Brevet FR2801733A1 — publié le 20010601

Le domaine de l'invention est celui des sources lasers fonctionnant en régime impulsionnel à modes bloqués. Le développement sans cesse croissant des techniques de fabrication des milieux amplificateurs, permet d'obtenir des émissions lasers impulsionnelles à haute cadence avec des puissances crêtes très élevées et des durées d'impulsions de plus en plus courtes. Les domaines d'applications de ces sources sont très vastes et en perpétuelle croissance. En biologie notamment, il est désormais possible d'étudier des processus de relaxation atomique ou moléculaire, ou de caractériser les évolutions temporelles et spectrales de la fluorescence de tissus vivants. De même, dans le domaine de la communication, l'augmentation de la fréquence de récurrence et de la puissance crête des impulsions, permet un accroissement du début de l'information dépassant maintenant plusieurs centaines de giga-bits par seconde mais aussi une augmentation de la distance de transmission de l'information. Les domaines médicaux et militaires possèdent également des branches d'applications très variées pour de telles sources lasers. De manière générale les lasers fonctionnant en régime impulsionnel à modes bloqués utilisent un résonateur dans lequel existent plusieurs modes axiaux adjacents susceptibles d'osciller simultanément. Ordinairement, les phases de ces modes sont indépendantes les unes des autres. Mais sous certaines conditions, ces phases relatives peuvent interagir et être verrouillées entre elles. En modulant un élément de la cavité responsable de pertes, on peut imposer entre les modes qui oscillent, une relation de phase qui si elle est correctement choisie, correspondra à un train d'impulsions ayant une certaine fréquence de répétition av. La modulation est assurée par un obturateur intracavité fermé la majeure partie de son temps, ce qui implique alors l'introduction de pertes supplémentaires, sauf pour des ouvertures très brèves répétées périodiquement avec une période T = 1 /4v. Un mode ne peut osciller dans ce cas en raison des pertes, et il en est de même d'un fonctionnement multimode si les phases ne sont pas corrélées. Mais il existe une exception à cette situation : si les phases sont couplées mutuellement, la distribution en énergie suivant la longueur du résonateur, présente un extremum pointu en un endroit donné, ceci correspond à une impulsion se déplaçant dans le résonateur et s'étalant sur une largeur Lp = 2UN si L est la longueur du résonateur et N le nombre de modes couplés. En plaçant un obturateur intracavité fermé périodiquement, il en résulte que l'impulsion atteignant ledit obturateur lorsque celui-ci est ouvert et la durée d'impulsion étant petite devant la durée d'ouverture de l'obturateur, l'impulsion synchronisée n'est pas informée de l'existence de l'obturateur et n'est donc pas atténuée par ce dernier. Ainsi la modulation des pertes introduit un verrouillage des modes par l'intermédiaire d'une sélection où ne survit que l'impulsion la mieux adaptée. Les méthodes aujourd'hui utilisées pour mettre en phases les modes longitudinaux d'un laser se divisent en deux groupes. Le premier groupe concerne les méthodes dites actives (au sens où elles nécessitent une commande électrique externe) de type modulateur acousto-optique. Le second groupe concerne des méthodes dites passives requérant une dépendance des pertes ou du gain du résonateur en fonction de l'intensité instantanée du faisceau laser. Cette dépendance peut se manifester par une variation de l'indice d'un matériau (Lentille de Kerr), par la saturation des pertes de transmission d'un élément (absorbant saturable), par la variation de la réflectivité d'un miroir éventuellement sous forme d'un interféromètre. Dans ce contexte l'invention propose d'utiliser une méthode de type passif (sans commande électrique externe), tout solide (ne nécessitant pas l'utilisation de colorant liquide de type absorbant saturable inverse) basée sur l'utilisation d'un cristal doubleur de fréquence qui introduit une rotation de la polarisation du faisceau transmis en fonction de l'intensité incidente. Pour cela on utilise un faisceau dont l'orientation de la polarisation vis-à-vis des axes cristallins du cristal doubleur de fréquence, ne correspond pas aux conditions pour la conversion vers le second harmonique. Plus précisément l'invention a pour objet un laser à modes bloqués en phase comprenant une cavité définie par au moins deux miroirs un milieu amplificateur présentant une émission laser, et des moyens pour générer une polarisation rectiligne de l'émission laser dans la cavité caractérisée en ce qu'il comprend un cristal non linéaire taillé et orienté angulairement pour le doublage de fréquence présentant un axe ordinaire et un axe extraordinaire, la polarisation rectiligne de l'émission laser en entrée du cristal linéaire étant orientée par rapport auxdits axes de manière à produire une polarisation