Brevet FR2641422A1 — publié le 19900706

Laser à barreau avec pompage optique par source à plage d'émission étroite La présente invention concerne la réalisation d'un laser à pompage optique dont le milieu actif présente la forme d'un barreau. Pour constituer des sources de lumière de pompage pour un tel laser il est connu d'utiliser des diodes laser. Une telle diode est consti- tuée d'une plaquette semi-conductrice et émet sa lumière à partir d'une plage d'émission étroite dont les deux dimensions peuvent être par exemple 1000 nm et 10 mm. Le faisceau de pompe formé présente alors des angles de divergence de 80 et 20 degrés, environ. Un laser connu utilisant de telles sources de pompage comporte certains éléments essentiels qui lui sont communs, au moins quant à leurs fonctions indiquées ci-après, avec un laser selon la présente invention. Ces éléments essentiels communs sont: - un barreau laser allongé présentant un axe longitudinal et un diamètre dans un plan transversal, cet axe définissant des directions radiales et circonférentielles, le matériau de ce barreau étant apte à absorber une lumière de pompe dans une bande spectrale d'absorp- tion autour d'un pic d'absorption, pour amplifier une lumière à amplifier se propageant longitudinalement, - au moins une source de pompage pour émettre une dite lumière de pompe répartie sur la longueur dudit barreau, cette source émettant cette lumière sous la forme d'un faisceau qui est dirigé vers ce barreau et qui sort d'une plage d'émission dont une largeur circonféren- tielle petite impose à ce faisceau de former un angle de divergence dans un plan transversal, - et un réflecteur entourant ledit barreau sur sa longueur tout en présentant au moins une fenêtre étroite pour ladite lumière de pompe en regard de ladite plage d'émission de manière à réaliser un piège à lumière dans lequel une fraction de cette lumière non absorbée lors d'un passage dans ce barreau est renvoyée vers celui- ci pour un passage ultérieur. Un tel laser connu est décrit dans l'article: Laser diode side pumping of neodymium laser rods, Applied Optics / Vol.27, 26 4 1 4 2 2 -- 2 -- No.1 / 1 january 1988. Le réflecteur de ce laser permet d'augmenter le rendement énergétique global du laser d'une part en diminuant les pertes de lumière de pompe vers l'extérieur du laser, d'autre part en améliorant l'homogénéité du pompage, c'est-à-dire en rendant plus uniforme la densité de puissance de cette lumière dans le volume du barreau laser, et plus particulièrement dans la section de celui-ci. Il reste cependant souhaitable d'augmenter encore le rendement d'un tel laser, ainsi que sa compacité, c'est-à-dire le rapport entre d'une part la puissance lumineuse qu'il est capable de fournir, et d'autre part son encombrement. La présente invention a notamment pour buts d'éviter des pertes de lumière de pompe vers l'extérieur d'un tel laser, et d'en augmenter l'homogénéité de pompage et la compacité. Un laser selon cette invention comporte les éléments essentiels communs précédemment mentionnés et il présente certaines au moins des dispositions préférées suivantes: - Ledit réflecteur entoure ledit barreau en laissant autour de celui-ci un intervalle annulaire présentant une largeur selon ladite direction radiale, ladite source de pompage présentant sa dite plage d'émission à proximité avantageusement immédiate de ladite fenêtre, cette fenêtre présentant une largeur circonférentielle avantageusement peu différente de celle de cette fenêtre, ladite largeur dudit intervalle annulaire étant suffisante pour que ledit barreau soit sensiblement contenu dans ledit angle de divergence. - La dite largeur dudit intervalle annulaire est en même temps suffisamment petite pour que ledit barreau occupe sensiblement toute l'étendue angulaire dudit angle de divergence. Ces dispositions permettent à la fois d'obtenir une bonne homogénéité du pompage et de minimiser les pertes de lumière de pompage. - Le laser comporte des moyens pour faire parcourir ledit intervalle annulaire par un fluide de refroidissement. Cette