Brevet FR2677498A1 — publié le 19921211

La présente invention concerne des lasers au néo- dyme à grande longueur d'onde, destinés à être utilisés dans des applications médicales. Le problème de l'accroissement de la puissance de sortie de lasers au néodyme, en particulier pour des lon- gueurs d'onde spécifiques telles que 1,44 pm est difficile et a fait l'objet d'un grand nombre d'études. Dans la conception de lasers au néodyme possédant une puissance de sortie dans la gamme des longueurs d'onde proches de 1,44 pm (environ 1,4-1,5 pm correspondant à un rayonnement résultant de la transition I 9/2 -+ 4 15/2, la longueur d'onde effective du signal de sortie étant va- riable en fonction du milieu hôte), plusieurs facteurs af- fectent la puissance de sortie Ces facteurs incluent la longueur (L) et le diamètre (D) du cristal hôte, le niveau de dopage (N) du cristal hôte par le néodyme, l'intensité de l'excitation appliquée au cristal et le coefficient de réflexion (R) des miroirs définissant la cavité optique. A titre d'exemple des problèmes se présentant pour accroître la puissance, une augmentation arbitraire de l'intensité et de l'excitation appliquée au cristal accroît l'effet de lentille thermique à l'intérieur du cristal, avec comme résultat une dégradation du faisceau de sortie. En outre, alors que le gain du laser dépend de L (le gain est proportionnel à e L), il est difficile de réaliser la croissance de cristaux plus longs et, en tout cas, la dé- pense pour obtenir la croissance de cristaux plus longs (d'une taille supérieure à 15 cm) n'est pas admissible étant donné qu'il est difficile de réduire le rayonnement à 1,06 pm en augmentant L En outre, le laser YAG au néodyme réalise une auto-absorption à 1,44 pm et par conséquent un accroissement de L tend à augmenter le taux d'absorption. De façon similaire, l'accroissement du diamètre D du cristal ne conduit en général pas à un accroissement de la puissance, étant donné qu'un accroissement de D conduit à un effet de lentille thermique et à un pompage non uni- forme. Les lasers au néodyme fonctionnent habituellement avec un niveau de néodyme égal à 1 N, N (pour normal) étant défini comme étant un niveau de dopage de 1,1 % de néodyme en poids du cristal hôte Ce niveau est déterminé par le niveau optimum de luminescence du signal de sortie d'un la- ser au néodyme lorsque la concentration du néodyme varie. Un graphique représentant la dépendance de la luminescence à 1,06 pm, en fonction de la concentration du néodyme, pour un laser au néodyme est indiqué dans Laser Crystals, par Alex A Kaminskii, Springer, à la page 330 La luminescence présente un maximum pour le niveau de concentration 1,1 % et diminue assez rapidement pour tomber au-dessous de ni- veaux de dopage d'environ 0,7 N à environ la moitié du maximum pour un niveau de dopage d'environ 0,3 N. Pour réaliser un laser YAG au néodyme possédant un N donné, on choisit normalement le coefficient de ré- flexion R du miroir de sortie conformément au modèle de Ri- grod, qui est un modèle standard bien connu Dans ce mo- dèle, le seuil de l'effet laser est déterminé comme étant le niveau auquel le gain de l'effet laser est égal aux pertes combinées dues à l'absorption dans le cristal hôte et à la transmission par le miroir de sortie Le fonction- nement normal du laser est alors exécuté à un niveau cor- respondant à environ cinq fois le seuil Étant donné que le fait d'accroître N augmente l'absorption pour une sortie à proximité de 1,44 pm, sans augmenter suffisamment le gain, un accroissement de N augmente le seuil de l'effet laser. Ceci a été envisagé antérieurement, en combinaison avec le facteur de limitation imposé à la taille du cristal et à l'excitation appliquée, pour éliminer le cristal de néodyme en tant que milieu hôte pour un laser produisant une puis- sance de sortie à 1,44 pim. Comme cela est décrit dans la demande US N'06/933103, on obtient à une puissance de sortie satisfai- sante avec un laser au néodyme, à environ 1,44 pm, en com- mandant de façon pulsée l'excitation appliquée au cristal hôte et en utilisant un système optique discriminatoire qui réalise une discrimination par rapport au rayonnement à 1,06 pm Ceci était un résultat surprenant en ce que la raie de sortie du laser au néodyme