Brevet FR2562341A1 — publié le 19851004

Laser à impulsions ultra-brèves L'invention concerne les lasers destinés à engendrer des impulsions ultra-brèves de lumière cohérente. Dans le domaine des lasers, on parle d'impulsions ultrabrèves quand l'ordre de grandeur de la durée de l'impul- sion élémentaire est inférieur à la nanoseconde. On sait maintenant construire des sources laser opérant dans la gamme des picosecondes. De telles sources sont d'un grand intérêt, et s'appliquent en de nombreux domaines de la physique, de la chimie, de la biologie et des sciences médicales. Pour un laser donné, la durée d'impulsions est bornée inférieurement en fonction de la "largeur de bande de gain" du laser. Cette limite physique tient à la relation dite de la transformée de Fourier : dt.dV supérieur ou égale à 1, où ôt est la durée d'impulsions et dDla largeur de bande de gain. Plusieurs types de lasers sont utilisables en impulsions ultra-brèves. Si on considère uniquement la durée d'impulsions, les plus performants sont les lasers à argon. Cependant, leurs autres carac teristiques physiques (puissance; et rendement notamment) sont la plupart du temps jugees insuffisantes. C'est pourquoi une préférence se manifeste actuellement pour les lasers dits Nd-YAG, c'est-à-dire les lasers au néodyme, ce matériau actif étant implanté comme dopant dans une matrice en grenat d'yttrium-aluminium. La matrice hôte de ces lasers possède en effet des propriétés thermomécaniques exceptionnelles, qui lui permettent de supporter un fonctionnement à puissance élevée, en régime d'ondes continues ou selon un taux de répétition d'impulsions élevé. Ce laser Nd-YAG constitue donc un outil très souple, puissant, et de bon rendement, qui lui fait rendre de grands services pour de nombreuses applications, tant aux laboratoires que dans l'industrie. Mais la "limite de transformée" définie plus haut veut que ce laser ne puisse fournir des impulsions de durée inférieure à 80 picosecondes-, ce qui correspond à sa largeur de bande de gain qui est de 0,4 cm ~ 1 . Lorsque la résolution temporelle ainsi obtenue est insuffisante, il faut se tourner vers d'autres lasers, comme les lasers au verre-néodyme, malgré leur taux de répétition maximum plus faible-et leur rendement inférieur. La présente invention a pour but de résoudre le problème consistant à réduire la durée d'impulsions d'un laser opérant en impulsions ultra-brèves, et notamment d'un laser du type Nd-YAG. Le laser proposé possède la structure générale classique il comprend un milieu apte à l'émission induite de photons, qui est soumis à un pompage optique à l'intérieur d'une cavité optique résonnante à la fréquence des photons induits, et agencé pour fonctionner en impulsions ultra-brèves. Selon une caractéristique générale de l'invention, ltor- gane de sortie de la cavité définit à l'intérieur de celle-ci deux trajets optiques légèrement différents, ce qui diminue la d rée des impulsions de lumière élémentaires produites par le laser. Quoique lJinvention puisse s appliquer à divers types de lasers, elle trouve un intérêt particulier lorsque ledit milieu est soumis à un pompage optique continu, et qu'il est constitué dgune matrice solide contenant un dopant. Etant observé que le pompage optique est continu, le fonctionnement du laser en impulsions ultra brèves est obtenu par l'adjonction de moyens auxiliaires, construits de préférence à l'aide d'au moins un déflecteur acousto-optique. Ces moyens auxiliaires peuvent être de différentes natures, suivent le laser considéré. De préférence, ils comprennent un dispositif de commutation de la surtension de la cavité optique résonnante, auquel s'ajoute avantageusement un dispositif de blocage du mode optique de fonctionnement de la cavité optique résonnante. Dans le mode de réalisation considéré actuellement comme préférentiel, le dopant est du néodyme, et la matrice est du type YAG. En variante, la matrice peut être du type dit Li Y F4 , c'est-à-dire le fluorure double d'Yttrium et de Lithium. Pour sa part, l'organe de sortie de la cavité est de préférence une lame à faces parallèles ou quasi-paral- lèles, dont une face au moins est fortement réfléchissante, du genre résonateur de Fabry-Pérot. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci- après, et des dessins annexes, sur lesquels - la fiure t illustre schématiquement un dispositif laser selon l'invention, ainsi que deux applications de ce dispositif; - ia figure 23 r -re de con plus détaillée une varian- te du laser de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont des diagrammes temporels illustrant schématiquement la forme des impulsions émises par le laser; et - les figures 5 et 6 sont deux diagrammes tendant à expliquer le fonctionnement du laser de l'invention Le laser de l'invention peut etre considéré comme un laser primaire, car il travaille à partir d'un pompage optique non cohérent et définit par ses caractéristiques propres la lumière qutil entendre. A l'inverse, un laser secondaire sera excité par un laser primaire, qui lui impose les caractéristiques des impulsions. Le laser primaire est désigné par LP sur les figures 1 et 2. I1 comporte un miroir amont 1, qui est ici un miroir légèrement divergent (rayon de courbure 1 m). A l'autre bout est prévu un organe à réflexion partielle 2. la rda- lisation particulière de celui-ci est l'un des éléments essentiels de l'invention. Entre les deux "miroirs" d'ex- trémités est placée une matrice 3 du type YAG-Nd, dopée au néodyme à 0,9%. Uh diaphragme 4 peut etre interposé au voisinage du miroir amont 1. Sont également prévus un dispositif de commutation de surtension 5 et un dispositif de blocage de mode 6. La figure 2 est semblable à la figure 1, elle montre que la disposition des organes 5 et 6 peut être intervertie, de meme que leur situation par rapport à la matrice Nd-YAG 3. Les dispositifs de commutation de surtension et de blocage de mode peuvent etre réalisés de la manière décrite dans l'Article intitulé "Simultaneous Q-Switching and Mode Locking in the CW Nd:YAG laser" de D.J. Kuizenga, D.W. Phillion, T. L@@d et A.E. Siegman paru dans la Revue Optics communication, Vol. 9, n03 de Novembre 1973, ainsi que dans l'Article D.W. Phillion, D.J. Kuizenga, et A.E. Siegman dans "Applied Physics Letters11A2, 85 (1975). Des applications d'un laser ainsi équipé ont également été décrites par M.D. Fayer, dans l'Ouvrage intitulé "Picoseconds Phenomena III, Springer Series in Chemical Physics", Springer Verlag (1982). Dans l'exemple décrit, la cavité laser définie par les miroirs 1 et 2 possède une longueur d'environ 90 cm, ce qui correspond à un temps d'aller et retour de la lumière de 6 nanosecondes. En conséquence, le dispositif de blocage de mode 6 est excité par un générateur 62 à une fréquence de 83 1Hz plus ou moins 1 Hz. Son déflecteur acousto-optique fonctionne en ondes stationnaires. Pour sa part, le dispositif de commutation de surtension 5 comporte un transducteur acousto-optique opérant en ondes progressives. Un générateur 52 l'excite avec un signal dont la fréquence porteuse est 27 MHz. Sa stabilité est moins critique, et peut hêtre de l'ordre du kHz. Cette fréquence porteuse est hachée, de manière à ne posséder son amplitude minimale que pendant 10 à 15 microsecondes, toutes les deux millisecondes. Le reste du temps, l'amplitude est maximale, à des fins que l'on décrira ciaprès. Le milieu Nd-YAG, désigné par 3, est pompé de façon continue par deux lampes au krypton 33, et muni de moyens de refroidissement 35. On sait que leslampesau krypton 33 produisent à la fois une excitation lumineuse du milieu Nd-YAG et un chauffage intense de celui-ci. il en résulte des effets d'optique du type lentille dans le milieu Nd-YAG. Ces effets ont pour conséquence que le faisceau laser produit à l'inté rieur de la cavité n'est pas du type lumière parallèle, mais qu'il se compose au contraire de portions alternativement convergentes et divergentes, ce qui explique notamment le choix d'un miroir amont 1 qui soit divergent. On sait par ailleurs qu'un laser Nd-YAG soumis à pompage continu peut fonctionner de manière continue, sauf en présence de moyens auxiliaires tendant à le faire opérer en impulsions, de tels moyens auxiliaires ayant été décrits ci-dessus. Le rôle de la commutation de surtension est de disperser tous faisceaux lumineux en dehors de l'axe de la cavité la plupart du temps, sauf en de courts instants, qui sont les seuls pendant lequel elle présentera la surtension minimale nécessaire au fonctionnement du laser. A cela