WO2007113274A1 - Dispositif de compensation de la lentille thermique dans une cavite regenerative femtoseconde haute cadence - Google Patents

Dispositif de compensation de la lentille thermique dans une cavite regenerative femtoseconde haute cadence Download PDF

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    • H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof

Definitions

  • the present invention relates to a device for compensating the thermal lens in a femtosecond regenerative cavity at high speed.
  • the cavity of FIG. 1 essentially comprises a plane mirror 1, two concave mirrors 2 and 3, a gain medium 4, an electro-optical system 5 (a Pockels cell, for example) and a polarizer 6.
  • the mirrors 1 to 3 are arranged so that the axis 7 joining the centers of the mirrors 1 and 2 make an acute angle with the axis 8 joining the centers of the mirrors 2 and 3.
  • the mirrors 1 and 3 are called "cavity bottom mirrors" .
  • the system 5 and the device 6 are arranged on the axis 7, while the crystal 4 is disposed on the axis 8, near the neck ("waist" in English) of the beam propagating between the two concave mirrors 2 and 3.
  • the crystal 4 is pumped longitudinally through the mirror 3, so that the overlap between the pump and the mode of the cavity is the best possible.
  • the crystal is usually cut at the angle of Brewster.
  • the cavity of FIG. 2 essentially comprises, in addition to the first plane mirror 1 and two concave mirrors 2 and 3, a second plane mirror 9, a gain medium 4, an electro-optical system 5 and a polarizer 6.
  • the mirrors 1 to 3 are arranged so that the axis 7 joining the centers of the mirrors 1 and 2 makes an acute angle with the axis 8 joining the centers of the mirrors 2 and 3.
  • the mirror 9 is arranged so that the axis 10 joining its center to the center of the mirror 2 makes an acute angle with the axis 8.
  • the mirror 9 is the cavity bottom mirror.
  • the axes 7, 8 and 10 form a "Z".
  • the elements 4, 5 and 6 are arranged in the same way as in FIG. 1.
  • the crystal 4 is also pumped longitudinally through the mirror 3.
  • the beam In one of the arms of the cavity, the beam is collimated (axis 7) and of fairly large diameter.
  • the electro-optical device or devices (6) necessary for injecting and ejecting the pulse to be amplified into the cavity are inserted therein.
  • the beam in the arm of the Pockels cell (5) must be slightly divergent and wide enough to guarantee its good functionality.
  • the energy extracted from the cavity is directly connected to the volume of the gain zone in the crystal (4). It is important that the mode on the crystal is as big as possible. o There must be the best possible overlap between the pump laser and the cavity mode inside the crystal. This condition imposes strong constraints on the choice of the pump laser and in particular its M 2 factor.
  • the focal length of the thermal lens is given by the following formula [Thermal Lensing in Nd: Rod YAG, Koechner, Applied Optics, Nov 1970, Vol 9, N 0 I l]: in this formula, r is the pump radius, P, the thermal power dissipated in
  • the thermal lens is all the stronger (that is to say, its focal length is even shorter) than the pumping power is strong or the pumping radius is low.
  • ⁇ is the repetition rate of the pump laser
  • Pp is the power of a pump pulse
  • ⁇ is the efficiency between the pump energy and the energy available for amplification.
  • FIGS. 5 to 7 are also identical with each other, with the sole difference of the position of the crystal with respect to the "waist" and refer to the diagram of FIG. 1. They are designed to short thermal focal lengths. In Figure 5, the waist is only 87 ⁇ m. If one performs the same operation as in the cavity of FIG. 4, one increases the size of the waist, but the propagation of the beam is degraded very quickly: one focuses either on the cavity bottom mirror (figure 6), or in the arm that contains the Pockels cell ( Figure 7). Conventional regenerative cavities therefore offer very little flexibility.
  • the width of the stability zone ⁇ is inversely proportional to H > 0 ⁇ :
  • the standard cavities all work in Zone 1 and are constructed in such a way that the cavity can be stable even without thermal focus.
  • the relation (4) then implies a maximum mode size for a given thermal focal length.
  • zone 2 the cavity is stable only in the presence of the thermal lens. This would theoretically allow for a larger mode, but so far no achievements have been made and no description of such a possibility has been published.
  • the sensitivity to misalignment of the cavity is defined in the above-reference Eilee as the inverse of the maximum angle applicable to the orientation of a mirror without shift mode outside the pumping area . It is measured in rad ⁇ '.
