Brevet FR2261637A1 — publié le 19750912

L'invention concerne un laser à couches minces a corps solide comportant un matériau actif déposé sur un substrat et des dispositifs pour sélectionner des modes prédéterminés, en liaison avec un guide d'ondes Dans les lasers à couches minces à corps solide, comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet allemand mise à l'inspection publique sous le nO 1 224 418, deux surfaces extrêmes du corps solide, qui sont perpendiculaires à l'axe optique du laser, sont métallisées en vue de réaliser la réaction optique. La cavité du résonateur est constituée uniquement par le matériau actif sur toute se longueur Des sélecteurs éventuellement nécessaires sont disposés en étant séparés de l'oscillateur à laser. Un autre type de réaction optique est connu d'après l'article de Kogelnik et Shank (Journal of Appl. Physics, volume 43, pages 2327qq,1972). Dans cet article, on décrit des lasers dénommés "lasers à réaction répartie" (de l'anglais "distributed feedback lasers"), dans lesquels le milieu actif possède un indics de réfraction présentant des variations périodiques qui ont pour effet que de l'énergie lumineuse est envoyée aux ondes lumineuses circulant suivant une direction à travers le milieu actif, par les ondes lumineuses circulant dans la direction opposée. Cependant, la réalisation d'un tel milieu actif est trèE conteuse. L'invention a pour but de créer un laser à couches minces à corps solide, possédant une constitution intégrée, pouvant être modulé et étant sélectif du point de vue du mode et pouvant être fabriqué d'une façon simple. Ce probleme est résolu grâce au fait que le matériau actif et le substrat constituent ensemble une enceinte de résonateur du laser, tandis que les surfaces extrêmes du matériau actif, sur lesquelles tombent les rayons lumineux traversant le matériau actif, sont, en même temps que les surfaces extrêmes s'y raccordant du substrat, polies sous un angle tel queues rayons lumineux sont déviés dans le substrat, et que l'indice de réfraction du matériau actif nM est supérieur à tous les indices de réfraction des milieux jouxtant ce matériau actif, et que le laser et le substrat sont construits suivant une technique hybride intégrée cet effet, le matériau actif peut être déposé avanta- geusement sur un substrat constitué par exemple par du verre quartzeux.Une surface importante est disponible sur la face inférieure du substrat pour le dépôt de miroirs du laser, de modulateurs ou d'un guide d'ondes. Comme miroirs du résonateur, on utilise notamment deux surfaces du substrat, polies sur la face du substrat, située à l'opposé du matériau actif, sous un angle tel que les rayons lumineux devant être amplifiés tombent perpendiculairement à ces surfaces. L'une de ces surfaces est complètement métallisée, tandis que l'autre surface constitue un miroir de découplage partiellement réfléchissant. Grâce à une courbure prédéterminée de ces surfaces réfléchissantes du substrat, on obtient en cas de besoin une adaptation à la divergence du rayonnement. Les surfaces déflectrices du matériau actif possèdent, dans le plus simple des cas, une inclinaison telle qu'il se produit ici une réflexion totale. Sinon un système diélectrique à miroir interférentiel est disposé contre chacune de ces surfaces déflectrices. Entant donné que tous les modes du rayonnement laser sont caractérisés par des angles déterminés différents d'incidence sur les surfaces déflectrices et par leur direction de polarisation, le système à miroir interférentiel peut en outre, grâce a une caractéristique de réflexion spectrale prédéterminée d'une façon particulière, fonctionner de telle manière que, parmi tous les modes, seuls quelques-uns ou seul un mode présentant un angle d'incidence déterminé et/ou une direction de polarisation déterminée sont transmis dans le substrat.Le spectre des modes peut être également modulé grace au dépôt d'un ensemble combiné modulateur-miroir sélectif du point de vue de la polarisation, sur les surfaces déflectrices. Pour un angle d'inclinaison o( des surfaces déflectrices atteignant plus de 450 par rapport à l'axe optique dans le matériau actif, on réalise en particulier un laser en anneau intégré à couches minces à corps solide lorsque, pour le rapport de la longueur 1 du matériau actif à l'épaisseur t du substrat, les conditions suivantes sont remplies 45" 1 dans lesquelles z = 1,2,3 ... représente le nombre des réflexions sur la face inférieure du substrat, nM représente l'indice de réfraction de la couche laser et nS représente l'indice de réfraction du substrat. Gg est l'angle limite de l'inclinaison des faces extrêmes du matériau actif, pour laquelle il se produit la réflexion totale du rayonnement, se propageant dans la couche active du point de vue de l'effet laser, sur la surface limite entre la couche du laser et le substrat, et ' g est l'angle limite correspondant pour la réflexion totale sur la surface de la couche laser par rapport à l'air.On obtient un rapport 1/t élevé (amplification optique importante du laser pour une faible énergie de pompage) pour (Eg - ) / Eg 1 ainsi que pour une éventuelle réflesion multiple sur la face inférieure du substrat. Dans le cas d'un angleo( petits la face inférieure du substrat est métallisée. On obtient également