Brevet FR2646294A1 — publié le 19901026

La présente invention concerne un milieu laser à corps solide ayant la géométrie d'une plaque et, plus particulièrement, un matériau de ce type qui comporte des surfaces aux bords de forme concave de manière à réduire les oscillations para- sites. Un laser à pompage facial, à géométrie en forme de plaque, de section transervale rectangulaire, tel que celui représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 633 126, comporte un matériau laser à pompage optique. Un tel matériau 10 est représenté dans la présente figure la, dans laquelle l'énergie de pompage est appliquée à au moins l'une des faces 12a et 12b par des tubes flash (non représentés). Les extrémités 14a et 14b comprennent des faces. Cependant, un tel matériau laser 10 est enclin à des oscillations internes, parasites, provoquées par les réflexions internes totales, dans un trajet lumineux 16a à boucle ferméesur les surfaces polies 12 et 14 du matériau 10, la direction de la propagation de la lumière étant indiquée par les flèches. Des variantes éventuelles pour les trajets en mode parasite, 16b et 16c, sont représentées dans les figures lb et lc, respectivement. D'autres modes encore sont possibles. En particulier, alors qu'on a représenté en figure 1 des modes transversaux, il existe aussi des modes longitudinaux. Cette énergie parasite de cyclage appauvrit l'inversion de la population du matériau laser, réduisant l'efficacité globale - 2 - du dispositif. Au mieux, l'énergie dans les oscillations parasites limite les performances de perçage et de coupe du laser à pompage facial lorsqu'on l'utilise dans de telles applications par la limitation de l'énergie sortant par impulsion et, par conséquent, la puissance moyenne de sortie. Cependant, dans le pire des cas, les oscillations parasites peuvent atteindre des valeurs dangereusement élevées, condui- sant à un endommagement important du matériau. Une manière de réduire ou d'éliminer les oscillations parasites dans les matériaux laser en plaque de faible puissance est de laisser les faces 14 des côtés de la plaque à l'état grossier, par grenaillage, comme on le décrit dans les articles "Parasitic Oscillations and Amplified Sponta- neous Emission in Face-Pumped Total Internal Reflection Lasers" (Oscillations parasites et émissions spontanées amplifiées dans des lasers à réflexion interne totale à pompage facial), D.C. Brown et al., SPIE, Vol. 736, pp. 74- 83, 1987) et "Parasitic Oscillations, Absorption, Stored Energy Density and Heat Density in Active-Mirror and Disk Amplifiers." (Oscillations parasites, absorption, densité de l'énergie emmagasinée et densité de la chaleur dans des amplificateurs à miroir actif et disque). D.C. Brown et al., Applied Optics, 15 Janvier, 1978, Volume 17, N 2 pp:211-224. Cela est efficace pour réduire les oscillations parasites car les trajets 16 à réflexion interne totale, à boucle fermée, sont réduits étant donné que les rayons tombant sur les bords au fini grossier 14 de la plaque 10 sont pour la plupart diffusés, réfractés par le matériau au lieu d'être l'objet d'une réflexion interne totale. Cependant, le fini grossier laisse beaucoup de sites d'endommagement, dont on a montré qu'ils diminuent la résistance mécanique du matériau. Pendant la marche, ces sites peuvent conduire à une défaillance importante du matériau (fendillements). De plus, dans les lasers à plaque de haute puissance, les faces 14 au fini grossier peuvent contribuer considérablement à la distorsion -3- du matériau pompé optiquement, d'o la dégradation de la qualité du faisceau laser. Dans le but de réduire les effets négatifs des faces meulées 14, on a attaqué chimiquement les matériaux laser avant de procéder au polissage final. Les côtés 14 sont laissées à l'état attaqué alors que le reste de la plaque est poli. L'attaque augmente la résistance mécanique du matériau en laissant un matériau plus lisse, davantage exempt d'endom- magements que les côtés meulés. Bien que la plaque aux côtés attaqués chimiquement supprime mieux les oscillations para- sites qu'une plaque aux côtés polis, elle ne supprime pas les oscillations parasites aussi bien que cette dernière. Les articles précédents décrivent aussi le concept du chanfreinage ou de l'inclinaison des faces des côtés de le but de réduire les oscillations parasites. Cependant, comme de tels chanfreins doivent s'étendre jusqu'aux extrémités de la plaque, il serait difficile de rendre étanche un laser incorporant une telle plaque. De plus, comme les faces de pompage doivent avoir chacune une cote différente, la plaque est asymétrique, ce qui se traduit par une distorsion thermo- optique asymétrique de la plaque et une déformation asymé- trique de la surface. En conséquence, la présente invention a pour objet de réduire les oscillations parasites dans un matériau laser à la géométrie en forme de plaque, sans provoquer son fendil- lement ou une réduction des performances laser, par exemple la qualité du faisceau, l'efficacité, etc. Un