduced image (for example of a factor of four) of the interference figure created in the bi-prism of WoLLaston 11.
  • a cylindrical lens 16, the focus of which coincides with the plane of the entry face of cell 5 confines the light beam along the horizontal dimension so as to give the interference zone the shape of a very elongated rectangle (as in FIG. 7 ) .
  • a spatial filter 14 placed between the lenses 13, 15 contributes to filtering the power of the laser beam.
  • the soliton beam does not exist: the rear mirror 1 receives a divergent cylindrical wave which does not correspond to a mode of the resonant cavity. At soliton power, the rear mirror 1 receives a parallel beam capable of going back and forth without distortion between the mirrors 1 and
  • the oscillator produces a sequence of periodic pulses of powers equal to the soliton power, at the transmission factor near the output mirror 2. If the illumination is too weak The beam diverges. If the illumination is higher than that desired, there is the appearance of a chaotic process, l 1 autofocusing, which destroys the spatial and temporal coherence of the radiation. There is therefore a limit both upper and lower than the power necessary to generate the self-guided propagation of a geometric soliton structure and therefore to the power of the pulses emitted by the laser generator.
  • the proposed technique consisting in introducing into the laser generator a device based on lenses and polarization components in order to transform a Gaussian beam with symmetry of revolution into a beam of adequate morphology, as well as a tank containing Kerr's liquid 5 and one of the mirrors 1 of the cavity has all of the following advantages:
  • the device is adjusted once and for all and should not require frequent intervention.
  • the device can operate over a very wide range of wavelengths (visible-near infrared). - The stability in power between successive pulses is improved due to the very principle of operation.
  • FIG. 10 represents an example of an electrical signal delivered by a nanosecond response photodetector receiving a laser emission with phase locked modes according to the invention.
  • Different conventional optical combinations can be used to transform a usual beam with symmetry of revolution into a beam of morphology suitable for soliton propagation as it should appear at the entrance to the non-linear medium 5.
  • Each of these combinations can give rise to a different configuration of laser cavity.
  • a first configuration which corresponds to the embodiment of FIG. 8, has been shown in enlarged form in FIG. 11.
  • the lenses 13, 15 of FIG. 11 are replaced by two mirrors 113, 115 intended to make the secondary beams 21, 22 converging formed by a Wollaston bi-prism 111 similar to the corresponding element 11 in FIG. 11.
  • the half-wave plate 112 placed on one of the secondary beams 21, 22 aims to make the polarizations of the beams 21, 22 parallel.
  • the cylindrical lens 116 plays the same role as the lens 16 in FIG. 11.
  • a filtering slot 114 is placed in front of the non-linear medium 5.
  • a network or a hologram 211 is placed on the main beam 20 to form a network of interference fringes, and replaces the whole of the bi-prism of Wollaston 11 and La Lame demi -wave 12 of FIG. 11.
  • the elements 213 to 216 can be similar to the elements 13 to 16 of FIG. 11.
  • a homogeneous non-linear medium constituted for example by a filled tank Kerr liquid 5.
  • a planar non-linear guide 50 as shown in FIG. 10, can replace the homogeneous non-linear material located in contact with the rear mirror 1 in the diagram of FIGS. 8 or 11 to 13.
  • soliton autoguiding in a plane is associated with guidance in the perpendicular plane, through the walls (horizontal in this example) of a plane guide of light waves.
  • This planar optical guide consists of two layers 51, 52 of transparent dielectric of low index n., Which serves as a sheath, and which encloses the non-linear medium 52 (Kerr) of index higher than n, forming the core.
  • the characteristic dimensions of the incident beam are chosen so that only one mode of the guide (higher order mode or fundamental mode) is excited.
  • the index n ⁇ of the layers 51, 53 is greater than the index no of the ambient medium in which the guide 50 is placed but in all cases remains less than the variable index of the layer 52.
  • the use of a non-linear guide plane 50 is particularly advantageous When it is necessary to lower the threshold for formation of the soliton beam, for example in the case where the amplifying active medium 3 is pumped continuously and therefore generates lower powers.
  • the non-linear material used to cooperate with the rear mirror 1 of the resonant cavity must have good transparency at the emission wavelength, have a high coefficient of variation of the refractive index. with the intensity and have a response time of the Kerr effect less than the reciprocal duration of the amplification band of the amplifying medium.
  • the present invention is also applicable to laser generators of the semiconductor laser type. In this case, it is necessary to use a flat non-linear guide similar to that of figure 10.
  • a laser diode 30 In the case of a laser diode 30, this must have a face 31 treated with anti-reflection and a lens 314, for example sphero-cylindrical is disposed between the diode 30 and the non-linear planar guide 50 associated with the rear mirror 1 to adapt the beam to optimal injection into the non-linear transverse single-mode plane guide 50.
