Brevet FR2709381A1 — publié le 19950303

OSCILLATEUR OPTIQUE PARAMETRIQUE A CAVITE RESONANTE INSTABLE La présente invention concerne les systèmes laser, et plus particulièrement des oscillateurs optiques paramétriques pour la production de faisceaux de sortie collimatés, de puissance relativement élevée et à divergence faible. Un oscillateur optique paramétrique (ci-après appelé "OPO" d'après l'anglais "Optical Parametric Oscillator") repose sur l'utilisation d'un matériau optique non linéaire dans une cavité résonante. Lorsque le cristal non linéaire est pompé dans le résonateur, le mélange de fréquences provoque l'apparition d'un faisceau dit "faisceau de signal' et d'un faisceau dit faisceau idler". L'énergie de pompage applique un gain à la fois au faisceau de signal et au faisceau idler, l'un d'entre eux ou les deux pouvant être choisis comme sortie en utilisant des éléments sélectifs en termes de longueur d'onde. En outre, les longueurs d'onde du faisceau de signal et du faisceau idler peuvent être accordées sur une large gamme en sortie, en réglant l'alignement angulaire et/ou la température du cristal non linéaire. Les OPO fournissent donc une technologie pour des systèmes laser accordables à l'état solide. Cependant, les OPO de puissance élevée tendent à produire des faisceaux de grand diamètre et avec de nombreux modes transversaux. C'est pourquoi ils sont parfois consi- dérés comme des résonateurs hautement multimodes. De plus, les OPO de puissance élevée utilisant un amorçage par injection présentent des interférences dans les modes trans- versaux de sortie, dues à l'amorçage par injection et à d'autres paramètres du système de puissance élevée. Pour ces raisons, les OPO hautement multimodes ont été incapables de produire une sortie collimatée à faible divergence. Ainsi, pour des utilisateurs ayant besoin de sorties collimatées à faible divergence, pouvant notamment servir à piloter des générateurs harmoniques ou d'autres systèmes semblables, l'aspect hautement multimode des OPO est indésirable. En conséquence, il est souhaitable de proposer un système OPO de puissance élevée pour produire un faisceau collimaté à faible divergence, surmontant les problèmes rencontrés avec les conceptions antérieures des OPO. La présente invention propose un système OPO de puissance élevée qui produit un faisceau de sortie sensi- blement collimaté à faible divergence, reposant sur l'utili- sation d'un résonateur instable. Les résonateurs instables sont une classe de résonateurs dans lesquels on exploite délibérément des fronts d'onde divergents. Pour un exposé général sur les résonateurs instables, on pourra se reporter à l'ouvrage de W. Koechner intitulé "Solid-State Laser Engineering", 2ème édition, Springer-Verlag. 1988, pp 236- 244. Un milieu à gain optique paramétrique, tel que du borate de betabaryum (P-BBO), du triborate de lithium (LBO), du borate de césium (CBO), du titanyl-phosphate de potassium (KTP), ou d'autres matériaux analogues, est installé dans le résonateur instable avec des mécanismes d'accord appropriés. Il est prévu un moyen pour fournir un faisceau de pompage à travers le milieu à gain optique paramétrique pour y induire un gain. Dans un système préféré, le résonateur instable comprend un résonateur instable confocal, et plus particulièrement un résonateur instable confocal à branche positive, c'est-à-dire un résonateur instable confocal dans lequel il n'y a pas de foyer commun à l'intérieur de la cavité (voir l'ouvrage référencé ci-dessus). Selon un aspect, le résonateur instable comprend un élément hautement réfléchissant présentant, face à la cavité résonante, une surface réfléchissante concave de rayon de courbure RHR, et un coupleur de sortie présentant, face à la cavité résonante, une surface réfléchissante convexe de rayon de courbure Roc, et éloignée de la longueur L de la cavité par rapport à l'élément hautement réfléchissant, pour définir une cavité résonante avec un agrandissement supérieur à 1,0 dans la cavité. Dans le système préféré, le coupleur de sortie comprend un coupleur de sortie à ménisque ayant une surface extérieure concave de rayon sensiblement égal au rayon de courbure Roc de la surface convexe située face à la cavité. Comme il est souhaitable de maintenir la longueur de la cavité de l'OPO aussi petite que possible pour augmenter le rendement de l'OPO, un aspect de l'invention prévoit que le rayon de courbure RHR de la surface réfléchissante de l'élément hautement réfléchissant soit approximativement égal au rayon de courbure Roc de la surface réfléchissante du coupleur de sortie, plus deux fois la longueur de la cavité 2L. Le coupleur de sortie peut être réalisé avec un profil à gradient de réflectivité, par