Brevet FR2130172A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne un laser comprenant une cavité déterminée par des surfaces réflectrices séparées l'une de l'autre et un élément actif interposé entre lesdites surfaces réflectrices. 5 Le fonctionnement optimal d'un laser solide dans le mode de propagation transversal TEMqq requiert que le rayon du spot optique (1/e^ intensité) dans l'élément actif du laser soit à peu près égal à la moitié du rayon de l'élément actif du laser. Si cette condition est à peu près satisfaite9 le mode de 10 propagation TEHq0 oscille avec les pertes de diffraction minimum conformément à la suppression des modes transversaux d'ordre plus élevé. Plusieurs procédés sont connus pour réaliser un rayon du spot optique suffisamment large dans le mode de propa-15 gation TEMqo dans l'élément actif d'un laser solide» Un de ces procédés consiste à former des surfaces réfléchissantes convexes sur les extrémités de l'élément. Le fonctionnement fructueux d'un tel montage dépend de l'existence d'une concentration thermique dans l'élément pompé» Cette disposition présente trois 20 inconvénientsi(1) le montage a une stabilité marginale (d'après les critères de stabilité spécifiés par H. Kogelnik dans un article "Modes in optical resonators", publié dans Lasers, vol=1 édité par A. Levine,M. Dekkerp IncoS New Yorks 1966)9et des perturbations thermiques et mécaniques produisent des fluctua-25 tions appréciables de la puissance de sortie? (2) la concentration thermique est imparfaite; et (3) le fonctionnement du montage est limité à une puissance d'entrée fixe* Un autre procédé connu implique l'utilisation d'une cavité à peu près concentrique qui contient des miroirs plans 30 et concaves écartés l'un de l'autre. Pour un élément de laser d'environ 10 cm de longueur, la distance entre ces miroirs est typiquement de 70 cm environ« Des montages de ce type utilisant des rayons de miroirs plus petits et des séparations plus petites entre miroirs sont inefficaces en raison de la variation 35 appréciable du rayon qui se produit d'une extrémité de l'élément à l'autre. De plus, de tels montages plus courts fonctionnent au voisinage de la limite d'instabilité* L'invention a pour objet un laser solide simple, compact, stable et efficace„ 72 08640 2130172 Le laser selon l'invention comprend entre l'élément-actif et une des surfaces réfléchissantes de la cavité, une lentille qui satisfait à la relation f L'invention sera décrite ci-après à l'aide des dessins joints sur lesquels ; - les figures 1 et 2 illustrent chacune un montage de laser selon la technique antérieures 10 - la figure 3 illustre un exemple spécifique de montage de laser selon l'invention; - la figure 4 est une représentation équivalente du montage de la figure 3= La figure 1 montre sous forme simplifiée un moyen 15 . connu pour obtenir un rayon relativement large du spot optique dans lé mode de propagation TEMQ0 dans l'élément actif d'un laser solide. Les extrémités 10 et 12 d'un élément de laser solide 15 sont profilées en sorte de former des surfaces réfléchissantes convexes» Lorsqu'il est pompé d'une manière classique par 20 un moyen convenable (non représenté), le montage établit dans l'élément 15 un spot optique à rayon relativement large. Le profil de ce spot est représenté approximativement par les lignes en trait interrompu 16 et 18. Comme indiqué plus haut, le fonctionnement fructueux 25 d'un montage du type représenté à la figure 1 dépend de l'existence d'une concentration tnermique ( résultant d'un gradient de température) dans l'élément pompé 15» Toutefois, une telle con-oenfcration est imparfaite et, en pratique, les tentatives pour restreindre la concentration uans des limites prescrites ont pour 30 effet de limiter le fonctionnement du montage à une puissance d'entrée fixe. En fonctionnement réel9 le montage représenté à la figure 1 possède également une stabilité marginale. De plust les perturbations thermiques et mécaniques affectent les performances du montage en produisant des fluctuations appréciables 35 de la puissance de