Brevet FR2806544A1 — publié le 20010921

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention est relative à un système laser comprenant un laser pompe, tel qu'à micropuce, déclenché passivement suivi d'une matière optique non linéaire à quasi adaptation de phase. Le laser à micropuce sert de source de pompage pour la réalisation d'un changement de fréquence non linéaire dans la matière optique non linéaire. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Ces dernières années, l'optique non linéaire a fait des progrès importants dans production de lasers accordables. La méthode de l'optique non linéaire du second ordre implique l'interaction de deux signaux laser d'entrée (dans certains , ces deux signaux résultent de la division d'un seul signal) qui se propagent colinéairement à travers matière optique non linéaire pour produire un troisième rayonnement laser désiré ayant une fréquence différente. Le changement de fréquence non lin aire du second ordre comprend la production de deuxième harmonique (SHG), la production de fréquence différence (DFG), la production de fréquence somme (SFG), une production paramétrique optique (OPG), une amplification paramétrique optique (OPA) et une oscillation paramétrique optique (0P0). En optique non linéaire, le rendement de conversion d'énergie est directement proportionnel à l'intensité du laser pompe et au carré du coefficient non linéaire de la matière optique non linéaire. Dans un processus de conversion non linéaire classique, la forte intensité du rayonnement laser endommage souvent la matière optique non linéaire. Il est souhaitable d'avoir un haut rendement de conversion tout en conservant intact le cristal non linéaire sous un rayonnement laser intense. Autrement dit, on aimerait choisir le coefficient non linéaire maximal et l'intensité du laser pompe possible la plus élevée sous le seuil d'endommagement du cristal. Dans un processus de changement de fréquence non linéaire, lorsque le signal laser désiré est adapté en phase aux deux autres signaux laser, l'intensité du signal laser désiré croît à l'intérieur de la matière optique non linéaire dans la direction de propagation du laser. Si les trois signaux laser ne sont pas adaptés en phase, l'intensité du signal laser désiré oscille en amplitude le long du trajet de propagation. Dans une matière optique non linéaire, la distance sur laquelle le signal laser désiré continue de croître est appelée longueur de cohérence. Par conséquent, dans une situation non adaptée en phase, l'énergie maximale de sortie du signal laser désiré ne peut s'accumuler que sur une seule distance de cohérence. Récemment, des lasers non linéaires à quasi adaptation de phase (QPM) ont été inventés pour améliorer le rendement de production de rayonnement laser accordable. Fejer et al. ont décrit cette technique "Production de deuxième harmonique quasi adapté en phase : accord et tolérances" IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 28, 1992, pp. 2631-2654. On peut trouver une information supplémentaire par exemple dans les brevets des Etats-Unis 5 036 220, 5 800 767, 5 714 198 5 838 702. Dans le système QPM, la fréquence laser d'un laser pompe est changée en une autre fréquence dans une matière optique non linéaire avec le coefficient non linéaire du second ordre changeant de signe à chaque longueur de cohérence. Le changement périodique de signe du coefficient linéaire assure l'adaptation de phase ou la conservation de la quantité de mouvement le processus de changement de fréquence laser tout en permettant le choix du coefficient non linéaire le plus grand de la matière non linéaire particulière. Dans une application particulière, on choisit le coefficient non linéaire le plus grand de la matière d'abord et ensuite emploie la technique QPM pour satisfaire à l'exigence d'adaptation de phase. Le changement périodique de signe du coefficient linéaire est ordinairement effectué par changement périodique de la direction de polarisation spontanée d'une matière optique non linéaire ferroélectrique. La période spatiale du domaine ferroélectrique alternatif, conjointement avec la longueur d'onde du laser pompe et la température de fonctionnement, détermine la longueur d'onde laser désirée. Avec longueur d'onde fixée du laser pompe et une période de grille, réseau, du domaine ferroélectrique, on peut accorder la longueur d'onde laser de sortie dans un certain domaine en faisant varier la température. De nombreux cristaux linéaires ferroélectriques sont de bonnes matières QPM, tels LiNb03, LiTa03, KTiOPOa (KTP), RbTi0As04 (RTA), RbTiOP04, etc. Parmi ces cristaux non linéaires, LiNb03 a le coefficient non linéaire le plus élevé d33 = 27 pmlvolt pour les applications QPM. En dehors du coefficient non linéaire le plus grand dans le systeme QPM, porter maximum l'intensité du laser pompe peut encore améliorer le rendement de changement de fréquence. Les dommages causés par le laser sont représentés par la fluence de dommages du laser F, en jlcmz, en fonction de la durée d'impulsion laser Pour les durées d'impulsion laser supérieures à quelques picosecondes, les dommages sont produits principalement par conduction thermique et la fluence de dommages F est proportionnelle à la racine carrée de la durée d'impulsion laser Ce mécanisme d'endommagement a été étudié par D. Du et al., "Claquage produit par laser par ionisation par choc dans Si02 avec des durées d'impulsion de 7 ns à 150 fs", Applied Physics Letter 64 (23) (l994), pp. 3071-3073. Le processus de changement de fréquence non linéaire est proportionnel à l'intensité du laser pompe. Par consequent, le rendement maximal de changement il obéit à la relation Cette expression indique clairement une durée d'impulsion courte favorable pour le changement de fréquence non linéaire. En résumé, la combinaison du système QPM et d'une source laser pompe à courte durée d'impulsion donne le rendement de changement de fréquence linéaire possible le plus élevé. Deux sortes de lasers pulsés sont fréquemment utilisées : lasers déclenchés et les lasers à modes synchronisés. Habituellement, les lasers à modes synchronisés produisent des impulsions laser ayant une durée de l'ordre de quelques picosecondes ou plus courte. Pour les impulsions laser à modes synchronisés, le rayonnement laser-pompe, glisse souvent derrière ou passe devant le laser signal produit, en raison de la dispersion de la matière. Ce phénomène de décrochage longitudinal limite la longueur d'interaction du cristal non linéaire et ainsi le rendement global de changement de fréquence. D'autre part, les impulsions laser déclenchées, avec leur durée de l'ordre de 0,5 à 10 ns ou 15 à 300 cm dans l'espace, n'ont pas le problème du décrochage longitudinal dans une matière optique non linéaire de longueur centimétrique typique. Précisément, un laser déclenché activement produit des impulsions laser de l'ordre de 5 à 10 nanosecondes, tandis qu'un laser à micropuce déclenché passivement produit des impulsions laser de l'ordre de 0,5 à 3 nanosecondes. Un laser à micropuce déclenché passivement emploie un absorbeur saturable pour commuter le Q du résonateur, au lieu qu'on ait un élément actif volumineux dans un laser déclenché activement. Par conséquent, la dimension totale du résonateur d'un laser à micropuce déclenché passivement peut être de l'ordre du millimètre et la durée de l'impulsion laser produite est de l'ordre de 0,5 à 3 nanosecondes. En outre, de nombreux dispositifs QPM comme LiNb03 et KNb03 présentent l'effet de photoréfraction en fonctionnement à onde entretenue. L'effet de photoréfraction produit un faisceau laser modulé spatialement chaotique en raison de l'accumulation de charges photo-induites à l'intérieur des matières. Comme un laser déclenché passivement produit des impulsions de l'ordre de la nanoseconde à une récurrence de l'ordre du kHz, son bas rapport cyclique, de 10-4 à l0-5, produit pas l'effet de photoréfraction. En résumé, un générateur laser QPM pompé par un laser déclenché passivement a les avantages suivants. 1. L'impulsion de pompage est suffisamment longue pour éviter le problème de décrochage longitudinal dans une matière optique non linéaire. 2. L'impulsion de pompage est suffisamment courte pour faire supporter à la matière non linéaire une plus haute intensité de pompage et ainsi donner rendement de changement de fréquence laser plus élevé. 3. Comme un laser déclenché passivement et un dispositif sont tous les deux compacts et économiques, le système combiné peut être assez bon marché. 