  • the diode 30 has a cleaved face 32 opposite the face 31 treated with anti-reflection.
  • FIG. 15 shows a laser generator in which an array of laser diodes 130 are installed on the same substrate and having a face 131 treated with anti-reflection.
  • An optical system 13, 14, 15 made up of elements similar to the corresponding elements in FIG. 11 produces a simple image of the face 131 of the array of laser diodes 130 on the input face of the non-linear guide 50, so as to excite only a higher order mode.

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Abstract

Le générateur laser comprend un dispositif de verrouillage en phase des modes du générateur laser, placé entre le milieu actif amplificateur (3) et le miroir réfléchissant arrière (1) et comprenant d'une part, un milieu non-linéaire (5) non-dispersif placé en contact avec ledit miroir arrière (1) et d'autre part, des moyens (11 à 16) pour transformer un faisceau gaussien à symétrie de révolution issu du milieu amplificateur en un faisceau de morphologie adaptée à la propagation soliton dans ledit milieu non-linéaire(5). L'invention évite l'utilisation de modulateurs de type acousto-optique et peut s'appliquer à une très large plage de longueurs d'onde.

Description

Générateur laser à modes verrouillés en phase.
La présente invention a pour objet un générateur Laser à modes verrouillés en phase, comprenant une cavité résonnante délimitée par un miroir réfléchissant arrière, et un miroir semi-réfléchissant de sortie.
La figure 1 montre schématiquement dans une source laser classique la disposition d'un miroir arrière 1 et d'un miroir de sortie 2 qui définissent entre eux un trajet de longueur L au cours duquel la lumière traverse le milieu actif amplif cateur 3. Compte tenu de l'existence de divers types de sources laser, la nature et la géométrie du milieu actif 3 ne sont pas indiquées de façon limitative sur la figure 1.
Dans une source laser classique, qui constitue un oscillateur, en raison des multiples allers-retours de la lumière dans la cavité résonnante de l'oscillateur, et en l'absence de précautions particulières, la structure temporelle d'une émission laser est celle d'un bruit périodique de période T = 2L/c (1) où L représente la distance entre les deux miroirs 1 et 2 et c est la vitesse de la lumière. La forme de L'intensité lumineuse i (t) en fonction du temps est représentée sur La figure 3. On a indiqué sur la figure 3 le temps de corrélation dt qui représente l'inverse de la Largeur spectrale f du signal émis. Le spectre de fréquences I (f) du bruit périodique i (t) de la figure 3 est représenté sur la figure 4. On voit que le spectre de fréquences correspondant à une émission laser classique comporte plusieurs groupes de raies équidistantes dont La périodicité df est l'inverse de celle (T) du signal temporel i (t). On a ainsi df = c/2L (2) où L représente la distance entre les deux miroirs 1 et 2 et c est La vitesse de La Lumière. Toutefois, dans Le cas du spectre de fréquences de La figure 4, Les intensités et Les phases des groupes de raies équidistantes se répartissent au hasard. C'est donc par un certain abus de langage que les groupes de fréquences sur lesquelles se concentre l'énergie Laser sont appelés "modes". Dans une émission laser classique, du type bruit périodique, l'amplitude des fluctuations de puissance dans Le bruit est égale à la puissance moyenne P du rayonnement.
On a par ailleurs déjà proposé de synchroniser les modes d'une émission laser par différents moyens, symbolisés par le rectangle 4 sur le schéma de source Laser de la figure 2, lesquels moyens reviennent tous à moduler périodiquement Les pertes ou le gain dans la cavité résonnante à la fréquence df = c/2L des allers-retours de La lumière entre les miroirs 1 et 2, telle que définie dans la relation (2). Ceci favorise périodiquement l'amplification préférentielle de certaines régions du bruit périodique i (t) . Ainsi, une séquence particulière, de durée T , d'impulsions espacées de la période T = 2L/c se dégage progressivement du bruit et grandit au détriment des "régions ne possédant pas la phase optimale. Le signal laser d'intensité i Ct) perd son caractère aléatoire et prend la forme régulière représentée sur la figure 5. Le spectre de fréquences I (f) prend également la forme régulière représentée sur la figure 6 avec des séquences de pics espacés régulièrement de la distance df = c/2L et présentant chacun une largeur 1/To. On désigne généralement le régime d'émission laser représenté sur les figures 5 et 6 par les termes "synchronisation, blocage en phase ou verrouillage des modes de l'oscillateur". Dans ce type d'émission laser, l'énergie est concentrée en impulsions étroites beaucoup plus puissantes que la puissance moyenne et pouvant présenter une puissance maximale P N P. (T/dt) C3) où T ax —— représente La période 2L/c de la relation (1) et dt représente l'inverse de la largeur spectrale k f.
