WO2007138013A1 - Source laser pour application lidar - Google Patents

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WO2007138013A1
WO2007138013A1 PCT/EP2007/055104 EP2007055104W WO2007138013A1 WO 2007138013 A1 WO2007138013 A1 WO 2007138013A1 EP 2007055104 W EP2007055104 W EP 2007055104W WO 2007138013 A1 WO2007138013 A1 WO 2007138013A1
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laser
cavity
main
laser source
source according
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Application number
PCT/EP2007/055104
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Inventor
Simon Richard
Arnaud Brignon
Original Assignee
Thales
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Publication date
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10084—Frequency control by seeding
    • H01S3/10092—Coherent seed, e.g. injection locking
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0064—Anti-reflection devices, e.g. optical isolaters
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/235—Regenerative amplifiers

Definitions

  • the field of the invention is that of high energy laser sources for LIDAR systems, especially for optronic, industrial and scientific applications.
  • these systems are widely used in the atmospheric sciences (detection of pollutants and aerosols, dynamic measurements of the movements of air masses and clouds), the sciences of planets (cartography of the reliefs of planets, embedded Lidars on satellites for meteorological measurements).
  • These systems can also be used in aeronautics (airborne Lidars or Lidars in airports) to detect turbulence and increase air traffic while providing increased security.
  • the spatial and spectral quality of the laser used in a Lidar system as well as its energy and power are crucial and directly determine the overall performance of the system.
  • the thermal effects within the laser crystal used as amplifying medium bring strong phase aberrations that contribute to distort the wavefront and reduce the beam quality.
  • Conventional laser sources are therefore often limited in energy / power because of these problems.
  • laser sources for LIDAR systems use a number of critical, complex and expensive components to create pulses and to spectrally refine the laser emission:
  • FIG. 1 illustrates this type of laser source: the cavity comprises between 2 mirrors R1 and R2, an amplifying medium MA1 can typically be a laser bar in Nd 3+ ⁇ 3Al5O1 2 (Nd: YAG) pumped by lamps or diodes, the length L of the cavity is thus defined between the mirrors R1 and R2.
  • an amplifying medium MA1 can typically be a laser bar in Nd 3+ ⁇ 3Al5O1 2 (Nd: YAG) pumped by lamps or diodes, the length L of the cavity is thus defined between the mirrors R1 and R2.
  • the cavity also comprises a trigger, not shown, which acts as a switch enabling, after a certain time_accumulation of energy within said cavity, to release the beam laser.
  • a trigger not shown
  • This laser cavity is enslaved by a small so-called secondary laser cavity SL with respect to the previously defined main cavity.
  • the small secondary laser having a cavity length I is a single-frequency laser that can inject into the primary laser cavity photons hv at a single frequency v.
  • the laser beam in the main cavity oscillates preferentially on this frequency provided that this frequency corresponds to a resonant frequency of the primary cavity.
  • L / l N ⁇ with N integer and ⁇ the laser wavelength
  • This ring laser is formed of an output mirror having a low reflectivity R1 (typically 4% -10%) and an amplifying medium MA1 (laser head 1) in which the waves inscribe a dynamic gain hologram.
  • the mirrors are arranged in such a way that it is possible to interfere with waves in different directions.
  • the amplifying medium generates waves in all directions, only some of which can be amplified in the laser cavity.
  • the interference phenomenon is represented diagrammatically by the interference of the waves A1,
  • the waves A1 and A3 register a transmission gain network, also called amplitude hologram.
  • the A2 wave reads the network and generates a diffracted A4 wave.
  • the waves A2 and A3 also inscribe a reflection network which is read by the wave A1.
  • the wave A1 is thus called pump wave because registering a network in transmission.
  • Wave A2 is also referred to as a pump wave because it inscribes a grating in reflection.
  • the A3 wave is a signal wave
  • the wave A4 is a conjugate wave of playback of the networks inscribed in the amplifying medium.
