Brevet FR2007264A1 — publié le 19700102

i 2607264 Cette invention concerne des structures de lasers et de dispositifs semblables. Elle concerne plus particulièrement une structure de laser utilisant un noyau allongé formé d'un verre de laser choisi, contenant de l'erbium trivalent en tant qu'ion laser 5 actif, de façon à émettre de l'énergie optique cohérente à une longueur d'onde située substantiellement dans le voisinage de la longueur d'onde de 1,5 microns du spectre électromagnétique; la structure de laser utilise aussi un revêtement d'une matière sélectivement absorbante disposée autour de, et en contact avec les 10 parois latérales du noyau, un des constituants de ce revêtement étant du praséodyme trivalent et ledit revêtement ayant une bonne transparence pour l'énergie optique située dans les bandes de longueurs d'onde de pompage pour ledit verre de laser et, en même temps, ayant de bonnes caractéristiques d'absorption pour l'éner-15 gie optique à la longueur d'onde d'émission dudit verre de laser. On sait déjà - comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 420,270 déposée le 22 décembre 1964 -que des verres dopés par de l'erbium trivalent peuvent donner un effet laser lorsqu'ils sont pompés de façon appropriée par une 20 source de lumière telle qu'une lampe-éclair ou tin dispositif semblable. Il est de plus décrit dans ladite demande de brevet antérieure qu'un tel verre de laser dopé à l'erbium peut être pourvu de quantités appropriées d'ytterbium trivalent, ou même, simultanément, d'ytterbium trivalent et de néodyme trivalent, en quanti-25 tés appropriées pour agir comme ions sensibilisateurs ou de pompage pour ledit verre de laser à l'erbium et permettre ainsi au verre de laser à l'erbium et permettre ainsi au verre de laser à l'erbium d'absorber plus facilement l'énergie de pompage et d'atteindre plus facilement le seuil laser qu'il n'est possible lors-30 que l'on utilise uniquement de l'erbium trivalent coitsae constituant actif du verre de laser. On a maintenant trouvé que, lorsque de l'erbium trivalent est contenu dans un hôte en verre du type mentionné ci-dessus pour former une structure de laser qui émettra substantiellement à la 35 longueur d'onde de 1,5 microns, l'efficacité de fonctionnement de cette structure de laser peut être améliorée considérablement en utilisant avec elle une matière de revêtement sélectivement absorbante contenant du praséodyme trivalent. Cette matière de revête 69 11379 2 2007264 ment dopée au praséodyme est telle qu'elle transmettra efficacement la plupart des longueurs d'ondes de .l'énergie optique dans la partie visible du spectre électromagnétique et dans l'infrarouge proche jusqu'à 1,2 microns, pour pomper la matière de laser 5 à travers elle; d'autre part, elle est si sélectivement absorbante qu'elle réalise une absorption pour l'énergie laser émise de façon spontanée, à la longueur d'onde de 1,5 microns, qui peut passer de l'intérieur du noyau de la matière de laser dans la matière de revêtement qui l'entoure, aidant ainsi à éviter une diminution 10 de l'inversion de population de la matière de laser pompée ou excitée à un niveau d'énergie supérieur ou excité. C'est donc un objet de l'invention de fournir une structure de laser comprenant un noyau allongé d'un verre de laser contenant de l'erbium trivalent en tant qu'ion actif de façon à émet-15 tre substantiellement à la longueur d'onde de 1,5 microns, et une matière de revêtement sélectivement absorbante entourant ledit noyau, en contact avec ses parois latérales, et contenant du praséodyme trivalent. \ C'est un autre objet de l'invention de fournir, pour une 20 telle structure de laser comprenant un noyau allongé d'un verre de laser dopé à l'erbium trivalent, de l'ytterbimi trivaleat en tant que composant sensibilisateur, ledit praséodyme trivalent de la matière de revêtement