A titre d'exemple, une émission de puissance moyenne
P = 1 watt produite par un cristal de YAG dopé au néodyme (avec p f = 10 Hz) dans une cavité résonnante de longueur 1,5 m contient des impulsions de puissance crête de l'ordre de 1000 watts.
L'obtention de puissances instantanées élevées à partir d'énergies moyennes beaucoup plus faibles permet d'élargir le champ d'application des sources laser et l'utilisation d'une émission laser du type à modes verrouillés en phase présente ainsi un intérêt grandissant en pratique.
Toutefois, les différentes solutions connues pour réaliser une émission Laser à modes verrouillés en phase ne sont pas actuellement pleinement satisfaisantes. Ainsi, avec des générateurs laser de type puisé, pour
Lesquels le milieu amplificateur est pompé par flash, on réalise un blocage en phase dit "passif" en introduisant dans la cavité un milieu dont la transparence évolue en fonction de l'intensité lumineuse. IL s'agit d'un mélange de colorant et de solvant (chlorobenzène, dichloroéthane, etc..) nommé "absorbant saturable". Ce Liquide, contenu dans une cellule, présente une tranparence faible à bas niveau d'éclairement, puis une transparence qui devient très élevée lorsque L'intensité incidente dépasse une valeur caractéristique : l'intensité de saturation. Une impulsion Lumineuse dont l'intensité dépasse ce seuil est transmise avec une atténuation négligeable. L'émission des lasers puisés à modes bloqués se présente sous La forme d'une suite d'une quinzaine d'impulsions brèves (30 ps) espacées d'environ 10 ns et dont l'amplitude est modulée par une enveloppe de profil temporel gaussien. L'impulsion La plus puissante véhicule une énergie de l'ordre du mJ.
L'utilisation d'un mélange de colorant et de solvant pour réaliser un blocage en phase présente plusieurs inconvénients dont Les principaux sont les suivants : . le dosage du colorant est critique et peu stable dans le temps,
. la solution d'absorbant saturable s'use et doit être renouvelée fréquemment (toutes Les 40 heures d'utilisation environ), . ces absorbants n'existent que pour quelques longueurs d'ondes d'émission en nombre restreint, et ne peuvent convenir à tous les types de Laser,
. ces absorbants n'imposent pas de limite supérieure à l'intensité des impulsions laser, ce qui implique une mauvaise stabilité en puissance, et des risques de dégradation des éléments laser,
. si le taux de répétition du pompage dépasse 1 Hz i l faut prévo r un dispositif pour faire circuler le colorant.
Dans le cas de générateurs Lasers continus, on réalise généralement un blocage en phase dit "actif". Dans ce cas de pompage continu, le procédé de synchronisation des modes de l'émission laser consiste à moduler périodiquement les pertes de la cavité à une fréquence égale à c/2L selon la relation C2) précitée, au moyen d'un modulateur acousto-optique. Seul Le signal lumineux en phase avec cette modulation peut être amplifié, le faisceau laser émergeant est alors constitué d'une suite continue d'impulsions lumineuses brèves, par exemple de l'ordre de 100 picosecondes pour les lasers YAG/Nd et Argon, qui sont espacés par exemple de 10 nanosecondes. L'énergie de chacune de ces
—8 impulsions est de l'ordre de 10 J.
Ce type de verrouillage en phase des modes d'un générateur laser continu présente également des inconvénients. En effet, on sait que chaque impulsion émise résulte d'un grand nombre d'alLers-et-retours dans la cavité Laser. Or, La fréquence de modulation de l'élément acousto-optique Cqui est comprise en général entre 80 et 100 MHz) doit toujours correspondre exactement à l'inverse d'un temps d'alLer-et-retour dans l'oscillateur. Il s'ensuit que la stabilité du modulateur doit être extrêmement stable, en restant exacte à environ une dizaine de hertzs près. Les sources hyperfréquences utilisées doivent alors être stabilisées par quartz et La fréquence de modulation doit en outre être réajustée périodiquement pour tenir compte des variations de longueur de la cavité dues à des variations de température. Par ailleurs, d'une manière générale la technique de L'acousto-optique et de sa source de modulation est coûteuse.
Dans l'ensemble, les différents dispositifs de verrouillage en phase des modes d'un laser ne répondent pas à tous les desiderata de La pratique.