article réalisé selon la présente invention com- prend une plaque longitudinale, sensiblement rectangulaire, de matériau laser ayant une paire de faces de côté opposées et une paire de faces de pompage opposées; et un moyen pour réduire les oscillations parasites dans lequel chacune desdites faces de côté présente une partie concave. Un laser selon la présente invention comprend une plaque rectangulaire, sensiblement longitudinale, d'un maté- riau laser ayant une paire de faces de côté opposées et une paire de faces de pompage opposées, chacune des faces de côté ayant une partie concave; au moins un premier moyen de pompage optique pour illuminer l'une des faces de pompage; un réflecteur entourant la plaque et la lampe; des première et seconde lames transparentes disposées respectivement à proximité des faces de pompage, la première lames étant disposée entre le premier moyen de pompage et la plaque; et une paire de rails latéraux isolants disposés respectivement sur les faces de côté. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'un matériau laser selon la technique antérieure, représentant des trajets possibles dans le mode parasite. figure 2, une vue en plan d'une plaque en matériau laser selon un premier mode de réalisation de l'invention; figures 3 et 4, des vues en coupe prises le long des lignes 3-3' et 4-4', respectivement, de la figure 2. figure 5, un trajet potentiellement parasite dans la plaque selon la présente invention; figure 6, un procédé de fabrication d'une plaque selon un premier mode de réalisation de la présente invention; figure 7, une vue en coupe d'un laser incorporant une plaque selon la présente invention; figure 8, une vue de dessus d'une plaque selon un second mode de réalisation de la présente invention, et figure 9, une vue isométrique d'un troisième mode de réalisation de la présente invention. Dans les figures, on a donné les mêmes numéros de référence à des éléments correspondants. En figure 2, on a représenté une plaque (un milieu laser 10 à géométrie sensiblement rectangulaire, comportant des faces de pompage 12a et 12b suffisamment polies pour obtenir un aspect plat sur le plan optique, c'est-à-dire 1/8e - 5 - de la longueur d'onde émise). Des faces d'extrémité 18a et 18b sont découpées à un angle e d'environ 30 degrés (environ l'angle de Brewster) par rapport à l'axe longitudinal de la plaque 10. Le cas échéant, on peut utiliser n'importe quelle valeur de l'angle pour les faces 18, si l'on a prévu des revêtements anti-réflexion (non représentés) sur les extré- mités 18. Comme représenté en figure 3, les faces 14a et 14b des côtés aux extrémités de la plaque 10 sont rectilignes et exactement perpendiculaires aux faces de pompage 12a et 12b comme dans la technique antérieure, figure 1, de sorte qu'on peut utiliser aux extrémités du corps 10 des joints classi- ques (non représentés). En figure 4, et en conformité avec la présente invention, les parties centrales 14c et 14d des faces de côté sont transversalement concaves pour la réduc- tion des oscillations parasites dans le mode transversal. Par "transversalement concave" on entend que la courbure est vue dans une coupe transversale à l'axe longitudinal de la plaque 10. Comme on le voit en figures 3 et 4, et comme cela est connu dans la technique, de manière à éviter les angles taillés, les angles 19a, 19b, 19c et 19d sont chanfreinés. Cela est particulièrement souhaitable dans les parties concaves 14c et 14d à cause des arêtes vives qui, dans le cas contraire, seraient présentes. Dans un mode de réalisation particulier, la plaque 10 a une longueur (L) d'environ 20,5cm, une épaisseur (E) d'environ 0,6 cm, et une largeur (La) d'environ d'environ 2,5 cm. Les parties concaves 14c et 14d ont une longueur d'environ 17,5 cm, la profondeur maximum à leur centre est d'environ 0,01 cm, et leur rayon de courbure est d'environ 3,81 cm. De plus, les portions d'extrémité 15 de la partie concave 14c sont coniques, c'est-à-dire que leur profondeur maximum diminue progressivement jusqu'à zéro; les parties particulières plus étroites des portions d'extrémité 15 se trouvent à leurs faces adjacentes 14b. D'une façon similaire, les portions d''extrémité de la partie concave 14d sont -6- coniques. Cela empêche la formation d'angles vifs entre les parties concaves 14c et 14d et les faces de côté 14b et 14a, respectivement. De tels angles vifs réduiraient la résistance mécanique du milieu 10 et pourraient se traduire par des modes d'oscillations parasites. Les portions d'extrémité 15 ont une longueur d'environ 2 à 3 mm. On peut utiliser d'autres valeurs pour toutes les cotes mentionnées ci-dessus. La plaque 10 est un laser Nd:YAG avec un niveau de dopage en Nd d'un % par poids atomique; cependant, on peut utiliser n'importe quel milieu laser, par exemple Nd:verre, Er:YAG, Nd:GSGG, Nd:GGG, Ti: saphir, etc. Comme représenté en figure 5, par le rayon lumineux 16d, les parties concaves 14c et 14d introduisent un pouvoir de réflexion négatif de