WO2019081334A1 - Solid-state laser source - Google Patents

Solid-state laser source

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WO2019081334A1
WO2019081334A1 PCT/EP2018/078529 EP2018078529W WO2019081334A1 WO 2019081334 A1 WO2019081334 A1 WO 2019081334A1 EP 2018078529 W EP2018078529 W EP 2018078529W WO 2019081334 A1 WO2019081334 A1 WO 2019081334A1
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WO
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laser
mirror
source
resonator
laser source
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/078529
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French (fr)
Inventor
Julien DECLOUX
Badr Mohamed SHALABY
Camille GODEL
Patrick GRAND-CHAVIN
Original Assignee
Silltec
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Publication date
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/115—Q-switching using intracavity electro-optic devices

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state laser source. More particularly, the invention relates to a pulsed solid-state laser source producing brief and energetic pulsations.
  • Solid state lasers or semiconductor lasers
  • Solid state lasers are widely used in industrial applications, such as material marking, cutting and welding, or in scientific applications.
  • Solid state lasers consist of a non-conductive solid gain medium optically pumped by diodes or arc lamps (also known as flash lamps).
  • the triggered solid-state laser sources produce short and energetic pulses, thus finding applications, for example, in material processing processes.
  • Such lasers comprise an active or passive variable attenuator for modulating the losses in the laser cavity, by switching between an opaque state and a transparent state.
  • the attenuator is opaque, the losses in the laser resonator, also called the laser cavity, are very high, the light emitted by the gain medium can not circulate in the resonator and return to the gain medium.
  • the laser emission process can not begin.
  • the energy supplied by the pump source then accumulates in the gain medium.
  • the attenuator is transparent, the losses in the resonator are very small and the radiation can flow in it.
  • variable attenuator can be active and therefore controlled by an external signal, such as electro-optical modulators or acousto-optical.
  • the variable attenuator can also be passive, as a saturable absorber.
  • the pumping is typically performed by flash lamp.
  • the pulse rate does not generally exceed about 30 Hz.
  • MOPA Anglo-Saxon master oscillator power amplifier
  • a pump laser the oscillator
  • at least one optical amplifier for amplifying the output power of the laser. pump.
  • Additional optical elements for example for the modulation of phase, intensity or wavelength, can thus be placed in the oscillator or between the oscillator and the amplifier so as not to expose them to excessive intensities.
  • two pump modules are used in series to avoid depolarization due to birefringence induced by thermal effects that can occur in case of heavy pumping.
  • Such systems are however very bulky, expensive and complex, and they do not allow to generate pulses with a rate of more than about 200 Hz.
  • changing the gain in the amplifier may alter the timing of the pulse, which may be undesirable for some applications.
  • the object of the present invention is to remedy all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the invention aims to provide a compact solid-state laser source generating short pulses, very energetic and at a high rate.
  • the invention relates to a pulsed laser source comprising:
  • a first resonator formed by a first reflecting mirror and a partially reflecting output mirror
  • a laser module placed between the mirrors of the first resonator comprising:
  • a laser rod made of solid material with a gain adapted to generate a laser beam
  • a laser pumping source adapted to emit a pump beam into the laser bar.
  • the laser bar is adapted to amplify the pump beam to generate the laser beam
  • the output mirror is adapted to partially transmit the laser beam.
  • the pulsed solid-state laser source further comprises:
  • variable attenuation device that can switch between an opaque state and a transparent state for the laser beam to enable the laser source to operate in a triggered mode, the device being placed between the laser module and the reflecting mirror,
  • variable attenuation device disposed between the variable attenuation device and the laser module
  • phase retarding element disposed between the output mirror and the laser module.
  • the laser source according to the present invention has many advantages. Since the laser module is used as the only oscillator of the laser source to produce the laser radiation, the laser source is particularly compact, while delivering very energetic pulses. Additional devices such as amplifier stages or flash lamps are not needed, thus making the laser source much more robust and relatively inexpensive compared to prior art solid state laser sources.
  • the phase retardation element has the effect of improving the homogeneity of the laser beam coming out of the laser source.
  • the profile of the laser beam is smoother due to the decrease of losses due to depolarization in the gain medium. Depolarization can have place due to thermal effects in the gain medium, leading to the birefringence of the material, this introduced birefringence being all the stronger as the pumping power is high.
  • the phase retarding element alone compensates for the birefringence introduced into the laser bar, even in case of high pumping power.
  • the output energy of the laser source is significantly increased by the phase retarding element with respect to the same laser source without this element.
  • the retarder element also contributes to the protection of the rod of gain material against parasitic reflections coming from outside the laser cavity.
  • the phase-retarding element is a quarter-wave plate whose fast axis is parallel to the direction of linear polarization. Such a blade does not increase the size of the cavity.
  • the laser source according to the invention further comprises a second reflecting mirror adapted to form a second resonator with the output mirror, the second mirror being placed on the opposite side of the laser module with respect to the output mirror when the second resonator is formed, the second resonator does not contain a variable attenuation device.
  • the second resonator is adapted to allow the laser source to operate in a quasi-continuous wave (QCW) mode and the second mirror is mobile to allow to switch between the first and the second resonator.
  • QCW quasi-continuous wave
  • the laser source according to this embodiment makes it possible to easily adapt its mode of operation to the needs of the desired applications, by using the same laser module and without complex mechanical intervention.
  • the laser source can thus be used for a multitude of very diverse applications requiring energies and cadences of the different laser pulsations, while remaining compact and robust.
  • variable attenuation device comprises an electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, a rotary modulator or a passive variable attenuator.
  • the laser source according to the invention further comprises an adjustable frequency conversion module adapted to receive a beam emitted by the laser bar and emit a beam whose wavelength is modified with respect to the wavelength of the beam emitted by the laser bar.
  • the frequency conversion module can double or triple the frequency and deliver beams with a wavelength of 532 nm or 355 nm, respectively.
  • the pulse rate is between about 1 Hz and about 1000 Hz. According to other embodiments, the pulse rate may be less than 1 Hz or greater than 1 kHz.
  • the laser rod is garnet yttrium e t aluminum (YAG) doped with neodymium (Nd 3+) (Nd: YAG) and the wavelength of the laser beam emitted from the bar is 1064 nm.
  • YAG yttrium e t aluminum
  • Nd 3+ neodymium
  • the laser pump source comprises at least one pulsed or continuous laser diode.
  • the first reflecting mirror is a deformable mirror or a variable reflectivity mirror, these two types of mirrors being adapted to modify or shape the profile of the laser beam.
  • the polarizer is a Brewster polarizer, a polarizer bi-prism or a thin film polarizer.
  • the invention relates to a laser beam emission system, comprising:
  • a laser source according to the first aspect of the invention, at least one optical fiber in which the laser beam transmitted by the output mirror is injected.
  • the system comprises a laser source according to the first aspect of the invention, and the system further comprises at least one additional optical fiber, so that at least one laser beam not transmitted by the output mirror can be injected into the additional optical fiber.
  • this embodiment makes it possible to recover light that is not transmitted by the output mirror. It may be, for example, beams reflected on an optical element of the cavity in axes other than that of the cavity. Thus, the energy of these beams can be recombined with the energy of the laser beam exiting through the output mirror.
  • FIG. 1 shows, in a schematic sectional view, a laser source according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a laser emission system according to one embodiment of the invention.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described or illustrated isolated from the other characteristics described or illustrated (even if this selection is isolated within a sentence including these other features), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one preferably functional characteristic without structural details, and / or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the art. earlier.
  • FIG. 1 an embodiment of the laser source 1 according to the first aspect of the invention will be described.
  • the laser source 1 comprises a first optical resonator R1 which is formed by a first mirror 2 and an output mirror 3 aligned with respect to each other.
  • the first mirror 2 is a reflecting mirror with an ideal reflection ratio of 100%. In the embodiment shown, the first mirror 2 is concave. This makes it possible to avoid the thermal effects inside the cavity and to obtain a laser beam at the output whose energy is more stable compared to a flat reflecting mirror.
  • the output mirror 3 is partially reflective, allowing both to form the first resonator with the first mirror 2 and to transmit radiation at the wavelength of the laser beam generated by the resonator. For example, the reflection rate of the output mirror 3 may be 20% and the transmission rate 80%.
  • the laser source 1 comprises, inside the first resonator R1, a laser module 4.
  • the laser module 4 comprises a laser bar made of a solid material with a gain adapted to generate a laser beam.
  • the laser module 4 also includes a pump source for emitting laser radiation from the pump radiation and pumping the laser rod. The laser bar then amplifies the pump radiation to generate the laser beam.
