Brevet FR2694665A1 — publié le 19940211

Résonateur laser instable L'invention se rapporte à un résonateur laser instable destiné à la production d'un profil de rayonnement stable en mode fondamental, comprenant un profil de réflexion à variation radiale côté découplage et au moins un élément de déclenchement fonction de Q.Switch. Pour réaliser des lasers qui utilisent un volume de milieu laser aussi grand que possible avec un rendement aussi grand que possible, on connait depuis le début des années 70 des géométries de résonateurs instables (A. E. Siegmann, Laser Focus, Mai 1971, pages 42 et suivantes). Pour obtenir une sélection de mode, c'est-à-dire pour pouvoir faire travailler le laser r par exemple uniquement dans un mode fondamental, il est proposé, dans la publication "Passively Q-switched Transverse-Diode-Pumped Nd3+: YLF Laseroscillator" de R.Beach et Al (dans OPTICS LETTERS, Vol.17, No.2, pages 124 à 126) d'utiliser dans un résonateur de ce type un miroir de découplage plan qui présente un profil de réflexion à variation radiale. Il est également prévu un déclenchement fonction de Q.Switch passif dans le résonateur comprenant un cristal de LiF à activateurs. Si l'on veut réaliser une construction laser aussi compacte que possible possédant un haut rendement global en même temps qu'une possibilité de sélection du mode, la disposition représentée ne se révèle pas optimale. Ceci est à imputer en particulier au fait qu'un grand nombre de surfaces réfléchissantes sont présentes à l'intérieur de la chambre du résonateur et que ces surfaces provoquent la formation de différents sous-résonateurs concurrents qui ont des modes dits parasitaires. La qualité du rayon en souffre de nouveau. On connaît aussi une construction de résonateur analogue par le brevet des EUA US 4 918 704. Là, on représente aussi un résonateur laser instable qui présente un miroir de découplage ayant un profil de réflexion à variation radiale. Il est par ailleurs prévu un déclenchement fonction de Q.Switch. Dans cet agencement, il se produit au moyen d'une deuxième diode laser une sélection de mode longitudinal, ce qui n'est cependant pas absolument nécessaire pour certaines applications. Le grand nombre de surfaces réfléchissantes présentes dans le résonateur favorise aussi dans cet agencement la constitution de plusieurs résonateurs partiels ou sous-résonateurs concurrents différents dans le fonctionnement du laser. Habituellement, on obtient la suppression des résonateurs partiels concurrents en inclinant les surfaces terminales du barreau de corps solide sous l'angle de Brewster ou encore en disposant obliquement le miroir de découplage du résonateur comme ceci est proposé, par exemple dans "W.Koechner, Solid State Laser Engineering, deuxième édition, Springer Verlag, 1988", à la page 166. Toutefois, les modes qui se forment dans les résonateurs de ce type ne sont pas toutefois entièrement supprimés par ces dispositions. Dans le cas de la focalisation du rayon laser, il se forme des foyers secondaires gênants. Ces foyers secondaires ne peuvent être entièrement éliminés que par une position oblique extrême, ce qui a malheureusement de nouveau une influence négative sur l'image de mode désirée. Le but de la présente invention est donc de créer un résonateur laser compact, d'une construction aussi simple que possible, qui garantisse à la fois un haut rendement et un profil à variation radiale dans le mode fondamental transversal stable. Ce problème est résolu par un résonateur laser instable caractérisé en ce que le nombre des surfaces réfléchissantes contenues dans le résonateur laser est réduit à un minimum de manière qu'un nombre de résonateurs partiels concurrents aussi petit que possible ait au moins une partie des surfaces limites du résonateur et/ou les surfaces terminales limitant le milieu laser correspondant sont orientées parallèlement entre elles avec une haute précision, dans le fonctionnement du laser, il ne se produit pas d'autre mode perturbateur. Dans la chambre de résonateur du résonateur laser instable selon l'invention, le nombre des surfaces réfléchissantes est réduite à un minimum de sorte qu'il n'existe qu'un très petit nombre de telles surfaces pour la constitution de résonateurs partiels concurrents et qu'il ne se forme que pratiquement pas de mode gênants dans le fonctionnement du laser et qu'il ne se forme éventuellement pas de foyer secondaire. Le résonateur laser instable selon l'invention se distingue par ailleurs par une construction compacte et très simple. En outre, il est possible d'obtenir un fonctionnement stable dans le mode fondamental tout en conservant un rendement global élevé, par le fait que le volume de mode est utilisé presque entièrement. En