On connait encore, notamment par un article de A. Barthélémy, S. Maneuf et C. Froehly intitulé "propagation soliton et auto-confinement de faisceaux laser par non linéarité optique de Kerr", paru dans la revue "Optics Communications vol 55, n° 3 du 1er septembre 1985, pp. 201-206, un procédé pour réaliser une propagation stable, reproductible, de rayonnements Laser intenses en présence des variations auto-induites de l'indice de réfraction d'un milieu dont l'indice de réfraction dépend de L1intensité.
L'utilisation de l'effet soliton a toutefois été envisagée en pratique pour des applications très spécifiques telles que le raccourcissement d'impulsions picosecondes dans des fibres optiques monomodes, tel que décrit par exemple dans L'article de L.F.Mollenauer, R.H.Stolen et J.P.Gordan intitulé "Expérimental Observation of Picosecond Puise Narrowing and Solitons in Optical Fibers" paru dans la revue "Physical Review Letters" vol 45, n 13 du 29 septembre 1980, pp. 1095-1098.
Dans un article de L.F. Mollenauer et R.H. Stolen intitulé "The soliton laser" paru dans la revue "Optics Letters" vol. 9, No 1 de janvier 1984, pp. 13-15, il a été proposé un dispositif dénommé "laser à soliton". Selon cet article, un générateur laser à modes synchronisés à centres colorés, comprenant des moyens acousto-optiques classiques de modulation active supplémentaire, est couplé avec une seconde cavité dite "à impulsion soliton" pour effectuer une régulation externe à la cavité laser principale du générateur laser classique de base. La boucle de régulation externe comprend une fibre unimodale dispersive non-linéaire dans Laquelle se propage une impulsion picoseconde. Pour que La fibre possède une dispersion de signe approprié, iL est nécessaire que le générateur Laser de base soit de type continu avec une longueur d'onde supérieure à 1,3 jφi. Un tel dispositif présente tous les inconvénients précités des générateurs Laser continus à modes synchronisés, notamment La nécessité d'utiliser une modulation active supplémentaire du type acousto-optique, et implique La mise en oeuvre d'une deuxième cavité extérieure à la cavité du. générateur laser de base, avec utilisation d'une fibre optique dispersive non-linéaire. Le dispositif est donc complexe, encombrant, délicat à mettre au point et ne peut s'appliquer qu'à un type bien défini de générateur laser.
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités et de réaliser un générateur laser à modes verrouillés en phase de conception simple et sûre, qui ne nécessite pas de réajustements fréquents après les réglages initiaux, qui puisse fonctionner sur une très large plage de Longueurs d'onde et améliore la stabilité en puissance entre impulsions successives, du fait de son principe de fonctionnement.
Ces buts sont atteints grâce à un générateur laser du type mentionné en tête de la description, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de verrouillage en phase des modes du générateur laser, placé entre le milieu actif amplificateur et Le miroir réfléchissant arrière et comprenant d'une part, un milieu non-linéaire non dispersif placé en contact avec ledit miroir arrière et d'autre part, des moyens pour transformer un faisceau gaussien à symétrie de révolution issu du milieu amplificateur en un faisceau de morphologie adaptée à La propagation soliton dans ledit milieu non linéaire.
Ainsi, la présente invention est applicable aux générateurs laser de type continu aussi bien qu'aux générateurs laser de type puisé, quelle que soit la longueur d'onde. La synchronisation intermodale est assurée par La propagation soliton elle-même effectuée à L'intérieur de La cavité du générateur Laser de base et iL n'est nécessaire d'adjoindre au générateur laser de base ni modulateur supplémentaire, ni cavité laser supplémentaire. Le faisceau quasi-monochromatique puisé est propagé dans un milieu non-linéaire non dispersif. De façon plus particulière, selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un dispositif interférentiel de division d'amplitude du faisceau laser pour former deux ondes secondaires, un filtre spatial et un système afocal disposés sur Le trajet des deux ondes secondaires, pour former sur la face d'entrée du milieu non linéaire opposée au miroir arrière une image réduite de La figure d'interférences créée dans le dispositif interférentiel de division d'amplitude.
Le dispositif interférentiel, le système afocal et Le filtre spatial peuvent eux-mêmes être réalisés de diverses manières.
Ainsi, selon un premier exemple de mise en oeuvre les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un biprisme de WoLLaston, une Lame demi-onde disposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires formées par le biprisme de Wollaston, une première lentille convergente, un filtre spatial et une seconde Lentille convergente.
