WO2016134993A1 - Dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses dans un amplificateur optique solide, et dispositif d'amplification optique correspondant - Google Patents

Dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses dans un amplificateur optique solide, et dispositif d'amplification optique correspondant Download PDF

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WO2016134993A1
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crystal
absorption device
modifying
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PCT/EP2016/053083
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Gilles Cheriaux
Gabriel MENNERAT
Antoine FRENEAUX
Fabio GIAMBRUNO
Benoit Wattellier
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Ecole Polytechnique
Commisariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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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.
  • the invention relates to a trans-stray beam absorption device that can equip such optical amplifiers.
  • 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 an active medium in which atoms, ions or molecules can take at least two states of energy: a fundamental state of energy and an excited state of energy.
  • the electrons are mainly localized on the lowest energy levels of the atoms, ions or molecules of this active medium. In other words, the lowest energy levels are the most populated.
  • 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.
  • Pumping the optical amplifier consisting for example of illumination of this amplifier by a light of a suitable wavelength (optical pumping), allows to pass in their excited state a large part of the atoms, ions or molecules involved in the 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. Such an emission is coherent, and the emitted photon is added to the incident photon.
  • 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. Ions typically remain in their excited state for a few nanoseconds to a few milliseconds.
  • 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 pulse advantageously traverses a portion of the crystal, which is referred to below as the "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 beam, or 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 not to reflect light, may yet have a low reflection or backscattering, 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, does not see a large trans verse gain and then has a very high intensity. low. 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.
  • a photon 101 emitted spontaneously by an ion 100 crosses a relatively large distance from the zone of amplification 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 leaving 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 104 crosses again the amplification zone of the crystal 1, in which it is again amplified in contact with excited ions, before exiting the zone again. amplifying the crystal to meet again the side face 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 respectively 102 and 105.
  • the parasitic pulse then has an increasing power during each of its crossings of the crystal 1 and passes, for its amplification, the greater part of the excited ions 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 energy levels.
  • a first solution proposed was to depolish these lateral faces, so that the reflection is done in a diffuse way, 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 index of the liquid of index varies with its temperature and its pressure. The temperature of this liquid is likely to increase when it absorbs spurious impulses, the liquid index 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 crystals are unstable over long periods. It is therefore difficult to ensure a suitable index over a long period.
  • such index liquids are very expensive, especially when it is desired a high precision of their index.
  • the present invention aims to overcome these disadvantages of the prior art.
  • the object of the present invention is to provide technical solutions making it possible to avoid transverse parasitic lasing in an optical amplification crystal, which can be implemented in replacement of the known solutions or in combination with them, in order to allow use efficient optical amplification crystal of larger size for 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 transverse parasitic absorption device in a solid optical amplifier comprising a reservoir for bringing a liquid into contact with a device. surface of said amplifier, and which comprises, according to the invention, means for modifying the physical properties of said liquid, bringing the value of the index of said liquid close to the value of the index of said solid optical amplifier.
  • said means for modifying the physical properties of said liquid comprise means for modifying the temperature of said liquid.
  • said means for modifying the physical properties of said liquid comprise means for heating said liquid.
  • said means for modifying the physical properties of said liquid comprise means for cooling said liquid.
  • said means for modifying the physical properties of said liquid comprise a pipe for driving said liquid from said tank to said temperature modifying means, and for returning said liquid to said tank.
  • These means for modifying the temperature may be constituted by a radiator for heating or cooling the fluid.
  • the absorption device comprises a pump for driving said liquid into said pipe.
  • said means for measuring the index of said liquid are placed on said pipe, so as to measure the index of the liquid flowing in said pipe.
  • said means for modifying the physical properties of said liquid comprise means for modifying the pressure of said liquid.
  • the absorption device further comprises means for measuring an index variation of said liquid.
  • said means for measuring an index variation of said liquid comprise means for comparing the index of said liquid with the index of a material of index identical to that of said solid optical amplifier. It is thus possible to adapt as precisely as possible the index of the solid optical amplifier and the index of the liquid.
  • said means for measuring a variation of the index comprise means for transmitting a light beam through said liquid and through said material, said beam comprising at least two sub-beams passing through different thicknesses of said liquid and said materials, and means for measuring the wavefront of said sub-beams.
