Brevet FR2445637A1 — publié le 19800725

L'invention est relative aux lasers solides à pompage transverse du genre comportant des moyens de pompage optique délivrant un rayonnement d'excitation, un barreau de forme cylindrique disposé pour recevoir le rayonnement d'excitation selon une direction transversale å ses génératrices et un résonateur optique constitué par deux miroirs disposes respectivement aux deux extrémités longitudinales du barreau et définissant notamment un mode de résonance gaussien. On entend ici le terme "cylindrique" dans son sens géométrique général, le barreau pouvant être par exemple un cylindre de révolution ou un prisme a section rectangulaire. L'invention vise a obtenir dans un tel laser un rendement optimal et plus précisément a faire coïncider le mieux possible la zone du barreau ot la densité de population excitée est maximum et la zone du résonateur où la densité d'énergie du mode laser oscillant est la plus élevée1 cette colncidence étant mesurée par la valeur de l'intégrale sur tout le volume du résonateur du produit de ces deux densités. En outre, l'invention vise à réduire au minimum les pertes par absorption de l'énergie lumineuse d'excitation dans les parties du barreau où la densité d'énergie du mode oscillant est faible ou nulle, sans que les pertes dues a la diffraction pour le mode laser soient pour autant corrélativement élevées, comme c'est le cas dans les structures laser ordinaires.L'invention présente donc un intérêt tout particulier pour les lasers dont le rendement énergétique doit être le plus élevé possible, notamment pour ceux dans lesquels les moyens de pompage sont des sources lumineuses de grande longévité mais d'émittance faible, telles que des diodes électroluminescentes. On a déjà proposé, pour améliorer le rendement d'un laser, de l'insérer dans une structure optique à guidage d'onde afin d'annuler les pertes par diffraction dues aux limites latérales du milieu actif. Malheureusement, cette disposition est inutilisable dans de nombreux cas, notamment lorsque l'épaisseur à conférer au matériau actif pour absorber une fraction notable de la lumière de pompage latéral esttelle que le guide correspondant serait à grand nombre de modes (alors que l'on désire un laser monomode) et que l'étendue de la source de pompage est telle que l'on ne peut pas envisager le pompage longitudinal. L'invention permet, dans un laser solide du genre précité, fonctionnement monomode, d'obtenir un rendement énergé tique optimal sans faire appel au guidage d'onde. Selon sa définition la plus générale, dans le laser solide de l'invention, le barreau cylindrique est constitué par la juxtaposition de deux éléments cylindriques (au sens général du terme) dont l'interface est parallèle aux génératrices des cylindres, à savoir un premier élément fait d'un premier matériau optique absorbant le rayonnement d'excitation et actif sous l'effet de celui-ci et un deuxième élément fait d'un deuxième matériau optique transparent pour ledit rayonnement et inactif, mais d'indice de réfraction sensiblement égal à celui du premier matériau; ledit laser solide est caractérisé en ce que les miroirs du résonateur et le barreau sont conformés et disposés de telle sorte que le mode de résonance gaussien s'étend dans les deux éléments et que sa partie centrale est située dans le premier élément à proximité de l'interface afin d'obtenir une excitation optique maximale. Avantageusement, on choisira lematériau ou le diamètre gaussien du mode, ou les deux, de façon à ce que la distance sur laquelle l'excitation est la plus dense soit de l'ordre de grandeur du diamètre gaussien (c'est-a-dire de la largeur à 1/e2 de la courbe de Gauss correspondante) de la région centrale du mode; on a en outre avantage à ce que la distance entre l'axe du mode gaussien et l'interface soit du même ordre de grandeur que le rayon gaussien minimum dudit mode. Les dispositions caractérisantes de l'invention que l'on -vient-d'enncet pelmSelUte t -eEfectivement d'obtenir en coincidence dans une même région de l'élément actif du barreau (c'est-à-dire le premier élément) une densité maximale de l'énergie lumineuse d'excitation