  • FIG. 9 shows a typical curve of the sensitivity of a cavity bottom mirror as a function of the inverse of the thermal focal length.
  • zone 1 the sensitivity to misalignment remains low, while that in zone 2 the sensitivity tends rapidly towards infinity. In practice, it is therefore difficult to work in zone 2.
  • the present invention relates to a laser cavity in which one can increase the energy extracted consistently a regenerative amplifier in a simple and inexpensive way.
  • the laser cavity according to the invention is a cavity of the femtosecond regenerative type with a high pumping rate, comprising a laser crystal and two cavity bottom mirrors, and is characterized in that its gain medium (12) is disposed at contact or near one of its cavity bottom mirrors (1 1), which is a convex mirror whose radius of curvature is a function of the desired stability range compatible with the thermal focal length of the crystal.
  • it is architecture "V" or "Z”.
  • the laser cavity of the invention makes it possible to obtain a large amplification volume irrespective of the value of the thermal focal length involved, while maintaining a TEM 0 0 beam. As a corollary, this technique makes it possible to release the constraint on the parameter M 2 of the pump laser.
  • This invention is applicable to cavities provided with crystals of various types, in particular, but not limited to Ti: sapphire or ytterbium.
  • FIGS. 1 and 2 are simplified schematics of laser cavities of the prior art, with “V” and “Z” architecture, respectively
  • FIGS. 3 to 7, also described above are laser beam propagation diagrams in cavities of FIG. the prior art
  • FIG. 8 also described above, is a typical curve illustrating the stability of a regenerative cavity and represents the evolution of the fundamental mode radius on its crystal as a function of the inverse of the thermal focal length.
  • FIG. 9, also described above is a typical curve illustrating the sensitivity to misalignment of a cavity bottom mirror, FIG.
  • FIGS. 1 and 12 are laser beam propagation diagrams in a cavity according to the invention
  • FIG. 13 is a typical curve illustrating the evolution of the stability range for different radii of curvature of the convex mirror of a cavity according to the invention. the invention and giving the mode radius
  • FIGS. 15 and 16 are simplified diagrams of examples of laser cavities according to the invention with a "Z" and "V" architecture , respectively.
  • the principle of the invention is to position the crystal in the cavity bottom, just in front of a plane or convex mirror. The choice of the radius of curvature of this mirror makes it possible to tune the cavity according to the thermal focal length.
  • FIG. 10 diagrammatically shows a cavity in "V" according to the invention.
  • the cavity of FIG. 10 is similar to that of FIG. being that the concave mirror 3 is replaced by a convex mirror 1 1 and that the crystal 4 is replaced by a crystal 12 in contact with the mirror 1 1 or close to it.
  • the cavity bottom mirror 1 1 is flat, and that the crystal 12 is devoid of thermal lens effect.
  • the cavity is designed in such a way that it satisfies the criteria described above with reference to FIGS. 1 and 2 (collimation of the beam in the arm of the Pockcls cell and a large mode on the crystal).
  • the radius of curvature of the mirror is adjusted to set the desired stability range compatible with the thermal focal length of the crystal.
  • the crystal 12 is then placed in front of the plane mirror 11, then the mirror 11 is considered to be convex, and adapts its radius of curvature to impose the position of the stability range.
  • the propagation diagram of the laser beam in the cavity then becomes that represented in FIG. 12.
  • FIG. 13 This diagram shows the evolution of the stability zone No. 1 (as defined with reference to FIG. 8) for different radii of FIG. curvature. These radii of curvature R are respectively equal to 5, 10, 30 and infinity.
  • the stability zone can be adjusted without altering the minimum mode radius W 0 (equal to 150 ⁇ m in the example shown) and the width ⁇ from zone 1.
  • the sensitivity to a misalignment of the cavity can be determined, and for this purpose, reference will be made to the diagram of FIG.
  • the sensitivity curve can be divided into two parts: the first corresponds to a zone (marked "Zone 1" in the figure) where the sensitivity remains low and the second to a sensitivity that increases very rapidly.
  • the first part of the sensitivity curve which has a low sensitivity, matches 90% of the stability zone of the laser (as shown in Figure 13). The invention therefore allows the regenerative cavity to be adjusted without much difficulty.