  • the hologram corresponding to the amplitude networks inscribed, is under certain conditions a phase conjugation mirror, ie the wave A4 is the conjugate wave in phase of the signal wave A3. If the A3 wave has undergone phase distortions during its propagation in the cavity, the phase conjugated A4 wave will correct its aberrations during its reverse propagation in the cavity. .
  • Such a phase conjugation mirror will thus make it possible to compensate for the phase aberrations of the laser media and thus to create an output beam of good spatial quality.
  • the contrast of the interference fringes must be high. It is therefore important that the waves A1 and A3 have amplitudes of the same order of magnitude. To favor this phenomenon is introduced into the cavity a non-reciprocal element ENR, to introduce losses in the clockwise direction shown in Figure 2 and not in the opposite direction.
  • the non-reciprocal element may typically consist of a Faraday rotator, two polarizers, and a half-wave plate.
  • the process is initiated by the spontaneous emission from the MA1 amplifying medium.
  • the waves A1, A2, A3 and A4 from this noise start to register the gain hologram.
  • This hologram has a diffraction efficiency ⁇ .
  • G MA2 shown in Figure 2
  • the losses of the cavity for an oscillating wave in the counterclockwise direction in FIG. 2 are denoted by the letter T.
  • ⁇ x G ⁇ T> 1 the oscillation condition is verified and the 4 waves at inside the cavity become more and more intense at each turn in the cavity.
  • the output intensity of the laser increases in proportion. In a few tens of nanoseconds, the amplification of the beam extracts all the energy stored in the amplifying media and the oscillation stops. The laser thus provides a light pulse.
  • the laser emission is naturally mono-frequency, the gain hologram realizing a spectral filter of great fineness.
  • this type of self-adaptive laser cavity is single frequency, from one pulse to another this frequency can vary.
  • the present invention proposes a new laser source of the same type with audo-adaptive cavity with four-wave mixing and having a secondary source for forcing the main source to operate on the frequency imposed by this small auxiliary source.
  • the subject of the invention is a laser source comprising a main self-adaptive laser cavity comprising at least one main amplifying medium in a main direction and several mirrors making it possible to create a gain hologram within said main amplifying medium by means of interference. a first optical wave in the main direction and a second optical wave of different direction, said waves being generated by the main amplifying medium.
  • the source further comprises a secondary laser source delivering photons at a frequency they impose on the main cavity and means for introducing said photons into the main laser cavity.
  • the secondary laser source is placed in the direction of the second optical wave.
  • the laser source comprises a non-reciprocal element making it possible to create losses in a non-reciprocal manner on waves circulating in one direction or the other within the main laser cavity.
  • This element can be composed of a Faraday rotator, two polarizers and a half-wave phase plate.
  • the mirrors are highly reflective, the laser beam being extracted from the main laser cavity by the loss path generated by the non-reciprocal element.
  • the laser source further comprises optical means for creating a homothety on the first and second waves so as to compensate for the divergence which affects the waves after propagation within the main laser cavity.
  • the optical means may be of the pair type convergent lens and divergent lens. They can be placed near the main amplifier medium.
  • the main cavity comprises at least a second amplifying medium for increasing the gain of amplification within the main laser cavity.
  • this second amplifying medium can be advantageously replaced by two amplifying media between which is placed a 90 ° polarization rotator to compensate for the effects of depolarization introduced by thermal effect in these two amplifying media.
  • FIG. 1 illustrates an example of a laser source for Lidar according to the known art
  • FIG. 2 illustrates an example of a laser source for Lidar comprising a self-adaptive cavity with four waves according to the known art
  • FIG. 3 illustrates a first example of a laser source for Lidar according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a second example of a laser source for Lidar according to the invention
  • FIG. 5 illustrates a third example of a laser source according to the invention comprising a split amplifying medium and a 90 ° polarization rotator.
  • the laser source according to the invention comprises an amplifying medium within which is created a transmission gain network as described in a self-adaptive cavity according to the prior art.
  • the invention proposes to use a small laser of low power to to inject photons into the main laser cavity, these photons are amplified and impose their frequency on the main laser cavity.
