WO2007026084A1 - Dispositif de pompage optique - Google Patents

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optical pumping
optical
laser
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Florent Thibault
Denis Pelenc
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H01S3/1661—Y2SiO5 [YSO]

Definitions

  • the present invention relates to an optical pumping device.
  • This device is particularly suitable for amplifying and / or guiding a laser beam as well as for producing a laser oscillator. It can be used in all areas of application using laser light.
  • the present invention also relates to a laser oscillator comprising this optical pumping device.
  • a particle (atom, ion or molecule) in an excited state can emit a first photon thanks to the stimulation caused by the arrival of a second photon of energy identical to the first photon. This phenomenon is called stimulated emission. Repeated many times this phenomenon on several particles, we obtain a light composed of photons all identical, same color, emitted at the same time and in the same direction, called laser beam.
  • Optical pumping is a method of inverting the population by passing particles from their non-excited state to an excited state by each of them absorbing a photon.
  • Optical pumping can be used when creating a laser beam, ie to invert the population in an active medium in a laser oscillator, or to amplify and / or guide an existing laser beam, by example emitted by a laser diode, by passing through an active medium of an optical pumping device.
  • optical pumping consists in sending one or more light beams, called pump beams, into the active medium, itself traversed by a beam emitted by a laser source, called a laser signal beam.
  • laser signal beam Several laser diode optical pumping devices, having a guide structure with planar geometry, are known.
  • a transverse optical pumping device 1 is shown in FIG.
  • a laser signal beam 2 passes through an active medium 4 doped with laser ions, entering through a first face 6 of the active medium 4.
  • One or more pump beams 3 also pass through the entire volume of the active medium 4, transversely to the laser signal beam 2 , entering through a second face 5, transverse to the first face 6, of the active medium 4.
  • this transverse optical pumping device 1 has two major disadvantages. First, since the laser signal beam 2 and the pump beams 3 each enter the active medium 4 by a different face of the active medium 4, a focus of these beams 2 and 3 on their respective input face 6 and 5 is necessary.
  • a third disadvantage of this transverse optical pumping device 1 is the weak overlap between the laser signal beam 2 and the pump beams 3. This low recovery reflects the fact that part of the energy brought into the active medium 4 by the pump beams 3 is outside the path of the laser signal beam 2, since the pump beams 3 pass through the entire volume of the active medium 4. This loss of energy results in a heating of the active medium 4, a decrease in performance, the appearance of parasitic laser beams, as well as the deterioration of the quality of the laser signal beam 2.
  • a longitudinal optical pumping device 11 is shown in FIG. This device 11 differs from the transverse optical pumping device 1 of FIG. 1A because a pump beam 3 passes through an active medium 4 doped with laser ions. longitudinally to a laser signal beam 2.
  • the laser signal beam 2 and the pump beam 3 enter the active medium 4 by the same face 6 of the active medium 4.
  • make collinear bundles derived for example from laser diodes, which can be very asymmetrical requires a complex implementation.
  • this longitudinal optical pumping device 11 the overlap between the laser signal beam 2 and the pump beam 3 is better than for the transverse optical pumping device 1.
  • optical pumping device with an upper face 10 is described in the document "Face pumping of thin, solid-state slab lasers with laser diodes", Optics Letters Vol. 21, No. 8, published April 15, 1996 and is shown in Figure IC.
  • This optical pumping device 10 comprises a matrix of laser diodes 7 for emitting pump beams (not shown in FIG. 1C), a mirror with micrometric slots 8, an active medium 4 and a resonant cavity 9.
  • the method implemented by this optical pumping device 10, used for lasers of high power differs from the two preceding devices 1 and 11 because the pump beams, coming from the matrix of laser diodes 7, pass through the slots of the mirror 8 and enter through the upper face of the active medium 4, perpendicular to a laser signal beam 2.
  • the pump beams are then reflected in the resonant cavity 9 by optically pumping the entire volume of the active medium 4.
  • the micrometer slots of the mirror 8 allow to confine the pump beams which are then disperse throughout the resonant cavity 9.
  • the major disadvantage of such an optical pumping device 10 is that it is expensive and complex. Although this method makes it possible to achieve high energy densities throughout the volume of the active medium 4, the recovery remains low. Indeed, much energy provided by the pump beams is lost in the active medium 4 and the resonant cavity 9, causing the same disadvantages as those described above (heating, parasitic laser beams, etc.).
  • the laser signal beam 2 spreads throughout the volume of the active medium 4 and is obtained at the output of the optical pumping device 10 a beam very multimode laser signal 2, even if, at the input, this laser signal beam 2 was, for example, monomode.
  • US 5,485,482 discloses an optical pumping device.
  • This device comprises a layer of thick active material, slightly doped with neodymium ions.
  • This device aims to perform a single-mode amplification of a laser signal beam.
  • this operation can be obtained only by a specific optimization of the geometry of the optical gain area and / or doping of the active material layer.
  • the present invention aims to provide an optical pumping device which does not have the drawbacks of the prior art, that is to say having a path of a pump beam in a short active medium, an important overlap between the pump beam and a laser signal beam without the need for collinearity between these two beams, which is simple and inexpensive, and which makes it possible to obtain an amplification of the laser signal beam by optimizing the pump power density in the active medium, as well as to perform a function for guiding the laser signal beam.
  • An object of the present invention is also to provide an optical pumping device without strong constraints on the geometry of the optical gain zone and the doping of the layer of active material.
  • the present invention provides an optical pumping device comprising at least one layer having a given volume, the layer being made based on an active material doped with laser ions, and at least one pump beam having a section. a right-hand side of given dimensions, of wavelength chosen so as to be able to bring laser ions of the active material into an excited state, entering a place of entry into the layer with a given angle of incidence by forming at least one gain zone; optical in the layer.
  • the present invention also for object an optical pumping device comprising at least one layer having a given volume, the layer being made based on an active material doped with laser ions, and means for emitting at least one pump beam having a cross-section of given dimensions, wavelength chosen to be able to bring laser ions of the active material into an excited state, these means being arranged so that the pump beam enters a place of entry into the layer with an angle d given incidence by forming at least one optical gain area in the layer.
  • the optical gain zone has adjustable volume and positioning in the layer due to the input location, the pump beam cross-sectional dimensions, and the angle of incidence, the volume of the optical gain area being less than the volume of the layer.
  • the layer of active material may be a thin layer.
  • a device which concentrates the pump energy in a precise volume, thus making it possible to maximize the pump power density, and thus optimize the gain available.
  • This zone of restricted optical gain, adjustable in volume and in position by the characteristics of the pump beam also makes it possible to carry out a guidance by the gain of the laser signal beam because the latter is propagated preferentially in the zones with higher gain, here the optical gain area.
  • the thin layer may have a thickness of between about 1 micron and a few tens of microns, and / or between about 1 micrometer and 10 microns, and / or less than about 100 microns, and / or less than about 50 microns. It is thus possible to achieve a single-mode guidance of the laser signal beam.
  • the thin layer may be doped with about 40% laser ion doping, and / or greater than about 30% laser ion, and / or greater than about 20% laser ion. Such doping makes it possible to maintain a good level of absorption of the pump beam in the optical gain zone, notwithstanding a small thickness of the layer of active material, thus reducing the specific optimization constraints on the geometry of the gain zone. optical.
  • the laser ions are ytterbium ions. These ions, of simple electronic structure, make it possible to avoid parasitic effects appearing in optical power density pumping devices such as that of the present invention.
  • the layer may be monocrystalline.
  • the layer may be based on yttrium orthosilicate or any other matrix having a host site for the laser ions.
  • the optical pumping device object of the present invention, is intended to cooperate with at least one single-mode laser signal beam
  • the dimensions of a cross-section of the optical gain zone may be approximately equal to those of a cross section of the optical gain zone.
  • the layer is disposed on at least one substrate.
  • This substrate makes it possible to evacuate the heat forming in the thin layer, given the confinement of the energy in the thin layer.
  • the substrate is preferably made of a material transparent to the wavelength of the pump beam. This avoids energy losses of the pump beam in the substrate.
  • the index of the substrate material may be less than or equal to the index of the layer material, so that the laser signal beam remains confined in the layer.
  • the pump beam can pass through the substrate before entering the layer.
  • the pump beam enters the substrate through the bevel and passes through the substrate before entering the layer.
  • the optical pumping device object of the present invention, comprises at least one superstrate disposed on the layer.
  • This superstrate can in particular be used to manage adverse thermal effects on the optical pumping device and to minimize diffusion losses during propagation of the laser signal beam.
  • the index of the materia 'u of the superstrate may be less than or equal to the index of the material of the layer in order to confine the laser beam in the signal layer.
  • the superstrate can be made of a material transparent to the wavelength of the pump beam, so that there is no energy loss in the superstrate.
  • the pump beam passes through the superstrate before entering the layer.
  • the superstrate may be made of absorbent material at the wavelength of the pump beam.
  • the optical pumping device may comprise at least one reflecting face facing the layer.
  • the pump beam can be reflected on the reflecting face and form in the layer at least a second optical gain area distinct from the optical gain area, the second optical gain area being disjoint or almost contiguous to the area optical gain.
  • the pump beam may be reflected on the reflecting face and form at least a second optical gain region overlapping the optical gain area, thereby creating a single optical gain area.
  • the optical gain zone is then more complex than in the preceding cases and may make it possible to amplify more specifically a given mode of the laser signal beam.
  • the pump beams may have different wavelengths to avoid saturating a given absorption line of the laser signal beam. It is also conceivable that at least two pump beams, coming from a common light source, each having an angle of incidence on the layer, interfere in the layer so that the optical gain zone formed by the two pump beams have a sinusoidally varying pump power density.
  • the optical gain area may also be divided into at least two first parts separated from each other by at least one unlit area of the layer, and at least one second common portion connecting the first two portions.
  • the volume of the layer may be delimited by first and second substantially plane main faces. These faces can also be substantially parallel.
  • the present invention also relates to a laser oscillator, intended to create a laser beam, comprising at least two mirrors and an optical pumping device, also object of the present invention.
  • the two mirrors are contiguous or not to the optical pumping device, one of the two mirrors being intended to return the laser beam in the optical gain area, and the other of the two mirrors being intended to return a portion of the laser beam in the optical gain region and passing another portion out of the optical pumping device, so that the optical pumping device is a gain module of the laser oscillator.
  • the volume of the layer of the optical pumping device may be delimited by a first and a second substantially flat and parallel main face, one of the two mirrors having a reflecting face disposed against a third face of the layer, substantially perpendicular to the two main faces, and the other of the two mirrors being a semi-transparent mirror, substantially parallel to the first mirror and disposed against a fourth face, opposite to the third face, of the layer.
  • FIG. 1A is a perspective view of a example of a transverse optical pumping device of the prior art
  • FIG. 1B is a perspective view of an example of a longitudinal optical pumping device of the prior art
  • FIG. 1C is a perspective view of an example of an optical pumping device by the upper face of the prior art
  • FIG. 2A is a front sectional view of an optical pumping device, object of the present invention, according to a first embodiment
  • FIG. 2B is a sectional view from above of the optical pumping device, object of the according to the first embodiment
  • FIG. 3A is a front sectional view of an optical pumping device, object of the present invention, according to a second embodiment
  • FIG. 3B is a sectional view from above of the optical pumping device, object of the present invention, according to the second embodiment,
  • FIG. 4A is a front sectional view of an optical pumping device, object of the present invention, according to a third embodiment
  • FIG. 4B is a front sectional view of the optical pumping device, object of the present invention, according to the third embodiment
  • FIG. 4C is a front sectional view of an optical pumping device, object of the present invention, according to a variant of the third embodiment,
  • FIG. 5 is a front sectional view of an optical pumping device, object of the present invention, according to a fourth embodiment
  • FIG. 6 is a front sectional view of an optical pumping device, object of the present invention, according to a fifth embodiment
  • FIG. 7A is a sectional view from above of an optical pumping device
  • object of the according to a sixth embodiment
  • FIG. 7B is a sectional view from above of the optical pumping device, object of the present invention, according to the sixth embodiment
  • FIG. 8 is a sectional view from above of an optical pumping device, object of the present invention, according to a seventh embodiment.