  • the diameter of the fundamental mode that can be envisaged in conventional cavities is generally less than 200 ⁇ m, whereas in the example described here, there is a diameter of 300 ⁇ m (the radius W 0 is 150 ⁇ m).
  • the maximum M 2 of the pump laser will therefore be 50% higher.
  • FIG. 15 shows the diagram of a regenerative cavity architecture variant in "Z" according to the invention. This cavity is similar to that of FIG. 2, the difference residing mainly in the fact that the plane mirror (9) of the configuration of FIG.
  • FIG. 16 illustrates an exemplary embodiment of a "V" regenerative cavity, to highlight the advantages of the invention.
  • the cavity of FIG. 16 has the same configuration as that of FIG. 10, and the same elements are assigned the same reference numerals.
  • the pumping frequency of the crystal 12 is here 5 kHz. ⁇ 5 kl Iz, the thermal focal length of the crystal is about 20 cm.
  • Crystal 12 has a length of 1, 5 cm.
  • the mode diameter of this cavity is 450 ⁇ m.
  • the power extracted from this cavity is 4 W for a pump power of 24 W.
  • the minimum parameter M 2 required to pump this cavity is 40, which corresponds to a Rayleigh area equal to half the length of the crystal. .
  • the invention makes it possible, without using cryogenic processes, to envisage regenerative cavities of much higher power than at present, while allowing a greater flexibility on the parameter M 2 of the pump lasers used. .

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Abstract

La cavité laser conforme à l'invention est une cavité laser du type régénérative femtoseconde à haute cadence de pompage, comprenant un milieu à gain, tel un cristal Ti :Sa, et au moins deux miroirs de fond de cavité, et elle est caractérisée en ce que son milieu à gain (12) est disposé au contact ou à proximité d'un de ses miroirs de fond de cavité (11), qui est un miroir convexe dont le rayon de courbure est fonction de la plage de stabilité désirée compatible avec focale thermique du cristal.

Description

DISPOSITIF DE COMPENSATION DE LA LENTILLE THERMIQUE DANS UNE CAVITE REGENERATIVE FEMTOSECONDE HAUTE CADENCE
La présente invention se rapporte à un dispositif de compensation de la lentille thermique dans une cavité régénérative femtoseconde à haute cadence.
La réalisation de sources laser de type femtoseconde amplifiées à haute cadence (plusieurs kHz) et par exemple en technologie Ti :Sa, se heurte à l'aggravation du phénomène de la focale thermique lorsque le taux de répétition du laser augmente. Ceci est le cas en particulier dans les amplificateurs régénératifs qui constituent généralement le premier étage d'amplification de telles sources.
L'une des techniques employées pour s'affranchir de ce problème est de refroidir le cristal de saphir-titane à très basse température. Ceci permet d'augmenter la conductivité thermique du cristal et de diminuer la variation d'indice avec la température, ces deux phénomènes ayant pour effet de diminuer l'effet de focale thermique. Cependant, cette technique est relativement coûteuse (utilisation de techniques cryogéniques) et elle augmente considérablement l'encombrement et la complexité du laser. Elle pose par ailleurs des problèmes d'isolation et de maintien du cristal.
On va se référer aux schémas des exemples des figures 1 et 2 pour exposer les caractéristiques de cavités laser régénératives sur lesquelles porte la présente invention. Ces cavités sont généralement du type en « V » (Figure 1) ou en « Z »
(figure 2). Les éléments similaires de ces deux figures sont affectés des mêmes références numériques.
La cavité de la figure 1 comporte essentiellement un miroir plan 1 , deux miroirs concaves 2 et 3, un milieu à gain 4, un système électro-optique 5 (une cellule de Pockels, par exemple) et un polariseur 6. Les miroirs 1 à 3 sont disposés de façon que l'axe 7 joignant les centres des miroirs 1 et 2 fasse un angle aigu avec l'axe 8 joignant les centres des miroirs 2 et 3. Les miroirs 1 et 3 sont dits « miroirs de fond de cavité ». Lc système 5 et le dispositif 6 sont disposés sur l'axe 7, tandis que le cristal 4 est disposé sur l'axe 8, à proximité du col (« waist » en anglais) du faisceau se propageant entre les deux miroirs concaves 2 et 3. Le cristal 4 est pompé longitudinalcmcnt à travers le miroir 3, de telle manière que le recouvrement entre la pompe et Ic mode de la cavité soit le meilleur possible. Le cristal est généralement taillé à l'angle de Brewster.