particulier, on peut obtenir une réduction de la longueur totale tout en respectant en même temps des spécifications de puissance données. De cette façon, la construction selon l'invention permet de produire des durées d'impulsions de l'ordre d'un petit nombre de ns. Le résonateur laser selon l'invention trouve une application possible dans un laser à corps solide en ophtalmologie, par exemple, pour les membranotomies de tous types. Toutefois, il existe en outre de multiples autres domaines d'utilisation dans lesquel les spécifications citées plus haut exigeant un laser ou résonateur laser compact sont satisfaites. D'autres avantages et particularités du résonateur laser instable selon l'invention ressortent de la description donnée ci-après de plusieurs exemples de réalisation, en regard des dessins annexés. Sur ces dessins, la figure 1 représente un premier exemple de réalisation, représenté schématiquement, du résonateur laser instable selon l'invention comportant un miroir de découplage séparé; la figure 2 montre un deuxième exemple de réalisation, représenté schématiquement du résonateur laser instable selon l'invention, comportant un miroir de découplage prévu sur le barreau de corps solide; la figure 3 montre un troisième exemple de réalisation, représenté schématiquement, du résonateur laser instable selon l'invention, comprenant un cristal Q-Switch intégré dans le miroir d'extrémité; les figures 4a et 4b montrent un profil de réflexion possible côté découplage. Une première forme de réalisation possible du résonateur laser instable selon l'invention est représentée sur la figure 1. Ici, on utilise comme milieu laser un barreau (3) de corps solide, par exemple, un barreau de Nd:YAG, qui est excité par une lampe à éclairs - non représentée - et émet un rayonnement laser à une longueur d'onde de 1,064 jim. Le barreau de corps solide (3) et la lampe à éclairs sont à cet effet disposés dans une chambre de pompe elliptique - également non représentée - composée de verre cer-quartz, aux deux foyers de l'ellipse. Pour améliorer le rendement cette chambre de pompe est munie d'un revêtement d'argent, sur la surface réfléchissante de l'ellipsoïde, et d'un revêtement d'or aux deux surfaces d'extrémités frontales. Le résonateur laser instable proprement dit est constitué, dans l'exemple de réalisation représenté, par un miroir d'extrémité convexe (1) qui présente une couche (12) à haut pouvoir réfléchissant pour la longueur d'onde du laser, sur le côté de la surface convexe dirigée vers le milieu laser. Le miroir de découplage (4) est constitué dans l'exemple représenté par un support en verre qui est muni d'une couche réfléchissante (5) sur le côté (5) dirigé vers le volume intérieur du résonateur, et qui possède une réflectivité qui décroît dans la direction radiale en partant du point central ou du point d'intersection de l'axe optique (6) de l'ensemble du dispositif, en allant vers l'extérieur. Des particularités de cette couche réfléchissante (5) sont décrites en regard des figures 4a et 4b.Entre le milieu laser (3) et le miroir d'extrémité (1) muni d'un revêtement hautement réfléchissant, est prévue une feuille de milieu absorbant saturable qui est disposée obliquement à l'axe optique (6), c'est-à-dire selon un angle différent de 90 , en qualité d'élément de déclenchement fonction de Q.Switch passif. L'agencement de la feuille absorbante (2) doit être réalisé ici de manière qu'il ne se forme pas de sous-résonateur concurrent entre la feuille absorbante (2) et les autres surfaces réfléchissantes du résonateur. En combinaison avec un barreau de Nd:YAG, on peut utiliser, par exemple, une feuille d'acétate Q-Switch de EASTMAN KODAK, qui présente une densité optique extrêmement faible, d'environ 0,3 à 0,4.Si la feuille absorbante (2) considérée est disposée en formant un angle de 45" avec l'axe (6) du résonateur, il en résulte dans l'exemple de réalisation représenté, un rayonnement polarisé à polarisation définie du laser, ce qui peut être utilisé avantageusement, par exemple, pour la mesure de l'énergie du rayonnement laser émis. Avec des miroirs de renvoi munis d'un revêtement diélectrique, on peut utiliser ici la partie restante, la partie transmise, du rayonnement, pour la mesure de l'énergie. Dans un laser possédant une direction de polarisation définie, il n'est pas nécessaire de prévoir un revêtement spécial sur l'élément de renvoi, revêtement qui permettrait que la partie transmise soit la même pour toutes les directions de polarisation qui sont statistiquement possibles.La polarisation définie du laser peut aussi être utilisée de façon tout aussi avantageuse avec le résonateur instable selon l'invention pour l'affaiblissement du rayonnement, etc. Pour