ayant des caraafeêsistiqiïss telles qu'il permet un pompage efficace du verre de lassr contenant de l'erbium et de 25 l'ytterbium et qu'il permet en même t&mgs uae bonne absorption de l'énergie optique émise à une longueur d°onc3® de substantiellement 1,5 microns par ledit verre de laser. c'est un objet supplémentaire de la présente invention de fournir, dans une telle structure de laser utilisant de l'erbium 30 et de l'ytterbium trivalents comme ions laser et de pompage, du néodyme trivalent en tant qu'ion de pompage, la matière de revêtement sélectiuanent absorbante contenant du praséodyme trivalent fournissant également une transparence pour l'énergie optique aux bandes de longueurs d'onde d'excitation de l'ion néodyme. 35 D'autres objets, caractéristiques et avantages de la pré sente invention apparaîtront de la description détaillée donnée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est une coupe d'une structure de laser longi 69 1T379 3 2007264 tudinale comprenant un noyau d'un verre de laser dopé à l'erbium entouré d'un revêtement en une matière sélectivement absorbante, de caractéristiques contrôlées pour coopérer efficacement avec lui, La Figure 2 représente un schéma des niveaux d'énergie 5 pour un système laser à trois niveaux pour l'erbium et pour l'ytterbium, utilisé pour expliquer les principes de fonctionnement de la présente invention# La Figure 3 représente un schéma des niveaux d'énergie pour un système laser utilisant de l'erbium trivalent, et repré-10 sente de l'ytterbium trivalent aussi bien que du néodyme trivalent comme ions de pompage pour celui-ci, et La Figure 4 est un graphique représentant une courbe du pourcentage de transmission pour une matière de revêtement contenant du praséodyme trivalent, en fonction de la longueur d'onde 15 dans les régions visibles et infra-rouge proche du spectre. En se référant aux dessins, on verra qu'une structure de laser est schématiquement représentée en 10 à la Figure 1 et se compose d'un noyau allongé 12 en verre de laser entouré d'un revêtement 14 d'une matière sélectivement absorbante en contact avec 20 les parois latérales du noyau sur toute la longueur de celui-ci. Dans une structure préférée, ce noyau sera formé d'un verre de laser contenant de l'erbium trivalent en tant qu'ion laser actif. De plus, le revêtement sera formé par une matière sélectivement absorbante contenant du praséodyme trivalent. 25 Dans une structure telle que celle représentée à la Figure 1, il est souvent désirable que la structure ne propage et n'émette que l'énergie laser dirigée d'une façon très rapprochée de l'axe, et, lorsque c'est le cas, l'indice de réfraction du noyau 12 sera prédéterminé et l'indice de réfraction de la matière de 30 revêtement sera contrôlé très soigneusement pour qu'il en soit très proche à la longueur d'onde d'émission laser du système. Eji fait, à certains moments, l'indice de réfraction de la matière de revêtement peut être inférieur de pas plus de un ou deux millièmes à celui de la matière du noyau. 35 Lorsqu'une telle structure de laser est réalisée et que la structure est excitée par un dispositif (non représenté) qui l'entoure, l'énergie d'excitation 15 traverse la matière de revêtement et pénètre dans le noyau, et l'énergie laser émise sponta 69 11379 4 2007264 nément engendrée à l'intérieur du noyau tendra à se déplacer dans toutes les directions. Donc, une certaine partie de cette lumière se déplacera dans des directions autres que la direction substantiellement longitudinale du noyau et aboutira à l'interface noyau-5 revêtement. Si la différence entre les indices de réfraction est faible, la plus grande partie de cette lumière désaxée traversera l'interface et sera alors absorbée par la matière de revêtement. De cette façon, cétte énergie ne pourra se réfléchir à l'interface noyau-revêtement et ne pourra donc réduire