WO2014106668A2 - Amplificateur optique solide d'un laser à impulsions de grande puissance - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the optical amplifier of a laser.
  • the present invention relates to a solid, or crystalline, amplifying medium of a laser, for amplifying light by stimulated emission of photons.
  • the invention applies in particular to solid amplifying media enabling the implementation of high power pulse lasers.
  • a laser source also called laser (light amplification by stimulated emission of radiation, meaning “amplification of the light by stimulated emission of radiation”) is a device which comprises in particular an optical amplifier based on the laser effect.
  • This optical amplifier is a medium in which atoms, ions, or molecules can take at least two energy states: a fundamental state of energy and an excited state of energy. These atoms, ions or molecules can go from their ground state to their excited state when illuminated by electromagnetic radiation (light) of a suitable frequency, by taking the corresponding energy on this radiation.
  • a pumping of the optical amplifier consisting for example of an illumination of this amplifier by a light of a suitable wavelength (optical pumping), makes it possible to pass in their excited state a large part of the atoms, ions or molecules participating in optical amplification.
  • incident photon a photon
  • the atoms, ions or molecules that are in their excited state de-energize, returning to their ground state. They then emit a photon of the same wavelength and of the same phase as the incident photon. This emitted photon is added to the incident photon, which creates an amplification of the incident electromagnetic radiation. This phenomenon, called “stimulated emission of radiation”, is at the base of laser optical amplification.
  • Atoms, ions or molecules that are in their excited state can also spontaneously de-energize, returning to their ground state. They then emit a photon in a random phase and in a random direction. This phenomenon, called “spontaneous emission of radiation”, causes the emission of photons that pass through the amplifying medium by generating a fluorescence of this amplifying medium.
  • an incident laser pulse passes through an amplifying medium which is most often a solid, or crystalline, amplifying medium consisting of a crystal, a glass or an ion-doped ceramic. i.e. including ions capable of taking a ground state and an excited state.
  • an amplifying medium which is most often a solid, or crystalline, amplifying medium consisting of a crystal, a glass or an ion-doped ceramic. i.e. including ions capable of taking a ground state and an excited state.
  • This solid amplifying medium is called "crystal" in the following description.
  • the crystal Prior to the crystal emission of the incident pulse to be amplified, the crystal is pumped, ie the ions receive an energy, generally in the form of light of a suitable wavelength, allowing a large part of them to go into their excited state.
  • the ions generally remain in their excited state for a few nanoseconds to a few microseconds.
  • the incident pulse to be amplified is then sent into the crystal, preferably when a maximum of ions are in an excited state.
  • the photons of this pulse, arriving on an ion placed in an excited state, causes the emission by this ion of a photon of the same wavelength, in the same direction.
  • the original pulse is amplified by this new photon.
  • the impulse path advantageously a portion of the crystal, hereinafter called "amplification zone", which advantageously represents almost all of this crystal.
  • each of the ions in the excited state can spontaneously pass from the excited state to the stable state, by the spontaneous emission of a photon, hereinafter called " parasitic photon ".
  • parasitic photon This parasitic photon being emitted in a random direction, it can leave the crystal by one of its walls, generating a fluorescence.
  • This parasitic photon can also, if it encounters an ion in its excited state, cause the forced emission by this ion of a photon of the same wavelength in the same direction.
  • a parasitic pulse comprising several photons is then formed, which can be progressively amplified while crossing the crystal. This amplification of the spurious pulse is greater in large crystals, in which the pulse can travel a larger path in the excited crystal before reaching a crystal wall.
  • This parasitic pulse flowing in a random direction it can leave the amplification zone of the crystal and arrive on a side wall of the crystal, which is not intended to be reached by the laser pulse to be amplified.
  • the majority of this pulse (of the order of 99%) out of the laser material.
  • a small portion (of the order of 1%) can be reflected in the laser material.
  • the side wall although normally designed to not reflect light, may yet have a low reflection, particularly related to the incidence angle of the spurious pulse.
  • this parasitic pulse When the laser crystal has dimensions smaller than a critical dimension, the reflected portion of this parasitic pulse, which is caused to cross again the crystal amplification zone, has a very low intensity. It brings about the passage to the ground state only a limited number of excited ions. This parasitic pulse therefore has little effect on the state of excitation of the crystal, and its ability to amplify the incident pulse to be amplified, insofar as a large majority of the ions remain in an excited state. Transverse parasite damage
  • a photon 101 emitted spontaneously by an ion 100 crosses a relatively large distance from the amplification zone. of the crystal 1, possibly by reflecting on a surface 11 or 12 provided to allow the incident pulse to amplify to cross the crystal, and on which the parasitic pulse can be totally reflected (total internal reflection), before emerging from the amplification zone of the crystal to meet the peripheral side wall 13, which is not intended to be reached by the pulse to be amplified.
  • a parasitic pulse 102 of relatively high power is formed, the majority of which 103 leaves the crystal 1 at the side face 12 thereof.
  • the portion 104 of this parasitic pulse which is reflected in the amplification zone of the crystal which has a power of the order of 1% of the incident parasitic pulse 102, may have a significant power.
  • This reflected parasitic pulse 103 crosses again the amplification zone of the crystal 1, in which it is again amplified in contact with excited ions, before going out again of the amplification zone of the crystal to meet the face again. side 13 at which a portion 106 of the pulse out of the crystal 1 and a part 107 is reflected.
  • the gain G of the parasitic pulse between the two lateral faces 12 and 13, which is expressed in the form G e aL , (with a, parameter dependent on the material used and L length of the path of the pulse in the crystal, between two lateral faces 12 and 13) is greater than the energy loss of the reflected spurious pulses 104 and 107 by a side wall, with respect to the incident parasitic pulse 102 and 106 respectively.
  • the parasitic pulse then has an increasing power during each of its crystal 1 traverses and makes to pass, for its amplification, most of the ions excited in their ground state.
  • transverse parasitic lasing prevents the subsequent amplification in the crystal of the incident pulse to be amplified, by depletion of the excited levels.
  • a first solution proposed was to depolish these lateral faces, so that the reflection faces diffuse manner, in random directions, rather than in the form of a single reflected pulse. This adaptation made it possible to slightly increase the size of the crystals without this transverse parasitic lasing occurring.
  • index matching can not be perfect.
  • the crystal is indeed anisotropic, and does not have a unique index. It is therefore impossible for an isotropic index fluid to have an index exactly identical to that of the crystal.
  • the subscript liquid index varies with temperature and pressure. The temperature of this liquid is likely to increase when it absorbs spurious impulses, the index of the liquid evolves. There remains, therefore, between the crystal and the liquid of index, a slight difference of index causing a partial reflection of the incident parasitic pulse.
  • the index liquids which can have an index very close to those of the crystals are most often toxic liquids, volatile, and unstable over long periods. Their use is therefore difficult.
  • the present invention aims to overcome these disadvantages of the prior art.