  • the laser module comprises, as a gain medium, an Nd: YAG crystal, whose emitted laser radiation has a wavelength of 1064 nm.
  • the pumping source is preferably constituted by a plurality of semiconductor laser diodes.
  • the pump source comprises at least one laser diode array arranged axially around the laser bar or on a longitudinal side of the bar, for transverse pumping of the bar.
  • the arrangement of the diodes on the side or around the bar makes it possible to obtain an integrated and particularly compact laser module.
  • the laser diodes may, for example, be surface-emitting vertical cavity laser diodes, or VCSELs (for vertical-cavity surface-emitting laser terminology).
  • the laser diodes may also be standard laser diodes.
  • the laser diodes can, for example, emit at a wavelength of 808 nm.
  • the peak pumping power is relatively high.
  • the peak pump power can be of the order of 10 kW, and the average power can be of the order of 200 W.
  • the peak pump power can be of the order of 1.5 kW, and the average power can be of the order of 30 W.
  • the laser module 4 may also include cooling means for cooling the pump source.
  • a cooling means may advantageously be a heat sink, for example made of copper.
  • Another means may be circuitry adapted to circulate cooling water around the pump source.
  • the laser source 1 according to the present invention emits pulsed laser radiation.
  • the laser diodes of the pump source are pulsed with a pulse duration of between 10 ⁇ s and 1 ms. Since this mode of operation is close to a continuous excitation operation, it is called quasi-continuous wave mode (QCW) according to English terminology.
  • QCW quasi-continuous wave mode
  • the laser diodes of the pump source may be continuous laser diodes (CW, for the Anglo-Saxon term continuous wave).
  • the laser source 1 further comprises a variable attenuation device QS (formed by the elements referenced 6 and 7) disposed between the laser module 4 and the first mirror 2.
  • the device QS variable attenuation is able to switch between an opaque state and a transparent state for the laser beam.
  • the QS device switches from opaque state to transparent state, the laser source 1 is triggered.
  • the mode of operation in triggered mode of the laser source 1 allows the formation of large short pulsations and energy. This technique is called Q-switching, or Q-switching according to English terminology, because of the switching of the quality factor of the resonator.
  • the switching between the opaque state and the transparent state of the attenuation device QS is controlled by an external signal; it is then active switching-Q.
  • the signal can be mechanical (for example, a chopper) or electric.
  • the QS device may be an acousto-optic or electro-optical modulator.
  • the variable attenuator can also be passive in nature.
  • the laser source 1 according to the invention further comprises a polarizing element 5 for polarizing the light linearly.
  • This polarizer 5 may be, for example, a Brewster polarizer, a polarizing bi-prism, or a thin-layer polarizer.
  • the polarizer 5 is disposed between the laser module 4 and the variable attenuation device QS. The light traveling between the laser module 4 and the attenuation device QS is then polarized linearly.
  • the variable attenuation device QS comprises a Pockels cell 6 combined with a quarter-wave plate 7.
  • the delay plate 7 is arranged between the Pockels cell 6 and the first mirror 2.
  • the Pockels cell 6 is controlled with an electric field applied thereto.
  • the polarizer 5 is arranged between the Pockels cell 6 and the laser module 4.
  • each element is oriented in a certain way with respect to the optical axis 10. By this, the assembly can be switched between the opaque state and the transparent state by means of the electric field signal.
  • the polarizer 5 polarizes the light linearly along the axis lying in the board plane, and the fast axis of the quarter-wave plate 7 is oriented at 45 ° with respect to the plane of the board. two axes being perpendicular to the optical axis 10. With the applied electric field, the Pockels cell also acts as a quarter wave plate.
  • the laser source 1 further comprises a phase-retarding element 8.
  • This element The phase retarder 8 is disposed between the output mirror 3 and the laser module 4.
  • the element 8 is arranged so as not to alter the linear polarization of the light propagating in the cavity.
  • Element 8 has the effect of improving the homogeneity and the profile of the laser beam by compensating for the birefringence introduced by the gain material due to thermal effects. The birefringence introduced is even stronger than the pumping power is high.
  • the element 8 also makes it possible to protect the laser bar against parasitic reflections coming from outside the cavity, thus making it possible to avoid the use of an external insulator which would make the laser source 1 more cumbersome and expensive.
  • the output energy of the laser source 1 is significantly increased by virtue of the phase-retarding element 8 with respect to the same laser source without this element 8.
  • the increase in the output energy is, for example, of the order of 10-15% depending on the orientation of the crystallographic axes of the element 8 in the plane of rotation perpendicular to the optical axis 10.
  • the phase retarding element 8 is preferably a quarter-wave plate.
  • the fast axis of the quarter-wave plate coincides with the plane of the plate, and the polarizer and the variable attenuation device are arranged in such a way that the light propagating between the polarizer 5 and the laser module 4 is polarized linearly in the plane of the board.
  • the direction of linear polarization of the light coincides with the fast axis of the quarter wave plate 8.
  • the polarization of the laser beam leaving the laser source 1 is circular.
  • the laser source 1 according to the invention is adapted to operate either with the first resonator R1 or with a second resonator R2.
  • the second resonator R2 is formed by the output mirror 3 and a second reflecting mirror 9 (shown in dashed line in FIG. 1).
  • the second mirror 9 is placed on the opposite side of the laser module 4 with respect to the output mirror 3.
  • the second resonator R2 does not contain a switch-Q, the duration and the rate of the pulses are determined by the pulsations delivered by the pump source of the laser module 4.
  • the second resonator R2 allows the laser source 1 to operate in a QCW regime, also called relaxed mode.
  • the laser pulses emitted may have a duration of between 10 ps and about 1000 ps, depending on the duration of the pulsations of the pump source, for example QCW laser diodes.
  • the delay element 8 retains its effects of homogenization and increase of output energy as in the case of the triggered mode. In the relaxed mode, however, this increase is about 50% less than that achieved in triggered mode.
  • the second reflecting mirror 9 is movably mounted in the laser source 1.
  • the second mirror 9 is pivotable in the plane perpendicular to the optical axis 10 of the laser source 1.
  • the second reflecting mirror 9 must be implemented accurately, for example, mechanical stop, and repeatable at the position desired, to ensure the performance of the cavity thus obtained.
  • the second mirror 9 can be mounted, for example, on a pivotable mounting element in the plane perpendicular to the optical axis 10. The pivoting of the mounting element, preferably motorized, can be controlled by a external signal, automatically or manually.
  • the laser source 1 can operate either with the first resonator R1 in a triggered regime delivering short pulses (of the order of a few ns to a few tens of ns), or with the second resonator R2 in a QCW regime delivering longer pulsations (of the order of a few tens to a few hundred ps).
  • the laser source 1 according to this embodiment makes it possible to easily adapt its operating mode to the needs of the desired applications, by using the same laser module 4 and without complex mechanical intervention.
  • the radiation emitted by the laser source 1 according to the invention is preferably multimode.
  • the radiation can be rendered monomode, for example, by placing a pinhole of suitable size near the output mirror 3 of the cavity, at the size of the beam coming out of the laser module 4.
  • the pulse rate is between about 1 Hz and 1 kHz for the triggered mode and the QCW mode.
  • the pulse rate determines the maximum energy of a pulse for a given pulse duration.
  • the laser source according to the present invention may also comprise a frequency conversion module (not shown). Frequency conversion techniques, such as frequency doubling, are known. The frequency conversion module is adjustable in order to obtain frequency doubling or tripling according to the application of the desired laser source 1. Thus, for a transmission wavelength of the laser module 4 of 1064 nm, the frequency doubling makes it possible to obtain an emission wavelength of the laser source 1 of 532 nm, and the frequency tripling allows to obtain a wavelength of 355 nm.
  • the first reflecting mirror 2 of the cavity is a deformable mirror or a mirror with variable reflectivity. The profile of the laser beam can thus be modulated or shaped and adapted according to the desired application of the laser source 1.
  • FIG. 2 shows a laser beam emission system 11 according to one embodiment.
  • the laser system 11 comprises the laser source 1 according to one of the embodiments described above, and at least one optical fiber 12 in which the laser beam transmitted by the output mirror is injected.
  • the laser beam emitted by the output mirror of the laser source 1 is coupled in the optical fiber 12 by a coupling means 13.
  • This coupling means 13 is known to those skilled in the art.
  • the coupling means 13 may be, for example, a lens or a lens system.
  • the laser beam is coupled in a plurality of optical fibers, for example three identical fibers. This makes it possible to distribute the output energy on these fibers and thus to be able to increase the output energy without damaging the optical fibers.
  • the at least one optical fiber 12 is a multimode fiber.