  • Such means for measuring a variation of the index allow an easy and very accurate measurement of the index difference between the solid optical amplifier and the liquid.
  • the present invention also relates to an optical amplification device comprising a solid optical amplifier that can be pumped to allow optical amplification of an incident light pulse to be amplified, comprising at least one amplification zone, intended to be traversed by said pulse incident light to be amplified, and at least one side wall, outside said amplification zone, the optical amplification device also comprising a device for absorbing transverse parasitic lasing as described above, said reservoir of which contacting said liquid with said side wall of the solid optical amplifier.
  • Such an optical amplifier is not very subject to transverse parasitic lasing, even if its size and power are important.
  • said amplification zone of this optical amplifier consists of a sapphire crystal doped with titanium ions.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an optical amplification crystal according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of an optical amplification crystal equipped with a transverse parasitic beam absorption device according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 3 represents an index variation measuring cell implemented in the transverse parasitic beam absorption device of FIG. 1.
  • FIG. 2 represents a schematic sectional view of a solid optical amplifier, hereinafter referred to as optical amplification crystal, which is equipped with a transverse parasitic beam absorption device according to one embodiment of the invention.
  • This crystal similar to that of FIG. 1, has a cylindrical shape with a revolution of axis 10. 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, which constitute the laser medium. Preferably, this crystal 1 consists of sapphire doped with titanium ions.
  • the two flat faces 11 and 12 of this crystal 1 are intended to allow the input and the output of the incident pulse to be amplified in the crystal 1.
  • This crystal 1 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. To be amplified, this incident pulse passes through the crystal 1 from the flat face 11 to the flat face 12, without coming into contact with the peripheral side wall 13 of the crystal.
  • this parasitic photon in case of spontaneous emission of a parasitic photon by an excited ion of the crystal 1, this parasitic photon, and possibly the parasitic light beam caused by the optical amplification of this parasitic photon, can leave the amplification zone. and arrive at this peripheral side wall 13, after passing through part of the crystal 1. 6.2. Device for absorbing transverse parasitic beams
  • this crystal 1 is equipped with a transverse parasitic beam absorption device, aiming at reducing as much as possible the proportion of photons, or parasitic beams, which are reflected by the peripheral lateral wall 13 towards the interior of the crystal 1.
  • This transverse parasitic beam absorption device comprises a peripheral reservoir 2, surrounding the peripheral lateral wall 13, making it possible to maintain a liquid 3 in permanent contact with the whole of the peripheral wall 13.
  • This liquid 3 is a liquid of refraction close to the index of the crystal and containing a light-absorbing material which may be, for example, a dye or a colored powder suspended in the index liquid.
  • Such a parasitic beam absorption device makes it possible for the incident interference beams, coming into contact with the peripheral lateral wall 13, to be absorbed by the liquid 3 instead of being reflected by this peripheral lateral wall 13. It is however necessary, to avoid reflection, that the index of the liquid is as close as possible to the index of the crystal.
  • the device for absorbing transverse parasitic beams comprises a circuit for modifying the temperature of the liquid index 3 to regulate over time.
  • This modification circuit comprises a pipe 21 opening on the tank 2.
  • the liquid flows in this pipe 21 under the action of a pump 22, and is conveyed to a radiator 24.
  • the liquid of index moves in a pipe 23 which is in contact with a fluid or hot body, or with a fluid or cold body, so as to heat or cool the fluid passing through the pipe 23.
  • a change in the temperature of the liquid of index leads to a modification of its index.
  • the refractive index which is commonly used, usually has a refractive index of about -7.10-7 ° C.
  • such a circuit for modifying the physical properties of the liquid is for example implemented in case of prior observation, within the crystal 1, of a transverse parasitic lasing signal resulting from the pulses. pumping.
  • a transverse parasitic lasing signal resulting from the pulses. pumping.
  • Such an observation putting for example a measurement of this transverse parasitic lasing signal, and optionally a minimization of the measured value of this signal.
  • the fluid after passing through the radiator, the fluid passes into a measuring cell of a variation of index 25.
  • suitable calculation means make it possible to determine the modifications of the the temperature of the index liquid that are needed to match the index of the liquid to the crystal index 1.