  • the present invention aims to provide technical solutions for avoiding transverse parasitic lasing in an optical amplification crystal, which can be implemented in place of known solutions or in combination with them, in order to allow the efficient use of larger optical amplification crystals for the amplification of laser pulses.
  • Another object of the invention is to provide such a solution that can be implemented particularly easily, and for very low costs.
  • Yet another object of the invention is to provide a large optical amplification crystal for the amplification of laser pulses, with a reduced risk that a transverse parasitic lasing phenomenon occurs.
  • a solid optical amplifier which can be pumped to allow the optical amplification of an incident light pulse to be amplified, comprising at least one amplification zone, intended to be traversed by said incident light pulse to be amplified, and at least one side wall, outside said amplification zone, in which, according to the invention, said side wall has a shape suitable for a parasitic light pulse, flowing in said amplifier in a random direction and coming into contact with said side wall, undergoes on average more than one reflection on said side wall before being reflected back to said amplification zone.
  • a parasitic light pulse when a parasitic light pulse comes into contact with the side wall, it can undergo several successive reflections before being reflected towards the amplification zone of the crystal. During each of the reflections, most of its power is transmitted out of the amplifier material, or crystal. The power of the pulse reflected towards the amplification zone of the crystal after several successive reflections is therefore less than the power of a pulse which would have undergone only one reflection.
  • the shape of the side wall of the solid optical amplifier, or crystal, according to the invention therefore allows the average power of the parasitic light pulses which are returned by this side wall towards the amplification zone of the crystal is lower than in the prior art. The risk of transverse parasitic lasing is thus reduced, which makes it possible to produce solid optical amplifiers of larger size.
  • said side wall has a shape adapted so that at least 10% of the parasitic light pulses, circulating in said amplifier in a random direction and coming into contact with said side wall, undergo at least two successive reflections on said front side wall. to be reflected towards said amplification zone.
  • a significant portion of the spurious pulses can thus undergo several successive reflections, and thus see a very large part of its power out of the amplifier without being reflected to the amplification zone. It is of course preferable that this part be as large as possible, in order to significantly reduce the risk of transverse parasitic lasing.
  • said side wall has a shape adapted so that at least 50% of the parasitic light pulses, flowing in said amplifier in a random direction and coming into contact with said side wall, undergo at least two successive reflections on said side wall before being reflected to said amplification zone.
  • the optical amplifier has a shape of revolution, said side wall constituting a peripheral wall of the optical amplifier.
  • An optical amplifier having such a shape is particularly suitable for amplifying a laser pulse.
  • some portions of said side wall are in a frustoconical shape.
  • the frustoconical shape of certain portions of the side wall which can also, according to other embodiments, be replaced by other non-cylindrical shapes, makes it possible to prevent portions of quasi-parallel walls from facing each other and forming a laser cavity favoring the appearance of transverse parasitic lasing. It is thus possible to further reduce the risk of occurrence of such a parasitic transverse lasing.
  • said side wall of an optical amplifier according to the invention comprises at least two grooves.
  • Grooves formed in this side wall allow in fact that incident light pulses arriving on the side wall undergo several successive reflections on the edges of the grooves and between the grooves.
  • said side wall comprises a succession of successive grooves substantially parallel, so as to have a crenellated form.
  • This crenellated form is particularly easy to produce industrially.
  • said grooves are constituted by perimetric cutouts of said optical amplifier, in a plane perpendicular to its axis of revolution.
  • the optical amplifier according to the invention consists of a sapphire crystal doped with titanium ions.
  • Such a crystal is commonly used for the amplification of high power laser pulses.
  • the invention also relates to an optical amplification device comprising an optical amplifier as described above, at least a part of said side wall of which is in contact with an optical index medium close to the optical index of said amplifier. optical.
  • Such a medium may in particular be placed in grooves of the side wall.
  • said optical index medium close to the optical index of said optical amplifier is an index liquid.
  • said optical index medium close to the optical index of said optical amplifier is an index polymer.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a solid optical amplifier, comprising a step of machining a crystal for forming said amplifier, for forming at least one groove on a side wall of said crystal.
  • This method makes it possible very easily to create a lateral wall capable of imposing several successive reflections on an incident parasitic pulse.
  • said machining step is a turning step for forming at least one groove on a peripheral wall of said crystal, to form an optical amplifier having a shape of revolution.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of an optical amplification crystal according to a possible embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a detail of the sectional view of Figure 2, showing a side face of the optical amplification crystal.
  • FIG. 2 represents a schematic sectional view of a solid optical amplifier, hereinafter referred to as the optical amplification crystal, according to one embodiment of the invention.
  • This crystal 2 has a form of revolution inscribing itself in a cylinder of revolution of revolution, axis 20, diameter D and thickness E. It consists of a solid medium such as a crystal, a glass, or a ceramic, which is doped with ions, for example Nd, Yb, Ti, Cr, Pr, Er, Tm ions, which constitute the laser medium. Preferably, this crystal 2 consists of sapphire doped with titanium ions.
  • the two flat faces 21 and 22 of this crystal 2 are intended to allow the input and the output of the incident pulse to be amplified in the crystal 2.
  • This crystal 2 has large dimensions, in order to be able to amplify very strongly an impulse incident to amplify, when pumped by a suitable device known to those skilled in the art.
  • this incident pulse passes through an area of the crystal 2, hereinafter referred to as the "amplification zone", which advantageously represents almost all the volume of this crystal, from the flat face 21 to the plane face 22.
  • the pulse does not however come into contact with the peripheral side wall 23 of the crystal which is outside the amplification zone, and is therefore not caused to be reflected on this wall.
  • this parasitic photon in case of spontaneous emission of a parasitic photon by an excited ion of the crystal 2, this parasitic photon, and possibly the luminous pulse parasite caused by the optical amplification of this parasitic photon can leave the amplification zone and arrive on this peripheral side wall 23, after passing through part of the crystal 2.
  • the side wall 23 has a conformation enabling certain parasitic pulses, which come into contact with the side wall 23 at random positions of this wall and with random incidence angles, to undergo several successive reflections on a same zone, or the same portion, of the side wall 23, before being reflected towards the amplification zone.
  • a significant part (greater than 10%, and preferably greater than 50%) of these parasitic pulses thus undergo at least two successive reflections before being reflected towards the amplification zone.
  • the peripheral wall being designed to offer only a slight reflection, for example by being bathed in a liquid of index close to the index of the crystal and containing a light absorbing material (for example a colored powder suspended in the liquid index), the parasitic pulse loses during a reflection on the peripheral side wall 23 most of its power (of the order of 99%), which comes out of the crystal.
  • a light absorbing material for example a colored powder suspended in the liquid index
  • the lateral wall 23 has, in the embodiment shown, a plurality of peripheral grooves 231. For the sake of clarity , only eight of these grooves are shown in Figure 2, on the twenty-seven grooves shown on the peripheral side wall 23 of the crystal 2. Furthermore, the side wall 23 is shaped to fit in the truncated cone .