  • the laser system 11 also comprises two additional optical fibers 14, 15. These additional fibers 14, 15 are arranged laterally with respect to the longitudinal axis of the cavity, for example on the sides of a housing surrounding the cavity. Thus, lateral reflections on optical elements in the cavity can be recovered and injected into the additional fibers 14, 15 by known means.
  • the polarizer used is a Brewster polarizer, producing lateral reflections on either side of the glass plate constituting the polarizer. This makes it possible to minimize the losses due to these reflections.

Abstract

The present invention relates to a pulsed solid-state laser source (1), comprising a first resonator (R1) formed by a first reflecting mirror (2) and a partially reflecting output mirror (3), and a laser module (4) placed between the mirrors (2, 3) of the first resonator (R1). The first resonator (R1) comprises a laser rod of solid gain material suitable for generating a laser beam, and a laser pump source suitable for emitting a pump beam into the laser rod, wherein the laser rod is suitable for amplifying the pump beam to generate the laser beam, and the output mirror (3) is suitable for partially transmitting the laser beam. The laser source (1) further comprises: a variable attenuating device (QS) that can switch between an opaque state and a transparent state for the laser beam to enable the laser source (1) to operate in a triggered mode, said device (QS) being placed between the laser module (4) and the reflecting mirror (2); a linearly polarising element arranged between the variable attenuating device (QS) and the laser module (4); and a phase-retarding element (8) arranged between the output mirror (3) and the laser module (4).

Description

« Source laser à solide »  "Laser source to solid"
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne une source laser à solide. Plus particulièrement, l'invention concerne une source laser à solide puisée produisant des pulsations brèves et énergétiques.  The present invention relates to a solid-state laser source. More particularly, the invention relates to a pulsed solid-state laser source producing brief and energetic pulsations.
État de la technique antérieure State of the art
Les lasers à solide, ou lasers à semi-conducteurs, sont largement utilisés dans des applications industrielles, telles que le marquage de matériaux, la découpe et la soudure, ou dans des applications scientifiques. Les lasers à solide consistent en un milieu à gain solide non conducteur pompé optiquement par des diodes ou des lampes à arc (également appelées lampes flash).  Solid state lasers, or semiconductor lasers, are widely used in industrial applications, such as material marking, cutting and welding, or in scientific applications. Solid state lasers consist of a non-conductive solid gain medium optically pumped by diodes or arc lamps (also known as flash lamps).
Les sources laser à solide déclenchées permettent de produire des impulsions brèves et énergétiques, trouvant ainsi des applications, par exemple, dans des procédés de traitement des matériaux. De tels lasers comprennent un atténuateur variable actif ou passif permettant de moduler les pertes dans la cavité laser, en basculant entre un état opaque et un état transparent. Lorsque l'atténuateur est opaque, les pertes dans le résonateur du laser, également appelé cavité laser, sont très élevées, la lumière émise par le milieu à gain ne pouvant pas circuler dans le résonateur et revenir dans le milieu à gain. Le processus de l'émission laser ne peut donc pas s'amorcer. L'énergie fournie par la source de pompage s'accumule alors dans le médium à gain. Lorsque l'atténuateur est transparent, les pertes dans le résonateur sont très faibles et la radiation peut circuler dans celui-ci. Grâce à l'énergie accumulée dans le médium à gain, la puissance dans le résonateur augmente très rapidement, ce qui permet de délivrer une pulsation courte et énergétique. Ce procédé est appelé Q-switching dans la terminologie anglo- saxonne. L'atténuateur variable, ou commutateur-Q, peut être actif et donc contrôlé par un signal externe, comme des modulateurs électro-optiques ou acousto-optiques. L'atténuateur variable peut aussi être passif, comme un absorbant saturable. The triggered solid-state laser sources produce short and energetic pulses, thus finding applications, for example, in material processing processes. Such lasers comprise an active or passive variable attenuator for modulating the losses in the laser cavity, by switching between an opaque state and a transparent state. When the attenuator is opaque, the losses in the laser resonator, also called the laser cavity, are very high, the light emitted by the gain medium can not circulate in the resonator and return to the gain medium. The laser emission process can not begin. The energy supplied by the pump source then accumulates in the gain medium. When the attenuator is transparent, the losses in the resonator are very small and the radiation can flow in it. Thanks to the energy accumulated in the gain medium, the power in the resonator increases very rapidly, which makes it possible to deliver a short and energetic pulsation. This process is called Q-switching in Anglo-Saxon terminology. The variable attenuator, or Q-switch, can be active and therefore controlled by an external signal, such as electro-optical modulators or acousto-optical. The variable attenuator can also be passive, as a saturable absorber.
Pour obtenir des pulsations très énergétiques (de l'ordre de plusieurs centaines de millijoules) et brèves (de l'ordre de quelques nanosecondes), le pompage est typiquement réalisé par lampe flash. Cependant, de tels systèmes ne sont pas très robustes et plutôt encombrants. De plus, la cadence des pulsations ne dépasse généralement pas 30 Hz environ.  To obtain very energetic pulses (of the order of several hundred millijoules) and brief (of the order of a few nanoseconds), the pumping is typically performed by flash lamp. However, such systems are not very robust and rather bulky. In addition, the pulse rate does not generally exceed about 30 Hz.
Alternativement, pour générer des pulsations très énergétiques et brèves, des systèmes laser à étages amplificateurs sont utilisés. Un exemple d'un tel système, connu sous le nom anglo-saxon de master oscillator power amplifier (MOPA), consiste en un laser de pompe (l'oscillateur) et au moins un amplificateur optique pour amplifier la puissance de sortie du laser de pompe. Des éléments optiques supplémentaires, par exemple pour la modulation de phase, d'intensité ou de longueur d'onde, peuvent ainsi être places dans l'oscillateur ou entre l'oscillateur et l'amplificateur pour ne pas les exposer à des intensités trop importantes. Aussi, on utilise deux modules de pompage en série pour éviter une dépolarisation due à la biréfringence induite par des effets thermiques qui peuvent survenir en cas de forte pompage.  Alternatively, to generate very energetic and brief pulses, laser systems with amplifier stages are used. An example of such a system, known as the Anglo-Saxon master oscillator power amplifier (MOPA), consists of a pump laser (the oscillator) and at least one optical amplifier for amplifying the output power of the laser. pump. Additional optical elements, for example for the modulation of phase, intensity or wavelength, can thus be placed in the oscillator or between the oscillator and the amplifier so as not to expose them to excessive intensities. . Also, two pump modules are used in series to avoid depolarization due to birefringence induced by thermal effects that can occur in case of heavy pumping.
De tels systèmes sont cependant très encombrants, coûteux et complexes, et ils ne permettent pas de générer des pulsations avec une cadence de plus de 200 Hz environ. De plus, la modification du gain dans l'amplificateur peut altérer la forme temporelle de la pulsation, ce qui peut être indésirable pour certaines applications.  Such systems are however very bulky, expensive and complex, and they do not allow to generate pulses with a rate of more than about 200 Hz. In addition, changing the gain in the amplifier may alter the timing of the pulse, which may be undesirable for some applications.
Exposé de l'invention Presentation of the invention
Le but de la présente invention est de remédier à tout ou partie des inconvénients précités. En particulier, l'invention vise à proposer une source laser à solide compacte générant des impulsions brèves, très énergétiques et à une cadence élevée. The object of the present invention is to remedy all or part of the aforementioned drawbacks. In particular, the invention aims to provide a compact solid-state laser source generating short pulses, very energetic and at a high rate.
Cet objectif est atteint avec une source laser puisée à solide et un système d'émission de faisceau laser selon les aspects suivants de l'invention. Selon un premier aspect, l'invention concerne une source laser puisée à solide comprenant : This objective is achieved with a pulsed solid-state laser source and a laser beam emission system according to the following aspects of the invention. According to a first aspect, the invention relates to a pulsed laser source comprising:
un premier résonateur formé par un premier miroir réfléchissant et un miroir de sortie partiellement réfléchissant,  a first resonator formed by a first reflecting mirror and a partially reflecting output mirror,
- un module laser placé entre les miroirs du premier résonateur, comprenant :  a laser module placed between the mirrors of the first resonator, comprising:
o un barreau laser en matériau solide à gain adapté pour générer un faisceau laser, et  a laser rod made of solid material with a gain adapted to generate a laser beam, and
o une source de pompage laser adaptée pour émettre dans le barreau laser un faisceau de pompe.  a laser pumping source adapted to emit a pump beam into the laser bar.