4. Le bas rapport cyclique d'un laser déclenché passivement ne produit pas l'effet de photoréfraction dans certaines matières QPM importantes. Eu égard à tous les avantages mentionnés ci-dessus, on présente par conséquent dans la présente invention un système laser constitué d'un laser pompe à micropuce déclenché passivement et d'une matière optique non linéaire QPM. RESUME DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de fournir un système laser comprenant un laser pompe, tel que micropuce déclenché passivement et d'une matière optique non linéaire QPM. Le système laser de la présente invention comprend un laser pompe déclenché passivement destiné à produire un premier signal laser ayant une première longueur d'onde, et une matière optique linéaire à quasi adaptation de phase (QPM) destinée à recevoir ce premier signal laser et le convertir en un deuxième signal laser ayant une deuxième longueur d'onde. laser pompe déclenché passivement pompe la matière optique non linéaire QPM pour effectuer ou achever le processus de changement de fréquence. Le laser pompe déclenché passivement ne contient pas d'élément commutant activement Q tel que cellule de Pockels ou cellule de Bragg. Le laser déclenché passivement peut être formé d'une combinaison d'un milieu de gain laser et d'un absorbeur saturable dans un résonateur laser. Cette combinaison peut être constituée d'éléments séparés ou d'un milieu de gain laser dopé par des impuretés saturables pour exécuter simultanément les deux fonctions, la production de laser et la commutation de Q. Selon un aspect de la présente invention, le système laser comprend en outre un four de régulation de température pour changer les caractéristiques de dispersion de la matière optique non linéaire à quasi adaptation de phase (QPM) et ainsi étendre la plage d'accord de longueurs d'onde. Selon un autre aspect de présente invention, la matière optique non linéaire QPM comporte une partie à seule période de grille ou réseau, pour l'exécution d'un changement de fréquence. Selon un autre aspect de présente invention, la matière optique non linéaire QPM comporte une partie à plusieurs périodes de grille pour l'exécution de plusieurs processus de changement de fréquence. Selon un autre aspect de la présente invention, la matière optique non linéaire QPM peut être un élément monolithique sans résonateur. Le rayonnement laser pompe déclenché passivement traverse la matière optique non linéaire QPM une seule fois pour achever le processus de changement de fréquence. Selon un autre aspect de la présente invention, la matière optique non linéaire QPM peut être un élément monolithique dans un résonateur. Le rayonnement laser déclenché passivement pompe la matière optique non linéaire QPM dans le résonateur pour achever le processus de changement de fréquence. Selon un autre aspect de la présente invention, le système laser peut produire un rayonnement laser de longueur d'onde quelconque limitée par la matière optique non linéaire QPM. On comprendra très bien la présente invention à la lecture de la description suivante illustrée les dessins d'accompagnement, sur lesquels BREVE DESCRIPTION DES DESSINS - les 1(a) et 1(b) montrent schématiquement deux lasers ' micropuce déclenchés passivement classiques (la fig. 1(a) montre un premier résonateur classique constitué d'un milieu de gain et d'un absorbeur saturable et la fig. 1 montre un deuxième résonateur classique ayant un milieu de gain codopé par impuretés absorbantes saturables). - la fig. 2 montre schématiquement une première réalisation préférée du système laser de la présente invention (le rayonnement laser pompe traverse matière QPM pour produire des lasers à d'autres fréquences), et - les fig. 3(a) et 3(b) montrent schématiquement d'autres realisations préférées du système laser de la présente invention (la fig. 3(a) montre une matière QPM dans un résonateur et la fig. 3(b) montre une matière QPM appliquée sur deux faces d'extrémité opposées pour la formation d'un résonateur monolithique). DESCRIPTION DETAILLEE DES REALISATIONS PREFEREES La fig. 1(a) montre le résonateur d'un laser pompe à micropuce déclenché passivement typique 10 dans lequel un milieu de gain laser 101 pour la production de rayonnement laser est joint à un absorbeur saturable 102 chargé de la commutation de Q. Les deux surfaces dégagées sont revêtues de couches diélectriques à haute réflexion 103 et 104 à la longueur d'onde laser. Un exemple typique est le laser déclenché passivement Nd:YAG pompé par diode à 808 nm, o-- le milieu de gain est un cristal Nd3+ :YAG et l'absorbeur saturable est un Cr4+ :YAG. La conception de ce type de laser à micropuce déclenché passivement a été largement exposée par E. Molva dans "Les lasers à micropuce et leurs applications dans les microsystèmes optiques", Annales de l'université d'été les sources miniatures de lumière cohérente en milieux diélectriques, Les Houches, France, 2-6 juin 1997. Pour simplifier encore le résonateur, le milieu h"te gain YAG peut être codopé par Nd3+ et Cr4+ pour réaliser simultanément l'effet laser et la commutation de Q, comme représenté sur la fig. 1(b). La fig. 2 montre la configuration primaire de la présente invention, o- laser à micropuce déclenché passivement 10 fournit le signal laser d'entrée, d'une première longueur d'onde, pour pomper la matière optique non linéaire QPM 30. 