sorte que n'importe quelle réflexion sera divergente, d'o la réduction de la possibilité de génération de modes laser parasites transversaux stables. Les rayons lumineux sont réfléchis par les surfaces incurvées 14c et 14d de sorte que les trajets à boucle fermée sont très limités en nombre. Les rayons potentiellement parasites sont rapidement réfléchis hors de la plaque 10 après seulement quelques rebondissements car leur angle se rapproche petit à petit de l'incidence normale (au droit de l'angle critique pour une réflexion interne totale) au lieu de faire de nombreux cycles sur un trajet particulier à des angles ne changeant pas comme on le voit dans la plaque 10 à section purement rectangulaire de la figure 1. En l'absence d'oscil- lations parasites pour épuiser l'inversion de population dans la plaque 10 à milieu à effet laser, de l'énergie supplémen- taire est extraite de la plaque en cristal 10 par le mode en fonctionnement laser longitudinal désiré pour la plaque 10 et la cavité à résonateur (non représentée), d'o l'augmentation de l'énergie de sortie du laser. Si une valeur maximum de la puissance d'entrée est imposée au laser pour augmenter la longévité du dispositif, cette plus grande efficacité est un perfectionnement bien venu car les possibilités de traitement -7- du matériau pour le laser augmentent sans accroître la contrainte dans la plaque cristalline 10. De manière à fabriquer la plaque 10 en conformité avec la présente invention, on commence avec une plaque rectangu- laire. La figure 6 représente- la technique qu'on peut appliquer pour polir les faces de côté 14 pour leur donner la forme concave désirée. On applique la plaque 10 à une roue de polissage 20 (représentée en coupe) revêtue d'un composé de polissage fin. On fait tourner la roue 20 dans le sens de la flèche 22. On produit la partie centrale des sections concaves 14c et 14d avec le diamètre de la roue qui est indiqué par la référence 24, alors qu'on obtient les portions coniques 15 avec les parties coniques de la roue 20 entre les références 24 et 26. Ensuite, on réalise les chanfreins dans les angles 19 en maintenant les bords de la plaque 10 sur la roue 20. Ces opérations de polissage produisent des sites d'endommagement. Après polissage, on attaque chimiquement la plaque pour enlever les sites d'endommagement, d'o le renforcement mécanique du matériau. Alors on effectue un polissage grossier pour former les extrémités de Brewster 18 et on procède à un polissage fin des extrémités 18 et des faces de pompage 12. On remarquera que la présente invention permet d'ob- tenir une plaque pour milieu laser plus efficace sans en provoquer l'endommagement et, étant donné qu'il n'y a aucun bord meulé grossièrement, il n'y a aucune réduction des performances laser. la figure 7 représente l'invention telle qu'elle est utilisée dans un laser semblable à celui divulgué dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 679 999. Un réflecteur - comporte des sections 28a et 28b qui entourent des lampes optiques de pompage 30a et 30b pour fournir de la lumière par l'intermédiaire de plaques transparentes 32a et 32b, par exemple en quartz, à la plaque 10 réalisée selon la présente invention. Les lampes 30 provoquent une inversion de la -8- population dans la plaque 10 et ont une longueur de 15,2 cm, c'est-à-dire qu'elles sont légèrement plus courtes que la longueur des parties concaves 14d et 14c, assurant que la suppression du mode parasite transversal se produit sur et au-delà de la totalité de la région pompée du milieu 10. Au lieu de lampes, on peut utiliser d'autres moyens de pompage optique, par exemple des lasers à diode. Des rails latéraux isolants 34a et 34b, par exemple en quartz, ont environ 18 cm de long, c'est-à-dire qu'ils sont légèrement plus longs que les parties concaves 14c et 14d, et sont fixées par un adhésif en caoutchouc de silicone vulcanisé à la température ambiante (non représenté), qui remplit les concavités et est également présent aux parties plates 14a et 14b. Un réfrigé- rant 36, tel que de l'eau, un gaz, etc.; circule entre les plaques 32 de manière à refroidir les faces de pompage 12. Les rails latéraux isolants 34 empêchent que le réfrigérant 32 ne vienne en contact avec les parties concaves 14c et 14d, et réduisent également grandement la conduction de la chaleur entre la plaque 10 et le réfrigérant 36, d'o la diminution de toute distorsion de la lumière laser émise qui pourrait se produire par suite de la déformation de la plaque 10 et la variation de l'indice de réfraction provoqué par des gra- dients thermiques. Dans le second mode de réalisation de la figure 8, les parties concaves 14c et 14d le sont dans le sens longitudi- nal, c'est-à-dire qu'on peut voir leur courbure dans une section transversale ou dans une vue de dessus parallèle à l'axe longitudinal de la plaque 10. Ce mode de réalisation permet de réduire les oscillations parasites dans le mode longitudinal de la même manière que ci-dessus pour la suppression des