Brevet FR2670623A1 — publié le 19920619

LASER A BARREAU ACTIF HEXAGONAL L'invention concerne les lasers, et plus particulièrement les lasers de puissance pompés optiquement pour lesquels le rendement énergétique et l'évacuation des pertes thermiques sont des paramètres critiques. Parmi les lasers à milieu actif solide (par opposition notamment aux lasers à gaz), on trouve les lasers dont le milieu actif est un cristal qu'on peut illuminer par une source optique dite source de pompe. Le cristal est par exemple un grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (laser Nd:YAG). L'énergie de la source de pompe, à une longueur d'onde bien choisie, provoque les transitions d'énergie d'électrons nécessaires à l'émission stimulée d'un faisceau de lumière cohérente. Le cristal est placé dans une cavité optique résonnante dont les extrémités sont des miroirs. Parmi les sources de pompe il y a les lampes à décharge et également, de plus en plus, les lasers à semiconducteurs (ou "diodes laser") qui tendent à remplacer les lampes à décharge pour cette fonction Ces lasers à semiconducteurs sont très commodes d'emploi comme sources de pompe des lasers solides. Ils ont l'avantage d'émettre dans une bande spectrale étroite. I1 y a donc moins de pertes d'énergie qu'avec les lampes à décharge, ces dernières émettant partiellement dans des bandes d'énergie qui sont inutiles pour l'excitation du cristal du laser principal. En outre les diodes lasers peuvent être facilement juxtaposées en grand nombre pour produire une énergie d'excitation importante. Le rendement lumineux d'un laser est affecté par deux causes principales de pertes d'énergie : tout d'abord, une certaine fraction seulement de l'énergie lumineuse absorbée dans le cristal est convertie en rayonnement laser émis à l'extérieur de la cavité. Le reste est converti en chaleur et doit être évacué dès que les puissances considérées sont importantes. La deuxième cause est la perte dans les diodes lasers servant de source de pompe : elles-mêmes ont un rendement limité de sorte qu'elles n'émettent sous forme lumineuse qu'une fraction de l'énergie électrique qu'elles reçoivent, le reste étant converti en chaleur. C'est pourquoi, dès qu'on cherche à réaliser des lasers émettant une énergie lumineuse importante, il faut se préoccuper de l'évacuation de l'énergie thermique engendrée en pure perte, cette énergie ne pouvant rester confinée dans le cristal ou à proximité immédiate du cristal. La température du cristal doit en effet rester limitée à des valeurs qui non seulement ne détruisent pas sa structure, mais même n'engendrent pas de déformations ou de contraintes dans l'ensemble de la cavité optique. L'invention s'applique aux lasers dont le milieu actif est un solide excité par pompage optique, et elle a pour but l'amélioration des caractéristiques de ces lasers, en particulier du point de vue de l'efficacité du pompage et du point de vue de l'évacuation des pertes thermiques. Selon l'invention. on propose une structure de laser à barreau actif solide dans laquelle le barreau actif a une section transversale de polygone régulier d'au moins six côtés, à faces parallèles deux-à-deux, de préférence un hexagone régulier. Dans l'art antérieur, comme on l'expliquera plus en détail ci-après, le barreau actif est à section circulaire, sauf lorsqu'on désire qu'il ait des extrémités biseautés, auquel cas et auquel cas seulement la section est rectangulaire, pour des raisons liées au rôle spécifique du biseautage. La présente invention propose cependant d'utiliser une section polygonale à plus de six côtés pour des raisons n'ayant rien à voir avec le biseautage (le barreau selon l'invention ne pouvant d'ailleurs en principe pas, sauf cas très particulier, être biseauté aux extrémités). En d'autres mots, l'invention propose d'utiliser un barreau à faces latérales parallèles même dans des cas où il n'y a pas de biseautage aux extrémités. Et la réalisation préférée est un barreau à section hexagonale régulière (six côtés égaux et des angles de 1200). De préférence, des sources de pompage optique sont réparties régulièrement autour du barreau pour illuminer une face sur deux. Les sources sont de préférence des barrettes de diodes laser. Les autres faces latérales, non illuminées par les faisceaux de pompage et parallèles aux premières, peuvent être rendues réfléchissantes pour la lumière de pompage optique, de sorte que le trajet lumineux des faisceaux de pompage fait un aller retour à travers la section du barreau à exciter, entrant par une face latérale, traversant la section du barreau, se réfléchissant sur une face latérale opposée, et retraversant le barreau pour ressortir par la première face. Par ailleurs, on peut facilement disposer sur ces autres faces des moyens d'évacuation de chaleur, et en particulier des éléments de radiateur solides, en contact direct ou quasi-direct avec ces faces. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une structure classique de laser à barreau actif solide; - la figure 2 représente un milieu actif classique en forme de barreau à section cylindrique circulaire; - la figure 3 représente un milieu actif également classique en forme de plaque à extrémités biseautées; - la figure 4 représente une structure de laser à barreau cylindrique circulaire avec trois sources de pompage optique; - la figure 5 et la figure 6 représentent des structures de laser à plaque active biseautée avec des moyens d'évacuation de chaleur placés en contact avec la plaque; - et la figure 7 représente schématiquement la constitution du barreau actif selon l'invention. Sur la figure 1, on voit une structure classique de laser à milieu actif solide. Elle comporte un barreau 10 constituant le milieu actif, par exemple un cristal YAG dopé au néodyme, placé dans une cavité optique résonnante à la longueur d'onde d'émission du laser (classiquement 1,064 micromètre pour le laser Nd:YAG). Pour mieux faire comprendre l'invention, on va donner plus, en détail en référence aux figures 1 à 5, des explications sur les structures de l'art antérieur. La cavité optique est délimitée par deux miroirs (réfléchissants pour cette longueur d'onde) M1 et M2, en vis-à-vis l'un de l'autre dans l'axe de la cavité et placés chacun en regard d'une extrémité longitudinale du barreau 10. Le miroir M1 est aussi réfléchissant que possible; le miroir M2 a un coefficient de réflexion contrôlé, légèrement inférieur à 1, pour laisser sortir hors de la cavité une proportion d'énergie du faisceau laser émis. Le milieu actif est excité par une source de pompe optique 12 placée le long du barreau parallèlement à l'axe de la cavité et illuminant le barreau par ses côtés latéraux sur tout ou partie de sa longueur. La source de pompe 12 émet de la lumière qui est absorbée dans le barreau 10; des transitions de niveau d'énergie d'électrons se produisent; en retombant au niveau d'énergie initial les électrons produisent l'émission stimulée de lumière cohérente caractéristique de l'effet laser. La source de pompage optique, de longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde laser émise par le barreau stimulé, est par exemple constituée d'une barrette de diodes laser alignées le long du barreau 10. Dans l'art antérieur, on a utilisé fréquemment comme milieu actif un barreau cylindrique à section transversale circulaire tel que celui qui est représenté sur la figure 2 en perspective (2a) et en coupe transversale (2b). Sur la coupe transversale 2b, on a représenté aussi la barrette 12 de diodes de pompage optique qui éclaire latéralement le barreau 10. Pour des raisons d'efficacité il faut prévoir un système optique 14 relativement sophistiqué entre les diodes 12 et le barreau 10. En effet, pour ne pas perdre l'énergie lumineuse émise par les diodes, il faut autant que possible que les rayons rentrent perpendiculairement à la surface du barreau 10. Le système optique 14 sert à ramener les rayons lumineux des diodes vers le centre du barreau. Il doit être adapté aux dimensions du barreau considéré, notamment à son rayon, ce qui est un inconvénient notable. Par ailleurs, la section du barreau est mal utilisée : la lumière de pompe ne traverse le barreau que par un seul trajet et sur une partie de la section du barreau seulement. On verra plus loin comment on peut y remédier partiellement. Enfin, le refroidissement est difficile à assurer autrement qu'avec des fluides en contact direct avec le barreau, avec les problèmes pratiques que cela pose (étanchéités, circulation), et également les problèmes optiques qui peuvent en découler. Une autre forme de milieu actif solide couramment utilisée est représentée à la figure 3, en perspective (3a) et en coupe transversale (3b). Le milieu actif est ici en forme de plaque ou de barreau à section rectangulaire (ou carrée) et à extrémités biseautées. Les extrémités sont biseautées de telle manière que le rayonnement laser stimulé suive un trajet en zigzag à l'intérieur du barreau, en subissant des réflexions multiples sur deux faces latérales parallèles. C'est sur ces faces latérales principales que la source de pompage optique 12 est dirigée, comme cela est visible sur la figure 3. Là encore un système optique 24 peut être disposé entre la source de pompage 12 et le barreau 20. Toutefois, ce système est plus simple que le système 14 de la figure 2 du fait que la face d'entrée du rayonnement de pompe est une face plane. Il faut noter que cette structure nécessite, pour l'obtention