Brevet FR2675960A1 — publié le 19921030

La présente invention concerne une configuration pour optimiser le pompage optique transverse par diodes-lasers de milieux amplificateurs solides sur une large plage de température. Traditionnellement, les configurations retenues pour le pompage optique transverse par diodes-lasers ne prennent en compte ni la largeur spectrale de l'émission, ni les variations de la longueur d'onde moyenne de l'édifice de diodes avec la température. Le coefficient d'absorption du milieu amplificateur solide varie alors singulièrement et l'efficacité du pompage diminue. Ces inconvénients sont majeurs pour tout dispositif laser qui utilise un milieu amplificateur solide pompé transversalement par diodes-lasers et qui séjourne dans un environnement pour lequel la température varie dans une large gamme. La configuration, selon l'invention, permet d'optimiser l'épaisseur du milieu amplificateur vue par l'édifice de diodes en fonction des variations de température et de la concentration en ions actifs du milieu. Cette optimisation est évaluée en fonction de la variation avec la température de l'absorption de la lumière des diodes par le milieu actif. Le profil spectral S(L-L') d'émission d'une diodelaser ou d'un édifice de diodes-lasers en fonction de la longueur d'onde L', est caractérisé par la largeur spectrale D(L), la longueur d'onde moyenne L et par une loi de variation f(T, To) de la longueur d'onde moyenne L d'émission dans la gamme de température {T, To}. Nous avons L - Lo = f(T, To) ou Lo est la longueur d'onde moyenne d'émission à la température To. Le profil d'absorption spectral A(L') de l'ion actif ou de l'ion codopant du milieu amplificateur en fonction de la longueur d'onde L', est caractérisé à partir d'une mesure expérimentale.Le coefficient d'absorption moyen a(L) pour une longueur d'onde moyenne L qui correspond à une température de fonctionnement T est donné par l'expression a (L) = I {S(L-L').A(L').dL'} où I est l'intégrale sur le domaine des longueurs d'ondes utiles. La fonction S(L-L') est sans dimension, la fonction A(L') s'exprime en cm-l/nm et la longueur d'onde est exprimée en nm. Le coefficient d'absorption moyen est en cm-l, Si la loi f(T,To) est connue, nous pouvons définir la loi de variation moyenne de a(L) en fonction de la température T et de la largeur spectrale D(L) de la diode-laser ou de l'édifice de diodes-lasers. La figure n"l donne cette loi de variation théorique pour une émission des diodes des profils spectraux gaussiens de différentes largeurs spectrales D(L). Dans cet exemple la loi de variation de la longueur d'onde moyenne avec la température est de 0,27 nm/ C, les diodes émettent vers 808 nm et le milieu actif est la matrice de YAG (Y3 A15 012) dopée par l'ion Néodyme (Nd3+). La figure n"2 présente les résultats théoriques calculés et les résultats expérimentaux dans le cas d'un édifice de diodes-lasers de 2 nm de largeur spectrale qui pompent une plaque de YAG dopé par l'ion Nd3+. L'évolution de l'absorption du milieu pompé avec la température est donc caractéristique de la largeur spectrale de la diode. Lorsque cette largeur spectrale augmente, la valeur maximale du coefficient d'absorption moyen diminue et les variations autour de cette valeur maximale diminuent aussi. Pour un édifice de diodes-lasers donné, il est donc possible d'optimiser l'absorption en jouant sur l'épaisseur du milieu amplificateur et sur la concentration d'ions actifs pour assurer le pompage sur une gamme de température donnée. Les dessins des figures 3 et 4 illustrent l'invention dans le cas d'une plaque amplificatrice. La figure n"3 représente le pompage optique transverse de différents édifices de diodes-lasers (1) qui assurent l'activation d'ions actifs placés dans une plaque (2) d'une matrice solide cristalline ou vitreuse. Selon le profil spectral des édifices, selon le profil d'absorption spectral de l'ion actif dans la matrice, selon la loi de variation de la longueur d'onde moyenne des diodes élémentaires avec la température, un coefficient d'absorption moyen est défini en fonction de la gamme de température visée.L'épaisseur optimale eo de la plaque amplificatrice est alors fixée par la valeur du coefficient d'absorption moyen le plus bas observé sur la gamme de température visée, de façon à ce que la majeure partie de la