Brevet FR2655211A1 — publié le 19910531

L'invention concerne un résonateur optique du type cavité optique en anneau, associé à un amplificateur de lumière, du type milieu solide biréfringent, tel que particulièrement un barreau en cristal de grenat d'yttrium et d'aluminium YAG dopé au néodyme, ce barreau étant excité optiquement à l'aide d'une cavité de pompage à lampes flash, de manière à réaliser un oscillateur laser émettant à la longueur d'onde caractéristique du milieu, soit pour le cristal YAG au néodyme, une longueur d'onde de 1,06 micromètres. Le laser ainsi constitué est un laser pulsé, à fréquence réglable, fonctionnant en mode relaxé, ce qui permet d'extraire une puissance du faisceau laser proportionnelle à la puissance d'excitation du milieu. Classiquement, on utilise, pour réaliser un oscillateur laser, une cavité linéaire formée de deux miroirs qui constitue une cavité résonnante à ondes stationnaires. Cependant, la divergence du faisceau laser augmente rapidement avec l'énergie de pompage : une première solution consistant à diaphragmer le faisceau laser à l'intérieur de la cavité a pour conséquence une diminution du nombre de modes transverses qui sont responsables de la divergence dudit faisceau mais possède l'inconvénient grave de provoquer une baisse importante de la puissance extraite hors de la cavité. Une seconde solution consistant à allonger la cavité, c'est-à-dire à éloigner les deux miroirs, possède le même avantage et le même grave inconvénient.Une solution partielle à ces problèmes consiste à utiliser une cavité en anneau à ondes progressives formée de quatres miroirs et de conception classique : le trajet lumineux est alors constitué par un anneau s'appuyant sur les quatre miroirs, trois d'entre eux réfléchissant totalement la lumière vers l'intérieur de la cavité, le quatrième miroir étant partiellement transparent afin de permettre l'extraction du faisceau hors de la cavité. Dans cette configuration, les angles d'incidence du faisceau laser sur les quatres miroirs sont typiquement égaux à 45" pour une cavité symétrique : à ces angles d'incidence élevés, les coefficients de réflexion R et de transmission T des miroirs réfléchissants utilisés ne sont pas isotropes lorsque lesdits miroirs ne sont pas totalement réfléchissants. Ainsi, le miroir de sortie de la cavité du laser présente un coefficient R très différent suivant la polarisation du faisceau.Or, le cristal YAG, qui constitue l'amplificateur, est un milieu biréfringent qui privilégie deux polarisations orthogonales entre elles, soit S et P, et ce d'autant plus que l'énergie de pompage augmente : il en résulte que les diverses polarisations, en particulier lesdites polarisations S et P, sont différemment traitées à l'intérieur de la cavité, ce qui provoque une hétérogénéité transverse du faisceau, et donc une dégradation de sa qualité optique, rendant le laser inopérant pour une utilisation industrielle. L'invention solutionne tous ces inconvénients, puisqu'elle permet de travailler sous un volume réduit avec une cavité dont la longueur équivalente est importante mais ceci sans perte de puissance, ni diminution de la qualité optique du faisceau laser. L'invention est ainsi décrite parfaitement en tant que résonateur optique, du type cavité optique en anneau, associé à au moins un amplificateur de lumière, du type milieu solide biréfringent, tel que particulièrement un grenat d'yttrium ou d'aluminium YAG dopé au néodyme, comprenant au moins quatre miroirs disposés dans un même plan, de préférence horizontal, les positions desdits miroirs formant les sommets d'un polygone, tel qu'avantageusement un parallélogramme, lesdits miroirs étant repérés par l'ordre M1, M2, M4, M3 correspondant au sens anti horaire, M1 étant le miroir placé sur le sommet en bas et à gauche dudit losange, les miroirs M2, M3 et M4 ayant un coefficient de réflexion maximum vers le centre dudit polygone, caractérisé d'une part en ce que le trajet lumineux entre les quatre miroirs M1, M2, M3 et M4 se compose de quatre segments allant du miroir M1 au miroir M2, du miroir M2 au miroir M3, du miroir M3 au miroir M4 et du miroir M4 au miroir M1, lesdits segments M2-M3 et M4-M1 formant alors un "X", d'autre part en ce qu'au moins un amplificateur de lumière du type milieu solide biréfringent intercepte le segment M1 M2 et/ou le segment M3-M4 du trajet lumineux, et en outre, en ce qu'on dispose dans le plan des quatre miroirs M1, M2, M3 et M4, un cinquième miroir M5 ayant un coefficient de réflexion maximum vers l'intérieur dudit polygone, le centre optique dudit miroir M5 étant aligné sur le prolongement du segment M4-M1, ou sur le prolongement du segment M2-M1, à l'extérieur dudit polygone, et orienté de manière à renvoyer la lumière issue du miroir M4 à travers le miroir M1 vers ce même miroir M4, ou la lumière issue du miroir M2 à travers le miroir M1 vers ce même miroir M2. L'invention possède ainsi l'avantage, sous un volume réduit, de fournir une cavité de longueur équivalente importante ; d'autre part, les miroirs sont utilisés sous une incidence faible. Enfin, le fonctionnement du laser est unidirectionnel. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux de la description qui va suivre du résonateur optique conforme à l'invention et qui est donnée ci-après à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma du résonateur optique où sont représentés les cinq miroirs formant la cavité, ainsi que le trajet du faisceau laser à l'intérieur de cette cavité. - la figure 2 est un schéma du résonateur optique dans le cas où deux milieux amplificateurs de lumière ont été disposés symétriquement dans la cavité, sur les segments M1-M2 et M3-M4 du trajet lumineux. Conformément à la figure 1, quatre miroirs totalement réfléchissants M2, M3, M4 et M5 et un miroir partiellement réfléchissant M1 composent le résonateur optique, le milieu amplificateur A étant disposé sur le segment M1-M2 du trajet lumineux. Les miroirs sont orientés de telle façon que le trajet du faisceau à l'intérieur de la cavité fasse apparaître un "X" ; la réflexion dudit faisceau sur les miroirs s'effectue alors sous un angle d'incidence suffisamment faible pour que les problèmes liés à l'hétérogénéité du coefficient de réflexion des miroirs, suivant la polarisation dudit faisceau, soient écartés.En effet, l'angle d'incidence sur le miroir M1 peut typiquement être diminué jusqu'à atteinre seulement 4 ou 5 ; on se rapproche ainsi fortement d'une incidence normale, cas pour lequel la polarisation du faisceau n'a pas d'importance. Par ailleurs, le miroir M5 totalement réfléchissant placé derrière le miroir M1 renvoie une onde dans la cavité qui privilégie le sens de propagation de la lumière allant du miroir M1 vers le miroir M4, et procure un fonctionnement unidirectionnel du laser : d'une façon inattendue, la compétition entre modes transverses est augmentée, ce qui a pour conséquence une diminution de la divergence du faisceau laser. Des essais comparatifs entre une cavité en anneau simple munie du miroir M5 et la cavité en "X" munie du miroir M5 ont montré une perte plus rapide de la qualité du faisceau laser dans le cas de l'utilisation de la cavité en anneau simple : lorsque la puissance augmente, il devient alors impossible de mesurer la divergence du faisceau en raison de la qualité très médiocre de la structure transverse dudit faisceau. L'utilisation de la cavité en "X" recule d'une façon importante le seuil de puissance où commence à apparaître le phénomène précédemment décrit.Un avantage supplémentaire de l'invention est que l'insensibilité au déréglage de l'alignement de la cavité optique en "X" augmente avec la puissance du laser ce qui la rend bien adaptée à un usage industriel. Une caractéristique complémentaire de l'invention est la possibilité d'adapter le coefficient de réflexion du miroir M1, avantageusement plan, à la nature, aux dimensions et à la puissance extraite du cristal YAG dopé au néodyme : ceci procure un moyen simple d'ajuster les conditions de fonctionnement du laser, ce qui est très important pour une utilisation industrielle. Une autre caractéristique de l'invention concerne les miroirs totalement réfléchissants M2, M3, M4 et M5 dont on peut choisir les rayons de courbure, c'est-à-dire les concavités, de manière à améliorer la stabilité du laser à faible puissance. Dans ce cas, il apparaît cependant de l'astigmatisme qui dégrade la qualité optique du faisceau : d'une façon complémentaire et inattendue, l'obtention, dans la cavité en "X", d'angles d'incidence faibles, minimise les conséquences de cet astigmatisme, c'est-à-dire les aberrations géométriques en résultant. Cet avantage n'existe absolument pas dans le cas d'une cavité en anneau classique où les angles d'incidence sur les miroirs sont très élevés. Une autre caractéristique de l'invention est de permettre l'utilisation de lames de phase correctrices interceptant l'un quelconque des segments constituant le trajet lumineux à l'intérieur de la cavité optique : ces lames de phase permettent une correction de l'astigmatisme ou de la biréfringence de l'amplificateur. D'autre part, et conformément à la figure 2, deux barreaux Al et A2 en cristal YAG dopé au néodyme sont placés sur les deux bras symétriques M1-M2 et M3-M4 du trajet lumineux à l'intérieur de la cavité. En outre, une lame de phase quart-d'onde L est disposée sur le trajet lumineux compris entre les deux barreaux Al et A2, avantageusement du côté ne comprenant pas le miroir de sortie M1 : cette lame de phase L est ainsi par exemple placée sur le segment M2-M3 du trajet lumineux. La lumière issue du barreau A2 possède une polarisation plane définie par ses composantes de polarisation P et de polarisation S.La lame de phase quart-d'onde L a pour effet de tourner la polarisation de cette lumière d'un angle égal à 90 , transformant les polarisations P