La cavité de la ligure 2 comporte essentiellement, outre le premier miroir plan 1 et deux miroirs concaves 2 et 3, un deuxième miroir plan 9, un milieu à gain 4, un système électro-optique 5 et un polariseur 6. Comme dans le cas de la figure 1 , les miroirs 1 à 3 sont disposés de façon que l'axe 7 joignant les centres des miroirs 1 et 2 fasse un angle aigu avec l'axe 8 joignant les centres des miroirs 2 et 3. En outre, le miroir 9 est disposé de façon que l'axe 10 joignant son centre au centre du miroir 2 fasse un angle aigu avec l'axe 8. Dans cette configuration, le miroir 9 est le miroir de fond de cavité. Ainsi, les axes 7, 8 et 10 forment un « Z ». Les éléments 4, 5 et 6 sont disposés de la même façon qu'en figure 1. Le cristal 4 est également pompé longitudinalement à travers le miroir 3.
Plusieurs critères gouvernent le fonctionnement d'une cavité régénérative : o Dans l'un des bras de la cavité, le faisceau est collimaté (axe 7) et d'assez grand diamètre. On y insère le ou les dispositifs électro-optiques (6) nécessaires à l'injection et à l'éjection de l'impulsion à amplifier dans la cavité. Le faisceau dans le bras de la cellule de Pockels (5) doit être faiblement divergent et assez large pour garantir sa bonne fonctionnalité. o L'énergie extraite de la cavité est directement reliée au volume de la zone de gain dans le cristal (4). Il importe donc que le mode sur le cristal soit aussi gros que possible. o II doit y avoir le meilleur recouvrement possible entre le laser de pompe et le mode de la cavité à l'intérieur du cristal. Cette condition impose des contraintes fortes sur le choix du laser de pompe et en particulier de son facteur M2.
Dans de telles cavités, il peut exister un phénomène parasite, c'est l'effet de lentille thermique. Lorsqu'il est pompé, le cristal s'échauffe de manière inhomogène et se comporte comme une lentille. En première approximation, la focale de la lentille thermique est donnée par la formule suivante [Thermal Lensing in Nd : YAG Rod, Koechner, Applied Optics, Nov 1970, Vol 9, N0I l ] :
Figure imgf000005_0001
dans cette formule, r est le rayon de pompe, P , la puissance thermique dissipée dans
le cristal, — la variation d'indice en fonction de la température. La lentille dt thermique est d'autant plus forte (c'est-à-dire que sa focale est d'autant plus courte) que la puissance de pompage est forte ou que le rayon de pompage est faible.
Ce phénomène est sensible à l'augmentation du taux de répétition du laser de pompe. Il est possible de reformuler l'expression précédente en introduisant la densité d'énergie de pompage Jp :
Figure imgf000005_0002
dans cette formule, τ est le taux de répétition du laser de pompe, Pp est l'énergie d'une impulsion de pompe, et η est le rendement entre l'énergie de pompe et l'énergie disponible pour l'amplification. La formule (1) devient alors :
/Λ =7FT <3)
II apparaît ainsi qu'à densité d'énergie de pompe constante, c'est à dire à gain constant, la focale thermique est inversement proportionnelle au taux de répétition du laser.
Par exemple, pour avoir le même gain à 10 kHz qu'à 1 kHz, il faut soit multiplier la puissance moyenne par 10, soit réduire d'un facteur 10 la surface de pompage. Dans les deux cas, la focale thermique est réduite d'un facteur 10. A 10 kHz, cette dernière a une valeur inférieure à 10 cm dans les conditions de pompage optimales.
De façon classique, on positionne toujours le cristal au « waist » de la cavité, mais il est possible dans certains cas de le déplacer pour obtenir un mode plus gros sur celui-ci. A l'aide d'un logiciel de calcul optique, il est possible de tracer la propagation du faisceau dans une cavité rcgcncrativc en V classique (telle que celle de la figure 1 ) composée d'un cristal soumis à un effet de lentille thermique. Ceci est illustré par les exemples des figures 3 à 7. Les cavités dont on a tracé le diagramme de propagation en figures 3 et 4 sont identiques, à la seule différence de la position du cristal par rapport au « waist ». Ces deux cavités identiques sont conçues pour être stables pour de longues focales thermiques. Le bras de gauche (à gauche du miroir M2) est prévu pour accueillir la cellule de Pockels. Dans le but de grossir le mode sur le cristal, on peut déplacer le cristal de quelques centimètres en dehors du waist de la cavité sans altérer la propagation du faisceau intra-cavité comme le montre la figure 4.