Selon un second exemple de mise en oeuvre, les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un biprisme de WoLLaston, une lame demi-onde disposée sur le trajet de l'une des deux ondes secondaires formées par Le biprisme de WoLLaston, des premier et second miroirs disposés sur Les trajets des deux ondes secondaires pour rendre celles-ci convergentes et un filtre spatial disposé devant le milieu non linéaire. Selon un troisième exemple de mise en oeuvre les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un dispositif interférentiel constitué par un réseau ou un hologramme créant deux ondes secondaires, une première lentille convergente, un filtre spatial et une seconde Lentille convergente. De préférence, les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent en outre une lentille cylindrique dont le foyer coïncide avec la face d'entrée du milieu non Linéaire pour former sur cette face une zone d'interférence ayant la forme d'un rectangle très allongé. Le m lieu non linéaire peut être constitué par une cuve contenant un matériau non linéaire homogène tel que du bisulfure de carbone et présentant une face d'entrée transparente ainsi qu'une face opposée à la face d'entrée qui est fermée par le miroir réfléchissant arrière. Toutefois, selon un autre mode de réalisation possible. le milieu non linéaire comprend un guide plan non linéaire monomode transverse constitué par deux couches d'un matériau diélectrique transparent de faible indice de réfraction enserrant un matériau non-linéaire d'indice de réfraction plus élevé, et le miroir arrière est en contact avec le guide non linéaire plan et perpendiculaire aux différentes couches constituant ce guide.
Dans ce cas, le milieu actif amplificateur peut être constitué par une diode Laser semi-conductrice présentant une face de sortie traitée anti-reflet et les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent une Lentille convergente interposée entre la diode laser et le milieu non linéaire plan monomode transverse.
Le milieu amplificateur peut encore comprendre un réseau de diodes laser implantées sur un mê e substrat et présentant une face de sortie traitée anti-reflet, et Les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un système optique constitué d'un dispositif afocal et d'un filtre spatial pour réaliser une simple image de La face de sortie du réseau de diodes sur la face d'entrée du guide non linéaire, de manière à n'exciter qu'un mode d'ordre supérieur.
D'autres caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur Lesquels : - la figure 1 représente de façon symbolique un générateur laser classique à modes indépendants, la figure 2 représente de façon symbolique un générateur laser classique à modes synchronisés,
- Les figures 3 et 4 représentent respectivement La structure temporelle et la structure spectrale d'une émission laser à modes indépendants, c'est-à-dire montrent les courbes donnant l'intensité i (t) du faisceau Laser émis en fonction du temps t et L'intensité I (f) du faisceau laser émis en fonction de la fréquence fr - Les figures 5 et 6 représentent respectivement La structure temporelle et la structure spectrale d'une émission Laser à modes synchronisés et montrent des courbes donnant L'intensité i(t) en fonction du temps t et L'intensité I (f) en fonction de la fréquence f d'une manière parallèle aux courbes des figures 3 et 4, - la figure 7 montre en perspective l'auto-confinement soliton d'un faisceau laser dans un milieu à non Linéarité Kerr, la figure 8 montre en perspective un exemple de générateur laser dont les modes sont verrouillés en phase par faisceau soliton conformément à la présente invention, - la figure 9 montre un exemple de forme de signal électrique délivré par un photodétecteur à réponse rapide à partir d'une émission Laser à modes bloqués en phase réalisée conformément à l'invention.
- la figure 10 représente en perspective un exemple de guide non-linéaire plan utilisable dans un générateur laser selon L' invention,
- les figures 11 à 13 montrent de façon schématique trois exemples de réalisation de dispositifs de verrouillage en phase des modes d'un générateur laser, utilisant La propagation soliton dans un milieu non linéaire, et
- Les figures 14 et 15 montrent de façon schématique des générateurs Laser à modes verrouillés en phase par faisceau soliton, mettant en oeuvre respectivement une diode laser et un réseau de diodes laser. On rappelle d'abord que l'expression "matériau non linéaire" signifie un matériau dont l'indice de réfraction varie en fonction de l'intensité du faisceau Lumineux qui traverse ce matériau (effet Kerr optique). La non linéarité optique est également souvent désignée par l'expression "variation autoinduite de l'indice de réfraction".
Un moyen essentiel de la présente invention réside dans la mise en oeuvre d'une propagation soliton dans un but particulier qui permet de réaliser un verrouillage en phase des modes d'un générateur Laser. On décrira tout d'abord brièvement en référence à La figure 7 L'auto-confinement soliton d'un faisceau laser dans un milieu 5 à non linéarité Kerr, tel que par exemple du bisulfure de carbone CCS-,) .
