Brevet FR2007157A1 — publié le 19700102

2007157* La présente invention concerne des lasers. Les matières connues pouvant donner un effet laser et contenant de 1'erbium trivalent comme ion laser actif ont vu leur efficacité améliorée par l'incorporation, dans la matière hôte, d'ions sensibilisateurs 5 facilitant 1'excitation ou "pompage" des ions erbium trivalents à partir d'un état de base jusqu'à un niveau excité. Un système de transfert d'énergie, décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No.» 420,270 déposée le 22 décembre 1964, utilise de l'ytterbium tr.ivalent cornue sensibilisateur pour l'er-10 biu* trivalent. Cependant, l'ytterbium trivalent n'absorbe pas toutes les longueurs d'ondos émises par une lampe éclair. En fait, l'ytterbium absorbe uniquement une petite partie de la lumière produite par la lampe éclaix". Pour augmenter l'absorption et ainsi 1 'efficacité de l'excitât ion, on incorpore du néodyme comme 15 sensibilisateur pour l'ion yt:terbium. A la différence de l'ytter-biuat, le néodyme a des bandes d'absorption dans la partie visible dts spectre; il est de ce fait capable d'absorber la lumière émise par la lampe éclair dans cette partie du spectre. Cependant, dans cet arrangement, les ions néodiyme ajoutés pour agir comme sensibi-20 lisateur et absorber donc une plus grande partie de la lumière venant de la source d*excitâtio.ti tendent également à étouffer les ions erbium, même pour de faibles concentrations en ion néodyme. Cependant, si l'on excite les ions ytfcerbium avec une lumière à 1,06 ou 0,92 microns venant d'un laser dopé an néodyme, l'énergie 25 reçue par les ions ytterbium peut être transf érée aux ions erbium et il en résulte un moyen efficace pour prodviire un état d'inversion de la population des ions erbium. Egaler ment., on...obtient deux résultats supplémentaires. D'abord, comme l'ytterbium absorbe à 0,92 et 1,06 microns, un grand pourcentage L'invention concerne un dispositif laser contenant un barreau hôte dopé à 1 ' ytt 69 09958 2 2007157 • biuia. L'émission laser résultante des ions se, situe dans le voisinage de 1,5 microns. En excitant un barreau laser à l'ytterbium- - . .. '■ • . : i ; •' • " erbium par un générateur laser au néodyme, on obtient une efficacité d'excitation supérieure. Une lampe éclair émet une^grande quan-5 tité dé lumière qui n'est pas absorbée» donnant lieu à une éléva-tion de température du barreau laser. On a observé que la quantité de chaleur produite dans le barreau à l'ytterbium-erbium par excitation avec un générateur au néodyme est faible comparée à la quantité produite dans un barreau dopé de façon similaire, excité 10 au môme point par une lampe éclair conventionnelle. C'est un objet de cette invention de fournir un dispositif laser à erbium amélioré capable de produire une émission laser à 1*5 microns à la température ambiante, dans lequel les ions erbium sont excités par de l'énergie laser venant d'un générateur 15 laser au néodyme. Un autre objet de cette invention est de fournir un moyen efficace d'excitation d'un laser à ytterbium-erbium, dans lequel un grand pourcentage de l'énergie d'excitation sera absorbé par les ions ytterbium, produisant un dispositif laser dans lequel 20 seulement une faible partie de l'énergie de la source d'excitation chauffe le barreau laser pendant l'excitation de celui-ci. La Figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention, La Figure 2 est une représentation schématique d"une xaodi-25 fication du mode de réalisation de l'invention représenté à la Figure 1 et, La Figure 3 est une représentation schématique d'une autre modification du mode de réalisation de l'invention représenté à la Figure 2. , Y... 30 Les lasers sont des dispositifs amplificateurs et produc teurs de lumière spécifiquement adaptés pour fournir une lumière monochromatique, cohérente, de grande intensité. Cette lumière est