  • Figure 3 shows in detail a portion of the peripheral side wall 23 of the crystal 2, in which grooves 231 are formed. Each of these grooves preferably has two substantially parallel lateral edges and a rounded bottom. This form of groove is indeed particularly easy to machine during manufacture by turning the crystal 2.
  • a first parasitic pulse 31 is first reflected on a lateral edge of one of the grooves 231. During this reflection, most of the power of this pulse (represented by an arrow) comes out of the crystal 2, alone a small part of this power is reflected. The reflected part of the pulse then undergoes, successively, a reflection on a lateral edge of another groove
  • a second parasitic pulse 32 which has an angle of incidence substantially perpendicular to the axis of the crystal 2, is reflected on a portion of the peripheral side wall 23 located between two grooves 231.
  • the portion of the wall Peripheral peripheral located between two grooves has a frustoconical shape, or any other non-cylindrical shape, so as not to be perpendicular to the axis of revolution 20 of the crystal.
  • this wall portion advantageously has an orientation that allows the reflected portion of the pulse is not perpendicular to the axis 20 of the crystal 2, and then undergoes reflection on a side edge of a groove 231. When each reflection, most of the power of this pulse comes out of the crystal 2, only a small part of this power is reflected.
  • the power of the incident pulse 320 which has successively undergone two reflections, and which is reflected towards the amplification zone of the crystal, is therefore very small compared to the power of the pulse 32.
  • the third and fourth pulses 33 and 34 which are shown in FIG. 3, are special cases in which, because of its angle of incidence and the position of its contact with the peripheral side wall 23, the pulse does not undergo than a reflection. During this reflection, most of the power of this pulse comes out of the crystal 2, only a small part of this power being reflected. The loss of power of the parasitic pulse reflected towards the amplification zone of the crystal, with respect to the incident parasitic pulse is therefore of the same order as in the crystal 1 of the prior art, represented in FIG.
  • the shape of the peripheral side wall 23, and in particular the shape, the dimensions and the positions of the grooves 231, is chosen such that the greater part of the parasitic pulses, which have an angle of incidence. random and which reach the peripheral side wall 23 at a random position, undergo at least two successive reflections.
  • the depth h of the grooves, their width e, their spacing d and the angle ⁇ of conical truncates in which the surface of the peripheral wall 23 is embedded may in particular be chosen so that the configuration shown for the third pulse 33 can not occur, and that a spurious pulse reflecting on a peripheral sidewall portion between two grooves necessarily undergoes at least a second reflection on one of the lateral edges of a groove before heading towards the amplification zone of the crystal.
  • a parasitic pulse reflecting on the peripheral side wall 23 undergoes, on average, more than one reflection, and preferably several successive reflections on the same portion of the peripheral wall 23, before its reflected portion is returned to the amplification zone of the crystal 2 and passes a great distance from it to another portion of the wall 23. Because of these multiple reflections, a very large part of the power of the parasitic pulse comes out of the crystal, and only a part, on average, very weak, is reflected in the crystal. Even in the case of a crystal of very large size, the gain of a parasitic pulse crossing the crystal is consequently lower than the power losses of this pulse during its reflections on an area of the peripheral side wall 23.
  • this crystal 2 When the peripheral side wall, or a part thereof, is bathed by a liquid index, this crystal 2 thus offers a very great improvement on the removal of transverse parasitic lasing.
  • This noticeable improvement makes it possible to bathe the peripheral lateral wall with a liquid of index less similar to that of the crystal than in the prior art, while keeping better results for the suppression of the transverse parasitic lasing.
  • the peripheral side wall may not be bathed by a liquid index. It can for example be frosted, as in the solutions of the prior art, which increases the share of the incident parasitic pulse which is diffused by the wall, and therefore reduces the portion of this pulse which is reflected by this wall.
  • This wall, or part of the wall can also be covered by a polymer index.
  • the peripheral grooves are filled with index polymer mixed with a light absorbing product.
  • the portion of the peripheral side wall that is located between two successive grooves may for example be used to implement a crystal cooling system.
  • the crystal may have a different shape, and one or more of its lateral faces, located outside the amplification zone intended to amplify an incident laser pulse, may have different shapes. grooves, or shapes allowing at least some of the parasitic incident pulses coming out of the amplification zone and coming into contact with this side wall to undergo several successive reflections, by crossing a small crystal distance between two successive reflections, before crossing again the amplification zone of the crystal.
  • the embodiment presented above, in which the crystal has a shape of revolution and the grooves are cut on the periphery, is however particularly easy to implement.
  • the manufacture of a high power pulse laser amplification crystal usually involves turning steps, and it is very easy, during these turning steps, to initiate a sawing on the perimeter of the crystal, for form a groove.
  • the crystal according to the invention can therefore be manufactured very easily, and with a minimal additional cost compared to the crystals of the prior art, with a machining process in which several grooves are formed during the turning.

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Abstract

L'invention concerne un amplificateur optique solide, pouvant être pompé pour permettre l'amplification optique d'une impulsion lumineuse incidente à amplifier, comprenant au moins une zone d'amplification, prévue pour être traversée par ladite impulsion lumineuse incidente à amplifier, et au moins une paroi latérale, en dehors de ladite zone d'amplification. Selon l'invention, ladite paroi latérale présente une forme adaptée pour qu'une impulsion lumineuse parasite, circulant dans ledit amplificateur dans une direction aléatoire et entrant en contact avec ladite paroi latérale, subisse en moyenne plus d'une réflexion sur ladite paroi latérale avant d'être réfléchie vers ladite zone d'amplification.

Description

Amplificateur optique solide d'un laser à impulsions de grande puissance
L Domaine de l'invention
La présente invention concerne l'amplificateur optique d'un laser. En particulier, la présente invention concerne un milieu amplificateur solide, ou cristallin, d'un laser, permettant d'amplifier la lumière par émission stimulée de photons.
L'invention s'applique en particulier aux milieux amplificateurs solides permettant la mise en œuvre de lasers à impulsions de forte puissance.
2. Art antérieur
Principe de l'amplification laser
Une source laser, encore appelée laser, (acronyme de l'anglais « light amplification by stimulated émission of radiation », signifiant « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») est un dispositif qui comprend notamment un amplificateur optique basé sur l'effet laser.
Cet amplificateur optique est un milieu dans lequel des atomes, des ions ou des molécules peuvent prendre au moins deux états d'énergie : un état d'énergie fondamental et un état d'énergie excité. Ces atomes, ions ou molécules peuvent passer de leur état fondamental à leur état excité lorsqu'ils sont éclairés par un rayonnement électromagnétique (lumière) d'une fréquence adaptée, en prélevant l'énergie correspondante sur ce rayonnement. Un pompage de l'amplificateur optique, consistant par exemple en un éclairage de cet amplificateur par une lumière d'une longueur d'onde adaptée (pompage optique), permet de faire passer dans leur état excité une grande partie des atomes, ions ou molécules participant à l'amplification optique.