était considérée comme étant trop faible pour fournir une puissance utile Cette puissance de sortie a été obtenue moyennant l'utilisation d'un miroir de sortie possédant un coefficient de réflexion d'environ 80 % à 1,44 pm et un cristal hôte avec un dopage au néodyme égal à 1 N. On a également découvert que le fait de faire fonctionner le laser avec un niveau de dopage au néodyme compris entre 0,3 N et 0,7 N fournit, de façon surprenante, une puissance de sortie supérieure, en particulier lorsque le niveau de dopage est égal à environ 0,4 N et que le co- efficient de réflexion du miroir de sortie est égal à envi- ron 90 %, au lieu des 80 % qui sont prédits par le modèle de Rigrod. C'est pourquoi, selon un aspect, la présente in- vention fournit un laser au néodyme à grande longueur d'onde caractérisé en ce qu'il comprend : un boîtier comprenant une cavité optique réfléchissante; un barreau laser installé dans ladite cavité op- tique et constitué par une structure hôte cristalline ou en verre comportant un dopage au néodyme; une lampe de pompage installée dans ladite cavité optique dans une position adjacente audit barreau laser, ladite lampe de pompage constituant une source de lumière destinée à transférer une lumière audit barreau laser; des moyens de commande comprenant des moyens for- mant circuit pour commander ladite lampe de pompage de ma- nière qu'elle produise des impulsions intermittentes de lu- mière; des moyens formant résonateur sélectif vis-à-vis des longueurs d'onde pour produire une réflexion maximale pour une longueur d'onde de 1,4 à 1,5 pm et une réflexion minimale pour d'autres longueurs d'onde de manière à per- mettre une oscillation laser dans la gamme de 1,4 à 1,5 pm; et le barreau laser possédant un niveau de concen- tration en néodyme compris entre environ 0,3 et 0,7 N. Selon un autre aspect, la concentration du néo- dyme est égale à environ 0,4 N et les moyens formant réso- nateur sélectif pour les longueurs d'onde comprennent un miroir possédant un coefficient de réflexion égal à environ 90 % pour 1,44 pm D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence au dessin annexé, dont la figure unique représente schématiquement un laser YAG au néodyme mettant en oeuvre les principes de la présente invention. En se référant maintenant à la figure 1, on y voit représenté un laser YAG au néodyme agencé de manière à délivrer un faisceau de lumière pour une longueur d'onde de 1,44 pm de manière à fonctionner selon un mode de coupe ou, sinon, pour fournir un faisceau de lumière pour une lon- gueur d'onde de 1,06 pm, de manière à fonctionner selon un mode de coagulation Comme représenté, le laser YAG au néo- dyme comprend un barreau laser 1 et une lampe de commande 2 installés dans une cavité laser 3, un mécanisme de commande 4 pour commander de façon pulsatoire la lampe 2 ou, sinon, commander la lampe 2 de manière qu'elle délivre un signal de sortie continu, et un carrousel à miroirs 5. Le barreau laser 1 est constitué par un matériau YAG au néodyme classique comportant un dopage compris entre environ 3,3 et 6,6 % ( 0,3 à 0,7 N) en poids du milieu hôte YAG, et de préférence égal à environ 4,4 % ( 0,4 N) Le ma- tériau YAG en néodyme classique est constitué par un ion néodyme triplement ionisé, qui est incorporé dans une structure hôte cristalline ou en verre La structure hôte cristalline la plus usuelle et une structure préférée pour la composition du barreau laser 1 est un grenat d'yttrium et d'aluminium, connu d'une manière générale sous le sigle "YAG" Le matériau YAG est un matériau dur et cassant, qui est un matériau synthétique possédant une structure ana- logue à un grenat et répondant à la formule chimique U 3 A 15012 Bien que le matériau YAG soit le matériau hôte cristallin préféré pour le néodyme, l'autre matériau que le YAG, que l'on peut utiliser pour le barreau laser 1, sont le fluorure d'yttrium et de lithium, connu d'une manière générale sous le sigle YLF, et l'aluminate d'yttrium, connu d'une manière générale sous le sigle YALO En outre, étant donné que les problèmes de croissance cristalline limitent la longueur maximale des barreaux YAG à environ centimètres pour la plupart des applications pratiques, on peut également utiliser du verre comme structure hôte pour des disques