produite par l'émission photonique des ions actifs disposés à l'intérieur du corps ou noyau d'une matière de laser. Les atones 35 qui sont normalement dans un état de "température positive" absorbent des quanta de lumière venant d'une source d'énergie telle une lampe éclair. Les ions sont donc excités à un niveau d'énergie supérieur et dans un état de "température négative" d'inversion 69 09958 3 2007157; de population; ils quittent rapidement cet état pour un niveau intermédiaire plus stable. Du niveau intermédiaire plus stable, les ions font alors une transition - normalement à vitesse plus faible - au niveau primitif ou état de base; cette transition 5 s'accompagne d'une émission de lumière» L'émission par transition du niveau intermédiaire à l'état de base est fluorescente. La structure du dispositif laser qui se trouve dans une cavité dont une extrémité est à réflexion totale et dont l'autre est à réflexion partielle produit alors une forte puissance dans un cône 10 étroit. Dans cette invention, on choisit 1*erbium comme ion à effet laser; il est présent à l'intérieur d'un barreau hôte qui est essentiellement transparent pour l'énergie lumineuse à la longueur d'onde d'émission laser de 1'erbium. L'erbium est présent en quantités pouvant donner un effet laser et, lorsqu'il s'établit 15 une inversion de population dans les ions erbium, une transition avec rayonnement entre un niveau d'énergie choisi de 1'erbium et un niveau inférieur est possible; celle-ci, en relation avec les caractéristiques dominantes d'absorption de la lumière émise par effet laser du barreau hôte, entretient dans le barreau hôte une 20 inversion de population suffisante entre deux niveaux d'énergie des ions erbium pour fournir, à la longueur d'onde de 1démission stimulée des ions erbium, un gain suffisant d'énergie lumineuse par émission stimulée pour excéder toutes.les pertes d'énergie lumineuse dans le barreau. 25 On prévoit également un générateur laser dans le quel le néodyme est l'ion donnant l'effet laser. Le néodyme trivalent est distribué à l'intérieur d'une matière hôte du générateur, ledit hôte étant essentiellement transparent pour l'énergie lumineuse à la longueur d'onde d'émission laser; du néodyme triva-30 lent. Le néodyme est également présent avec une concentration telle qu'il peut s'établir une inversion de population suffisante entre deux niveaux d'énergie pour donner un gain suffisant à la longueur d'onde laser de l'émission stimulée pour surmonter toutes les pertes de lumière à l'intérieur de la matière laser au néodyma 35 Comme enseigné dans la demande de brevet des Etats- Unis d'Amérique No. 420,270 déposée le 22 décembre 1964, on peut obtenir une plus grande efficacité en utilisant des ions ytterbium coome sensibilisateurs pour 1'erbium. L'ytterbium trivalent peut 69 09958 2007157 ^ être excité par une source d'énergie à partir d'un niveau de 2 " * 2 base initial désigné par F^2 jusqu'à un niveau supérieur **5/2' Il peut alors se produire un transfert d'énergie du niveau supé- rieur de l'ytterbium trivalent au niveau supérieur \ *,er~ 5 bium trivalent. Il se produit alors une transition sans rayonne- 4 4 ment du niveau ^2.1/2 de l'erkium au niveau *2.3/2 de •*-'er*);'-uia- Il se produit ensuite une transition entre le niveau d'énergie 4 4 I13/2 et le-niveau d'énergie *15/2' ce produit 1'émission laser. 