S'ils reçoivent un photon, appelé « photon incident », d'un rayonnement électromagnétique incident, les atomes, ions ou molécules qui sont dans leur état excité se désexcitent, en repassant dans leur état fondamental. Ils émettent alors un photon de même longueur d'onde et de même phase que le photon incident. Ce photon émis vient s'ajouter au photon incident, ce qui crée une amplification du rayonnement électromagnétique incident. Ce phénomène, appelé « émission stimulée de rayonnement», est à la base de l'amplification optique laser.
Les atomes, ions ou molécules qui sont dans leur état excité peuvent également se désexciter spontanément, en repassant dans leur état fondamental. Ils émettent alors un photon dans une phase aléatoire et dans une direction aléatoire. Ce phénomène, appelé « émission spontanée de rayonnement», entraine l'émission de photons qui traversent le milieu amplificateur en générant une fluorescence de ce milieu amplificateur.
Pompage d'un milieu d'amplification
La production d'une impulsion laser de grande puissance nécessite qu'une impulsion laser incidente traverse un milieu amplificateur qui est le plus souvent un milieu amplificateur solide, ou cristallin, constitué par un cristal, un verre ou une céramique dopé par des ions, c'est à dire incluant des ions susceptibles de prendre un état fondamental et un état excité. Pour augmenter fortement la puissance de l'impulsion laser, des verres ou des cristaux de grande taille peuvent être utilisés. Ce milieu amplificateur solide est appelé « cristal » dans la suite de la description.
Préalablement à l'émission dans le cristal de l'impulsion incidente à amplifier, le cristal subit un pompage, c'est à dire que les ions reçoivent une énergie, généralement sous forme de lumière d'une longueur d'onde adaptée, permettant à une grande partie d'entre eux de passer dans leur état excité. Les ions restent en général dans leur état excité pendant quelques nanosecondes à quelques microsecondes.
L'impulsion incidente à amplifier est ensuite envoyée dans le cristal, de préférence au moment où un maximum d'ions sont dans un état excité. Les photons de cette impulsion, arrivant sur un ion placé dans un état excité, entraine l'émission par cet ion d'un photon de même longueur d'onde, dans la même direction. L'impulsion d'origine est donc amplifiée par ce nouveau photon. Pour bénéficier au maximum de l'amplification dans le cristal, l'impulsion parcours avantageusement une portion du cristal, appelée par la suite « zone d'amplification », qui représente avantageusement la quasi-totalité de ce cristal.
Conséquence d'une émission spontanée
Avant que l'impulsion incidente traverse le cristal pour être amplifiée, chacun des ions dans l'état excité peut spontanément passer de l'état excité à l'état stable, par l'émission spontanée d'un photon, appelé par la suite « photon parasite ». Ce photon parasite étant émis dans une direction aléatoire, il peut sortir du cristal par l'une de ses parois, en générant une fluorescence.
Ce photon parasite peut également, s'il rencontre un ion dans son état excité, provoquer l'émission forcée par cet ion d'un photon de même longueur d'onde dans la même direction. Une impulsion parasite comprenant plusieurs photons se forme alors, qui peut s'amplifier progressivement en traversant le cristal. Cette amplification de l'impulsion parasite est plus importante dans les cristaux de grande taille, dans lesquels l'impulsion peut parcourir un trajet plus important dans le cristal excité avant d'atteindre une paroi du cristal.
Cette impulsion parasite circulant dans une direction aléatoire, elle peut sortir de la zone d'amplification du cristal et arriver sur une paroi latérale du cristal, qui n'est pas prévue pour être atteinte par l'impulsion laser à amplifier. Au niveau de cette paroi latérale, la plus grande partie de cette impulsion (de l'ordre de 99%) sort du matériau laser. Cependant, une faible partie (de l'ordre de 1%) peut être réfléchie dans le matériau laser. En effet, la paroi latérale, bien que normalement conçue pour ne pas réfléchir la lumière, peut pourtant présenter une faible réflexion, liée notamment à l'angle d'incidence de l'impulsion parasite.
Quand le cristal laser présente des dimensions inférieures à une dimension critique, la part réfléchie de cette impulsion parasite, qui est amenée à traverser de nouveau la zone d'amplification du cristal, présente une intensité très faible. Elle n'entraine du coup le passage à l'état fondamental que d'un nombre limité des ions excités. Cette impulsion parasite n'a donc que peu d'incidence sur l'état d'excitation du cristal, et sa capacité à amplifier l'impulsion incidente à amplifier, dans la mesure ou une grande majorité des ions restent dans un état excité. Lasage parasite transverse
Dans les cristaux laser de très grandes dimensions, tel que le cristal 1 cylindrique représenté schématiquement par la figure 1 en vue de coupe passant par son axe, un photon 101 émis spontanément par un ion 100 traverse une distance relativement importante de la zone d'amplification du cristal 1 , éventuellement en se réfléchissant sur une surface 11 ou 12 prévue pour permettre à l'impulsion incidente à amplifier de traverser le cristal, et sur laquelle l'impulsion parasite peut se réfléchir totalement (réflexion totale interne), avant de sortir de la zone d'amplification du cristal pour rencontrer la paroi latérale périphérique 13, qui n'est pas prévue pour être atteinte par l'impulsion à amplifier.
Lors de ce trajet, une impulsion parasite 102 de puissance relativement importante se forme, dont la plus grande partie 103 sort du cristal 1 au niveau de la face latérale 12 de celui-ci. Cependant, la part 104 de cette impulsion parasite qui est réfléchie dans la zone d'amplification du cristal, qui présente une puissance de l'ordre de 1% de l'impulsion parasite incidente 102, peut présenter une puissance significative. Cette impulsion parasite réfléchie 103 traverse de nouveau la zone d'amplification du cristal 1 , dans laquelle elle est de nouveau amplifiée au contact d'ions excités, avant de sortir de nouveau de la zone d'amplification du cristal pour rencontrer de nouveau la face latérale 13 au niveau de laquelle une part 106 de l'impulsion sort du cristal 1 et une part 107 est réfléchie.
Si le cristal 1 possède des dimensions supérieures à une dimension critique, le gain G de l'impulsion parasite entre les deux faces latérales 12 et 13, qui s'exprime sous la forme G = eaL, (avec a, paramètre dépendant du matériau utilisé et L longueur du parcours de l'impulsion dans le cristal, entre deux faces latérales 12 et 13) est supérieur à la perte d'énergie des impulsions parasites réfléchies 104 et 107 par une paroi latérale, par rapport à l'impulsion parasite incidente respectivement 102 et 106. L'impulsion parasite présente alors une puissance augmentant au cours de chacune de ses traversées du cristal 1 et fait passer, pour son amplification, la plus grande partie des ions excités dans leur état fondamental.
Ce phénomène, appelé « lasage parasite transverse », empêche l'amplification ultérieure dans le cristal de l'impulsion incidente à amplifier, par déplétion des niveaux excités.