l'inversion de popula-10 tion dans la matière de laser, affectant ainsi l'énergie se déplaçant de façon plus longitudinale à l'intérieur du noyau. Une telle structure de laser, comme représentée à la Figure 1, peut être munie de manière connue de surfaces réfléchissantes opposées et parallèles aux extrémités opposées du noyau laser de telle sorte 15 qu'elle peut fonctionner comme structure à cavité résonnante pour la création de lumière laser. Ou, comme il est également bien connu, une structure de laser telle que celle représentée à la Figure I peut être réalisée de façon à avoir une longueur notablement plus \ grande que sa dimension transversale, de façon à être utilisée 20 comme un amplificateur laser à ondes progressives dans lequel l'accumulation d'énergie laser se produit le long de la structure pendant le pompage de celle-ci et produit une amplification de la lumière se déplaçant longitudinalement à travers elle sans qu'il se produise d'oscillation interne de l'énergie. 25 Dans un système laser réalisé selon les enseignements de la présente invention, il est possible d'utiliser un verre de laser dopé à l'erbium trivalent comme noyau entouré par un revêtement sélectivement absorbant en une matière contenant du praséodyme trivalent, et d'obtenir un fonctionnement laser amélioré sub-30 stantiellement à une longueur d'onde d'émission de 1,5 microns. II est également possible d'utiliser, en même temps qu'un tel verre de laser dopé à l'erbium, des ions ytterbium ou même, simultanément, des ions ytterbium et néodyme comme ions de pompage pour le verre de laser à l'erbium et d'obtenir ainsi une émission la- 35 ser substantiellement à 1,5 microns, aussi bien qu'un rendement de fonctionnement amélioré pour le laser par rapport à la plupart des matières de laser dopées à l'erbium seul. Brièvement, un ion de pompage dans un hôte én verre de laser, par exemple un verre 69 11379 5 2007264 de laser à l'erbium, est utilisé pour absorber l'énergie de pompage d'une lampe éclair ou d'un dispositif semblable, quand la matière laser est amenée à l'état d'énergie fluorescent.. Au lieu d'une transition subséquente vers le bas, l'ion de pompage trans-5 fère son énergie à un ion laser contenu également dans la matière hôte du fait qu'il existe un recouvrement approximatif des états d'énergie fluorescents de l'ion de pompage et du niveau d'énergie supérieur de l'ion laser. De cette façon, l'ion laser peut plus facilement recevoir et conserver une énergie suffisante pour l'in-10 version avant que ne commence l'effet laser. Un mode de réalisation de l'invention peut utiliser un verre de laser à.l'erbium sans la présence d'un ion de pompage. Cependant, un mode de réalisation amélioré de l'invention prévoit, dans le verre de laser contenant de l'erbium trivalent en tant 15 qu'ion laser, de l'ytterbium trivalent en tant qu'ion de pompage. Bien sûr, la matière de revêtement contenant du praséodyme sera utilisée dans les deux cas. Ces deux formes de laser à erbium fonctionnent aux températures ambiantes, et l'émission se produit substantiellement à 1,5 microns. 20 Autour du noyau aLlongé de verre de laser, et en contact optique intime avec ses parois latérales, est disposée la matière de revêtement sélectivement absorbante contenant eorciae constituant important du praséodyme trivalent. Cette matière de revêtement contenant du praséodyme peut en fait être un solide tel qu'un ver-25 re ou un plastique transparents ou un liquide transparent, excepté la coloration due aux ions praséodyraes qu'elle contient. Un solide approprié pourrait être un verre très semblable à celui formant la matière hCte pour le noyau laser (il y aurait donc une bonne compatibilité), une résine époxy ou un chélate con-30 tenant du praséodyme trivalent, ou pourrait être un liquide tel que de l'eau dans laquelle est dissout du chlorure de