de l'émission laser, en sortie du cristal non linéaire dont l'orientation varie en fonction de l'intensité de l'émission laser et qu'il comprend en outre des moyens de sélection angulaire de ladite polarisation de sortie. Selon une variante de l'invention, le laser à modes bloqués peut comprendre un premier polariseur pour générer la polarisation rectiligne en entrée du cristal non linéaire et un second polariseur pour sélectionner angulairement la polarisation de sortie, les deux polariseurs étant décalés en orientation d'un angle non nul. Selon une autre variante de l'invention, le milieu amplificateur peut générer lui-même une émission laser polarisée rectiligne, le laser à modes bloqués comprenant dans ce cas un unique polariseur pour sélectionner la polarisation de sortie. Selon une autre variante, le seul milieu amplificateur peut générer une émission polarisée rectiligne et opérer également la sélection angulaire de polarisation après un aller-retour du rayonnement à travers le cristal non linéaire. Selon une autre variante de l'invention, le laser à modes bloqués peut comprendre un second milieu amplificateur en sortie du cristal non linéaire, le second amplificateur présentant un gain variable en fonction de la polarisation incidente, de manière à sélectionner la polarisation. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles - La Figure 1 illustre la rotation de polarisation en sortie d'un cristal non linéaire de KTP pour différentes polarisations incidentes. - La Figure 2 illustre un premier exemple de laser à modes bloqués en phase selon l'invention. - La Figure 3 illustre un second exemple de laser à modes bloqués en phase selon l'invention comprenant un second milieu amplificateur pour sélectionner la polarisation. - La Figure 4 illustre un troisième exemple de laser à modes bloqués en phase selon l'invention, comprenant un rotateur de polarisation non réciproque. - La Figure 5 illustre un cinquième exemple de laser à modes bloqués en phase selon l'invention comprenant un miroir non linéaire anti-résonant. - La Figure 6 illustre un sixième exemple de laser à modes bloqués en phase, comprenant une cavité en anneau avec un repli dans la cavité. De manière générale, le laser à modes bloqués en phase comprend un cristal doubleur de fréquence qui introduit une rotation de la polarisation du faisceau transmis en fonction de l'intensité incidente. Ainsi dans le cas d'un laser avec accord de phase dit de type II (le champ électrique du faisceau laser fait un angle de 45 avec les axes d'indice ordinaire ou extraordinaire), si les composantes ordinaires ou extraordinaires du champ incident à la fréquence d'émission du laser sont déséquilibrées (angle différent de 45 ) soit un a;n :# 45 , le processus de sommation de fréquence est suivi par un processus de différence de fréquence et conduit en sortie à une polarisation dont l'orientation aou, dépend de l'intensité comme le montre la Figure 1, pour un cristal de KTP de 7 mm de longueur à l'accord de phase, pour une longueur d'onde d'excitation égale à 1,064 Nm. II en est de même dans le cas d'un cristal non linéaire avec accord de phase de type I, pour lequel le cristal doit être légèrement en dehors des conditions idéales d'accord de phase. Ce désaccord peut être obtenu par une inclinaison du cristal ou par une variation de sa température. II convient dans ce cas, que le champ électrique du faisceau laser incident ne soit pas exactement aligné avec l'une ou l'autre des composantes neutres du cristal. Ainsi sous réserve que les conditions définies ci-dessus pour chaque type de cristal doubleur (accord de phase de type I ou II), soient satisfaites, il est possible d'engendrer des pertes dans la cavité laser qui dépendent directement de la densité de puissance intracavité et d'obtenir ainsi un fonctionnement en régime à modes bloqués. Selon une variante de l'invention, on peut utiliser deux polariseurs décalés en orientation d'un angle a. Le premier polariseur sert à polariser linéairement et à fixer l'orientation du champ intracavité dans le cas où le milieu laser n'apporte pas une sélectivité naturelle par ses propriétés spectroscopiques. Le second polariseur introduit des pertes sur le régime de fonctionnement à basse intensité qui sont réglables par l'ajustement du désalignement angulaire a avec le premier polariseur. La Figure 2 illustre un premier exemple selon l'invention, de laser à modes bloqués en phase. II comprend un milieu amplificateur MA, dont l'émission laser n'est pas naturellement polarisée, deux miroirs M1 et M2 définissant la cavité. En sortie du milieu amplificateur MA, un premier polariseur Pi force l'émission laser à émettre sur un mode de polarisation rectiligne dont l'orientation est décalée par rapport aux axes neutres du cristal non linéaire CNL, introduit dans la cavité laser. Un second polariseur A présente une orientation ajustée de manière à pouvoir moduler les pertes dans la cavité. Son orientation