Brevet FR2786035A1 — publié le 20000519

La présente invention concerne un laser solide comprenant un élément actif (AE) sous la forme d'une tige laser, au moins une rangée de lasers à diodes dirigée parallèlement à l'axe de la tige laser et ce que l'on appelle une cavité de pompage (un montage réfléchissant entourant l'AE, qui réfléchit sur l'AE le rayonnement de pompage émis par la rangée de lasers à diodes, qui n'est pas directement dirigé sur l'AE ou qui n'est pas complètement absorbé lors du premier passage de l'AE). D'autres moyens pour le laser solide, tels qu'un montage de résonance ou un montage de refroidissement, mais qui ne sont pas essentiels à la représentation de la substance du laser solide selon l'invention et ne sont donc pas pris en compte, viendront en outre à l'esprit des experts en la technique. Des lasers solides, ayant un AE constitué d'un milieu à niveau triple, qui émettent dans la zone spectrale visible, sont des sources de lumière prometteuses ayant un potentiel élevé de possibilités d'application. Comme exemples, on peut citer les appareils radar à laser, les appareils de mesure de distance et de vitesse à laser, les appareils d'enregistrement de la pollution de l'air ainsi que des appareils de médecine à laser. Par rapport à d'autres lasers à pompage optique, les lasers munis d'un AE constitué d'un milieu à niveau triple sont plus sensibles aux défauts d'homogénéité de pompage en raison de leur seuil laser habituellement élevé. Les milieux à niveau triple co- activés, tels que les systèmes Yb:Er:verre, Tm:Ho:YAG, Yb:Ho:YAG, etc., sont en outre particulièrement sensibles en raison du comportement à la saturation défectueux de l'absorption. De petits défauts d'homogénéité de la distribution d'énergie du pompage, qui n'ont aucune influence sur le degré d'efficacité d'absorption dans les milieux à niveau quadruple, peuvent déjà mener, -2- dans les milieux à niveau triple, à une réduction considérable du rendement total du laser. Pour assurer une absorption homogène et efficace du rayonnement de pompage, la forme et la dimension de la cavité de pompage, le pouvoir réfléchissant de la surface de la cavité de pompage, les propriétés optiques ainsi que la conductibilité thermique du milieu entre la surface réfléchissante et l'AE, le nombre et la position des fentes, à travers lesquelles le rayonnement de pompage est dirigé dans la cavité de pompage, l'apport de chaleur dans l'AE et la longueur d'onde de pompage, sont essentiellement déterminants. L'état de la technique apporte diverses solutions avec des surfaces réfléchissantes à dressage cylindrique, dans lesquelles le rayonnement de pompage est acheminé à travers une ou plusieurs fentes dans la cavité de pompage. On citera à ce propos les brevets U.S. 3 821 663, U.S. 4 969 155, U.S. 5 033 058 et U.S. 307 365 ainsi que la publication dans Optics Letters 17, page 1785 (1992) de H. Ajer, S. Landro, G. Rustad et K. Stenersen. L'utilisation d'une cavité de pompage ayant une surface réfléchissante dirigée et une forme cylindrique à section transversale circulaire, comme décrit dans les brevets U.S. 5 033 058 et U.S. 5 307 365, mène forcément à une distribution angulaire non homogène du rayonnement de pompage et donc à des défauts d'homogénéité de la densité spatiale de la puissance de pompage dans l'AE. En outre, ces solutions nécessitent par exemple en plus des éléments optiques qui sont agencés entre la source de lumière du laser et la surface de la cavité de pompage ou, selon le cas, directement sur la surface de la cavité de pompage, pour ajuster la distribution angulaire du rayonnement de pompage à l'angle spatial, qui est donné par l'AE (en raison de sa géométrie). Par suite, la fabrication du montage total est plus chère. En outre, -3- des pertes apparaissent naturellement au passage à travers les éléments optiques supplémentaires. Lorsque la cavité de pompage ménagée sur une couche réfléchissante est limitée directement à la surface de i'AE, comme proposé dans le brevet U.S. 3 821 663, cela mène à la formation de ce que l'on appelle des "zones chaudes" avec une densité de puissance de pompage très élevée. Dans le cas de plus grandes dimensions de la cavité de pompage, le refroidissement par convection de i'AE est difficile. Par suite, aux fréquences élevées de répétition des impulsions de puissance moyenne élevée, la chaleur qui se dégage dans l'AE est évacuée au moyen d'un refroidissement