Si l'on considère un étroit faisceau laser de longueur d'onde À , de section rectangulaire b x a telle que b ^ a, modulé suivant La hauteur b par des interférences sinusoïdales, on constate que ce faisceau diverge horizontalement dans l'ouverture angulaire habituelle
Figure imgf000012_0001
= Λ a tant que sa densité de puissance reste inférieure à une valeur critique P , (tracé 6), mais que ce sol r faisceau engendre son propre guide d'ondes plan, vertical, qui annule exactement sa divergence horizontale Lorsqu'il atteint la puissance soliton P . (tracé 7). sol
Si des moyens particuliers sont introduits dans la cavité résonnante d'un générateur laser, ce phénomène reproductible dit "effet soliton", peut contribuer à assurer un verrouillage en phase des modes de l'émission Laser, tout en réalisant un filtrage de La puissance du Laser.
Ceci sera maintenant expliqué en référence à la figure 8 qui présente un exemple de dispositif permettant de mettre en oeuvre la présente invention.
On voit ainsi sur la figure 8, un générateur laser avec un miroir de sortie 2, dont le taux de transmission peut être par exemple de 35 %, qui est traversé par un faisceau laser de sortie 8 à modes synchronisés. Un milieu actif amplificateur 3, par exemple un barreau de verre dopé au néodyme pompé par flashs, pouvant être exploité par exemple sur un diamètre de 5 mm, est interposé de façon classique entre le miroir de sortie 2 et un miroir arrière totalement réfléchissant 1.
Conformément à l'invention, une cellule d'un milieu linéaire non dispersif 5, par exemple une cuve contenant un liquide de Kerr tel que du bisulfure de carbone est placée de telle manière que le miroir arrière 1 de la cavité résonnante soit en contact avec la cellule non-linéaire. Le miroir 1 peut ainsi constituer directement l'une des faces de la cuve contenant le Liquide de Kerr 5. Différents éléments optiques, classiques en eux-mêmes, sont interposés entre le milieu amplificateur 3 et le milieu non-linéaire 5 pour transformer le faisceau laser principal traversant le milieu amplificateur 3, de manière que ce faisceau, qui présente de façon usuelle une symétrie de révolution et sensiblement gaussienne, soit transformé en un faisceau de morphologie propice à la propagation soliton sur la face d'entrée du milieu non-Linéaire 5 opposée au miroir arrière 1.
A titre d'exemple, on voit sur La figure 8 un bi-prisme de WoLLaston 11 qui crée une figure d'interférences et divise Le faisceau Laser principal 20 en deux faisceaux secondaires 21, 22.
Une lame demi-onde 12 est placée sur L'un des faisceaux secondaires pour rendre parallèles Les polarisations orthogonales créées par Le prisme de Wollaston 11. Deux Lentilles circulaires convergentes 13, 15 réalisent un système afocal qui forme une image réduite (par exemple d'un facteur quatre) de la figure d'interférence créée dans le bi-prisme de WoLLaston 11. Une Lentille cylindrique 16, dont Le foyer coïncide avec Le plan de la face d'entrée de la cellule 5 confine le faisceau Lumineux suivant la dimension horizontale de manière à donner à La zone d'interférence la forme d'un rectangle très allongé (comme sur la figure 7). Un filtre spatial 14 placé entre les lentilles 13, 15 contribue à assurer un filtrage de la puissance du faisceau laser.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 8 est le suivant :
A basse puissance, le faisceau soliton n'existe pas : le miroir arrière 1 reçoit une onde cylindrique divergente qui ne correspond pas à un mode de La cavité résonnante. A La puissance soliton, le miroir arrière 1 reçoit un faisceau parallèle susceptible d'allers-retours sans distorsion entre les miroirs 1 et
2 de l'oscillateur. Le facteur de surtension de la cavité atteint donc son maximum à la puissance soliton. Si le milieu amplificateur
3 peut fournir cette puissance, l'oscillateur produit une séquence d'impulsions périodiques de puissances égales à la puissance soliton, au facteur de transmission près du miroir de sortie 2. Si l'éclairement est trop faible Le faisceau diverge. Si l'éclairement est supérieur à celui désiré, il y a apparition d'un processus chaotique, l1autofocalisation, qui détruit la cohérence spatiale et temporelle du rayonnement. Il existe donc une borne à la fois supérieure et inférieure à la puissance nécessaire pour engendrer la propagation autoguidée d'une structure soliton géométrique et donc à La puissance des impulsions émises par le générateur Laser.
La technique proposée consistant à introduire dans Le générateur Laser un dispositif à base de lentilles et de composants de polarisation afin de transformer un faisceau gaussien à symétrie de révolution en un faisceau de morphologie adéquate, ainsi qu'une cuve contenant Le Liquide de Kerr 5 et un des miroirs 1 de la cavité, présente l'ensemble des avantages suivants :
- Le dispositif est réglé une fois pour toute et ne doit pas nécessiter d'intervention fréquente.
