Brevet FR2691588A1 — publié le 19931126

SOURCE LASER DE PUISSANCE L'invention concerne une source laser de puissance et notamment une source laser de puissance émettant à une longueur d'onde non dangereuse pour l'oeil humain. Le domaine couvert par la présente invention concerne la réalisation de sources lasers de puissance travaillant dans les fenêtres spectrales 1, 06 pmn et/ou 1,54 pin, 1,396 pin, 2,355 Pi- Le choix de la longueur d'onde d'émission dans le domaine spectral situé vers 1, 5 pim est lié au fait que les risques de dommages optiques oculaires sont minimisés et, qu'à cette longueur d'onde, l'atmosphère présente une bonne fenêtre de transmission Rappelons que l'exposition maximale admissible au niveau de l'oeil humain est de 5 p J/cm 2 à 1,064 pim et passe à 1 J/cm 2 à 1,54 pim Il s'ensuit que la réalisation de sources lasers de puissance dans ce domaine spectral présente des avantages indéniables. Cependant il n'existe pas de matériaux de matrices et de terres rares présentant des transmissions lasers exploitables, hormis l'ion Erbium. L'inconvénient lié à l'emploi de cette terre rare est que le fonctionnement laser est décrit par un système à trois niveaux, ce qui présente quelques inconvénients (seuil élevé, la transition laser se superpose à une bande d'absorption, saturation du gain plus facile, etc). Une autre voie consiste à réaliser par transfert Raman une telle source Dans ce cas, on utilise un laser Nd: YAG (laser YAG dopé Néodyme) qui vient pomper une cellule dans laquelle se trouve un gaz qui présente un décalage en fréquence Raman autorisant le transfert de l'onde de pompe située à 1, 064 pim vers 1, 54 pim Un tel gaz peut être du méthane (CH 4) sous haute pression. Ce gaz présente un décalage spectral Raman de 2916 cm 1 et un coefficient de gain Raman de l'ordre de 1,4 cm/ GW sous une pression de 10 atmosphères. Ainsi, avec un pompage centré sur la longueur d'onde d'émission du laser Nd YAG, il est possible de générer une émission à la longueur d'onde Stokes = 2 Tr C/W-4 obtenue à partir de la relation WS = Wp-WR Wp WR, Ws étant respectivement la fréquence angulaire pompe, le décalage de fréquence Raman et la fréquence de l'onde Stockes En longueur d'onde et pour un décalage Raman donné en cm-1, on obtient: X = ( 1/ X (cm) 2916 cm 1 p Cependant, une telle source ne permet pas de délivrer un faisceau à la longueur d'onde Stokes optimisé en rendement de conversion puisque le processus Raman part sur un bruit. L'invention met donc en application une telle source et fournit des moyens permettant de commander un transfert d'énergie de l'onde de pompe vers l'onde fournie. L'invention concerne donc une source laser de puissance caractérisée en ce qu'elle comporte: une source laser de pompe émettant un faisceau de pompe (F p) d'une longueur d'onde déterminée (k 9) une cellule à gaz sous pression recevant le faisceau de pompe (Fp) et émettant par effet Raman un faisceau de sortie (F) d'une longueur d'onde (X 5) dite onde de Stokes; une source lumineuse de commande transmettant un faisceau de commande (Fc) à la cellule à gaz, ce faisceau de commande ayant une longueur d'onde sensiblement égale à l'onde de Stokes (XS). Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en se reportant aux figures annexées qui représentent: la figure 1, un premier exemple de réalisation du dispositif de l'invention; la figure 2, un deuxième exemple de réalisation du dispositif de l'invention; les figures 3 à 5, différents moyens, selon l'invention, de combinaison du faisceau de pompe et du faisceau de commande dans la cellule à gaz; les figures 6 et 7, des diagrammes de puissance optique d'émission; la figure 8, un diagramme décrivant la puissance optique répartie dans le temps du dispositif de l'invention; la figure 9, un exemple de réalisation d'une variante du dispositif de l'invention. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire un premier exemple de réalisation du dispositif laser de puissance selon l'invention. Le dispositif de la figure 1 comporte principalement un barreau laser à cavité externe 1 émettant un faisceau de pompe F à une longueur d'onde déterminée p p un déclencheur, appelé "Q Switch" en technologie anglo saxonne permettant de faire travailler le laser 1 en régime déclenché; une cellule à gaz sous pression 2 recevant le faisceau de pompe F et dont le gaz est excité par ce faisceau de telle façon qu'il émette par effet Raman, un faisceau Fs avec un décalage en fréquence et qu'il y ait un transfert d'énergie du faisceau de pompe Fp vers le faisceau Fs; une source lumineuse de commande telle qu'une diode laser de commande 3 commandée par un circuit 4 et émettant vers la cellule à gaz 2, un faisceau de commande Fc à une longueur d'onde sensiblement égale à celle du faisceau Fs; deux miroirs Ml et M 2, situés de part et d'autre du laser 1 et de la cellule 2, constituent une cavité optique; Le barreau laser 1 permet de réaliser un laser de puissance émettant à une longueur d'onde Xip dangereuse pour l'oeil humain Ce type de laser est courant dans la technique en raison des fortes puissances qu'il est susceptible d'émettre. Par exemple, il s'agit d'un laser YAG au Néodyme (Nd: YAG) émettant à une longueur d'onde Xp = 1,064 micromètres. La cellule de gaz sous pression 2 contient un gaz tel que du méthane (CH 4) permettant d'obtenir à partir d'un faisceau de pompe Fp de longueur d'onde Xp = 1, 064 micromètres, un faisceau Fs de longueur d'onde >X = 1, 54 micromètres. La diode laser 3 émet un faisceau de commande F de c longueur d'onde sensiblement égale à la longueur d'onde A S = 1, 54 micromètres Le faisceau de commande Fe et le faisceau de pompe Fp pénètrent dans la cellule à gaz 2 de façon sensiblement colinéaire par une face transparente 20 de la cellule à gaz 2 Ils parcourent la cellule 2 selon un axe principal de la cellule et ressortent par une face transparente 21 opposée à la face 20 Le faisceau F sortant de la cellule s 2 atteint le miroir Ml o il se réfléchit et retourne en sens inverse vers le miroir M 2 Ainsi, la cavité réalisée par les miroirs Ml et M 2 permet de bénéficier de la forte densité de puissance intra-cavité et, par le multi-passage dans la cavité, d'obtenir une efficacité de conversion. Dans la cellule à gaz sous pression, le processus d'évolution de l'onde Raman peut être représenté par la relation: pi=,Poexp(-a * L + *F Pp 0/ÀeçFs Lef) ( 1) valable en régime -de faible conversion et correspondant au cas o le processus non linéaire se met en place Les différents paramètres représentent: as coefficient d'absorption à ws L distance de propagation dans la cellule à gaz 2 g R: coefficient de gain Raman du milieu gazeux de la cellule Pp O: puissance de pompe incidente dans la cellule Aeff: surface effective sur laquelle se développe l'effet non linéaire Leff longueur effective de l'interaction non linéaire prenant en compte les pertes à la longueur d'onde de pompe Ps: la puissance de l'onde Stokes en fonction de la distance de propagation dans la cellule Raman. P 50 représente dans ce cas la puissance incidente initiant le processus non linéaire. En l'absence de faisceau de commande injecté à la longueur d'onde Stokes, le mécanisme de transfert est engendre à partir du bruit dans la cavité et par amplification des photons Stokes spontanés présents dans la cavité. Cette puissance P O pour être contrôlée Pour cela le faisceau de commande Fc à la longueur d'onde Stokes est injecté dans la cavité et est amplifié. Une diode laser 3 de type In Ga As P fournissant le faisceau de commande F permet de commander le processus de transfert d'énergie de l'onde pompe (Nd: YAG) vers l'onde signal F s Pour cela, il suffit de coupler à l'oscillateur laser Raman une onde issue de la diode laser de même fréquence que l'onde Stokes et symbolisée par le terme P O dans la s relation ( 1) La figure 2 représente un deuxième exemple de réalisation dans lequel la cavité optique, délimitée par les miroirs Ml et M 2, contient le laser 1 mais ne contient pas la cellule à gaz 2 Celle-ci se trouve sur le chemin du faisceau de pompe F mais à l'extérieur de la cavité optique et I'amplification Raman dans la cellule à gaz 2 est donc réalisée à partir de l'extérieur de la cellule active. Cette disposition permet de rendre le faisceau de commande Fe