Le barreau laser est adapté pour amplifier le faisceau de pompe pour générer le faisceau laser, et le miroir de sortie est adapté pour transmettre partiellement le faisceau laser. La source laser puisée à solide comprend en outre :  The laser bar is adapted to amplify the pump beam to generate the laser beam, and the output mirror is adapted to partially transmit the laser beam. The pulsed solid-state laser source further comprises:
- un dispositif d'atténuation variable pouvant basculer entre un état opaque et un état transparent pour le faisceau laser pour permettre à la source laser de fonctionner en un mode déclenché, le dispositif étant placé entre le module laser et le miroir réfléchissant,  a variable attenuation device that can switch between an opaque state and a transparent state for the laser beam to enable the laser source to operate in a triggered mode, the device being placed between the laser module and the reflecting mirror,
un élément polarisant linéairement disposé entre le dispositif d'atténuation variable et le module laser, et  a linearly polarizing element disposed between the variable attenuation device and the laser module, and
un élément retardateur de phase disposé entre le miroir de sortie et le module laser.  a phase retarding element disposed between the output mirror and the laser module.
La source laser selon la présente invention présente de nombreux avantages. Le module laser étant utilisé comme l'unique oscillateur de la source laser pour produire la radiation laser, la source laser est particulièrement compacte, tout en délivrant des impulsions très énergétiques. Des dispositifs supplémentaires tels que des étages amplificateurs ou des lampes flash ne sont pas nécessaires, rendant ainsi la source laser beaucoup plus robuste et relativement peu coûteuse par rapport à des sources laser puisées à solide de l'art antérieur.  The laser source according to the present invention has many advantages. Since the laser module is used as the only oscillator of the laser source to produce the laser radiation, the laser source is particularly compact, while delivering very energetic pulses. Additional devices such as amplifier stages or flash lamps are not needed, thus making the laser source much more robust and relatively inexpensive compared to prior art solid state laser sources.
De manière avantageuse, l'élément retardateur de phase a pour effet d'améliorer l'homogénéité du faisceau laser sortant de la source laser. Le profil du faisceau laser se trouve plus lisse grâce à la diminution de pertes dues à la dépolarisation dans le milieu à gain. La dépolarisation peut avoir lieu dû à des effets thermiques dans le milieu à gain, conduisant à de la biréfringence du matériau, cette biréfringence introduite étant d'autant plus forte que la puissance de pompage est élevée. L'élément retardateur de phase compense à lui seul la biréfringence introduite dans le barreau laser, même en cas de forte puissance de pompage. L'énergie de sortie de la source laser est augmentée de manière significative grâce à l'élément retardateur de phase par rapport à une même source laser sans cet élément. En outre, l'élément retardateur participe également à la protection du barreau en matériau à gain contre les réflexions parasites venant de l'extérieur de la cavité laser. Advantageously, the phase retardation element has the effect of improving the homogeneity of the laser beam coming out of the laser source. The profile of the laser beam is smoother due to the decrease of losses due to depolarization in the gain medium. Depolarization can have place due to thermal effects in the gain medium, leading to the birefringence of the material, this introduced birefringence being all the stronger as the pumping power is high. The phase retarding element alone compensates for the birefringence introduced into the laser bar, even in case of high pumping power. The output energy of the laser source is significantly increased by the phase retarding element with respect to the same laser source without this element. In addition, the retarder element also contributes to the protection of the rod of gain material against parasitic reflections coming from outside the laser cavity.
Préférentiellement, l'élément retardateur de phase est une lame de quart d'onde dont l'axe rapide est parallèle à la direction de polarisation linéaire. Une telle lame n'augmente pas l'encombrement de la cavité.  Preferably, the phase-retarding element is a quarter-wave plate whose fast axis is parallel to the direction of linear polarization. Such a blade does not increase the size of the cavity.
Selon un mode de réalisation, la source laser selon l'invention comprend en outre un deuxième miroir réfléchissant adapté pour former un deuxième résonateur avec le miroir de sortie, le deuxième miroir étant placé du côté opposé du module laser par rapport au miroir de sortie lorsque le deuxième résonateur est formé, le deuxième résonateur ne contenant pas de dispositif d'atténuation variable. Selon ce mode de réalisation, le deuxième résonateur est adapté pour permettre à la source laser de fonctionner en un mode quasi-continuous wave (QCW, terme anglo-saxon pour le fonctionnement en mode quasi-continu) et le deuxième miroir est mobile pour permettre de basculer entre le premier et le deuxième résonateur.  According to one embodiment, the laser source according to the invention further comprises a second reflecting mirror adapted to form a second resonator with the output mirror, the second mirror being placed on the opposite side of the laser module with respect to the output mirror when the second resonator is formed, the second resonator does not contain a variable attenuation device. According to this embodiment, the second resonator is adapted to allow the laser source to operate in a quasi-continuous wave (QCW) mode and the second mirror is mobile to allow to switch between the first and the second resonator.
Ainsi, la source laser selon ce mode de réalisation permet d'adapter facilement son mode de fonctionnement aux besoins des applications souhaitées, en utilisant le même module laser et sans intervention mécanique complexe. La source laser peut ainsi s'employer pour une multitude d'applications très diverses demandant des énergies et cadences des pulsations laser différentes, tout en restant compacte et robuste.  Thus, the laser source according to this embodiment makes it possible to easily adapt its mode of operation to the needs of the desired applications, by using the same laser module and without complex mechanical intervention. The laser source can thus be used for a multitude of very diverse applications requiring energies and cadences of the different laser pulsations, while remaining compact and robust.
Selon des modes de réalisation, le dispositif d'atténuation variable comprend un modulateur électro-optique, un modulateur acousto-optique, un modulateur rotatif ou un atténuateur variable passif. Avantageusement, la source laser selon l'invention comprend en outre un module de conversion de fréquence réglable adapté pour recevoir un faisceau émis par le barreau laser et émettre un faisceau dont la longueur d'onde est modifiée par rapport à la longueur d'onde du faisceau émis par le barreau laser. According to embodiments, the variable attenuation device comprises an electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, a rotary modulator or a passive variable attenuator. Advantageously, the laser source according to the invention further comprises an adjustable frequency conversion module adapted to receive a beam emitted by the laser bar and emit a beam whose wavelength is modified with respect to the wavelength of the beam emitted by the laser bar.
Par exemple, pour une longueur d'onde du faisceau émis par le barreau laser de 1064 nm, le module de conversion de fréquence peut doubler ou tripler la fréquence et délivrer des faisceaux d'une longueur d'onde de 532 nm ou 355 nm, respectivement. Selon des modes de réalisation, la cadence de pulsation est comprise entre 1 Hz et 1000 Hz environ. Selon d'autres modes de réalisation, la cadence de pulsation peut être inférieure à 1 Hz ou supérieure à 1 kHz. For example, for a wavelength of the beam emitted by the 1064 nm laser bar, the frequency conversion module can double or triple the frequency and deliver beams with a wavelength of 532 nm or 355 nm, respectively. According to embodiments, the pulse rate is between about 1 Hz and about 1000 Hz. According to other embodiments, the pulse rate may be less than 1 Hz or greater than 1 kHz.
De manière préférentielle, le barreau laser est en grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) dopé au néodyme (Nd3+) (Nd:YAG) et la longueur d'onde du faisceau laser émis par le barreau est de 1064 nm. Preferably, the laser rod is garnet yttrium e t aluminum (YAG) doped with neodymium (Nd 3+) (Nd: YAG) and the wavelength of the laser beam emitted from the bar is 1064 nm.
Avantageusement, la source de pompage laser comprend au moins une diode laser puisée ou continue. Advantageously, the laser pump source comprises at least one pulsed or continuous laser diode.
Selon des modes de réalisation, le premier miroir réfléchissant est un miroir déformable ou un miroir à réflectivité variable, ces deux types de miroirs étant adaptés pour modifier ou mettre en forme le profil du faisceau laser. According to embodiments, the first reflecting mirror is a deformable mirror or a variable reflectivity mirror, these two types of mirrors being adapted to modify or shape the profile of the laser beam.
Selon des modes de réalisation, le polariseur est un polariseur Brewster, un bi-prisme polariseur ou un polariseur en couche mince. According to embodiments, the polarizer is a Brewster polarizer, a polarizer bi-prism or a thin film polarizer.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un système d'émission de faisceau laser, comprenant : According to a second aspect, the invention relates to a laser beam emission system, comprising:
une source laser selon le premier aspect de l'invention, au moins une fibre optique dans laquelle le faisceau laser transmis par le miroir de sortie est injecté.  a laser source according to the first aspect of the invention, at least one optical fiber in which the laser beam transmitted by the output mirror is injected.