Solutions d'optimisation connues
Pour pouvoir utiliser des cristaux de plus grande dimension, permettant une amplification optique d'une impulsion incidente, sans que ce lasage parasite transverse se produise, on a cherché à minimiser le coefficient de réflexion de l'impulsion parasite sur les faces latérales du cristal.
Une première solution proposée a consisté à dépolir ces faces latérales, pour que la réflexion se face de façon diffuse, dans des directions aléatoires, plutôt que sous la forme d'une impulsion réfléchie unique. Cette adaptation a permis d'augmenter légèrement la taille des cristaux sans que se produise ce lasage parasite transverse.
D'autres solutions proposées ont visé à augmenter le coefficient de transmission de l'impulsion parasite hors du cristal laser, au niveau des faces latérales.
Il a pour cela été proposé de mettre en contact avec les faces latérales du cristal un liquide d'indice, présentant un indice le plus proche possible de celui du cristal, et dans lequel est introduit un matériau absorbant permettant d'absorber la partie de l'impulsion parasite transmise. Cette solution a permis de diminuer la réflexion au niveau des faces latérales, et donc d'augmenter de façon sensible la taille des cristaux laser sans que se produise un lasage parasite transverse. Elle présente cependant des limites.
D'une part, en effet, l'adaptation d'indice ne peut pas être parfaite. Le cristal est en effet anisotrope, et ne possède pas un indice unique. Il est donc impossible qu'un liquide d'indice isotrope présente un indice exactement identique à celui du cristal. Par ailleurs, l'indice du liquide d'indice varie avec la température et la pression. La température de ce liquide étant susceptible d'augmenter lorsqu'il absorbe les impulsions parasites, l'indice du liquide évolue. Il reste donc, entre le cristal et le liquide d'indice, une légère différence d'indice entraînant une réflexion partielle de l'impulsion parasite incidente.
Par ailleurs, les liquides d'indice qui peuvent présenter un indice très proche de ceux des cristaux sont le plus souvent des liquides toxiques, volatils, et peu stables sur de longues durées. Leur utilisation est donc malaisée.
Il a également été proposé, comme alternative à l'utilisation de liquides d'indice, l'utilisation d'un polymère d'indice comprenant des particules absorbant la lumière, formant une couche externe autour des faces latérales du cristal. Cette solution, qui est décrite dans l'article « Suppression of parasitic lasing in large- aperture Ti:sapphire laser amplifiers » de F. G. Patterson, J. Bonlie, D. Price, et B. White (Lawrence Livermore National Laboratory, California) (OPTICS LETTERS Vol. 24, No. 14. 15 juillet 1999), permet également d'augmenter la taille des cristaux laser en évitant le lasage parasite transverse.
Elle présente cependant, comme les solutions utilisant des liquides d'indice, des limites liées à l'impossibilité d'adapter parfaitement l'indice du polymère à celui du cristal. Par ailleurs, l'absorption dans le polymère des impulsions parasites peut entraîner, dans certain cas, des élévations locales de température susceptibles d'entraîner un décollement entre le polymère et le cristal.
II existe donc un besoin de nouvelles solutions techniques pour éviter le lasage parasite transverse, pouvant être mises en œuvre en remplacement des solutions connues ou en combinaison avec celles-ci, afin de permettre l'utilisation efficace de cristaux d'amplification optique de plus grande dimension pour l'amplification d'impulsions laser plus énergétiques.
3, Objectifs de l'invention
La présente invention a pour objectif de palier ces inconvénients de l'art antérieur.
En particulier, la présente invention a pour objectif de fournir des solutions techniques permettant d'éviter le lasage parasite transverse dans un cristal d'amplification optique, pouvant être mises en œuvre en remplacement des solutions connues ou en combinaison avec celles-ci, afin de permettre l'utilisation efficace de cristaux d'amplification optique de plus grande dimension pour l'amplification d'impulsions laser.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle solution qui puisse être mise en œuvre particulièrement facilement, et pour des coûts très réduits.
Encore un autre objectif de l'invention est de proposer un cristal d'amplification optique de grande dimension permettant l'amplification d'impulsions laser, avec un risque réduit que se produise un phénomène de lasage parasite transverse.
4 . Exposé de l'invention
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront plus clairement par la suite sont atteints à l'aide d'un amplificateur optique solide, pouvant être pompé pour permettre l'amplification optique d'une impulsion lumineuse incidente à amplifier, comprenant au moins une zone d'amplification, prévue pour être traversée par ladite impulsion lumineuse incidente à amplifier, et au moins une paroi latérale, en dehors de ladite zone d'amplification, dans lequel, selon l'invention ladite paroi latérale présente une forme adaptée pour qu'une impulsion lumineuse parasite, circulant dans ledit amplificateur dans une direction aléatoire et entrant en contact avec ladite paroi latérale, subisse en moyenne plus d'une réflexion sur ladite paroi latérale avant d'être réfléchie vers ladite zone d'amplification.
Ainsi, lorsqu'une impulsion lumineuse parasite entre en contact avec la paroi latérale, elle peut subir plusieurs réflexions successives avant d'être réfléchie vers la zone d'amplification du cristal. Lors de chacune des réflexions, la plus grande part de sa puissance est transmise hors du matériau amplificateur, ou cristal. La puissance de l'impulsion réfléchie vers la zone d'amplification du cristal après plusieurs réflexions successives est donc inférieure à la puissance d'une impulsion qui n'aurait subit qu'une réflexion. La forme de la paroi latérale de l'amplificateur optique solide, ou cristal, selon l'invention, permet donc que la puissance moyenne des impulsions lumineuses parasites qui sont renvoyées par cette paroi latérale vers la zone d'amplification du cristal soit plus faible que dans l'art antérieur. Le risque de lasage parasite transverse est donc diminué, ce qui permet de réaliser des amplificateurs optiques solides de plus grande dimension.
Avantageusement, ladite paroi latérale présente une forme adaptée pour qu'au moins 10% des impulsions lumineuses parasites, circulant dans ledit amplificateur dans une direction aléatoire et entrant en contact avec ladite paroi latérale, subisse au moins deux réflexions successives sur ladite paroi latérale avant d'être réfléchie vers ladite zone d'amplification.
Une part significative des impulsions parasites peut ainsi subir plusieurs réflexions successives, et ainsi voir une très large part de sa puissance sortir de l'amplificateur sans être réfléchie vers la zone d'amplification. Il est bien sûr préférable que cette part soit la plus importante possible, afin de réduire significativement le risque de lasage parasite transverse. Il est notamment particulièrement avantageux que ladite paroi latérale présente une forme adaptée pour qu'au moins 50% des impulsions lumineuses parasites, circulant dans ledit amplificateur dans une direction aléatoire et entrant en contact avec ladite paroi latérale, subisse au moins deux réflexions successives sur ladite paroi latérale avant d'être réfléchie vers ladite zone d'amplification.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'amplificateur optique présente une forme de révolution, ladite paroi latérale constituant une paroi périphérique de l'amplificateur optique.