d'un même diamètre de faisceau circulaire extrait, le pompage d'un plus large volume de cristal le volume à pomper pour l'obtention d'un faisceau de diamètre r issu d'un cristal rectangulaire de côté 2r est de 27% supérieur au volume à pomper avec un barreau de diamètre r produisant un faisceau de diamètre r. Il est donc nécessaire de prévoir en conséquence l'énergie de pompage. Aux figures 4 à 6 sont représentées des modifications de structure qui peuvent être envisagées pour améliorer les caractéristiques du laser. A la figure 4 par exemple, on prévoit que le barreau actif 10 à section circulaire est illuminé par trois sources de pompage optique 121, 122, 123, situées à 1200 les unes des autres. Cela permet d'augmenter le nombre de diodes laser de pompage et de mieux utiliser toute la section du barreau actif en répartissant les diodes tout autour. Mais cela requiert trois systèmes optiques respectifs 141, 142, 143, interposés entre ces sources et le barreau, ces systèmes étant sophistiqués si on veut un couplage efficace d'énergie entre les diodes laser et le barreau. Là encore, les systèmes optiques doivent être adaptés précisément au rayon du barreau utilisé. De plus, il est alors assez difficile d'évacuer la chaleur engendrée dans le barreau car ces systèmes optiques sont encombrants et ne laissent pas de place pour un système de conduction thermique. La conduction thermique est d'ailleurs difficile à établir avec une paroi circulaire de barreau et le seul système pratiquement envisageable est encore une circulation de fluide directement en contact avec le barreau. A la figure 5, on a représenté un perfectionnement de la figure 3 : une face sert à introduire le faisceau de pompe; la face opposée est réfléchissante (par exemple par un revêtement réfléchissant 22), de sorte que le faisceau de pompage traverse deux fois le milieu actif et est donc mieux utilisé; d'autre part, on a placé en contact avec les deux autres faces latérales, qui ne servent pas à introduire un faisceau de pompe optique, des éléments de radiateur 32, 34, pour évacuer la chaleur engendrée en pure perte dans le barreau. La face réfléchissante peut aussi être pourvu d'un élément de radiateur. La lumière de pompage ne rentre que par un seul côté, ce qui limite le nombre de diodes laser de pompage qu'on peut utiliser. Enfin, à la figure 6, on a représenté une variante de réalisation avec un barreau à section carrée ou rectangulaire; dans cette variante, le barreau biseauté 20 est éclairé sur deux faces latérales opposées par deux sources de pompage 124 et 125. Il y a deux systèmes optiques correspondants 144 et 145 interposés entre ces sources et la plaque de milieu actif 20. Les deux autres faces sont utilisées comme à la figure 5 pour l'évacuation de chaleur par des éléments de radiateur 32 et 34. Le nombre de diodes de pompage est augmenté, mais les longueurs de trajets optiques du faisceau de pompage sont à nouveau réduits à un aller simple. Comme à la figure 3, on rappelle que le volume à pomper pour l'obtention d'un faisceau laser de diamètre r est supérieur de 27% au volume à pomper pour l'obtention d'un faisceau de même diamètre à partir d'un barreau à section circulaire. La structure de laser préférée selon l'invention est représentée à la figure 7. Elle permet d'illuminer un barreau de milieu actif par une plus grande quantité de diodes laser (dans le cas où la source de pompage est constituée de diodes laser), en répartissant mieux l'illumination et en utilisant bien tout le volume du cristal; elle permet de mieux évacuer la chaleur dissipée en pure perte dans le barreau; elle ne nécessite pas de système optique complexe pour focaliser la lumière de pompe vers l'intérieur du barreau; elle autorise un aller-retour de la lumière de pompe à travers la section du barreau si on le désire, sans réduire le nombre total de diodes; elle concentre une grande partie de la lumière de pompe dans une large zone de la partie centrale du barreau; et enfin, elle n'augmente que de 7% environ le volume à pomper pour l'obtention d'un faisceau stimulé de rayon r, par rapport au cas idéal (de ce point de vue) du barreau à section circulaire de rayon r. Cette structure comporte principalement un barreau cylindrique 40 à section hexagonale, ayant donc six faces latérales parallèles deux à deux. Ces faces sont parallèles à l'axe du faisceau laser de sortie, c'est-à-dire à l'axe général de la cavité optique si on se réfère à la structure de la figure 1 dans laquelle le barreau peut être utilisé. Trois faces à 1200 les unes des autres (dans le cas d'un hexagone régulier qui est le cas préféré) sont utilisées pour illuminer le barreau, grâce à trois sources de pompage optique 126, 127, 128 qui peuvent