'lément optique 20 focalise le signal laser de pompe et aligne la position du faisceau. La matière QPM 30 est seule, sans résonateur. Les deux extrémités libres de la matière peuvent avoir ou non des revêtements antiréfléchissants à la longueur d'onde de la pompe. Le dispositif QPM peut être constitué d'une partie à une seule période de grille pour l'exécution d'un seul processus de changement de fréquence ou d'une partie à plusieurs périodes de grille pour l'exécution de plusieurs processus de changement de fréquence. Le dispositif QPM est de préférence enfermé dans un four de régulation température 40 pour le changement des caractéristiques de dispersion de la matière non linaire QPM 30. Par conséquent, on peut étendre la plage d'accord de longueurs d'onde faisant varier la température. Les fig. 3(a) et 3(b) montrent une autre configuration préférée de la présente invention. Sur la fig. 3(a), la matière QPM 30 est placée dans une cavité résonante constituée ou limitée par deux miroirs réfléchissants 501 et 502. Pour servir de miroirs resonateurs, les miroirs 501 et 502 peuvent avoir des revêtements à haut pouvoir réfléchissant à une des longueurs d'onde participantes dans le processus de changement de fréquence. Sur la fig. 3(b), les miroirs résonateurs de la fig. 3(a) sont remplacés deux revêtements réfléchissants 503 et 504 sur les deux faces dégagées opposées de la matière QPM 30, limitant celle-ci. EXPERIENCES L'invention est vérifiée dans deux expériences avec la configuration de la fig. 2. Ordinairement, le système laser ayant une matière QPM 30 dans un résonateur a une plus basse puissance de pompe de seuil. Une confirmation expérimentale du système laser de la fig. 2 peut s'appliquer aussi à ceux des fig. 3(a) et 3(b). Dans la première expérience, la matière QPM est réalisée par polarisation électrique d'une plaquette de niobiate de lithium congruent à coupe Z de 500 #im d'épaisseur. La période de grille QPM est de 27,5 pm et la longueur de la matière dans la direction du laser est de 1 cm. Le laser pompe de l'expérience est un laser à micropuce Nd3+ :YAG déclenché passivement. L'absorbeur saturable est un cristal Cr4+ :YAG tir, sur le dessus du cristal laser Nd3+ :YAG comme représenté sur la fig. 1(a). La longueur d'onde de la pompe est de 1,064 p,m et la durée d'impulsion de la pompe est d'environ 0,5 L'expérience est destinée à produire des photons à 1,4 m et 43 m par division des photons de la pompe à 1,064 pm dans un processus OPG à un seul passage dans le niobiate de lithium polarisé périodiquement (PPLN) QPM de 1 cm maintenu à 100 C. L'intensité de seuil de ce processus OPG est d'environ 1 GW/cm2. Cependant, la fluence d'endommagement du PPLN est d'environ 3 J/cm2 pour des impulsions laser déclenchées activement de 10 ns et de 0,7 J/cm2 pour des impulsions laser à micropuce déclenchées passivement de 0,5 ns. Apparemment, un laser déclenché activement peut jamais atteindre le seuil de 1 GW/cm2 en raison de l'endommagement de la matière, tandis que le laser à micropuce déclenché passivement peut atteindre 4 GW/cm2 à la limite d'endommagement. Avec le laser à micropuce déclenché passivement focalisé jusque près de la limite d'endommagement de 1,4 GW/cm2, environ 25 % du laser à 1,064 pm sont convertis en le rayonnement à 1,4 p,m et 4,43 pm dans le PPLN de 1 cm. La combinaison d'un laser pompe déclenché passivement et d'une matière non linéaire à quasi adaptation de phase peut être très compacte et efficace. Dans la deuxième expérience, la matière QPM est de nouveau du PPLN à 500 #tm. Le PPLN est constitué de deux régions à grille QPM : une région à une seule grille de 1 cm ayant une période QPM de 20 pm et une région à grille de 4 cm intégrée monolithiquement ayant une période QPM de 11 p,m. La période QPM de 20 pm convient à la production du deuxième harmonique du troisième ordre (SHG) du laser pompe à 1064 p.m à 108 C. La SHG de 1064 pm produit un rayonnement laser à 0,532 pm. La période QPM de 11 m convient à fOPG pompé de 0,532 pm pour produire des rayonnements laser à 0,618 l.im et 3,823 um à la même température de 108 C. Le laser pompe de l'expérience est de nouveau un laser à micropuce Nd3+:YAG declenché passivement qui produit 8 J/impulsion à une fréquence de récurrence de 8,3 kHz. L'absorbeur saturable est encore un cristal Cr4+:YAG tir, sur le dessus du cristal laser Nd3+:YAG comme représenté sur la fig. 