  • their frequency In conventional injection systems, in order for the injected photons to be amplified, their frequency must be resonant with the natural frequencies of the cavity, as has been explained in the preamble of the invention.
  • One of the mirrors of the cavity to be injected must be placed on a piezoelectric wedge to adjust the length of the cavity by means of an electronic feedback loop.
  • the dynamic gain hologram that forms in the main amplifier medium is therefore automatically adapted to the frequency of the continuous laser.
  • FIG. 3 illustrates a first example of a laser according to the invention advantageously using 3 amplifying media. Indeed, it will generally be preferred to use a plurality of gain media to obtain a maximum gain (equal to the sum of the gains of each amplifying medium) within the cavity.
  • laser a first amplifying medium MA1 in which is generated the interference gain hologram of the A1 and A3 waves and A2 and A3 waves, a second amplifying medium MA2 and a third amplifying medium M A3.
  • the so-called secondary low frequency single-frequency laser source SLs is injected into the main laser cavity via a non-reciprocal element of Faraday isolator type Is to avoid beam returns from the main cavity towards said secondary source.
  • a set of high reflectivity HR mirrors makes it possible to constitute the main laser cavity as in the configuration of the known art comprising a self-adaptive cavity.
  • the mirror R1 corresponding to the output mirror of the prior art is replaced by a highly reflective mirror Rmax to reduce losses in the cavity and the output laser beam Fs is recovered at the non-reciprocal RF element which can typically be composed of a Faraday rotator and a half-wave phase plate, inserted between two polarizers PoH and Pol2.
  • the non-reciprocal RF element can typically be composed of a Faraday rotator and a half-wave phase plate, inserted between two polarizers PoH and Pol2.
  • optical means to compensate for the divergence that is created on the amplified intra-cavity laser beam.
  • optical means may advantageously be of the telescope type.
  • FIG. 4 illustrates such a configuration in which a convergent and divergent lens assembly is introduced near the amplifying medium MA1 in which interference is produced.
  • This telescope makes it possible to adapt the size of the beam to that of the laser bars. By calculating in particular the evolution of the beam size in the cavity, it appears that without a telescope, the beam could naturally reach very large dimensions (maximum diameter of 10 mm at the A1 and A2 waves). However, the laser bars generally have a smaller dimension (typically 4 - 7 mm in diameter). This results in a very large vignetting effect which greatly degrades the beam quality and the stability of the laser.
  • the telescope makes it possible to reduce the size of the beam so that it always remains adapted to the size of the laser bars.
  • This Tel telescope can have a typical magnification value of 1.5 (for example a divergent focal lens -100 mm associated with a convergent focal lens +150 mm).
  • the telescope thus allows an improvement of the beam quality and a better stability of the overall performances of the laser.
  • a variant of the invention proposes to split the amplifying medium which is just before the laser output as shown in FIG. 5.
  • the use of 2 identical amplifying media MA2, MA2 'and of FIG. a 90 ° polarization rotator between the two makes it possible to compensate for the depolarization of these two amplifying media.
  • This figure also illustrates lens positioning f1, f2, f3, f4 for adapting the beam within the cavity.
  • the laser source according to the invention comprises:
  • the self-adaptive cavity comprises 3 Nd: YAG amplifying media pumped by a flash lamp or by laser diodes at 100 Hz.
  • 2 amplifying media corresponding to the media FIG. 6 may be laser bars of diameter equal to 6 mm and each having a gain g 0 L of 3.5, the factor exp (g 0 L) corresponding to the amplification factor of the beam. laser within the cavity.
  • the output energy obtained can thus be greater than 300 mJ delivering pulses of 20 ns with a beam quality 1, 5 times the diffraction limit.