ou des barreaux du matériau laser, qui doivent avoir des dimensions supérieures à celles des bar- reaux YAG standards pour fournir une puissance de sortie et une énergie de sortie accrue. Le barreau laser 1 possède de préférence une lon- gueur égale à environ 10 centimètres et un diamètre d'environ 0,7 centimètre Les extrémités opposées du bar- reau 1 sont polies et recouvertes de façon classique pour fournir un coefficient de réflexion minimum pour une lon- gueur d'onde égale à environ 1,06 et 1,32 pm Bien que l'on sache qu'il est souhaitable d'utiliser un barreau laser 1 possédant une absorbabilité minimale pour la lumière, il est évident que si l'absorption est trop faible, il n'y a aucun gain en puissance Pour une longueur d'onde de 1,44 pim, l'absorbabilité est de 1 % par centimètre pour un barreau laser YAG au néodyme avec N = 1, et à 0,4 % pour N = 0,4, de sorte qu'un barreau d'une longueur de 10 centi- mètres placé dans la cavité 3, avec N = 0,4, introduit une perte d'environ 8 % dans le résonateur laser ou les mi- roirs Conformément à la présente invention, on a trouvé qu'avec N compris entre 0,3 et 0,7, on peut obtenir la puissance maximale. La cavité laser 3 est formée dans un boîtier ré- fléchissant 6 possédant une section transversale ellip- tique, de manière à former ainsi une cavité laser ellip- tique 3 Le boîtier 6 est constitué par du cuivre compor- tant un revêtement d'or au niveau de sa surface intérieure de manière à agir en tant que réflecteur de lumière pour la lumière de la lampe On peut également utiliser du verre métallisé pour former une cavité laser La lampe 2 utilisée pour "pomper" le laser, et le barreau laser 1 sont situés le long des deux foyers de la forme intérieure elliptique de la cavité 3, comme cela est classique Un refroidisse- ment du barreau laser et de la lampe est obtenu au moyen d'une circulation d'eau désionisée dans des tubes entourant à la fois le barreau 1 et la lampe 2, est représenté schématiquement sur la figure par la flèche 7 Ces tubes d'écoulement peuvent être réalisés en quartz ou en verre dopé au samarium De façon typique, un débit d'eau de re- froidissement égal à au moins 0,25 litre par seconde est établi dans la cavité 3. Plusieurs autres types de configurations de cavi- tés sont également possibles pour leur utilisation avec la présente invention Comme indiqué précédemment, l'agencement préféré consiste à placer la lampe 2 et le barreau 1 aux deux foyers de la cavité elliptique 3 et que la lumière de pompage soit transmise de la lampe 2 au bar- reau 1 sur la base des propriétés géométriques de la cavité elliptique réfléchissante 3 Une autre solution consiste à placer la lampe 2 à proximité du barreau 1 selon une confi- guration de "couplage serré", dans laquelle le barreau et la lampe sont directement adjacents, au centre d'une cavité cylindrique réfléchissante En outre, on peut placer deux lampes et un barreau dans une cavité elliptique double, dans laquelle la section transversale ressemble à deux el- lipses en superposition, les lampes étant situées aux deux foyers du boîtier et le barreau au niveau du foyer que se partagent les lampes. La lampe de commande 2 est de préférence une lampe à krypton (à arc et flash) qui s' est avérée être su- périeure pour l'effet laser à 1,44 pm De façon typique, la lampe 2 possède un diamètre intérieur de 7 millimètres et une longueur de 10 centimètres Une lampe ayant ces dimensions s'est avérée résister à la fréquence élevée néces- saire de répétition du courant pulsatoire nécessaire pour le fonctionnement considéré De façon typique, la lampe 2 est commandée selon un mode impulsionnel pour réaliser le fonctionnement laser à 1,44 pm avec une tension appliquée égale à environ 600 volts pendant une période de 1 millise- conde avec une fréquence de répétition de trente à cent impulsions par seconde En outre, la lampe à krypton 2 dé- crite précédemment s'avère être appropriée pour fonctionner avec un courant continu atteignant jusqu'à 50 ampères pour un fonctionnement continu pour une longueur d'onde de 1,06 pm Bien que la lampe 2 soit de préférence une lampe à arc à krypton, on peut également utiliser d'autres sources de lumière telles qu'une lampe à carbure de tungstène ou une autre lampe à arc éclairant continûment