Les cavités dont on a tracé le diagramme de propagation en figures 5 à 7 sont également identiques entre elles, à la seule différence de la position du cristal par rapport au « waist » et se rapportent au schéma de la figure 1. Elles sont conçues pour de courtes focales thermiques. En figure 5, le waist est seulement de 87μm. Si on effectue la même opération que dans la cavité de la figure 4, on augmente la taille du waist, mais la propagation du faisceau se dégrade très vite : on focalise soit sur le miroir de fond de cavité (figure 6), soit dans le bras qui contient la cellule de Pockels (figure 7). Les cavités régénératives classiques offrent donc très peu de souplesse.
Pour des focales thermiques courtes, on ne peut pas augmenter la taille de mode sur le cristal sans altérer la propagation du faisceau à l'intérieur de la cavité. L'énergie que l'on peut extraire de ces cavités est donc limitée.
Un autre paramètre important de ces cavités est leur stabilité. Dans la référence [V. Magni « Resonators for solid-state lasers with large-aperture fundamental mode and high alignment stability ». Applied Optics, 25: 107-117,1986], il est montré qu'une cavité à deux miroirs contenant un barreau soumis à un effet de lentille thermique, possède deux zones de stabilité de même largeur et, que le volume du mode (au niveau du cristal) présente un point stationnaire insensible aux fluctuations de la focale thermique. A partir de ce calcul, il est possible d'étendre la démonstration à une cavité en V ou en Z. La courbe de la figure 8 représente l'évolution de la taille du mode fondamental sur le cristal (rayon du mode au niveau du cristal) en fonction de l'inverse de la focale thermique.
Sur cette figure 8, on observe deux zones de stabilité symétriques de largeur Δ appelées respectivement « Zone 1 » et « Zone 2 » ; w0 est le point où la cavité est la moins sensible aux fluctuations de la focale thermique. En dehors des zones de stabilité de largeur Δ, l'effet laser en mode TEMoo ne peut pas exister (effet laser inexistant ou dégradé).
De ces calculs, on peut également extraire une relation essentielle: la largeur de la zone de stabilité Δ est inversement proportionnelle à H> 0 ~ :
Figure imgf000007_0001
Plus W0 est grand, plus le volume d'amplification est important, mais plus restreinte est la plage de stabilité. Il faut donc rechercher un compromis.
Les cavités standard fonctionnent toutes dans la zone 1 et elles sont construites de telle manière que la cavité peut être stable même sans focale thermique. La relation (4) implique alors une taille maximum du mode pour une focale thermique donnée.
Dans la zone 2, la cavité n'est stable qu'en présence de la lentille thermique. Ceci permettrait en théorie d'envisager un mode plus gros, mais jusqu'à présent, aucune réalisation n'a été présentée et aucune description d'une telle possibilité n'a été publiée.
Un autre paramètre à prendre en compte pour des cavités du type précité est leur sensibilité à un désalignement. La sensibilité à un désalignement de la cavité est définie dans la référence sus-eilee comme l'inverse de l'angle maximum applicable sur l'orientation d'un miroir sans qu'il y ait décalage du mode en dehors de la zone de pompage. Elle se mesure en rad~'.
On a représenté en figure 9 une courbe typique de la sensibilité d'un miroir de fond de cavité en fonction de l'inverse de la focale thermique. En zone 1 , la sensibilité à un désalignement reste faible, tandis qu'en zone 2 la sensibilité tend rapidement vers l'infini. En pratique, il est donc difficile de travailler en zone 2.
La présente invention a pour objet une cavité laser dans laquelle on puisse augmenter l'énergie extraite de façon conséquente d'un amplificateur regénératif de façon simple et peu onéreuse. La cavité laser conforme à l'invention est une cavité du type régénérative femtoseconde à haute cadence de pompage, comprenant un cristal laser et deux miroirs de fond de cavité, et elle est caractérisée en ce que son milieu à gain (12) est disposé au contact ou à proximité d'un de ses miroirs de fond de cavité (1 1), qui est un miroir convexe dont le rayon de courbure est fonction de la plage de stabilité désirée compatible avec la focale thermique du cristal. De préférence, elle est à architecture en « V » ou en « Z ».