sortie. Un autre montage selon la technique antérieures représenté à la figure 2, comprend une cavité à peu près concentrique entourée avec une surface réfléchissante plane 20 et une surface réfléchissante concave 22. Un tel montage détermine un 72 08640 2130172 spot optique dans le mode de propagation TEM (représenté par les lignes en trait interrompu 26 et 28) qui se dilate jusqu'à un rayon relativement plus large dans l'élément 25 au voisinage de la surface réfléchissante 22» Une concentration thermique est 5 également supposée présente dans 16élément 25s en sorte que le rayon effectif de la surface 22 soit à peine un peu plus grand que la distance de séparation entre les surfaces 20 et 22. Le principal inconvénient du montage de la figure 2 est qu'il a une longueur relativement grande» Dans un cas typi-10 que, dans lequel la longueur de 1?élément 25 était de 10 cm environ à peine, la distance entre les surfaces réfléchissantes 20 et 22 devait être de 70 cm environ pour obtenir un fonctionnement efficace. Des cavités du type représenté à la figure 2 mais 15 plus courtes, peuvent être réalisées. Cependant9 à mesure que l'on réduit la distance entre les miroirs dsune telle cavité et que l'on diminue le rayon de courbure de la surface concave, le montage devient relativement inefficace. Ceci est dû à la variation appréciable du rayon dans l'élément laser 25 d'une ex-20 trémité à l'autre. De plus, des cavités plus courtes fonctionnent au voisinage de la limite d8instabilité. La figure 3 illustre un montage selon l'invention. Ce montage constitue une structure compacte propre à assurer un grand rayon du spot optique dans le mode de propagation TEMoo„ 25 Ce montage, qui se caractérise par une bonne stabilités comprend un élément actif 35 (par exemple, une barre de NdsYA£G)s une source de pompage 37, une surface réfléchissante convexe 30 ayant ton rayon de courbure Rn A titre d'exemple, les éléments 30 et 31 sont représentés sur la figure 3 comme étant formés sur les extrémités 35 respectives de la barre 35. Bien qu'une telle structure monobloc soit généralement avantageuses il est bien entendu que des éléments matériellement séparés peuvent être combinés avec la barre 35 pour réaliser une configuration équivalente» Le profil du spot optique dans le mode de propaga- 72 08640 4 2130172 tion TEM00 dans l'élément 35 de la figure 3 est représenté par les lignes en trait interrompu 36 et 38 „ Le faisceau représenté par ces lignes comprend une partie concentrée entre la lentil- * le 31 et la surface réfléchissante 32» (Le faisceau ainsi indi-5 que est représentatif du fonctionnement en onde continue ou en onde puisée»)oEn raison de la formation d'un faisceau concentré, le montage représenté à la figure 3 convient parfaitement pour être combiné à -un modulateur ou à un élément non linéaire (situé, par exemple, à l'endroit de l'élément 39) pour former un modula-10 teur ou un convertisseur interne. A titre d'exemple, un montage du type représenté à la figure 3 facilite le vidage acousto-opti-que de la cavité et la commutation du facteur de qualité Q, comme décrit par Chesler et Maydan dans un article intitulé "Cavity Dumping and Q-Switching of Nd:YA-£G Lasers", paru dans Journal 15 Applied Physics, février 1970» En général, le faisceau concentré produit par le montage de la figure 3 est avantageux pour être utilisé conjointement à des modulateurs électro-optiques et à des dispositifs optiques non linéaires tels que des oscillateurs paramétriques et des générateurs harmoniques» 20 II existe un nombre infini de jeux de paramètres qui déterminent le même rayon dans la barre 35 représentée à la figure 3» Des réalisations plus courtes, plus compactes, peuvent être obtenues en choisissant de petites valeurs pour f et R^» En pratique, la limite de compacité de cette réalisation est dé-25 terminée par des problèmes de fabrication de miroirs de haute qualité ayant un petit rayon de courbure» Une autre limite pratique pour réaliser des structures compactes est imposée par le rayon de plus en plus petit du spot et par conséquent