et une densité maximale de l'énergie du mode laser tout en réduisant au minimum l'absorption de l'énergie lumineuse d'excitation dans les régions du barreau où la densité d'énergie du mode oscillant est faible ou nulle. L'invention se prête à de nombreuses formes de réalisation. On en décrit ci-après quelques-unes, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une section transversale d'un laser solide conforme à l'invention dans lequel le transfert au barreau de l'énergie lumineuse d'excitation délivrée par la source lumineuse est réalisé à la manière connue au moyen d'une paroi réf lé- chissante elliptique, le barreau étant lui-même un cylindre de révolution; - la figure 2 est une section transversale dudit barreau à plus grande échelle; - la figure 3 est une section longitudinale dudit barreau et des miroirs délimitant la cavité optique associée;; - la figure 4 est une section transversale d'une forme de réalisation dans laquelle les deux éléments du barreau sont des lames et dans laquelle l'énergie lumineuse d'excitation est transférée directement au barreau; - la figure 5 est une section transversale d'une autre forme de réalisation qui diffère de la précédente par l'adjonction d'une troisième lame; - la figure 6 est une section transversale d'une autre forme de réalisation qui diffère des deux précédentes en ce que le barreau est un prisme à section rectangulaire. On considère d'abord la figure 1. Le transfert du flux lumineux d'excitation délivré par la source 11 (par exemple une rampe de diodes électroluminescentes vue en coupe transversale) vers le barreau 12 (dont on détaillera la constitution ci-après) est assuré par une paroi réfléchissante 13 à section elliptique. La source 11 et le barreau 12 sont respectivement disposés et orientés selon les deux axes focaux de la paroi elliptique 13, de telle sorte que la quasi-totalité du flux lumineux de la source 11 atteint le barreau 13 comme l'illustrent les quelques rayons fléchés qui sont dessinés. Cette disposition de la source et du barreau à l'intérieur d'un réflecteur elliptique est bien connue. On considère maintenant les figures 2 et 3. Le barreau 12 est disposé dans l'axe d'une cavité résonante constituée par deux miroirs dont un seul 14 est représenté. Le barreau 13 est coaxial aux deux miroirs. Le flux laser est délivré, comme à l'accoutumée, au travers de l'un des miroirs, de coefficient de transmission non nul, par exemple de l'ordre de 0,01. Bien que l'on suppose, dans la figure 3, que les miroirs sont distants du barreau, ils peuvent être constitués par les extrémités du barreau lui-même, conformées en conséquence et recouvertes d'une couche réfléchissante. Les deux miroirs sont de toute façon conformés et orientes pour définir un mode de résonance gaussien. Le barreau 12, en forme de cylindre de révolution, est composite. I1 est constitué par un premier élément qui est un cylindre de révolution 15 inséré dans un deuxième élément 16 en forme de gaine cylindrique. L'é1é- ment 15 est fait d'un premier matériau optique d'indice n absorbant pour le rayonnement d'excitation délivré par la source 11 et actif sous l'effet dudit rayonnement. L'élément 16 est fait d'un deuxième matériau optique d'indice égal à n ou de valeur très voisine, mais transparent pour le rayonnement d'excitation et inactif. On sait que, lorsqu'un faisceau de lumière atteint latéralement un cylindre de matériau optique de rayon R et d'indice n pour ladite lumière, tous les rayons lumineux qui le composent traversent un cylindre de rayon R/n coaxial au cylindre de rayon R.Si, par conséquent, on confère au premier élément un rayon R/n -l'epaisseur de la gaine étant donc R(1 - l/n)- une fraction maximale de l'énergie lumineuse incidente d'excitation est concentrée dans une partie de l'interface 17 des deux éléments, et notamment l'énergie lumineuse ayant traversé la gaine sans absorption. On a déjà mis en oeuvre cette propriété pour obtenir dans un barreau laser en forme de cylindre composite une concentration optimale de l'énergie lumineuse et d'excitation, mais on ne l'a pas jusqu'ici mise à profit pour accroître le rendement du laser en faisant colncider au