WO2003055016A2 - Dispositif d'amplification et de mise en phase pour sources laser de puissance - Google Patents

Dispositif d'amplification et de mise en phase pour sources laser de puissance Download PDF

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    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an amplification and phasing device for laser power sources.
  • the present invention relates to an amplification and phasing device for power laser sources which can deliver powers of at least 500W, and even much more, device which, without being too expensive, is easy to use , the least bulky possible and does not disturb the qualities of the laser beam which it amplifies.
  • the device comprises, at the output of a laser source to be amplified, a spatial dispersion device followed by N amplifying optical fibers, N being a function of the relative gain sought for the amplifier device and of the gain of the optical fibers, a signal sampling device at the output of each of these optical fibers followed by a wavefront analyzer and phase correction device connected to a spatial modulator interposed between the dispersive device and the inputs of the N optical fibers.
  • FIG. 1 is a block diagram of an amplifier device according to the invention
  • FIG. 2 is a simplified view at the end of the set of amplifying optical fibers, aligned on a single line, of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a simplified view at the end of the set of optical fibers, arranged in a rectangular matrix, of the device of FIG. 1, and • Figure 4 is a partial and simplified view of a variant of the device of Figure 1.
  • An optical fiber 1 which is the output fiber of a conventional laser oscillator (not shown) of power (of a few Watts or a few tens of Watts, for example) with doped optical fiber, lights up a spatial dispersion device 2.
  • a semi-reflecting mirror 3 is interposed between the output of the fiber 1 and the device 2. This mirror 3 takes a small part of the laser beam leaving the fiber 1 and sends it to an optical fiber 4.
  • the N beams are taken up by an array of micro-lenses 5, the object focal plane of which is coincident with the output face of the device 2, and sent over N amplifying optical fibers referenced 6 as a whole.
  • These N beams advantageously all having the same power, are either regularly aligned in a single line, or arranged in rows and columns to form a rectangular matrix.
  • the arrangement of the entry faces of the fibers of the assembly 6 corresponds, of course, to that of the beams taken up by the micro-lens matrix 5.
  • These entry faces are either aligned on a single line (see in FIG.
  • the arrangement L of the input faces F1 to FN of the N fibers of the set 6, in the case where the N bundles are aligned), or arranged in a rectangular matrix configuration in rows and columns (see in FIG. 3 the matrix arrangement M input faces F1.1 to FK.H for a matrix with H rows and K columns, with KH N)
  • the matrix 6A is followed by a separating blade 9 at 45 ° and a spherical lens 7 focusing the output beam on a single output optical fiber 8.
  • the blade 9 takes a small part of the corresponding beams (a few percent).
  • This plate 9 is arranged so that the beams which it reflects are all directed towards a wavefront analyzer 10 (shift interferometer, for example).
  • the analyzer 10 possibly receives a reference beam arriving via optical fiber 4.
  • the output of the analyzer 10 is connected to a spatial modulator 11 interposed between the matrix of mirrors 5 and the fiber inputs 6.
  • This modulator 11 is, in the present case, a liquid crystal screen operating in transmission. Its shape and dimensions correspond to those of the entry face of the fiber assembly 6, that is to say it is either "one-dimensional" (as shown in FIG. 2), or rectangular (as shown in figure 3).
  • the device described above operates in the following manner.
  • the input beam, at relatively low power (a few tens of Watts at most), arriving by the optical fiber 1, is divided into N beams each sent on a corresponding fiber of the set 6.
  • Each of the N fibers amplifies the beam that it receives, and at the output of the set 6 we obtain N beams whose sum of individual powers can amount to a few hundred Watts, or even a few kilowatts, depending on the number N of optical fibers and their gain .
  • the wave fronts of these N beams are arbitrary with respect to each other (in particular due to the different phase shifts introduced by the device 2 and dispersions of characteristics of the fibers of the assembly 6).
  • the invention provides for the use of a phase control device.
  • This servo device comprises the separating blade 9 taking a small part of the output beam from each of the fibers 6, which is sent to the analyzer 10.
  • This analyzer can receive, as a relative phase reference, a beam coming from the oscillator supplying the fiber 1. This beam can be sampled by a mirror 3, as shown in FIG. 1, or else be sampled directly in the oscillator.
  • the analyzer 10 sends electrical correction signals to each of the cells of the spatial modulator 11, in order to more or less delay the wave fronts of the different beams which reach it from the matrix 5, so that at the output of the 'set of optical fibers 6 all the wave fronts of the different beams are in phase.
  • the spatial modulateru 11 is arranged upstream of the amplifying fibers 6, it is only subjected to a low power, and is not likely to be damaged by overexposure to a power optical beam.
  • the device 2 can be of the reflection type.
  • the spatial modulator 11 can be of the reflection type.
  • the holographic device 2 and the lens 5 are replaced by a telescope 12 and a matrix 13 of microlenses, the spatial modulator 11 being disposed between the telescope 12 and the matrix 13.