Selon des modes de réalisation, le système comprend une source laser selon le premier aspect de l'invention, et le système comprend en outre au moins une fibre optique supplémentaire, de façon à ce que au moins un faisceau laser non transmis par le miroir de sortie puisse être injecté dans la fibre optique supplémentaire. According to embodiments, the system comprises a laser source according to the first aspect of the invention, and the system further comprises at least one additional optical fiber, so that at least one laser beam not transmitted by the output mirror can be injected into the additional optical fiber.
Avantageusement, ce mode de réalisation permet de récupérer de la lumière qui n'est pas transmise par le miroir de sortie. Il peut s'agir, par exemple, de faisceaux réfléchis sur un élément optique de la cavité dans des axes autres que celui de la cavité. Ainsi, l'énergie de ces faisceaux peut être recombinée avec l'énergie du faisceau laser sortant par le miroir de sortie.  Advantageously, this embodiment makes it possible to recover light that is not transmitted by the output mirror. It may be, for example, beams reflected on an optical element of the cavity in axes other than that of the cavity. Thus, the energy of these beams can be recombined with the energy of the laser beam exiting through the output mirror.
Description des figures D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : DESCRIPTION OF THE FIGURES Other advantages and particularities of the invention will appear on reading the detailed description of implementations and non-limiting embodiments, and the following appended drawings:
- la figure 1 montre, dans une vue schématique de coupe, une source laser selon un mode de réalisation de l'invention ; et  - Figure 1 shows, in a schematic sectional view, a laser source according to one embodiment of the invention; and
- la figure 2 représente schématiquement un système d'émission laser selon un mode de réalisation de l'invention.  - Figure 2 schematically shows a laser emission system according to one embodiment of the invention.
Description de modes de réalisation Description of embodiments
Les modes de réalisation décrits par la suite étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. En référence à la figure 1, un mode de réalisation de la source laser 1 selon le premier aspect de l'invention va être décrit. The embodiments described hereinafter being in no way limiting, it will be possible in particular to consider variants of the invention comprising only a selection of characteristics described or illustrated isolated from the other characteristics described or illustrated (even if this selection is isolated within a sentence including these other features), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art. This selection comprises at least one preferably functional characteristic without structural details, and / or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the art. earlier. With reference to FIG. 1, an embodiment of the laser source 1 according to the first aspect of the invention will be described.
La source laser 1 comprend un premier résonateur optique RI qui est formé par un premier miroir 2 et un miroir de sortie 3 alignés l'un par rapport à l'autre. Le premier miroir 2 est un miroir réfléchissant avec un taux de réflexion idéal de 100%. Dans le mode de réalisation représenté, le premier miroir 2 est concave. Ceci permet d'éviter les effets thermiques à l'intérieur de la cavité et d'obtenir un faisceau laser à la sortie dont l'énergie est plus stable par rapport à un miroir réfléchissant plat. Le miroir de sortie 3 est partiellement réfléchissant, permettant à la fois de former le premier résonateur avec le premier miroir 2 et de transmettre de la radiation à la longueur d'onde du faisceau laser généré par le résonateur. Par exemple, le taux de réflexion du miroir de sortie 3 peut être de 20% et le taux de transmission de 80%. La source laser 1 comprend, à l'intérieur du premier résonateur RI, un module laser 4. Le module laser 4 comprend un barreau laser en matériau solide à gain adapté pour générer un faisceau laser. Le module laser 4 comprend également une source de pompage pour émettre dans le barreau laser de la radiation de pompe et pomper le barreau laser. Le barreau laser amplifie alors la radiation de pompe pour générer le faisceau laser. The laser source 1 comprises a first optical resonator R1 which is formed by a first mirror 2 and an output mirror 3 aligned with respect to each other. The first mirror 2 is a reflecting mirror with an ideal reflection ratio of 100%. In the embodiment shown, the first mirror 2 is concave. This makes it possible to avoid the thermal effects inside the cavity and to obtain a laser beam at the output whose energy is more stable compared to a flat reflecting mirror. The output mirror 3 is partially reflective, allowing both to form the first resonator with the first mirror 2 and to transmit radiation at the wavelength of the laser beam generated by the resonator. For example, the reflection rate of the output mirror 3 may be 20% and the transmission rate 80%. The laser source 1 comprises, inside the first resonator R1, a laser module 4. The laser module 4 comprises a laser bar made of a solid material with a gain adapted to generate a laser beam. The laser module 4 also includes a pump source for emitting laser radiation from the pump radiation and pumping the laser rod. The laser bar then amplifies the pump radiation to generate the laser beam.
Selon un mode de réalisation préféré, le module laser comprend, comme médium à gain, un cristal de Nd :YAG, dont la radiation laser émise a une longueur d'onde de 1064 nm . According to a preferred embodiment, the laser module comprises, as a gain medium, an Nd: YAG crystal, whose emitted laser radiation has a wavelength of 1064 nm.
La source de pompage est, de préférence, constituée par une pluralité de diodes laser à semi-conducteur. Par exemple, la source de pompage comprend au moins une matrice de diodes laser agencé axialement autour du barreau laser ou sur un côté longitudinal du barreau, pour un pompage transversal du barreau . L'agencement des diodes sur le côté ou autour du barreau permet d'obtenir un module laser intégré et particulièrement compact. Les diodes laser peuvent, par exemple, être des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, ou VCSEL (pour la terminologie anglaise vertical-cavity surface-emitting laser) . Les diodes laser peuvent également être des diodes laser standard . Les diodes laser peuvent, par exemple, émettre à une longueur d'onde de 808 nm. The pumping source is preferably constituted by a plurality of semiconductor laser diodes. For example, the pump source comprises at least one laser diode array arranged axially around the laser bar or on a longitudinal side of the bar, for transverse pumping of the bar. The arrangement of the diodes on the side or around the bar makes it possible to obtain an integrated and particularly compact laser module. The laser diodes may, for example, be surface-emitting vertical cavity laser diodes, or VCSELs (for vertical-cavity surface-emitting laser terminology). The laser diodes may also be standard laser diodes. The laser diodes can, for example, emit at a wavelength of 808 nm.
La puissance crête de pompage est relativement élevée. Par exemple, pour un module laser pompé par des diodes laser standard, la puissance crête de pompage peut être de l'ordre de 10 kW, et la puissance moyenne peut être de l'ordre de 200 W. Pour un module laser pompé par des VCSEL, la puissance crête de pompage peut être de l'ordre de 1,5 kW, et la puissance moyenne peut être de l'ordre de 30 W. The peak pumping power is relatively high. For example, for a laser module pumped by standard laser diodes, the peak pump power can be of the order of 10 kW, and the average power can be of the order of 200 W. For a laser module pumped by VCSEL, the peak pump power can be of the order of 1.5 kW, and the average power can be of the order of 30 W.
Le module laser 4 peut également comprendre des moyens de refroidissement pour refroidir la source de pompage. Un tel moyen de refroidissement peut être, de manière avantageuse, un dissipateur thermique, par exemple en cuivre. Un autre moyen peut être de la circuiterie adaptée pour faire circuler de l'eau de refroidissement autour de la source de pompage. The laser module 4 may also include cooling means for cooling the pump source. Such a cooling means may advantageously be a heat sink, for example made of copper. Another means may be circuitry adapted to circulate cooling water around the pump source.
La source laser 1 selon la présente invention émet de la radiation laser puisée.  The laser source 1 according to the present invention emits pulsed laser radiation.
Selon un mode de réalisation, les diodes laser de la source de pompage sont puisées avec une durée d'impulsion comprise entre 10 ps et 1 ms. Ce mode de fonctionnement étant proche d'un fonctionnement d'excitation continue, il est appelé quasi-continuous wave mode (QCW) selon la terminologie anglaise. According to one embodiment, the laser diodes of the pump source are pulsed with a pulse duration of between 10 μs and 1 ms. Since this mode of operation is close to a continuous excitation operation, it is called quasi-continuous wave mode (QCW) according to English terminology.
Selon un autre mode de réalisation, les diodes laser de la source de pompage peuvent être des diodes laser continues (CW, pour le terme anglo- saxon continuous wave). Toujours en référence à la figure 1 , la source laser 1 selon la présente invention comprend en outre un dispositif d'atténuation variable QS (formé par les éléments référencés 6 et 7) disposé entre le module laser 4 et le premier miroir 2. Le dispositif d'atténuation variable QS est capable de basculer entre un état opaque et un état transparent pour le faisceau laser. Lorsque le dispositif QS bascule de l'état opaque à l'état transparent, la source laser 1 est déclenchée. Le mode de fonctionnement en mode déclenché de la source laser 1 permet la formation de grandes pulsations brèves et énergétiques. Cette technique est appelée commutation-Q, ou Q-switching selon la terminologie anglaise, du fait de la commutation du facteur de qualité du résonateur. According to another embodiment, the laser diodes of the pump source may be continuous laser diodes (CW, for the Anglo-Saxon term continuous wave). Still referring to FIG. 1, the laser source 1 according to the present invention further comprises a variable attenuation device QS (formed by the elements referenced 6 and 7) disposed between the laser module 4 and the first mirror 2. The device QS variable attenuation is able to switch between an opaque state and a transparent state for the laser beam. When the QS device switches from opaque state to transparent state, the laser source 1 is triggered. The mode of operation in triggered mode of the laser source 1 allows the formation of large short pulsations and energy. This technique is called Q-switching, or Q-switching according to English terminology, because of the switching of the quality factor of the resonator.