par l'intensité lumineuse plus élevée qui se trouve formée sur la surfa-30 ce réfléchissante 32» A mesure que le rayon du spot diminue, la possibilité de provoquer 1 »endommagement de la surface réfléchissante 32 par la chaleur, croît» En général, le rayon Rn de la surface réfléchissante convexe 30 représentée à la figure 3 doit être grand comparé 35 à la longueur de la barre 35 mais9 de préférence, il doit être suffisamment petit pour diminuer tout effet de concentration thermique existant dans la barre 35 » Un avantage pratique du montage de la figure 3 est qu'il permet de réaliser aisément de petits ajustages du rayon 72 08640 5 2130172 du spot dans la barre 35, avec des valeurs fixes de R , R_ et f, XI p ■■ en faisant varier simplement la distance £. La possibilité de procéder à de tels ajustements de cette manière simplifie la réalisation du montage représenté et augmente la souplesse d'utL-5 lisation du montage dans diverses applications d'intérêt pratique. Un exemple particulier d'ensemble de valeurs appropriées pour obtenir un fonctionnement efficace et stable dans le mode de propagation TEMQ0 pour le montage représenté à la figu-10 re 3 avec une barre de Nd;YA-£G de 2,5 mm de diamètre et de 10 cm de longueur optique, est le suivant: R = 100 cm, f = 10 cm» p = 13,5 cm, et R = 2,5 cm. Pour cet — — p ensemble spécifique de valeurs, la longueur totale du montage est de 19 cm environ seulement. En fonctionnement réel, pour un 15 ensemble prédéterminé de conditions de pompage, le rayon du spot dans la partie la plus étroite du faisceau entre les éléments 31 et 32 était de 64 microns et des mesures ont indiqué que le montage fournissait alors une puissance de sortie de 0,6 watt dans le mode de propagation TEMqo en onde continue avec un rendement 20 total de 0,14%. Par contre, une cavité classique de 35 cm de longueur et contenant deux miroirs concaves de 3 mètres n'ont procuré qu'une puissance de sortie de 0,45 watt seulement dans les mêmes conditions de pompage et en utilisant une barre de NdîYA-^G de qualité similaire avec des extrémités planes et paral-25 lèlosrevêtues d'une substance non réfléchissante. Afin de pouvoir analyser le montage qui vient d'être décrit, il est utile de constater que le montage de la figure 3 peut être redessiné comme le montre la figure 4. La base de cette transformation est que la surface réfléchissante 32 peut être - 30 considérée comme reproduite par la lentille 31 dans une surface réfléchissante 42 (figure 4) située à une distance d de la surface réfléchissante 40. Cette transformation est régie par les lois usuelles de l'optique géométrique, qui déterminait le rayon et la position de la surface réfléchissante 42. Les surfaces 40 35 et 42 forment une cavité exempte de lentille dont les propriétés peuvent être calculées d'une manière directe à l'aide de formules connues. (Voir» par exemple, l'étude de H. Kogelnik précitée) - La cavité sans lentille ne doit point être limitée à une courte longueur particulièrequelocnquejce qui permet ainsi avants-40 geusement une grande liberté de réalisation afin de satisfaire 2 08640 2130172 aux exigences de stabilité et de dimension du spot optique» 72 08640 7 2130172 REVENDICATIONS 1 » Laser comprenant une cavité déterminée par une sur face réfléchissante convexe et une surface réfléchissante concave, séparées l'une de l'autre, et un élément actif interposé entre ces surfaces» caractérisé en ce qu'il comprend une lentil-5 le (31) interposée entre l'élément actif (35) et la surface réfléchissante concave (32), et en ce que cette lentille satisfait à la relation f 10 2» Laser selon la revendication 19 caractérisé en ce que la surface réfléchissante convexe (30) et la lentille (31) font partie intégrante des extrémités de l'élément actif (35). 3= Laser selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que lEélément actif est constitué 15 de Nd:YA-{G. 4. Laser selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une source de pompage (37) pour pomper l'élément actif en sorte de produire un mode de propagation transversal TEMq0»