  • This change in temperature can be made by varying the temperature of the fluid in contact with the pipes 23, in the radiator 24, or by varying the flow rate of the pump 22. It is thus possible to vary the temperature of the liquid on a pipe. range of a few degrees Celcius to a few tens of degrees Celsius.
  • the index liquid is initially chosen with an index slightly greater than the index of the crystal, and the change in temperature is a heating of the liquid to reduce its index.
  • the index of the liquid can thus, after modification of its temperature, differ from the crystal index by less than a few 10 -4 .
  • FIG. 3 schematically represents the measurement cell of an index variation 25, which is specially designed to measure the differences (or deviations) of index between the liquid 3 and the crystal 4.
  • This measuring cell of a variation of index forms a pipe portion in which the liquid 3 moves in a direction perpendicular to the plane of the figure.
  • This pipe is delimited by two side walls 250 and 251, by a window 252, for example sapphire or silica, and by a crystal 253 called crystal reference.
  • the reference crystal 253 is made of the same material as the crystal 1, or a material having the same index. It has a flat surface 2531, in contact with the liquid 1, and in which is machined a groove 2532 extending in the direction perpendicular to the plane of the figure. The groove 2532 therefore extends in a direction parallel to the direction of flow of the liquid 3, and therefore does not disturb this flow.
  • the crystal also has a second flat surface 2533 parallel to the surface 2531. The groove 2532 therefore causes a local difference in the thickness of the reference crystal 253.
  • the optical path of the portion of the light beam passing through the groove 2532 is different from the optical path of the portion of the light beam passing through the surface 2531.
  • This different optical path generates a phase shift that can be measured by a wavefront analyzer 254, for example constituted by a lateral shift interferometric type sensor.
  • Suitable calculation means can then determine the difference in index between the liquid 3 and the crystal 253, and calculate the corrections to be made, either on the temperature of the radiator 24, or the flow rate of the pump 22, to correct this index difference.
  • the circuit for modifying the temperature of the index liquid thus makes it possible to control in real time the refractive index of the liquid 3, so that this index is constantly as close as possible to the index of the crystal 1. It is thus possible to use index liquids whose index is defined with a low precision, which are less expensive than index liquids whose index is defined very precisely.
  • the device according to the invention makes it possible to compensate for the stability defects of the index liquids, resulting in the evolution of the index over time.
  • the device makes it possible to adapt the index of the liquid to crystals 1 whose index varies according to the supply.
  • a parasitic pulse loses during a reflection on the peripheral side wall 13 a greater part of its power, which leaves the crystal. Even in the case of a crystal of very large size, the gain of a parasitic pulse crossing the crystal is accordingly lower than the power losses of this pulse during its reflections on an area of the peripheral side wall 13.
  • Such a precise adaptation of the index of the liquid in contact with the peripheral side walls of the crystal may be advantageous for several types of laser crystals.
  • the device for regulating the index of the liquid acts on the temperature of this liquid. According to another embodiment that can be implemented by those skilled in the art, it is also possible, alternatively or additionally, to modify the pressure of the index liquid to modify its index.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'absorption de faisceaux parasites - ASE - transverses dans un amplificateur optique solide (1), comprenant un réservoir (2) permettant de mettre en contact un liquide (3) avec une surface (13) dudit amplificateur (1), comprennant des moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide (3), rapprochant la valeur de l'indice dudit liquide (3) de la valeur de l'indice dudit amplificateur optique solide (1).

Description

Dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses dans un amplificateur optique solide, et dispositif d'amplification optique correspondant 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.
De façon particulière, l'invention concerne un dispositif d'absorption de faisceaux parasites trans verses pouvant équiper de tels amplificateurs optiques.
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 ») es t un dispositif qui comprend notamment un amplificateur optique basé sur l'effet laser.
Cet amplificateur optique est un milieu actif 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.
Lorsque le milieu actif est en équilibre naturel selon la loi de Boltzmann, les électrons sont majoritairement localisés sur les niveaux d'énergie les plus bas des atomes, ions ou molécules de ce milieu actif. En d'autres termes, les niveaux d'énergie les plus bas sont les plus peuplés.