de liquide. Ici également, du fait de l'occupation de zones de surface par les éléments de support nécessaires, le coût de fabrication devient relativement plus élevé et le rendement se dégrade. L'invention a pour objet un laser solide de structure simple, dans lequel, par rapport aux lasers solides similaires connus, on obtient une plus grande homogénéité de la distribution de la lumière de pompage autour de l'AE et un degré d'efficacité d'absorption nettement plus élevé. Cet objectif est atteint selon l'invention dans un laser solide par les parties caractérisantes de la revendication 1. Des formes de réalisation avantageuses sont détaillées dans les revendications dépendantes. Il est essentiel à l'invention que la cavité de pompage soit constituée d'un bloc monolithique. Le matériau du bloc doit être un matériau transparent au rayonnement de la pompe, par exemple un verre optique fondu ou cristallin, un saphir et un grenat d'yttrium et d'aluminium non dopé (YAG). Le matériau du bloc doit présenter une conductibilité thermique élevée pour pouvoir évacuer efficacement la chaleur qui se dégage dans l'AE. -4-- Le choix concret du matériau est déterminé par la forme en coupe transversale de la cavité de pompage et la puissance de sortie moyenne nécessaire du laser. Le bloc a une forme cylindrique et l'on peut également utiliser différentes formes en coupe transversale qui seront expliquées plus en détail sur la base des exemples de réalisation. Toutes les formes de réalisation ont ceci de commun qu'elles présentent un canal tubulaire s'étendant dans la direction de l'axe du cylindre. En l'occurrence, l'axe du canal coïncide avec l'axe du cylindre ou s'étend parallèlement à celui-ci. L'AE est fixé dans le canal au moyen d'un adhésif. La surface extérieure est pourvue d'une couche réfléchissante et l'on pourra utiliser des revêtements à réflexion dispersée ainsi que des revêtements à réflexion dirigée en fonction de la forme en coupe transversale. La couche de surface présente au moins une fente s'étendant parallèlement à l'axe du cylindre, par laquelle le rayon de pompage de la rangée de lasers à diodes agencée en amont est acheminée dans le bloc. Les fractions de rayonnement, qui ne sont pas absorbées après un impact direct sur l'AE, retombent, tout comme d'autres fractions de rayonnement diffusant sur l'AE, après une ou plusieurs réflexions sur la surface réfléchissante du bloc, sur l'AE. Comme plusieurs passages du rayonnement à travers l'AE sont possibles, les exigences de stabilité de la longueur d'onde de la lumière de pompage sont réduites. Cette situation est d'une grande importance en raison du décalage de la longueur d'onde des lasers à diodes par chauffage. En outre, les diodes des lasers présentent une certaine tolérance de longueur d'onde d'une rangée à l'autre et également d'une diode à l'autre dans une rangée. Dans un laser solide ayant un AE constitué d'un milieu à niveau triple, on obtient un degré d'absorption particulièrement élevé (k = coefficient d'absorption du milieu à niveau triple -5 à la longueur d'onde de pompage et d = diamètre de l'AE). Lorsque kd 5, les défauts d'homogénéité de la distribution d'énergie absorbée est significative dans l'hypothèse d'une illumination homogène idéale. On obtient une homogénéité élevée de la distribution de la lumière de pompage et un degré d'efficacité d'absorption plus élevé dans les conditions suivantes: A. Bloc portant un revêtement à réflexion diffuse. Dans ce cas, une plus grande proportion de la surface interne présente une réflexion diffuse: A-1. Le revêtement de la surface du bloc est appliqué de manière à présenter une réflexion diffuse. Le revêtement peut par exemple être constitué d'une poudre d'oxydes métalliques, tels que MgO, ZrO2, ZnO ou analogues. Le pouvoir réfléchissant peut avoir des valeurs allant jusqu'à 98%. A-2. Le bloc possède, avant vaporisation du revêtement réfléchissant, une surface lisse, sans exigences particulières sur la géométrie exacte. Dans un cas particulier, la forme en coupe transversale du bloc peut être circulaire. Le degré d'efficacité d'absorption d'un bloc ayant une surface à réflexion diffuse ne dépend que peu de sa forme en coupe transversale. Le rapport optimal de la section transversale maximale du bloc (pour un cercle de diamètre D) au diamètre de l'AE dépend essentiellement de la valeur kd. Pour kd = 0,1-5, 0, le rapport optimal D/d se situe dans