La cavité laser de l'invention permet d'obtenir un volume d'amplification important quelle que soit la valeur de la focale thermique mise en jeu, tout en conservant un faisceau TEMoo- Comme corollaire, cette technique permet de relâcher la contrainte sur le paramètre M2 du laser de pompe. Cette invention est applicable à des cavités munies de cristaux de divers types, en particulier, mais de façon non limitative Ti :Saphir ou Ytterbium.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : les figures 1 et 2, décrites ci-dessus, sont des schémas simplifiés de cavités laser de l'art antérieur, à architecture en « V » et en « Z », respectivement, les figures 3 à 7, également décrites ci-dessus, sont des diagrammes de propagation de faisceaux laser dans des cavités de l'art antérieur, la figure 8, également décrite ci-dessus, est une courbe typique illustrant la stabilité d'une cavité régénérative et représente l'évolution du rayon du mode fondamental sur son cristal en fonction de l'inverse de la focale thermique, la figure 9. également décrite ci-dessus, est une courbe typique illustrant la sensibilité au désalignement d'un miroir de fond de cavité, la figure 10 est un schéma d'un exemple de cavité laser conforme à l'invention, les figures 1 1 et 12 sont des diagrammes de propagation de faisceaux laser dans une cavité conforme à l'invention, la figure 13 est une courbe typique illustrant l'évolution de la plage de stabilité pour différents rayons de courbure du miroir convexe d'une cavité conforme à l'invention et donnant le rayon du mode
TEMoo au niveau du cristal en fonction de l'inverse de la focale thermique, la figure 14 est une courbe relative à une cavité laser conforme à l'invention et donnant à la fois sa sensibilité à un désalignement de la cavité et le diamètre du mode TEMOO au niveau du cristal laser en fonction de l'inverse de sa focale thermique, et les figures 15 et 16 sont des schémas simplifiés d'exemples de cavités laser conformes à l'invention avec une architecture en « Z » et en « V », respectivement. Le principe de l'invention est de positionner le cristal en fond de cavité, juste devant un miroir plan ou convexe. Le choix du rayon de courbure de ce miroir permet d'accorder la cavité en fonction de la focale thermique.
Ce principe permet d'obtenir n'importe quelle taille de mode, quelle que soit la focale thermique, tout en conservant un mode large et collimaté dans le bras de la cellule de Pockels. En outre, le cristal est, par construction, toujours situé dans une zone de Rayleigh du mode, c'est-à-dire une zone dans laquelle le faisceau est collimaté. Enfin, la possibilité d'obtenir une cavité à large mode permet de relâcher la contrainte sur le paramètre M2 du laser de pompe et facilite sa réalisation.
On a schématisé en figure 10 une cavité en « V », conforme à l'invention. La cavité de la figure 10 est similaire à celle de la figure 1 , la différence étant que le miroir concave 3 est remplacé par un miroir convexe 1 1 et que le cristal 4 est remplacé par un cristal 12 en contact avec le miroir 1 1 ou proche de celui-ci.
Pour exposer la conception de la cavité de l'invention, supposons tout d'abord que le miroir de fond de cavité 1 1 est plan, et que le cristal 12 est dépourvu d'effet de lentille thermique. On conçoit la cavité de telle manière qu'elle vérifie les critères décrits ci-dessus en référence aux figures 1 et 2 (collimation du faisceau dans le bras de la cellule de la Pockcls et un gros mode sur le cristal). Puis on ajuste le rayon de courbure du miroir pour fixer la plage de stabilité voulue compatible avec la focale thermique du cristal. La valeur optimale du rayon de courbure est égale à la focale thermique du cristal : R optimum = J f Ih cπslai
En premier, on impose le diamètre du mode fondamental au niveau du cristal à 300μm. Sachant que les deux miroirs de fond de la cavité en « V » sont plans par hypothèse (le miroir 1 est plan par construction, et le miroir 1 1 est d'abord supposé plan), les paramètres connus sont suffisants pour déterminer les distances ainsi que le rayon de courbure adapté du miroir concave 2. On a représenté en figure 1 1 le diagramme de propagation du faisceau laser dans la cavité de la figure 10.
On dispose ensuite le cristal 12 devant le miroir plan 1 1 , puis on considère que le miroir 1 1 est convexe, et adapte son rayon de courbure pour imposer la position de la plage de stabilité. Le diagramme de propagation du faisceau laser dans la cavité devient alors celui représenté en figure 12.