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Abstract

L' invention concerne une source laser comportant une cavité laser principale auto-adaptative comportant au moins un milieu amplificateur principal (MA1) selon une direction principale et plusieurs miroirs (HR) permettant de créer un hologramme de gain au sein dudit milieu amplificateur principal par interférence d'une première onde optique (A1) selon la direction principale et une seconde onde optique (A3) selon une direction différente de la direction principale, lesdites ondes étant générées par le milieu amplificateur principal caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une source laser secondaire (SLs) délivrant des photons à une fréquence qu'ils imposent à la cavité principale et des moyens d'introduction desdits photons au sein de la cavité laser principale.

Description

Source laser pour application Lidar
Le domaine de l'invention est celui des sources laser de forte énergie pour les systèmes LIDAR, pour notamment des applications optroniques, industrielles et scientifiques. Par exemple, ces systèmes sont largement utilisés dans les sciences atmosphériques (détection de polluant et d'aérosols, mesures dynamiques des déplacements des masses d'air et des nuages), les sciences des planètes (cartographie des reliefs des planètes, Lidars embarqués sur satellites pour mesures météorologiques). Ces systèmes peuvent également être utilisés en aéronautique (Lidars aéroportés ou Lidars dans les aéroports) pour détecter les turbulences et permettre d'augmenter le trafic aérien tout en assurant une sécurité accrue.
De manière générale, la qualité spatiale et spectrale du laser utilisé dans un système Lidar ainsi que son énergie et sa puissance sont cruciales et déterminent directement les performances globales du système. Cependant, il devient difficile de maintenir une bonne qualité de faisceau lorsque l'énergie ou la puissance du laser augmente. En effet, les effets thermiques au sein du cristal laser utilisé comme milieu amplificateur, apportent de fortes aberrations de phase qui contribuent à distordre le front d'onde et à diminuer la qualité de faisceau. Les sources lasers conventionnelles sont donc souvent limitées en énergie / puissance à cause de ces problèmes.
Par ailleurs, les sources lasers pour les systèmes LIDAR utilisent un certain nombre de composants critiques, complexes et coûteux pour créer des impulsions et pour affiner spectralement l'émission laser :
• Pour obtenir des impulsions de quelques dizaines de nanoseconde, les sources conventionnelles utilisent un système de déclenchement actif tel que une cellule de Pockels ou une cellule acousto-optique.
• Pour affiner spectralement l'émission laser, il faut asservir la cavité laser sur un autre laser monofréquence continu de faible puissance. Pour réaliser cet asservissement, il faut monter un des miroirs de la cavité laser sur une cale piézo-électrique pour ajuster au moyen d'une boucle électronique de contre-réaction la longueur de la cavité. La longueur de la cavité laser doit être ainsi contrôlée en temps réel au moyen d'une boucle électronique de contre-réaction. La figure 1 illustre ce type de source laser : La cavité comporte entre 2 miroirs R1 et R2, un milieu amplificateur MA1 pouvant typiquement être un barreau laser en Nd3+ Υ3AI5O12 (Nd:YAG) pompé par lampes ou diodes, la longueur L de la cavité est ainsi définie entre les miroirs R1 et R2. Pour bénéficier d'une source impulsionnelle de forte énergie, la cavité comporte par ailleurs un déclencheur non représenté qui joue le rôle de commutateur permettant au bout d'un certain temps_d'accumulation de l'énergie au sein de ladite cavité, de libérer le faisceau laser. Pour forcer la cavité laser à osciller sur un seul mode longitudinal correspondant à une fréquence unique, on asservit cette cavité laser par une petite cavité laser dite secondaire SL par rapport à la cavité principale préalablement définie. Le petit laser secondaire présentant une longueur de cavité I, est un laser monofréquence qui permet d'injecter dans la cavité laser primaire des photons hv à une fréquence unique v. Le faisceau laser dans la cavité principale oscille préférentiellement sur cette fréquence à condition que cette fréquence corresponde à une fréquence de résonance de la cavité primaire. Pour que cette condition soit satisfaite il est nécessaire que les longueurs respectives des cavités répondent à l'équation : L/l=Nλ avec N nombre entier et λ la longueur d'onde laser
Cette condition est satisfaite en introduisant dans la cavité du laser primaire une cale piézoélectrique Cl permettant de régler la longueur L de la cavité du laser primaire et ce pour toute fréquence de fonctionnement.