10 Cependant./-comme expliqué précédemment, l'ytterbium n'ab sorbe pas toutes lès longueurs d'onde de l'énergie lumineuse produite par une lampe éclair. Pour augmenter l'absorption de la lumière venant d'unelampe éclair, les matières de la technique antérieure contenaient de faibles quantités de néodyme dans l'hôte 15 à erbium-ytterbium. Cependant, le néodyme, mâme à des concentrations relativement faibles, peut étouffer la fluorescence des ions erbium voisins. En fournissant un barreau dopé à l'ytterbium-erbium, comme enseigné dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 20 420,270 et en excitant le barreau à l'ytterbium-erbium par de l'énergie laser à 0,92 ou à 1,06 microns venant d'un générateur lumineux laser dopé au néodyme et couplé optiquement, -il se produit une absorption efficace de la lumière d'excitation par les ions ytterbium, et comme les ions néodyme ne sont pas voisins 25 des ions erbium, on élimine 1 ' étouf fement des ions erbium par le néodyme. L'inventeur a également découvert que l'efficacité d'excitation à 1,06 microns peut être améliorée en chauffant le barreau à l'ytterbium-erbium de façon à augmenter le coefficient d'absorption des ions ytterbium à 1,06 microns. 30 Dans la présente invention, de la lumière laser à 0,92 ou • _ - 2 1,06 microns excite les ions ytterbium au niveau supérieur ^5/2 et les ions ytterbium transfèrent 1'énergie aux ions erbium, ce qui produit finalement la puissance de sortie laser de 1'erbium. En accord avec ceci, les dispositifs de la présente inven-35 tion utilisent un hôte dopé à l'ytterbium-erbium qui est excité par un faisceau laser à 0,92 ou 1,06 microns. Ce faisceau laser vient d'un générateur de lumière laser dopé au néodyme. Le terme "générateur de lumière laser" comprend les oscillateurs laser et 69 09958 5 2007157 les araplificateurs laser. Lorsqu'un barreau est dopé par des ions ytterbium et erbium, l'énergie reçue par l'ytterbium amène les électrons de l'ytterbium à un niveau d'énergie excité; l'ytterbium transfère ensuite cette énergie à 1'erbium et permet ainsi 5 à une inversion dé population de se produire dans les ions, erbium. En accord avec ceci, il rentre dans le cadre de cette invention que l'hôte dopé à l'ytterbium-erbium peut former un oscillateur, une extrémité de sa cavité résonante étant à réflexion totale et l'autre extrémité étant à réflexion partielle, ledit oscillateur 10 étant excité uniquement par de l'énergie laser venant d'un générateur de lumière laser au néodyme à 1,06 ou 0,92 microns. On peut également utiliser dans un amplificateur laser le procédé d'excitation d'un barreau à l'ytterbium-erbium par de l'énergie laser venant d"un générateur de lumière laser ou néodyme. 15 L'énergie laser du néodyme peut être utilisée coome source d'excitation pour produire un état d'inversion-de population avec amplificateur dopé à l'ytterbium-erbium. Donc, une impulsion laser vônant d'un oscillateur laser à erbium peut être introduite dans un amplificateur à ytterbium-erbium, lequel amplificateur a été 20 excité par de l'énergie laser venant d'un générateur-de lumière laser au néodyme. L'invention inclut tout dispositif laser dans lequel on produit une inversion de population de 1'erbium dans un hôte à ytterbium-erbium lorsque l'inversion résulte de l'excitation par un générateur de lumière laser au néodyme séparé. 25 Les Figures 1-3 représentent trois configurations pour des dispositifs oscillateurs laser. En se référant à la Figure 1, le dispositif laser lO comprend une première cavité laser 12 formée par des réflecteurs R^ et R_ et une seconde cavité laser 14 formée par des réflecteurs «M 30 S- et R,. A l'intérieur de la cavité 12 se trouve un barreau 16 dopé pair du néodyme trivalent. A l'intérieur de la cavité 14 se trouve un barreau 18 dopé par de l'ytterbium trivalent-erbium trivalent. Une lampe éclair 20 est étroitement enroulée ou disposée d'une autrè façon à proximité du barreau laser au néodyme, 16. La-35 dite lampe éclair 20 fournit de l'énergie d'excitation et produit un état d'inversion de population dans les ions néodyme trivalents du barreau 16. Le réflecteur R^ est placé à l'extrémité de la cavité laser 12 la plus éloignée de la cavité laser 14. Le réflec- vant un angle de 45° par rapport au barreau 16. La lumière laser à 1,66 microns pénètre donc dans le barreau 18 en faisant un angle de 45° par rapport à son axe 28. La longueur L du barreau 18 est 35 