strictement colinéaire avec le faisceau de pompe Fp sans avoir à craindre un retour optique sur la diode laser 3, ce qui pourrait être le cas dans le dispositif de la figure 1 si les faisceaux de commande Fe et de pompe Fp étaient strictement colinéaires. La superposition du faisceau de commande F et du faisceau de pompe Fp peut se faire, comme cela est représenté sur les figures 2 et 3, à l'aide d'une lame séparatrice disposée sur les trajets des faisceaux de pompe Fp et de commande Fe et convenablement orientée par rapport à ces faisceaux. Le faisceau de commande F peut être ainsi injecté en utilisant la réflexion sur la face du cristal laser 1 taillée à l'angle de Brewster pour la longueur d'onde de pompe (voir figure 4). Un autre mode de couplage consiste à employer une fibre optique unimodale 5 à conservation de polarisation (figure ) A l'extrémité de celle-ci se trouve une optique qui permet d'ajuster la dimension du faisceau à celle du mode de cavité dans la cellule Raman. Sur les figures 6 et 7 sont représentées les évolutions de la puissance Stokes en fonction de la distance de propagation ou de l'amplitude du signal injecté à puissance de pompe crête constante. La figure 6 représente la puissance Stokes en différents points de la cellule pour un faisceau de pompe de puissance crête P p O = 2 MW et de longueur d'onde /\p = 1,064 micromètres et pour un faisceau de commande très faible (PO = 1 NEW) voire même sans faisceau de commande On s voit sur cette figure que pour une cellule de 20 cm de longueur, le signal Stokes est indécelable pour un parcours de la cellule de 8 cm et qu'en sortie de la cellule ( 20 cm de parcours) le signal Stockes reste très faible Il r a donc eu en sortie de cellule qu'un transfert d'énergie insignifiant. Par contre, la figure 7 représente un fonctionnement du dispositif de l'invention avec un faisceau de commande Fe de puissance PO = 1 m W et de longueur d'onde X = 1, 54 micromètres Le faisceau de pompe Fp a, comme précédemment, une puissance P = 2 MW et une longueur d'onde)>' = p p 1,06 micromètres. On observe sur cette figure 7 l'effet de commande et d'initialisation du processus de transfert de la puissance pompe vers l'onde Stokes Pour un parcours dans la cellule de 4 cm, une onde Stokes est déjà détestable Pour un parcours dans la cellule de 20 cm, on observe une onde Stokes de sensiblement 0, 4 MW Un transfert de puissance de l'onde pompe vers l'onde Stokes s'est donc sensiblement effectuée Dans cet exemple, l'onde de pompe présente un profil temporel et spatial gaussien. Dans l'approximation du faible transfert, le gain varie linéairement avec la puissance de pompe et l'on peut écrire en faisant abstraction de l'absorption que l'énergie de l'impulsion Stockes suit une loi du type: Es E O + -p L ff P/Aeç r /A 4 dxcl Q Lt ou A eff représente respectivement les surfaces effectives des faisceaux pompe et Raman E O étant l'énergie injectée s dans la cavité. L'énergie transférée sera maximum lorsque les surfaces effectives des ondes pompe et Raman seront adaptées (surface et profil identiques) Dans une cavité de type semi-confocale il est possible de placer la cellule en un endroit approprié afin de réaliser cette condition Il ne reste plus dès lors qu'à optimiser la distribution spatiale d'intensité de l'onde signal en provenance de la diode laser. La commande externe permet de réaliser une source impulsionnelle plus stable en puissance crête et plus reproductible d'un fonctionnement à un autre. La figure 8, représente des diagrammes de répartition dans le temps des différents faisceaux (faisceau de pompe, faisceau de commande, faisceau de sortie). Le diagramme supérieur de la figure 8 représente une impulsion du faisceau de pompe Fp ayant un profil gaussien. Lors de la transmission de cette impulsion Fp, des impulsions du faisceau de commande Fe à F N sont c c transmises. On obtient alors, comme cela est représenté sur le diagramme inférieur de la figure 8, des impulsions de sortie F O à F n, correspondant aux impulsions F O à F N et s c c résultant de transferts d'énergie provenant du faisceau de pompe. Le profil impulsionnel du faisceau de sortie