Un amplificateur optique présentant une telle forme est particulièrement adapté pour l'amplification d'une impulsion laser.
Dans ce cas, avantageusement, certaines portions de ladite paroi latérale s'inscrivent dans une forme tronconique.
La forme tronconique de certaines portions de la paroi latérale, qui peut également, selon d'autres modes de réalisation, être remplacées par d'autres formes non cylindriques, permet d'éviter que des portions de parois quasi- parallèles se fassent face et forment une cavité laser favorisant l'apparition de lasage parasite transverse. Il est ainsi possible de réduire encore le risque d'apparition d'un tel lasage parasite transverse.
Préférentiellement, ladite paroi latérale d'un amplificateur optique selon l'invention comprend au moins deux rainures.
Des rainures formées dans cette paroi latérale permettent en effet que des impulsions lumineuses incidentes arrivant sur la paroi latérale subissent plusieurs réflexions successives, sur les bords des rainures et entre les rainures.
Il est à noter que, dans d'autres modes de réalisation possibles de l'invention, d'autres formes peuvent également être données à la paroi latérale, permettant que les impulsions lumineuses incidentes arrivant sur la paroi latérale subissent plusieurs réflexions successives. La formation de rainures est cependant particulièrement avantageuse, car elle est très facile à mettre en œuvre et permet de multiplier très efficacement les réflexions que subissent les impulsions incidentes parasites.
De préférence, ladite paroi latérale comprend une succession de rainures successives sensiblement parallèles, de façon à présenter une forme en créneaux.
Cette forme en créneaux est particulièrement facile à réaliser industriellement. Selon l'écartement et la profondeur des rainures, elle permet avantageusement que certaines des impulsions lumineuses incidentes arrivant sur la paroi latérale subissent un grand nombre de réflexions successives, sur les parois latérales de deux rainures successives. Ces réflexions multiples permettent d'augmenter fortement part de la puissance de l'impulsion qui sort de l'amplificateur sans être réfléchie vers la zone d'amplification. La part de cette impulsion qui est finalement réfléchie vers la zone d'amplification est ainsi négligeable, ou nulle.
Avantageusement, quand l'amplificateur optique présente une forme de révolution, lesdites rainures sont constituées par des découpes périmé triques dudit amplificateur optique, dans un plan perpendiculaire à son axe de révolution.
De telles découpes peuvent être réalisées très facilement, par exemple par tournage. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'amplificateur optique selon l'invention est constitué par un cristal de saphir dopé par des ions Titane.
Un tel cristal est couramment utilisé pour l'amplification d'impulsions laser de forte puissance.
L'invention concerne également un dispositif d'amplification optique, comprenant un amplificateur optique tel que décrit ci-dessus, dont au moins une partie de ladite paroi latérale est en contact avec un milieu d'indice optique proche de l'indice optique dudit amplificateur optique.
Ainsi, la part des impulsions lumineuses incidentes qui est réfléchie sur la paroi latérale est minimisée. Un tel milieu peut notamment être placé dans des rainures de la paroi latérale.
Selon un mode de réalisation préférentiel, ledit milieu d'indice optique proche de l'indice optique dudit amplificateur optique est un liquide d'indice.
Selon un autre mode de réalisation possible, ledit milieu d'indice optique proche de l'indice optique dudit amplificateur optique est un polymère d'indice.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un amplificateur optique solide, comprenant une étape d'usinage d'un cristal destiné à former ledit amplificateur, permettant de former au moins une rainure sur une paroi latérale dudit cristal.
Ce procédé permet de créer très facilement une paroi latérale apte à imposer plusieurs réflexions successives à une impulsion parasite incidente.
De préférence, ladite étape d'usinage est une étape de tournage permettant de former au moins une rainure sur une paroi périphérique dudit cristal, pour former un amplificateur optique présentant une forme de révolution.
Ce procédé est en effet particulièrement facile à mettre en œuvre.
5. Liste des figures
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés, donnés à titre illustratif et non limitatif, et accompagnée de figures, parmi lesquelles : - la figure 1 , qui a été décrite ci-dessus, est une vue de coupe schématique d'un cristal d'amplification optique selon l'art antérieur ;
- la figure 2 est une vue de coupe schématique d'un cristal d'amplification optique selon un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 3 est un détail de la vue de coupe de la figure 2, représentant une face latérale du cristal d'amplification optique.
6. Description d'un mode de réalisation de l'invention
La figure 2 représente une vue de coupe schématique d'un amplificateur optique solide, appelé par la suite cristal d'amplification optique, selon un mode de réalisation de l'invention.
Ce cristal 2 présente une forme de révolution s 'inscrivant dans un tronc de cylindre de révolution, d'axe 20, de diamètre D et d'épaisseur E. Il est constitué d'un milieu solide comme un cristal, un verre, ou une céramique, qui est dopé par des ions, par exemple des ions Nd, Yb, Ti, Cr, Pr, Er, Tm, qui constituent le milieu laser. De préférence, ce cristal 2 est constitué de saphir dopé par des ions de titane.
Les deux faces planes 21 et 22 de ce cristal 2 sont destinées à permettre l'entrée et la sortie de l'impulsion incidente à amplifier dans le cristal 2. Ce cristal 2 présente des grandes dimensions, pour pouvoir amplifier très fortement une impulsion incidente à amplifier, quand il est pompé par un dispositif approprié connu de l'homme du métier. Pour être amplifiée, cette impulsion incidente traverse une zone du cristal 2 appelée par la suite « zone d'amplification », qui représente avantageusement la quasi-totalité du volume de ce cristal, depuis la face plane 21 vers la face plane 22. Lors de son parcours dans le cristal 2, l'impulsion n'entre cependant pas en contact avec la paroi latérale périphérique 23 du cristal qui est en dehors de la zone d'amplification, et n'est donc pas amenée à se refléter sur cette paroi.
En revanche, en cas d'émission spontanée d'un photon parasite par un ion excité du cristal 2, ce photon parasite, et éventuellement l'impulsion lumineuse parasite causée par l'amplification optique de ce photon parasite peut sortir de la zone d'amplification et arriver sur cette paroi latérale périphérique 23, après avoir traversé une partie du cristal 2.
Selon l'invention, la paroi latérale 23 présente une conformation permettant que certaines des impulsions parasites, qui entrent en contact avec la paroi latérale 23 à des positions aléatoires de cette paroi et avec des angles d'incidence aléatoires, subissent plusieurs réflexions successives sur une même zone, ou une même portion, de la paroi latérale 23, avant d'être réfléchies vers la zone d'amplification. De préférence, une part significative (supérieure à 10%, et de préférence supérieure à 50%) de ces impulsions parasites subissent ainsi au moins deux réflexions successives avant d'être réfléchies vers la zone d'amplification.