Le basculement entre l'état opaque et l'état transparent du dispositif d'atténuation QS est commandé par un signal extérieur ; il s'agit alors de commutation-Q active. Le signal peut être mécanique (par exemple, une roue hacheuse) ou électrique. Selon des modes de réalisation, le dispositif QS peut être un modulateur acousto-optique ou électro-optique. Pour certaines applications de la source laser 1, l'atténuateur variable peut également être de nature passive. La source laser 1 selon l'invention comprend en outre un élément polarisant 5 pour polariser la lumière linéairement. Ce polariseur 5 peut être, par exemple, un polariseur Brewster, un bi-prisme polariseur, ou un polariseur en couche mince. Le polariseur 5 est disposé entre le module laser 4 et le dispositif d'atténuation variable QS. La lumière cheminant entre le module laser 4 et le dispositif d'atténuation QS est alors polarisée linéairement. The switching between the opaque state and the transparent state of the attenuation device QS is controlled by an external signal; it is then active switching-Q. The signal can be mechanical (for example, a chopper) or electric. According to embodiments, the QS device may be an acousto-optic or electro-optical modulator. For some applications of the laser source 1, the variable attenuator can also be passive in nature. The laser source 1 according to the invention further comprises a polarizing element 5 for polarizing the light linearly. This polarizer 5 may be, for example, a Brewster polarizer, a polarizing bi-prism, or a thin-layer polarizer. The polarizer 5 is disposed between the laser module 4 and the variable attenuation device QS. The light traveling between the laser module 4 and the attenuation device QS is then polarized linearly.
De préférence, le dispositif d'atténuation variable QS comprend une cellule Pockels 6 combinée avec une lame quart d'onde 7. La lame à retard 7 est disposée entre la cellule Pockels 6 et le premier miroir 2. La cellule Pockels 6 est commandée avec un champ électrique appliqué à celle-ci. Dans l'exemple de la figure 1, le polariseur 5 est disposé entre la cellule Pockels 6 et le module laser 4. Dans l'ensemble consistant en la cellule Pockels 6, le polariseur 5 et la lame quart d'onde 7, chaque élément est orienté d'une certaine manière par rapport à l'axe optique 10. Grâce à cela, l'ensemble peut être commuté entre l'état opaque et l'état transparent au moyen du signal de champ électrique. Selon un exemple, le polariseur 5 polarise la lumière linéairement selon l'axe se trouvant dans le plan de planche, et l'axe rapide de la lame quart d'onde 7 est orienté à 45° par rapport au plan de la planche, les deux axes étant perpendiculaires à l'axe optique 10. Avec le champ électrique appliqué, la cellule Pockels agit également comme une lame quart d'onde. Preferably, the variable attenuation device QS comprises a Pockels cell 6 combined with a quarter-wave plate 7. The delay plate 7 is arranged between the Pockels cell 6 and the first mirror 2. The Pockels cell 6 is controlled with an electric field applied thereto. In the example of FIG. 1, the polarizer 5 is arranged between the Pockels cell 6 and the laser module 4. In the set consisting of the Pockels cell 6, the polarizer 5 and the quarter-wave plate 7, each element is oriented in a certain way with respect to the optical axis 10. By this, the assembly can be switched between the opaque state and the transparent state by means of the electric field signal. According to one example, the polarizer 5 polarizes the light linearly along the axis lying in the board plane, and the fast axis of the quarter-wave plate 7 is oriented at 45 ° with respect to the plane of the board. two axes being perpendicular to the optical axis 10. With the applied electric field, the Pockels cell also acts as a quarter wave plate.
Toujours en référence à la figure 1, la source laser 1 selon la présente invention comprend en outre un élément 8 retardateur de phase. Cet élément 8 retardateur de phase est disposé entre le miroir de sortie 3 et le module laser 4. L'élément 8 est disposé de façon à ne pas altérer la polarisation linéaire de la lumière se propageant dans la cavité. L'élément 8 a pour effet d'améliorer l'homogénéité et le profil du faisceau laser en compensant la biréfringence introduite par le matériau à gain dû à des effets thermiques. La biréfringence introduite est d'autant plus forte que la puissance de pompage est élevée. Still with reference to FIG. 1, the laser source 1 according to the present invention further comprises a phase-retarding element 8. This element The phase retarder 8 is disposed between the output mirror 3 and the laser module 4. The element 8 is arranged so as not to alter the linear polarization of the light propagating in the cavity. Element 8 has the effect of improving the homogeneity and the profile of the laser beam by compensating for the birefringence introduced by the gain material due to thermal effects. The birefringence introduced is even stronger than the pumping power is high.
L'élément 8 permet également de protéger le barreau laser contre les réflexions parasites venant de l'extérieur de la cavité, permettant ainsi d'éviter l'utilisation d'un isolateur extérieur qui rendrait la source laser 1 plus encombrante et coûteuse. De plus, l'énergie de sortie de la source laser 1 est augmentée de manière significative grâce à l'élément 8 retardateur de phase par rapport à la même source laser sans cet élément 8. L'augmentation de l'énergie de sortie est, par exemple, de l'ordre de 10- 15% en fonction de l'orientation des axes cristallographiques de l'élément 8 dans le plan de rotation perpendiculaire à l'axe optique 10.  The element 8 also makes it possible to protect the laser bar against parasitic reflections coming from outside the cavity, thus making it possible to avoid the use of an external insulator which would make the laser source 1 more cumbersome and expensive. In addition, the output energy of the laser source 1 is significantly increased by virtue of the phase-retarding element 8 with respect to the same laser source without this element 8. The increase in the output energy is, for example, of the order of 10-15% depending on the orientation of the crystallographic axes of the element 8 in the plane of rotation perpendicular to the optical axis 10.
L'élément 8 retardateur de phase est, de préférence, une lame 8 quart d'onde. Selon un mode de réalisation, l'axe rapide de la lame 8 quart d'onde coïncide avec le plan de la planche, et le polariseur 5 ainsi que le dispositif 6 d'atténuation variable sont agencés de manière à ce que la lumière se propageant entre le polariseur 5 et le module laser 4 est polarisée linéairement dans le plan de la planche. Ainsi, la direction de polarisation linéaire de la lumière coïncide avec l'axe rapide de la lame quart d'onde 8. La polarisation du faisceau laser sortant de la source laser 1 est circulaire. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la source laser 1 selon l'invention est adaptée pour fonctionner soit avec le premier résonateur RI, soit avec un deuxième résonateur R2. Le deuxième résonateur R2 est formé par le miroir de sortie 3 et un deuxième miroir réfléchissant 9 (représenté en trait pointillé sur la figure 1) . Lorsque la source laser 1 fonctionne avec le deuxième résonateur R2, le deuxième miroir 9 est placé du côté opposé du module laser 4 par rapport au miroir de sortie 3. The phase retarding element 8 is preferably a quarter-wave plate. According to one embodiment, the fast axis of the quarter-wave plate coincides with the plane of the plate, and the polarizer and the variable attenuation device are arranged in such a way that the light propagating between the polarizer 5 and the laser module 4 is polarized linearly in the plane of the board. Thus, the direction of linear polarization of the light coincides with the fast axis of the quarter wave plate 8. The polarization of the laser beam leaving the laser source 1 is circular. According to a particularly advantageous embodiment, the laser source 1 according to the invention is adapted to operate either with the first resonator R1 or with a second resonator R2. The second resonator R2 is formed by the output mirror 3 and a second reflecting mirror 9 (shown in dashed line in FIG. 1). When the laser source 1 operates with the second resonator R2, the second mirror 9 is placed on the opposite side of the laser module 4 with respect to the output mirror 3.