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. Une telle émission est cohérente, et le photon émis vient s'ajouter au photon 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 millisecondes.
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 portio n du cri s tal , app elé e p ar 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. Un faisceau parasite, ou 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 ou une rétrodiffusion, 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, ne voit pas un grand gain trans verse et présente alors 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 10, 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 104 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 105. 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 d'énergie 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 du faisceau parasite trans verse sur les faces latérales du cristal.
Une première solution proposée a consisté à dépolir ces faces latérales, pour que la réflexion se fasse 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 trans erse. Elle présente cependant des limites.
D'une part, en effet, l'adaptation d'indice ne peut pas être parfaite. En effet, l'indice du liquide d'indice varie avec sa température et sa 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 peu stables sur de longues durées. Il est donc difficile d'assurer un indice adapté sur une période longue. Enfin, de tels liquides d'indice sont très onéreux, spécialement quand on souhaite une grande précision de leur indice.
Il 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 dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses dans un amplificateur optique solide, comprenant un réservoir permettant de mettre en contact un liquide avec une surface dudit amplificateur, et qui comprend, selon l'invention, des moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide, rapprochant la valeur de l'indice dudit liquide de la valeur de l'indice dudit amplificateur optique solide.
Il est ainsi possible, en agissant en temps réel sur les propriétés physiques du liquide, d'adapter l'indice du liquide à l'indice de l'amplificateur optique solide avec une plus grande précision que dans l'art antérieur. Une plus grande proportion de la lumière des faisceaux parasites transverses peut ainsi sortir de l'amplificateur optique solide et être évacuée par le liquide, ce qui permet d'éviter que cette lumière cause un phénomène de lasage parasite transverse. L'utilisation d'un dispositif d'absorption selon l'invention permet ainsi d' augmenter la puissance et les dimensions d'un amplificateur optique solide sans être limité par le risque de lasage parasite transverse.
Avantageusement, lesdits moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide comprennent des moyens de modification de la température dudit liquide.
Il est ainsi très facile de modifier l'indice du liquide pour l'adapter à l'indice de l'amplificateur optique solide. Selon un mode de réalisation possible de l'invention, lesdits moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide comprennent des moyens de chauffage dudit liquide.
Selon un autre mode de réalisation possible de l'invention, lesdits moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide comprennent des moyens de refroidissement dudit liquide.
Bien évidemment, il est également possible de combiner des moyens de chauffage et des moyens de refroidissement, pour mieux contrôler l'indice du liquide.
Avantageusement, lesdits moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide comprennent une canalisation permettant de conduire ledit liquide dudit réservoir vers lesdits moyens de modification de la température, et de ramener ledit liquide vers ledit réservoir.
Ces moyens de modification de la température peuvent être constitués par un radiateur, permettant de chauffer ou de refroidir le fluide.
De préférence, le dispositif d'absorption comprend une pompe permettant d'entraîner ledit liquide dans ladite canalisation.
Avantageusement, lesdits moyens de mesure de l'indice dudit liquide sont placés sur ladite canalisation, de façon à mesurer l'indice du liquide circulant dans ladite canalisation.
Selon un mode de réalisation alternatif de l'invention, lesdits moyens de modifications des propriétés physiques dudit liquide comprennent des moyens de modification de la pression dudit liquide.
Selon un mode de réalisation alternatif de l'invention, le dispositif d'absorption comprend en outre des moyens de mesure d'une variation d'indice dudit liquide. Avantageusement, lesdits moyens de mesure d'une variation d'indice dudit liquide comprennent des moyens de comparaison de l'indice dudit liquide avec l'indice d'un matériau d'indice identique à celui dudit amplificateur optique solide. Il est ainsi possible d'adapter le plus précisément possible l'indice de l'amplificateur optique solide et l'indice du liquide.
De préférence, lesdits moyens de mesure d'une variation de l'indice comprennent des moyens d'émission d'un faisceau lumineux à travers ledit liquide et à travers ledit matériau, ledit faisceau comprenant au moins deux sous- faisceaux traversant des épaisseurs différentes dudit liquide et dudit matériaux, et des moyens de mesure du front d'onde desdits sous-faisceaux.