La paroi périphérique étant conçue pour n'offrir qu'une faible réflexion, par exemple en étant baignée dans un liquide d'indice proche de l'indice du cristal et contenant un matériau absorbant la lumière (par exemple une poudre colorée en suspension dans le liquide d'indice), l'impulsion parasite perd lors d'une réflexion sur la paroi latérale périphérique 23 la plus grande partie de sa puissance (de l'ordre de 99%), qui sort du cristal. Quand elle subit plusieurs réflexions successives sur une même portion, ou une même zone, de paroi, sans traverser la zone d'amplification du cristal, ce qui pourrait la faire bénéficier de l'amplification optique, elle perd la totalité, ou la quasi-totalité de sa puissance, et disparaît pratiquement du cristal 2.
Pour que la plus grande partie des impulsions parasites subissent plusieurs réflexions successives de façon localisée dans la même zone de la paroi latérale, la paroi latérale 23 présente, dans le mode de réalisation représenté, une pluralité de rainures périphériques 231. Pour des raisons de clarté, seules huit de ces rainures sont représentées sur la figure 2, sur les vingt-sept rainures représentées sur la paroi latérale périphérique 23 du cristal 2. Par ailleurs, la paroi latérale 23 est conformée de façon à s'inscrire dans des troncs de cône. La figure 3 représente en détail une portion de la paroi latérale périphérique 23 du cristal 2, dans laquelle sont ménagées des rainures 231. Chacune de ces rainures présente de préférence deux bords latéraux sensiblement parallèles et un fond arrondi. Cette forme de rainure est en effet particulièrement facile à usiner, lors de la fabrication par tournage du cristal 2.
Lorsqu'une impulsion lumineuse parasite vient au contact de la paroi latérale périphérique 23, son trajet dépend de son angle d'incidence et de la position de son contact avec la paroi latérale périphérique 23. A titre d'exemple, quatre exemples d'impulsions lumineuses parasites sont représentés sur la figure 3.
Une première impulsion parasite 31 vient d'abord se réfléchir sur un bord latéral de l'une des rainures 231. Lors de cette réflexion, la plus grande partie de la puissance de cette impulsion (représentée par une flèche) sort du cristal 2, seule une faible part de cette puissance se réfléchissant. La part réfléchie de l'impulsion subit ensuite, successivement, une réflexion sur un bord latéral d'une autre rainure
231 , une réflexion sur une partie de la paroi latérale périphérique 23 située entre deux rainures 231 , et trois nouvelles réflexions sur des bords latéraux de rainures 231. Chaque réflexion entraînant la sortie du cristal 2 de la plus grande partie de la puissance de l'impulsion incidente, la puissance de l'impulsion incidente 310 qui a subi successivement cinq réflexions est négligeable, voire nulle.
Une seconde impulsion parasite 32, qui présente un angle d'incidence pratiquement perpendiculaire à l'axe du cristal 2, vient se réfléchir sur une partie de la paroi latérale périphérique 23 située entre deux rainures 231. De façon avantageuse, la portion de la paroi latérale périphérique située entre deux rainures présente une forme tronconique, ou toute autre forme non cylindrique, de façon à ne pas être perpendiculaire à l'axe de révolution 20 du cristal. Ainsi, cette portion de paroi présente avantageusement une orientation qui permet que la part réfléchie de l'impulsion ne soit pas perpendiculaire à l'axe 20 du cristal 2, et subisse ensuite une réflexion sur un bord latéral d'une rainure 231. Lors de chaque réflexion, la plus grande partie de la puissance de cette impulsion sort du cristal 2, seule une faible part de cette puissance se réfléchissant. La puissance de l'impulsion incidente 320 qui a subi successivement deux réflexions, et qui est réfléchie vers la zone d'amplification du cristal, est donc très faible par rapport à la puissance de l'impulsion 32.
Les troisième et quatrième impulsions 33 et 34, qui sont représentées sur la figures 3, sont des cas particuliers dans lesquels, du fait de son angle d'incidence et de la position de son contact avec la paroi latérale périphérique 23 l'impulsion ne subit qu'une réflexion. Lors de cette réflexion, la plus grande partie de la puissance de cette impulsion sort du cristal 2, seule une faible part de cette puissance se réfléchissant. La perte de puissance de l'impulsion parasite réfléchie vers la zone d'amplification du cristal, par rapport à l'impulsion parasite incidente est donc du même ordre que dans le cristal 1 de l'art antérieur, représenté à la figure 1.
Il est à noter cependant que la forme de la paroi latérale périphérique 23, et notamment la forme, les dimensions et les positions des rainures 231 , est choisie de telle sorte que la plus grande partie des impulsions parasites, qui présentent un angle d'incidence aléatoire et qui parviennent sur la paroi latérale périphérique 23 à une position aléatoire, subisse au moins deux réflexions successives. Ainsi, la profondeur h des rainures, leur largeur e, leur espacement d et l'angle a des troncs de cône dans lesquels s'inscrit la surface de la paroi périphérique 23, peuvent notamment être choisis de telle sorte que la configuration représentée pour la troisième impulsion 33 ne puisse pas se produire, et qu'une impulsion parasite se reflétant sur une partie de paroi latérale périphérique située entre deux rainures subisse nécessairement au moins une seconde réflexion sur l'un des bords latéraux d'une rainures avant de se diriger vers la zone d'amplification du cristal.
Ainsi, une impulsion parasite venant se refléter sur la paroi latérale périphérique 23 subit, en moyenne, plus d'une réflexion, et de préférence plusieurs réflexions successives sur la même portion de la paroi périphérique 23, avant que sa part réfléchie soit renvoyée vers la zone d'amplification du cristal 2 et traverse une grande distance de celui-ci vers une autre portion de la paroi périphérique 23. Du fait de ces réflexions multiples, une part très importante de la puissance de l'impulsion parasite sort du cristal, et seule une part, en moyenne, très faible, est réfléchie dans le cristal. Même dans le cas d'un cristal de très grande taille le gain d'une impulsion parasite traversant le cristal est en conséquence inférieur aux pertes de puissance de cette impulsion lors de ses réflexions sur une zone de la paroi latérale périphérique 23.
A titre d'exemple, le cristal 2 de la figure 2 présente une épaisseur E = 30mm, un diamètre maximal D > 100mm, sa paroi latérale périphérique est usinée de façon à former deux troncs de cônes présentant un angle a = 5° avec l'axe 20 de révolution. Cette paroi latérale périphérique est gravée de rainures périphériques disposées à une distance d = 1 ,5 mm les unes des autres, et présentant une largeur de e = 0,5 mm et une profondeur, par rapport à la surface du cylindre dans lequel s'inscrit le cristal, de h = 10 mm.