ou une lampe flash à xénon produisant des impulsions de lumière. La lampe de commande 2, désignée de façon typique sous le terme de "lampe de pompage", émet une lumière à large spectre, mais, indépendamment de la structure hôte, les ions néodyme tendent à réaliser une absorption extrême- ment élevée dans une gamme étroite de longueur d'onde au- tour de 0,7 à 0,8 pm L'absorption des photons dans cette gamme pour passer les ions néodyme de l'état de base à un niveau d'énergie élevé, d'o ils reviennent, par décrois- sance du niveau d'énergie, à un niveau métastable qui pro- duit une émission fluorescente pour plusieurs longueurs d'onde, à savoir une longueur d'onde de 1,06 pm, une lon- gueur d'onde de 1,32 pm et une longueur d'onde de 1,44 pm. L'effet laser apparaît dans la bande d'émission de 1,06 pm, étant donné que le gain laser est maximal pour cette lon- gueur d'onde, sauf si les miroirs ou le système optique du laser sont rendus sélectifs vis-à-vis des longueurs d'onde de manière à supprimer l'oscillation laser à 1,06 pm. La lampe 2 est commandée par une source d'énergie à courant continu 8 de type classique, qui est raccordée au système électronique de commande par les lignes 9 et 10 La source d'énergie à courant continu délivre un courant ayant de façon typique une valeur de 10 ampères à la lampe de commande, ce courant étant connu dans la technique laser comme étant le courant dit courant simmer (frémissant) Le courant simmer maintient la lampe 2 à l'état conducteur entre les impulsions de courant Les lignes 9 et 10 sont raccordées respectivement à des câbles 11 et 12 qui à leur tour sont raccordés, par une de leurs extrémités, à la lampe 2, et par leurs autres extrémités, à un circuit de commutation à l'état solide ou l"hacheurl" 13 Le circuit "hacheurl" 13 commande la lampe 2 à 600 volts avec un cou- rant typique de 300 ampères pendant 1 milliseconde avec une fréquence de répétition de trente impulsions par seconde pour obtenir de façon typique une puissance moyenne de 50 watts pour une longueur d'onde de 1,44 pm Le circuit 13 fonctionne également avec une fréquence de répétition égale de façon typique à 1 kilohertz pour un fonctionnement continu de la lampe 2 Dans le cadre du fonctionnement continu, il est nécessaire de former la moyenne du flux de courant moyennant le branchement d'un filtre de lissage dans le circuit A cet effet, la moyenne du train d'impulsions 1 k Hz délivré par le circuit hacheur 13 est formé au moyen d'un condensateur 14 possédant une valeur nominale de 0,009 farads et branché en parallèle avec la lampe 2 En outre, un relais 15 branche et débranche le condensateur de lissage 14 en circuit en fonction du fait que l'on désire un fonctionnement pulsé ou un fonctionne- ment continu Par exemple, le courant moyen pour le fonc- tionnement continu est égal de façon typique à 45 ampères, qui fournit une puissance de sortie laser de 100 watts pour une longueur d'onde de 1,06 pm Sur la figure 1 on voit également qu'un transformateur de déclenchement 16 fait dé- marrer la lampe 2 de façon usuelle, ce transformateur étant un transformateur d'impulsions de haute tension série stan- dard, comportant son propre système électronique de com- mande indépendant 17, ce qui est usuel. Le carrousel à miroirs 5 est constitué par un porte-miroirs glissant contenant deux ou un plus grand nombre d'ensembles miroirs laser 18, 18 ' et 19, 19 ', montés respectivement dans des mécanismes classiques 20, 21 de ré- glage des miroirs laser Le carrousel comprend également un élément de liaison 22 qui interconnecte les mécanismes de réglage 20 et 21 de sorte que chaque ensemble de miroirs 18, 18 ' ou 19, 19 ' se déplacent en tandem Le carrousel 5 est entraîné entre une première position, dans laquelle les miroirs 18, 18 ' forment une cavité laser avec le barreau 1 pour produire un faisceau à la longueur d'onde de 1,06 pm, et une seconde position, dans laquelle les miroirs 19, 19 ' sont adjacents aux extrémités du barreau 1 pour produire un faisceau laser possédant une longueur d'onde de 1,44 pm En tant que moyen servant à entraîner le carrousel 5 entre ces positions, on a indiqué sur la figure que le mécanisme de réglage peut être fixé à un câble ou à un autre fil 23 circulant autour d'un couple de poulies 24 et 