correspond l'amplitude minimale de la fréquence porteuse de 27 MHz appliquée au dispositif 5. Toutefois, si l'on souhaite que le laser conserve une "mémoire" de la cohérence des impulsions qu'il produit, d'une impulsion à l'autre, il est souhaitable que le générateur 52 fournisse au commutateur de surtension 5 une amplitude maximale correspondant tout juste à un fonctionnement du laser en continu, accompagnée de pointes ou "spikes" bien connues de l'homme de l'art.Ces pointes, espacées régulièrement, permettent de conserver la cohérence du faisceau lumineux, d'une impulsion de puissance à la suivante. Cela s'appelle la "stabilité d'impulsion à impulsion"du laser. Lorsque cette stabilité n'est pas désirée, par exemple pour des applications industrielles, on'augmente en conséquence l'amplitude maximale du signal appliqué au déflecteur 5.La puis- sance des impulsions est alors augmentée, elle aussi. Bien entendu, on pourra utiliser d'autres moyens auxiliaires pour le fonctionnement en impulsions que ceux décrits plus haut. Il a par exemple été observé que le laser Nd-YAG tend à fonctionner en impulsions avec la seule présence des déflecteurs 5 et 6, même si ceux-ci ne sont pas excités par les signaux-des génèrateurs 52 à 62. On @dmet dans la sui que ces générateurs fonctionnuent. La figure 3 illustre de façon schématique et sans tenir compte de l'échelle, l'allure du signal produit par un laser tel que celui de la figure 2. Ce laser produit des salves impulsionnelles B séparées de 2 millisecondes, la période du commutateur de surtension 5 Chaque salve comprend une série d'enveloppes impulsionnelles séparées entre elles de 6 nanosecondes. Le cas échéant, on trouve entre les salves B les pointes ou"Spikes" S déjà mention- nées, espacées elles aussi de 6 nanosecondes. Le nombre des enveloppes impulsionnelles telles que E contenu dans une salve B est d'environ 40.Et Et la distribution en amplitude de ces enveloppes impulsionnelles est sensible ment Gaussienne, , tandis que la largeur à mi-hauteur de ces enveloppes impulsionnelles est de 80 à 100 picosecondes. Enfin, la puissance de crête de l'impulsion la plus forte est de l'ordre du Mw. Le miroir de sortie 2 du laser LP des figures 1 et. 2 est un miroir épais (d'épaisseur 9,5 mm) dont les faces opposees sont parallèles et planes à mieux qu'1/20ème de la longueur d'onde du laser. Un traitement multidiélectrique a été fait sur ce miroir7 de sorte qu'environ 200% de l'énergie incidente soient éjectés vers l'extérieur de la cavité laser à chaque aller-retour.C'est la face amont du miroir qui est réfléchissante; mais une partie non négligeable de l'impulsion qui sort (environ 4% de eelle-ci) est également réfléchie par la face externe du miroir de Fabry-Pérot 2, et renvoyée dans la cavité Cette deuxième partie peut alors interférer de manière destructie avec l'impulsion normalement réfléchie dans la cavité On observe en effet un temps d'aller-retour de 6 nanosecondes dans la cavité définie par la face amont 21 du miroir 2. Le temps d'aller-retour à l'intérieur du miroir de Fabry-Pérot 2 est pour sa part de 98 picosecondes.L'ob tention de @@intor@érence destructive est alors régie par les relatio@ @uivantes : 2 n.e/c = 98 picosecondes 2 n.e/A = (2 K+1)/2 ou n désigne l'indice de réfraction du matériau constituant le miroir solide de Fabry-Pérot 2, e son épaisseur, c la vitesse de la lumière, X la longueur d'onde du laser, et K un nombre entier positif. On observe alors que chaque enveloppe impulsionnelle telle que E sur la figure 3 possède à son tour une structure impulsionnelle, comme illustré par la figure 4. Les impulsions constituant une enveloppe E sont au nombre de 4 ou 5, elles possèdent une distribution à nouveau Gaussienne, et leur largeur à mi-hauteur On a alors recherché une interprétation des phénomènes ainsi observés. L'interprétation dans le domaine temporel peut être faite à partir de la figure 5, où l'on retrouve en 2 le miroir Fabry-Pérot, en 31 le faisceau incident sur ce miroir, et en 32 le faisceau réfléchi. Le diagramme 55 désigne l'allure de l'impulsion incidente, telle que la fournirait un laser classique. Sa largeur à mihauteur serait de 80 picosecondes au moins (c'est la limite physique théorique). Le signal réfléchi par le miroir 2 est illustré dans le diagramme 56. On y trouve d'abord l'image 57 due à la face amont 21 du miroir 2, et, avec un décalage temporel, l'image 58 due à la face postérieure 23 du même miroir. Les positions temporelles relatives de ces deux images montrent la possibilité d'une interférence destructiire. I1 reste à expliquer comment la limite physique théorique a pu etre franchie. 