  • This optical pumping device 12 comprises a layer 13 made of an active material doped with laser ions.
  • this layer 13 is a thin layer, that is to say a layer whose thickness is between about 1 micrometer and a few tens of micrometers, for example between about 1 micrometer and 50 micrometers or between 1 micrometers and 100 micrometers, monocrystalline, for example yttrium orthosilicate (YSO), doped with laser ions, here ytterbium ions Yb 3+ .
  • YSO yttrium orthosilicate
  • the layer 13 may also be based on any other matrix having a host site for these laser ions.
  • This layer 13 has a given volume. In the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 2A to 8, the volume of the layer 13 is delimited by a first main face 16 and a second main face 15 that are substantially plane and parallel.
  • the plane xz defined by the axes x and z, is substantially parallel to the main faces 15 and 16.
  • the first face main layer 16 is disposed on a substrate 14.
  • the layer 13 is for example obtained by Liquid Phase Epitaxy, a growth method making it possible to obtain monocrystalline thin films (several tens of micrometers) of very good quality, that is to say ie having optical propagation losses of less than about 0.01 dB / cm, with very high doping, for example doped with about 40% of active ions (laser ions), or more generally with a doping greater than about 20% of active ions or greater than about 30% of active ions.
  • This optical pumping device 12 also comprises a pump beam 19.
  • This pump beam 19 is a light beam whose wavelength is chosen so that, when the photons of this pump beam 19 enter the layer 13, The laser ions of this layer 13 change from a non-excited state to an excited state.
  • This pump beam 19 is oriented so that it illuminates one of the first main face 16 or the second main face 15.
  • the illuminated face may be covered with an anti-reflection deposit, not shown, made for example by suitable dielectric multilayer deposits, thereby improving the efficiency of the optical pumping device 12.
  • it is the first main face 16 which is illuminated by the pump beam 19
  • the effective width of the pump beam 19 is shown in Fig. 2A by ⁇ p.
  • the substrate 14 is in contact with the first main face 16 and is made of a material, here a monocrystal, transparent to the wavelength of the pump beam 19 so that the pump beam 19 arrives on the first main face 16 without that there is no energy loss in the substrate 14.
  • the substrate 14 has a bevel 17.
  • the pump beam 19 enters the substrate 14 by the bevel 17.
  • the bevel 17 is manufactured by cutting and polishing a stop of a
  • the pump beam 19 arrives with a zero or almost zero angle of incidence on the bevel 17, which makes it possible to limit the reflection of the pump beam 19 when it enters the beam.
  • This substrate 14 makes it possible to evacuate the heat of the layer 13 taking into account the confinement of the energy in this layer 13.
  • the pump beam 19 passes through the substrate 14 before entering the layer 13 by an entry place 47, which in this example is on the first main face 16.
  • the pump beam 19 arrives on the first main face 16 with an angle of incidence ⁇ p.
  • the pump beam 19 substantially rectilinearly illuminates the first main face 16 over an entire length L of the optical pumping device 12, parallel to the axis z, as can be seen in FIG. 2B.
  • the pump beam 19 is emitted by a light source 27, shown in FIG. 3A, such as, for example, one or more laser diodes.
  • the pump beam 19 then passes through the layer 13 while passing laser ions from a non-excited state to an excited state. Thanks to this phenomenon, the energy of the pump beam 19 is transferred into the layer 13.
  • FIG. 2B shows that, since the pump beam 19 illuminates the first main face 16 substantially rectilinearly, the optical gain zone 20 The result is also substantially rectilinear over the entire length L of the optical pumping device 12.
  • the pump beam 19 therefore has a cross section of substantially rectangular shape and of surface substantially equal to ⁇ pxL. The energy of the pump beam 19 is thus concentrated in this optical gain zone 20. Since the pump beam 19 arrives on the first main face 16 with an angle of incidence ⁇ p, the optical gain zone 20a therefore an effective thickness heff defined by the following equation (1):
  • the effective width leff of the optical gain zone 20 is defined by the following equation (2):
  • this volume V is defined by the following equation (3):
  • the volume V of the optical gain zone 20 is adjustable thanks to the dimensions ⁇ p and L of the pump beam 19, therefore to the right cross section of the pump beam 19, and to the angle of incidence ⁇ p of the pump beam 19 on the first main face 16.
  • the volume V is smaller than the total volume of the layer 13.
  • the positioning of the optical gain zone 20 along the x axis parallel to the effective width leff, in the layer 13 is also adjustable with these parameters and with the place of entry 47 of the pump beam 19 in the layer 13.
  • the pump beam 19 After passing through the layer 13, the pump beam 19 continues its trajectory and passes through a superstrate 18 disposed on the other of the first main face 16 or the second main face 15 of the layer 13. In the example of FIGS. 2A and 2B, it is the second main face 15.
  • This superstrate 18 may for example be made of the same material as the substrate 14, here a monocrystal, transparent to the wavelength of the pump beam 19.
  • This superstrate 18 can be used for the extraction of heat produced by the pumping reaction in the layer 13, thus creating a temperature gradient along the y axis, parallel to the thickness h of the layer 13, to minimize the adverse thermal effects .
  • the pump beam 19 passes through the substrate 14 from the bevel 17, then passes through the layer 13, and ends by passing through the superstrate 18.
  • the pump beam 19 passes through the substrate 14 without passing through the bevel 17, or that the pump beam 19 first passes through the superstrate 18 and between in the layer 13 by the second main face 15, and finally through the substrate 14, as in Figure 3A.
  • the pump beam 19 then enters directly into the layer 13 by the first or the second main face 15 or 16 of the layer 13 with an angle of incidence ⁇ p without crossing anything before.
  • the optical pumping device 12 is intended to amplify and guide a laser signal beam 2 visible in FIG. 2B.
  • the optical pumping device 12 is first intended to amplify the laser signal beam 2.
  • the laser signal beam 2 is sent at the input of the layer 13, substantially parallel to the z axis, to the the level of the optical gain zone 20.
  • the laser signal beam 2 is amplified by recovering the energy accumulated in the optical gain zone 20.
  • the optical pumping device 12 also serves to guide the laser signal beam 2. Indeed, in this exemplary embodiment, it is assumed that the index of the material of the substrate 14 and of the superstrate 18 is less than or equal to the index of the active material of the layer 13.
  • the laser signal beam 2 sent in the layer 13 remains in this layer 13 and does not spread in the substrate 14 and the superstrate 18.
  • the energy of the pump beam 19 is located only in the zone d e optical gain 20, the laser signal beam 2 remains confined in this gain area optical 20 and does not spread throughout the layer 13 because the laser signal beam 2 propagates preferentially in areas with higher gain.
  • the effective width leff of the optical gain zone 20, substantially constant over the entire length L of the optical pumping device 12 is substantially equal to the width of the laser signal beam 2 and the thickness h is substantially equal to the height of the laser signal beam 2.
  • the dimensions of a cross section of the optical gain zone 20 are approximately equal to those of a cross section of the laser signal beam 2.
  • the laser signal beam 2 with the same quality as at the input of the optical pumping device 12.
  • the quality of the laser signal beam refers to the spatial mode of the laser signal beam, which determines the divergence and the spreading a spot of the laser signal beam.
  • a "good quality" laser beam is described if it has a spatial distribution of energy close to that corresponding to the fundamental mode (determined by a cavity emitting the laser beam), which is, in the usual case of a cavity with symmetry of revolution, a Gaussian mode.
  • the laser signal beam 2 is monomode, entering the layer 13, it leaves the optical pumping device 12 amplified and perfectly monomode. More generally, this configuration simultaneously makes it possible to amplify a laser signal beam 2 in a fundamental spatial mode and to preserve this spatial mode until the output of the optical pumping device 12, by supplying energy only the fundamental spatial mode.
  • a YSO layer doped at 40% in Yb 3+ ions with a thickness h equal to 10 micrometers, whose linear absorption coefficient at 978 nm is of the order of 200 cm -1. of index between the layer 13 and the substrate 14 being less than 0.01, 80% of the energy of a pump beam 19, whose width ⁇ p is 10 micrometers and the angle of incidence ⁇ p of 1 , 2 °, is absorbed to form an optical gain zone 20 to maintain the monomode character during propagation in the direction of the z axis.
  • the effective thickness of heff absorption is in this case 80 micrometers, and thus the optical gain zone 20 has a cross-section equal to 10 micrometers * 80 micrometers.
  • FIGS. 3A and 3B show a second embodiment of an optical pumping device 12 according to the invention.
  • a layer 13, a superstrate 18, a substrate 14, a pump beam 19 and an optical gain zone 20 of this second embodiment are substantially similar in nature to the same elements of the first embodiment.
  • the substrate 14 does not include a bevel.
  • the pump beam 19 of the second embodiment is not rectilinear along a length L of the optical pumping device 12. As can be seen in FIG. 3A, the pump beam 19 enters the superstrate 18 and passes through the superstrate 18 before reaching a second major face 15.
  • a straight section of the pump beam 19 has a shape substantially similar to the optical gain zone 20 seen from above, visible in Figure 3B, but a width of the cross section.
  • the pump beam 19 is ⁇ p, unlike a width of the optical gain area 20 which is leff.
  • the pump beam 19 then enters the layer 13 and forms an optical gain zone 20 which, therefore, does not have a straight path along the entire length L of the optical pumping device 12 along the z axis, as can be seen in FIG. can see it in Figure 3B.
  • the pump beam 19 is shaped, that is to say for example collimated, by an optical means 33.
  • this optical means 33 is a lens.
  • This optical means 33 could also be a prism.
  • This optical means 33 makes it possible to precisely define the pump beam 19.
  • a laser signal beam 2 is amplified and guided in the optical gain zone 20.
  • the optical pumping device 12 in this embodiment provides additional guidance because the laser signal beam 2 follows a non-rectilinear trajectory.
  • the laser signal beam 2 thus emerges from the layer 13 oriented along an axis which is not parallel to that which the laser signal beam 2 had at the input of the layer 13. This makes it possible to orient the laser signal beam 2 in a direction defined by the geometry of the pump beam
  • FIG. 4A represents a front sectional view of an optical pumping device 12, object of the present invention, according to a third embodiment.
  • the optical pumping device 12 comprises a layer 13, a superstrate 18, a substrate 14, a pump beam 19 and an optical gain zone 20.
  • the difference of the optical pumping device 12 of this FIG. 4A with respect to that of FIG. 2A is that it comprises a reflecting face 22 oriented towards the layer 13.
  • This reflecting face 22 is disposed on a face of the superstrate 18 substantially parallel to the first main face 16, the furthest from the layer 13.
  • the optical gain zone 20 which is a first optical gain zone.
  • the pump beam 19 then passes through the superstrate 18 to be reflected on the face 22.