25 montées respectivement rotatives sur des consoles 26 et 27, qui à leur tour sont portées par un élément de support 28 Comme représenté, la poulie 24 est entraînée par un moteur élec- trique 31 de manière à soulever ou abaisser le carrousel 5 de manière à positionner correctement les miroirs laser 18 et 181 ou 19, 19 ' au voisinage de l'extrémité du barreau 1 pour produire des faisceaux laser soit à la longueur d'onde de 1,06 pm, soit à la longueur d'onde de 1,44 pm. Les miroirs utilisés pour obtenir une puissance moyenne élevée pour 1,44 pm avec N = 0,4 sont constitués de préférence par un miroir possédant un coefficient de ré- flexion égal à 100 % pour 1,44 pm et un coefficient de ré- flexion de 50 % pour 1,32 pm et un coefficient de réflexion de 10 % pour 1,06 pm, et par un autre miroir possédant un coefficient de réflexion d'environ 90 % pour 1,44 pm, un coefficient de réflexion de 20 % pour 1,32 pm et un coeffi- cient de réflexion de 5 pm pour 1,06 pm En outre, une fe- nêtre de transmission en silicium possédant une épaisseur de 1 cm, qui possède un revêtement antireflets pour 1,44 pm, peut être disposée en position adjacente au bar- reau laser et à l'intérieur du résonateur du laser Le si- licium réalise une absorption approximativement à 100 % pour 1,06 pm et sert à réduire l'oscillation laser pour la longueur d'onde de 1,06 pm L'adjonction de cet élément ré- duit l'oscillation laser même si le miroir du laser réalise une réflexion intense pour une longueur d'onde de 1,06 pm. On pourrait utiliser d'autres éléments tels que des prismes ou des réseaux de diffraction pour la sélection des lon- gueurs d'onde De tels miroirs montés en position adjacente aux extrémités du barreau laser 1 fournissent un signal de sortie laser ayant une puissance moyenne atteignant jusqu'à 0 watts. On peut également utiliser une fibre de quartz 99 pour transmettre le faisceau laser à 1,44 pm De façon ty- pique, la fibre 29 est une fibre de quartz ayant un noyau de 600 pm Même si on sait que le quartz présente une ab- sorption due à de l'eau piégée dans la région de 1,44 pm, une fibre à quartz anhydre est presque exempte d'eau de sorte que ceci conduit à une absorption négligeable qui conduit à la capacité de transmettre à la fois le faisceau de coagulation à 1,06 pm et le faisceau de coupe à 1,44 pm au moyen de la même fibre de quartz 29. Le faisceau laser délivré par le barreau laser 1 est focalisé dans la fibre de quartz 29 par une lentille La lentille 30 est recouverte d'un revêtement antire- flets pour 1,06 et 1,44 pm et possède une distance focale égale à environ 2 centimètres, ce qui est classique. Autre forme de réalisation Un spécialiste de la technique pourrait apporter des modifications secondaires à l'invention décrite, sans pour autant sortir du cadre de cette dernière. REVENDICATIONS 1 Laser au néodyme à grande longueur d'onde, ca- ractérisé en ce qu'il comprend : un boîtier ( 6) comprenant une cavité optique ré- fléchissante ( 3); un barreau laser ( 1) installé dans ladite cavité optique ( 3) et constitué par une structure hôte cristalline ou en verre comportant un dopage au néodyme; une lampe de pompage ( 2) installée dans ladite cavité optique ( 3) dans une position adjacente audit bar- reau laser, ladite lampe de pompage constituant une source de lumière destinée à transférer une lumière audit barreau laser; des moyens ( 13) de commande comprenant des moyens formant circuit pour commander ladite lampe de pompage ( 2) de manière qu'elle produise des impulsions intermittentes de lumière; des moyens ( 18,18 ',19,19 ') formant résonateur sé- lectif vis-à-vis des longueurs d'onde pour produire une ré- flexion maximale pour une longueur d'onde de 1,4 à 1,5 pm et une réflexion minimale pour d'autres longueurs d'onde de manière à permettre une oscillation laser dans la gamme de 1,4 à 1,5 pm; et le barreau laser ( 1) possédant un niveau de concentration en néodyme compris entre environ 0,3 et 0,7 N. 2 Laser au néodyme à grande longueur d'onde se- lon la revendication 1, dans lequel la concentration du néodyme est égale à environ 0,4 N et les moyens ( 18,18 ',19,19 ') formant résonateur sélectif pour les lon- gueurs d'onde comprennent un miroir possédant un coeffi- cient de réflexion égal à environ 90 % pour 1,44 pm.