mieux la région centrale du mode gaussienne et la région de concentration d'énergie lumineuse.Dans le laser selon l'invention qui fait l'objet des figures 1, 2 et 3, on obtient ce résultat en conformant et en disposant les miroirs, compte tenu des propriétés géométriques et optiques des éléments 15 et 16 du barreau composite, de telle sorte que le mode de résonance gaussien s'étende dans les deux éléments, c'est-à-dire de part et d'autre de l'interface 17 de ceux-ci, mais que la partie centrale dudit mode soit située dans le premier élément et aussi près que possible de l'interface, afin qu'il recouvre autant que possible la zone de concentration de l'excitation.Pour obtenir ce résultat, le matériau optique du premier élément est choisi pour que la distance d'absorption de la lumière dans ce premier élément soit de l'ordre de grandeur du diamètre gaussien de la région centrale du mode gaussien et le système optique constitué par le barreau et les miroirs est déterminé pour que la distance entre l'axe du mode gaussien et l'interface soit du même ordre de grandeur que le rayon gaussien de ladite région centrale. La deuxième condition est par exemple respectée si le barreau et le mode gaussien sont coaxiaux et si l'on confère au barreau intérieur 15 un diamètre 2R/n du même ordre de grandeur que le diamètre gaussien G de la région centrale du mode (fig. 3). On donnera plus loin des exemples de couples de matériaux optiques qui peuvent convenir non seulement pour la réalisation du barreau composite 12 de la forme de réalisation que l'on vient d'examiner mais aussi pour la réalisation des barreaux composites -des formes de réalisation que l'on va maintenant décrire et dans lesquelles le transfert de l'énergié lumineuse d'excitation entre la ou les sources optiques et la zone active du laser est effectué directement, c'est-à-dire sans l'intermédiaire d'un système optique tel que la paroi elliptique 13 de la figure 1. Toutes les figures que l'on va maintenant considérer représentent des sections transversales de barreaux laser et ne montrent pas, par conséquent, les miroirs qui sont disposés aux extrémités longitudinales de ces barreaux pour délimiter le resonateur optique. Dans la figure 4, le barreau laser composite 42 est en forme de lame. Le premier élément (c'est-à-dire celui qui est constitué par le premier matériau optique absorbant et actif d'indice n) est une lame 45. Le deuxième élément (c'est-à-dire celui qui est constitué par le deuxieme matériau transparent, inactif et d'indice n) est une lame 46 juxtaposée à la lame 45. Sur la face externe de la lame 46 (c'est-à-dire la face opposée à l'interface 47) est fixée la source lumineuse 41, constituée par exemple par une rampe de diodes électroluminescentes orientée transversalement au plan de la figure. La face externe de la lame 45 porte une couche réfléchissante 43. Le système -- optique constitué par le barreau composite 42 et par les miroirs (non représentés) qui délimitent la cavité optique est conformé pour que l'axe A de la région centrale du mode laser gaussien soit parallele à l'interface 47, situé dans la lame absorbante et active 45 et pour que sa distance d par rapport à l'interface 47 soit inférieure au rayon gaussien G/2 de la région centrale du mode. La forme de réalisation de la figure 5 differe de celle de la figure 4 en ce qu'elle comporte, outre une lame absorbante et active 55 (d'indice n) et une première lame transparente et inactive 56a (d'indice n) accolée à la lame 55 par l'interface 57a, une deuxième lame transparente et inactive 56b (d'indice n) accolée à la lame 55 par l'interface 57b. Les faces externes des lampes 56a et 56b portent respectivement des sources lumineuses 51a et 51b disposées vis-à-vis l'une de l'autre. Elles portent, également, de part et d'autre desdites sources, des couches réfléchissantes 53a et 53b.Le système optique constitué par le barreau composite et par les miroirs (non -représentés) qui délimitent la cavité optique est conformé de telle sorte que l'axe A du mode gaussien engendré est situé dans le plan médian de la lame 56; l'épaisseur E de la lame 56 est du même ordre de grandeur que le diamètre