WO2005015698A1 - Source laser de puissance a grande finesse spectrale - Google Patents

Abstract

La présente invention est relative à une source laser, du type à cavité optique, caractérisée en ce que la cavité comporte une fibre optique (11) à gain à pompage (12) dont l'axe optique d'une première extrémité (11A) est aligné optiquement avec un dispositif optique de sortie (14, 15) à réflexion et transmission et filtrage spatial, et dont la seconde extrémité (11B) est dirigée vers la première, son axe optique coupant l'axe optique de la première extrémité sur la face frontale de cette première extrémité tout en étant distinct de l'axe optique de la première extrémité, un dispositif de remise en phase de faisceaux (16) et un élément non réciproque (17) étant respectivement disposés entre la deuxième et la première extrémités de la fibre optique.

Description

SOURCE LASER DE PUISSANCE A GRANDE FINESSE SPECTRALE

La présente invention se rapporte à une source laser de puissance à grande finesse spectrale. On connaît, par exemple d'après la référence suivante : P. Sillard, A. Brignon and J.-P. Huignard « Grating analysis of a self-starting loop resonator with a self-pumped phase conjugate mirror in a Nd :YAG amplifier » IEEE J. Quantum Electron. 34, 465-472 (1998), une source laser de puissance (de l'ordre d'une centaine de Watts). Cette source est schématisée en figurel , et on en rappelle ici les caractéristiques principales. Cette source connue comporte les éléments suivants : • Une cavité optique 1 se composant d'un anneau délimité par quatre miroirs 2 à 5 et dans le trajet optique de laquelle sont insérés : • Un milieu laser à gain 6, par exemple un cristal Nd-YAG ou Nd- YV0₄, pompé par diodes, servant à la fois à l'amplification des ondes et à l'inscription d'un hologramme dynamique générant une onde conjuguée par mélange à quatre ondes. • Un élément non réciproque 7 assurant le contrôle de l'intensité respective des ondes incidentes et conjuguées contra propagatives dans la cavité. • un trajet optique de sortie 8 issu du milieu à gain 6 sur lequel est placé un miroir de sortie 9 partiellement réfléchissant et partiellement transmissif. Les caractéristiques particulières de cette source reposent sur des propriétés de mélange d'ondes et de conjugaison de phase dans le milieu laser à gain. Ce type de source assure une correction adaptative des aberrations du milieu amplificateur et permet d'extraire, à la sortie du miroir

9, un faisceau continu ou impulsionnel d'excellente qualité spectrale et spatiale. Un problème posé par cette source connue est que le milieu à gain 6 s'échauffe fortement lorsque l'on veut faire produire à la cavité une puissance élevée (100 Watts ou plus), car le rendement optique du milieu laser (puissance optique délivrée/ puissance optique de pompage) de l'ordre de 50%, et un rendement électrique/optique (puissance optique délivrée/puissance électrique appliquée aux diodes de pompage) bien inférieur, de l'ordre de 25 %, ce qui impose l'utilisation de moyens de refroidissement du milieu laser 6 onéreux et encombrants. En outre, le gain du milieu laser 6 peut être insuffisant dans certains cas, et l'on doit alors insérer dans l'anneau de la cavité un deuxième milieu laser 10. La présente invention a pour objet une source laser de puissance