un laser en anneau intégré à couches minces à corps solide lorsqu'une couche formant guide d'ondes est notamment disposée sur la face inférieure du substrat et que le substrat est ici également poli symétriquement par rapport à sa face supérieure, de telle manière que le trajet du rayonnement s'effectue suivant une forme d'anneau à travers le matériau actif, le substrat et la couche formant guide d'ondes. Si cette couche possède des propriétés de modulateur, le faisceau laser peut être modulé dans le résonateur du laser. il est également avantageux d'accoupler entre eux deux éléments modulaires constitués respectivement par un matériau actif et un substrat et comportant respectivement un trajet du rayonnement fermé, se produisant dans ces élément modulaires, et ce par l'intermédiaire d'une couche diélectrique intercalaire jouxtant les substrats. Avec deux lasers en anneau accouplés de cette façon, on peut obtenir des fréquences composites lorsqu'au moins l'un des substrats possède des propriétés optiques non linéaires et que les deux lasers en anneau oscillent pour des longueurs d'ondes différentes. On obtient le couplage d'un laser avec un guide d'ondes optiques le prolongeant, notamment en reliant l'un des éléments modulaires indiqués plus haut par l'intermédinire d'une couche intercalaire d?PlectrFue possédant une épaisseur prédéterminée, à une couche de guide d'ondes optique, qui est disposée en étant intégrée sur un autre substrat. titre d'exemple, on 2. décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé plusieurs formes de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 montre un montage conforme à l'invention d'un laser à couches minces à corps solide. Ia figure 2 montre un montage d'un laser à couches minces R corps solide, dans lequel le trajet du rayonnement est fermé en anneau. La figure 3 montre un montage dans lequel le trajet du rayonnement traverse de façon multiple le matériau actif. La figure 4 montre un montage dans lequel sont présents deux trajets de rayonnement fermés en forme d'anneau. La figure 5 montre un montage accouplé à une couche de guide d'ondes optique. En figure 1, on a représenté un laser à couches minces à corps solide qui est constitué par un substrat 1 en verre, possédant une épaisseur d'environ un demi centimètre, et par un matériau actif du point de vue de l'effet laser, possédant une épaisseur d'environ 10 microns et constitué par exemple par un grenat 2 d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme. Les surfaces extrêmes 3 et 4 du matériau actif du point de vue de l'effet laser sont polies suivant un anglet par rapport è l'axe optique, ctest-à- dire par rapport à la direction de rayonnement 5 dans le matériau actif 2.Sur ces surfaces, le faisceau laser est réfléchi dans le substrat 1, traverse ce dernier et est réfléchi sur les surfaces 6 et 7, polies obliquement, en sens inverse de la direction d'in- cidence. Un miroir 8 entièrement réfléchissant est disposé sur la surface 6 tandis qu'un miroir de découplage 9 partiellement réfléchissant est disposai sur la surface 7. Sur l'une des deux ou sur les deux surfaces extrêmes 3 ou 4 du matériau actif, il est possible de disposer un système 10 à miroir interférentiel qui est constitué de telle manière que seuls des modes déterminés sont réfléchis de façon sélective, tandis que les autres modes sont rayonnes 9 l'extérieur. Etant donné que la surface 4 ainsi cue la surface conti guë du substrat 1 sont polies, on obtient ici une surface impor- tante sur laquelle le système à miroir interférentiel peut être aisément disposé. On obtient une forme de réalisation particulièrement simple lorsqu'on choisit égal à 45 . Dans ce cas, un polissage en oblique de la surface de base du substrat 1 est inutile. Dans le cas où il ne se produit aucune réflexion totale sur les surfaces 3 et 4, il faut munir ces deux surfaces de miroirs. En figure 2, on a représenté un montage d'un laser à couches minces à corps solide dans lequel le trajet du rayonnement 11 est fermé en forme d'anneau. Les rayons lumineux sont réfléchis non seulement sur les surfaces extrêmes, polies en oblique sous un angle du matériau actif 2, mais également sur la surface de base plane du substrat 1. Pour un angleoc supérieur à 450, la longueur 1 du matériau actif, l'épaisseur t du substrat, son indice de réfraction et l'angle( doivent satisfaire à la condition L'angle 9( doit bien entendu être inférieur a l'angle limite pour la taille en biseau des surfaces extrêmes, pour lequel la réflexion totale du rayonnement, se propageant dans la couche active du point de vue de l'effet laser, commence sur la surface limite entre la couche laser 2 et le substrat 1. Sur la s ace de base du substrat 7 est disposée une couche de modulation 12, tandis qu'un prisme de découplage 13 est disposé à la surface du matériau actif du point de vue de l'effet laser. Dans le cas d'une réflexion totale des rayons lumineux sur les surfaces 3 et 4, une métallisation de ces dernières n'est pas nécessaire. On obtient en figure 3 une surface encore supérieure pour le découplage d'autres appareils, pour un traJet du rayonnement, présentant plusieurs réflexions sur la surface de base du substrat. D'un point de vue chiffré, cet accroissement de la surface est fourni par la relation indiquée