De tels moyens de mesure d'une variation de l'indice permettent une mesure facile et très précise de la différence d'indice entre l'amplificateur optique solide et le liquide.
La présente invention concerne également un dispositif d'amplification optique comprenant 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, le dispositif d'amplification optique comprenant également un dispositif d'absorption du lasage parasite transverse tel que décrit ci-dessus, dont ledit réservoir met en contact ledit liquide avec ladite paroi latérale de l'amplificateur optique solide.
Un tel amplificateur optique est peu sujet au lasage parasite transverse, même si ses dimensions et sa puissance sont importantes.
Avantageusement, ladite zone d'amplification de cet amplificateur optique est constituée par un cristal de saphir dopé par des ions Titane.
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 équipé d'un dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses selon un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 3 représente une cellule de mesure de variation d'indice mise en œuvre dans le dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses de la figure 1.
6. Description d'un mode de réalisation de l'invention
6.1. Amplificateur optique solide
La figure 2 représente une vue de coupe schématique d'un amplificateur optique solide, appelé par la suite cristal d'amplification optique, qui est équipé d'un dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses selon un mode de réalisation de l'invention.
Ce cristal 1 , similaire à celui de la figure 1 , présente une forme de cylindre de révolution d'axe 10. 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 1 est constitué de saphir dopé par des ions de titane.
Les deux faces planes 11 et 12 de ce cristal 1 sont destinées à permettre l'entrée et la sortie de l'impulsion incidente à amplifier dans le cristal 1. Ce cristal 1 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 le cristal 1 depuis la face plane 11 vers la face plane 12, sans entrer en contact avec la paroi latérale périphérique 13 du cristal.
En revanche, en cas d'émission spontanée d'un photon parasite par un ion excité du cristal 1, ce photon parasite, et éventuellement le faisceau lumineux parasite causé par l'amplification optique de ce photon parasite peut sortir de la zone d'amplification et arriver sur cette paroi latérale périphérique 13, après avoir traversé une partie du cristal 1. 6.2. Dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses
Selon l'invention, ce cristal 1 est équipé d'un dispositif d'absorption des faisceaux parasites transverses, visant à réduire au maximum la proportion des photons, ou faisceaux parasites, qui sont réfléchis par la paroi latérale périphérique 13 vers l'intérieur du cristal 1.
Ce dispositif d'absorption des faisceaux parasites transverses comprend un réservoir périphérique 2, entourant la paroi latérale périphérique 13, permettant de maintenir un liquide 3 en contact permanent avec la totalité de la paroi périphérique 13. Ce liquide 3 est un liquide d'indice de réfraction proche de l'indice du cristal et contenant un matériau absorbant la lumière pouvant être, par exemple, un colorant ou une poudre colorée en suspension dans le liquide d'indice.
Un tel dispositif d'absorption de faisceaux parasites permet que les faisceaux parasites incidents, venant en contact avec la paroi latérale périphérique 13, soient absorbés par le liquide 3 au lieu d'être réfléchis par cette paroi latérale périphérique 13. Il est cependant nécessaire, pour éviter la réflexion, que l'indice du liquide soit le plus proche possible de l'indice du cristal.
6.3. Modification de l'indice du liquide
Pour que l'indice du liquide 3 soit le plus proche possible de l'indice du cristal 1, il est prévu selon un mode de réalisation de l'invention que le dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses comprenne un circuit de modification de la température du liquide d'indice 3 permettant de la réguler au cours du temps. Ce circuit de modification comprend une conduite 21 s 'ouvrant sur le réservoir 2. Le liquide circule dans cette conduite 21 sous l'action d'une pompe 22, et est acheminé jusqu'à un radiateur 24. Dans le radiateur 24, le liquide d'indice circule dans une canalisation 23 qui est en contact avec un fluide ou corps chaud, ou avec un fluide ou corps froid, de façon à réchauffer ou à refroidir le fluide passant dans la canalisation 23. Une modification de la température du liquide d'indice entraine une modification de son indice. Ainsi, pour les liquides d'indice couramment utilisés, l'indice de réfraction varie usuellement d'environ - 7.10-7°C.