1(a). La longueur d'onde de la pompe de 1,064 pm et la durée d'impulsion de la pompe est d'environ 0,5 ns. Comme la puissance de crête du laser pompe est de plus de 13 kilowatts, à peu près 70 de l'énergie de la pompe sont convertis en l'énergie du deuxième harmonique à 532 dans la première région à grille QPM. Le laser vert de 0,532 pm continue de traverser la deuxième région à grille et produit les deux autres rayonnements laser aux deux longueurs d'onde de 0,618 p.m et 3,823 gym. A la sortie de la grille de 11 le rendement de conversion du laser à 1064 p.m en laser à 618 pm est d'environ 5 % avec cette configuration à un seul passage. REVENDICATIONS . Système laser comprenant un laser pompe déclenché passivement (10) destiné ' produire un premier signal laser ayant une première longueur d'onde et une matière optique non linéaire à quasi adaptation phase (QPM) (30) destinée à recevoir le premier signal laser et le convertir en un deuxième signal laser ayant une deuxième longueur d'onde, réalisant par là un changement de fréquence non linéaire à quasi adaptation de phase (QPM). Système laser selon la revendication 1, dans lequel le laser pompe déclenché passivement (10) comprend un milieu de gain laser ) pour la production de rayonnement laser et un absorbeur saturable (102) pour la commutation de Q. 3. Système laser selon la revendication 2, dans lequel milieu de gain laser (101) et l'absorbeur saturable (102) sont combinés ensemble dans résonateur laser. 4. Système laser selon la revendication 3, dans lequel deux surfaces dégagées opposées du résonateur laser sont revêtues de couches diélectriques réfléchissantes (103, 104). 5. Système laser selon la revendication 2, dans lequel milieu de gain laser (l01) est un cristal dopé par Nd3+. 6. Système laser selon la revendication 5, dans lequel le cristal dopé par Nd3+ est choisi dans le groupe constitué des cristaux Nd3+ :YAG, Nd3+ :YV04 et Nd3+ :YLF. 7. Système laser selon la revendication 2, dans lequel le absorbeur saturable (102) est en Cr4+ :YAG. 8. Système laser selon la revendication 1, dans lequel le laser pompe déclenché passivement (10) comprend un milieu de gain laser codopé par Nd3+ et Cr4+ pour réaliser la production de rayonnement laser et la commutation de Q. 9. Système laser selon la revendication 1, comprenant en outre un four de régulation de température (40) pour changer les caractéristiques de dispersion de la matière optique non linéaire à quasi adaptation de phase (QPM) (30) afin d'étendre la plage d'accord de longueurs d'onde. 10. Système laser selon la revendication 1, comprenant en outre une cavité résonante entourant la matière optique non linéaire QPM (30) pour abaisser le seuil du laser pompe pendant le changement de longueur d'onde. 11. Système laser selon la revendication 10, dans lequel la cavité résonante formée par un premier miroir (501) et un deuxième miroir (502) qui limitent la matière optique non linéaire QPM (30), ces deux miroirs étant revetus pour faire resonner une quelconque des longueurs d'onde impliquées dans le changement de fréquence. 12. Système laser selon la revendication 10, dans lequel la cavité résonante est formée par deux revêtements optiques (503, 504) appliqués sur deux extrémités libres de la matière optique non linéaire QPM, ces deux revêtements étant conçus pour faire résonner une quelconque des longueurs d'onde impliquées dans le changement de frequence. 13. Système laser selon la revendication 10, dans lequel ledit laser pompe déclenché passivement (10) pompe ladite matière optique non linéaire (30) dans la cavité résonante pour effectuer le processus de changement de fréquence. 14. Système laser selon la revendication 1, dans lequel la matière optique linéaire QPM (30) comprend une partie à une seule période de grille pour l'exécution d'un changement de fréquence. 15. Système laser selon la revendication 1, dans lequel la matière optique non linéaire QPM (30) comprend une partie à plusieurs périodes de grille pour l'exécution de plusieurs processus de changement de fréquence. 16. Système laser selon la revendication 1, dans lequel le changement de fréquence non linéaire comprend la production de deuxième harmonique (SHG), la production de fréquence différence (DFG), la production de fréquence somme (SFG), production paramétrique optique (OPG), une amplification paramétrique optique (OPA) et une oscillation paramétrique optique (0P0). 17. Système laser selon la revendication 1, agencé pour produire un rayonnement laser de longueur d'onde quelconque limitée par ladite matière optique non lineaire QPM.