  • the pump beam 19 then crosses again the superstrate 18, then the layer 13 forming a second optical gain zone 21, with a volume substantially equal to the first optical gain zone 20.
  • the second optical gain zone 21 may be parallel at the first optical gain area 20 and have the same properties as those of the first optical gain zone 20. It is also defined by the same parameters, that is to say an orientation, an effective thickness heff, an effective width leff, a length as well as a thickness h of the layer 13.
  • the pump beam 19 then passes through the substrate 14 and then leaves the substrate 14.
  • the second optical gain zone 21 is distinct and disjoint from the first optical gain zone 20.
  • the device Pumping 12 can amplify two laser signal beams, not shown in FIG.
  • the pumping device optical 12 performs both the function of amplifier and optical guide, as explained above.
  • the pump beam 19 is emitted by a light source 27, shown in FIG. 3A.
  • the pump beam 19 may also be shaped by optical means 33, shown in Figure 3A, as in the second embodiment.
  • the different variants presented for the first embodiment presence or not of bevel 17, substrate 14 and superstrate 18
  • FIG. 4B represents the optical pumping device 12, object of the present invention, according to the third embodiment.
  • the optical pumping device 12 of this figure differs from that of FIG. 4A by the angle of incidence ⁇ p of the pump beam 19 on the layer 13.
  • This angle of incidence ⁇ p is such that the optical gain area 20 and the second optical gain zone 21 are distinct but, unlike FIG. 4A, where the two optical gain zones 20, 21 were disjoint from each other, the two optical gain zones 20, 21 are, in this figure 4B, almost contiguous to each other.
  • FIG. 4C Another variant of this third embodiment is shown in FIG. 4C.
  • the optical pumping device 12 comprises the same elements as the optical pumping device 12 of FIG. 4A.
  • the angle ⁇ p is such that the two optical gain areas 20 and 21 overlap to form a single optical gain area 44.
  • This overlap causes the single optical gain area 44 to have a power density that is not uniform, unlike the previous embodiments.
  • This variant may make it possible to laser emission in a particular spatial mode by maximizing the laser signal beam 2, not shown in Figure 4C, only over a width defined by the width of the zone 23.
  • This phenomenon is reinforced with a doping of the layer 13 by Yb 3+ ions, for which the areas' insufficiently pumped
  • FIG. 5 represents a front sectional view of an optical pumping device 12, object of the present invention, according to a fourth embodiment.
  • This optical pumping device 12 comprises a layer 13, a substrate 14 and a superstrate
  • the substrate 14 comprises two bevels 17 and 24 made on two opposite edges of a base 35. Unlike the previous embodiments, a pump beam
  • the Optical pumping device 12 also has two further auxiliary pump beams 25,26. These two auxiliary pump beams 25,26 each enter by a bevel, respectively 24 and 17, of the substrate 14. In this figure, each auxiliary pump beam 25,26 arrives on the first main face 16 with an angle of incidence. , respectively ⁇ p2, ⁇ p3, for example substantially equal in absolute value, but of opposite sign. In another variant, the auxiliary pump beams 25, 26 could have angles incidence ⁇ p2, ⁇ p3 different. After passing through the substrate 14, the three pump beams 19, 25, 26 form a common optical gain zone.
  • the pump beams 19,25,26 each have a different width ⁇ pl, ⁇ p2 and ⁇ p3, so a different cross section.
  • the pump beams 19, 25, 26 may have different wavelengths to avoid saturating the absorption at a given wavelength.
  • the pump beams 19, 25, 26 may also each have a different length, parallel to the z axis.
  • the common optical gain area has a power density that is not uniform.
  • the common optical gain zone comprises two regions 42, 43 intersecting the main pump beam 19 and one of the auxiliary pump beams 26 and 25, respectively. 43 have a higher power density than the remainder 20 'of the common optical gain area which is due only to the main pump beam 19.
  • each parameter i.e. the the inlet angle 47 in the layer 13, the angle of incidence ⁇ pl and the width ⁇ pl of the main pump beam 19 conforms to the common optical gain area and the similar parameters of the auxiliary pump beams 25,26 contribute to conform the regions 42,43.
  • the superstrate 18 is made of absorbent material at the wavelength of the pump beams 19,25,26.
  • the residual intensity of these pump beams 19, 25, 26 is absorbed in the superstrate 18.
  • This embodiment makes it possible, for example, to promote the laser emission in a given spatial mode, or to create several distinct guides in the common optical gain area.
  • optical pumping 12 with a spatial mode which will be determined by where they passed in the common gain area and therefore by the power density they encountered.
  • the pump beams 19,25,26 may, for example, be rectilinear or not. Variations can be envisaged by adding additional pump beams.
  • the optical pumping device 12 may also have a reflecting face 22 as in the third embodiment, which makes it possible to obtain a geometry of the even more complex common optical gain area.
  • variants may be envisaged with the presence or not of the bevels 17 and 24, the substrate 14, or the suppression of the superstrate 18.
  • FIG. 6 represents a front sectional view of an optical pumping device 12, object of the present invention, according to a fifth embodiment.
  • This optical pumping device 12 comprises a layer 13 and a substrate 14 substantially similar to those of the fourth embodiment.
  • at least two pump beams 19, 25 are derived from a common light source 27.
  • two pump beams 19, 25 are shown.
  • the pump beams 19, 25 each have an angle of incidence ⁇ pl9 and ⁇ p25, for example substantially equal in absolute value but of opposite sign, on a first main face 16, a width ⁇ pl9 and ⁇ p25 substantially equal and intersect in the layer. 13 so as to form a single optical gain zone 20.
  • the pump beams 19, 25 are derived from the same light source 27, they are substantially similar and they illuminate the face 16 with substantially equal angles of incidence ⁇ pl9 and ⁇ p25, so there is interference between the two pump beams 19, 25 in the single optical gain area, resulting in a sinusoidally varying pump power density along the x axis.
  • the period of this sinusoidal variation is adjustable by modifying the angles of incidence ⁇ pl9 and ⁇ p25, and the widths ⁇ pl9 and ⁇ p25 of each of the pump beams 19,25.
  • the pump beams 19,25 emerge from the layer 13 with refraction angles ⁇ rl9 and ⁇ r25 substantially equal in absolute value with respect to a second main face 15 and each have a width ⁇ rl9 and ⁇ r25 substantially equal.
  • FIG. 7A represents a sectional view from above of an optical pumping device 12, object of the present invention, according to a sixth embodiment.
  • This optical pumping device 12 comprises a layer 13 and a substrate 14 not shown in FIG. 7A, substantially similar to those of the first embodiment.
  • a pump beam 19, not shown in FIG. 7A enters through the substrate 14 and forms an optical gain zone 20 in the layer 13.
  • the optical gain zone 20 is divided into two first portions 28,29, separated from each other by an area 34 of the unlit layer 13, which extend through a second common portion 30. This second common portion 30 connects the first two portions 28 29.
  • a light source 27, not shown in this figure 7 emits the pump beam 19 which forms the optical gain zone 20.
  • the pump beam 19 is such that it forms one of the first two parts 28 and the second common part 30, as is the case in Figure 7A, or as it forms the other of the first two parts 29 and the second common portion 30.
  • the light source 27 can optionally create two different optical paths in the layer 13.
  • a laser signal beam 2 entering the layer 13 through the second portion 30 can either be guided through a first optical path defined by one of the first two parts 28, shown in solid lines in Figure 7A, and therefore out of the layer 13 by a first end 31 which is an output, as is the case in Figure 7A or be guided in a second optical path defined by the other of the first two parts 29, shown in dashed lines in FIG.
  • the optical pumping device 12 thus performs an optical routing function for routing the laser signal beam 2 according to two paths to choose from. With the same configuration, it is also conceivable that the optical pumping device 12 performs an optical switch function, as shown in FIG. 7B. For this, two laser signal beams 2a, 2b arrive at these two ends 31 and 32 respectively, which become in this case inputs. If the pump beam 19, not shown in FIG. 7B, illuminates one of the first two portions 28, shown in solid lines in FIG.
  • the optical pumping device 12 is used as amplifier and optical guide of one or more existing laser signal beams 2.
  • the laser signal beam 2 enters a layer 13 of an active material, passes through the layer 13 by amplifying the energy provided by a pump beam 19 in an optical gain zone 20 and following this optical gain zone. 20, and leaves the optical pumping device 12.
  • the present invention also relates to a laser oscillator 50.
  • the laser oscillator 50 is intended to create a laser beam.
  • the principle of this laser oscillator is that an optical pumping device is arranged between two mirrors. One of the two mirrors returns the laser beam to the optical gain area, and the other of the two mirrors returns a portion of the laser beam to the optical gain area and passes another portion out of the optical pumping device.
  • the optical pumping device is thus used as a gain module of the laser oscillator 50.
  • FIG. 8 represents an example of a laser oscillator 50, object of the present invention.
  • the laser oscillator 50 comprises an optical pumping device 12, also object of the present invention, according to one of the preceding embodiments.
  • the optical pumping device 12 comprises a substrate, a pump beam, a superstrate, not shown in FIG. 8, a layer 13 and an optical gain zone 20 substantially similar to the same elements of the first embodiment of the optical pumping device 12.
  • the laser oscillator 50 comprises a first mirror 36, a reflecting face of which 37 is disposed against a third face 39 of the layer 13, substantially perpendicular to the main faces of the layer 13.
  • the laser oscillator 50 also comprises a second semi-transparent mirror 38, disposed against a fourth face 40, opposite to the third face 39 , of the layer 13.
  • the mirrors 36 and 38 are arranged substantially vis-à-vis one another.
  • a laser beam 41 generated by spontaneous emission and amplified by stimulated emission in the optical gain zone 20, will first traverse the layer 13, be reflected in the second mirror 38, re-traverse the layer 13, reflected in the first mirror 36, and so on.
  • the laser beam 41 recovers the energy supplied by the pump beam in the optical gain zone 20.
  • the laser beam 41 reaches the mirror semi-transparent 38, a portion 45 of the laser beam 41 is reflected by the semi-transparent mirror 38 in the optical gain zone 20 and another portion 46 of the laser beam 41 leaves the optical pumping device 12 through the semi-transparent mirror 38.
  • This description of the laser oscillator 50 is one of the possible embodiments.
  • any of the optical pumping devices 12 previously described in the present description can be used to realized a gain module of the laser oscillator 50 such as that of FIG. 8.
  • the mirrors 36, 38 may not be contiguous with the optical pumping device 12. At least one of the two mirrors could also not be flat but concave to enhance the stability of the laser oscillator 50.

Landscapes

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif de pompage optique (12) . Ce dispositif (12) comporte au moins une couche (13) mince ayant un volume donné, réalisée à base d'un matériau actif dopé en ions laser. Le dispositif (12) comporte également au moins un faisceau de pompe (19) ayant une section droite de dimensions données, de longueur d'onde choisie pour pouvoir amener des ions laser du matériau actif dans un état excité. Ce faisceau de pompe (19) entre en un lieu d'entrée (47) dans la couche (13) avec un angle d'incidence (θp) donné en formant au moins une zone de gain optique (20) dans la couche (13) . La zone (20) a un volume inférieur au volume de la couche (13) et un positionnement dans la couche (13) ajustables grâce au lieu d'entrée (47), aux dimensions de la section droite du faisceau de pompe (19) et à l'angle d'incidence (θp) .