Selon une première variante de ce mode de réalisation, un tel circuit de modification des propriétés physiques du liquide est par exemple mis en œuvre en cas d'observation préalable, au sein du cristal 1 , d'un signal de lasage parasite transverse résultant des impulsions de pompage. Une telle observation mettant par exemple en œuvre une mesure de ce signal de lasage parasite transverse, et optionnellement une minimisation de la valeur mesurée de ce signal.
Selon une deuxième variante de ce mode de réalisation tel qu'illustré sur la figure 2, après son passage dans le radiateur, le fluide passe dans une cellule de mesure d'une variation d'indice 25.
En fonction de l'écart d'indice entre le liquide 3 et le cristal 1 , qui est mesurée par la cellule de mesure d'une variation d'indice 25, des moyens de calcul adaptés (non représentés) permettent de déterminer les modifications de la température du liquide d'indice qui sont nécessaires pour adapter l'indice du liquide à l'indice du cristal 1.
Cette modification de température peut être apportée en faisant varier la température du fluide en contact avec les canalisations 23, dans le radiateur 24, ou en faisant varier le débit de la pompe 22. Il est ainsi possible de faire varier la température du liquide sur une plage de l'ordre de quelques degrés Celcius à quelques dizaines de degrés Celcius. De préférence, le liquide d'indice est initialement choisi avec un indice légèrement supérieur à l'indice du cristal, et la modification de température est un chauffage du liquide permettant de réduire son indice. Il est cependant également possible de refroidir le liquide pour augmenter son indice, en évitant les refroidissements trop important risquant de figer le liquide d'indice. L'indice du liquide peut ainsi, après modification de sa température, ne différer de l'indice du cristal que de moins de quelques 10"4.
6.4. Mesure de la variation d'indice de réfraction
La figure 3 représente schématiquement la cellule de mesure d'une variation d'indice 25, qui est spécialement conçue pour mesurer les différences (ou écarts) d'indice entre le liquide 3 et le cristal 4. Cette cellule de mesure d'une variation d'indice forme une portion de conduite dans laquelle le liquide 3 se déplace, selon une direction perpendiculaire au plan de la figure. Cette conduite est délimitée par deux parois latérales 250 et 251, par une fenêtre 252, par exemple de saphir ou de silice, et par un cristal 253 appelé cristal de référence.
Le cristal de référence 253 est constitué du même matériau que le cristal 1 , ou d'un matériau présentant le même indice. Il présente une surface plane 2531 , en contact avec le liquide 1, et dans laquelle est usinée une rainure 2532 s 'étendant dans la direction perpendiculaire au plan de la figure. La rainure 2532 s'étend donc dans une direction parallèle à la direction d'écoulement du liquide 3, et ne perturbe donc pas cet écoulement. Le cristal présente également une seconde surface plane 2533 parallèles à la surface 2531. La rainure 2532 cause donc une différence locale de l'épaisseur du cristal de référence 253.
La fenêtre de silice 252, les surfaces 2531 et 2533 et la surface du fond de la rainure 2532 étant parallèles, un faisceau lumineux traversant la cellule de mesure d'une variation d'indice 25 perpendiculairement à ces surfaces traverse une épaisseur différente de liquide 3 et de cristal 253, selon qu'il passe dans la rainure 2532 ou à coté de la rainure, par la surface 2531. Si l'indice du liquide 3 est exactement identique à l'indice du cristal 253, le chemin optique du faisceau lumineux est identique, après sa traversée de la cellule de mesure d'une variation d'indice 25, qu'il soit passé par la rainure ou non.
En revanche, si le liquide 3 présente un indice différent de celui du cristal 2533, le chemin optique de la partie du faisceau lumineux qui passe par la rainure 2532 est différent du chemin optique de la partie du faisceau lumineux qui passe par la surface 2531. Ce chemin optique différent génère un décalage de phase qui peut être mesuré par un analyseur de front d'onde 254, par exemple constitué par un senseur de type interférométrique à décalage latéral. Des moyens de calcul appropriés peuvent alors déterminer la différence d'indice entre le liquide 3 et le cristal 253, et calculer les corrections à apporter, soit sur la température du radiateur 24, soit sur le débit de la pompe 22, pour corriger cette différence d'indice.