praséodyros. La structure de laser utilisant uniquement de l'erbium trivalent comme ion laser fonctionne comme représenté à la Figure 2ï l'erbium trivalent est excité, par une lampe éclair ou un dis-35 positif semblable, à partir d'un niveau de base initial jusqu'à 4 un niveau d'énergie supérieur ^2.1/2' COInme iïîê'iÇF-1® par la flèche 18. Ou, comme suggéré par la flécha 20, 1'excitation à un niveau 2 supérieur F^^peut se produire dans l'ytterbium trivalent et 69 11379 6 2007264 être suivi par vin transfert d'énergie qui se produit alors entre 2 le niveau d'énergie supérieur de l'ytterbium trivalent et le niveau d'énergie supérieur 4;t 2.1/2 de l'erbium trivalent; ce transfert d'énergie est indiqué par la flèche horizontale ondulée 22. 5 II peut alors se produire une transition sans rayonnement du ni- 4 4 " veau d'énergie au niveau d'énergie *-±3/2 de l'erbium tri valent, comme indiqué par la flèche ondulée 24. Une transition subséquente se produit entre ce dernier niveau d'énergie et le ni-4 veau d'énergie ^5/2' contme indiqué par la flèche 26, produisant 10 l'émission laser désirée (comme indiqué par la flèche 16 à la Figure 1); ce dernier niveau d'énergie est seulement légèrement au-dessus du niveau de base. Les concentrations recommandées pour un tel verre de laser sont de 15 % en poids d'oxyde d'ytterbium (ïbjO^) et h % d'axy-15 de d'erbium (Er203). L'hâte en verre ou matière de base peut contenir 70,64 % en poids , 11,47 % en poids d'oxyde de potassium (KjO), 5,05 % en poids d'oxyde de baryum (EaO), 1,05 % en poids d'antimoine (Sb^O^), 1,58 % en poids d'oxyde d'aluminium (Âl^O^), 20 1,58 % en poids d'oxyde de zinc (ZnQ)t ©t 1^05 % en poids d'oxyde de lithium (Li^O). Avec un verre ayant un© composition de ce type, la,concentrâtion des ions de pompage peut se situer entre approximativement 0,1 et 60 % en poids d1osyde d'ytterbium (Yb^C„) et la concentration des ions laser peut se situer dans le voisinage 25 d'approximativement 0,001 % en poids â 20 % en poids d'oxyde d*erbium (Er203}. Lorsque 1'ion néodyme est êgaleraeat utilisé dans la composition du verre de laser, on utilisera de l'oxyde de néodyme (Nd203) ën quantités correspondant approximativement à la concentration de l'erbium. Cependant, lorsque l'on utilise des ions er-30 foiuiu et néodyme dans ]e-verre de laser, on préférera les pourcentages plus proches de la borne inférieure de ce domine, à la fois _ 3+ . „j3+ pour Er et pour Nd De plus, des ions néodyme trivalents peuvent êtes utilisés pour sensibiliser et améliorer la fluorescence du verre de laser 35 à erbium en combinaison avec les ions ytterbium. Par exemple, il est nécessaire d'utiliser un ou deux ions ytterbium comme ions intermédiaires pour les ions néodyme de pompage, et l'erbium est alors utilisé comme ion laser, comme suggéré à la Figure 3. Le 69 11379 7 2007264 système laser- de cette Figure fonctionne comme suit: les ions néodyme sont excités à partir du niveau de base 4*g/2 au n^veau d'énergie 4f3/2' coinme représenté par la flèche 30. Il se produit alors un transfert d'énergie du niveau au niveau 5 2f5/2 âe l'ytterbium comme représenté par la flèche horizontale ondulée32. Il peut alors se produire une relaxation croisée avec l'ion ytterbium voisin, comme représenté par la flèche horizontale ondulée 34, et l'énergie est alors transférée, comme représenté 4 par la flèche horizontale ondulée 36, au niveau d'énergie x^2./2 D de l'erbium. 