oscillations transversales et peut être obtenu par la roue 20 de la figure 6 en choisissant un certain rayon de courbure avec la plaque 10 maintenue perpendiculairement à la position indiquée en figure 6. Dans un mode de réalisation particulier, les dimen- -9- sions de la plaque 10 et la longueur des parties concaves 14c et 14d ont les valeurs indiquées ci-dessus. La profondeur maximum des parties concaves 14c et 14d est d'environ 0,05 cm et leur rayon de courbure d'environ 7,5 mètres. En figure 9, on a représenté un troisième mode de réalisation de la présente invention, dans lequel les parties concaves 14c et 14d sont toutes deux concaves dans le sens longitudinal et dans le sens transversal, c'est-à-dire qu'il s'agit de sections toroldales, de manière à réduire les modes d'oscillations parasites tant longitudinaux que transversaux. On peut réaliser ce mode de réalisation avec la roue 20 si celle-ci a la forme d'une section d'un tore avec les rayons orthogonaux de courbure choisis de façon appropriée. Là encore, dans un mode de réalisation particulier, les dimen- sions de la plaque 10 et la longueur des parties concaves 14c et 14d ont les v'aleurs indiquées ci-dessus. La profondeur maximum des courbes longitudinale et transversale est d'envi- ron 0,05 cm et le rayon de courbure pour les courbes longitudinale et transversale, respectivement, est d'environ 7,5 mètres et 0,9 cm. - 10 - REVENDICATIONS 1. Article, caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque longitudinale (10), sensiblement rectangu- laire, de matériau laser ayant une paire de faces de côté opposées (14a, 14b), et une paire de faces de pompage opposées (12a, 12b); et un moyen pour réduire les oscillations parasites selon lequel chacune des faces de côté présente une partie concave (14c, 14d). 2. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des faces de côté comporte une paire de portions rectilignes (15), disposées, respectivement, à ses extré- mités, et chacune des parties présente une paire de parties coniques disposées, respectivement, à proximité des portions rectilignes. 3. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des parties (14c, 14d) est concave dans le sens transversal. 4. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des parties concaves (14c, 14d) l'est dans le sens longitudinal. 5. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des parties concaves (14c, 14d) l'est dans le sens longitudinal et dans le sens transversal. 6. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque présente des angles chanfreinés (19). 7. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque comprend des faces d'extrémité (18a, 18b) disposées à un angle égal à environ l'angle de Brewster. 8. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque comprend Nd:YAG. 9. Article selon la revendication 8, caractérisé en ce que Nd a un nivau de dopage d'environ un %. 10. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des parties concaves (14c, 14d) a la forme - 11 - d'un tore. 11. Laser caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque longitudinale (10), sensiblement rectangu- laire, de matériau laser ayant une paire de faces de côté opposées (14a, 14b) et une paire de faces de pompage opposées (12a, 12b), chacune des faces de côté comportant une partie concave (14c, 14d); au moins un premier moyen de pompage optique (30a) pour illuminer l'une des faces de pompage, un réflecteur (28a; 28b) entourant la plaque et le moyen de pompage; des première et seconde lames transparentes (32a, 32b) disposées respectivement à proximité des faces de pompage, la première lame étant placée entre le premier moyen de pompage et la plaque et, une paire de rails latéraux isolants (34a, 34b) disposés respectivement sur les faces de côté. 12. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de pompage a une longueur légèrement inférieure à celle des parties concaves. 13. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que les rails latéraux ont une longueur légèrement supérieure à celle des parties concaves. 14. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second moyen de pompage (30b) optique pour illuminer la face de pompage restante et disposé dans le réflecteur (28b), la seconde lame (32b) étant placée entre le second moyen de pompage et la plaque. 15. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réfrigérant (36) disposé entre les lames. 16. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacune des parties concaves l'est dans le sens trans- versal. 17. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce - 12 - que chacune des parties concaves l'est dans le sens longitu- dinal. 18. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacune des parties concaves l'est tant dans le sens longitudinal que dans le sens transversal. 19. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacune des parties a la forme d'un tore. 20. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de pompage optique comprend une lampe.