Brevet FR2813451A1 — publié le 20020301

La présente invention concerne un amplificateur laser pompé par diode avec au moins un support monolithique à effet laser qui est traversé par les faisceaux à modes synchronisés d'un rayonnement de pompage et d'un rayonnement laser à amplifier et dans lequel, suite au rayonnement de pompage irradié, une lentille thermique à intensité variable apparaît dans des plans mutuellement perpendiculaires. Il est généralement connu que les oscillateurs de mode fondamental dans le domaine des lasers monolithiques peuvent seulement être étudiés jusqu'à une certaine puissance de sortie en raison des propriétés optothermiques des supports à effet laser utilisés. Pour générer de hautes puissances, les oscillateurs sont donc souvent combinés avec des amplificateurs laser placés à la suite dans le chemin optique, ces amplificateurs permettant de maintenir la haute qualité de faisceau du rayonnement de l'oscillateur. Un tel agencement d'oscillateur avec amplificateur présente également l'avantage de permettre l'exploitation ciblée d'un oscillateur avec une puissance relativement faible. Dans un laser à impulsions courtes à modes synchronisés, cela permet de protéger un absorbeur saturable à semi-conducteur, agencé à l'intérieur du résonateur, d'une charge trop importante. Les agencements connus, comme par exemple d'après US 5 237 584, ont l'inconvénient d'une haute sensibilité au réglage. Le rayonnement de sortie de l'oscillateur est amené en modes synchronisés à l'amplificateur composé de plusieurs étages. L'amplificateur contient des cristaux laser pompés par diode avec des miroirs repliés agencés l'un en face de l'autre. Pour compenser les fortes lentilles thermiques qui apparaissent dans les cristaux, il faut accorder très précisément les rayons de courbure des miroirs et leurs distances par rapport aux cristaux laser. Sinon, aucun système optique stable n'est assuré. Un inconvénient sérieux dans de telles structures en série est qu'il faut toujours réajuster les variations individuelles de modèle. Même de faibles modifications, comme par exemple des variations dues au vieillissement ou autres, des paramètres de diode ainsi que des variations de modèle des cristaux provoquent la défaillance du système en raison de la très faible plage de tolérances. Les inconvénients mentionnés sont encore plus prononcés dans un système laser selon US 5 696 786, puisqu'ici, des éléments de concentration intermédiaires sont omis, et qu'il n'y a donc aucune possibilité de synchronisation du chemin optique par rapport aux lentilles thermiques. Ces agencements de laser n'ont typiquement que de petites fenêtres de service pour les courants de diode. En variante, le chemin optique replié peut également être réalisé dans un cristal (US 5 27103 1) dans lequel différentes zones pompées de ce cristal sont traversées plusieurs fois de suite. Cet agencement présente également les inconvénients d'US 5 695 786. Enfin, d'après DE 19 521943, il est connu pour un dispositif laser monolithique pompé longitudinalement qu'un point de pompage allongé permet de générer de façon spontanée et incontrôlée des lentilles toriques convexes ou des lentilles cylindriques grâce au champ isotherme créé dans le cristal laser et ayant la forme d'ellipses relativement plates. Il est l'objet de l'invention d'augmenter sensiblement la tolérance de l'agencement d'amplificateur par rapport aux variations des paramètres d'entrée de sorte que des accords pour assurer la stabilité de l'amplificateur peuvent être omis. L'objet est atteint par un amplificateur laser pompé par diode avec au moins un support monolithique à effet laser qui est traversé par les faisceaux à modes synchronisés d'un rayonnement de pompage et d'un rayonnement laser à amplifier et dans lequel, suite au rayonnement de pompage irradié, une lentille thermique à intensité variable apparaît dans des plans mutuellement perpendiculaires, en ce que le faisceau du rayonnement laser, focalisé dans le plan à lentille thermique forte, est orienté dans le support monolithique à effet laser, un col de faisceau qui apparaît se trouvant au