Afin de contrôler spatialement (correction des aberrations des cristaux lasers), temporellement (génération d'impulsions) et spectralement (fonctionnement monofréquence) le laser, il a aussi été proposé un autre type d'architecture de source qui utilise le mélange à quatre ondes dans le milieu laser comme illustré en figure 2 et qui est notamment décrit dans les articles suivants : Bel'dyugin et alii, Solid-state lasers with self-pumped phase-conjugate mirrors in an active médium, Sov. J. Quantum Electron., vol. 19, pages 740-742 (1989) ; Damzen, Green et Syed, Self-adaptive solid- state laser oscillator formed by dynamic gain-grating holograms, Optics Letters, vol. 20, pages 1704-1706 (1995) ; Sillard, Brignon et Huignard, Gain- grating analysis of a self-starting self-pumped phase-conjugate Nd :YAG loop resonator, IEEE J. Quant. Electron, vol. 34, pages 465-472 (1998). Une telle architecture permet d'obtenir une émission monofréquence sans le recours à un laser secondaire.
Ce laser en anneau est formé d'un miroir de sortie possédant une faible réflectivité R1 (typiquement 4% - 10%) et un milieu amplificateur MA1 (tête laser 1) dans lequel les ondes inscrivent un hologramme de gain dynamique.
Pour cela les miroirs sont disposés de telle manière qu'il soit possible de faire interférer des ondes selon des directions différentiées. Le milieu amplificateur génère des ondes dans toutes les directions, seules certaines peuvent être amplifiées dans la cavité laser. Sur la figure 2, le phénomène d'interférence est schématisé par l'interférence des ondes A1 ,
A3. Les ondes A1 et A3 inscrivent un réseau de gain en transmission, encore appelé hologramme en amplitude. L'onde A2 relit le réseau et génère une onde diffractée A4.
Les ondes A2 et A3 inscrivent également un réseau en réflexion qui est relu par l'onde A1.
L'onde A1 est ainsi appelée onde de pompe car inscrivant un réseau en transmission. L'onde A2 est également désignée comme étant une onde de pompe car inscrivant un réseau en réflexion.
L'onde A3 est une onde signal
L'onde A4 est une onde conjuguée de relecture des réseaux inscrits dans le milieu amplificateur. L'hologramme correspondant aux réseaux d'amplitude inscrits, constitue dans certaines conditions un miroir à conjugaison de phase, c'est à dire que l'onde A4 est l'onde conjuguée en phase de l'onde signal A3. Si l'onde A3 a subi des distorsions de phase lors de sa propagation dans la cavité, l'onde A4 conjuguée en phase va se corriger de ses aberrations lors de sa propagation inverse dans la cavité. . Un tel miroir à conjugaison de phase va donc permettre de compenser les aberrations de phase des milieux laser et donc de créer un faisceau de sortie de bonne qualité spatiale.
Pour que l'hologramme de gain soit efficace il faut que le contraste des franges d'interférence soit élevé. Il est donc important que les ondes A1 et A3 présentent des amplitudes du même ordre de grandeur. Pour favoriser ce phénomène, on introduit dans la cavité un élément non réciproque ENR, permettant d'introduire des pertes dans le sens des aiguilles d'une montre indiqué en figure 2 et non dans le sens inverse. L'élément non réciproque peut typiquement être constitué d'un rotateur de Faraday, de deux polariseurs et d'une lame demi-onde.