(en régime continu, supérieure à 100 Watts, et même à 1 kW) ne présentant pas les problèmes d'échauffement de la source mentionnée ci-dessus, tout en ayant une grande finesse spectrale (par exemple de l'ordre de 1 nm). La source laser conforme à l'invention, du type à cavité optique, est caractérisée en ce que la cavité comporte une fibre optique à gain à pompage dont l'axe optique d'une première extrémité est aligné optiquement avec un dispositif optique de sortie à réflexion et transmission et filtrage spatial, et dont la seconde extrémité est dirigée vers la première, son axe optique coupant l'axe optique de la première extrémité sur la face frontale de cette première extrémité tout en étant distinct de l'axe optique de la première extrémité, un dispositif de remise en phase de faisceaux et un élément non réciproque étant respectivement disposés entre la deuxième et la première extrémités de la fibre optique. 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 , citée ci-dessus, est un schéma simplifié d'une source laser connue, • la figure 2 est un schéma simplifié d'une source laser conforme à l'invention • les figures 3 et 4 sont des schémas simplifiés d'exemples de dispositifs de filtrage spatial pouvant être utilisés dans la source de l'invention, • la figure 5 est un schéma simplifié d'un dispositif de remise en phase de faisceaux pouvant être utilisé dans la source de l'invention, et • la figure 6 est un schéma simplifié d'un élément non réciproque pouvant être utilisé dans la source de l'invention. L'invention part de la source de la figure 1 , car l'oscillateur formé par la cavité en anneau est capable de rayonner une onde monomode et monofréquence en exploitant des propriétés de mélange d'ondes et d'holographie dynamique dans le milieu à gain. Dans cet oscillateur, on génère deux ondes contra- propagatives qui sont strictement conjuguées en phase. On peut dans ces conditions obtenir au niveau du miroir de sortie une onde gaussienne monomode qui constitue l'onde émise par la source. L'invention propose d'utiliser dans l'anneau de cavité de la figure 1 , à la place du cristal 6, une fibre optique laser pompée par diodes, et en particulier une fibre laser dopée par exemple Er ou Yb et possédant un très gros cœur. En effet, cette fibre laser pompée par diodes est susceptible d'émettre une puissance optique élevée, typiquement plusieurs centaines de Watts, voire quelques kW, mais elle rayonne de façon multimode. En d'autres termes la puissance émise est élevée mais elle est répartie sur un très grand nombre de modes transverses réduisant très fortement la luminance de cette source, qui par ailleurs possède de nombreux avantages : compacité, efficacité, volume actif important, pompage efficace. Cependant, on ne pourrait pas remplacer simplement le cristal laser par une fibre optique, car le faisceau produit par une fibre optique est très fortement multimode, la polarisation de ce faisceau multimode est inhomogène et non maîtrisée et la courbe spectrale de gain de l'amplificateur peut être très large, par exemple 100nm dans le cas du dopage Er. Pour résoudre ces problèmes, la présente invention propose la structure décrite ci-dessous en référence aux figures 2 à 6. Dans la structure de la figure 2, la cavité en anneau est formée par une fibre optique à gain 11. Cette fibre optique est avantageusement une fibre multimode à double gaine (comprenant un cœur dopé entouré par une gaine non dopée et pompée par diodes, le dopage du cœur étant par exemple fait à l'Erbium ou à l'Ytterbium). Cette fibre optique peut avoir une longueur de plusieurs mètre ou plusieurs dizaines de mètres. En variante de l'invention, on utilise un faisceau de fibres optiques comprenant plusieurs telles fibres optiques. La fibre optique 11 est pompée par plusieurs dispositifs de pompage 12, tels que des diodes de pompage, disposés de façon connue en soi le long de cette fibre, ce pompage pouvant être longitudinal et / ou transversal dans la double gaine. Les deux extrémités 11 A, 11 B de la fibre 11 se font face, mais leurs faces frontales respectives ne sont pas parallèles entre elles : l'axe optique 13B de l'extrémité 11 B coupe l'axe optique 13A de l'extrémité 11A sur la face frontale de cette extrémité 11A, et cet axe 13B fait un angle aigu, de par exemple 20° avec l'axe 13 A. Sur l'axe optique 13A (axe du faisceau 13C), on dispose un filtre spatial 14 suivi d'un dispositif de sortie 15 dont le faisceau de sortie est référencé 15A. Ce dispositif 15 peut être un simple miroir partiellement réfléchissant et partiellement transmissif. De préférence, ce dispositif 15 est constitué d'un réseau de diffraction fonctionnant en réflexion en mode Littrow. Entre les extrémités 11 B et 11 A, on dispose respectivement un dispositif 16 de séparation de composantes de polarisation, un élément non réciproque 17 et une lentille convergente 18. Dans la source de la figure 3, c'est la même fibre amplificatrice 11 qui est à la fois support de l'hologramme dynamique par modulation spatiale du gain, hologramme qui est réparti sur la longueur de fibre, (cette longueur pouvant être de quelques mètres à quelques dizaines de mètres typiquement). Selon une variante de l'invention, une première longueur de fibre laser sert de support au mélange à quatre ondes, la seconde étant une section amplificatrice également multimode. La qualité de l'onde produite par cette source est telle que la divergence du faisceau de sortie 15A est très proche de la valeur minimale théorique (la valeur minimale théorique est donnée par la formule : θ = λ / W. π, dans laquelle θ est le demi-angle d'ouverture du faisceau considéré, λ est la longueur d'onde du faisceau, et W le rayon de ce faisceau ). Dans le cas où le dispositif 15 est un réseau, il s'agit d'un réseau de Littrow qui sélectionne la longueur d'onde désirée dans le faisceau issu du filtre 14. Le filtrage spectral peu être aussi réalisé par un filtre diélectrique à bande très étroite (par exemple inférieure à 1 nm. Le dispositif 14 de filtrage spatial Filtrage spatial réalisé à l'aide d'au moins un diaphragme 19 de diamètre convenable (figure 3), ou par un trou de filtrage formé dans un diaphragme 20 placé dans un plan focal intermédiaire entre deux lentilles convergentes 21 , 22 (figure 4). Le dispositif 16 comporte un prisme ou cube biréfringent 23 séparant spatialement deux composantes de polarisation orthogonales issues du faisceau rayonné par l'extrémité 11 B de la fibre amplificatrice multimodale 11. L'élément 23 est suivi d'une lentille de collimation 24. Une λ lame — référencée 25 est placée entre l'élément 23 et la lentille 24, sur une 2 moitié du faisceau. Ce dispositif 16 permet de produire deux ondes 26, 27 ayant même polarisation et pouvant interférer à l'entrée 11A de la fibre 11 avec le faisceau 13C de même polarisation qu'elles pour l'inscription de l'hologramme dynamique de volume dans la fibre 11. La lentille 24 sert à collimater le faisceau qui entre dans l'élément 17. On a représenté en figure 6 un exemple de réalisation de l'élément non réciproque 17, qui est le même que celui de la figure 1. Cet élément comprend, dans l'ordre, depuis sa face qui est en vis-à-vis du λ séparateur 16, une lame — référencée 28, un rotateur de Faraday 29 et un polariseur 30. En variante de l'invention, on intervertit les éléments 28 et 29. La source de l'invention présente les avantages suivants : Elle assure la génération d'un faisceau laser de puissance dont la qualité spatiale proche de la valeur théorique, et ce, grâce à l'emploi d'une fibre laser multimodale. Cette fibre peut, par exemple, avoir un cœur dopé Yb ou Er-Yb, un diamètre total de 50 à 100 μm et une ouverture numérique (sinus du demi-angle d'ouverture du faisceau laser produit) de 0,1 à 0,2. Dans ces conditions, des puissances de plusieurs centaines de

