Brevet FR2616976A1 — publié le 19881223

LASER AVEC SYSTEME DE REFROIDISSEMENT PERFECTIONNE La présente invention est relative aux lasers à pompage optique dont le milieu actif est constitué d'un barreau appelé "slab" dans la littérature anglo-saxonne. Les lasers de ce type comportent donc un milieu actif solide présentant au moins deux faces parallèles, soigneusement polies, entre lesquelles le faisceau lumineux se propage selon un trajet en zigzag grâce à la réflexion totale sur ces faces. L'énergie calorique engendrée par le processus laser est évacuée du barreau au niveau de celles-ci. L'énergie de pompage optique nécessaire pour provoquer l'effet laser peut être envoyée dans le barreau selon une direction quelconque à condition qu'elle soit répartie de façon homogène, ou qu'une répartition non-homogène dans le milieu laser de cette énergie soit éliminée par un guidage approprié du faisceau laser. Le trajet en zig-zag par réflexion totale du faisceau sur les faces est obtenue par un choix approprié de la nature et de la position des faces d'extrémité du barreau par rapport à l'axe optique de celui-ci et l'axe optique du résonateur. Ces faces d'extrémité peuvent d'ailleurs elles-mêmes délimiter ce résonateur. La construction des lasers de ce type pose un problème ardu de refroidissement, car actuellement dans le meilleur des cas, l'énergie fournie au barreau n'est transformée que pour quelques pourcents en énergie de sortie du faisceau laser. Ce problème est d'autant plus difficile à résoudre que les solutions trouvées jusqu'ici conduisent à une incompatibilité au niveau des fluides utilisés pour évacuer l'excès en calories engendrées dans le barreau laser. Comme expliqué dans le brevet US-A-3 679 999, lorsque l'on utilise un liquide de refroidissement comme fluide caloporteur qui est en contact direct avec les faces de réflexion totale, on obtient un refroidissement efficace, car un liquide présente une capacité d'absorption -thermique élevée. En revanche, sur le plan optique, cette solution présente plusieurs inconvénients. Si le milieu laser a un faible coefficient de réfraction, les pertes au niveau de la réflexion totale deviennent très importantes et le nombre de réfle- xions du faisceau sur les faces parallèles devient faible. En outre, le liquide de refroidissement risque de salir les faces parallèles et augmenter ainsi encore davantage les pertes. Enfin, en raison du fait que le matériau du barreau présente une certaine solubilité non-finie vis-avis du liquide la qualité de surface des faces à réflexion totale se détériore à la longue. Si on utilise un gaz de refroidissement, on peut obtenir un meilleur résultat optique, car l'indice de réfraction d'un gaz est en général faible ce qui améliore la réflexion totale et augmente le nombre de réflexions du faisceau laser. Cependant, un gaz est un mauvais milieu de transfert de chaleur de sorte que cette solution requiert une épaisseur très faible de la couche de gaz perpendicu- laire aux faces à réflexion totale. Or, cette solution a été choisie dans le brevet américain précité, qui implique donc des inconvénients certains. Tout d'abord, l'enceinte de confinement du gaz doit être étanche et être dimensionnée en épaisseur avec précision sur toute l'étendue des faces à réflexion totale. Cette épaisseur étant de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du faisceau laser, on imagine les difficultés de fabrication liées à la construction d'une telle enceinte, en particulier lorsque les dimensions du barreau laser sont importantes. Par ailleurs, le gaz doit avoir un coefficient de conduction thermique aussi élevé que possible, l'hélium étant à cet égard le plus approprié. Il en résulte des complications d'utilisation. Enfin, le gaz peut également provoquer une certaine salissure des faces à réflexion totale L'invention a pour but de fournir un laser à pompage optique du type décrit ci-dessus et dépourvu des inconvénients de la technique antérieure. L'invention a donc pour objet un laser à pompage optique dans lequel le milieu laser est formé par un barreau ayant au moins deux faces opposées entre lesquelles le faisceau laser engendré, se propage selon un trajet en zig-zag, par réflexion totale sur ces faces, ce laser étant muni de moyens pour refroidir lesdites faces parallèles, et étant caractérisé en ce qu'il comporte également une couche d'un matériau solide appliquée respectivement contre chacune de ces faces parallèles, ce matériau solide présentant un indice de réfraction inférieur à celui du barreau et étant au moins indirecte- ment en relation d'échange thermique