éviter qu'il ne se forme dans les sous-résonateurs ou les résonateurs partiels des modes concurrents qui sortent du résonateur sous des angles légèrement différents, on fait en sorte qu'en supplément de la disposition oblique de la feuille absorbante (2), les surfaces limites (18, 19) du miroir de découplage (4), de même que les surfaces d'extrémités (14, 15) du milieu laser, c'est-à-dire du barreau de corps solide (3) utilisé, soient orientées très exactement parallèlement entre elles. Le support en verre du miroir de découplage (4) utilisé présente dans l'exemple de réalisation représenté un parallélisme des surfaces limites (18, 19) meilleur que 10 secondes d'arc, de même que les surfaces limites (14, 15) du barreau de corps solide (3) c'est-à-dire que l'angle que les surfaces forment entre elles est inférieur à 10 secondes d'arc. Pour orienter de façon exactement parallèle le miroir de découplage (4) et le barreau de corps solide (3) ou les surfaces d'extrémités (14, 15) de ce barreau, le miroir de découplage (4) est par ailleurs disposé mobile de manière qu'à l'aide d'un élément d'ajustement (20), on puisse aligner les surfaces limites (18, 19) du miroir de découplage (4) exactement parallèlement aux surfaces terminales (14, 15) du barreau de corps solide (3). La disposition mobile du miroir de découplage (4) et les éléments d'ajustement (20) correspondant sont simplement indiqués schématiquement sur la figure 1, il est possible d'utiliser pour cela les agencements de portées les plus divers qui permettent un alignement parallèle. Par exemple, le miroir de découplage (4) peut être monté mobile de façon définie autour de trois axes perpendiculaires entre eux.Dans une forme de réalisation moins compliquée, il est possible de disposer le miroir de découplage dans une plaque d'extrémité et d'agencer le barreau de corps solide dans le corps de base du laser, ces deux éléments pouvant être ajustés et bloqués l'un par rapport à l'autre dans les limites du jeu des vis de fixation. Le dimensionnement des surfaces d'extrémités (14, 15) du barreau de corps solide, des surfaces limites (18, 19) du miroir de découplage (4), réalisé avec un parallélisme très exact, l'alignement exactement parallèle des surfaces d'extrémités (14, 15) du barreau de corps solide et des surfaces limites (18, 19) du miroir de découplage au moyen des éléments d'ajustement (20), ainsi que la disposition oblique de la feuille absorbante (2) dans la chambre du résonateur garantissent la suppression fiable des sous-résonateurs concurrents ou la suppression des modes qui sortent du résonateur sous différents angles. Dans le fonctionnement du laser, on obtient un profil de rayonnement homogène sans foyers secondaires gênants avec une focalisation simple du rayon laser. Si le Q-Switch passif, le profil de réflexion (5) à variation radiale ainsi que la longueur d'encombrement et le rayon de courbure du miroir final (1) sont accordés les uns aux autres de façon optimale, on peut réaliser à l'aide du résonateur laser instable selon l'invention des durées d'impulsions laser tp de l'ordre de tp Une deuxième forme de réalisation du résonateur laser instable selon l'invention est décrite en regard de la figure 2. On utilise ici de nouveau comme milieu laser un barreau de corps solide (9), par exemple, un barreau de Nb:YAG. Le miroir d'extrémité (7) présente dans cet exemple de réalisation une forme également convexe et possède un revêtement (13) hautement réfléchissant pour la longueur d'onde laser de 1,064 pu. Entre le barreau de corps solide (9) et le miroir d'extrémité (7), est prévue, disposée obliquement à l'axe optique (11), une feuille absorbante saturable (8) c'est-à-dire un élément de déclenchement Q-Switch passif. Contrairement au premier exemple de réalisation représenté sur la figure 1, dans le deuxième exemple de réalisation 2, il n'est pas prévu d'élément séparé en tant que miroir de découplage mais, au contraire, la couche de réflexion (10) à variation radiale est déposée directement sur la surface terminale (17) côté découplage du barreau de corps solide (9). De même, également dans cet exemple de réalisation, la disposition oblique de la feuille absorbante (8) dans le résonateur, ainsi que le dimensionnement très exactement parallèle des surfaces d'extrémités (16, 17) du barreau de corps solide (9) garantit qu'il ne se forme pas de sous-résonateurs concurrents mais que le résonateur fournit un profil de rayon stable dans le mode fondamental. Cette forme de réalisation assure une nouvelle réduction des éléments séparés dans la chambre du résonateur et, par conséquent, une construction compacte. Une autre variante de réalisation du résonateur laser instable selon l'invention comporte