Description

DISPOSITIF DE POMPAGE OPTIQUE ,
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte à un dispositif de pompage optique. Ce dispositif est particulièrement adapté pour l'amplification et/ou le guidage d'un faisceau laser ainsi que pour la réalisation d'un oscillateur laser. Il peut être utilisé dans tous les domaines d'application utilisant la lumière laser. En outre, la présente invention concerne également un oscillateur laser comportant ce dispositif de pompage optique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Une particule (atome, ion ou molécule) dans un état excité peut émettre un premier photon grâce à la stimulation que provoque l'arrivée d'un second photon d'énergie identique au premier photon. Ce phénomène s'appelle l'émission stimulée. En répétant de nombreuses fois ce phénomène sur plusieurs particules, on obtient une lumière composée de photons tous identiques, de même couleur, émis en même temps et dans la même direction, appelée faisceau laser.
Dans un milieu actif dopé en ions laser, c'est-à-dire un milieu composé de nombreuses particules excitables, ces particules sont presque toutes, à l'état naturel, dans un état non excité. Il faut donc, grâce à une source d'énergie, renverser cette situation, c'est-à-dire avoir un nombre plus important de particules dans un état excité que dans un état non excité, afin de pouvoir provoquer une émission d'un faisceau laser tel que décrit ci-dessus. Ce processus est appelé « inversion de population ». Le pompage optique est un procédé d'inversion de population consistant à faire passer des particules de leur état non excité vers un état excité en leurs faisant chacune absorber un photon. Le pompage optique peut être utilisé lors de la création d'un faisceau laser, c'est à dire pour inverser la population dans un milieu actif se trouvant dans un oscillateur laser, ou bien pour amplifier et/ou guider un faisceau laser existant, par exemple émis par une diode laser, en le faisant traverser un milieu actif d'un dispositif de pompage optique. En pratique, le pompage optique consiste à envoyer un ou plusieurs faisceaux lumineux, appelés faisceaux de pompe, dans le milieu actif, lui-même traversé par un faisceau émis par une source laser, appelé faisceau signal laser. Plusieurs dispositifs de pompage optique par diodes laser, comportant une structure guidante à géométrie planaire, sont connus.
Un dispositif de pompage optique transverse 1 est représenté sur la figure IA. Un faisceau signal laser 2 traverse un milieu actif 4 dopé en ions laser, en entrant par une première face 6 du milieu actif 4. Un ou plusieurs faisceaux de pompe 3 traversent également tout le volume du milieu actif 4, transversalement au faisceau signal laser 2, en entrant par une seconde face 5, transverse à la première face 6, du milieu actif 4. Pour la réalisation d'une amplification de puissance, ce dispositif de pompage optique transverse 1 présente deux inconvénients majeurs. Tout d'abord, étant donné que le faisceau signal laser 2 et les faisceaux de pompe 3 entrent chacun dans le milieu actif 4 par une face différente du milieu actif 4, une focalisation de ces faisceaux 2 et 3 sur leur face d'entrée respective 6 et 5 est nécessaire. De plus, compte tenu de la longueur importante du trajet des faisceaux de pompe 3 dans le milieu actif 4, seul un faible dopage en ions laser peut être utilisé dans ce milieu actif 4, sous peine que les faisceaux de pompe 3 ne soient absorbés entièrement dans les premiers millimètres de leur trajet. Un troisième inconvénient de ce dispositif de pompage optique transverse 1 est le faible recouvrement entre le faisceau signal laser 2 et les faisceaux de pompe 3. Ce faible recouvrement traduit le fait qu'une partie de l'énergie apportée dans le milieu actif 4 par les faisceaux de pompe 3 se trouve en dehors du trajet du faisceau signal laser 2, étant donné que les faisceaux de pompe 3 traversent tout le volume du milieu actif 4. Cette perte d'énergie a pour conséquence un échauffement du milieu actif 4, une baisse du rendement, l'apparition de faisceaux laser parasites, ainsi que la détérioration de la qualité du faisceau signal laser 2.
Un dispositif de pompage optique longitudinal 11 est représenté sur la figure IB. Ce dispositif 11 diffère du dispositif de pompage optique transverse 1 de la figure IA du fait qu'un faisceau de pompe 3 traverse un milieu actif 4 dopé en ions laser longitudinalement à un faisceau signal laser 2. Le faisceau signal laser 2 et le faisceau de pompe 3 entrent dans le milieu actif 4 par la même face 6 du milieu actif 4. En plus d'avoir les mêmes inconvénients que le dispositif de pompage optique transverse 1 pour la réalisation d'une amplification de puissance, il faut que le faisceau signal laser 2 et le faisceau de pompe 3 soient colinéaires avant d'entrer dans le milieu actif 4. Or, rendre colinéaire des faisceaux issus par exemple de diodes laser, qui peuvent être très asymétriques, nécessite une mise en œuvre complexe. Toutefois, avec ce dispositif de pompage optique longitudinal 11, le recouvrement entre le faisceau signal laser 2 et le faisceau de pompe 3 est meilleur que pour le dispositif de pompage optique transverse 1.
Un dispositif de pompage optique par une face supérieure 10 est décrit dans le document « Face pumping of thin, solid-state slab lasers with laser diodes », Optics letters Vol. 21, n°8, paru le 15 avril 1996 et est représenté sur la figure IC. Ce dispositif de pompage optique 10 comporte une matrice de diodes laser 7 pour émettre des faisceaux de pompe (non représentés sur la figure IC) , un miroir à fentes micrométriques 8, un milieu actif 4 et une cavité résonnante 9. Le procédé mis en œuvre par ce dispositif de pompage optique 10, utilisé pour des lasers de fortes puissances, diffère des deux dispositifs 1 et 11 précédents du fait que les faisceaux de pompe, issus de la matrice de diodes laser 7, passent à travers les fentes du miroir 8 et entrent par la face supérieure du milieu actif 4, perpendiculairement à un faisceau signal laser 2. Les faisceaux de pompe se réfléchissent ensuite dans la cavité résonnante 9 en pompant optiquement tout le volume du milieu actif 4. Les fentes micrométriques du miroir 8 permettent de confiner les faisceaux de pompe qui se dispersent ensuite dans toute la cavité résonnante 9. L'inconvénient majeur d'un tel dispositif de pompage optique 10 est qu'il est cher et complexe. Même si ce procédé permet d'atteindre des densités d'énergie élevées dans tout le volume du milieu actif 4, le recouvrement reste faible. En effet, beaucoup d'énergie apportée par les faisceaux de pompe est perdue dans le milieu actif 4 et la cavité résonnante 9, entraînant les mêmes inconvénients que ceux décrits précédemment (échauffement, faisceaux laser parasites, etc.). De plus, étant donné que tout le volume du milieu actif 4 est traversé par les faisceaux de pompe, le faisceau signal laser 2 s'étale dans tout le volume du milieu actif 4 et on obtient en sortie du dispositif de pompage optique 10 un faisceau signal laser 2 très multimode, même si, en entrée, ce faisceau signal laser 2 était, par exemple, monomode.
Le document US 5 485 482 décrit un dispositif de pompage optique. Ce dispositif comporte une couche de matériau actif épaisse, faiblement dopée par des ions Néodyme . Ce dispositif vise à réaliser une amplification monomode d'un faisceau signal laser. Toutefois, ce fonctionnement ne peut être obtenu que par une optimisation spécifique de la géométrie de la zone de gain optique et/ou du dopage de la couche de matériau actif.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de proposer un dispositif de pompage optique qui ne présente pas les inconvénients de la technique antérieure, c'est-à-dire ayant un trajet d'un faisceau de pompe dans un milieu actif court, un recouvrement important entre le faisceau de pompe et un faisceau signal laser sans obligation de colinéarité entre ces deux faisceaux, qui soit simple et peu cher, et qui permette d'obtenir une amplification du faisceau signal laser en optimisant la densité de puissance de pompe dans le milieu actif, ainsi que de réaliser une fonction de guidage du faisceau signal laser. Un but de la présente invention est également de réaliser un dispositif de pompage optique sans fortes contraintes sur la géométrie de la zone de gain optique et le dopage de la couche de matériau actif. Pour atteindre ce but, la présente invention propose un dispositif de pompage optique comportant au moins une couche ayant un volume donné, la couche étant réalisée à base d'un matériau actif dopé en ions laser, et au moins un faisceau de pompe ayant une section droite de dimensions données, de longueur d'onde choisie pour pouvoir amener des ions laser du matériau actif dans un état excité, entrant en un lieu d'entrée dans la couche avec un angle d' incidence donné en formant au moins une zone de gain optique dans la couche. La présente invention a également pour objet un dispositif de pompage optique comportant au moins une couche ayant un volume donné, la couche étant réalisée à base d'un matériau actif dopé en ions laser, et des moyens pour émettre au moins un faisceau de pompe ayant une section droite de dimensions données, de longueur d'onde choisie pour pouvoir amener des ions laser du matériau actif dans un état excité, ces moyens étant disposés de manière à ce que le faisceau de pompe entre en un lieu d' entrée dans la couche avec un angle d'incidence donné en formant au moins une zone de gain optique dans la couche. La zone de gain optique a un volume et un positionnement dans la couche ajustables grâce au lieu d'entrée, aux dimensions de la section droite du faisceau de pompe et à l'angle d'incidence, le volume de la zone de gain optique étant inférieur au volume de la couche. La couche de matériau actif peut être une couche mince.
Ainsi, au lieu d'utiliser un dispositif de pompage optique où l'énergie, de pompe est répartie dans toute la couche de matériau actif, on utilise un dispositif qui concentre l'énergie de pompe dans un volume précis, permettant ainsi de maximiser la densité de puissance de pompe, et donc d'optimiser le gain disponible. Cette zone de gain optique restreinte, ajustable en volume et en position par les caractéristiques du faisceau de pompe, permet également de réaliser un guidage par le gain du faisceau signal laser car ce dernier se propage préférentiellement dans les zones à plus fort gain, ici la zone de gain optique. La couche mince peut avoir une épaisseur comprise entre environ 1 micromètre et quelques dizaines de micromètres, et/ou comprise entre environ 1 micromètre et 10 micromètres, et/ou inférieure à environ 100 micromètres, et/ou inférieure à environ 50 micromètres. Il est ainsi possible de réaliser un guidage monomode du faisceau signal laser.
La couche mince peut être dopée avec un dopage d'environ 40% d'ions laser, et/ou supérieur à environ 30% d'ions laser, et/ou supérieur à environ 20% d'ions laser. Un tel dopage permet de maintenir un bon niveau d' absorption du faisceau de pompe dans la zone de gain optique, nonobstant une faible épaisseur de la couche de matériau actif, réduisant ainsi les contraintes d'optimisation spécifique sur la géométrie de la zone de gain optique.
Il est préférable que les ions laser soient des ions d'ytterbium. Ces ions, de structure électronique simple, permettent d'éviter des effets parasites apparaissant dans des dispositifs de pompage optique à forte densité de puissance comme celui de la présente invention.
La couche peut être monocristalline. La couche peut être à base d'orthosilicate d'yttrium ou d'une toute autre matrice présentant un site d'accueil pour les ions laser.
On peut envisager que le faisceau de pompe soit émis par au moins une source de lumière, telle qu'au moins une diode laser. Le faisceau de pompe peut être mis en forme par au moins un moyen optique, tel qu'une lentille ou un prisme, avant d'entrer dans la couche de manière à délimiter le faisceau de pompe. Le fait que cette mise en forme se fasse à l'extérieur de la couche laisse une grande flexibilité sur le choix de la source de lumière et/ou du moyen optique utilisé.