Au départ, le processus est initié par l'émission spontanée issue du milieu amplificateur MA1. Les ondes A1 , A2, A3 et A4 issues de ce bruit commencent à inscrire l'hologramme de gain. Cet hologramme possède une efficacité de diffraction η. Il est également possible d'introduire d'autres milieux lasers possédant un gain G (MA2 illustré en figure 2 ) pour augmenter l'efficacité du système. Les pertes de la cavité pour une onde oscillant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur la figure 2 sont désignées par la lettre T. Lorsque ηx G χ T >1, la condition d'oscillation est vérifiée et les 4 ondes à l'intérieur de la cavité deviennent de plus en plus intenses à chaque tour dans la cavité. L'intensité en sortie du laser croît en proportion. En quelques dizaines de nanosecondes, l'amplification du faisceau extrait toute l'énergie stockée dans les milieux amplificateurs et l'oscillation s'arrête. Le laser fournit donc une impulsion lumineuse.
L'émission laser est naturellement mono-fréquence, l'hologramme de gain réalisant un filtre spectral de grande finesse.
Néanmoins bien que ce type de cavité laser auto-adaptative soit monofréquence, d'une impulsion à l'autre cette fréquence peut varier.
Pour résoudre ce problème, la présente invention propose une nouvelle source laser du même type avec cavité audo-adaptive avec mélange quatre ondes et présentant une source secondaire permettant de forcer la source principale à fonctionner sur la fréquence imposée par cette petite source annexe.
Plus précisément l'invention a pour objet une source laser comportant une cavité laser principale auto-adaptative comportant au moins un milieu amplificateur principal selon une direction principale et plusieurs miroirs permettant de créer un hologramme de gain au sein dudit milieu amplificateur principal par interférence d'une première onde optique selon la direction principale et une seconde onde optique de direction différente, lesdites ondes étant générées par le milieu amplificateur principal. La source comprend en outre une source laser secondaire délivrant des photons à une fréquence qu'ils imposent à la cavité principale et des moyens d'introduction desdits photons au sein de la cavité laser principale.
Avantageusement, la source laser secondaire est placée selon la direction de la seconde onde optique. Avantageusement, la source laser comprend un élément non- réciproque permettant de créer des pertes de manière non-réciproque sur des ondes circulant dans un sens ou dans l'autre au sein de la cavité laser principale.
Cet élément peut être composé d'un rotateur de Faraday, de deux polariseurs et d'une lame de phase demi-onde.
Selon une variante de l'invention, les miroirs sont fortement réfléchissants, le faisceau laser étant extrait de la cavité laser principale par la voie de perte que génère l'élément non-réciproque.
Selon une variante de l'invention, la source laser comprend en outre des moyens optiques pour créer une homothétie sur les première et seconde ondes de manière à compenser la divergence qui affecte les ondes après propagation au sein de la cavité laser principale.
Les moyens optiques peuvent être de type paire de lentille convergente et lentille divergente. Ils peuvent être placés à proximité du milieu amplificateur principal.
Selon une variante de l'invention, la cavité principale comprend au moins un second milieu amplificateur pour augmenter le gain d'amplification au sein de la cavité laser principale. Selon une variante de l'invention, ce second milieu amplificateur peut être avantageusement remplacé par deux milieux amplificateurs entre lesquels est placé un rotateur de polarisation à 90° pour compenser les effets de dépolarisation introduit par effet thermique dans ces deux milieux amplificateurs.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre un exemple de source laser pour Lidar selon l'art connu ; - la figure 2 illustre un exemple de source laser pour Lidar comprenant une cavité auto-adaptative à quatre ondes selon l'art connu ;
- la figure 3 illustre un premier exemple de source laser pour Lidar selon l'invention ;
- la figure 4 illustre un second exemple de source laser pour Lidar selon l'invention ;
- la figure 5 illustre un troisième exemple de source laser selon l'invention comprenant un milieu amplificateur dédoublé et un rotateur de polarisation à 90°.