avec un fluide de refroidisse- ment. Un système de refroidissement pour barreau laser conçu de cette façon allie les avantages des deux méthodes utilisées antérieurement tout en en supprimant les inconvénients. En effet, la couche solide peut être réalisée sans grandes difficultés avec une épaisseur constante et une très grande homogé- néité optique de sorte que les conditions de réflexion totale sont rigoureusement les mêmes sur toute l'étendue des faces du barreau sur lesquelles cette réflexion totale a lieu. Par ailleurs, la couche solide peut être réalisée de manière à présenter un excellent coefficient de transfert thermique et apporte donc une contribution importante à un meilleur refroidissement du barreau. La couche solide peut être en contact direct avec le liquide de refroidissement et former à elle-seule une protection contre les influences défavorables du liquide. Cependant, on peut superposer à la couche solide, d'autres couches protectrices ou douées de pro- priétés optiques prédéterminées (antireflet, par exemple). - Ces autres couches peuvent être déposées par voie physique ou chimique ou encore être mécaniquement maintenues contre la première couche solide. Par ailleurs, toutes les couches peuvent être optimalisées pour la transmission de l'énergie de pompage, si les faces à réflexion totale sont en même temps les faces du barreau à travers lesquelles l'énergie de pompage est introduite dans le barreau. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré. Aux dessins annexes, donnés uniquement à titre d'exemple: - la figure 1 est une vue partielle en coupe transversale à grande échelle d'un laser réalisé suivant l'invention; - la figure 1A montre une vue très schématique en perspective d'un laser suivant l'invention en mettant en évidence la superposi- tion de plusieurs couches contre les faces à réflexion totale du barreau laser; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale, à petite échelle de ce même laser; - les figures 3 à 8 sont des vues en coupe partielles ou entiè- res du laser, prises respectivement suivant les lignes III-III à VIII-VIII de la figure 2 et dessinées à différentes échelles. On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 1A qui montrent les caractéristiques essentielles de l'invention. Un barreau (appelé "slab" en terminologie anglo-saxonne) consti- tue le milieu dans lequel l'effet laser est engendré. Dans le modèle de réalisation représenté, ce barreau 1 présente une section rectan- gulaire avec deux grandes faces 2a et 2b qui sont, dans ce cas, à la fois les faces de pompage et les faces à réflexion totale pour conférer au faisceau F produit un trajet en zig-zag. Le barreau présente également, deux faces latérales 3a et 3b et deux faces d'extrémité 4a et 4b (figure 2). Dans l'exemple représenté, qui concerne un résonateur linéaire, ces dernières sont taillées sur le barreau 1 à peu près sous l'angle de Brewster (a) afin de réduire les pertes. Cependant, les faces d'extrémité peuvent également être droites ou inclinées de 180 -2 a par rapport à l'axe optique du laser. Selon l'invention, chacune des faces 2a et 2b est pourvue d'au moins une couche solide 5 (figure 1 en particulier) dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du barreau 1. Cette couche est transparente à la lumière de pompage et présente un bon coefficient de transfert thermique. En outre, elle protège le barreau contre le liquide de refroidissement ce qui apparaîtra plus loin. Le tableau ci-dessous donne une liste de matériaux utilisables pour la réalisation de la couche 5, en combinaison avec des maté- riaux usuels dont peut être fait le barreau 1. Ces derniers maté- riaux peuvent être divisés arbitrairement en deux catégories. L'une à faible indice de réfraction et l'autre à indice de réfraction élevé. Dans le premier cas, il peut s'agir de verres stoichiométri- ques éventuellement dopés ou des cristaux d'halogénure de métal. Dans le second cas, le matériau du barreau 1 peut être un garnet ou un cristal d'oxyde métallique par exemple. 