Le dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, étant destiné à coopérer avec au moins un faisceau signal laser, la zone de gain optique peut définir dans la couche, pour le faisceau signal laser, un trajet rectiligne ou non.
Le dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, étant destiné à coopérer avec au moins un faisceau signal laser monomode, les dimensions d'une section droite de la zone de gain optique peuvent être approximativement égales à celles d'une section droite du faisceau signal laser, de manière à ce que le faisceau signal laser reste sensiblement dans un mode fondamental après avoir traversé la couche. Cela permet simultanément l'amplification du faisceau signal laser monomode et la conservation de la modalité de ce faisceau.
On peut envisager que la couche soit disposée sur au moins un substrat. Ce substrat permet d' évacuer la chaleur se formant dans la couche mince compte tenu du confinement de l'énergie dans la couche mince .
Dans ce cas, le substrat est de préférence réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau de pompe. Cela permet d'éviter des pertes d'énergie du faisceau de pompe dans le substrat. L'indice du matériau du substrat peut être inférieur ou égal à l'indice du matériau de la couche, afin que le faisceau signal laser reste confiné dans la couche. Le faisceau de pompe peut traverser le substrat avant d'entrer dans la couche.
Il est préférable que le substrat comporte au moins un biseau. Ce biseau permet au faisceau de pompe de rentrer dans le substrat en limitant des réflexions possibles sur le substrat.
On peut alors envisager que le faisceau de pompe entre dans le substrat par le biseau et traverse le substrat avant d'entrer dans la couche.
Il est préférable que le dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, comporte au moins un superstrat disposé sur la couche. Ce superstrat peut notamment servir à gérer des effets thermiques néfastes au dispositif de pompage optique et à minimiser des pertes par diffusion lors de la propagation du faisceau signal laser.
L'indice du matéria'u du superstrat peut être inférieur ou égal à l'indice du matériau de la couche, afin de confiner le faisceau signal laser dans la couche. Le superstrat peut être réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau de pompe, afin qu'il n'y ait pas de pertes d'énergie dans le superstrat.
On peut envisager que le faisceau de pompe traverse le superstrat avant d'entrer dans la couche. Le superstrat peut être réalisé dans un matériau absorbant à la longueur d'onde du faisceau de pompe. Ainsi, après que le faisceau de pompe ait traversé la couche, toute l'intensité résiduelle du faisceau de pompe qui n' a pas été absorbée dans la couche est absorbée dans le superstrat.
Le dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, peut comporter au moins une face réfléchissante orientée vers la couche. Dans ce cas, le faisceau de pompe peut se réfléchir sur la face réfléchissante et former dans la couche au moins une seconde zone de gain optique distincte de la zone de gain optique, la seconde zone de gain optique étant disjointe ou quasiment accolée à la zone de gain optique.
Dans une autre variante, le faisceau de pompe peut se réfléchir sur la face réfléchissante et former au moins une seconde zone de gain optique chevauchant la zone de gain optique, créant ainsi une zone de gain optique unique.
On peut envisager que plusieurs faisceaux de pompe se croisent dans la couche de manière à ce que les faisceaux de pompe coopèrent pour former la zone de gain optique. La zone de gain optique est alors plus complexe que dans les cas précédents et peut permettre d'amplifier plus spécifiquement un mode donné du faisceau signal laser.
Les faisceaux de pompe peuvent avoir des longueurs d'onde différentes pour éviter de saturer une raie d'absorption donnée du faisceau signal laser. On peut également envisager qu'au moins deux faisceaux de pompe, issus d'une source de lumière commune, ayant chacun un angle d'incidence sur la couche, interfèrent dans la couche de manière à ce que la zone de gain optique formée par les deux faisceaux de pompe ait une densité de puissance de pompe variant de manière sinusoïdale .
La zone de gain optique peut également être divisée en au moins deux premières parties séparées l'une de l'autre par au moins une zone non éclairée de la couche, et en au moins une seconde partie commune reliant les deux premières parties.
Le volume de la couche peut être délimité par une première et une seconde faces principales sensiblement planes. Ces faces peuvent également être sensiblement parallèles.
La présente invention concerne également un oscillateur laser, destiné à créer un faisceau laser, comportant au moins deux miroirs et un dispositif de pompage optique, également objet de la présente invention. Les deux miroirs sont accolés ou non au dispositif de pompage optique, l'un des deux miroirs étant destiné à renvoyer le faisceau laser dans la zone de gain optique, et l'autre des deux miroirs étant destiné à renvoyer une partie du faisceau laser dans la zone de gain optique et à en laisser passer une autre partie hors du dispositif de pompage optique, de manière à ce que le dispositif de pompage optique soit un module de gain de l'oscillateur laser. Le volume de la couche du dispositif de pompage optique peut être délimité par une première et une seconde face principale sensiblement planes et parallèles, l'un des deux miroirs ayant une face réfléchissante disposée contre une troisième face de la couche, sensiblement perpendiculaire aux deux faces principales, et l'autre des deux miroirs étant un miroir semi transparent, sensiblement parallèle au premier miroir et disposé contre une quatrième face, opposée à la troisième face, de la couche.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure IA, déjà décrite, est une vue en perspective d'un exemple de dispositif de pompage optique transverse de la technique antérieure,
- la figure IB, déjà décrite, est une vue en perspective d'un exemple de dispositif de pompage optique longitudinal de la technique antérieure,
- la figure IC, déjà décrite, est une vue en perspective d'un exemple de dispositif de pompage optique par la face supérieure de la technique antérieure, - la figure 2A est une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation,
- la figure 2B est une vue en coupe de dessus du dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon le premier mode de réalisation,
- la figure 3A est une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un second mode de réalisation,
- la figure 3B est une vue en coupe de dessus du dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon le second mode de réalisation,
- la figure 4A est une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un troisième mode de réalisation, - la figure 4B est une vue en coupe de face du dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon le troisième mode de réalisation,
- la figure 4C est une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon une variante du troisième mode de réalisation,
- la figure 5 est une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un quatrième mode de réalisation,
- la figure 6 est une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un cinquième mode de réalisation, - la figure 7A est une vue en coupe de dessus d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un sixième mode de réalisation,
- la figure 7B est une vue en coupe de dessus du dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon le sixième mode de réalisation, la figure 8 est une vue en coupe de dessus d'un dispositif de pompage optique, objet de la présente invention, selon un septième mode de réalisation.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord à la figure 2A et à la figure 2B, qui représentent respectivement une vue en coupe de face et une vue en coupe de dessus d'un dispositif de pompage optique 12, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation. Ce dispositif de pompage optique 12 comporte une couche 13 réalisée à base d'un matériau actif dopé en ions laser. Dans cet exemple de réalisation, cette couche 13 est une couche mince, c'est-à-dire une couche dont l'épaisseur est comprise entre environ 1 micromètre et quelques dizaines de micromètres, par exemple entre environ 1 micromètre et 50 micromètres ou entre 1 micromètres et 100 micromètres, monocristalline, par exemple de l' orthosilicate d'yttrium (YSO), dopée par des ions laser, ici des ions d'ytterbium Yb3+ . Les ions
Yb3+ , de structure électronique simple, permettent d'éviter des effets parasites apparaissant dans des dispositifs de pompage optique à forte densité de puissance, comme celui de la présente invention. En fonction de la nature des ions laser choisis, la couche 13 peut également être à base d'une toute autre matrice présentant un site d'accueil pour ces ions laser. Cette couche 13 a un volume donné. Dans les exemples de réalisation illustrés sur les figures 2A à 8, le volume de la couche 13 est délimité par une première face principale 16 et une seconde face principale 15 sensiblement planes et parallèles. Un repère orthogonal xyz, composé de trois axes x, y, z, est représenté sur toutes les figures 2A à 8. Le plan xz, défini par les axes x et z, est sensiblement parallèle aux faces principales 15 et 16. La première face principale 16 est disposée sur un substrat 14. La couche 13 est par exemple obtenue par Epitaxie en Phase Liquide, méthode de croissance permettant d'obtenir des couches minces (quelques dizaines de micromètres) monocristallines de très bonne qualité, c'est-à-dire ayant des pertes de propagation optique inférieures à environ 0,01 dB/cm, avec un dopage très élevé, par exemple dopées avec environ 40% d'ions actifs (ions laser), ou plus généralement avec un dopage supérieur à environ 20 % d'ions actifs ou supérieur à environ 30 % d'ions actifs . Ce dispositif de pompage optique 12 comporte également un faisceau de pompe 19. Ce faisceau de pompe 19 est un faisceau lumineux dont la longueur d'onde est choisie pour que, lorsque les photons de ce faisceau de pompe 19 rentrent dans la couche 13, des ions laser de cette couche 13 passent d'un état non excité à un état excité. Ce faisceau de pompe 19 est orienté pour que celui-ci éclaire l'une de la première face principale 16 ou de la seconde face principale 15. Avantageusement, la face éclairée peut être recouverte d'un dépôt anti-reflet, non représenté, réalisé par exemple par des dépôts multicouches diélectriques adaptés, permettant ainsi d'améliorer le rendement du dispositif de pompage optique 12. Dans l'exemple des figures 2A et 2B, c'est la première face principale 16 qui est éclairée par le faisceau de pompe 19. La largeur effective du faisceau de pompe 19 est indiquée sur la figure 2A par Φp. Le substrat 14 est en contact avec la première face principale 16 et est réalisé dans un matériau, ici un monocristal, transparent à la longueur d'onde du faisceau de pompe 19 pour que le faisceau de pompe 19 arrive sur la première face principale 16 sans qu'il n'y ait de pertes d'énergie dans le substrat 14. Le substrat 14 comporte un biseau 17. Sur la figure 2A, le faisceau de pompe 19 entre dans le substrat 14 par le biseau 17. Le biseau 17 est fabriqué en découpant et en polissant une arrête d'une base 35 du substrat 14. Sur la figure 2A, le faisceau de pompe 19 arrive avec un angle d'incidence nul ou quasi nul sur le biseau 17, ce qui permet de limiter la réflexion du faisceau de pompe 19 lorsqu'il entre dans le substrat 14. Ce substrat 14 permet d'évacuer la chaleur de la couche 13 compte tenu du confinement de l'énergie dans cette couche 13. Dans ce mode de réalisation, le faisceau de pompe 19 traverse le substrat 14 avant de rentrer dans la couche 13 par un lieu d'entrée 47, qui dans cet exemple se trouve sur la première face principale 16. Le faisceau de pompe 19 arrive sur la première face principale 16 avec un angle d'incidence θp. Le faisceau de pompe 19 éclaire de façon sensiblement rectiligne la première face principale 16 sur toute une longueur L du dispositif de pompage optique 12, parallèle à l'axe z, comme on peut le voir sur la figure 2B. Le faisceau de pompe 19 est émis par une source de lumière 27, représentée sur la figure 3A, telle que, par exemple, une ou plusieurs diodes laser.