résulte donc du profil impulsionnel du faisceau de commande On peut donc positionner les impulsions de sortie, comme on le désire, les unes par rapport aux autres. Une telle possibilité concourt donc à obtenir un système laser permettant de générer des trains d'impulsions commandables par la diode laser 3 reconfigurables d'un tir à l'autre et autorisant l'emploi de techniques de traitements de signaux. A titre d'exemple, l'impulsion de pompe peut avoir une durée de 10 à 20 nanosecondes par exemple, et les impulsions de commande (et donc des impulsions de sortie) des durées d'environ 1 nanoseconde. De plus, la situation des impulsions de commande par rapport au profil gaussien de l'impulsion de pompe permet d'obtenir des impulsions de sortie d'amplitude plus ou moins élevées Ainsi, il est possible de moduler la puissance d'émission du faisceau de sortie Ceci permet, par exemple dans un système de détection, d'adapter la puissance d'émission à la distance de l'objet à détecter de façon à éviter l'éblouissement du système de détection par une puissance trop élevée reçue en retour. Dans ce qui précède le domaine couvert concerne les lasers de puissance travaillant dans la fenêtre 1,5 ïk m, cette longueur d'onde étant obtenue à partir de l'effet Raman stimulé. Le laser de pompe est un laser Nd: YAG de puissance pouvant être pompé par diodes lasers Dans la cavité de celui-ci se trouve une cellule remplie d'un gaz sous haute pression Par effet Raman stimulé un transfert de puissance de l'onde de pompe vers l'onde Stokes est observé, le décalage en fréquence étant gouverné par la propriété spectrale de la courbe de gain Raman du milieu non linéaire. Généralement, le transfert est obtenu à partir de l'amplification d'un bruit à la fréquence Stokes ou le milieu présente une résonance Dans ce cas, les propriétés spectrales de l'onde Stokes émise sont directement reliées à la sélectivité d'un résonateur ou de la cavité. Selon une variante de réalisation de l'invention, on prévoit de remplacer la diode laser 3 par une source laser 41 pompée par une diode laser 42 Une telle configuration est représentée en figure 9. Cette variante de réalisation est particulièrement bien applicable à l'émission de faisceaux de puissance de longueurs d'ondes différentes. C'est ainsi que l'on peut utiliser pour le laser de pompe 1, une source de puissance à base de fluorure d'Yttrium (Li YF 4) dopé à l'holmium (Ho 3), connu sous la désignation Ho: YLF La longueur d'onde d'émission d'une telle source est 1, 396 micromètre La cellule à gaz 2 est à base de méthane (CH 4) sous haute pression Un faisceau de pompe Fp émis par le laser de pompe 1 provoque par effet RAMAN, l'émission d'une onde Stokes de longueur d'onde 2,355 micromètres Pour la source de commande 4, on choisit alors une source 41 à base de Thallium dopant une matrice YALO 3, dont la désignation peut être Tm: YALO 3: Cr Cr est un Co dopant) Cette source laser peut être pompée longitudinalement à partir d'une diode laser 42 émettant entre 0, 71 et 0,8 micromètre Le faisceau de commande Fc a alors une longueur d'onde d'environ 2,355 micromètres On réalise donc une commande de l'effet Raman dans la cellule à gaz 2. L'onde obtenue par effet Raman présente l'avantage d'être située dans un domaine spectral o la fenêtre de transmission de l'atmosphère est transparente Une telle association permet donc de réaliser une source de puissance à 2,355 micromètres. Une autre réalisation consiste à employer un laser Nd: YAG émettant à 1, 3187 micromètres et une cellule Raman à base d'hydrogène sous pression fournissant une onde Stokes à la longueur d'onde As de 2,916991 micromètres. La source laser 41 est alors une source à base d'holmium dopant un matériau YA 1 03 (désigné par Ho: YAIO 3) Cette source 41 excité par une diode laser émet à une longueur d'onde >p d'environ 2,918 micromètres. L'ajustement des deux longueurs d'ondes (Xp et >s) s'effectue par l'intermédiaire d'un contrôle de la composition du gaz de la cellule Raman (pression, température, mélange) et en jouant sur les paramètres de la cavité laser du cristal Ho: YA 103. La présente invention décrit un mode de