exemple un profil sensiblement gaussien ou supergaussien, pour améliorer les caractéristiques du faisceau de sortie. En outre, le coupleur de sortie peut comprendre une région centrale hautement réfléchissante, dite réflecteur ponctuel (dot reflector). Une autre particularité facultative du résonateur instable, consiste en un élément de réglage prévu pour limiter le diamètre du faisceau de sortie, autre que l'ouverture effective du milieu à gain. En utilisant le système conforme à la présente invention, on obtient un faisceau de sortie de puissance relativement élevée et à faible divergence. Le système convient particulièrement pour générer des signaux de sortie dans la gamme visible, avec des cristaux non-linéaire à gain élevé tels que le 5-BBO. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique d'un oscillateur optique paramétrique conforme à la présente invention; - la figure 2 est un schéma de la configuration d'un système expérimental utilisant l'OPO de la présente invention; - la figure 3 est un schéma synoptique d'une variante de réalisation de l'OPO de la présente invention; et - la figure 4 est un schéma synoptique d'une autre variante de réalisation de l'OPO de la présente invention. Une description détaillée de formes de réalisation préférées de la présente invention est illustrée par les figures 1 à 4. La figure 1 montre les paramètres de conception d'un OPO comportant un résonateur instable confocal à branche positive. La figure 2 montre une installation expérimentale utilisée pour tester la conception illustrée par la figure 1. Les figures 3 et 4 montrent des variantes de conception du résonateur. Comme le montre la figure 1, l'OPO conforme à la présente invention comprend un milieu à gain optique paramétrique 10 installé dans un résonateur instable. Le résonateur instable est défini par un élément hautement réfléchissant 11 ayant une surface extérieure plane et une surface intérieure concave de rayon de courbure Ru. Le résonateur comprend en outre un coupleur de sortie 12 ayant une surface réfléchissante convexe faisant face à l'élément hautement réfléchissant 11 et ayant un rayon de courbure Roc. Dans le système préféré, le coupleur de sortie 12 est du type à ménisque, avec une surface extérieure concave de rayon de courbure sensiblement égal au rayon de courbure Roc. Le coupleur de sortie peut être légèrement en forme de coin pour éviter les oscillations parasites et les effets d'étalon. Un coupleur de sortie plano-concave muni d'un revêtement anti-réfléchissant sur la surface arrière plane et légèrement en forme de coin peut également convenir pour certaines applications. Un miroir dichroique d'entrée 13 et un miroir dichroique de sortie 14 sont inclus dans la cavité résonante pour diriger un faisceau de pompage à travers le milieu à gain paramétrique 10. Ainsi, un faisceau de pompage est adressé suivant le trajet 15 vers le miroir dichroique 13 qui est monté à -45 dans le trajet optique 16 du résonateur. Le faisceau de pompage 15 est ensuite dirigé à travers le milieu à gain paramétrique 10 vers le miroir dichroique 14 monté à +45' par rapport au trajet optique 16. Au niveau du miroir dichroique 14, le faisceau de pompage résiduel et réfléchi suivant le trajet 17 hors de la cavité résonante vers un mécanisme de blocage de faisceau, schématisé en 18. En variante, le miroir dichroique 14 pourrait être placé à 90 par rapport au trajet optique pour réfléchir le faisceau de pompage en vue d'un second passage à travers le milieu à gain. Cette structure définit un résonateur instable confocal à branche positive ayant une longueur de cavité L qui, par conception, est minimisée dans un souci d'efficacité du gain dans l'OPO. La petite longueur de la cavité assure, pour un photon donné, le plus grand nombre de passages à travers le milieu à gain pendant un intervalle de pompage, et procure donc un gain maximal. Comme le montre la figure 1, l'élément hautement réfléchissant 11 est monté sur un support réglable 19 pour permettre des réglages fins de la longueur de la cavité L. On a obtenu un excellent contrôle de la divergence du faisceau dans l'oscillateur de puissance représenté sur la figure 1 avec un coupleur de sortie convexe/concave 12, un élément hautement réfléchissant plano/concave 11, avec des courbures et un espacement tel que l'agrandissement M dans la cavité soit supérieur à 1, 0. On obtient une bonne collimation des faisceaux de sortie (faisceau de signal et faisceau idler) de l'OPO lorsque la courbure et l'espacement de l'élément hautement réfléchissant 11 sont choisis de façon que son point focal coincide approximativement avec le foyer virtuel du coupleur de sortie. Comme le montre la figure 1, le foyer