disposition permet d'obtenir de manière simple un refroidissement efficace du barreau laser, ce qui permet d'augmenter la puissance de pompage injectée dans ce barreau, et donc la puissance du faisceau lumineux fourni -3 - par ce barreau. - Cet écoulement est longitudinal. - Ledit réflecteur présente la forme d'un tube de verre entourant coaxialement ledit barreau et portant un revêtement réflecteur sur sa surface extérieure, ce revêtement étant localement interrompu pour former une dite fenêtre. Cette disposition permet à la fois de constituer de manière simple le réflecteur et de canaliser dans ledit tube de verre l'écoulement longitudinal du fluide de refroidis- sement qui est par exemple constitué par de l'eau. - La dite source de pompage émet une lumière de pompe dont une fréquence centrale présente un décalage spectral par rapport audit pic d'absorption. Ce décalage spectral est choisi suffisamment grand pour améliorer l'homogénéité dudit pompage grâce à une augmen- tation du nombre moyen des réflexions de ladite lumière de pompe sur ledit réflecteur. Il est en même temps choisi suffisamment petit pour que ce nombre de réflexions ne diminue pas sensiblement le rendement énergétique du pompage par suite de l'absorption partielle de lumière qui se produit à chaque réflexion. Il est par exemple choisi de manière que le nombre moyen de réflexions de la lumière de pompe dans le piège à lumière soit compris entre 3 et 4. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Le mode de mise en oeuvre donné en exemple comporte les dispositions préférées mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un laser selon cette invention. La figure 2 représente une vue en perspective du réflecteur du même laser. La figure 3 représente une vue partielle à échelle agrandie d'un détail de la fig.1. 26 4 1 4 2 2 - 4 - Sur ces figures ledit barreau est représenté en 1 et son axe en X. Lesdites sources de pompage sont constituées par des diodes laser telles que 3 présentant des plages d'émission telles que 10. Ces diodes sont réparties dans des rangées longitudinales qui sont elles mêmes réparties angulairement autour du barreau. Ces sources pourraient cependant être de nature différente de même que les plages d'émission qui pouraient être notamment constituées par les extrémités de fibres optiques amenant une lumière de pompe produite à distance du réflecteur. Le réflecteur est constitué d'un tube de verre 2 et son revê- tement réflecteur est constitué par une métallisation 12 dont la réflectance est rendue aussi grande que possible, et qui est interrompue dans des fenêtres telles que 14. L'intervalle annulaire 16 est occupé par le fluide de refroidissement qui circule parallèlement à l'axe X. De telles dispositions permettent d'obtenir les avantages suivants: - Les diodes laser étant éloignées du barreau, il n'y a pas de zone pompée d'une manière particulièrement forte alors que de telles zones existent dans les lasers dont les diodes lasers de pompage sont placées tout près du barreau. - Les diodes lasers étant désaccordées en fréquence par rapport au pic d'absorption du matériau pompé, plusieurs passages dans le barreau sont nécessaires pour que toute la lumière émise par les diodes lasers soit absorbée. Ceci améliore l'homogénéité du pompage. Par ailleurs des diodes lasers de spectre large pourraient être utilisées sans qu'il soit nécessaire que leur spectre soit bien centré par rapport au pic d'absorption du matériau du barreau. L'utilisation de telles diodes présenterait en outre l'avantage que leur régulation thermique est moins critique que celle d'autres diodes. - Le tube de verre permet, pour des fonctionnements à puissance moyenne élevée, de refroidir efficacement le barreau par la circulation d'un liquide. -5- - Dans la configuration cylindrique représentée, la section de dissipateurs thermiques sur lesquels sont fixés les diodes lasers peut être augmentée en s'écartant du centre du tube. On peut ainsi les adapter plus facilement à des éléments PELTIER par exemple. A titre d'exemple numérique on peut citer