choisie pour être un multiple entier de la largeur D. Donc, la lumière laser venant du barreau 16 au néodyme se déplace dans le barreau 18 en suivant le chemin en pointillés 30 vers l'extrémité plane, et revient vers l'extrémité en toit où elle est normale au 69 09958 6 2007157 teur R^ a essentiellement un indice de réflexion de 100 % pour la lumière à la longueur, d'onde de 1,06 microns. Le réflecteur R2 sépare la première cavité 12 et la seconde cavité 14. Le réflecteur R2 est dichroi'que et a essentiellement un indice de réflexion de 5 100 % pour l'énergie lumineuse à 1,5 microns mais est moins réfléchissant pour la lumière à la longueur d'onde de 1,06 microns de telle sorte que l'énergie à 1,06 microns peut sortir. Par exemple, le réflecteur R2 peut réfléchir 50 % au moins de l'énergie à 1,06 microns. L'énergie lumineuse est produite par l'émission stimulée 10 du néodyme trivalent du barreau 16 et oscille dans un sens et dans l'autre entre les réflecteurs R^ et R^, avec une puissance de sortie représentée par la flèche 22. L'énergie laser représentée par la flèche 22 pénètre dans le barreau 18, excite les ions ytterbium trivalents qui transfèrent cette énergie aux ions erbium voisins l-ëIIII 15 et produisent un état d'inversion de population dans les ions erbium. A l'extrémité de la seconde cavité laser 14 opposée au réflecteur R_ se trouve le réflecteur R,. Le réflecteur R-,, comme le 2 3 3 réflecteur R2, est dichroîque. Cependant, son indice de réflexion est de 100 % pour les longueurs d'onde de 1,06 microns, de façon 20 à ramener dans le barreau 18 toute l'énergie à 1,06 microns qui peut le traverser entièrement, de façon à l'utiliser efficacement; il est d'approximativement 60 % pour l'énergie à la longueur d'onde de 1,5 microns. La lumière résultant de l'émission stimulée des ions erbium trivalents oscille en phase à 1'intérieur de la cavité 25 14, entre les réflecteurs R2 et R^, avec une puissance de sortie à 1,5 microns représentée par la flèche 24. La Figure 2 représente un autre mode de réalisation. Ici, le barreau 18 dopé à l'ytterbium trivalent-erbium trivalent est appointé à un angle de 90° comme représenté en 26, et 'forme un 30 toit dont une face S, est parallèle à la surface d'extrémité du ; Y-âW barreau 16. Le barreau est disposé dans la seconde cavité 14 sui- - -fâ# --4fe3£ft: s. m 69 09958 ' 2007157 plan de la surface . Le réflecteur est placé parallèlement à la surface et la lumière est ramenée dans le barreau 18 comme représenté par les pointillés 30. La lumière laser se déplaçant suivant un chemin indiqué par les pointillés 30 excite les ions 5 ytterbium sè trouvant sur son passage et les ions ytterbium transféreront cette énergie pour produire un état d'inversion de population dans les ions erbium. Le toit 26, agit comme réflecteur, par réflexion interne totale, et réfléchit ..la lumière résultant de l'émission stimulée des ions erbium le long d'un chemin parallèle 10 à sa direction d'arrivée. Donc, le toit 26 et le réflecteur créent une cavité résonnante avec une énergie de sortie à 1,5" microns représentée par la flèche 24. La Figure 3 représente un mode de réalisation semblable à celui de la Figuré 2 mais avec une seule surface inclinée for-15 mant un angle de 45° en 32. La surface est parallèle à l'extrémité plane adjacente du barreau 16. L'énergie laser à 1,06 micfrons pénètre dans le barreau 18 en frappant la surface S3 et est réfléchie le long du chemin représenté par les pointillés 30, excitant les ions ytterbium le long du chemin 30. Un transfert d'énergie 20 se produit entre les ions ytterbium et les ions erbium, comme décrit ci-dessus. Un réflecteur R^ est prévu le long d'un côté du barreau 18 parallèle à l'axe 28 du barreau. Le réflecteur R^ réfléchit essentiellement 100 % de l'énergie à la longueur d'onde de 1,5 Hiicrons et forme avec le réflecteur R^ une cavité résonnan-25 te pour le barreau 18. Donc, la lumière produite par l'émission stimulée des ions erbium dans le barreau 18 oscille le long d'un chemin indiqué par la ligne ondulée 34, avec une émission laser associée dans la direction de la flèche 24 de la Figure 3. 