2616976 TABLEAU Faible indice ( 1,6) Barreau 1 Couche 5 Barreau 1 Couche 5 Matériau laser Matériau laser (cristal hôte) (cristal hôte) Verre au SiO2 YAG SiO2 phosphate MgF2 GSGG MgF2 BaF2 GGG BaF2 AlF3 YAP AlF3 CaF2 A1203 CaF2 Verre au BEL A1203 silicate LaF3 CuO .SiO2 NdF3 Dans chacun des cas un couple optimal pour le matériau du barreau et le matériau de la couche 5 peut être choisi parmi tous ceux indiqués dans le TABLEAU. De preférence, la couche 5 a-une épaisseur choisie entre 3 À et 0,1 mm, X étant la longueur d'onde de travail du laser. Elle peut être appliquée contre la face 2a, 2b correspondante par tout procédé physique ou chimique approprié connu des spécialistes. En outre, afin de convertir en énergie de pompage utile, toute lumière disper- sée qui serait perdue en l'absence de dopage, la couche 5 peut être dopée d'ions métalliques, par exemple de métaux de transition tels que Ti et Cr et/ou de terres rares telles que Er (Erbium) ou Tm (Thulium). Une seconde couche 5a (visible uniquement sur la figure 1A) peut être prévue par dessus la couche 5 que l'on vient de décrire, en particulier lorsque celle-ci est susceptible d'être alterée par le fluide de refroidissement. Cette couche supplémentaire Sa peut être réalisée en SiO2, A1203, CaO.SiO2, BeAl204 et autres matériaux analogues, ses propriétés devant être compatibles avec un bon transfert thermique et, dans le cas présent, avec une transmission 6 26 16976 irréprochable de l'énergie de pompage. La couche 5a peut être déposée par voie physique ou chimique sur la première couche 5 (comme représenté aux dessins) ou bien être maintenue mécaniquement contre celle-ci, cas auquel la couche 5a est une feuille mince. Comme la première couche 5, la seconde 5a peut être dopée avec des ions d'un métal de transition ou d'un métal de terre rare, qui peut être le même que celui utilisé pour la couche 5. Comme représenté sur la figure 1A, une troisième couche 5b du type antireflet peut être prévu sur la deuxième couche 5a, ou si celle-ci n'est pas prévue sur la première couche, afin d'améliorer l'efficacité de pompage. Dans le cas représenté aux figures, la couche 5a et sa couche anti-reflet 5b, sont déposées sur la couche 5. Une lame transparente 6a, 6b, respectivement, réalisée par exemple en saphir ou en alexan- drite est appuyée mécaniquement sur ces couches. Chaque lame 6a, 6b deborde, de préférence, de chaque côté latéral du barreau 1 d'une distance égale ou supérieure à l'épaisseur de celui-ci. L'ensemble représenté a la figure 1A est placé entre deux plaques de maintien 8a, 8b qui s'étendent sur pratiquement toute la longueur du laser et comportent chacune une ouverture rectangulaire 9a, 9b présentant à peu près l'étendue du barreau 1, cependant que sa largeur dépasse quelque peu la largeur de celui-ci. Les deux plaques de maintien 8a et 8b sont ajustées l'une sur l'autre de manière à serrer entre elles avec une force appropriée l'empilement formé du barreau 1, et des couches 5, 5a et 5b et des lames 6a et 6b, une garniture 10a, lob assurant l'étanchéité près de la périphé- rie de l'ouverture 9a, 9b. Les espaces 11a et 11b délimités latéra- lement à l'extérieur du barreau 1 sont remplis d'un gaz à faible coefficient de transfert thermique, tel que l'azote ou l'air. Des pièces allongées 12a, 12b en forme de gouttière sont ajus- tées dans chacune des ouvertures rectangulaires 9a, 9b des plaques de maintien 8a, 8b. Ces gouttières délimitent un espace de circula- tion 13a, 13b pour un fluide de refroidissement tel que l'eau et sont fixées extérieurement à des plaques de chàssis extérieures 14a, 14b du laser (voir figure 2 en particulier). Le fond et les parois latérales de chaque gouttière 12a, 12b sont réalisés de manière à 2Z616976 présenter des faces de réflexion 15a, 15b garnies de préférence d'une couche d'or 16a, 16b. Un tube 17a, 17b s'étend dans chacun des espaces de circulation 13a, 13b et reçoit une lampe à décharge 18a, 18b tout en délimitant autour de celle-ci une canalisation 19a, 19b de circulation de liquide de refroidissement pour ces lampes. Entre chaque plaque de maintien 8a, 8b et chaque plaque de châssis extérieure 14a, 14b sont prévus deux cadres d'entretoise latéraux 20a, 20b qui délimitent avec ladite plaque autour des gouttières 12a, 12b un canal 21a, 21b de circulation d'un fluide de refroidissement, tel que l'eau. Une plaque latérale de raccordement 22 (figure 3) s'étend sur toute la longueur du laser afin de permettre l'alimentation en fluides de refroidissement des trois circuits que comporte le laser à cet effet. Le premier circuit comprend les espaces 21a et 21b qui sont raccordés à un canal d'entrée 28 (figure 5) ménages dans la plaque latérale 22 et à un canal de sortie percé dans cette même plaque (non visible sur les figures).La tubulure d'entrée 28 communique avec des passages respectifs 26 ménagés dans les cadres d'entretoise respectifs 20a et 20b, tandis que la tubulure de sortie est raccor- dée à des passages 27 percés également dans ces cadres (à droite sur la figure 2). Le second circuit comprend les espaces 13a et 13b qui communi- quent respectivement par des passages 24 et 25 ménages dans les cadres 20a