4 De ce niveau d'énergie ^11/2' ^ se Produ^'t alors une transition sans rayonnement, comme suggéré par la flèche ondulée 4 38, au niveau d'énergie ^i3/2 âe l,erl>ium- A ce point, si les ions néodyme de pompage excités ne sont pas dans une région sépa-15 rée des ions erbium par un ou deux ions ytterbium, le laser s'é- 4 teindra, par transfert d'énergie au niveau d'énergie ^^3/2 l'ion néodyme, comme indiqué par la flèche en pointillés 40. Pour jkanper la structure de laser selon 3e mode de réalisation de la Figure 2, il est désirable d'avoir une concentration 20 d'ions de pompage aussi élevée que possible et, d'autre part, les ions laser devraient âtre maintenus à une concentration très faible puisque au moins une moitié de ces ions laser doivent être excités pour que se produise l'émission laser, et qu'il y a une difficulté considérable à inverser la population d'un grand nombre 25 de ces ions laser. Le domaine de concentrations approximatif des ions de ponçage et des ions laser mentionné ci-dessus pour de l'ytterbium trivalent et de l'erbium trivalent est satisfaisant. Une caractéristique du fonctionnement de la structure de laser selon la présente invention appliquée au noyau laser dopé à 30 1'erbium-ytterbium et à la matière de revêtement dopée au praséodyme, est le pompage efficace de ce noyau laser à travers la matière de revêtement dopée au praséodyme et le transfert efficace de l'énergie de pompage entre les ions ytterbium et erbium triva- lents, ceci étant facilité par le recouvrement approximatif de 2 4 35 l'état fluorescent Fg/2 l'*on ytterbivua et de l'état 1^/2 de l'ion erbium. De plus, en utilisant une concentration élevée dîytterbium trivalent, il se produit une relaxation croisée entre les différents ions ytterbium trivalents, comme suggéré en 34 à 69 11379 8 2007264 la Figure 3. Il en résulte qu'un ion ytterbium excité dans une région éloignée de tout ion erbium trivalent peut transférer son énergie à l'ion ytterbium trivalent proche; ceci continue jusqu'à ■ ce que l'énergie arrive dans le voisinage de l'ion erbium auquel 5 elle est alors transférée. Des mesures réalisées sur le rapport de fluorescence d'un ion ytterbium trivalent et d'un ion erbium trivalent indiquent que, pour des concentrations de Yfc^O^et de Er203 de respectivement 15 % en poids et h % en poids, plus de 90 % de l'énergie est transférée de l'ion ytterbium trivalent à 10 l'ion erbium trivalent. La longueur d'onde d'émission pour un verre de laser à erbium trivalent se situe dans le voisinage de 1,5 microns dans l'in*-fr.a-rouge alors que, d'autre part, les principales bandes de longueurs d'onde de pompage pour celui-ci se situent principalement 15 dans des parties du spectre visible. De plus, les principales bandes de longueurs d'onde de pompage pour l'ytterbium trivalent se situent dans une région du spectre entre substantiellement 0,88 micron et 1,02 microns. De plus, les principales bandes de longuais d'onde de pompage pour le néodyme trivalent se situent dans le do-20 maine visible entre 0,48 micronet 0,%) micron. En accord avec ceci, on se rendra compte qu'une matière de revêtement ayant les caractéristiques désirables pour agir avec les constituants mentionnés ci-dessus pour la matière du noyau laser devrait être fortement absorbante dans la zone de 1,5 microns du çpectre tandis 25 qu'elle devrait avoir de bonnes propriétés de transmission de la lumière sur 'la plus grande partie de la région visible du spectre et dans le proche, infra-rouge au moins jusqu'à 1*02 microns ou un peu plus, pour que l'on puisse utiliser efficacement l'énergie optique de pompage disponible. Egalement, en même temps, la matière 30 de revêtement devrait fournir une grande absorption de l'énergie laser émise spontanément en dehors de l'axe à 1,5 microns. Comme le montre la Figure 4 qui représente une courbe d'absorption pour le verre de revêtement contenant du praséodyme, il se produit une absorption relativement bonne dans la région de 1,5 microns, 35 et, en même temps, il se produit une bonne transmission dans la plus grande partie de la région visible. Le verre de revêtement avait approximativement 1mm. d'épaisseur et avait la composition suivante: Zn0,12,39 % en poids; Al203,7,13 % en poids; La203,8,50% 69 11379 9 2007264 en poids; ?