lumière émise par les édifices soit absorbée. Pour des raisons pratiques, l'épaisseur de la plaque (2) de la figure n"4 peut être plus faible que l'épaisseur optimale eo. Dans ce cas la face inférieure (3) de la plaque reçoit un revêtement qui la rend réfléchissante à la lumière des diodes-lasers. Cette réflexion peut être assurée par un miroir annexe. Le système qui assure la dissipation thermique de la plaque amplificatrice et des édifices de diodes n'est pas représenté sur les figures 3 et 4. Les dessins des figures 5 et 6 illustrent l'invention dans le cas d'un barreau amplificateur. La figure n"5 représente le pompage optique transverse de différents édifices de diodes-lasers (1) qui assurent l'activation d'ions actifs placés dans un barreau (2) d'une matrice solide cristalline ou vitreuse. Comme précédemment et en tenant compte de la réfraction dans le barreau, le diamètre optimal do du barreau amplificateur est fixé par la valeur du coefficient d'absorption moyen le plus bas observé sur la gamme de température visée, de façon à ce que la majeure partie de la lumière émise par les édifices soit absorbée. Pour des raisons pratiques, le diamètre d du barreau (2) de la figure n"6 peut être plus faible que le diamètre optimal do. Dans ce cas, une partie de la surface latérale (3) du barreau reçoit un revêtement qui la rend réfléchissante à la lumière des diodeslasers. Cette réflexion peut être assurée par un miroir annexe. Le système qui assure la dissipation thermique du barreau amplificateur et des édifices de diodes n'est pas représenté sur les figures 5 et 6. La configuration, selon l'invention, est destinée à s'affranchir des variations de température que peuvent subir des édifices de diodes lasers qui pompent optiquement des milieux amplificateurs. Cette configuration est appliquée dans les systèmes-lasers qui utilisent le pompage optique transverse par diodes-lasers. REVENDICATIONS 1) Configuration pour le pompage optique transverse de milieux amplificateurs solides pompés par des édifices de diodes-lasers, caractérisée en ce qu'elle optimise l'épaisseur des milieux amplificateurs pour un fonctionnement sur une gamme de température donnée. 2) Configuration selon la revendication 1, caractérisée en ce que le profil spectral d'émission des édifices de diodes-lasers, le profil d'absorption spectral de l'ion actif ou de l'ion codopant de la matrice solide et la loi de variation de la longueur d'onde moyenne des édifices en fonction de la température, définissent un coefficient d'absorption moyen en fonction de la température. 3) Configuration selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, pour une gamme de température donnée, le coefficient d'absorption moyen le plus bas permet de définir l'épaisseur optimale du milieu amplificateur de façon à ce que la majeure partie de la lumière émise par les édifices de diodes-lasers soit absorbée. 4) Configuration selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le milieu amplificateur puisse être pompé par des édifices de diodes-lasers. I1 s'agit, par exemple, de la matrice de YAG (Y3 A15 012) dopée par l'ion Néodyme (Nd3+), l'ion Erbium (Er3+), le couple d'ions Holmium et Thullium (Ho3+, Tm3+). 5) Configuration selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est une plaque dont l'épaisseur est égale à l'épaisseur optimale. 6) Configuration selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est une plaque dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur optimale et dont la face opposée à la face directement pompée reçoit un revêtement réfléchissant à la lumière émise par les édifices de diodes-lasers. 7) Configuration selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est un barreau dont le diamètre est proche de l'épaisseur optimale. 8) Configuration selon les revendications de 1 à 4, caractérisée en ce que le milieu amplificateur est un barreau dont le diamètre est faible vis à vis de l'épaisseur optimale et dont une partie de la surface périphérique reçoit un revêtement réfléchissant à la lumière par les édifices de diodes-lasers. 9) Configuration selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que le revêtement réfléchissant de la plaque ou du barreau est remplacé par un miroir de meilleure forme et qui réfléchit totalement la lumière émise par les édifices de diodes-lasers.