la plage de 1-4. A-3. Si le bloc est trop grand pour évacuer la chaleur se dégageant sur les surfaces de l'AE ou pour l'intégrer à un montage particulier, il est possible de réduire une dimension de la section transversale du bloc pratiquement au diamètre de l'AE. L'autre dimension de la section transversale sera - 6 - augmentée et le rayonnement des diodes sera acheminé au bloc dans cet axe. A-4. Pour ne pas réduire de manière importante l'efficacité par des pertes du rayonnement de pompage au niveau des fentes, il est souhaitable que la largeur des fentes tl répondent à la condition suivante: t51 cas d'une illumination diffuse. Par exemple, on obtient, pour d = 2 mm, Krefl = 0,98 et kd = 0,5-2,0, un diamètre optimal de D = 4-5 mm. En présence de deux fentes, leur largeur ne peut dépasser 0,25 mm. Dans des applications o kd > 2,0, l'utilisation de fentes ayant une plus grande largeur est même possible sans porter préjudice à l'efficacité. Des fentes de cette grandeur peuvent être ménagées simplement et il est également simple de positionner l'ouverture des rangées de lasers à diodes par rapport aux fentes. B. Bloc portant un revêtement à réflexion spéculaire. On suppose que des fractions sensibles de la surface interne du bloc ont une réflexion spéculaire. B-1. Le pouvoir réfléchissant à l'intérieur du bloc peut être obtenu par une couche métallique, qui est déposée de l'extérieur sur le bloc (or, argent, aluminium et autres) ou par un système diélectrique à couches multiples ayant un pouvoir réfléchissant plus élevé à la longueur d'onde de pompage. Une partie de la surface peut également rester non revêtue lorsqu'on utilise une réflexion interne totale. Le choix du coefficient de réflexion dépend du nombre de passages du rayonnement à travers le bloc, qui est donné essentiellement par la densité optique de l'AE. Au cas o la densité optique est suffisamment élevée (kd ≥ 0,2-0,3), le revêtement peut se faire par dépôt -7- d'aluminium par voie chimique ou sous vide, Kréf = 0,92-0,95 dans la zone spectrale du proche infrarouge (IR). B-2. Le rayonnement de pompage entre dans le bloc par un ou deux côtés opposés, à savoir à travers une ou deux fentes opposées ou, selon le cas, à travers un ou deux groupes opposés de fentes, au cas o l'on utilise plusieurs rangées de lasers à diodes. B-3. La section transversale du bloc présente deux surfaces planes ou approximativement planes, qui sont agencées parallèlement ou presque parallèlement l'une à l'autre et par rapport au plan de symétrie de l'angle de divergence du rayonnement des diodes, qui entre dans le bloc à travers une ou plusieurs fentes. Les surfaces peuvent être planes ou s'écarter d'une géométrie plane. L'extension des surfaces dans le sens "AE-fente" est de 6W qui doit être supérieure ou égale à 0,3.D, D étant la dimension maximale de la section transversale. Les écarts autorisés 6h par la géométrie plane (par rapport à un plan moyen) doivent atteindre 6h diamètre de l'AE est de 1,0-2,5. B-4. Pour ne pas réduire de manière sensible le rendement par des pertes de rayonnement dues à des fuites de rayonnement à travers les fentes, la largeur de fente tsl ou la largeur totale des fentes d'un groupe de fentes étroitement voisines doivent répondre à la condition suivante: tsl " d.exp(2.kd) pour un pompage unilatéral ts, " d.exp(kd) pour un pompage bilatéral. -8- Par exemple, dans le cas d'un diamètre de 1'AE de 2 mm et d'un coefficient d'absorption de 5 cm-1, la largeur totale autorisée des fentes atteint, sans réduction sensible du rendement, une valeur inférieure à 0,5-1,5 mm. B-5. Dans le cas d'une entrée bilatérale de pompage, il existe un axe de symétrie et l'AE est agencé co- axialement à celui-ci. Dans le cas d'une entrée unilatérale de pompage, l'AE doit être décalé de la fente ou des fentes sur la paroi opposée, l'espacement de l'AE par rapport à la paroi ne pouvant dépasser un diamètre de l'AE. L'invention sera à présent expliquée plus en détail sur la base des dessins ci-annexés qui représentent les parties essentielles à l'invention d'un laser solide avec une forme en section transversale respectivement différente de la cavité de pompage, en particulier: la Fig. 1 représente une section transversale elliptique, la Fig. 2 représente une section transversale de type rectangulaire, dans laquelle les largeurs sont des arcs de cercle convexes et l'AE est agencé décentré, la Fig. 3 représente une section