De manière générale, la source laser selon l'invention comprend un milieu amplificateur au sein duquel est créé un réseau de gain en transmission comme décrit dans une cavité auto-adaptative selon l'art connu. Pour résoudre le problème de la fréquence du laser susceptible de changer d'une impulsion à l'autre qui peut être de l'ordre de 1 GigaHertz selon l'art antérieur, l'invention propose d'utiliser un petit laser de faible puissance permettant d'injecter des photons dans la cavité laser principale, ces photons sont amplifiés et imposent leur fréquence à la cavité laser principale. Dans les systèmes d'injection classique, pour que les photons injectés puissent être amplifiés, il faut que leur fréquence soit résonnante avec les fréquences propres de la cavité comme cela a été explicité dans le préambule de l'invention. Il faut placer un des miroirs de la cavité à injecter sur une cale piézo-électrique pour ajuster au moyen d'une boucle électronique de contre-réaction, la longueur de la cavité.
Selon l'invention, il n'y a plus besoin de contrôler la longueur de la cavité à injecter puisque la cavité est auto-adaptative et refermée par un miroir non-linéaire formé par le mélange à quatre ondes du faisceau présent dans la cavité. L'hologramme de gain dynamique qui se forme dans le milieu amplificateur principal est donc automatiquement adapté à la fréquence du laser continu.
La figure 3 illustre un premier exemple de laser selon l'invention utilisant avantageusement 3 milieux amplificateurs. En effet on préférera en général utiliser plusieurs milieux à gain pour obtenir un gain maximal (égal à la somme des gains de chaque milieu amplificateur) au sein de la cavité laser : un premier milieu amplificateur MA1 au sein duquel est généré l'hologramme de gain par interférences des ondes A1 et A3 et des ondes A2 et A3, un second milieu amplificateur MA2 et un troisième milieu amplificateur M A3. La petite source laser dite secondaire SLs de faible puissance et monofréquence est injectée dans la cavité laser principale par l'intermédiaire d'un élément non-réciproque de type isolateur de Faraday Is pour éviter les retours de faisceau depuis la cavité principale en direction de ladite source secondaire. Un ensemble de miroirs HR de haute réflectivité permet de constituer la cavité laser principale comme selon la configuration de l'art connu comportant une cavité auto-adaptative. Par contre avantageusement le miroir R1 correspondant au miroir de sortie de l'art antérieur est remplacé par un miroir fortement réfléchissant Rmax pour diminuer les pertes dans la cavité et le faisceau laser de sortie Fs est récupéré au niveau de l'élément non-réciproque RF qui peut typiquement être composé d'un rotateur de Faraday et d'une lame de phase demi-onde, insérés entre deux polariseurs PoH et Pol2. Typiquement, il a été validé expérimentalement que les utilisations du miroir Rmax et de la sortie au niveau de l'élément non- réciproque permettait une augmentation de l'énergie de sortie d'un facteur entre 2 et 3.
Selon une variante de l'invention il est également proposé d'utiliser des moyens optiques pour compenser la divergence qui est créée sur le faisceau laser amplifié intra-cavité. Ces moyens optiques peuvent avantageusement être de type télescope.
La figure 4 illustre une telle configuration dans laquelle un ensemble de lentilles convergente et divergente est introduit à proximité du milieu amplificateur MA1 dans lequel sont produites les interférences. Ce télescope permet d'adapter la dimension du faisceau à celle des barreaux lasers. En calculant notamment l'évolution de la dimension du faisceau dans la cavité, il apparaît que sans télescope, le faisceau pourrait atteindre naturellement des dimensions très importantes (diamètre de 10 mm au maximum au niveau des ondes A1 et A2). Or les barreaux lasers ont généralement une dimension plus petite (typiquement 4 - 7 mm de diamètre). II en résulte un effet de vignetage très important qui dégrade très fortement la qualité de faisceau et la stabilité du laser. Le télescope permet de diminuer la taille du faisceau afin qu'il reste toujours adapté à la taille des barreaux laser. Ce télescope Tel peut avoir une valeur de grandissement typique de 1 ,5 (par exemple une lentille divergente de focale -100 mm associée à une lentille convergente de focale +150 mm).
Le télescope permet donc une amélioration de la qualité de faisceau et une meilleure stabilité des performances globales du laser.