G de la région centrale du mode gaussien. On considère maintenant la figure 6. Le barreau composite 62 est un prisme de section rectangulaire. Le premier élément, en matériau absorbant et actif d'indice n, est un prisme 65 de section rectangulaire. Le deuxième élément, en matériau transparent et inactif d'indice n, est une gaine 66 de section externe rectangulaire dans laquelle est inséré le prisme 65. Au moins deux sources lumineuses 61a et 61b sont respectivement accolées dans les axes de deux faces externes opposées de la gaine 66. La totalité de la surface latérale de la gaine 66, à l'exception des portions de surface occupées par les sources lumineuses 61a et 61b, est revêtue d'une couche réfléchissante 63.Le système optique constitué par le barreau composite 62 et par les deux miroirs (non représentés) qui délimitent la cavité résonante est conformé de telle sorte que le mode gaussien est coaxial au barreau et que le diamètre gaussien G de sa région centrale est du même ordre de grandeur que le plus petit côté du barreau central 65. Si ce barreau central est de section carrée, le diamètre gaussien est évidemment du même ordre de grandeur que le côté du carré. Dans toutes les formes de réalisation que l'on a évoquées dans le cours de la présente description, les dimensions transversales de la zone absorbante, c'est-à-dire celles du premier élément et les dimensions transversales de la zone non absorbante, c'està-dire celles du deuxième élément, peuvent être évidemment déterminées indépendamment en fonction de critères distincts, à condition bien entendu que les conditions déjà définies relativement à la position de la partie centrale du mode gaussien soient res pectées. En ce qui concerne la zone absorbante, ses dimensions transversales doivent être évidemment telles que la majeure partie de l'énergie lumineuse de pompage soit absorbée en un ou deux passages au travers de cette zone. En pratique, on peut choisir -7 2 une dimension de l'ordre de a/a , relation dans laquelle a et a2 sont respectivement les valeurs moyennes pondérées -sur le spectre d'émission de la ou des sources de pompage- du coefficient d'absorption du matériau absorbant et actif et du carré dudit coefficient. En ce qui concerne la zone non absorbante, il est nécessaire que le volume disponible offert au mode laser soit tel qu'il assure pour ce dernier de faibles pertes par diffraction. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 5, on peut par exemple assigner au côté du carré délimitant la gaine prismatique 66 une valeur 3G (G étant le diamètre gaussien de la région centrale du mode) lorsque ledit mode est un mode fondamental d'une cavité de type Pérot-Fabry à miroirs sphériques ou plans, fortement surtendue et de nombre de Fresnel peu élevé. Pour terminer la présente invention, on donnera quelques indications sur la constitution et sur les procédés de réalisation du barreau composite équipant le laser de l'invention. Le matériau absorbant et actif (c'est-à-dire celui du premier élément) est un cristal activé au néodyme, par exemple le tétraphosphate de néodyme-lithium, la chloropatite ou le pentaphosphate de neodyme-lanthane. Le matériau transparent et inactif (c'est-à-dire celui du deuxième élément) peut être soit un cristal inactif, soit un verre, ce deuxième matériau devant évidemment avoir un indice de réfraction très voisin de celui du premier. Lorsque les deux matériaux sont cristallins, le barreau composite peut être réalisé par dépôt épitaxial de l'un des matériaux sur autre. Si le deuxième matériau est un verre, la juxtaposition des deux éléments pour constituer le barreau composite peut être réalisée soit par adhérence moléculaire des deux faces constituant l'interface, soit par collage desdites faces au moyen d'une couche de résine époxyde ou cyano-acrylique d'épaisseur inférieure à la longueur d'onde d'émission du laser. REVENDICATIONS 1.