£()(.,67f98 % en poids et P^O^^O % en poids* Il faudrait mentionner ici que la combinaison des ions ytterbium et erbium aussi bien que des ions néodyme, lorsqu'on le désire, peut être utilisée dans des bases en verre autres que 5 celles mentionnées plus haut, sans que l'on rencontre de difficulté pourvu que les verres utilisés aient une transparence élevée dans les bandes de longueurs d'onde de pompage de la matière de laser aussi bien que dans les bandes de longueurs d'onde de pompage pour les ions de pompage. Par exemple, on peut utiliser des 10 verres inorganiques tels que des verres au silicate, au phosphate, aux borates, au sulfure d'arsenic, au séléniure, au tellurure, chalcogénés, au fluorure, à l'oxy-fluorure, àl'.alumino-silicate et au german&te. 69 11379 10 2007264 REVENDICATIONS 1. Une, structure de laser pour émettre de l'énergie optique cohérente substantiellement à une longueur d'onde de 1,5 microns avec un rendement relativement élevé, ladite structure comprenant 5 un noyau allongé d'une matière de laser solide et un revêtement sélectivement absorbant disposé autour de, et en contact avec la paroi latérale du noyau, la matière de laser étant un verre de laser contenant de l'erbium trivalent en tant qu'ion actif, le revêtement étant formé d'une matière dont un constituant est du pra-10 séodyme trivalent, la matière de revêtement ayant une bonne transparence pour l'énergie optique dans la plus grande partie du spectre visible et dans le proche infra-rouge jusqu'à une longueur d'onde de substantiellement 1,2 microns, de façon à pouvoir être facilement traversée par l'énergie optique dans les bandes de 15 longueurs d'onde de pompage de la matière de laser, la matière de revêtement ayant égalesmant une bonne absorption pour 14énergie optique située substantiellement dans la région de 1,5 microns du spectre. 2. Une structure de laser selon la revendication 1, carac-20 térisé en ce que le verre de laser contient de l'ytterbium trivalent comme ion de pompage. 3. Une structure de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre de laser contient de l'ytterbium trivalent et du néodyme trivalent comme ions de pompage. 25 4. Une structure de laser se loi? la revendication 1, carac térisé en ce que la matière de revêtement est an verre contenant entre approximativement 0,1 et 30 % en poiâ® d'oxyde de praséodyme, 5. ' Une structure de laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre de laser contient de l'ytterbl/am triva- 30 lent comme ion de pompage, et la matière de revêtement est un verre contenant entre approximativement 0,1 et 30 % en poids d'oxyde de praséodyme. 6. Une structure de laser selon la revendicatioa 1, caractérisé en ce que le verre de laser contient de l'ytterfo&iim triva- 35 lent et du néodyme trivalent comme ions de pompage, et la matière de revêtement est un verre contenant entre 0,1 et 30 % en poids d'oxyde de praséodyme. 7. Une structure de laser selon la revendication 1, carac 69 11379 xi 2007264 térisé en ce que la matière de revêtement est un plastique contenant entre approximativement 0,1 et 30 % en poids d'oxyde de praséodyme . 8. Une structure de laser selon la revendication 1, carac-5 térisé en ce que le verre de laser contient de l'ytterbium trivalent en tant qu'ion de pompage, et la matière de revêtement est un plastique contenant entre approximativement 0,1 et 30 % en poids d'oxyde de praséodyme. ' 9. Une structure de laser selon la revendication 1, carac-10 térisé en ce que le verre de laser contient de l'ytterbium trivalent et du néodyme trivalent en tant qu'ions de pompage, et la matière de revêtement est un plastique contenant entre 0,1 et 30 % en poids d'oxyde de praséodyme. 10. Une structure de laser selon la revendication 1, carac-15 térisé en ce que la matière de revêtement est un liquide contenant entre approximativement 0,1 et 30 % en poids de chlorure de praséodyme.