Quand la paroi latérale périphérique, ou une partie de celle-ci, est baignée par un liquide d'indice, ce cristal 2 offre donc une très grande amélioration sur la suppression du lasage parasite transverse. Cette amélioration notable permet de baigner la paroi latérale périphérique avec un liquide d'indice moins semblable à celui du cristal que dans l'art antérieur, tout en gardant de meilleurs résultats pour la suppression du lasage parasite transverse. Ainsi, il est par exemple possible d'utiliser, avec un cristal d'indice 1 ,76, un liquide d'indice n=l ,65, qui est moins agressif, moins toxique et plus stable que les liquides d'indice n = 1 ,737 qui étaient utilisés dans l'art antérieur, tout en réduisant drastiquement le risque d'apparition de lasage parasite transverse.
Il est à noter que, selon des variantes possibles de l'invention, la paroi latérale périphérique peut ne pas être baignée par un liquide d'indice. Elle peut par exemple être dépolie, comme dans les solutions de l'art antérieur, ce qui augmente la part de l'impulsion parasite incidente qui est diffusée par la paroi, et donc diminue la part de cette impulsion qui est réfléchie par cette paroi. Cette paroi, ou une partie de la paroi, peut également être couverte par un polymère d'indice. Il est par exemple possible que les rainures périphériques soient remplies par du polymère d'indice mélangé à un produit absorbant la lumière. Dans ce cas, la portion de la paroi latérale périphérique qui est située entre deux rainures successives peut par exemple être utilisée pour mettre en œuvre un système de refroidissement du cristal.
Selon d'autres modes de réalisation possibles de l'invention, le cristal peut présenter une forme différente, et une ou plusieurs de ses faces latérales, situées en dehors de la zone d'amplification prévue pour amplifier une impulsion laser incidente, peuvent présenter des rainures, ou des formes permettant qu'au moins certaines des impulsions incidentes parasite sortant de la zone d'amplification et venant au contact de cette paroi latérale subissent plusieurs réflexions successives, en ne traversant qu'une distance faible de cristal entre deux réflexions successives, avant de traverser de nouveau la zone d'amplification du cristal.
Le mode de réalisation présenté ci-dessus, dans lequel le cristal présente une forme de révolution et les rainures sont découpées sur la périphérie, est cependant particulièrement facile à mettre en œuvre. La fabrication d'un cristal d'amplification de laser à impulsion de forte puissance implique en effet usuellement des étapes de tournage, et il est très facile, lors de ces étapes de tournage, d'amorcer un sciage sur le périmètre du cristal, pour former une rainure.
Le cristal selon l'invention peut donc être fabriqué très facilement, et avec un surcoût minime par rapport aux cristaux de l'art antérieur, avec un procédé d'usinage dans lequel plusieurs rainures sont formées lors du tournage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Amplificateur optique solide, pouvant être pompé pour permettre l'amplification optique d'une impulsion lumineuse incidente à amplifier, comprenant au moins une zone d'amplification, prévue pour être traversée par ladite impulsion lumineuse incidente à amplifier, et au moins une paroi latérale, en dehors de ladite zone d'amplification,
caractérisé en ce que ladite paroi latérale comprend au moins deux rainures les bords des rainures étant sensiblement parallèles, la paroi latérale située entre deux rainures formant un angle a avec l'axe de révolution du cristal dont la valeur est non nulle et strictement différente de 90°, pour qu'une impulsion lumineuse parasite, circulant dans ledit amplificateur dans une direction aléatoire et entrant en contact avec ladite paroi latérale, subisse en moyenne plus d'une réflexion sur ladite paroi latérale avant d'être réfléchie vers ladite zone d'amplification.
2. Amplificateur optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite paroi latérale présente une forme adaptée pour qu'au moins 10% des impulsions lumineuses parasites, circulant dans ledit amplificateur dans une direction aléatoire et entrant en contact avec ladite paroi latérale, subisse au moins deux réflexions successives sur ladite paroi latérale avant d'être réfléchie vers ladite zone d'amplification.
3. Amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il présente une forme de révolution, ladite paroi latérale constituant une paroi périphérique de l'amplificateur optique.
4. Amplificateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que certaines portions de ladite paroi latérale s'inscrivent dans une forme tronconique.
5. Amplificateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites rainures sont constituées par des découpes périmétriques dudit amplificateur optique, dans un plan perpendiculaire à son axe de révolution.
6. Amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite paroi latérale comprend une succession de rainures sensiblement parallèles, de façon à présenter une forme en créneaux.
7. Amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est constitué par un cristal de saphir dopé par des ions
Titane.
8. Dispositif d'amplification optique, caractérisé en ce qu'il comprend un amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dont au moins une partie de ladite paroi latérale est en contact avec un milieu d'indice optique proche de l'indice optique dudit amplificateur optique.
9. Dispositif d'amplification optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit milieu d'indice optique proche de l'indice optique dudit amplificateur optique est un liquide d'indice.
10. Dispositif d'amplification optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit milieu d'indice optique proche de l'indice optique dudit amplificateur optique est un polymère d'indice.
11. Procédé de fabrication d'un amplificateur optique solide, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'usinage d'un cristal destiné à former ledit amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, permettant de former au moins deux rainures sur une paroi latérale dudit cristal, les bords des rainures étant sensiblement parallèles, la paroi latérale située entre deux rainures formant un angle a avec l'axe de révolution du cristal dont la valeur est non nulle et strictement différente de 90° .
12. Procédé de fabrication selon la revendication 11 , caractérisé en ce que ladite étape d'usinage est une étape de tournage permettant de former au moins une rainure sur une paroi périphérique dudit cristal, pour former un amplificateur optique présentant une forme de révolution.
PCT/EP2014/050174 2013-01-07 2014-01-07 Amplificateur optique solide d'un laser à impulsions de grande puissance WO2014106668A2 (fr)

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FR3033216B1 (fr) * 2015-02-27 2019-01-25 Ecole Polytechnique Dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses dans un amplificateur optique solide, et dispositif d'amplification optique correspondant.

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3297957A (en) * 1963-04-30 1967-01-10 Walter A Merkl Grooved active medium for laser
WO1991006139A1 (fr) * 1989-10-20 1991-05-02 Australian Electro Optics Pty. Ltd. Systeme de laser en forme de tige conique a couplage par faisceaux de fibres segmentes et a pompage par diodes
US5436759A (en) * 1994-06-14 1995-07-25 The Regents Of The University Of California Cross-talk free, low-noise optical amplifier
US6587488B1 (en) * 2000-11-08 2003-07-01 Maxios Laser Corporation Control of parasitic laser oscillations in solid-state lasers by frustrating total internal reflections

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3297957A (en) * 1963-04-30 1967-01-10 Walter A Merkl Grooved active medium for laser
WO1991006139A1 (fr) * 1989-10-20 1991-05-02 Australian Electro Optics Pty. Ltd. Systeme de laser en forme de tige conique a couplage par faisceaux de fibres segmentes et a pompage par diodes
US5436759A (en) * 1994-06-14 1995-07-25 The Regents Of The University Of California Cross-talk free, low-noise optical amplifier
US6587488B1 (en) * 2000-11-08 2003-07-01 Maxios Laser Corporation Control of parasitic laser oscillations in solid-state lasers by frustrating total internal reflections

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