- Le dispositif peut fonctionner sur une très large plage de longueurs d'onde (visible-infrarouge proche). - La stabilité en puissance entre impulsions successives est améliorée du fait du principe même de fonctionnement.
La figure 10 représente un exemple de signal électrique délivré par un photodétecteur à réponse nanoseconde recevant une émission laser à modes bloqués en phase selon L'invention, Différentes combinaisons optiques classiques peuvent servir à transformer un faisceau usuel à symétrie de révolution en un faisceau de morphologie propice à la propagation soliton tel qu'il doit se présenter à l'entrée du milieu non-linéaire 5. Chacune de ces combinaisons peut donner Lieu à une configuration différente de cavité laser.
Une première configuration, qui correspond à l'exemple de réalisation de la figure 8 a été représentée de façon agrandie sur la figure 11.
Selon une deuxième configuration possible, représentée sur la figure 12, les lentilles 13, 15 de la figure 11 sont remplacées par deux miroirs 113, 115 destinés à rendre convergents les faisceaux secondaires 21, 22 formés par un bi-prisme de Wollaston 111 analogue à l'élément correspondant 11 de la figure 11. La lame demi-onde 112 placée sur l'un des faisceaux secondaires 21, 22 vise à rendre parallèles les polarisations des faisceaux 21, 22. La Lentille cylindrique 116 joue Le même rôle que la Lentille 16 de la figure 11. Une fente de filtrage 114 est placée devant le milieu non-linéaire 5.
Dans la configuration de la figure 13, un réseau ou un hologramme 211 est placé sur le faisceau principal 20 pour former un réseau de franges d'interférences, et se substitue à l'ensemble du bi-prisme de Wollaston 11 et de La Lame demi-onde 12 de La figure 11. Les éléments 213 à 216 peuvent être semblables aux éléments 13 à 16 de la figure 11. Dans ce qui précède, on a considéré le cas d'un milieu non linéaire homogène constitué par exemple par une cuve remplie d'un liquide de Kerr 5.
Toutefois, un guide non-linéaire plan 50, tel que représenté sur la figure 10, peut remplacer Le matériau non-linéaire homogène situé en contact avec Le miroir arrière 1 dans le schéma des figures 8 ou 11 à 13.
Dans Le guide 50 de la figure 10, on associe L'autoguidage soliton dans un plan (horizontal par exemple) à un guidage dans le plan perpendiculaire, par les parois (horizontales dans cet exemple) d'un guide plan d'ondes lumineuses. Ce guide optique plan est constitué de deux couches 51, 52 de diélectrique transparent de faible indice n., qui sert de gaine, et qui enserre Le milieu non-Linéaire 52 (Kerr) d'indice plus élevé que n , formant le coeur. Les dimensions caractéristiques du faisceau incident sont choisies de telle manière qu'un seul mode du guide (mode d'ordre supérieur ou mode fondamental) soit excité.
L'indice n^ des couches 51, 53 est supérieur à l'indice no du milieu ambiant dans lequel est placé le guide 50 mais reste dans tous Les cas inférieur à l'indice variable de la couche 52. L'utilisation d'un guide non-linéaire plan 50 est particulièrement intéressante Lorsqu'il est nécessaire d'abaisser le seuil de formation du faisceau soliton, par exemple dans le cas où le milieu actif amplificateur 3 est pompé en continu et engendre donc de moindres puissances. D'une manière générale, le matériau non-linéaire utilisé pour coopérer avec le miroir arrière 1 de la cavité résonnante doit présenter une bonne transparence à La Longueur d'onde d'émission, avoir un coefficient élevé de variation de l'indice de réfraction avec l'intensité et présenter un temps de réponse de L'effet Kerr inférieur à La durée réciproque de La bande d'amplification du milieu amplificateur.
La présente invention est également applicable à des générateurs Laser du type laser à semi-conducteur. Dans ce cas, il est nécessaire d'employer un guide non-Linéaire plan semblable à celui de la figure 10.
Dans le cas d'une diode laser 30, celle-ci doit présenter une face 31 traitée anti-reflet et une lentille 314, par exemple sphéro-cylindrique est disposée entre la diode 30 et le guide plan non-linéaire 50 associé au miroir arrière 1 pour adapter le faisceau à une injection optimale dans le guide non-linéaire plan monomode transverse 50. La diode 30 présente une face clivée 32 opposée à la face 31 traitée anti-reflet.
