Brevet FR2116288A1 — publié le 19720713

La présente invention est relative aux dispositifs laser à cristal solide comportant une séparation mécanique entre cavité de pompage et interféromètre laser. Les dispositifs d'émission laser à cristal solide comportent 5 une optique de pompage dont le rôle est de concentrer la lumière issue d'une lampe,dite d'excitation, sur le cristal, lequel est inclus dans un interféromètre de Bérot Fabry qui comprend deux miroirs semi-réfléchissants. Un problème important qui se pose dans la réalisation de ces dispositifs est celui de disposer la 10 source d'excitation et le cristal par rapport à l'optique de con— centration, de manière que le rendement du dispositif —rapport entre puissance laser et puissance d'excitation- soit maximal. 33e plus, il est demandé à ces dispositifs d'être d'un montage et démontage relativement faciles, que le réglage de l'interféromè-15 tre puisse se faire commodément et de plus, ce qui est impératif, que le bon réglage une fois acquis celui-ci reste invariable. Les dispositifs connus et les plus répandus sont décrits par exemple dans Acta Electronica Vol. 10» juillet 1966, numéro 3 On distingue parmi ces dispositifs ceux qui comportent comme op~ 20 tique de pompage une cavité dite cylindro-elliptique fermée par deux plans, cavité qui a la forme d'un tronc de cylindre à section droite elliptique, limité par deux plans perpendiculaires aux génératrices du cylindre. La lampe d'excitation, de forme généralement rectiligne et allongée, est placée suivant l'une des 25 lignes focales du cylindre tandis que l'autre ligne focale est occupée par le cristal solide ; le cristal solide est maintenu, suivant l'une des lignes focales à l'aide d'un support lui-même fixé sur les faces planes de la cavité. Les miroirs semi-réfléchissants constituant avec le cristal 30 1*interféromètre laser sont, soit déposés ggœ les extrémités préalablement polies du cristal ou bien sû.otb/"3ont des miroirs du type dit "séparé" qui sont alors fixés sur les flasques de la cavité cylindro-elliptique en même temps que des moyens de réglage du parallélisme de ces miroirs l'un par rapport à l'autre et par 35 rapport aux faces du cristal ; la fixation de la lampe d'excitation prend aussi assise sur les flasques de la cavité. Lorsqu'il s'agit d'un laser à fonctionnement continu, il faut assurer généralement le refroidissement du cristal de la lampe d'excitation et aussi de la cavité. Cristal et lampe sont 40 introduits dans des canalisations où circule un fluide réfrigé 70 43668 2 2116288 rant, canalisations qui se prolongent au sein du métal de la cavité et dont les sorties s*effectuent au travers des flasques du cylindre. Bans un autre dispositif connu, l'optique de pompage comprend 5 un cylindre de section circulaire que ferment deux éléments coniques placés en regard. La lampe d'excitation et le cristal sont centrés sur l'axe de la cavité à l'intérieur des cènes, les angles au sommet de ces derniers ayant des valeurs respectives, l'une par rapport à l'autre, calculées théoriquement et qui con-10 duisent à un rendement de la cavité supérieur à celui de la cavité décrite précédemment. Les ensembles lampe cristal et leurs supports respectifs sont solidaires de l'optique de pompage par l'intermédiaire des cônes d'extrémité ; le cristal et la lampe sont généralement inclus dans une même canalisation tubulaire 15 suivant l'axe de l'optique où circule un liquide de refroidissement. Les miroirs peuvent être déposés sur les extrémités du cristal ; l'un de ces miroirs peut être aussi du type "séparé" et sorti de la cavité de pompage. Bans un troisième dispositif connu, la cavité de pompage est 20 un ellipsoïde de révolution où source d'excitation et cristal couvrent chacun la distance entre l'un des foyers et le sommet de l'ellipsoïde correspondant. Les dispositions lampe cristal dans la cavité et leurs moyens de fixation à la cavité sont analogues à ceux envisageables pour la configuration décrite précédemment, 25 de même un seul circuit de refroidissement peut servir au cristal et à la lampe, et 1*interféromètre laser peut être constitué du cristal muni à ses .deux extrémités de miroirs ou encore comprendre l'un des miroirs sous forme de miroir "séparé" extérieur à la cavité optique. 