réalise un angle a avec la polarisation en sortie de P1. Le rayonnement laser peut être extrait soit grâce au polariseur P1, du fait de la biréfringence du milieu. laser (naturelle ou induite), ou de la biréfringence d'une lame supplémentaire introduite entre le milieu amplificateur MA et le polariseur Pi, soit par un des miroirs de la cavité Ml ou M2, disposant d'un coefficient de transmission non nul. Dans le cas d'un milieu amplificateur MAP qui impose naturellement, du fait de ses propriétés spectroscopiques un mode de polarisation du faisceau intracavité, on peut s'affranchir du polariseur P1. Selon un second exemple de laser à modes bloqués en phase, les moyens de sélection angulaire de polarisation comprennent un second milieu amplificateur MAP2 dont le gain dépend de la polarisation incidente. Son axe de plus fort gain possède la même orientation que le second polariseur A de l'exemple 1 et fait un angle a avec la direction de plus fort gain du milieu amplificateur MAP1. La Figure 3 illustre notamment cette variante dans le cas où le milieu amplificateur MAP1 impose naturellement un mode de polarisation du faisceau laser intracavité. Le laser comprend ainsi selon cet exemple, deux milieux amplificateurs MAP1 et MAP2 dont l'orientation relative entre leur axe de polarisation est décalée, d'un miroir de repli M3 concave ou plan, et deux miroirs de fond de cavité M1 et M3, le cristal non linéaire étant compris entre le miroir de repli M3 et le second milieu amplificateur MAP2. Selon un troisième exemple de laser illustré en Figure 4, le laser à modes bloqués en phase comprend un rotateur de polarisation non réciproque de (type rotateur de Faraday) RF, capable de faire tourner la polarisation d'un angle a par rapport à l'axe du polariseur P ou de la polarisation naturelle en sortie du milieu amplificateur MAP. Selon cet exemple le laser comprend dans sa cavité, un milieu amplificateur MA, un polariseur P, un rotateur de polarisation non réciproque RF et un cristal doubleur de fréquence CNL. Avec un rotateur de polarisation non réciproque, la rotation du plan de polarisation change avec le sens de propagation du faisceau laser. Le rotateur de polarisation non réciproque fait tourner la polarisation, en sortie du polariseur P par rapport à l'axe de ce dernier. Cette rotation linéaire est alors compensée lors du passage du faisceau laser dans le cristal non linéaire et permet ainsi de diminuer les pertes lors du nouveau passage à travers le polariseur P. Selon un quatrième exemple, le laser à modes bloqués en phase comprend en lieu et place du rotateur de Faraday RF de la figure 4, une lame de phase quart d'onde pour la pulsation laser, dont les axes neutres sont alignés avec ceux du cristal non linéaire CNL. Le déphasage introduit par cette lame de phase sera compensé par celui, dépendant de l'intensité, apporté par le cristal doubleur de fréquence. Dans une variante de cette configuration la lame quart d'onde peut être supprimée et son action remplacée par celle de la biréfringence naturelle linéaire du cristal CNL. Dans une autre variante l'association du milieu amplificateur MA et du polariseur P peut être remplacée par un milieu amplificateur MAP à section efficace d'émission naturellement polarisée. Ainsi la variante la plus simple de la configuration illustrée figure 4 ne comprendrait que les miroirs M1 et M2, un milieu amplificateur MAP pour une seule orientation de la polarisation rectiligne de l'onde laser et le cristal non linéaire CNL. Selon un cinquième exemple de laser à modes bloqués en phase, illustré en Figure 5, le laser de l'invention permet d'obtenir un effet de modulation des pertes de la cavité en fonction de l'intensité du faisceau, en fermant la cavité laser par un miroir non linéaire anti-résonant. Plus précisément la cavité laser est formée d'un milieu amplificateur MA, d'un polariseur P, et d'un ensemble de composants réalisant le miroir non linéaire sous forme d'un interféromètre de Sagnac. Celui-ci est formé d'une lame séparatrice LS de deux miroirs de renvoi M2 et M3, d'un rotateur de polarisation RF réciproque ou non réciproque et d'un cristal non linéaire CNL. La réflectivité de la lame séparatrice peut être variable et se situer entre 30 et 50%. En régime linéaire et du fait de l'action du rotateur de polarisation RF, l'interférence des ondes parcourant la boucle dans le sens horaire (ILS - M2 - M3 - LS) avec celles parcourant la boucle dans le sens anti-horaire (LS - M3 - M2 - LS) donne lieu à un faible retour énergétique vers le milieu amplificateur MA et un fort couplage vers l'extérieur du résonateur (d'où l'appellation anti-résonant). Le cristal non-linéaire CNL a des lignes neutres orientées de telle sorte que la polarisation de l'onde circulant dans le sens horaire et celle de l'onde circulant dans le sens anti-horaire subissent avec l'intensité des rotations différentes afin que leur interférence au niveau de la séparatrice LS renforce le