être de préférence des barrettes de diodes s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du barreau 40. Des systèmes optiques simples, 146, 147, 148, sont de préférence interposés entre chaque barrette et une face latérale correspondante du barreau, pour conformer le faisceau lumineux émis par les barrettes et le répartir sur la face latérale considérée (ou une partie de cette face). Les trois autres faces latérales, qui sont les faces opposées aux premières, servent de préférence à l'évacuation de chaleur. Des éléments de radiateur 321, 322, 323 sont accolés à ces faces à cet effet. Par éléments de radiateur on entend tout système d'évacuation de calories : les éléments peuvent être des barres conductrices ou encore des conduits refroidis par fluide circulant (en circuit fermé à l'intérieur de ces conduits). Ils sont en tout cas de préférence mis directement ou quasi-directement en contact avec les faces de l'hexagone. Par ailleurs, ces trois autres faces peuvent être rendues réfléchissantes puisqu'elles sont parallèles et directement en vis-à-vis des faces d'entrée de rayonnement de pompe. Un revêtement réfléchissant pour la longueur d'onde de pompe peut être prévu (221, 222, 223 respectivement), à moins que des éléments de radiateur accolés aux faces correspondantes ne servent de faces réfléchissantes. Le trajet optique des faisceaux de pompe est alors doublé (aller-retour entre deux faces latérales parallèles en vis-à-vis), ce qui est avantageux. On aboutit donc à une structure particulièrement efficace. Les optiques de conformation de faisceau de pompage sont simples (et d'ailleurs pas obligatoirement nécessaires) puisque les faisceaux de pompage entrent sur des faces latérales planes du barreau actif. L'extraction de chaleur est efficace puisqu'elle peut se faire sur trois faces du barreau, représentant la moitié de la surface latérale de celui-ci, ces faces étant planes, ce qui facilite beaucoup la mise en contact. Le trajet des faisceaux de pompe peut être égal au double de la distance entre faces opposées du barreau lorsque les faces sont rendues réfléchissantes, de sorte qu'une fraction élevée de l'énergie des faisceaux de pompe peut être utilisée. Enfin, les faisceaux de pompage sont reçus par trois faces latérales réparties autour du barreau. On peut à la fois grouper efficacement un grand nombre de diodes autour du barreau et cependant extraire correctement la chaleur, ce qui était particulièrement difficile avec des barreaux à section circulaire. La puissance de sortie d'un tel laser peut donc être notablement plus élevée qu'avec les structures de l'art antérieur, du fait que des caractéristiques auparavant contradictoires, sont maintenant compatibles (grand nombre de diodes et extraction efficace de chaleur notamment). Les perfectionnement connus pour les lasers à état solide seront bien entendu utilisables avec la présente invention : par exemple, les diodes laser peuvent être couplées par des faisceaux de fibres optiques aux faces d'entrée de pompage du barreau, pour éloigner les diodes et faciliter l'évacuation de la chaleur perdue dans les diodes elles-mêmes. On peut envisager aussi que le barreau soit octogonal, mais on comprendra que le passage de l'hexagone à l'octogone ( et a fortiori à un polygone régulier plus grand) n'apporte que peu d'amélioration, sauf peut-être pour un barreau de très large section où on aurait beaucoup de place pour disposer les sources de pompe et les moyens d'évacuation de chaleur. REVENDICATIONS 1. Structure de laser à barreau actif solide caractérisée en ce que le barreau actif (40) a une section transversale de polygone régulier d'au moins six côtés parallèles deux-à-deux, de sorte que le barreau comporte au moins six faces latérales en parallèle deux-à-deux. 2. Structure de laser selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section du barreau est un hexagone régulier avec six faces à 1200 les unes des autres. 3. Structure de laser selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des sources de pompage optique (126, 127, 128) sont réparties tout autour du barreau pour illuminer chacune une des deux faces latérales parallèles en vis-à-vis. 4. Structure de laser selon la revendication 3, caractérisée en ce que les faces latérales opposées aux premières, non illuminées par les sources de pompage optique, sont réfléchissantes pour les faisceaux de pompage. 5. Structure de laser selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que les faces latérales opposées aux premières sont en contact direct ou quasi-direct avec des éléments de radiateur (321, 322, 323. 6. Structure de laser selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les sources de pompage comprennent des diodes laser.