niveau de la lentille thermique. Un élément de focalisation dans le plan à lentille thermique forte, par exemple sous la forme d'une lentille cylindrique qui est agencée dans le chemin optique du rayonnement laser éloignée de sa distance focale par rapport à l'emplacement de la lentille thermique, sert à la génération du col de faisceau. Etant donné que la distance à créer entre la lentille cylindrique et le support à effet laser n'est pas fonction de la lentille thermique, un seul réglage de la distance nominale de la distance focale est suffisant. Pour la fabrication d'un système stable il n'est plus nécessaire de prendre en compte les lentilles thermiques individuelles, comme on les trouve dans les supports monolithiques à effet laser dans des amplificateurs à plusieurs étages d'amplification. Il s'est avéré qu'une lentille thermique qui se trouve au niveau d'un col de faisceau n'influence pas la propagation des faisceaux. Contrairement aux solutions de l'état de l'art, dans lesquelles l'influence des effets de lentille thermique sur le chemin des faisceaux doit être compensée par des opérations de réglage hautement sensibles, selon l'invention, c'est la configuration de l'amplificateur qui élimine pratiquement déjà l'effet de la lentille thermique. Le faisceau laser subit une synchronisation de modes qui est mutuellement indépendants dans des plans comportant des lentilles thermiques d'intensité différente. Etant donné que grâce à cela, l'amplification, la qualité de faisceau et les paramètres de faisceau de l'amplificateur sont également insensibles aux variations des paramètres de diode, les diodes de pompage réalisées sous forme de rangées de diodes laser peuvent être exploitées électriquement en série et à la même température. Contrairement aux solutions de l'état de l'art, les lentilles thermiques, provoquées par des courbes caractéristiques individuelles du laser à diode et par des propriétés spectrales différentes les unes des autres, perdent également leur effet et il n'est pas nécessaire de les compenser par des moyens de réglage coûteux. A l'aide de l'invention, on peut construire un amplificateur compact à un prix avantageux dont le nombre des étages d'amplification strictement modulaires est extensible, en ce que la sortie de chaque étage d'amplification, à l'exception d'un étage terminal, forme l'entrée d'un étage d'amplification suivant. Un agencement d'amplificateurs est prévu dans lequel, malgré une faible variation de modèle existant par amplificateur, de larges tolérances de fabrication sont admises lors de la fabrication des composants standard simples nécessaires. L'agencement permet d'amplifier le rayonnement des oscillateurs à faible puissance et en particulier dans le cas d'un régime d'exploitation à modes synchronisés en respectant la qualité de faisceau définie par l'oscillateur et déterminée par l'indice de diffraction M2. Nous avons réussi à concevoir un amplificateur série à haute stabilité et reproductibilité. En outre, l'invention permet d'éviter l'utilisation d'optiques de mise en forme de faisceau, qui augmentent le prix et dégradent le rendement, pour les diodes de pompage qui sont utilisées par ailleurs pour un réagencement dans le sens d'un équilibrage des produits de paramètre de faisceau pour l'axe rapide et l'axe lent de la diode. De façon avantageuse, comme source de faisceau de pompage, au moins une rangée de diodes laser est utilisée, dans laquelle des moyens pour la collimation de l'axe rapide et des moyens pour la focalisation du rayonnement de diode dans un foyer de pompage elliptique sont prévus pour générer la lentille thermique réalisée dans des plans mutuellement perpendiculaires et d'intensité différente. Pour améliorer la qualité de faisceau de la rangée de diodes laser, une collimation supplémentaire de l'axe lent peut également être avantageuse. Pour le réglage de la polarisation, une lamelle de retard de phase @,/2 peut être prévue. Le rayonnement de pompage et le rayonnement laser sont orientés à travers des surfaces de passage de faisceau opposées dans le support monolithique à effet laser. Etant donné que pour le