WO2005015700A2

WO2005015700A2 - Source laser de puissance a cavite optique en anneau a grande finesse spectrale

Info

Publication number: WO2005015700A2
Application number: PCT/EP2004/051655
Authority: WO
Inventors: Jean-Pierre Huignard; Arnaud Brignon
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2006-01-29
Also published as: WO2005015700A3; FR2858476A1

Abstract

La présente invention est relative à une source laser, du type à cavité optique en anneau, et elle est caractérisée par le fait que la cavité comporte une fibre optique à gain à pompage dont une première extrémité dont l'axe optique est aligné optiquement avec un miroir de sortie, 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.

Description

SOURCE LASER DE PUISSANCE A CAVITE OPTIQUE EN ANNEAU A GRANDE FINESSE SPECTRALE

La présente invention se rapporte à une source laser de puissance à cavité optique en anneau 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 figure 1 , 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- YV0 , 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. On connaît par ailleurs d'après les documents US 4 656 641 , US 4 905 252, US 5 572 542 et l'article de Goldberg L et al. « Single lobe opération of an 40-element laser array in an external ring laser cavity » Applied Physics Letters, American Institute of Physics, New York, US, vol. 51 , n° 12, 21 Septembre 1987 (1987-09-21 ), pages 871-873, XP000706879, des sources lasers à cavité externe, c'est-à-dire dans lesquelles l'émetteur laser ne fait pas partie des éléments constitutifs de la cavité proprement dite. Les cavités décrites dans tous ces documents ne comportent que des éléments passifs tels que des miroirs et des filtres, qui ne permettent pas de contrôler de façon efficace et précise la qualité du faisceau laser produit. 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 première 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 émetteur laser semiconducteur et cavité en anneau, la cavité comportant au moins deux dispositifs réfléchissants est caractérisée par le fait que l'émetteur est partiellement réfléchissant et partiellement transmissif et est inclus en tant que dispositif réfléchissant de la cavité en anneau et en tant que milieu de formation d'un hologramme dynamique. 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, et • les figures 2 et 3 sont des schémas simplifiés de deux modes de réalisation d'une source laser conforme à l'invention. • la figure 4 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 de modifier l'anneau de cavité de la figure 1 , en supprimant le cristal 6, et en utilisant pour la fonction amplificateur laser au moins un élément émetteur laser semiconducteur, et, de préférence une barrette de tels émetteurs. Cependant, on ne pourrait pas remplacer simplement le cristal laser par de tels émetteurs laser semiconducteurs, car bien qu'ils soient susceptibles d'émettre une puissance optique élevée, typiquement plusieurs centaines de Watts, voire quelques kW, ils ont une émission laser à trop large spectre et trop large angle d'émission. Pour résoudre ces problèmes, la présente invention propose les structures décrites ci-dessous en référence aux figures 2 et 3. La structure de la figure 2 comprend un chemin optique en anneau 11. Dans le cas présent, cet « anneau » est le plus simple possible, et sa structure est triangulaire, avec un dispositif réfléchissant à chaque sommet du triangle, mais il pourrait comporter un nombre supérieur de dispositifs réfléchissants, et donc une structure polygonale à plus de trois côtés. Ces trois dispositifs réfléchissants sont : deux miroirs simples 12, 13 et un émetteur laser semiconducteur 14. Cet émetteur laser 14 peut être soit un seul élément laser semiconducteur de puissance (de quelques dizaines de Watts au moins), soit, de préférence, une barrette formée de plusieurs tels éléments laser, ou bien un laser semiconducteur unique à ruban large. Le trajet optique dans la cavité délimitée par les deux miroirs 12, 13 et la face réfléchissante (face d'émission laser) de l'émetteur 11 est alors triangulaire. Il comporte les faisceaux 11A (entre 12 et 13), 11 B (entre 13 et 14) et 11C (entre 14 et 12). Etant donné que la surface d'émission 14A de l'émetteur 14 est en forme de ruban allongé très étroit, en particulier lorsqu'il s'agit d'une barrette à plusieurs éléments ou d'un ruban laser, le faisceau laser émis a une ouverture très large dans un plan. Pour transformer ce faisceau large en un fin faisceau, et aussi pour transformer les faisceaux fins arrivant sur l'émetteur 14 depuis les miroirs 12 et 13, on dispose devant l'émetteur 14 une lentille cylindrique 15, sur le trajet des faisceaux 11 B et 11C. En général, il suffit d'une seule lentille commune aux deux branches 11B et 11C, car l'angle formé par les faisceaux 11 B et 11C est assez faible (quelques degrés, par exemple). De façon avantageuse, on intercale dans la cavité 11 un élément non réciproque 16 identique ou similaire à l'élément 7 de la figure 1. Sur le trajet de sortie de la source de la figure 2, c'est-à-dire devant la face 14B de l'émetteur 14 (face opposée à la face 14A), on dispose respectivement : une lentille cylindrique 17, un filtre spatial 18, qui est avantageusement un diaphragme disposé au foyer commun de deux lentilles convergentes, ou bien un miroir associé à un interféromètre de type Fabry- Perrot et un dispositif optique de sortie 19 à réflexion et transmission, qui est avantageusement un réseau partiellement réfléchissant et partiellement transmissif pour une longueur d'onde donnée. L'oscillateur laser 14 est muni d'une couche R_mi_n (à réflexion minimale) sur ses deux faces pour éviter l'oscillation entre celles-ci. La source représentée en figure 3 comporte, comme celle de la figure 2, un chemin optique en anneau 20. Dans le cas présent, cet « anneau » est également le plus simple possible, et sa structure est triangulaire (comportant respectivement les branches 20A, 20B, 20C), avec un dispositif réfléchissant à chaque sommet du triangle. A l'un des sommets de ce triangle (entre les branches 20A et 20C), on dispose un émetteur laser 21 , qui peut être l'un des dispositifs remplissant la fonction de l'émetteur 14 de la figure 2. A un autre sommet (entre les branches 20A et 20B), on dispose un miroir 22 particulier : il comporte, sur sa face opposée à celle portant une couche réfléchissante, un revêtement opaque 23 dans lequel est pratiqué un trou 24 juste à l'endroit coïncidant avec le sommet de la structure triangulaire. Au troisième sommet, on dispose un élément 25 réfléchissant sélectivement (pour une longueur d'onde donnée). Cet élément réfléchissant est avantageusement un réseau conformé en filtre sélectif. Comme dans le cas de la source de la figure 2, on dispose devant l'élément laser 21 une lentille cylindrique 26. Dans la branche 20A, on intercale une lentille cylindrique 27 focalisant le faisceau issu de la source 21 au centre du trou 24 (et, inversement, élargissant le faisceau contra-propagatif issu par réflexion du miroir 22), et dans la branche 20B, on intercale une lentille cylindrique 28 élargissant le faisceau cylindrique réfléchi par le miroir 22 (et, inversement focalisant sur le trou 24 le faisceau élargi provenant du filtre 25). Dans la branche 20C, on intercale un élément non réciproque 29, qui peut être identique à l'élément 16 de la figure 2. A la sortie de l'émetteur 21 (en regard de sa face opposée à celle qui fait face aux éléments 22 et 25), on dispose une lentille cylindrique 30 sur le trajet du faisceau de sortie de la source. Cette cavité, comme celle de la figure 1 , fonctionne par conjugaison de phase avec un filtrage spatial et spectral approprié des modes pour réaliser une source émettant un faisceau de puissance dont l'ouverture est limitée par diffraction. Comme pour la source de la figure 2, le contrôle de l'intensité des deux ondes contra- propagatives dans la cavité est réalisé par un élément non réciproque 29 adapté à la longueur d'onde d'émission. L'émetteur laser 21 est muni, sur sa face côté sortie, d'une couche