virtuel wfu du coupleur de sortie est situé approximativement à une distance Roc/2 du coupleur de sortie 12. On peut donc calculer les paramètres de la cavité de la façon suivante: RHR/ 2 = L + f = L + Roc/2 ou RHR = Roc + 2L On peut constituer le résonateur instable confocal à branche positive, avec la longueur de cavité L minimisée afin de maximiser le rendement de l'OPO. Ainsi, avec par exemple un élément hautement réfléchissant 11 de rayon de courbure RHR = 1,0 mètre, et une longueur de cavité d'environ 0,17 mètre, on a constaté qu'un coupleur de sortie ayant un rayon d'environ 0,7 mètre convenait très bien. Dans un système destiné aux applications commerciales, on a choisi L = 0,17 mètre, RHR = 1,0 mètre, et Roc = 0,75 mètre. Les calculs exposés ci-dessus sont des approximations, étant donné que la longueur optique de la cavité dépend des matériaux utilisés dans l'OPO, les réflecteurs et dans d'autres composants de la cavité. Pour une mise en oeuvre particulière, il pourra donc être nécessaire de faire quelques ajustements fins pour optimiser les performances. Des considérations pratiques relatives à la configuration du résonateur peuvent également affecter la latitude que l'on a pour configurer de façon précise le résonateur conformément à l'équation exposée ci-dessus. Selon le mode de réalisation préféré, le milieu 10 à gain paramétrique comprend du borate de beta-baryum (0- BBO) qui a une gamme de fonctionnement allant de 400 nanomètres à plus de 3000 nanomètres. On peut utiliser d'autres matériaux d'OPO à gain élevé tels que le triborate de lithium (LBO), le borate de césium (CBO), le titanyl- phosphate de potassium (KTP) et d'autres cristaux non centro-symétriques ayant une polarisabilité non linéaire, une transparence optique étendue, et un grand coefficient de non linéarité. De plus, le milieu à gain 10 (illustré schématiquement sur les figures) inclut des mécanismes servant à accorder le milieu à gain en l'inclinant et en le faisant tourner, comme il est bien connu dans la technique. La figure 2 montre une installation expérimentale d'un système conforme à la figure 1. Le système inclut un OPO 50 réalisé comme décrit en référence à la figure 1. L'OPO est pompé avec la troisième harmonique d'un laser 51 de type Nd:YAG, tel que le laser Nd:YAG à amorçage par injection GCR-4(10) qu'on peut se procurer auprès de la société Spectra-Physics Lasers, Inc., à Mountain View, Californie (Etats-Unis). Le faisceau de sortie ultraviolet du laser de pompage 51 est adressé, par l'intermédiaire de miroirs dichroiques 52 et 53, à un télescope 54 pour régler le diamètre du faisceau de pompage. Le télescope est agencé pour procurer un agrandissement de 0,75:1. Le faisceau de sortie du télescope 54 est dévié par un miroir UV 55 vers la cavité 50 comme décrit ci-dessus en référence à la figure 1. Le faisceau de pompage qui sort de la cavité parvient à une structure 56 formant piège de faisceau. De façon semblable, le rayonnement de fuite traversant le miroir dichrolque 52 parvient à un mécanisme 57 formant piège de faisceau. Une application de l'installation est de l'associer à un géné- rateur harmonique, comme schématisé par le générateur 59. Dans l'OPO 50 ayant la configuration de la figure 2, on a utilisé un élément hautement réfléchissant 60 formé à partir d'un élément hautement réfléchissant plano/concave ayant un revêtement hautement réfléchissant optimisé entre 510 et 570 nanomètres et de rayon RR = 1 mètre. Le coupleur de sortie 61 est formé par un coupleur de sortie à ménisque convexe/concave ayant une réflectivité de 25% à 1,064 microns et une réflectivité semblable dans la gamme visible, et muni d'un revêtement anti-réfléchissant sur la surface arrière concave. Le milieu à gain 62 est du borate de beta- baryum (P-BBO). Les miroirs dichroiques UV 63 et 64 étaient placés dans la cavité. La puissance de pompage, au moyen de la troisième harmonique du Nd:YAG à environ 355 nanomètres, allait de 15 à 800 millijoules par impulsion. On utilise des optiques à ouverture relativement large pour produire un faisceau de sortie ayant un diamètre dans la gamme de 7 à 8 millimètres, afin de supporter de fortes puissances de pompage avec des densités d'énergie suffisamment basses pour éviter d'endommager les optiques. Le milieu à gain 62 est couplé à un mécanisme d'accord 66 de type connu, utilisé pour régler l'alignement angulaire du cristal dans le milieu à gain paramétrique 62. Un filtre KG-3 (bloquant l'infrarouge) était inséré dans la cavité pour tester le système. Le filtre ne provoquait ni extinction de l'oscillation, ni changement des distributions spatiales de modes. Ceci signifie que l'OPO de la présente invention procure un faisceau à faible divergence