retour énergétique vers le milieu amplificateur MA (et donc la réflectivité apparente de l'interféromètre de Sagnac). Selon un sixième exemple de laser à modes bloqués en phase, illustré en Figure 6, la cavité laser peut être une cavité en anneau définie par trois miroirs M1, M2, M3, et comprenant un milieu amplificateur MA, un séparateur de polarisation SP, une lame de phase quart d'onde LPV4 située entre le miroir M1 et le séparateur SP de manière à former un repli de la cavité en anneau. Par ailleurs le laser comprend une lame de phase demi-onde LP@ 2 et un cristal non linéaire CNL. Les exemples de lasers précédemment décrits peuvent tout aussi bien être des lasers fonctionnant en régime continu ou en régime pulsé. Ils peuvent comprendre des milieux amplificateurs de toute nature, pompés par décharges électriques, par pompage optique par lampe ou laser, le pompage pouvant être effectué longitudinalement ou transversalement. Dans le cas de laser impulsionnel, pour assurer une production d'impulsions de durée minimale le laser à modes bloqués en phase, peut comporter un élément biréfringent destiné à compenser la différence de vitesse de groupe entre champs ordinaire et extraordinaire dans le cristal non linéaire ou une ligne dispersive (à prismes, à réseaux ou à interféromètre Gire-Tournois). Pour rendre le laser à modes bloqués en phase selon l'invention, accordable en longueur d'onde il peut comprendre également un filtre spectral dans la cavité et un dispositif mécanique thermique ou électrique assurant le maintien des conditions d'accord de phase dans le cristal non linéaire. REVENDICATIONS 1. Laser à modes bloqués en phase comprenant une cavité définie par au moins deux miroirs (M1, M2) un milieu amplificateur (MAP) présentant une émission laser, et des moyens (Pl) pour générer une polarisation rectiligne de l'émission laser dans la cavité caractérisé en ce qu'il comprend un cristal non linéaire (CNL) présentant un axe ordinaire et un axe extraordinaire, la polarisation rectiligne de l'émission laser en entrée du cristal linéaire étant orientée par rapport auxdits axes de manière à produire une polarisation de l'émission laser en sortie du cristal non linéaire, dont l'orientation varie en fonction de l'intensité de l'émission laser et qu'il comprend en outre des moyens de sélection angulaire de ladite polarisation de sortie. 2. Laser à modes bloqués en phase selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier polariseur (P) pour générer la polarisation rectiligne de l'émission laser, en entrée du cristal non linéaire et un second polariseur (A) pour sélectionner angulairement la polarisation de sortie, les deux polariseurs étant décalés en orientation d'un angle non nul. 3. Laser à modes bloqués en phase, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (MAP,) génère une émission laser polarisée rectiligne et qu'il comprend un unique polariseur (A) pour sélectionner la polarisation de sortie. 4. Laser à modes bloqués selon la revendication 1 caractérisé en ce que le seul milieu amplificateur (MAP) génère une émission polarisée rectiligne et opère également la sélection angulaire de polarisation après un aller-retour du rayonnement à travers le cristal non linéaire (CNL). 5. Laser à modes bloqués en phase selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second milieu amplificateur (MAP2) en sortie du cristal non linéaire, le second amplificateur présentant un gain variable en fonction de la polarisation incidente, de manière à sélectionner la polarisation. 6. Laser à modes bloqués en phase selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir intracavité de repli situé entre le cristal non linéaire et le second milieu amplificateur de manière à créer deux milieux amplificateurs (MAP1, MAP2) dont l'orientation relative entre leurs axes de polarisation est décalée. 7. Laser à modes bloqués en phase selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un rotateur de polarisation non réciproque (RF) situé entre le milieu amplificateur (MA) et le cristal non linéaire (CNL). 8. Laser à modes bloqués en phase selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une lame de phase dont les axes neutres sont parallèles aux axes du cristal non linéaire. 9. Laser à modes bloqués en phase selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois miroirs (M1, M2, M3) de manière à constituer une cavité en anneau. 10. Laser à modes bloqués selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un premier miroir (M1), un milieu amplificateur (MA), un séparateur de polarisation (SP) et une lame de phase d'épaisseur @.I4 si k est la longueur d'onde de l'émission laser située entre le premier miroir et le polariseur de manière à former un repli de la cavité et en ce qu'il comprend une cavité en anneau définie par le séparateur de polarisation et les miroirs M2 et M3, ladite cavité en anneau comprenant le cristal non linéaire et des moyens de rotation de polarisation.