rayonnement de pompage, la surface de passage de faisceau est réalisée de façon hautement réfléchissante pour la longueur d'onde du rayonnement laser, le rayonnement laser traverse après une réflexion à nouveau le support monolithique à effet laser et l'élément de focalisation. Un élément optique servant à l'élargissement du faisceau laser dans le plan à lentille thermique faible, à l'entrée de l'amplificateur, peut être réalisé comme une lunette de Galilée à lentilles cylindriques ou comme une paire de prismes anamorphosiques. Il est avantageux que dans le chemin optique du rayonnement laser, au moins un élément de concentration soit prévu pour la compensation de la lentille thermique faible dans l'un des plans. Il peut s'agir d'un miroir cylindrique conçu comme un miroir replié ou d'un miroir sphérique ou alors on agence dans le chemin optique du faisceau laser sortant du support monolithique à effet laser une lentille cylindrique convexe à longue distance focale ou une lentille sphérique à longue distance focale. Un cristal Nd.YV04 dopé à 0,5% peut servir de support monolithique à effet laser, ce cristal étant pompé à une longueur d'onde dans une plage de 803 nm à 809 nm. L'invention sera expliquée plus en détail ci-après à l'aide du dessin schématique. La figure 1 montre la structure d'un module d'amplificateur; la figure 2 montre le chemin optique dans le module d'amplificateur dans le plan sagittal; la figure 3 montre le chemin optique dans le module d'amplificateur dans le plan tangentiel; la figure 4 montre un amplificateur à quatre étages, composé de quatre modules d'amplification; la figure 5 montre la courbe du diamètre de faisceau dans un amplificateur selon la figure 4 dans le plan sagittal; la figure 6 montre le diamètre de faisceau dans les cristaux laser de l'amplificateur selon la figure 4 en fonction de l'intensité de la lentille thermique dans le plan sagittal; la figure 7 montre le diamètre de faisceau à la sortie d'amplificateur de l'amplificateur selon la figure 4 en fonction de l'intensité de la lentille thermique dans le plan sagittal; la figure 8 montre la courbe du diamètre de faisceau dans l'amplificateur selon la figure 4 dans le plan tangentiel. Le module d'amplificateur représenté sur la figure 1 sert à amplifier un rayonnement laser, en particulier un faisceau laser collimaté 1, qui est produit par un oscillateur non représenté et a une section de faisceau QKr circulaire dans le présent mode de réalisation exemplaire. Un support monolithique à effet laser réalisé sous forme de cristal laser 2 présente deux surfaces de passage de rayon opposées 3, 4 dont l'une est agencée immédiatement à proximité d'un miroir de pompage 5. Le miroir de pompage 5, qui peut également être réalisé comme un revêtement de surface de la surface de passage de faisceau 4, est transparent pour la longueur d'onde de pompage et hautement réfléchissant pour la longueur d'onde du rayonnement laser. La surface de passage de faisceau optiquement active 3 peut être couverte de façon anti-réfléchissante pour la longueur d'onde de pompage et la longueur d'onde laser en section normale. La longueur d'onde de pompage nécessaire se situe pour le cristal laser 2, réalisé de préférence comme un cristal Nd:YV04 avec un dopage par exemple de 0,5%, entre 803 et 809 nm. Pour le présent mode de réalisation exemplaire, des cristaux avec les dimensions de 1 x 4 x 4 mm 3 sont appropriés. En dehors des cristaux Nd:YV04, d'autres cristaux dopés aux terres rares peuvent être utilisés aussi. Le faisceau laser irradié 1 est d'abord élargi dans un premier plan, le plan tangentiel Etan, au moyen d'une lunette de Galilée à lentilles cylindriques 6 en une section de faisceau elliptique Qel ayant un faible rapport de demi-axe (élargissement de 2 à 3 fois) selon le facteur de grandissement de la lunette 6. En variante, on peut utiliser également une paire de prismes anamorphosiques. Dans la mesure où l'oscillateur met déjà à disposition un faisceau laser elliptique, on peut bien entendu omettre la mise en forme de faisceau côté entrée. Un premier miroir replié 7 placé à la suite dans le chemin