- Laser solide du genre comprenant des moyens de pompage optique délivrant un rayonnement d'excitation, un barreau cylindrique (au sens général du terme "cylindrique") disposé pour recevoir le rayonnement d'excitation selon une direction transversale à ses génératrices et un résonateur optique constitué par deux miroirs respectivement disposés aux deux extrémités longitudinales du barreau et définissant notamment un mode de résonance gaussien, ledit barreau étant constitué par la juxtaposition de deux éléments cylindriques dont l'interface est parallèle auxdites génératrices, à savoir un premier élément fait d'un premier matériau optique absorbant le rayonnement d'excitation et actif sous l'effet de celui-ci et un deuxième élément fait d'un deuxième matériau optique transparent pour ledit rayonnement et inactif, mais d'indice de réfraction sensiblement égal à celui du premier matériau, caractérisé en ce que le résonateur et le barreau sont conformés et disposés de telle sorte que le mode de résonance gaussien s'étend dans les deux éléments et que sa partie centrale est située dans le premier élément à proximité de l'interface afin d'obtenir une excitation optique maximale. 2.- Laser solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau est choisi de telle sorte que la distance d'absorption du rayonnement d'excitation dans ledit matériau est de l'ordre de grandeur du diamètre gaussien de la région centrale du mode. 3.- Laser solide selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre l'axe du mode gaussien et l'interface est du même ordre de grandeur que la moitié dudit diamètre. 4.- Laser solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier et le deuxième élément du barreau laser sont respectivement en forme d'une première et d'une deuxième lame et en ce que les moyens de pompage font face à la deuxième lame. 5.- Laser solide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face de la première lame opposée à l'interface est revêtue d'une couche réfléchissante. 6.- Laser solide selon la revendication 4, caractérisé en ce que le barreau comporte en outre un troisième élément optique constitué par une troisième lame fait du deuxième matériau, en ce que la première lame est prise en sandwich entre les deux autres et en ce que les moyens de pompage optique sont répartis de part et d'autre de la deuxième et de la troisième lame. 7.- Laser solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier élément est un cylindre (au sens général du terme) et le deuxième élément une gaine cylindrique dans laquelle est inséré le premier élément. 8.- Laser solide selon la revendication 7, caractérisé en ce que les contours des sections transversales du premier élément et du deuxième élément sont rectangulaires. 9.- Laser solide selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces latérales externes du deuxième élément est revêtue d'une couche réfléchissante. 10.- Laser solide selon la revendication 9, caractérisé en ce que les contours des sections transversales du premier élément et du deuxième élément sont circulaires. 11.- Laser solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. caractérisé en ce aue les movens de nomnaae sont des sources de lumière claquées le lona d'au moins une aénératrice de la surface latérale du deuxième élément opposée à l'interface. 12.- Laser solide selon la revendication 6 et la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de pompage sont des sources de lumière plaquées le long d'une génératrice de chaque face externe de la deuxième et de la troisième lame. 13.- Laser solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le premier matériau est un cristal activé au néodyme, notamment le tétraphosphate de néodyme-lithium ou le pentaphosphate de néodyme-lanthane ou la chloropatite. 14.- Laser solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les deux matériaux sont des cristaux, l'un des deux matériaux étant formé par dépôt épitaxial sur l'autre. 15.- Laser solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le premier matériau est un cristal et le deuxième un verre. 16.- Laser solide selon la revendication 15, caractérisé en ce que le verre est fixé sur le cristal par adhérence mol écu- laire. 17.- Laser solide selon la revendication 15, caractérisé en ce que le verre est fixé sur le cristal au moyen d'une couche d'adhésif d'épaisseur sensiblement inférieure à la longueur d'onde d'émission du laser.