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Abstract

Selon l'invention, le dispositif d'amplification de puissance pour sources laser comporte, à la sortie (1) d'une source laser à amplifier, un dispositif à dispersion spatiale (2) suivi de N fibres optiques amplificatrices (6), N étant fonction du gain relatif recherché pour le dispositif amplificateur et du gain des fibres optiques, un dispositif de prélèvement de signal à la sortie de chacune de ces fibres optiques (9) suivi d'un dispositif analyseur de fronts d'onde et de correction de phase (10) relié à un modulateur spatial (11) interposé entre le dispositif dispersif et les entrées des N fibres optiques.

Description

DISPOSITIF D'AMPLIFICATION ET DE MISE EN PHASE POUR SOURCES LASER DE PUISSANCE
La présente invention se rapporte à un dispositif d'amplification et de mise en phase pour sources laser de puissance.
Les sources laser de puissance à usage général actuellement disponibles, souvent du type à fibre optique monomode fortement dopée à l'Erbium, délivrent des puissances maximales d'environ 50W. Or, les utilisateurs industriels voudraient disposer, dans certaines applications, de sources laser de puissances nettement plus élevées, par exemple d'au moins 500W, ou même de plus de 1 kW, ce que l'on ne sait pas réaliser actuellement, même avec des amplificateurs. La présente invention a pour objet un dispositif d'amplification et de mise en phase pour sources laser de puissance qui puisse délivrer des puissances d'au moins 500W, et même bien davantage, dispositif qui, sans être trop onéreux, soit d'utilisation facile, le moins encombrant possible et ne perturbe pas les qualités du faisceau laser qu'il amplifie. Le dispositif conforme à l'invention comporte, à la sortie d'une source laser à amplifier, un dispositif à dispersion spatiale suivi de N fibres optiques amplificatrices, N étant fonction du gain relatif recherché pour le dispositif amplificateur et du gain des fibres optiques, un dispositif de prélèvement de signal à la sortie de chacune de ces fibres optiques suivi d' un dispositif analyseur de front d'onde et de correction de phase relié à un modulateur spatial interposé entre le dispositif dispersif et les entrées des N fibres optiques.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :
• la figure 1 est un bloc-diagramme d'un dispositif amplificateur conforme à l'invention,
• la figure 2 est une vue simplifiée en bout de l'ensemble de fibres optiques amplificatrices, alignées sur une seule ligne,du dispositif de la figure 1 ,
• la figure 3 est une vue simplifiée en bout de l'ensemble de fibres optiques, disposées en matrice rectangulaire, du dispositif de la figure 1 , et • la figure 4 est une vue partielle et simplifiée d'une variante du dispositif de la figure 1. On a représenté en figure 1 le bloc-diagramme d'un mode de réalisation du dispositif amplificateur de l'invention. Une fibre optique 1 , qui est la fibre de sortie d'un oscillateur laser classique (non représenté) de puissance (de quelques Watts ou quelques dizaines de Watts, par exemple) à fibre optique dopée, éclaire un dispositif de dispersion spatiale 2. Ce dispositif 2, par exemple de type holographique connu en soi, produit N faisceaux ( N = 10 à 100, par exemple) à partir du faisceau unique qu'il reçoît de la fibrel . Un miroir semi-réfléchissant 3 est interposé entre la sortie de la fibre 1 et le dispositif 2. Ce miroir 3 prélève une faible partie du faisceau laser sortant de la fibre 1 et l'envoie vers une fibre optique 4.
Les N faisceaux sont repris par une matrice de micro-lentilles 5 dont le plan focal objet est confondu avec la face de sortie du dispositif 2, et envoyés sur N fibres optiques amplificatrices référencées 6 dans leur ensemble. Ces N faisceaux, ayant avantageusement tous la même puissance, sont soit régulièrement alignés en une seule ligne, soit disposés en lignes et colonnes pour former une matrice rectangulaire. La disposition des faces d'entrée des fibres de l'ensemble 6 correspond, bien entendu, à celle des faisceaux repris par la matrice de micro-lentilles 5. Ces faces d'entrée sont soit alignées sur une seule ligne (voir en figure 2 la disposition L des faces d'entrée F1 à FN des N fibres de l'ensemble 6, dans le cas où les N faisceaux sont alignés), soit disposées en configuration matricielle rectangulaire en lignes et colonnes (voir en figure 3 la disposition matricielle M des faces d'entrée F1.1 à FK.H pour une matrice à H lignes et K colonnes, avec K.H=N) Ces fibres 6, du type à dopage à l'Erbium ou à l'ytterbium par exemple, amplifient chacune le faisceau qu'elles reçoivent avec un gain de 20 à 30 dB par exemple. A la sortie des fibres 6, on dispose une matrice 6A de microlentilles qui génère un plan de phase. La matrice 6A est suivie d'une lame séparatrice 9 à 45° et d'une lentille sphérique 7 focalisant le faisceau de sortie sur une fibre optique unique de sortie 8. La lame 9 prélève une faible partie des faisceaux correspondants (quelques pourcents). Cette lame 9 est disposée de façon que les faisceaux qu'elle réfléchit soient tous dirigés vers un analyseur de fronts d'ondes 10 (interféromètre à décalage, par exemple). L'analyseur 10 reçoît éventuellement un faisceau de référence lui parvenant par la fibre optique 4. La sortie de l'analyseur 10 est reliée à un modulateur spatial 11 interposé entre la matrice de miroirs 5 et les entrées de fibres 6. Ce modulateur 11 est, dans le cas présent, un écran à cristaux liquides fonctionnant en transmission. Ses forme et dimensions correspondent à celles de la face d'entrée de l'ensemble de fibres 6, c'est-à- dire qu'il est soit « unidimensionnel » (comme représenté en figure 2), soit rectangulaire (comme représenté en figure 3).
Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante. Le faisceau d'entrée, à relativement basse puissance (quelques dizaines de Watts au maximum), arrivant par la fibre optique 1 , est divisé en N faisceaux envoyés chacun sur une fibre correspondante de l'ensemble 6. Chacune des N fibres amplifie le faisceau qu'elle reçoit, et à la sortie de l'ensemble 6 on obtient N faisceaux dont la somme des puissances individuelles peut s'élever à quelques centaines de Watts, ou même à quelques kilowatts, suivant le nombre N de fibres optiques et leur gain. Cependant, en l'absence du dispositif d'asservissement de phase incluant l'analyseur 10, les fronts d'onde de ces N faisceaux sont quelconques les uns par rapport aux autres (en particulier du fait des déphasages différents introduits par le dispositif 2 et des dispersions de caractéristiques des fibres de l'ensemble 6). Pour remettre en phase les différents N faisceaux, l'invention prévoit l'utilisation d'un dispositif d'asservissement de phase. Ce dispositif d'asservissement comporte la lame séparatrice 9 prélevant une faible partie du faisceau de sortie de chacune des fibres 6, qui est envoyée à l'analyseur 10. Cet analyseur peut recevoir, en tant que référence relative de phase, un faisceau provenant de l'oscillateur alimentant la fibre 1. Ce faisceau peut être prélevé par un miroir 3 , comme représenté en figure 1 , ou bien être prélevé directement dans l'oscillateur. L'analyseur 10 envoie des signaux électriques de correction à chacune des cellules du modulateur spatial 11 , afin de retarder plus ou moins les fronts d'onde des différents faisceaux qui lui parviennent de la matrice 5, afin qu'à la la sortie de l'ensemble de fibres optiques 6 tous les fronts d'onde des différents faisceaux soient en phase. On obtient ainsi à la sortie de l'ensemble 6, en considérant l'ensemble des faisceaux dans l'espace, une onde plane, et par conséquent, le faisceau sortant de la fibre optique 8 est de forte puissance, et sa brillance est maximale, grâce à la mise en phase des différents faisceaux individuels sortant des fibres de l'ensemble 6. Les fonctionnements de l'analyseur 10 et du modulateur spatial 11 étant bien connus en soi, ne seront pas décrits plus en détail ici.
On notera que, grâce au fait que le modulateru spatial 11 est disposé en amont des fibres amplificatrices 6, il n'est soumis qu'à une faible puissance, et ne risque pas d'être détérioré par surexposition à un faisceau optique de puissance.
Selon une variante du dispositif de l'invention (non représentée), le dispositif 2 peut être du type à réflexion. De même, le modulateur spatial 11 peut être du type à réflexion.
Selon encore une autre variante du dispositif de l'invention, partiellement représentée en figure 4, on remplace le dispositif holographique 2 et la lentille 5 par un télescope 12 et une matrice 13 de microlentilles, le modulateur spatial 11 étant disposé entre le télescope 12 et la matrice 13.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'amplification et de mise en phase pour sources laser de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte, à la sortie (1 ) d'une source laser à amplifier : un dispositif à dispersion spatiale (2) suivi de N fibres optiques amplificatrices (6) , N étant fonction du gain relatif recherché pour le dispositif amplificateur et du gain des fibres optiques, un dispositif de prélèvement de signal à la sortie de chacune de ces fibres optiques (9) suivi d' un dispositif analyseur de fronts d'onde et de correction de phase (10) relié à un modulateur spatial (1 1 ) interposé entre le dispositif dispersif et les entrées des N fibres optiques, et un dispositif de recombinaison de faisceaux optiques individuels amplifiés (7).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte» entre le modulateur spatial et les entrées des N fibres optiques, une matrice de micro-lentilles (5) dont la disposition correspond à celle de ces fibres optiques
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres optiques amplificatrices sont disposées en ligne (L).
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres optiques amplificatrices sont disposées en matrice rectangulaire
(M).
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de dispersion spatiale est de type holographique (2).
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif à dispersion spatiale comporte un télescope (12) et une matrice de microlentilles (13).
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