Watt peuvent être obtenues avec une qualité de faisceau délivrée par cet oscillateur proche de la valeur fixée par la limite de diffraction. Les moyens de pompage de la fibre sont issus des techniques de couplage longitudinales ou transverses à partir de barrettes de laser semiconducteurs.

Claims

REVENDICATIONS 1. Source laser, du type à cavité optique, caractérisée en ce que la cavité comporte une fibre optique (11) à gain à pompage (12) dont l'axe optique d'une première extrémité (11A) est aligné optiquement avec un dispositif optique de sortie (14, 15) à réflexion et transmission et filtrage spatial, et dont la seconde extrémité (11B) est dirigée vers la première, son axe optique coupant l'axe optique de la première extrémité sur la face frontale de cette première extrémité tout en étant distinct de l'axe optique de la première extrémité, un dispositif de remise en phase de faisceaux (16) et un élément non réciproque (17) étant respectivement disposés entre la deuxième et la première extrémités de la fibre optique. 2. Source laser selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le dispositif optique de sortie à réflexion et transmission comporte un réseau de type Littrow (15). 3. Source laser selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le dispositif optique de sortie comporte un miroir semi-réfléchissant. 4. Source laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément de filtrage spatial du dispositif optique de sortie comporte au moins un diaphragme (19). 5. Source laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément de filtrage spatial du dispositif optique de sortie comporte un trou de filtrage formé dans un diaphragme (20) placé dans un plan focal intermédiaire entre deux lentilles convergentes (21 , 22). 6. Source laser selon l'une des revendications précédentes, λ caractérisée en ce que l'élément non réciproque comporte une lame — (28), un rotateur de Faraday (29) et un polariseur (30).