plus haut pour le rapport 1 : t, par le fait que la fraction située du côté droit est multi pliée par le nombre z des réflexions sur la surface de base du substrat 1. On a représenté en figure 4 un autre exemple de réalisation de l'invention. Ici, deux lasers en anneau à couches minces à corps solide sont accouplés entre eux par l'intermédiaire d'une couche diélectrique intercalaire 14. L'épaisseur de la couche intercalaire est inférieure aux longueurs d'onde des rayons lumineux circulant dans les deux lasers en anneau. De même, l'indice de réfraction nZ de la couche intercalaire est inférieur à chacun des indices de réfraction des substrats.Comme matériau de la couche 2 active du point de vue de l'effet laser, on utilise un grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme ; comme matériau du substrat 1, on utilise du quartz ; comme matériau de la couche diélectrique intercalaire 14, on utilise du fluorure de magnésium comme matériau du substrat 15, on utilise un phosphate monopotassique et comme matériau pour la couche 16 active du point de vue de l'effet laser, on utilise par exemple un grenat d'yttrium et d'aluminium dopé à I'holmium. Par superposition des fréquences différentes des lasers dans le substrat optique non linéaire 15, on obtient des fréquences composites qui parviennent à l'extérieur par l'intermédiaire du prisme de découplage 13. Un laser en anneau peut être accouplé également de façon simple, conformément à la figure 5, à un guide d'ondes optique. La face inférieure du substrat 1 est montéeparl'trmi ed'unecoxis Couche diélectrique intercalaire 16 prévue pour réaliser le couplage déterminé sur la surface d'un guide d'ondes 17. Ce guide d'ondes est à nouveau disposé en étant intégré sur un autre substrat 18. Pour réaliser le couplage déterminé de la lumière du laser au guide d'ondes lumineuses, il faut ici que l'indice de réfraction de la couche intercalaire soit inférieur à l'indice de réfraction du substrat et du guide d'ondes. L'épaisseur de la couche intercalaire doit également être inférieure à la longueur d'onde de la lumière devant être injectée dans le guide d'ondes. Pour conserver la clarté du dessin, on a supprimé les sources de pompage, nécessaires dans tous les exemples de réalisation, pour le laser. R R Xr E N D I C A T T O s 1. Laser à couches minces à corps solide comportant un matériau actif déposé sur un substrat et des dispositifs pour sélectionner des modes prédéterminés7 en liaison avec un guide d'on- des, caractérisé par le fait qua le matériau actif et le substrat constituent ensemble une enceinte de résonateur du laser, tandis que les surfaces extrêmes du matériau actif, sur lesquelles tombent les rayons lumineux traversant le matériau actif, sont, en même temps que les surfaces extrêmes sty raccordant du substrat, polies sous un angle tel que ces rayons lumineux sont déviés dans le substrat, et que l'indice de réfraction du matériau actif est est supérieur à tous les indices de réfraction des milieux jouxtant ce matériau actif, et que le laser et le substrat sont construits suivant une technique hybride intégrée. 2. Laser a couches minces à corps solide suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces du substrat, sur lesquelles tombent les rayons lumineux devant être amplifiés, sont polies en oblique et comportent des miroirs de résonateur. 3. Laser à couches minces à corps solide suivant-la revendication 2, caractérisé par le fait que les miroirs=du résonateur sont courbes. 4. Laser à couches minces à corps solide suivant les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que les surfaces extrêmes du matériau actif possèdent une inclinaison par rapport à l'axe optique, de telle manière qu'il sty produit une réflexion totale. 5. Laser à couches minces à corps solide suivant les revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait ou'au moins une surface extrême du matériau actif possède des miroirs interférentiels sélectifs. 6. Laser a couches minces à corps solide suivant Itune quelconque des revendic2tions 1 a 5, caractérisé par le fait que le trajet du rayonnement est fermé en forme d'anneau et s'effectue-à travers le matériau actif et le substrat. 7. Laser à couches minces à corps solide suivant l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisé par le fait que la surface du substrat, située à l'opposé du matériau ?actif, comporte une couche de modulation. 8. Laser à couches minces à corps solide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le trajet du rayonnement traverse de façon multiple le milieu actif. 9. baser à couches minces à corps solide suivant l'une quelconque des revendncations 1 à 8, caractérisé par le fait que deux éléments modulaires constitués respectivement par un matériau actif et par un substrat et dans chacun desquels est présent un trajet de rayonnement fermé, sont accouplés entre eux par l'in- termédialre d'irne couche diélectrique intercalaire jouxtant les substrats, dont l'un au moins possède des propriétés optiques non linéaires. 10. Laser a couches minces à corps solide suivant l'une quelconque des revendications i a? 9, caractérisé par le fait qu' un ensemble modulaire est relié par l'intermédiaire d'une couche intercalaire à une couche de guide d'ondes, qui est disposée sur un autre substrat.