Le faisceau de pompe 19 traverse alors la couche 13 tout en faisant passer des ions laser d'un état non excité à un état excité. Grâce à ce phénomène, l'énergie du faisceau de pompe 19 est transférée dans la couche 13. Le volume de la couche 13 traversé par le faisceau de pompe 19 absorbe l'énergie du faisceau de pompe 19 et forme une zone appelée zone de gain optique 20, visible sur les figures 2A et 2B. On voit sur la figure 2B que, étant donné que le faisceau de pompe 19 éclaire la première face principale 16 de façon sensiblement rectiligne, la zone de gain optique 20 obtenue est également sensiblement rectiligne sur toute la longueur L du dispositif de pompage optique 12. Dans cet exemple de réalisation, le faisceau de pompe 19 a donc une section droite de forme sensiblement rectangulaire et de surface sensiblement égale à ΦpxL . L'énergie du faisceau de pompe 19 se trouve donc concentrée dans cette zone de gain optique 20. Etant donné que le faisceau de pompe 19 arrive sur la première face principale 16 avec un angle d'incidence θp, la zone de gain optique 20 a donc une épaisseur effective heff définie par l'équation (1) suivante :
(1) heff=h/cos(φ) avec h épaisseur de la couche 13. Cette épaisseur effective heff correspond à la distance parcourue par le faisceau de pompe 19 dans la couche 13. En faisant varier θp, on peut ainsi contrôler de façon simple la proportion de puissance du faisceau de pompe 19 absorbée dans couche 13.
De même, la largeur effective leff de la zone de gain optique 20 est définie par l'équation (2) suivante :
(2) IeJf=Φp/cos(φ)
Or, étant donné que la zone de gain optique 20 a, dans ce premier mode de réalisation, un volume V sensiblement parallélépipédique, ce volume V se définit par l'équation (3) suivante :
(3) V =leffxhxL
On voit donc que le volume V de la zone de gain optique 20 est ajustable grâce aux dimensions Φp et L du faisceau de pompe 19, donc à la section droite du faisceau de pompe 19, et à l'angle d'incidence θp du faisceau de pompe 19 sur la première face principale 16. Selon la présente invention, le volume V est inférieur au volume total de la couche 13. De plus, le positionnement de la zone de gain optique 20, selon l'axe x parallèle à la largeur effective leff, dans la couche 13 est également ajustable avec ces paramètres et avec le lieu d'entrée 47 du faisceau de pompe 19 dans la couche 13.
Après avoir traversé la couche 13, le faisceau de pompe 19 continue sa trajectoire et traverse un superstrat 18 disposé sur l'autre de la première face principale 16 ou de la seconde face principale 15 de la couche 13. Dans l'exemple des figures 2A et 2B, il s'agit de la seconde face principale 15. Ce superstrat 18 peut par exemple être réalisé dans le même matériau que le substrat 14, ici un monocristal, transparent à la longueur d'onde du faisceau de pompe 19. Ce superstrat 18 peut servir à l'extraction de chaleur produite par la réaction de pompage dans la couche 13, créant ainsi un gradient de température selon l'axe y, parallèle à l'épaisseur h de la couche 13, permettant de minimiser les effets thermiques néfastes.
Sur l'exemple de réalisation des figures 2A et 2B, le faisceau de pompe 19 traverse le substrat 14 à partir du biseau 17, puis traverse la couche 13, et termine en traversant le superstrat 18. Dans une variante de ce mode de réalisation, il est possible que le faisceau de pompe 19 traverse le substrat 14 sans passer par le biseau 17, ou encore que le faisceau de pompe 19 traverse d'abord le superstrat 18 et entre dans la couche 13 par la seconde face principale 15, et enfin traverse le substrat 14, comme sur la figure 3A. Dans une autre variante, il est encore possible qu'il n'y ait pas de biseau 17 et/ou de superstrat 18 ni même de substrat 14. Le faisceau de pompe 19 entre alors directement dans la couche 13 par la première ou la seconde face principale 15 ou 16 de la couche 13 avec un angle d' incidence θp sans rien traverser avant .
Le dispositif de pompage optique 12 selon la présente invention est destiné à amplifier et guider un faisceau signal laser 2 visible sur la figure 2B. Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif de pompage optique 12 est tout d'abord destiné à amplifier le faisceau signal laser 2. Le faisceau signal laser 2 est envoyé en entrée de la couche 13, sensiblement parallèlement à l'axe z, au niveau de la zone de gain optique 20. En traversant la zone de gain optique 20, comme cela est indiqué en pointillés sur la figure 2B, le faisceau signal laser 2 s'amplifie en récupérant l'énergie accumulée dans la zone de gain optique 20. Le dispositif de pompage optique 12 sert également à guider le faisceau signal laser 2. En effet, dans cet exemple de réalisation, on suppose que l'indice du matériau du substrat 14 et du superstrat 18 est inférieur ou égal à l'indice du matériau actif de la couche 13. Le faisceau signal laser 2 envoyé dans la couche 13 reste dans cette couche 13 et ne s'étale pas dans le substrat 14 et le superstrat 18. De même, l'énergie du faisceau de pompe 19 étant située uniquement dans la zone de gain optique 20, le faisceau signal laser 2 reste confiné dans cette zone de gain optique 20 et ne s'étale pas dans toute la couche 13 car le faisceau signal laser 2 se propage préférentiellement dans les zones à plus fort gain. Dans ce premier mode de réalisation, la largeur effective leff de la zone de gain optique 20, sensiblement constante sur toute la longueur L du dispositif de pompage optique 12, est sensiblement égale à la largeur du faisceau signal laser 2 et l'épaisseur h est sensiblement égale à la hauteur du faisceau signal laser 2. Donc les dimensions d'une section droite de la zone de gain optique 20 sont approximativement égales à celles d'une section droite du faisceau signal laser 2. On retrouve donc, en sortie du dispositif de pompage optique 12, le faisceau signal laser 2 avec la même qualité qu'à l'entrée du dispositif de pompage optique 12. La qualité du faisceau signal laser fait référence au mode spatial du faisceau signal laser, qui détermine la divergence et l'étalement d'un spot du faisceau signal laser. On qualifie un faisceau laser de « bonne qualité » s'il présente une répartition spatiale d' énergie proche de celle correspondant au mode fondamental (déterminé par une cavité émettant le faisceau laser) , qui est, dans le cas habituel d'une cavité avec symétrie de révolution, un mode gaussien. Par exemple, si le faisceau signal laser 2 est monomode, entrant dans la couche 13, il sort du dispositif de pompage optique 12 amplifié et parfaitement monomode. De manière plus générale, cette configuration permet simultanément d'amplifier un faisceau signal laser 2 dans un mode spatial fondamental et de conserver ce mode spatial jusqu'en sortie du dispositif de pompage optique 12, en n'apportant de l'énergie qu'au mode spatial fondamental .
Par exemple, pour une couche 13 de YSO dopée à 40% en ions Yb3+, d'épaisseur h égale à 10 micromètres, dont le coefficient d'absorption linéique à 978 nm est de l'ordre de 200 cm~\ un écart d'indice entre la couche 13 et le substrat 14 étant inférieur à 0,01, 80% de l'énergie d'un faisceau de pompe 19, dont la largeur Φp est de 10 micromètres et l'angle d'incidence θp de 1,2°, est absorbée pour former une zone de gain optique 20 permettant de conserver le caractère monomode lors de la propagation dans la direction de l'axe z. L'épaisseur effective d'absorption heff est dans ce cas de 80 micromètres, et donc la zone de gain optique 20 a une section droite égale à 10 micromètres * 80 micromètres.
Les figures 3A et 3B représentent un second mode de réalisation d'un dispositif de pompage optique 12 selon l'invention. Une couche 13, un superstrat 18, un substrat 14, un faisceau de pompe 19 et une zone de gain optique 20 de ce second mode de réalisation sont de nature sensiblement similaire aux mêmes éléments du premier mode de réalisation. Par rapport au premier mode de réalisation, le substrat 14 ne comporte pas de biseau. A la différence du faisceau de pompe 19 du premier mode de réalisation, le faisceau de pompe 19 du second mode de réalisation n'est pas rectiligne le long d'une longueur L du dispositif de pompage optique 12. Comme on peut le voir sur la figure 3A, le faisceau de pompe 19 rentre dans le superstrat 18 et traverse le superstrat 18 avant d'arriver sur une seconde face principale 15. Une section droite du faisceau de pompe 19 a une forme sensiblement similaire à la zone de gain optique 20 vue du dessus, visible sur la figure 3B, mais une largeur de la section droite du faisceau de pompe 19 est Φp, contrairement à une largeur de la zone de gain optique 20 qui est leff. Le faisceau de pompe 19 rentre alors dans la couche 13 et forme une zone de gain optique 20 qui, par conséquent, n'a pas une trajectoire rectiligne sur toute la longueur L du dispositif de pompage optique 12 suivant l'axe z, comme on peut le voir sur la figure 3B. Dans ce second mode de réalisation, le faisceau de pompe 19 est mis en forme, c'est-à-dire par exemple collimaté, par un moyen optique 33. Sur la figure 3A, ce moyen optique 33 est une lentille. Ce moyen optique 33 pourrait également être un prisme. Ce moyen optique 33 permet de délimiter précisément le faisceau de pompe 19. De la même manière que dans le premier mode de réalisation, un faisceau signal laser 2 est amplifié et guidé dans la zone de gain optique 20. Mais, étant donné que le faisceau signal laser 2 suit la zone de gain optique 20 grâce au guidage par le gain engendré par le gradient de densité d'énergie, le dispositif de pompage optique 12 dans ce mode de réalisation effectue un guidage supplémentaire du fait que le faisceau signal laser 2 suit une trajectoire non rectiligne. Le faisceau signal laser 2 ressort donc de la couche 13 orienté suivant un axe qui n'est pas parallèle à celui que le faisceau signal laser 2 avait en entrée de la couche 13. Cela permet d'orienter le faisceau signal laser 2 dans une direction définie par la géométrie du faisceau de pompe
19. Ce phénomène est renforcé par les ions Yb3+ utilisés pour doper la couche 13, comme c'est le cas dans ce mode de réalisation. En effet, ces ions absorbent le faisceau signal laser 2 dans les zones de la couche 13 qui ne sont pas traversées par le faisceau de pompe 19, ce qui accentue le guidage du faisceau signal laser 2.
La figure 4A représente une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique 12, objet de la présente invention, selon un troisième mode de réalisation. Comme dans le premier mode de réalisation, le dispositif de pompage optique 12 comporte une couche 13, un superstrat 18, un substrat 14, un faisceau de pompe 19 et une zone de gain optique 20. La différence du dispositif de pompage optique 12 de cette figure 4A par rapport à celui de la figure 2A est qu'il comporte une face réfléchissante 22 orientée vers la couche 13. Cette face réfléchissante 22 est disposée sur une face du superstrat 18 sensiblement parallèle à la première face principale 16, la plus éloignée de la couche 13. Lorsque le faisceau de pompe 19 traverse la couche 13, il forme, comme sur la figure 2A, la zone de gain optique 20, qui est une première zone de gain optique
20. Le faisceau de pompe 19 traverse ensuite le superstrat 18 pour venir se réfléchir sur la face 22.
Le faisceau de pompe 19 traverse alors de nouveau le superstrat 18, puis la couche 13 en formant une seconde zone de gain optique 21, de volume sensiblement égal à la première zone de gain optique 20. La seconde zone de gain optique 21 peut être parallèle à la première zone de gain optique 20 et avoir les mêmes propriétés que celles de la première zone de gain optique 20. Elle est également définie par les mêmes paramètres, c'est-à- dire une orientation, une épaisseur effective heff, une largeur effective leff, une longueur ainsi qu'une épaisseur h de la couche 13. Le faisceau de pompe 19 traverse ensuite le substrat 14 puis ressort du substrat 14. Sur la figure 4A, la seconde zone de gain optique 21 est distincte et disjointe de la première zone de gain optique 20. Dans cette configuration, le dispositif de pompage 12 peut amplifier deux faisceaux signal laser, non représentés sur la figure 4A, de manière indépendante, chacun utilisant l'une de la première zone de gain optique 20 ou de la seconde zone de gain optique 21. Là encore, le dispositif de pompage optique 12 réalise à la fois la fonction d'amplificateur et de guide optique, comme expliqué précédemment. Dans une autre variante, on peut avoir un faisceau de pompe 19 qui ne serait pas rectiligne, comme dans le second mode de réalisation. On obtiendrait alors deux zones de gain optique 20, 21 non rectilignes . Le faisceau de pompe 19 est émis par une source de lumière 27, représentée sur la figure 3A. Le faisceau de pompe 19 peut également être mis en forme par un moyen optique 33, représenté sur la figure 3A, comme dans le second mode de réalisation. Les différentes variantes présentées pour le premier mode de réalisation (présence ou non du biseau 17, du substrat 14 et du superstrat 18) peuvent également être envisagées pour ce troisième mode de réalisation. La figure 4B représente le dispositif de pompage optique 12, objet de la présente invention, selon le troisième mode de réalisation. Le dispositif de pompage optique 12 de cette figure diffère de celui de la figure 4A par l'angle d'incidence θp du faisceau de pompe 19 sur la couche 13. Cet angle d'incidence θp est tel que la zone de gain optique 20 et la seconde zone de gain optique 21 sont distinctes mais, contrairement à la figure 4A où les deux zones de gain optiques 20, 21 étaient disjointes l'une de l'autre, les deux zones de gain optique 20, 21 sont, sur cette figure 4B, quasiment accolées l'une à l'autre.