et 20b (figure 6) avec une canalisation d'entrée 23 et une canalisation de sortie (non visible sur le dessin) percées toutes deux dans la plaque latérale de raccordement 22. Le troisième circuit est celui qui transporte le liquide de refroidissement des sources de pompage optique 18a et 18b. Ce circuit comprend un canal d'entrée 29 (figure 7) et un canal de sortie 30 (figure 8) ménages dans la plaque latérale de raccorde- ment 22 ainsi que des passages d'entrée 31 et de sortie 32 ménages dans les cadres d'entretoise 20a et 20b (figures 2, 7 et 8). Des fiches de raccordement électrique 33 ainsi que des électro- des de déclenchement 34 sont insérées dans les cadres d'entretoise a et 20b (voir respectivement les figures 2 et 8). L'agencement des trois circuits de refroidissement tel que décrit cidessus permet de choisir des fluides différents et des vitesses d'écoulement distinctes dans chaque circuit afin de permet- tre un refroidissement étroitement adapté aux éléments correspon- dants à refroidir. Il est ainsi possible d'obtenir un gradient de température régulier entre le barreau 1 et les pièces extérieures de châssis du laser. 9 2 6 616976 REVENDICATIONS 1. Laser à pompage optique dans lequel le milieu laser est formé par un barreau (1) ayant au moins deux faces opposées entre lesquelles le faisceau laser engendré, se propage selon un trajet en zig-zag, par réflexion totale sur ces faces, ce laser étant muni de moyens pour refroidir lesdites faces parallèles, et étant caractéri- sé en ce qu'il comporte également une couche (5) d'un matériau solide appliquée respectivement contre chacune de ces faces parallè- les (2a, 2b), ce matériau solide présentant un indice de réfraction inférieur à celui du barreau (1) et étant au moins indirectement en I0 relation d'échange thermique avec un fluide de refroidissement. 2. Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites faces parallèles (2a, 2b) sont les faces de pompage du barreau (1) et en ce que le matériau de ladite couche (5) est transparent à l'énergie optique servant à exciter le milieu dudit barreau (1). 3. Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacune desdites couches (5) est appliquée sur la face correspondante du barreau (1) par un procédé de dépôt physique ou chimique. 4. Laser suivant l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que ladite couche (5) est réalisée en un oxyde métallique, éventuellement composite, tel que A1203, SiO2 ou CaO.SiO2. 5. Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couche (5) est réalisé en un composé halogène tel que MgF2, BaF2, A1F3, CaF2, LaF3 ou NdF3. 6. Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite couche est dopée avec des ions de métaux de transition tels que Ti et Cr et/ou de terres rares telles que l'erbium (Er), ou le thulium (Tm). 7. Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque couche (5) appliquée respectivement contre les faces parallèles (2a, 2b) du barreau est recouverte d'au moins une seconde couche (Sa) en un matériau bon conducteur de chaleur. 8. Laser suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ladite seconde couche (Sa) est transparente à l'énergie optique servant à exciter le milieu dudit barreau (1) 9. Laser suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite seconde couche (5a) est appliquée sur la première couche (5) par un procédé de dépôt physique ou chimique. 10. Laser suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que ladite seconde couche (5a) est en forme de feuille et maintenue mécaniquement contre la première couche (5). 11. Laser suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que ladite seconde couche (Sa) est réalisée en un oxyde métallique tel que SiO2, A1203, CaOSiO2 ou BeAl204. 12. Laser suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que ladite seconde couche (Sa) est réalisée en un composé halogéné d'un métal, tel que MgF2, AlF3, CaF2, LiF ou KMgF3. 13. Laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'une troisième couche (5b) anti-reflet est appliquée sur la première couche (5) ou, le cas échéant, ladite seconde couche (5a). 14. Laser suivant l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que ladite seconde couche (5a) est maintenue en place par une lame (8a, 8b) en un matériau transparent s'étendant au-delà de l'étendue de cette seconde couche. 15. Laser suivant l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les face (3a, 3b) du barreau (1) autres que celles avec lesquelles lesdites premières couches (5) sont en contact, sont exposées à un milieu thermiquement isolant tel que de l'air ou de l'azote.