Pour étudier la stabilité de la cavité ainsi obtenue, on va se référer au diagramme de la figure 13. Cc diagramme montre l'évolution de la zone de stabilité n°l (telle que définie en référence à la figure 8) pour différents rayons de courbure. Ces rayons de courbure R sont respectivement égaux à 5, 10, 30 et infini. Ainsi, en jouant seulement sur le rayon de courbure du miroir de fond de cavité 1 1 , on peut ajuster la zone de stabilité sans altérer le rayon de mode minimal W0 (égal à 150 μm dans l'exemple représenté) et la largeur Δ de la zone 1. Dc la même manière, on peut déterminer la sensibilité à un désalignement de la cavité, et à cet effet, on va se référer au diagramme de la figure 14.
On peut diviser la courbe de sensibilité en deux parties : la première correspond à une zone (marquée « Zone 1 » sur la figure) où la sensibilité reste peu élevée et la seconde à une sensibilité qui augmente très rapidement. La première partie de la courbe de sensibilité, qui présente une sensibilité peu élevée, épouse à 90% la zone de stabilité du laser (telle que représentée en figure 13). L'invention permet donc à la cavité régénérative d'être réglée sans trop de difficultés.
Dans le cadre des courtes focales thermiques, le diamètre du mode fondamental envisageable dans les cavités classiques est généralement inférieur à 200μm, alors que dans l'exemple décrit ici, on a un diamètre de 300μm (le rayon W0 est de 150μm ). Le M2 maximum du laser de pompe sera donc 50% supérieur. Dans ce cas, on peut envisager d'utiliser un laser de pompe avec un M2 de 20 (au lieu de 13 dans le cas d'un pompage d'une cavité classique). On a représenté en figure 15 le schéma d'une variante d'architecture de cavité régénérative en « Z » conforme à l'invention. Cette cavité est semblable à celle de la figure 2, la différence résidant principalement dans le fait que le miroir plan (9) de la configuration de la figure 2 a été remplacé par un miroir convexe 13 et que le cristal (4) a été remplacé par un cristal 14, disposé entre les miroirs 3 et 13 et avantageusement plus grand que le cristal 4. En outre, le pompage est fait à travers le miroir 13. Cette configuration permet une plus grande souplesse dans le choix de la taille du mode sur le cristal en fonction des rayons de courbure des deux miroirs concaves 2 et 3.
On a illustré en figure 16 un exemple de réalisation d'une cavité régénérative en « V », pour faire ressortir les avantages de l'invention. La cavité de la figure 16 a la même configuration que celle de la figure 10, et les mêmes éléments sont affectés des mêmes références numériques. La fréquence de pompage du cristal 12 est ici de 5 kHz. Λ 5 kl Iz, la focale thermique du cristal est d'environ 20 cm. Le miroir concave 2 a un rayon de courbure de -100 cm, et d'un miroir de fond de cavité M3 convexe de rayon de courbure de 20 cm. Les distances sont les suivantes : miroir 1 -miroir 2 = 80 cm, miroir 2- miroir 1 1 = 55 cm. Le cristal 12 a une longueur de 1 ,5 cm. Lc diamètre de mode de cette cavité est de 450μm. La puissance extraite de cette cavité est de 4 W pour une puissance de pompe de 24 W. Le paramètre M2 minimum requis pour pomper cette cavité est de 40, ce qui correspond à une zone de Rayleigh égale à la moitié de la longueur du cristal.
En conclusion, l'invention permet, sans utiliser de procédés cryogéniques, d'envisager des cavités régénératives de beaucoup plus fortes puissances qu'à l'heure actuelle, tout en permettant une plus grande flexibilité sur le paramètre M2 des lasers de pompe utilisés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cavité laser du type régénérative femtoseconde à haute cadence de pompage, comprenant un milieu à gain et deux miroirs de fond de cavité, caractérisée en ce que son milieu à gain (12) est disposé au contact ou à proximité d'un de ses miroirs de fond de cavité (1 1 ), qui est un miroir convexe dont le rayon de courbure est fonction de la plage de stabilité désirée compatible avec la focale thermique du cristal.
2. Cavité laser selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'elle a une architecture en « V » ou en « Z ».
3. Cavité laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu à gain est du Ti :8a.
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