30 Bans toutes ces configurations de dispositifs lasers on note les liaisons mécaniques étroites entre interféromètre laser et optique de pompage et on entrevoit que les déformations mécaniques éventuelles de l'optique de pompage, dues à des effets thermiques se répercutent sur le réglage et l'alignement de l'inter* 35 féromètre laser dans le cas où celui-ci est notamment à miroirs séparés avec comme conséquence baisse de puissance de l'émission laser voire même son extinction. Il s'ensuit que pour un fonctionnement laser stable et afin que les déformations mécaniques de la cavité de pompage soient réduites au minimum il y a lieu 40 de pourvoir au refroidissement de cette cavité de même qu'à celui 70 43668 3 2116288 de la source d'échauffement qui est constituée par la lampe. la solution généralement adoptée pour ne pas multiplier les circuits de refroidissement consiste à diriger le liquide de refroidissement au travers de la cavité après son passage sur le 5 cristal, puis sur la lampe d'excitation, dans un même circuit continu. la température du fluide de refroidissement doit se situer à une température voisine de celle pour laquelle l'émission laser du cristal est maximum, de l'ordre de 20° C pour un cristal YAGr dopé à Nd^+, ce qui conduit lorsque la puissance de pompage à 10 dissiper est de l'ordre de 2 000 W à un volume important du groupe refroidisseur de l'ordre de 200 à 300 1. Ces dispositifs sont très dispendieux en énergie de refroidissement de leur cavité de pompage et souvent même, cette énergie n'est pas suffisante pour que les déformations de la cavité 15 de pompage soient rendues assez faibles, au point qu'elles n'aient aucune répercussion sur le réglage de 1'interféromètre laser à miroirs séparés. De plus tout démontage du dispositif implique un déréglage de 1'interféromètre. Or, les opérations de démontage sont souvent 20 nécessaires pour s'assurer de l'état des surfaces optiques de la cavité de pompage ou pour 1*améliorero le dispositif, suivant la présente invention, contribue à pallier les inconvénients que nous venons de citer. Il a pour but de rendre le dispositif beaucoup moins compact, d'en séparer mé-25 caniquement les différentes parties afin d'en faciliter les montages et démontages, et par suite la surveillance et l'entretien, et de rendre les différentes parties du dispositif plus indépendantes l'une de l'autre du point de vue thermique de manière à tendre vers une grande stabilité de l'intensité d'émission laser, 30 même en présence d'un refroidissement imparfait de la cavité et de la source de pompage. Selon l'invention, il est réalisé un dispositif de laser à cristal solide avec séparation mécanique entre cavité de pompage et interféromètre laser caractérisé en ce que 1'interféromètre et 35 la cavité de pompage ne comportent aucune liaison mécanique directe mais, seulement, des liaisons mécaniques indirectes au moyen d'une troisième pièce de grande capacité calorifique pratiquement indéformable lors du fonctionnement du lasero Une autre caractéristique du dispositif réside dans le fait 40 qu'interféromètre laser et cavité de pompage étant séparés méea- 70 43668 4 2116288 niquement les métaux intervenant dans la constitution de ces éléments mécaniques peuvent être de natures et propriétés différentes, appropriées aux fonctions à assurer alors que, généralement, les métaux utilisée, dans le cas de liaisons directes entre inteir-5 féromètre et cavité, doivent avoir des coefficients de dilatation voisinso L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description du mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif conjoin tement avee les figures qui représentent s 10 - Fig. 1 une vue de face du dispositif laser à cavité cylin-dro-elliptique dans le sens des génératrices du cylindre. - Fig. 2 une vue en élévation avec section arrachée d'une cou pe du dispositif par deux plans, perpendiculaire chacun au plan qui contient les lignes focales du cylindre et passant chacun par 15 l*axe de ces lignes focales (coupe suivant AA' et BB' de la figure 1) o - Fig. 3 une vue en perspective du dispositif. Sur les trois figures un même élément est représenté par un même numéro. 