optique guide le faisceau laser 1 à travers une lentille cylindrique 8 qui focalise le faisceau laser collimaté 1 dans un deuxième plan, le plan sagittal Esag, dans lequel focalise le cristal laser 2. Le faisceau laser 1 toujours collimaté dans le plan tangentiel Etat, (figure 3) traverse le cristal laser 2, qui est en modes synchronisés par rapport au faisceau de pompage, avec un foyer fortement elliptique Qstel. La lentille cylindrique 8 est agencée éloignée de sa distance focale fuel d'une lentille thermique TL qui apparaît dans le cristal laser 2 de sorte que le col de faisceau qui apparaît se trouve à son niveau (figure 2). Après son deuxième passage à travers la lentille cylindrique 8, le faisceau laser 1 réfléchi dans le miroir de pompage 5 est à nouveau également collimaté dans le plan sagittal Esag avec la même section elliptique qu'avant le premier passage à travers la lentille cylindrique 8. Pour produire le faisceau de pompage, un module laser à diodes 9 est prévu qui contient dans un boîtier rendu étanche non représenté au moins une rangée de diodes laser 10 avec une optique de collimation 11 pour l'axe rapide, une lamelle de retard de phase @,/2 12 en option pour le réglage de la polarisation et une asphère 13 pour focaliser le faisceau de pompage dans le cristal laser 2. Une collimation optimale de l'axe lent pour améliorer la qualité de faisceau de la rangée de diodes laser 10 n'est pas représentée. En outre, il est également possible d'utiliser une lentille sphérique ou un agencement de lentilles sphériques au lieu de l'asphère 13. Le boîtier protège les éléments de module de la poussière, de l'humidité, des vapeurs chimiques, des décharges électrostatiques et des dommages mécaniques. La rangée de diodes laser 10 est fixée par des technologies de montage adaptées sur un corps en cuivre 14 servant de dissipateur thermique. Le faisceau de pompage produit par ces moyens est réalisé de façon fortement elliptique comme le faisceau laser 1, la section de faisceau à l'intérieur du cristal laser 2 pompé de façon quasi longitudinale étant caractérisée par une extension dans le plan sagittal de par exemple 1 #tm à 500 #tm et dans le plan tangentiel de par exemple 0,5 mm à 3 mm. Un faisceau de pompage réalisé ainsi de façon elliptique provoque dans le cristal laser 2 une lentille thermique qui est réalisée dans les plans Esag et Etan mutuellement perpendiculaires avec une intensité différente en raison d'un gradient de température différent en fonction de la direction. Ainsi, les distances focales de la lentille thermique peuvent se trouver dans le plan sagittal Esag, où s'étend également l'axe rapide de la rangée de diodes laser 10, dans une plage de 40 mm à 200 mm et dans le plan tangentiel Eta, de 1000 mm à 4000 mm. En raison de sa longue distance focale, la lentille thermique dans le plan tangentiel Etan possède une fonction de concentration peu gênante en ce qui concerne le faisceau laser 1 à amplifier. Lorsque la distance focale augmente, l'effet peut pratiquement être exclus. Cependant, un faible effet résiduel de la lentille thermique dans le plan tangentiel Etan peut également être compensé de façon simple par des éléments de concentration agencés en plus dans le module d'amplificateur, comme par une lentille cylindrique courbe, convexe et à longue distance focale, ou par une lentille sphérique, ou alors par une réalisation spéciale d'éléments existants. A cet effet, un deuxième miroir replié 15 agencé dans le chemin optique à la sortie du module d'amplificateur peut être utilisé qui permet par réflexion de mettre à disposition le faisceau laser 1, par exemple pour l'étage d'amplificateur suivant. A cet effet, le miroir replié 15 représenté ici en trait discontinu doit être réalisé de façon cylindriquement ou sphériquement convexe et incliné de façon correspondante si nécessaire. En raison de grands rayons de courbure, l'influence du rayonnement dans le plan sagittal Esag n'est que faible lorsque des miroirs sphériques sont utilisés, ce qui ressort de la figure 5. Cela concerne également les lentilles sphériques à longue distance focale puisque dans le plan