De manière générale, les lasers délivrant des impulsions de forte puissance subissent des problèmes d'échauffement générant des problèmes de dépolarisation. Or, la plupart des applications laser ont besoin d'un faisceau de sortie polarisée notamment pour pouvoir faire des opérations de conversion de fréquence dans des cristaux non-linéaires. Par ailleurs la dépolarisation affecte directement la qualité de faisceau et peut diminuer l'énergie de sortie du laser. Lorsque les milieux lasers sont utilisés à forte cadence (typiquement >100 Hz), les effets de dépolarisation deviennent extrêmement gênants. Afin de partiellement compenser cet effet, une variante de l'invention propose de dédoubler le milieu amplificateur qui se trouve juste avant la sortie du laser comme le montre la figure 5. L'utilisation de 2 milieux amplificateurs identiques MA2, MA2' et d'un rotateur de polarisation à 90° entre les deux permet de compenser la dépolarisation de ces deux milieux amplificateurs. Cette figure illustre par ailleurs des positionnements de lentilles f1 , f2, f3, f4 permettant d'adapter le faisceau au sein de la cavité.
Exemple de réalisation
La source laser selon l'invention comprend :
- une petite source laser secondaire continu, délivrant quelques centaines de μW
- la cavité auto-adaptative comprend 3 milieux amplificateurs en Nd :YAG pompés par lampe flash ou par diodes lasers à 100 Hz. 2 milieux amplificateurs correspondant aux milieux dédoublés illustrés en figure 5. Typiquement il peut s'agir de barreaux laser de diamètre égal à 6 mm et présentant chacun un gain g0L de 3,5, le facteur exp (g0L) correspondant au facteur d'amplification du faisceau laser au sein de la cavité. L'énergie de sortie obtenue peut être ainsi supérieure à 300 mJ délivrant des impulsions de 20 ns avec une qualité de faisceau 1 ,5 fois la limite de diffraction.
Avec des diamètres de barreau de 10 mm, dans une configuration identique à la précédente, l'énergie de sortie délivrée devient de l'ordre du Joule.

Claims

REVENDICATIONS
1. Source laser comportant une cavité laser principale autoadaptative comportant au moins un milieu amplificateur principal (MA1 ) selon une direction principale et plusieurs miroirs (HR) permettant de créer un hologramme de gain au sein dudit milieu amplificateur principal par interférence d'une première onde optique (A1) selon la direction principale et une seconde onde optique (A3) selon une direction différente de la direction principale, lesdites ondes étant générées par le milieu amplificateur principal caractérisée en ce qu'elle comprend en outre : une source laser secondaire (SLs) délivrant des photons à une fréquence qu'ils imposent à la cavité principale et des moyens d'introduction desdits photons (Is) au sein de la cavité laser principale ; un élément non-réciproque (RF) permettant de créer des pertes de manière non-réciproque sur des ondes circulant dans un sens ou dans l'autre au sein de la cavité laser principale ; les miroirs étant fortement réfléchissants et le faisceau laser étant extrait de la cavité laser principale depuis l'élément non-réciproque qui génère des pertes.
2. Source laser selon la revendication 1 , caractérisée en ce la source laser secondaire est placée selon la direction de la seconde onde optique.
3. Source laser selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément non-réciproque est composé d'un rotateur de Faraday.
4. Source laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un rotateur de polarisation pour compenser les effets de dépolarisation introduit par les effets thermiques dans les milieux amplificateurs introduits dans la cavité.
5. Source laser selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens optiques (Tel) pour créer une homothétie sur les première et seconde ondes de manière à adapter le diamètre des faisceaux au diamètre du ou des milieux amplificateurs de la cavité.
6. Source laser selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens optiques sont de type paire de lentille convergente et lentille divergente.
7. Source laser selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que les moyens optiques sont placés à proximité du milieu amplificateur principal.
8. Source laser selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la cavité principale comprend au moins un second milieu amplificateur (MA2, MA2') pour augmenter le gain d'amplification au sein de la cavité laser principale.
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