à partir du résonateur instable, et oscillant seulement à la longueur d'onde de signal. Ainsi, en accordant le milieu à gain 62 sur un faisceau de signal à 532 nanomètres et un faisceau idler à 1064 nanomètres, on a obtenu un faisceau de signal en sortie de 75 millijoules par impulsion et un faisceau idler de 25 millijoules par impulsion avec un faisceau de pompage d'environ 400 millijoules par impulsion. On conservait également la caractéristique de faible divergence du faisceau de sortie lorsqu'on accordait la longueur d'onde en modifiant les angles du cristal sur la plus grande partie de la plage d'accord de l'optique disponible. En première analyse, on peut concevoir un coupleur de sortie préféré pour la gamme visible avec une simple couche d'hafnie sur un revêtement anti-réfléchissant, opti- misée pour avoir une réflectivité de coupleur de sortie à 400 nanomètres. L'analyse montre que la réflectivité pour des longueurs d'onde allant de 400 à 700 nanomètres pour une telle optique diminue jusqu'à une réflectivité réduite vers les grandes longueurs d'onde. Mais conmme le profil de gain dans le milieu à gain optique paramétrique constitué de borate de beta-baryum augmente avec la longueur d'onde entre 400 et 700 nanomètres, une telle optique conviendrait très bien pour un système accordable sur cette gamme de longueurs d'onde. Les figures 3 et 4 illustrent des variantes de conception du résonateur pour la mise en oeuvre de la présente invention. Les références numériques utilisées dans les figures 3 et 4 sont les mêmes que celles utilisées dans la figure 1 pour des composants analogues. Seules les différences sont décrites ci-après. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la conception du résonateur est modifiée par l'utilisation d'un coupleur de sortie 100 à ménisque et à réflecteur ponctuel. Le réflecteur ponctuel comporte une région centrale 101 de réflectivité relativement élevée sur la gamme de longueurs d'onde considérée. Ceci améliore le gain du résonateur. On peut obtenir un faisceau de sortie hautement collimaté; mais on crée un "troun au centre du faisceau. En outre, le résonateur peut être complété par un élément de réglage symbolisé en 102. L'élément de réglage peut consister en une ouverture dans la cavité résonante, ou en un revêtement sur l'optique, tel qu'une région hautement réfléchissante autour du bord extérieur du coupleur de sortie 100. On peut utiliser l'élément de réglage pour régler le diamètre extérieur du faisceau de sortie pour les applications nécessitant un faisceau plus petit. En variante, on peut régler le diamètre extérieur en agissant sur l'ouverture effective du milieu à gain paramétrique 10, ou d'autres éléments optiques de la cavité. Une autre variante de réalisation est illustrée par la figure 4. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le coupleur de sortie est remplacé par un coupleur de sortie à ménisque et à gradient de réflectivité, dont le profil de réflectivité varie suivant un rayon. Dans le système préféré, le coupleur de sortie à gradient de réflectivité présente un profil gaussien ou super-gaussien, pour obtenir un faisceau de sortie de haute qualité bien collimaté. Voir, par exemple, le brevet américain N' 5 283 692. La figure 4 illustre également un autre aspect de l'utilisation des OPO pour des oscillateurs de puissance, en particulier, l'OPO de puissance peut être amorcé par injection en utilisant un système laser 106 (oscillateur optique paramétrique maître, ou 'MOPO") qui fournit un faisceau d'amorçage 107 transversalement le long du trajet optique 16 dans la cavité résonante. Dans un système préféré, le laser d'amorçage par injection 106 peut comprendre un OPO de faible puissance à raie étroite. La présente invention propose un système pour générer un faisceau de sortie de haute puissance hautement collimaté à partir d'un OPO qui n'était pas connu antérieurement, ce qui procure un progrès dans la technique en vue de l'exploitation commerciale des OPO en tant que systèmes laser accordables à l'état solide. La description ci-dessus de formes de réalisation préférées de l'invention a été fournie à des fins d'illustration et de description. Elle n'est pas destinée à être exhaustive ou à limiter l'invention aux formes précises décrites. Bien entendu, diverses modifications et variations apparaîtront aux techniciens compétents en la matière. Les modes de réalisation ont été choisis et décrits afin d'expliquer au mieux les principes de l'invention et ses applications pratiques, permettant ainsi à d'autres hommes du métier de comprendre l'invention dans divers modes de réalisation et avec diverses modifications appropriées à l'utilisation particulière envisagée. ll REVENDICATIONS 1. Oscillateur optique paramétrique, caractérisé par: un résonateur instable; et un milieu à gain optique paramétrique (10;62) installé dans le résonateur instable. 2. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur instable comprend un résonateur instable confocal. 3. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le résonateur instable confocal comprend un résonateur instable confocal à branche positive. 4. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le résonateur instable comprend un élément hautement réfléchissant (11; 60) présentant, face à la cavité résonante, une surface réfléchissante de rayon de courbure RHR, et un coupleur de sortie (12;61;100;105) présentant, face à la cavité résonante, une surface réfléchissante de rayon de courbure Roe et éloignée de la longueur de cavité L par rapport à l'élément hautement réfléchissant, pour définir une cavité résonante avec un agrandissement supérieur à 1,0 dans la cavité. 5. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le coupleur de sortie comprend un coupleur de sortie à ménisque (12;61;100;105) ayant une surface extérieure concave de rayon de courbure sensiblement égal au rayon de courbure Roc. 6. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le résonateur instable comprend: un élément hautement réfléchissant (11;60) présentant une surface réfléchissante de rayon de courbure RR; et un coupleur de sortie à ménisque (12;61;100; 105) présentant face à l'élément hautement réfléchissant une surface réfléchissante de rayon de courbure Roc et éloignée de la longueur de cavité L par rapport à l'élément hautement réfléchissant, pour définir la cavité résonante instable; l'oscillateur optique paramétrique comprenant en outre une optique (13,14; 62,64), couplée au milieu à gain optique paramétrique (10;62), pour diriger un faisceau de pompage à travers le milieu à gain optique paramétrique pour y induire un gain paramétrique. 7. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 6, pour produire un faisceau laser de sortie de puissance élevée à faible divergence, caractérisé en ce que ladite optique (63,64) est agencée pour diriger un faisceau de pompage ultraviolet à travers le milieu à gain optique paramétrique (62) pour induire un gain paramétrique pour une longueur d'onde choisie dans une gamme de longueurs d'onde visibles, et en ce que l'élément hautement réfléchissant (60) et le coupleur de sortie à ménisque (61) sont adaptés à la gamme de longueurs d'onde visibles pour définir une cavité résonante instable confocale à branche positive, et produire un faisceau de sortie à faible divergence sensiblement collimaté à la longueur d'onde choisie en réponse à l'énergie de pompage. 8. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens, couplés au milieu à gain optique paramétrique, pour sélectionner la longueur d'onde choisie. 9. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de sélection comprennent un système d'amorçage par injection. 10. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le rayon de courbure RR de la surface réfléchissante de l'élément hautement réfléchissant (11) est approximativement égal au rayon de courbure Roc de la surface réfléchissante du coupleur de sortie à ménisque (12) plus deux fois la longueur de la cavité 2L. 11. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la surface réfléchissante du coupleur de sortie (105) située face à la cavité résonante présente un profil de réflectivité à gradient de réflectivité. 12. Oscillateur optique paramétrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le profil de réflectivité à gradient est sensiblement gaussien. 13. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que la surface réfléchissante du coupleur de sortie (100) située face à la cavité résonante comporte une région centrale hautement réfléchissante (101). 14. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le résonateur instable comprend un élément de réglage (102) pour limiter le diamètre du faisceau de sortie. 15. Oscillateur optique paramétrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le milieu à gain optique paramétrique (10) comprend du borate de betabaryum (5-BBO), du triborate de lithium (LBO), du borate de césium (CBO), ou du titanyl-phosphate de potassium (KTP). 16. Système laser comprenant: un oscillateur optique paramétrique maître (106) pour produire un faisceau d'amorçage (107); et un oscillateur optique paramétrique de puissance, associé à l'oscillateur optique paramétrique maître pour recevoir le faisceau d'amorçage destiné à l'amorçage par injection, caractérisé en ce que l'oscillateur optique paramétrique de puissance est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 15.