sagittal Esag, seules des lentilles à courte distance focale déterminent la concentration. Dans tous les cas, une synchronisation indépendante des modes dans le plan tangentiel Eta"est possible en réglant la distance de lentille dans la lunette à lentilles cylindriques 6. Dans la mesure où une correction de l'effet résiduel de la lentille thermique TL n'est pas nécessaire dans le plan tangentiel Eta" ou est effectuée par des lentilles de correction, le deuxième miroir replié 15 peut également être réalisé comme un miroir plan. L'amplificateur à plusieurs étages représenté sur la figure 4 contient un nombre de modules d'amplificateur adapté au nombre d'étages d'amplificateur, les éléments des modules étant identifiés de la même manière que les éléments sur la figure 1. Les modules laser à diodes 9 affectés aux cristaux laser 2 forment le dispositif de pompage pour l'amplificateur. Les rangées de diodes laser 10 individuelles sont exploitées électriquement dans un montage en série à la même température de diode. Il est également possible que plusieurs rangées de diodes laser soient affectées au cristal laser prévu par étage d'amplificateur. Cependant, des agencements avec plusieurs cristaux laser par rangée de diodes laser sont également envisageables. Les moyens de réglage 16 à 22 prévus pour les éléments de concentration servent à établir un état réglé pour l'amplificateur. Etant donné que cet état, ainsi que la distance déterminée par la distance focale f ,,l entre la lentille cylindrique 8 et la lentille thermique, est indépendant de la taille de la lentille thermique forte dans le plan sagittal Esag, d'autres adaptations, en particulier en cas de modification du courant de diode, ne sont pas nécessaires. Alors que la synchronisation des modes sur la figure 1 est effectuée uniquement côté entrée par rapport au module d'amplificateur à l'aide de lentilles cylindriques, sur la base de la symétrie de l'agencement, une synchronisation des modes appropriée est également prévue à la sortie sous la forme d'une lunette à lentilles cylindriques 23 afin de produire des faisceaux mutuellement symétriques à l'entrée et à la sortie. Les cristaux laser 2 exploités largement au-dessous de leur limite de rupture sont fixés à l'aide de technologies d'assemblage adaptées, telles que le brasage, l'estampage dans de l'indium ou le collage sur un dissipateur thermique 24. L'amplificateur à plusieurs étages selon la figure 4 présente les caractéristiques de faisceau représentées sur les figures 5 à 8. En fonction de la distance par rapport à l'oscillateur non représenté, le diamètre de faisceau du faisceau laser 1 dans le plan sagittal Esag est déterminé principalement par l'effet des lentilles cylindriques 8 (figure 5). Plus l'effet des lentilles cylindriques 8 est fort, moins les fluctuations se répercutent dans le système. L'influence des miroirs repliés 15 réalisés de façon sphériquement convexe est corrigée suffisamment par le rapport de distance focale élevé entre les longues distances focales des miroirs dans le plan tangentiel Etan et les courtes distances focales des lentilles cylindriques 9 dans le plan sagittal Esag. Les lentilles thermiques TLsag fortes dans le plan sagittal n'ont pas d'effet gênant sur la propagation du faisceau dans le cristal laser 2 (figure 6) et à la sortie de l'amplificateur (figure 7). Dans les deux cas, une modification de la distance focale des lentilles thermiques fortes TLsag entraine seulement de faibles variations du diamètre de faisceau. Selon la figure 8, le faisceau laser 1 élargi par une lunette à lentilles cylindriques 6 dans le plan tangentiel Etaa traverse des lentilles thermiques faibles TLtan, une correction étant effectuée à l'aide des miroirs repliés 15 réalisés de façon sphériquement convexe. A la sortie de l'amplificateur, un équilibrage a lieu à l'aide de la lunette à lentilles cylindriques 23. Il convient de noter que dans le plan tangentiel Etan, c'est la qualité de faisceau de pompage nettement inférieure de l'axe lent qui prévaut. REVENDICATIONS 1. Amplificateur laser pompé par diode avec au moins un support monolithique à effet laser, qui est traversé par des faisceaux à modes synchronisés d'un rayonnement de pompage et d'un rayonnement laser à amplifier, et dans lequel, suite au rayonnement de pompage irradié, une lentille thermique d'intensité variable apparaît dans des plans mutuellement perpendiculaires, caractérisé en ce que le faisceau (1) du rayonnement laser, focalisé dans le plan à lentille thermique forte, est orienté dans le support à effet laser, un col de faisceau qui apparaît se trouvant au niveau de la lentille thermique (TL). 2. Amplificateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément de focalisation dans le plan à lentille thermique forte sert à la mise en forme du col de faisceau, l'élément étant agencé dans le chemin optique du rayonnement laser éloigné de sa distance focale par rapport à l'emplacement de la lentille thermique (TL). 3. Amplificateur laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise comme source de rayonnement de pompage au moins une rangée de diodes laser (10) dans laquelle des moyens pour collimater l'axe rapide et des moyens pour focaliser le rayonnement de diode en un foyer de pompage elliptique sont prévus pour générer la lentille thermique (TL) réalisée avec une intensité variable dans des plans mutuellement perpendiculaires. 4. Amplificateur laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une collimation de l'axe lent est prévue en outre pour améliorer la qualité de faisceau de la rangée de diodes laser. 5. Amplificateur laser selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une lamelle de retard de phase #,/2 (12) est prévue pour régler la polarisation. 6. Amplificateur laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rayonnement de pompage et le rayonnement laser sont orientés à travers des surfaces de passage de faisceau (3, 4) opposées dans le support monolithique à effet laser et que la surface de passage de faisceau (4) pour le rayonnement de pompage est réalisée de façon hautement réfléchissante pour la longueur d'onde du rayonnement laser, de manière à ce que le rayonnement laser retraverse le support monolithique à effet laser et l'élément de focalisation après une réflexion. 7. Amplificateur laser selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un élément optique avec lentille thermique faible pour élargir le faisceau laser est placé avant l'entrée de l'amplificateur. 8. Amplificateur laser selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une lunette de Galilée à lentilles cylindriques (6) sert d'élément optique. 9. Amplificateur laser selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une paire de prismes anamorphosiques sert d'élément optique. 10. Amplificateur laser selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que dans le chemin optique du rayonnement laser, au moins un élément de concentration est prévu pour compenser la lentille thermique faible dans un plan à la sortie de l'amplificateur. 11. Amplificateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément de concentration est un miroir cylindrique réalisé comme un miroir replié (15) et agencé à la sortie de l'amplificateur. 12. Amplificateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément de concentration est un miroir sphérique réalisé comme un miroir replié (15) et agencé à la sortie de l'amplificateur. 13. Amplificateur laser selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément de concentration est une lentille cylindrique convexe à longue distance focale agencée dans le chemin optique du faisceau laser sortant du support monolithique à effet laser. 14. Amplificateur laser selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément de concentration est une lentille sphérique à longue distance focale agencée dans le chemin optique du faisceau laser sortant du support monolithique à effet laser. 15. Amplificateur selon la revendication 11 à 14, caractérisé en ce que le support monolithique à effet laser est un cristal Nd:YV04 avec un dopage de 0,5%. 16. Amplificateur selon la revendication 15, caractérisé en ce que la longueur d'onde de pompage se situe dans une plage de 803 mn à 809 nm.