commande de la génération du processus d'émission de l'onde Stokes à partir d'une source externe La commande de ce transfert est réalisée à partir d'une diode laser Les photons issus de cette diode sont couplés par l'intermédiaire d'une réflexion au sein de la cavité Une synchronisation du déclenchement du laser Nd: YAG et de la diode laser permet une optimisation de l'efficacité de conversion. L'emploi d'une diode laser présente certains avantages, en particulier au voisinage de 1,5 pim, puisqu'il existe des sources de type DFB monofréquence permettant d'injecter dans le milieu amplificateur (composé du laser Nd: YAG et de la cellule Raman ou de la cellule seule) une onde signal à faible largeur spectrale qui déclenchera le processus d'émission stimulé Raman Par ailleurs les qualités de faisceau sont améliorées par un contrôle de la distribution spatiale du faisceau de commande (c'est-à-dire de la diode laser et de l'optique de traitement de faisceau associée). Les applications possibles concernent la réalisation de systèmes d'illumination lasers et de télémétrie. il Les différents objets et caractéristiques qui précèdent n'ont été faits qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peut être envisagées sans sortir du cadre de l'invention Les exemples numériques et les exemples de matériaux utilisés n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1 Source laser de puissance caractérisée en ce qu'elle comporte une source laser de pompe ( 1) émettant un faisceau de pompe (Fp) d'une longueur d'onde déterminée (); une cellule à gaz sous pression ( 2) recevant le faisceau de pompe (F p) et émettant par effet Raman un faisceau de sortie (Fs) d'une longueur d'onde( s) dite onde de Stokes; une source lumineuse de commande ( 3) transmettant un faisceau de commande (Fc) à la cellule à gaz, ce faisceau de commande ayant une longueur d'onde sensiblement égale à l'onde de Stokes (s) 2 Source laser de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le faisceau de pompe (F p) et le faisceau de commande (F) sont sensiblement colinéaires. 3 Source laser de puissance selon la revendication 2, caractérisée en ce que le faisceau de pompe (F p) et le faisceau de commande (F) pénètrent par une même face ( 20) dans la cellule à gaz sous pression ( 2). 4 Source laser de puissance selon la revendication 3, caractérisée en ce que la source laser de pompe ( 1) et la cellule à gaz sous pression ( 2) sont comprises dans une cavité optique réalisée par deux moyens réfléchissants (Ml, M 2); Source laser de puissance selon la revendication 3, caractérisée en ce que seule la source laser de pompe ( 1) est comprise dans une cavité optique réalisée par deux moyens réfléchissants (Ml, M 2). 6 Source laser de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source laser de pompe est à base de Néodyme. 7 Source laser de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cellule à gaz sous pression ( 2) contient du méthane (CH 4). 8 Source laser de puissance selon la revendication 7, caractérisée en ce que la source lumineuse de commande ( 3) est une diode laser du type In Ga As P. 9 Source laser de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source lumineuse de commande comprend une source laser ( 41) pompée par une diode laser ( 42). 10 Source laser de puissance selon la revendication 7, caractérisée en ce que la source laser de pompe ( 1) est une source laser à base de grenat d'Yttrium dopé néodyme (Nd YAG). 11 Source laser de puissance selon la revendication 9 caractérisée en ce que: la source laser de pompe ( 1) est à base de fluorure d'Yttrium dopé à l'holmium (H 3: Li YF 4) la cellule à gaz ( 2) -est à base de méthane (CH 4) sous pression; la source lumineuse de commande comporte une source à base de YA 103 dopé Thallium et pompée par une diode laser. 12 Source laser de puissance selon la revendication 9, caractérisée en ce que: la source laser de pompe ( 1) est un grenat d'Yttrium dopé néodyme (Nd: YAG); la cellule à gaz ( 2) contient de l'hydrogène sous pression; la source lumineuse de commande ( 4) comporte une source à base de YAIO 3 dopé à l'holmium et pompée par une diode laser.