69 09958 " 2007157c REVENDICATIONS 1. Un dispositif laser caractérisé par une première cavité laser résonnante contenant un barreau laser dopé au néodyme, une seconde cavité laser résonnante couplée optiquement à la première 5 et contenant un barreau laser dopé à 1'ytterbiumrerbium, un moyen * ï pour exciter le barreau au néodyme pour produire!un état d'inver- ? sion de population dans les ions néodyme y contehus, un moyen pour amener dans la seconde cavité de la lumière venafit de la première cavité, et tin moyen pour émettre de l'énergie laser à partir de la î 10 seconde cavité. j 2. Le dispositif de la revendication 1, caractérisé en ce I que la première cavité résonnante forme avec le ,'barreau y contenu un générateur de lumière laser pouvant produire |de la lumière la-ser à 0,92 ou 1,06 microns. ! 15 3. Le dispositif de la revendication 1, Caractérisé en ce que la première cavité est formée par un moyen Réflecteur réflé- C chissant la lumière à la longueur d'onde de l,oè microns, et en ce que la seconde cavité est formée parun moyen' réflecteur réflé- 1 chissant la lumière à 1,5 microns. 20 4. Le dispositif des revendications précédentes, caractéri sé en ce que la première cavité est couplée optiquement à la seconde pour la lumière à 1,06 microns, et en ce 'que l'énergie laser émise par la seconde cavité l'est à la longueur d'onde de 1,5 microns . 25 5. Le dispositif de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur de lumière laser dopé au néodyme est un oscillateur laser, 6. Le dispositif de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur de lumière laser dopé au néodyme*est un am- 30 plificateur laser. 7. Le dispositif de la revendication 1, caractérisé en ce que le barreau laser dopé à 1'ytterbium-erbium est un oscillateur laser. 8. Le dispositif de la revendication 1, caractérisé en ce 35 que le barreau laser dopé à 1'ytterbium-erbium est un amplificateur laser. 9. Le dispositif des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen pour amener la lumière à 1,06 nierons venant de la 69 09958 9 2007157 première cavité dans la. seconde cavité est un réflecteur dichrofque formant réflecteur d'extrémité pour lea extrémités adjacentes de la première et de la seconde cavités, ledit réflecteur dichroïque étant légèrement transmetteur à 1,06 microns et totalement réflec-5 teur à 1,5 microns* 10. Le dispositif des revendications 1 à 4, caractérisé en œ que le moyen pour amener la lumière à 1,06 micr.ons venant de la première cavité dans la seconde cavité est une face plane du barreau à l'ytterbium-erbium à l'extrémité du barreau proche de la 10 première cavité,le plan de la face faisant un angle de 45° par rapport à l'axe du barreau et étant normal à la direction de la propagation laser venant de la première cavité. 11. Le dispositif des revendications 1 à 4 et 10, caractérisé en ce que le moyen pour réfléchir la lumière à 1,5 microns est un 15 toit à l'extrémité du barreau à l'ytterbium-erbium proche de la première cavité, pour réfléchir la lumière par réflexion interne totale, et un réflecteur à l'extrémité opposée du barreau, ce réflecteur étant légèrement transmetteur pour la lumière à 1,5 microns. 20 12. Le dispositif des revendications 1 à 4 et 10caractéri sé en ce que le moyen pour réfléchir la lumière à 1,5 microns est un réflecteur total disposé de façon à réfléchir les ondes lumineuses passant à travers le barreau à l'ytterbium-erbium à l'extrémité du barreau proche de la première cavité laser et à la ramener 25 dans le barreau suivant le même chemin, et un réflecteur légèrement transmetteur pour la lumière à 1,5 microns à l'extrémité opposée dudit barreau.