7une explication peut être donnée à partir des diagrammes de la figure 6, qui sont établis dans le domaine des tréquences, ou plus exactement des longueursd'ondes A. La courbe 67 définit le gain de bande d'un laser classique, où le miroir 2 serait réalisé de la manière habituelle. La largeur à mi-hauteur est de 0,4 cm - 1 . La courbe 6 montre la réponse en fréquence du résonateur de Fabry-Pérot que constitue le miroir 2.Cette courbe de réponse en fréquence possède la forme d'une sinusoide périodique. il apparaît alors que la composition de ces deux courbes de fréquence produit un trou dans la courbe 67. Ainsi, l'obtention d'impulsions plus courtes selon l'invention demeure compatible avec les limites théoriques dues à la relation de transformée de Fourrier, rappels au début de la présente description. Des simulations ont été effectuées sur ordinateur Elles ont permis de mettre en évidence un régime transitoire correspondant à la construction de l'impulsion laser. Ce régime transitoire prend une dizaine d'aller-retours dans la cavité laser. Après cela, on obtient un régime permanent qui correspond à l'enveloppe illustrée sur la figure 4. En pratique, compte tenu du caractère imparfait de la réflexion sur le miroir de Fabry-Pérot utilisé, il est estimé que l'citablissement du régime permanent dure plus longtemps. Cette simulation a confirmé que le double trajet optique créé par la présence du miroir 2 à deux faces parallèles se combineàune double action du blocage de mode, pour chacun des trajets optiques. Ceci fait mieux comprendre comment l'on peut raccourcir la durée dds impulsions élé- mentaires tout en en conservant sensiblement la puissance de crotte, chose considérée comme surprenante. La détermination de la forme d'onde produite par le laser selon l'invention a été effectuée à l'aide de différentes expérimentations complémentaires, qui ont toutes donné des résultats semblables. Ces expériences, dont certaines utilisaient un doublement de fréquence, ontconsisté en - un mélange non colinéaire à quatre ondes; et - deux autres mesures d'autocorrelation du second ordre, différentes l'une de l'autre. Il est maintenant fait référence à nouveau à la figure 1, qui fait apparaître deux utilisations dtun laser selon l'invention. On sait que le miroir amont 1 d'un laser possède des fuites Celles-ci peuvent servir à exciter un photodétecteur PHD, qui permet la commande d'une boîte de déclenchement TB Cette bolte TB fournit un signal temporellement relié au signal produit par le laser. Un oscilloscope OS permet le contrôle permanent du signal. A l'autre extrémité, le miroir de sortie 2 délivre un signal optique qui est appliqué par exemple à un doubleur de fréquence 7. Ce doubleur peut etre réalisé de différentes manières. De préférence, il utilise comme matériau actif le matériau dit CD* A, qui est du césium Dideutére arseniate. A partir du rayonnement infrarouge de longueur d'onde 1, > 4micron que produit le laser, ce doubleur procure une longueur d'onde de 532 nanomètres. Un 4prisme 8 permet la séparation du signal à 1,064micron résiduel, et du signal à 532 nanomètres, qui est réfléchi par un miroir 9A, tandis que le premier mentionné peut etre renvoyé par un miroir 9B. Un laser secondaire est défini entre un miroir amont convergent 101 et un miroir aval 102. Un miroir auxiliaire 103 renvoit le signal issu du mi @@ir 9@ vers le @@ @@@ 102, à travers un milieu laser @ colorant 109 dit JET, qui fait partie du laser secondaire. Sur le trejet optique du laser secondaire, on trouve encore deux lames à faces parallèles 107 et 108. En 104 est illustrée une cellule de pookels, qui peut être commandée par un dispositif électronique 105S afin de modifier la polarisation du signal transitant sur le laser. Une ligne à retard 106 permet la commande de ces cellules 105 à un instant choisi, à partir de la boite PB. Lorsqu'on réalise cette commande, la