Le deuxième résonateur R2 ne contenant pas de commutateur-Q, la durée et la cadence des impulsions sont déterminées par les pulsations délivrées par la source de pompage du module laser 4. De manière avantageuse, le deuxième résonateur R2 permet la source laser 1 de fonctionner dans un régime QCW, aussi appelé mode relaxé. Par exemple, les pulsations laser émises peuvent avoir une durée comprise entre 10 ps et 1000 ps environ, selon la durée des pulsations de la source de pompage, par exemple des diodes laser QCW. Lorsque la source laser 1 fonctionne avec le deuxième résonateur R2, la lumière à la sortie de la source 1 n'est pas polarisée circulairement. Toutefois, l'élément retardateur 8 conserve ses effets d'homogénéisation et augmentation d'énergie de sortie comme dans le cas du mode déclenché. Dans le mode relaxé, cette augmentation est toutefois inférieure d'environ 50% à celle que l'on obtient en mode déclenché. The second resonator R2 does not contain a switch-Q, the duration and the rate of the pulses are determined by the pulsations delivered by the pump source of the laser module 4. Advantageously, the second resonator R2 allows the laser source 1 to operate in a QCW regime, also called relaxed mode. For example, the laser pulses emitted may have a duration of between 10 ps and about 1000 ps, depending on the duration of the pulsations of the pump source, for example QCW laser diodes. When the laser source 1 operates with the second resonator R2, the light at the output of the source 1 is not circularly polarized. However, the delay element 8 retains its effects of homogenization and increase of output energy as in the case of the triggered mode. In the relaxed mode, however, this increase is about 50% less than that achieved in triggered mode.
Pour permettre à la source laser 1 le basculement entre un fonctionnement avec le premier résonateur RI et avec le deuxième résonateur R2, le deuxième miroir réfléchissant 9 est monté de manière mobile dans la source laser 1. En particulier, le deuxième miroir 9 est pivotable dans le plan perpendiculaire à l'axe optique 10 de la source laser 1. Pour mettre en œuvre le deuxième résonateur R2, le deuxième miroir réfléchissant 9 doit être mis en place de manière précise, par exemple, en buté mécanique, et répétable à la position souhaitée, pour assurer la performance de la cavité ainsi obtenue. Pour ce faire, le deuxième miroir 9 peut être monté, par exemple, sur un élément de montage pivotable dans le plan perpendiculaire à l'axe optique 10. Le pivotement de l'élément de montage, de préférence motorisé, peut être commandé par un signal extérieur, de manière automatisée ou manuelle. Ainsi, en pivotant le deuxième miroir réfléchissant 9, la source laser 1 peut fonctionner soit avec le premier résonateur RI en un régime déclenché délivrant des brèves pulsations (de l'ordre de quelques ns à quelques dizaines de ns), soit avec le deuxième résonateur R2 en un régime QCW délivrant des pulsations plus longues (de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de ps) . La source laser 1 selon ce mode de réalisation permet alors d'adapter facilement son mode de fonctionnement aux besoins des applications souhaitées, en utilisant le même module laser 4 et sans intervention mécanique complexe. La radiation émise par la source laser 1 selon l'invention est, de préférence, multimode. La radiation peut être rendu monomode, par exemple, en plaçant un pinhole de taille adaptée à proximité du miroir de sortie 3 de la cavité, au niveau de la taille du faisceau sortant du module laser 4. In order to allow the laser source 1 to switch between an operation with the first resonator RI and with the second resonator R2, the second reflecting mirror 9 is movably mounted in the laser source 1. In particular, the second mirror 9 is pivotable in the plane perpendicular to the optical axis 10 of the laser source 1. To implement the second resonator R2, the second reflecting mirror 9 must be implemented accurately, for example, mechanical stop, and repeatable at the position desired, to ensure the performance of the cavity thus obtained. To do this, the second mirror 9 can be mounted, for example, on a pivotable mounting element in the plane perpendicular to the optical axis 10. The pivoting of the mounting element, preferably motorized, can be controlled by a external signal, automatically or manually. Thus, by pivoting the second reflecting mirror 9, the laser source 1 can operate either with the first resonator R1 in a triggered regime delivering short pulses (of the order of a few ns to a few tens of ns), or with the second resonator R2 in a QCW regime delivering longer pulsations (of the order of a few tens to a few hundred ps). The laser source 1 according to this embodiment makes it possible to easily adapt its operating mode to the needs of the desired applications, by using the same laser module 4 and without complex mechanical intervention. The radiation emitted by the laser source 1 according to the invention is preferably multimode. The radiation can be rendered monomode, for example, by placing a pinhole of suitable size near the output mirror 3 of the cavity, at the size of the beam coming out of the laser module 4.
Selon des modes de réalisation de la présente invention, la cadence de pulsation est comprise environ entre 1 Hz et 1 kHz pour le mode déclenché et le mode QCW. La cadence d'impulsion détermine l'énergie maximale d'une pulsation pour une durée de pulsation donnée.  According to embodiments of the present invention, the pulse rate is between about 1 Hz and 1 kHz for the triggered mode and the QCW mode. The pulse rate determines the maximum energy of a pulse for a given pulse duration.
Pour le mode déclenché, des exemples de valeurs de l'énergie d'une pulsation en fonction de la cadence sont donnés dans le tableau 1, pour une durée de pulsation de 10 ns. For the triggered mode, examples of values of the energy of a pulsation as a function of the rate are given in Table 1, for a pulse duration of 10 ns.
Tableau 1.  Table 1.
Energie, mJ Cadence, Hz Energy, mJ Cadence, Hz
100 1000 100 1000
120 300 120,300
220 200 220,200
300 100 300 100
400 10 400 10
Pour le mode QCW, des exemples de valeurs de l'énergie d'une pulsation en fonction de la cadence sont donnés dans le tableau 2, pour une durée de pulsation de 250 ps. For QCW mode, examples of pulse-rate versus cadence energy values are given in Table 2 for a pulse duration of 250 ps.
Tableau 2.  Table 2.
Energie, mJ Cadence, Hz Energy, mJ Cadence, Hz
250 1000 250 1000
225 300 225,300
420 200 420,200
1000 100 1800 10 1000 100 1800 10
La durée des pulsations est donnée, entre autres, par la longueur de la cavité. Selon des modes réalisation, la longueur de la cavité (RI) est comprise entre 300 mm et 450 mm environ. Selon des modes de réalisation, la source laser selon la présente invention peut également comprendre un module de conversion de fréquence (non représenté). Les techniques de conversion de fréquence, comme le doublage de fréquence, sont connues. Le module de conversion de fréquence est réglable afin de pouvoir obtenir le doublage ou le triplage de fréquence selon l'application de la source laser 1 souhaitée. Ainsi, pour une longueur d'onde d'émission du module laser 4 de 1064 nm, le doublage de fréquence permet d'obtenir une longueur d'onde d'émission de la source laser 1 de 532 nm, et le triplage de fréquence permet d'obtenir une longueur d'onde de 355 nm. De manière avantageuse, le premier miroir réfléchissant 2 de la cavité est un miroir déformable ou un miroir à réflectivité variable. Le profil du faisceau laser peut ainsi être modulé ou mis en forme et adapté selon l'application souhaitée de la source laser 1. The duration of the pulsations is given, inter alia, by the length of the cavity. According to embodiments, the length of the cavity (RI) is between 300 mm and 450 mm approximately. According to embodiments, the laser source according to the present invention may also comprise a frequency conversion module (not shown). Frequency conversion techniques, such as frequency doubling, are known. The frequency conversion module is adjustable in order to obtain frequency doubling or tripling according to the application of the desired laser source 1. Thus, for a transmission wavelength of the laser module 4 of 1064 nm, the frequency doubling makes it possible to obtain an emission wavelength of the laser source 1 of 532 nm, and the frequency tripling allows to obtain a wavelength of 355 nm. Advantageously, the first reflecting mirror 2 of the cavity is a deformable mirror or a mirror with variable reflectivity. The profile of the laser beam can thus be modulated or shaped and adapted according to the desired application of the laser source 1.