un laser dont le matériau actif est du type Nd3+YAG et qui fournit une puissance moyenne de 100 W diamètre du barreau: 6,35 mm longueur: 100 mm pic d'absorption: 807 nm 10. tube de verre: diamètre 13 mm, épaisseur: 2 mm largeur circonférentielle des fenêtres:0,2 mm puissance de chaque diode laser:10 W largeur circonférentielle des plages d'émission: 1000 nm fréquence centrale d'émission: 807 nm 15. nombre de diodes lasers de 10 W nécessaires: 40 huit diodes lasers de longueur 10 mm ou les arrivées de 8 nappes de fibres sont réparties dans une même rangée horizontale cinq telles rangées entourent le tube 2 dont les fenêtres présentent une largeur de 0, 2 mm ce qui entraîne une perte de lumière de pompe vers l'extérieur de l'ordre de 2,5 %. puissance électrique nécessaire de l'ordre de 1 kW. - 6 - REVENDICATIONS 1/ Laser à barreau avec pompage optique par source à plage d'émission étroite, ce laser comportant: - un barreau laser allongé (1) présentant un axe longitudinal (X) et un diamètre dans un plan transversal, cet axe définissant des directions radiales et circonférentielles, le matériau de ce barreau étant apte à absorber une lumière de pompe dans une bande spectrale d'absorption autour d'un pic d'absorption, pour alors amplifier une lumière à amplifier se propageant longitudinalement, - au moins une source de pompage (3) pour émettre une dite lumière de pompe répartie sur la longueur dudit barreau, cette source émettant cette lumière sous la forme d'un faisceau qui est dirigé vers ce barreau et qui sort d'une plage d'émission (10) dont une largeur ciroonférentielle petite impose à ce faisceau de former un angle de divergence dans un plan transversal, - et un réflecteur (2, 12) entourant ledit barreau sur sa longueur tout en présentant au moins une fenêtre étroite (14) pour ladite lumière de pompe en regard de ladite plage d'émission de manière à réaliser un piège à lumière dans lequel une fraction de cette lumière non absorbée lors d'un passage dans ce barreau est renvoyée vers celui-ci pour un passage ultérieur, ce laser étant caractérisé par le fait que ledit réflecteur (2, 12) entoure ledit barreau (1) en laissant autour de celui-ci un intervalle annulaire (16) présentant une largeur selon ladite direction radiale, ladite source de pompage (3) présentant sa dite plage d'émission (10) à proximité de ladite fenêtre (14), ladite largeur dudit intervalle annulaire étant suffisante pour que ledit barreau soit sensiblement contenu dans ledit angle de divergence (A). 2/ Laser selon-la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite largeur dudit intervalle annulaire (16) est en même temps suffisamment petite pour que ledit barreau (1) occupe sensiblement toute l'étendue angulaire dudit angle de divergence (A). 3/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il 264 1 422 comporte des moyens pour (2) faire parcourir ledit intervalle annulaire (lb) par un fluide de refroidissement. 4/ Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'écoulement du fluide de refroidissement (16) est longitudinal. 5/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la dite source de pompage (3) émet une lumière de pompe dont une fréquence centrale présente un décalage spectral par rapport audit pic d'absorption. b/ Laser selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit décalage spectral est choisi suffisamment grand pour améliorer l'homogénéité dudit pompage grâce a une augmentation du nombre moyen des réflexions de ladite lumière de pompe sur ledit réflecteur, ce décalage étant en même temps choisi suffisamment petit pour que ce nombre de réflexions ne diminue pas sensiblement le rendement énergétique du pompage par suite de l'absorption partielle de lumière qui se produit a chaque réflexion. 7/ Laser selon la revendication 1, caractéerisé par le fait que ledit réflecteur présente la forme d'un tube de verre (2) entourant coaxialement ledit barreau et portant un revêtement réflecteur (12) sur sa surface extérieure, ce revêtement étant localement interrompu pour former une dite fenêtre (14).