Le circuit de modification de la température du liquide d'indice permet donc de contrôler en temps réel l'indice de réfraction du liquide 3, afin que cet indice soit constamment le plus proche possible de l'indice du cristal 1. Il est ainsi possible d'utiliser des liquides d'indice dont l'indice est défini avec une faible précision, qui sont moins onéreux que les liquides d'indice dont l'indice est défini très précisément. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention permet de compenser les défauts de stabilité des liquides d'indice, entraînant l'évolution de l'indice avec le temps. De plus, le dispositif permet d'adapter l'indice du liquide à des cristaux 1 dont l'indice varie en fonction de l'approvisionnement.
Du fait d'une meilleure adaptation de l'indice du liquide 3 à l'indice du cristal 1, une impulsion parasite perd lors d'une réflexion sur la paroi latérale périphérique 13 une plus grande partie de sa puissance, qui sort du 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 13.
Une telle adaptation précise de l'indice du liquide en contact avec les parois latérales périphériques du cristal peut être avantageuse pour plusieurs types de cristaux laser. Elle présente cependant un intérêt particulier dans le cas des cristaux de type Saphir dopé aux ions Titane, pour lesquels le lasage parasite transverse constitue une limite à l'augmentation de la puissance des lasers.
Dans le mode de réalisation décrit ci dessus, le dispositif de régulation de l'indice du liquide agit sur la température de ce liquide. Selon un autre mode de réalisation pouvant être mis en œuvre par l'homme du métier, il est également possible, de façon alternative ou complémentaire, de modifier la pression du liquide d'indice pour modifier son indice.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'absorption de faisceaux parasites transverses dans u n amplificateur optique solide (1), comprenant un réservoir (2) permettant de mettre en contact un liquide (3) avec une surface (13) dudit amplificateur,
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide (3), rapprochant la valeur de l'indice dudit liquide (3) de la valeur de l'indice dudit amplificateur optique solide (1).
2. Dispositif d'absorption selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide (3) comprennent des moyens de modification de la température (24) dudit liquide.
3. Dispositif d'absorption selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de modification de la température (24) dudit liquide dudit liquide comprennent des moyens de chauffage dudit liquide.
4. Dispositif d'absorption selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de modification de la température (24) dudit liquide dudit liquide comprennent des moyens de refroidissement dudit liquide.
5. Dispositif d'absorption selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de modification des propriétés physiques dudit liquide comprennent une canalisation (21) permettant de conduire ledit liquide (3) dudit réservoir (2) vers lesdits moyens de modification de la température (24), et de ramener ledit liquide (3) vers ledit réservoir (2).
6. Dispositif d'absorption selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe (22) permettant d'entraîner ledit liquide (3) dans ladite canalisation (21).
7. Dispositif d'absorption selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de l'indice (25) dudit liquide (3) sont placés sur ladite canalisation (21), de façon à mesurer l'indice du liquide circulant dans ladite canalisation (21).
8. Dispositif d' absorption selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de modifications des propriétés physiques dudit liquide comprennent des moyens de modification de la pression dudit liquide (3).
9. Dispositif d' absorption selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mesure d'une variation d'indice (25) dudit liquide (3).
10. Dispositif d'absorption selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure d'une variation d'indice (25) dudit liquide comprennent des moyens de comparaison de l'indice dudit liquide avec l'indice d'un matériau d'indice identique à celui dudit amplificateur optique solide.
11. Dispositif d'absorption selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure d'une variation d'indice (25) comprennent des moyens d'émission d'un faisceau lumineux à travers ledit liquide et à travers ledit matériau, ledit faisceau comprenant au moins deux sous-faisceaux traversant des épaisseurs différentes dudit liquide et dudit matériaux, et des moyens de mesure du front d'onde desdits sous-faisceaux (254).
12. Dispositif d'amplification optique comprenant un amplificateur optique solide (1) 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 (13), en dehors de ladite zone d'amplification, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'absorption du lasage parasite transverse selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont ledit réservoir (2) met en contact ledit liquide (3) avec ladite paroi latérale (13) dudit amplificateur optique solide (1).
13. Dispositif d'amplification optique selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit amplificateur optique solide (1) est constitué par un cristal de saphir dopé par des ions Titane.
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