Une autre variante de ce troisième mode de réalisation est représentée sur la figure 4C. Sur cette figure, le dispositif de pompage optique 12 comporte les mêmes éléments que le dispositif de pompage optique 12 de la figure 4A. La différence est que l'angle θp est tel que les deux zones de gain optique 20 et 21 se chevauchent pour former une zone de gain optique unique 44.. Ce chevauchement entraîne que la zone de gain optique unique 44 a une densité de puissance qui n'est pas uniforme, contrairement aux modes de réalisation précédents. Une zone 23, où se croise le faisceau de pompe 19 avant et après la réflexion sur la face 22, se situant à l'intersection des zones de gain optique 20, 21, dans une partie centrale de la zone de gain optique unique 44, a une densité de puissance supérieure à des parties extrêmes de la zone de gain optique unique 44 situées de part et d'autre de la partie centrale correspondant à l'intersection des zones de gain optique 20, 21. Cette variante peut permettre de favoriser l'émission laser dans un mode spatial particulier en amplifiant de manière maximale le faisceau signal laser 2, non représenté sur la figure 4C, uniquement sur une largeur définie par la largeur de la zone 23. Ce phénomène est renforcé avec un dopage de la couche 13 par les ions Yb3+, pour lesquels les zones « insuffisamment pompées », ici les parties extrêmes de la zone de gain optique unique 44 se trouvant en dehors de la zone 23, absorbent le faisceau signal laser 2.
La figure 5 représente une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique 12, objet de la présente invention, selon un quatrième mode de réalisation. Ce dispositif de pompage optique 12 comporte une couche 13, un substrat 14 et un superstrat
18. Par rapport au premier mode de réalisation, le substrat 14 comporte deux biseaux 17 et 24 réalisés sur deux bords opposés d'une base 35. Contrairement aux modes de réalisation précédents, un faisceau de pompe
19, dit principal, sur la figure 5 arrive, après avoir traversé le substrat 14, sur une première face principale 16 avec un angle d'incidence θpl nul (non représenté) sur un lieu d'entrée 47. Sur la figure 5, le dispositif de pompage optique 12 comporte également deux autres faisceaux de pompe auxiliaires 25,26. Ces deux faisceaux de pompe auxiliaires 25,26 entrent • chacun par un biseau, respectivement 24 et 17, du substrat 14. Sur cette figure, chaque faisceau de pompe auxiliaire 25,26 arrive sur la première face principale 16 avec un angle d'incidence, respectivement Θp2,θp3 , par exemple sensiblement égaux en valeur absolue, mais de signe opposé. Dans une autre variante, les faisceaux de pompe auxiliaires 25,26 pourraient avoir des angles d'incidence Θp2,θp3 différents. Après avoir traversés le substrat 14, les trois faisceaux de pompe 19,25,26 forment une zone de gain optique 20 commune. Sur cette figure, les faisceaux de pompe 19,25,26 ont chacun une largeur propre Φpl, Φp2 et Φp3 différente, donc une section droite différente. Les faisceaux de pompe 19,25,26 peuvent avoir des longueurs d'onde différentes pour éviter de saturer l'absorption à une longueur d'onde donnée. Les faisceaux de pompe 19,25,26 peuvent également avoir chacun une longueur différente, parallèlement à l'axe z. Grâce à ces faisceaux de pompe 19,25,26 de géométrie différente, la zone de gain optique 20 commune a une densité de puissance qui n'est pas uniforme. Sur la figure 5, on voit que la zone de gain optique 20 commune comporte deux région 42,43 où se croisent le faisceau de pompe principal 19 et l'un des faisceaux de pompe auxiliaires, respectivement 26 et 25. Ces deux régions 42,43 ont une densité de puissance supérieure au reste 20' de la zone de gain optique 20 commune qui n'est dû qu'au faisceau de pompe principal 19. Dans ce mode de réalisation, chaque paramètre, c'est-à-dire le lieu d'entrée 47 dans la couche 13, l'angle d'incidence θpl et la largeur Φpl du faisceau de pompe principal 19 conforme la zone de gain optique 20 commune et les paramètres similaires des faisceaux de pompe auxiliaires 25,26 contribuent à conformer les régions 42,43. Dans ce mode de réalisation, le superstrat 18 est réalisé dans un matériau absorbant à la longueur d'onde des faisceaux de pompe 19,25,26. Ainsi, après que les faisceaux de pompe 19,25,26 aient traversés la couche 13, l'intensité résiduelle de ces faisceaux de pompe 19,25,26 est absorbée dans le superstrat 18. Ce mode de réalisation permet, par exemple, de favoriser l'émission laser dans un mode spatial donné, ou encore de créer plusieurs guides distincts dans la zone de gain optique 20 commune. Avec ce mode de réalisation, un ou plusieurs faisceaux signal laser 2, non représentés sur la figure 5, peuvent entrer par la couche 13 et, selon leur position respective dans la zone de gain optique 20 commune, traverser la couche 13 et ressortir du dispositif de pompage optique 12 avec un mode spatial qui sera déterminé par l'endroit où ils sont passés dans la zone de gain 20 commune et donc par la densité de puissance qu'ils ont rencontrée. Dans ce quatrième mode de réalisation, plusieurs variantes sont possibles. Les faisceaux de pompe 19,25,26 peuvent, par exemple, être rectilignes ou non. Des variantes peuvent être envisagées en ajoutant des faisceaux de pompe supplémentaires . Le dispositif de pompage optique 12 peut également avoir une face réfléchissante 22 comme dans le troisième mode de réalisation, ce qui permet d'obtenir une géométrie de la zone de gain optique 20 commune encore plus complexe. Comme dans le premier mode de réalisation, des variantes peuvent être envisagées avec la présence ou non des biseaux 17 et 24, du substrat 14, ou encore la suppression du superstrat 18.
La figure 6 représente une vue en coupe de face d'un dispositif de pompage optique 12, objet de la présente invention, selon un cinquième mode de réalisation. Ce dispositif de pompage optique 12 comporte une couche 13 et un substrat 14 sensiblement similaires à ceux du quatrième mode de réalisation. Dans ce cinquième mode de réalisation, au moins deux faisceaux de pompes 19,25 sont issus d'une source de lumière commune 27. Sur la figure 6, deux faisceaux de pompe 19,25 sont représentés. Les faisceaux de pompe 19,25 ont chacun un angle d'incidence Θpl9 et Θp25, par exemple sensiblement égaux en valeur absolue mais de signe opposé, sur une première face principale 16, une largeur Φpl9 et Φp25 sensiblement égales et se croisent dans la couche 13 de manière à former une zone de gain optique 20 unique. Etant donné que les faisceaux de pompe 19,25 sont issus de la même source de lumière 27, qu'ils sont sensiblement similaires et qu'ils éclairent la face 16 avec des angles d'incidence sensiblement égaux Θpl9 et Θp25, il y a donc interférence entre les deux faisceaux de pompe 19,25 dans la zone de gain optique 20 unique, ce qui entraîne une densité de puissance de pompe variant de manière sinusoïdale selon l'axe x. La période de cette variation sinusoïdale est ajustable en modifiant les angles d'incidence Θpl9 et Θp25, et les largeurs Φpl9 et Φp25 de chacun des faisceaux de pompe 19,25. Les faisceaux de pompe 19,25 ressortent de la couche 13 avec des angles de réfraction Θrl9 et Θr25 sensiblement égaux en valeur absolue par rapport à une seconde face principale 15 et ont chacun une largeur Φrl9 et Φr25 sensiblement égale. Avec ce mode de réalisation, on peut ainsi créer une famille de guides optiques parallèles, pompés identiquement ou quasi-identiquement. Les variantes décrites pour les modes de réalisation précédents peuvent également s'appliquer pour ce cinquième mode de réalisation .
La figure 7A représente une vue en coupe de dessus d'un dispositif de pompage optique 12, objet de la présente invention, selon un sixième mode de réalisation. Ce dispositif de pompage optique 12 comporte une couche 13 et un substrat 14 non représenté sur la figure 7A, sensiblement similaires à ceux du premier mode de réalisation. Dans ce sixième mode de réalisation, un faisceau de pompe 19, non représenté sur la figure 7A, entre par le substrat 14 et forme dans la couche 13 une zone de gain optique 20. Dans ce mode de réalisation, la zone de gain optique 20 est divisée en deux premières parties 28,29, séparées l'une de l'autre par une zone 34 de la couche 13 non éclairée, qui se prolongent par une seconde partie commune 30. Cette seconde partie commune 30 relie les deux premières parties 28,29. Pendant le fonctionnement du dispositif de pompage 12, une source de lumière 27, non représentée sur cette figure 7, émet le faisceau de pompe 19 qui forme la zone de gain optique 20. Mais, durant le fonctionnement du dispositif de pompage optique 12, le faisceau de pompe 19 est tel qu'il forme l'une des deux premières parties 28 et la seconde partie commune 30, comme c'est le cas sur la figure 7A, ou bien tel qu'il forme l'autre des deux premières parties 29 et la seconde partie commune 30. Ainsi, la source de lumière 27 peut créer au choix deux chemins optiques différents dans la couche 13. Ainsi, un faisceau signal laser 2 entrant dans la couche 13 par la seconde partie 30 peut soit être guidé dans un premier chemin optique défini par l'une des deux premières parties 28, représenté en traits pleins sur la figure 7A, et donc sortir de la couche 13 par une première extrémité 31 qui est une sortie, comme c'est le cas sur la figure 7A, ou bien être guidé dans un second chemin optique défini par l'autre des deux premières parties 29, représenté en pointillés sur la figure 7A, et donc sortir de la couche 13 par une seconde extrémité 32 qui est également une sortie, se trouvant à côté de la première extrémité 31. Le dispositif de pompage optique 12 réalise ainsi une fonction de routage optique permettant d' acheminer le faisceau signal laser 2 selon deux trajets au choix. Avec la même configuration, on peut également imaginer que le dispositif de pompage optique 12 réalise une fonction de commutateur optique, comme cela est représenté sur la figure 7B. Pour cela, deux faisceaux signal laser 2a, 2b arrivent au niveau de ces deux extrémités 31 et 32 respectivement, qui deviennent dans ce cas des entrées. Si le faisceau de pompe 19, non représenté sur la figure 7B, éclaire l'une des deux premières parties 28, représentée en traits pleins sur la figure 7B, et la seconde partie commune 30, seul le faisceau signal laser 2a entrant par la première extrémité 31 ressort du dispositif de pompage optique 12 amplifié, comme c'est le cas sur la figure 7B. De manière similaire, si le faisceau de pompe 19 éclaire l'autre des deux premières parties 29, représentée en pointillés sur la figure 7B, et la seconde partie commune 30, seul le faisceau signal laser 2b entrant par la seconde extrémité 32 ressort amplifié du dispositif de pompage optique 12. Toutes les variantes décrites précédemment peuvent également être appliquées dans ce sixième mode de réalisation.