l'utilisation de matériaux cristallins donnés comme élément de déclenchement fonction de Q-Switch passif en remplacement de la feuille absorbante. Pour cela, on peut envisager Cr4+ :YAG, LiF (F2) ou Cr4+:GSGG. Les matériaux cristallins de ce type, présentés sous la forme d'une couche cristalline mince, par exemple d'une épaisseur de 1 mm, peuvent être disposés, de même que la feuille absorbante dans les exemples de réalisation décrit plus haut, dans la chambre du résonateur sous la forme d'éléments separés. La couche cristalline est destinée à la suppression des sous-résonateurs concurrents pour la longueur d'onde laser considérée et elle est avantageusement revêtue d'une couche anti-réfléchissante. De cette façon, les pertes par réflexion dans la chambre du résonateur peuvent être évitées, ou les réflexions sur les surfaces limites des cristals peuvent être supprimées. En variante, la couche cristalline peut aussi être disposée, dans une forme de réalisation qui n'est pas revêtue d'un revêtement anti-réfléchissant, en formant avec l'axe optique dans la chambre du résonateur un angle proche de l'angle de Brewster, afin de réaliser de cette façon une excitation du laser en vibrations polarisées. L'utilisation de tels matériaux cristallins permet d'obtenir une nouvelle simplification de la construction du résonateur en ce sens que le miroir d'extrémité, à haut pouvoir réfléchissant, du résonateur, et le cristal Q-Switch considéré, c'est-à-dire un élément de déclenchement fonction de Q-Switch, peuvent être intégrés en un seul élément. Un exemple de réalisation correspondant est représenté sur la figure 3.En supplément du barreau de corps solide (21), par exemple, un barreau de Nd:YAG, présentant le profil de réflexion (22) à variation radiale, disposé du côté découplage, et les surfaces d'extrémités (23, 24) très exactement parallèles du barreau de corps solide (21), de même que dans les exemples de réalisation décrits précédemment, le résonateur ne comporte que le miroir d'extrémité (25) à haut pouvoir réfléchissant, qui a été intégré avec le cristal Q-Switch comme substrat support en un élément unique. Ici, le cristal Q-Switch possède une surface (26) se comportant comme un miroir terminal laser, qui est réalisé avec un haut pouvoir réfléchissant dans la direction du milieu laser pour la longueur d'onde considérée, et une surface (27) réalisée anti-réfléchissante pour cette longueur d'onde.Les surfaces limites (26, 27) du cristal Q-Switch sont avantageusement orientées dans des directions aussi exactement parallèles que possible, ainsi que parallèlement à la surface d'extrémité (23) du barreau de corps solide (21) utilisé qui est dirigée vers ses surfaces. Pour supprimer les réflexions indésirables sur les différentes surfaces limites, il est par ailleurs possible, dans cet exemple de réalisation, de disposer un liquide d'immersion entre la surface terminale du barreau de corps solide (21) et le cristal Q-Switch possédant la surface (26) qui agit comme miroir d'extrémité. Des profils de réflexion appropriés côté découplage qui présentent une variation radiale, sont décrits ci-après en regard des figures 4a et 4b. On a représenté ici la réflectivité R en fonction de la coordonnée radiale r dont le point zéro se trouve dans l'axe optique ou au centre du rayon. Sur les figures 4a et 4b, on a représenté ce qu'on appelle des profils de réflexion de Gauss, qui peuvent être décrits comme suit, dans un mode analytique: R (r) = Ro * exp ( -2 * (r/a) m). Ici, Ro est la valeur maximale de la réflexion, le paramètre m détermine la raideur des flancs. Sur la figure 4a, on a m=2, c'est-à-dire que, ici, on est en présence d'un profil de Gauss simple. Pour la figure 4b, on a m > 2. Dans ce cas, on parle d'un profil super Gauss. Les valeurs appropriées pour m sont comprises à peu près entre 2 et 5. On a désigné par a sur les figures 4a et 4b le rayon auquel la réflectivité maximale Ro est tombée à Rye2. Le paramètre a est de préférence choisi dans l'ordre de grandeur entre 0,9 et 1,6 mm pour un diamètre de barreau laser de 4mm. Les réflectivités maximales R0 appropriées sont comprises à peu près entre 25 et 45%. En même temps qu'un rayon de courbure du miroir d'extrémité à haut pouvoir réfléchissant choisi de façon appropriée, on peut donc bien discriminer les modes supérieurs, indésirables. La couche réfléchissante considérée est constituée par une ou plusieurs couche(s) mince(s), des/4, qui sont déposées sur un substrat par évaporation sous vide, à travers un diaphragme de diamètre égal à 1,5a, X désignant ici la longueur d'onde laser considérée. Comme matière appropriée pour les couches réfléchissantes de ce genre possédant un seuil de destruction suffisamment élevé, on se sert, par exemple de Ta205. Grâce à la variation définie de la distance entre le diaphragme et le substrat correspondant, on peut réaliser une relation déterminée de dépendance du profil de réflexion en fonction du rayon. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Résonateur laser instable destiné à la production d'un profil de rayonnement stable en mode fondamental, comprenant un profil de réflexion à variation radiale côté découplage et au moins un élément de déclenchement fonction de Q-Switch, caractérisé en ce que le nombre des surfaces réfléchissantes contenues dans le résonateur laser est réduit à un minimum de manière qu'un nombre de résonateurs partiels concurrents aussi petit que possible ait au moins une partie des surfaces limites (18, 19) du résonateur et/ou les surfaces terminales limitant le milieu laser correspondant (14, 15, 16, 17, 23, 24) sont orientées parallèlement entre elles avec une haute précision, et que, dans le fonctionnement du laser, il ne se produit pas d'autre mode perturbateur. 2. Résonateur laser instable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réflectivité R du profil de réflexion (5, 10, 22) à variation radiale peut s'exprimer analytiquement comme suit R (r) = R8 * exp ( -2 * (r/a) m), où r désigne la coordonnée raidale, R0 définit la réflectivité centrale maximale et a et m définissent des paramètres pouvant être prédéterminés pour l'adaptation aux applications considérées. 3. Résonateur laser instable selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paramètres R,, a et m du profil de réflexion à variation radicale (5, 10, 22) sont compris dans les intervalles suivants R = [25%... 45%J a = t0,9mm...1,6mm] m = [2...5] 4. Résonateur laser instable selon au moins une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le profil de réflexion à variation radiale (5, 10, 22) est composé d'au moins une couche de Ta205 mince, de préférence d'une épaisseur de /4, > désignant la longueur d'onde laser considérée. 5. Résonateur laser instable selon au moins une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, comme milieu laser, on utilise un barreau de Nd:YAG (3, 9, 21) possédant des surfaces d'extrémités (14, 15, 16, 17, 23, 24) parallèles avec une haute précision dans la chambre du résonateur. 6. Résonateur laser instable selon au moins une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, en tant qu'élément de déclenchement fonction de Q.Switch, on dispose sur le trajet des rayons, au moins une feuille absorbante saturable (2, 8) ou une couche cristalline mince en tant que Q-Switch passif entre le milieu laser et un des deux miroirs (1, 4, 7) du résonateur, de telle manière que cette feuille absorbante ou cette couche cristalline mince forme avec l'axe optique (6, 11) du résonateur un angle qui est différent de 90, de sorte qu'il ne se forme pas de résonateurs concurrents entre la feuille absorbante (2, 8) et d'autres surfaces réfléchissantes à l'intérieur du résonateur. 7. Résonateur laser instable selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu un miroir de découplage plan (4) possédant des surfaces limites (18, 19) exactement parallèles, et que, sur sa face (18) qui regarde la chambre intérieur du résonateur, est déposé le profil de réflexion (5) à variation radiale. 8. Résonateur laser instable selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un élément d'ajustement (20) pour le miroir de découplage (4) disposé mobile, élément qui permet d'aligner le miroir de découplage (4) exactement parallèlement aux surfaces d'extrémités (14, 15) du milieu laser. 9. Résonateur laser instable selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on prévoit, comme milieu laser, un barreau de corps solide (3, 9, 21) possédant des surfaces d'extrémités (16, 17, 23, 24) parallèles avec une haute précision, le profil de réflexion (10, 22) à variation radiale étant prévue sur la surface d'extrémité (17, 24) côté découplage. 10. Résonateur laser instable selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de déclenchement fonction de Q.Switch est disposé dans le résonateur en formant un angle défini avec l'axe optique, et cet élément déterminant l'oscillation polarisée du laser. 11. Résonateur laser instable selon au moins une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de déclenchement fonction de Q.Switch et le miroir d'extrémité (26) du résonateur sont intégrés en un élément unique. 12. Laser à corps solide pompé par lampe à éclairs, comprenant un barreau de Nd:YAG comme milieu laser, caractérisé en ce qu'il est prévu un résonateur laser selon au moins une des revendications précédentes. 13. Laser à corps solide selon la revendication 12, caractérisé par son utilisation en ophtalmologie.