polarisation du signal change, et un analyseur de polarisa tion 110 permet alors d'extraire une seule enveloppe impul- sionnelle, comme l'illustre le diagramme 112. Cette enve- loppe impulsionnelle est prélevée à l'intérieur de la salve d'impulsions B rappelée dans le diagramme 95, étant rappelé que, du coté du laser secondaire, la longueur d'onde a changé. Une séparation analogue peut se faire à partir du signal issu du miroir 9E il y a cependant une différence le laser secondaire est en quelque sorte asservi sur les enveloppes impulsionnelles E (qui le "pompent"), tandis qu'il faut maintenant séparer exactement 19 enveloppe impulsionnelle désirée du reste de la salve B. Un miroir 145 reprend le signal réfléchi par le miroir 9B et l'envoie vers une double cellule de pockels 150. Celle- ci est commandée par un système de ligne à retard 151 et 152, actionné là encore à partir de la bolte de com mande TB. Un réglage convenable permet de modifier sélec- tivement la polarisation pour l'une des impulsions, qui est par exemple la plus intense .Un analyseur de polarisation 153 procure alors sur une des voies l'im- pulsion désirée comme Illustré en 155, et sur l'autre oie le reste des impulsions contenues dans la salve B, comme illustré en 156 il apparat ainsi que le laser selon l'invention permet non seulement la production d'impulsions très brèves, mais aussi, lorsque cela est nécessaire, l'isolation de la plus inte@se de ces impulsions. Compte tenu de ces caractéristiques, le laser selon l'in- vention est très intéressant au laboratoire, étant observé en outre qu'il permet de conserver une excellente stabilité d'impulsion à impulsion, avec les autres avantages du laser Nd-YAG > à savoir sa puissance, son rendement et son taux de répétition élevé. Ce dernier peut aller jusqu'à 100O salves d'impulsions par seconde. Dans l'industrie, le laser peut servir notamment à la découpe de métaux ou de tissus- par exemple, ainsi qu'à la réalisation d'implantations ioniques, pour la fabrication de composants électroniques à semi-conducteurs Ces applications peuvent ou non nécessiter la stabilité d'impulsion à impulsion. Revendications 1. Laser, du type comprenant un milieu (3) apte à l'émission induite de photons, qui est soumis à um pompage optique (33) à l'intérieur d'une cavité optique (1, 2) résonnante à la fréquence des photons induits et agencé (5, 6) pour fonctionner en impulsions ultra-brèves, caractérisé en ce que l'organe de sortie (2) de la cavité définit à l'intérieur de cellewci deux trajets optiques légèrement différents, ce qui diminue la duree des impulsions de lumière élémentaires produites par le laser. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit milieu (3), soumis à pompage optique continu, est constitué d'une matrice solide contenant un dopant, et en ce que son fonctionnement en impulsions ultra-brèves est obtenu par adjonction de moyens auxiliaires (5, 6). 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens auxiliaires comprennent un dispositif (5) de commutation de la surtension de la cavité optique résonnante. 4. Laser selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que lesdits moyens auxiliaires comprennent un dispositif (6) de blocage du mode optique de fonctionnement de la cavité optique résonnante 5. Laser selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens auxiliaires comprennent au moins un déflecteur acousto-optique (, 6). 6. Laser selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le dopant est du néodyme. 7. Laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe de sortie (2) de la cavité est une lame à faces parallèles, dont une face au moins est réfléchissante, du genre résonateur de Fabry-Pérot. 8. Laser selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le miroir amont (1) de la cavité est divergent, le laser fonctionnant en lumière non parallèle. 9. Laser selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qutil comprend, en aval de l'organe de sortie, des organes (104-106; 150-152) propres à l-'isola- tion d'une partie des impulsions émises. 10. Laser selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend, en aval de l'organe de sortie, un laser secondaire (101, 102, 109) excité par les impulsions de lumière issues dudit organe de sortie.