R, T (à réflexion et transmission) assurant le couplage extérieur de cavité et d'une couche R_min sur l'autre face. On a représenté en figure 4 un exemple de réalisation de l'élément non réciproque 16 (ou 29), qui est le même que celui de la figure 1. λ Cet élément comprend, dans l'ordre, une lame — référencée 31 , un rotateur 2 de Faraday 32 et un polariseur 33. Selon une variante de l'invention, on inverse les positions des éléments 31 et 32. Dans les deux sources décrites ci-dessus, la génération d'un hologramme dynamique dans le milieu à gain (14 ou 21) résulte d'une interaction à quatre ondes. Le réseau qui s'inscrit est du type réseau de gain et réseau d'indice, cette dernière composante étant la plus importante dans le cas où la période spatiale du réseau est grande. Ainsi, dans la source de l'invention, l'oscillation ne peut se faire que grâce à la formation d'un hologramme dynamique dans le milieu actif à semiconducteur (émetteur laser). Cet hologramme dynamique permet d'assurer en grande partie un contrôle actif de la qualité du faisceau de la source. De plus, pour améliorer encore les propriétés de ce faisceau, on dispose dans la cavité des éléments classiques tels qu'un filtre spatial et spectral et un élément optique non réciproque. La source de l'invention présente une autre caractéristique importante : compte tenu du filtrage spatial et spectral du faisceau, elle réalise une mise en phase de tous les éléments émetteurs de la barrette. Dans ces conditions, la luminance de la source est imposée par la longueur de la barre émettrice et non par la dimension d'un élément rayonnant élémentaire. Selon une application, on réalise la mise en phase de sources laser à semiconducteur de puissance telles que des réseaux de lasers, ou un laser unique à ruban très large, ayant des longueurs d'ondes typiques de 810 nm ou 980 nm (valeurs les plus courantes actuellement). Le dispositif de l'invention réalise donc à partir d'amplificateurs à semiconducteurs l'équivalent d'une source de puissance dont l'ouverture du faisceau est limitée par diffraction et réalisant une mise en phase de tous les éléments de la barrette.

Claims

REVENDICATIONS 1. Source laser, du type à émetteur laser semiconducteur (14, 21) et cavité en anneau (11 , 20), la cavité comportant au moins deux dispositifs réfléchissants (12-13, 22, 25), caractérisée par le fait que l'émetteur est partiellement réfléchissant et partiellement transmissif et est inclus en tant que dispositif réfléchissant de la cavité en anneau et en tant que milieu de formation d'un hologramme dynamique. 2. Source laser selon la revendication 1 , caractérisée par le fait que l'émetteur laser comporte une barrette de lasers semiconducteurs. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la cavité comporte au moins deux dispositifs de collimation dans un plan

(15, 26), disposés de part et d'autre de l'émetteur dans l'anneau, et un autre élément de collimation dans un plan disposé face à la sortie de l'émetteur (17, 30). 4. Source laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que au moins deux dispositifs réfléchissants autres que l'émetteur sont des miroirs (12, 13). 5. Source laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que au moins deux dispositifs réfléchissants autres que l'émetteur sont un miroir (22) revêtu d'une couche opaque (23) dans laquelle est formé un trou (24), et un dispositif réfléchissant sélectif en longueur d'onde (25), une lentille cylindrique (27, 28) étant interposée sur les faisceaux incident et réfléchi par ce dispositif. 6. Source laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la cavité en anneau comporte un élément optique non réciproque (16, 29). 7. Source selon la revendication 6, caractérisée par le fait que l'élément optique non réciproque comporte une lame demi-onde (31), un rotateur de Faraday (32) et un polariseur (33).