Dans tous les modes de réalisation décrits précédemment, le dispositif de pompage optique 12 est utilisé comme amplificateur et guide optique d'un ou plusieurs faisceaux signal laser 2 existants. Le faisceau signal laser 2 entre dans une couche 13 d'un matériau actif, traverse la couche 13 en s' amplifiant de l'énergie apportée par un faisceau de pompe 19 dans une zone de gain optique 20 et en suivant cette zone de gain optique 20, et sort du dispositif de pompage optique 12.
La présente invention concerne également un oscillateur laser 50. L'oscillateur laser 50 est destiné à créer un faisceau laser. Le principe de cet oscillateur laser est qu'un dispositif de pompage optique est disposé entre deux miroirs. L'un des deux miroirs renvoie le faisceau laser dans la zone de gain optique, et l'autre des deux miroirs renvoie une partie du faisceau laser dans la zone de gain optique et en laisse passer une autre partie hors du dispositif de pompage optique. Le dispositif de pompage optique est ainsi utilisé en tant que module de gain de l'oscillateur laser 50. La figure 8 représente un exemple d'oscillateur laser 50, objet de la présente invention. L'oscillateur laser 50 comporte un dispositif de pompage optique 12, également objet de la présente invention, selon l'un des modes de réalisation précédents. Le dispositif de pompage optique 12 comporte un substrat, un faisceau de pompe, un superstrat, non représentés sur la figure 8, une couche 13 et une zone de gain optique 20 sensiblement similaires aux mêmes éléments du premier mode de réalisation du dispositif de pompage optique 12. L'oscillateur laser 50 comporte un premier miroir 36 dont une face réfléchissante 37 est disposée contre une troisième face 39 de la couche 13, sensiblement perpendiculaire aux faces principales de la couche 13. L'oscillateur laser 50 comporte également un second miroir 38 semi transparent, disposé contre une quatrième face 40, opposée à la troisième face 39, de la couche 13. Dans cet exemple de réalisation, les miroirs 36 et 38 sont disposés sensiblement en vis-à- vis l'un de l'autre. Avec cet oscillateur laser 50, un faisceau laser 41, généré par émission spontanée et amplifié par émission stimulée dans la zone de gain optique 20, va tout d'abord parcourir la couche 13, se refléter dans le second miroir 38, re-parcourir la couche 13, se refléter dans le premier miroir 36, et ainsi de suite. A chaque parcours de la couche 13 et donc de la zone de gain optique 20, le faisceau laser 41 récupère l'énergie apportée par le faisceau de pompe dans la zone de gain optique 20. A chaque fois que le faisceau laser 41 atteint le miroir semi transparent 38, une partie 45 du faisceau laser 41 est réfléchie par le miroir semi transparent 38 dans la zone de gain optique 20 et une autre partie 46 du faisceau laser 41 sort du dispositif de pompage optique 12 en traversant le miroir semi transparent 38. Cette description de l'oscillateur laser 50 est un des modes de réalisation possibles. Etant donné que le principe de l'oscillateur laser 50 repose sur le positionnement des deux miroirs 36,38 de part et d'autre de la couche 13, n'importe lequel des dispositifs de pompage optique 12 décrit précédemment dans la présente description peut être utilisé pour réalisé un module de gain de l'oscillateur laser 50 tel que celui de la figure 8.
En variante, les miroirs 36,38 peuvent ne pas être accolés au dispositif de pompage optique 12. Au moins l'un des deux miroirs pourrait également ne pas être plan mais concave pour renforcer la stabilité de l'oscillateur laser 50.
Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de pompage optique (12), comportant au moins une couche (13) mince ayant un volume donné, la couche (13) étant réalisée à base d'un matériau actif dopé en ions laser, et au moins un faisceau de pompe (19) ayant une section droite de dimensions données, de longueur d'onde choisie pour pouvoir amener des ions laser du matériau actif dans un état excité, entrant en un lieu d'entrée (47) dans la couche (13) avec un angle d'incidence (θp) donné en formant au moins une zone de gain optique (20) dans la couche (13) , la zone de gain optique (20) ayant un volume et un positionnement dans la couche (13) ajustables grâce au lieu d'entrée (47), aux dimensions de la section droite du faisceau de pompe (19) et à l'angle d'incidence (θp) , et en ce que le volume de la zone de gain optique (20) est inférieur au volume de la couche (13) .
2. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 1, la couche (13) mince ayant une épaisseur comprise entre environ 1 micromètre et quelques dizaines de micromètres.
3. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) mince ayant une épaisseur comprise entre environ 1 micromètre et 10 micromètres .
4. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) mince ayant une épaisseur inférieure à environ 100 micromètres .
5. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) mince ayant une épaisseur inférieure à environ 50 micromètres .
6. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) mince étant dopée avec un dopage d'environ 40% d'ions laser.
7. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) mince étant dopée avec un dopage supérieur à environ 30% d'ions laser.
8. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) mince étant dopée avec un dopage supérieur à environ 20% d'ions laser.
9. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, les ions laser étant des ions d'ytterbium.
10. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) étant monocristalline.
11. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) étant à base d' orthosilicate d'yttrium ou d'une toute autre matrice présentant un site d'accueil pour les ions laser.
12. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, le faisceau de pompe (19) étant émis par au moins une source de lumière (27), telle qu'au moins une diode laser.
13. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, le faisceau de pompe (19) étant mis en forme par au moins un moyen optique (33), tel qu'une lentille ou un prisme, avant d'entrer dans la couche (13) de manière à délimiter le faisceau de pompe (19) .
14. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, destiné à coopérer avec au moins un faisceau signal laser (2), la zone de gain optique (20) définissant dans la couche (13), pour le faisceau signal laser (2), un trajet rectiligne .
15. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 1 à 13, destiné à coopérer avec au moins un faisceau signal laser (2) , la zone de gain optique (20) définissant dans la couche (13), pour le faisceau signal laser (2), un trajet non rectiligne.
16. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, destiné à coopérer avec au moins un faisceau signal laser (2) monomode, les dimensions d'une section droite de la zone de gain optique (20) étant approximativement égales à celles d'une section droite du faisceau signal laser (2) , de manière à ce que le faisceau signal laser (2) reste sensiblement dans un mode fondamental après avoir traversé la couche (13) .
17. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la couche (13) étant disposée sur au moins un substrat (14) .
18. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 17, le substrat (14) étant réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau de pompe (19) .
19. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 17 ou 18, l'indice du matériau du substrat (14) étant inférieur ou égal à l'indice du matériau de la couche (13) .
20. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 17 à 19, le faisceau de pompe (19) traversant le substrat (14) avant d'entrer dans la couche (13) .
21. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 17 à 20, le substrat
(14) comportant au moins un biseau (17) .
22. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 21, le faisceau de pompe (19) entrant dans le substrat (14) par le biseau (17) et traversant le substrat (14) avant d'entrer dans la couche (13) .
23. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 17 à 22, comportant au moins un superstrat (18) disposé sur la couche (13) .
24. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 23, l'indice du matériau du superstrat (18) étant inférieur ou égal à l'indice du matériau de la couche (13) .
25. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 23 ou 24, le superstrat (18) étant réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau de pompe (19).
26. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 23 à 25, le faisceau de pompe (19) traversant le superstrat (18) avant d'entrer dans la couche (13) .
27. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 23 ou 24, le superstrat (18) étant réalisé dans un matériau absorbant à la longueur d'onde du faisceau de pompe (19) .
28. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 23 à 26, comportant au moins une face réfléchissante (22) orientée vers la couche (13) .
29. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 28, le faisceau de pompe (19) se réfléchissant sur la face réfléchissante (22) et formant dans la couche (13) au moins une seconde zone de gain optique (21) distincte de la zone de gain optique (20) , la seconde zone de gain optique (21) étant disjointe ou quasiment accolée à la zone de gain optique (20) .
30. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 28, le faisceau de pompe (19) se réfléchissant sur la face réfléchissante (22) et formant au moins une seconde zone de gain optique (21) chevauchant la zone de gain optique (20) , créant ainsi une zone de gain optique unique (44) .
31. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, plusieurs faisceaux de pompe (19, 25, 26) se croisant dans la couche (13), les faisceaux de pompe (19, 25, 26) coopérant pour former la zone de gain optique (20) .
32. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 31, les faisceaux de pompe (19, 25, 26) ayant des longueurs d'onde différentes.
33. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications 1 à 30, comportant au moins deux faisceaux de pompe (19, 25), issus d'une
- source de lumière commune (27) , ayant chacun un angle d'incidence (Θpl9, Θp25) sur la couche (13), interférant dans la couche (13) , la zone de gain optique (20) formée par les deux faisceaux de pompe
(19,25) ayant une densité de puissance de pompe variant de manière sinusoïdale.
34. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, la zone de gain optique (20) étant divisée en au moins deux premières parties (28,29) séparées l'une de l'autre par au moins une zone (34) non éclairée de la couche (13), et en au moins une seconde partie commune (30) reliant les deux premières parties (28,29) .
35. Dispositif de pompage optique (12) selon l'une des revendications précédentes, le volume de la couche (13) étant délimité par une première (16) et une seconde (15) faces principales sensiblement planes .
36. Dispositif de pompage optique (12) selon la revendication 35, la première (16) et la seconde (15) faces principales étant sensiblement parallèles .
37. Oscillateur laser (50), destiné à générer un faisceau laser (41) , comportant au moins deux miroirs (36,38), un dispositif de pompage optique
(12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 36, les deux miroirs (36,38) étant accolés ou non au dispositif de pompage optique (12), l'un des deux miroirs (36) étant destiné à renvoyer le faisceau laser (41) dans la zone de gain optique (20), et l'autre des deux miroirs (38) étant destiné à renvoyer une partie (45) du faisceau laser (41) dans la zone de gain optique (20) et à en laisser passer une autre partie (46) hors du dispositif de pompage optique (12) , le dispositif de pompage optique (12) étant un module de . gain de l'oscillateur laser (50).
38. Oscillateur laser (50) selon la revendication 37, le volume de la couche (13) du dispositif de pompage optique (12) étant délimité par une première (16) et une seconde (15) face principale sensiblement planes et parallèles, l'un des deux miroirs (36) ayant une face réfléchissante (37) disposée contre une troisième face (39) de la couche
(13) , sensiblement perpendiculaire aux deux faces principales (15,16), et l'autre des deux miroirs (38) étant un miroir semi transparent, sensiblement parallèle au premier miroir (36) et disposé contre une quatrième face (40), opposée à la troisième face (39), de la couche (13) .
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