20 Sur la figure 1 la ligne arrondie 1 en pointillés représente la section droite elliptique du cylindre réfléchissant 2 sur la figure 2. Les repères 3 et 4 sur la figure 1 sont les foyers de la section elliptique» Suivant la ligne focale correspondant à 3 est disposé le cristal tandis que la lampe d'excitation est dis-25 posée suivant la ligne focale correspondant à 4. La surface réfléchissante cylindrique appartient à deux pièces 5 et 6 représentées sur la figure 3 et assemblées suivant des surfaces en regard appartenant au plan formé par les lignes focales du cylindre. Ces pièces sont assemblées à l'aide de vis et 30 boulons de serrage tels que 7 et 8. Les vis traversent de part en part les deux pièces 5 et 6 et sont liées à une pièce support 9 sur laquelle est appliquée la pièce 5. Sur la figure 1, un des flasques latéraux est représenté en 10. Sur les figures 2 et 3, ils sont représentés en 10 et 11. Ces 35 flasques réfléchissants du côté intérieur au cylindre sont fixés sur les faces latérales du cylindre par l'intermédiaire des pièces 5 et 6 au moyen de vis telles que 12. Sur ces flasques existe un ensemble de moyens de fixation dé la lampe et de son système de refroidissement conçus de manière que la lampe occupe la 4Q ligne focale du foyer 4. Cet ensemble est rappelé en 13 pour mé 70 43668 5 2116288 moire mais ne fait pas l'objet de l'invention. Il est directement solidaire de la cavité cylindro-elliptique. Au contraire, 1'interféromètre laser ne comporte aucune liaison mécanique directe avec la cavité. Il est supporté par la pièce 14, ladite pièce 5 prenant assise sur la pièce 9 à laquelle elle est fixée à l'aide de moyens antivibratoires constitués de vis munies de ressorts telles que 15. La pièce 14i outre qu'elle sert de support à 1'interféromètre laser, est de"plus conçue de manière à permettre le refroidisse-10 ment du cristal. Le détail de cette pièce ainsi que les pièces concernant le refroidissement du cristal et l'interféromètre apparaissent sur la droite de la figure 2 dans la coupe suivant AA' représentée partiellement. Il est entendu que cette coupe est en fait symétrique et que les éléments représentés à droite existent 15 aussi à gauche* 16 représente le cristal laser YAG dopé à Nd^+ pincé à ses extrémités à l'aide àé pièces telles que 17 en dibver 0 de coefficient de dilatation proche de celui du YAG. 18 est un tube en quartz transparent aux radiations de pompage et qui enveloppe le 20 cristal laser et dans lequel circule un fluide refroidissant. Le tube est maintenu en place dans 14 au moyen de deux pièces telles que 19. Les tubes d'arrivée et dé sortie du fluide refroidissant sont tels que 20 et débouchent dans des pièces annulaires telles que 21. Des joints toriques 22, 23, 24 plaeés dans des logements 25 adéquats permettent d'assurer l'étanéhéité du circuit de refroidissement. Les miroirs sont fixés classiquement à la pièce 14 par l'intermédiaire de pièees telles que 25 d'inclinaison réglable par rapport à la pièce 14 au moyen de "vis et éerous de réglage et blocage au nombre de 3 tels que 26. 30 En ce qui concerne la nature deB matériaux utilisés il est intéressant de signaler que la pièce support du cristal a été réalisée en acier inoxydable dans le but, d'une part, de minimiser les échanges thermiques avec l'air ambiant et pour assurer une rigidité excellente à l'interféromètre laser,- d'autre part. 35 Au contraire le réflecteur elliptique 5» 6 et les flasques 10 et 11 sont en aluminium léger de manière à assurer une bonne éva cuation des calories au cours du pompage et un bon échange thermique avec l'extérieur. L'ensemble cavité de pompage est disposé sur le socle 9 très rigide de grande capacité calorifique et ne 40 se déformant que d'une manière infime sous l'action des échanges 70 43668 6 2116288 de chaleur arec la cavité de pompage. Lors d'un nettoyage ou d'un échange standard de la cavité cylindro-elliptique, il faut noter également la facilité de démontage de celle-ci en deux parties sans liaison avec 1'interféromètre. Le dispositif conçu a parfaitement fonctionné sans dérégiage de 1*interféromètre pour des puissances de l'ordre de 2 OOO W. 70 43668 7 2116288 REVENDICATIONS 1- Dispositif de laser à cristal solide avec séparation mécanique entre cavité de pompage et interféromètre laser, caractérisé en ce que 1*interféromètre et la cavité de pompage ne compor- 5 tent aucune liaison mécanique directe mais seulement des liaisons mécaniques indirectes» au moyen d'une troisième pièce de grande ca pacité calorifique» pratiquement indéformable lors du fonctionnement du laser. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le support du cristal et la cavité sont exécutés en des métaux de propriétés très différentes, à savoir un métal rigide mécaniquement et mauvais conducteur thermique pour le support du cristal et un métal très "bon conducteur thermique pour la cavité de pompage.