La figure 15 représente un générateur laser dans lequel on utilise un réseau de diodes laser 130 implantées sur le même substrat et présentant une face 131 traitée anti-reflet. Un système optique 13, 14, 15 constitué d'éléments semblables aux éléments correspondants de la figure 11 réalise une simple image de La face 131 du réseau de diodes laser 130 sur la face d'entrée du guide non-linéaire 50, de manière à n'exciter qu'un mode d'ordre supérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur laser à modes verrouillés en phase, comprenant une cavité résonnante délimitée par un miroir réfléchissant arrière (1) et un miroir semi-réfléchissant de sortie (2) entre lesquels est placé un milieu actif amplificateur (3), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de verrouillage en phase des modes du générateur laser, placé entre le milieu actif amplificateur (3) et Le miroir réfléchissant arrière (1) et comprenant d'une part, un milieu non-Linéaire (5;50) non dispersif placé en contact avec ledit miroir arrière (1) et d'autre part, des moyens (11 à 16; 111 à 116; 211, 213 à 216; 131, 314) pour transformer un faisceau gaussien à symétrie de révulution issu du milieu amplificateur en un faisceau de morphologie adaptée à la propagation soliton dans ledit milieu non linéaire (5; 50).
2. Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (11 à 16) de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un dispositif interférentiel (11) de division d'amplitude du faisceau laser pour former deux ondes secondaires (21, 22), un filtre spatial (14) et un système afocal (13,15) disposés sur Le trajet des deux ondes secondaires, pour former sur la face d'entrée du milieu non Linéaire (5) opposée au miroir arrière (1) une image réduite de La figure d'interférences créée dans Le dispositif interférentiel (11) de division d'amplitude.
3. Générateur laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un biprisme de WoLLaston (11), une Lame demi-onde (12) disposée sur Le trajet de l'une (21) des deux ondes secondaires (21,22) formées par le biprisme de WoLLaston (11), une première Lentille convergente (13), un filtre spatial (14) et une seconde Lentille convergente (15).
4. Générateur laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que Les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un biprisme de Wollaston (111), une lame demi-onde (112) disposée sur le trajet de L'une (21) des deux ondes secondaires (21,22) formées par le biprisme de WoLLaston (111), des premier et second miroirs (113, 114) disposés sur Les trajets des deux ondes secondaires (21, 22) pour rendre celles-ci convergentes et un filtre spatial (114) disposé devant le milieu non linéaire (5) .
5. Générateur laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un dispositif interférentiel constitué par un réseau ou un hologramme (211) créant deux ondes secondaires (21, 22), une première lentille convergente (213), un filtre spatial (214) et une seconde Lentille convergente (215).
6. Générateur Laser selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent en outre une Lentille cylindrique (16;116;216) dont le foyer coïncide avec la face d'entrée du milieu non linéaire (5) pour former sur cette face une zone d'interférence ayant la forme d'un rectangle très allongé.
7. Générateur laser selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que Le milieu non linéaire (5) est constitué par une cuve contenant un matériau non linéaire homogène tel que du bisulfure de carbone et présentant une face d'entrée transparente ainsi qu'une face opposée à la face d'entrée qui est fermée par le miroir réfléchissant arrière (1).
8. Générateur laser selon L'une quelconque des revendications 2 à 1, caractérisé en ce que le milieu actif amplificateur (3) est constitué par un barreau de verre dopé au néodyme pompé par flashs.
9. Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comprend un guide plan non Linéaire monomode transverse (50) constitué par deux couches (51, 53) d'un matériau diélectrique transparent de faible indice de réfraction (ni) enserrant un matériau non-linéaire (52) d'indice de réfraction plus élevé, et en ce que le miroir arrière (1) est en contact avec le guide non linéaire plan (50) et perpendiculaire aux différentes couches (51 à 53) constituant ce guide.
10. Générateur Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le milieu actif amplificateur (3) est constitué par un milieu amplificateur Laser pompé en continu.
11. Générateur Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le milieu actif amplificateur (3) est constitué par une diode laser semi-conductrice (30) présentant une face de sortie (31) traitée anti-reflet et en ce que les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent une Lentille convergente (314) interposée entre la diode laser (30) et le milieu non linéaire plan monomode transverse (50).
12. Générateur laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que Le milieu actif amplificateur (3) comprend un réseau de diodes Laser (130) implantées sur un même substrat et présentant une face de sortie (131) traitée anti-reflet, et en ce que les moyens de transformation d'un faisceau gaussien comprennent un système optique constitué d'un dispositif afocal (13, 15) et d'un filtre spatial (14) pour réaliser une simple image de la face de sortie (131) du réseau de diodes (130) sur la face d'entrée du guide non linéaire (50), de manière à n'exciter qu'un mode d'ordre supérieur.
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