transversale de type rectangulaire, dans laquelle les largeurs sont des arcs de cercle convexes et l'AE est agencé au centre, la Fig. 4 représente une section transversale de type rectangulaire, dans laquelle les largeurs sont des arcs de cercle convexes et les longueurs sont des arcs de cercle concaves, la Fig. 5 représente une section transversale de type rectangulaire, dans laquelle les largeurs sont des arcs de cercle convexes et les longueurs présentent une encoche centrale, la Fig. 6 représente une section transversale de type rectangulaire, dans laquelle les largeurs sont - 9 - des arcs de cercle convexes et les longueurs sont conformées en V. La Fig. 1 illustre la partie essentielle à l'invention d'un laser solide. La cavité de pompage, qui est selon l'invention un bloc monolithique 2 ayant une forme cylindrique, a ici la forme en coupe transversale d'une ellipse. La surface du bloc 2 est revêtue d'une couche à réflexion dispersée 5. Cette couche 5 présente une fente 6, qui s'étend parallèlement à l'axe du cylindre en passant par un sommet de l'ellipse. Une rangée de lasers à diodes 7 est agencée en amont de cette fente 6 et leur rayonnement est dirigé à travers la fente 6 dans le bloc 2. Celui-ci contient un canal tubulaire 3 parallèle à l'axe du cylindre, dans lequel l'AE 1 en forme de tige est fixé au moyen d'une colle 4 de telle sorte que l'axe X de l'élément actif s'étende parallèlement à l'axe du cylindre. Aux Fig. 2 et 3, la section transversale du bloc 2 a une forme de type rectangulaire dans laquelle les largeurs sont des arcs de cercle convexes. La surface dans ces deux exemples est revêtue d'une couche à réflexion dirigée. Alors qu'à la Fig. 2, tout comme à la Fig. 1, on ne montre qu'une fente 6, le rayonnement de pompage de la Fig. 3 passe à travers deux fentes 6 dans le bloc 2. Les Fig. 4-6 présentent d'autres formes de section transversale pour le bloc 2 revêtu d'une couche à réflexion dirigée 5. Les longueurs plans-parallèles de la section transversale du bloc représentées aux Fig. 2 et 3 sont conformées différemment. Ces longueurs ont en commun qu'elles ne dépassent pas, sur leur longueur SW, qui n'est pas plus courte que 0,3.D (D = dimension maximale de la section transversale du bloc), un écart maximal de 8h, qui n'est pas supérieur à 0,2.D. Il ressort des Fig. 1-6 que l'AE 1 est agencé en position centrale dans le cas d'un bloc 2 ayant deux - 10 - fentes 6, tandis qu'il se trouve éloigné par rapport au bloc dans le cas d'une seule fente 6. Au lieu d'une fente 6 ou, selon le cas, de deux fentes 6 agencées sur deux côtés, on peut également prévoir des groupes de fentes. De la sorte, on peut multiplier la puissance de pompage au moyen de plusieurs rangées de lasers à diodes 7. - il - REVENDICATIONS 1. Laser solide ayant au moins une rangée de lasers à diodes (7) pour produire le rayonnement de pompage, un élément actif en forme de tige (1) et une cavité de pompage de forme cylindrique, qui est agencée autour de l'élément actif (1) de telle sorte que son axe cylindrique s'étende parallèlement à l'axe de l'élément actif (1) et à la rangée de lasers à diodes (7), caractérisé en ce que la cavité de pompage est un bloc monolithique (2) ayant un canal tubulaire traversant (3), dans lequel l'élément actif (1) est fixé au moyen d'une colle (4) et la surface du bloc (2) présente une couche réfléchissante, dans laquelle il est prévu au moins une fente (6), par laquelle le rayonnement de pompage émis par la rangée de lasers à diodes (7) est acheminé dans le bloc (2). 2. Laser solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc (2) présente une forme en section transversale, qui présente sa plus grande extension (D) dans la direction de la ligne de raccordement entre une fente (6) et l'axe du cylindre. 3. Laser solide selon la revendication 2, caractérisé en ce que la forme en section transversale est elliptique. 4. Laser solide selon la revendication 2, caractérisé en ce que la forme en section transversale est de type rectangulaire, dans lequel les largeurs présentent la forme d'un arc de cercle convexe et les longueurs ne sont pas plus courtes que 0,3.D. 5. Laser solide selon la revendication 4, caractérisé en ce que les longueurs sont des surfaces plans-parallèles. 6. Laser solide selon la revendication 4, caractérisé en ce que les longueurs présentent au centre un écart par rapport à la surface plan-parallèle qui n'est pas supérieur à 0,2.D.