et S en des polarisations S et P respectivement. La lumière issue de la lame de phase L traverse ensuite le barreau Al. I1 y a ainsi compensation de la biréfringence induite dans le barreau A2 par la biréfringence induite dans le barreau Al. D'autre part, on positionne les axes des cavités de pompage des barreaux Al et A2 suivant des directions orthogonales entre elles ; cette disposition complémentaire permet de compenser l'anisotropie de l'excitation en puissance des barreaux Al et A2 due à la forme des cavités de pompage qui ne sont pas cylindriques. Un avantage complémentaire résulte de cette disposition particulière du résonateur optique selon l'invention en ce qu'elle autorise un doublement de la puissance du faisceau laser par l'emploi de deux têtes laser identiques tout en conservant les qualités particulièrement intéressantes de la cavité dite en "X", décrites dans ce qui précède. Ces exemples de réalisations particulières du résonateur optique conforme à l'invention ne limitent en aucune façon son esprit ; l'utilisation d'une cavité en anneau comportant plus de quatre miroirs, orientés de telle façon que le trajet lumineux forme en l'une de ses parties un "X" de même nature que celui décrit précédemment, et associant un miroir M5 placé dans le prolongement d'un des segments formant le "X" derrière le miroir partiellement réfléchissant d'extraction du faisceau, ce miroir M5 étant un miroir totalement réfléchissant renvoyant la lumière dans la direction dudit segment formant le "XI', ne sortirait pas du cadre de l'invention. L'application principale de l'invention est la réalisation d'un oscillateur laser pulsé de puissance à partir d'un cristal YAG dopé au néodyme. REVENDICATIONS 1 - Résonateur optique, du type cavité optique en anneau, associé à au moins un amplificateur de lumière, du type milieu solide biréfringent, tel que particulièrement un grenat d'yttrium et d'aluminium YAG dopé au néodyme, comprenant au moins quatre miroirs disposés dans un même plan, de préférence horizontal, les positions desdits miroirs formant les sommets d'un polygone, tel qu'avantageusement un parallélogramme, lesdits miroirs étant repérés par l'ordre M1, M2, M4, M3 correspondant au sens anti horaire, M1 étant le miroir placé sur le sommet en bas et à gauche dudit polygone, les miroirs M2, M3 et M4 ayant un coefficient de réflexion maximum vers le centre dudit polygone, caractérisé d'une part en ce que le trajet lumineux entre les quatre miroirs M1, M2, M3 et M4 se compose de quatre segments allant du miroir Ni au miroir M2, du miroir M2 au miroir M3, du miroir M3 au miroir M4 et du miroir M4 au miroir M1, lesdits segments M2-M3 et M4-M1 formant alors un "X", d'autre part en ce qu'au moins un amplificateur de lumière A, du type milieu solide biréfringent, intercepte au moins un des segments M1-M2 ou M3-M4 du trajet lumineux, et en outre en ce qu'on dispose, dans le plan des quatres miroirs M1, M2, M3 et M4, un cinquième miroir M5 ayant un coefficient de réflexion maximum vers l'intérieur dudit polygone, le centre optique dudit miroir M5 étant aligné sur le prolongement du segment M4-M1, ou sur le prolongement du segment M2-M1 à l'extérieur dudit polygone, et orienté de manière à renvoyer la lumière issue du miroir M4 à travers le miroir M1 vers ce même miroir M4, ou la lumière issue du miroir M2 à travers le miroir M1 vers ce même miroir M2. 2 - Résonateur optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le miroir M1 est un miroir plan partiellement réfléchissant dont on adapte le coefficient de réflexion à la nature, aux dimensions et à la puissance extraite de l'amplificateur de lumière. 3 - Résonateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains des miroirs M2, M3, M4, M5 sont des miroirs courbes, dont la concavité est tournée vers l'intérieur de la cavité, de manière à améliorer la stabilité de l'oscillateur laser à faible puissance, tout en limitant les aberrations géométriques dues à l'astigmatisme. 4 - Résonateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que d'une part, un amplificateur de lumière Al est disposé sur le segment M1-M2 du trajet lumineux, en ce que d'autre part, un autre amplificateur de lumière A2 est disposé sur le segment M3-M4 dudit trajet, et en ce qu'en outre, une lame de phase quart-d'onde L est placée sur le trajet lumineux compris entre les deux amplificateurs de lumière Al et A2, ledit trajet lumineux ne passant avantageusement pas par le miroir M1, ce qui procure une compensation de la biréfringence induite dans un desdits amplificateurs par la biréfringence induite dans l'autre desdits amplificateurs. 5 - Résonateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on positionne les axes des cavités de pompage des amplificateurs de lumière Al et A2 suivant des directions orthogonales entre elles, ce qui procure une compensation de l'anisotropie de l'excitation en puissance desdits amplificateurs de lumière Al et A2.