En référence au deuxième aspect de l'invention, la figure 2 représente un système 11 d'émission de faisceau laser selon un mode de réalisation. Le système laser 11 comprend la source laser 1 selon l'un des modes de réalisation décrit ci-dessus, et au moins une fibre optique 12 dans laquelle le faisceau laser transmis par le miroir de sortie est injecté. Le faisceau laser émis par le miroir de sortie de la source laser 1 est couplé dans la fibre optique 12 par un moyen de couplage 13. Ce moyen de couplage 13 est connu de l'homme du métier. Le moyen de couplage 13 peut être, par exemple, une lentille ou un système de lentilles. De préférence, le faisceau laser est couplé dans plusieurs fibres optiques, par exemple trois fibres identiques. Ceci permet de distribuer l'énergie de sortie sur ces fibres et ainsi de pouvoir augmenter l'énergie de sortie sans détériorer les fibres optiques. Selon un mode de réalisation préféré, l'au moins une fibre optique 12 est une fibre multimode. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le système laser 11 comprend également deux fibres optiques supplémentaires 14, 15. Ces fibres supplémentaires 14, 15 sont agencés latéralement par rapport à l'axe longitudinale de la cavité, par exemple sur les côtés d'un boitier entourant la cavité. Ainsi, des réflexions latérales sur des éléments optiques dans la cavité peuvent être récupérées et injectées dans les fibres supplémentaires 14, 15 par des moyens connus. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque le polariseur utilisé est un polariseur Brewster, produisant des réflexions latérales de part et d'autre de la plaque de verre constituant le polariseur. Ceci permet de minimiser les pertes dues à ces réflexions. With reference to the second aspect of the invention, FIG. 2 shows a laser beam emission system 11 according to one embodiment. The laser system 11 comprises the laser source 1 according to one of the embodiments described above, and at least one optical fiber 12 in which the laser beam transmitted by the output mirror is injected. The laser beam emitted by the output mirror of the laser source 1 is coupled in the optical fiber 12 by a coupling means 13. This coupling means 13 is known to those skilled in the art. The coupling means 13 may be, for example, a lens or a lens system. Preferably, the laser beam is coupled in a plurality of optical fibers, for example three identical fibers. This makes it possible to distribute the output energy on these fibers and thus to be able to increase the output energy without damaging the optical fibers. According to a preferred embodiment, the at least one optical fiber 12 is a multimode fiber. According to a particularly advantageous embodiment, the laser system 11 also comprises two additional optical fibers 14, 15. These additional fibers 14, 15 are arranged laterally with respect to the longitudinal axis of the cavity, for example on the sides of a housing surrounding the cavity. Thus, lateral reflections on optical elements in the cavity can be recovered and injected into the additional fibers 14, 15 by known means. This embodiment is particularly advantageous when the polarizer used is a Brewster polarizer, producing lateral reflections on either side of the glass plate constituting the polarizer. This makes it possible to minimize the losses due to these reflections.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention . De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier, toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux. Of course, the invention is not limited to the examples that have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention. In addition, the various features, shapes, variants and embodiments of the invention may be associated with each other in various combinations to the extent that they are not incompatible or exclusive of each other. In particular, all the variants and embodiments described above are combinable with each other.

Claims

REVENDICATIONS
Source laser (1) puisée à solide, comprenant : Laser source (1) pulsed to solid, comprising:
- un premier résonateur (RI) formé par un premier miroir réfléchissant (2) et un miroir de sortie (3) partiellement réfléchissant,  a first resonator (RI) formed by a first reflecting mirror (2) and a partially reflecting output mirror (3),
- un module laser (4) placé entre les miroirs (2, 3) du premier résonateur (RI), comprenant :  a laser module (4) placed between the mirrors (2, 3) of the first resonator (RI), comprising:
o un barreau laser en matériau solide à gain adapté pour générer un faisceau laser, et  a laser rod made of solid material with a gain adapted to generate a laser beam, and
o une source de pompage laser adaptée pour émettre dans le barreau laser un faisceau de pompe,  a laser pumping source adapted to emit a pump beam into the laser bar,
dans lequel le barreau laser est adapté pour amplifier le faisceau de pompe pour générer le faisceau laser, et le miroir de sortie (3) est adapté pour transmettre partiellement le faisceau laser,  wherein the laser bar is adapted to amplify the pump beam to generate the laser beam, and the output mirror (3) is adapted to partially transmit the laser beam,
- un dispositif d'atténuation variable (QS), pouvant basculer entre un état opaque et un état transparent pour le faisceau laser pour permettre à la source laser (1) de fonctionner en un mode déclenché, le dispositif (QS) étant placé entre le module laser (4) et le miroir réfléchissant (2),  a variable attenuation device (QS), able to switch between an opaque state and a transparent state for the laser beam to enable the laser source (1) to operate in a triggered mode, the device (QS) being placed between the laser module (4) and the reflecting mirror (2),
- un élément polarisant linéairement (5) disposé entre le dispositif d'atténuation variable (QS) et le module laser (4), et  a linearly polarizing element (5) disposed between the variable attenuation device (QS) and the laser module (4), and
- un élément retardateur de phase (8) disposé entre le miroir de sortie (3) et le module laser (4).  a phase-retarding element (8) arranged between the output mirror (3) and the laser module (4).
Source laser (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un deuxième miroir réfléchissant (9) adapté pour former un deuxième résonateur (R2) avec le miroir de sortie (3), le deuxième miroir (9) étant placé du côté opposé du module laser (4) par rapport au miroir de sortie (3) lorsque le deuxième résonateur (R2) est formé, le deuxième résonateur (R2) ne contenant pas de dispositif d'atténuation variable, Laser source (1) according to claim 1, further comprising a second reflecting mirror (9) adapted to form a second resonator (R2) with the exit mirror (3), the second mirror (9) being placed on the opposite side of the laser module (4) with respect to the output mirror (3) when the second resonator (R2) is formed, the second resonator (R2) not containing a variable attenuation device,
dans laquelle : - le deuxième résonateur in which : the second resonator
(R2) est adapté pour permettre à la source laser ( 1) de fonctionner en un mode quasi-continuous wave, QCW, et (R2) is adapted to allow the laser source (1) to operate in a quasi-continuous wave mode, QCW, and
- le deuxième miroir (9) est mobile pour permettre de basculer entre le premier et le deuxième résonateur.  - The second mirror (9) is movable to allow switching between the first and the second resonator.
3. Source laser ( 1) selon la revendications 1 ou 2, dans laquelle le dispositif d'atténuation variable (QS) comprend l'un parmi un modulateur électro-optique, un modulateur acousto-optique, un modulateur rotatif et un atténuateur variable passif. Laser source (1) according to claim 1 or 2, wherein the variable attenuation device (QS) comprises one of an electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, a rotary modulator and a passive variable attenuator. .
4. Source laser ( 1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un module de conversion de fréquence réglable adapté pour recevoir un faisceau émis par le module laser (4) et émettre un faisceau dont la longueur d'onde est modifiée par rapport à la longueur d'onde du faisceau émis par le module laser (4) . 4. laser source (1) according to one of the preceding claims, further comprising an adjustable frequency conversion module adapted to receive a beam emitted by the laser module (4) and emit a beam whose wavelength is modified relative to the wavelength of the beam emitted by the laser module (4).
5. Source laser ( 1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la cadence de pulsation est comprise entre 1 Hz et 1000 Hz. 5. laser source (1) according to one of the preceding claims, wherein the pulse rate is between 1 Hz and 1000 Hz.
6. Source laser ( 1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le barreau laser est en Nd :YAG et la longueur d'onde du faisceau laser émis par le module laser (4) est de 1064 nm. 6. Laser source (1) according to one of the preceding claims, wherein the laser bar is Nd: YAG and the wavelength of the laser beam emitted by the laser module (4) is 1064 nm.
7. Source laser ( 1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la source de pompage laser comprend au moins une diode laser puisée ou continue. 7. laser source (1) according to one of the preceding claims, wherein the laser pumping source comprises at least one pulsed or continuous laser diode.
8. Source laser ( 1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier miroir réfléchissant (2) est un miroir déformable ou un miroir à réflectivité variable adapté pour modifier le profil du faisceau laser. 8. laser source (1) according to one of the preceding claims, wherein the first reflecting mirror (2) is a deformable mirror or a variable reflectivity mirror adapted to change the profile of the laser beam.
9. Source laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément retardateur de phase est une lame de quart d'onde dont l'axe rapide est parallèle à la direction de polarisation linéaire. 9. laser source according to one of the preceding claims, wherein the phase retarding element is a quarter wave plate whose fast axis is parallel to the linear polarization direction.
10. Système ( 11) d'émission de faisceau laser, comprenant - une source laser ( 1) selon l'une des revendications 1 à 11, etLaser beam emitting system (11), comprising - a laser source (1) according to one of claims 1 to 11, and
- au moins une fibre optique ( 12) dans laquelle le faisceau laser transmis par le miroir de sortie (3) est injecté. at least one optical fiber (12) in which the laser beam transmitted by the output mirror (3) is injected.
11. Système ( 11) selon la revendication 10, comprenant en outre au moins une fibre optique supplémentaire ( 14, 15), de façon à ce que au moins un faisceau laser non transmis par le miroir de sortie (3) puisse être injecté dans la fibre optique supplémentaire ( 14, 15) . The system (11) of claim 10, further comprising at least one additional optical fiber (14, 15), such that at least one laser beam not transmitted by the output mirror (3) can be injected into the additional optical fiber (14, 15).
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