Brevet FR2818815A1 — publié le 20020628

Le domaine de l'invention est celui des lasers bicadence pouvant typiquement commuter entre des cadences d'impulsions de l'ordre de quelques dizaines de Hertz à quelques kilohertz. Ces lasers sont notamment utilisés à basse cadence pour des applications de télémétrie, de désignation et à haute cadence pour des applications d'imagerie. De manière générale pour obtenir un fonctionnement à haute cadence de répétition (typiquement supérieure au kilohertz), il est nécessaire de pomper un milieu actif avec des sources et notamment des diodes à émission continue. La cavité laser (milieu actif + miroirs) est alors déclenchée à la cadence de répétition voulue. L'énergie par impulsion est faible mais la puissance moyenne est élevée. La Figure 1 illustre de manière classique une cavité laser émettant à haute fréquence présentant un milieu laser ML, des diodes lasers de pompage à émission continue DC, des miroirs M1 et M2 et un déclencheur D. De même pour obtenir un fonctionnement à basse cadence de répétition, le pompage laser s'effectue à la cadence choisie en utilisant des diodes quasi continues DQ. La cavité est déclenchée par un déclencheur D à la même cadence que celles des diodes de pompage quasi continues. A basse cadence, l'énergie par impulsion est élevée et le gain est fort. Il faut donc adapter les moyens de pompage à la cadence d'émission choisie. Concernant les exigences en matière de thermie il est également nécessaire de tenir compte de la cadence d'émission laser. En effet les cavités laser fonctionnant à haute cadence nécessitent des moyens beaucoup plus puissants pour évacuer l'ensemble de la chaleur créée dans le milieu laser. C'est pourquoi, aujourd'hui les cavités laser sont conçues pour fonctionner soit à haute cadence, soit à cadence plus faible. Dans ce contexte la présente invention propose une cavité laser capable de fonctionner aussi bien à très haute cadence qu'à des cadences nettement plus faibles. Plus précisément l'invention a pour objet un laser pouvant émettre au moins un faisceau laser à une longueur d'onde à une première fréquence d'émission et à une seconde fréquence d'émission nettement inférieure à ladite première fréquence et comportant : - un milieu laser présentant une première face et une seconde face opposée à ladite première face, parallèles à l'axe de propagation du faisceau laser émis ; - des moyens de pompage optique dudit milieu laser pour émettre le faisceau laser ; - des moyens pour définir une cavité laser, caractérisée en ce que : les moyens de pompage comprennent des premiers moyens de pompage du milieu laser en regard de la première face à une première fréquence de pompage du même ordre de grandeur que la première fréquence d'émission et des seconds moyens de pompage du milieu laser, en regard de la seconde face à une seconde fréquence de pompage du même ordre de grandeur que la seconde fréquence d'émission ; - les moyens pour définir la cavité comprenant au moins un premier miroir présentant une très forte réflectivité pour le faisceau laser émis, et un second miroir dit de sortie présentant une réflectivité inférieure à celle du premier miroir, pour le faisceau laser. Selon une variante de l'invention, le laser comprend des moyens pour propager l'onde émise dans le milieu laser alternativement en réflexion totale sur la première face et sur la seconde face. Ces moyens peuvent comprendre des éléments d'indice optique inférieur à celui du milieu laser. La réflexion totale peut également être obtenue par l'angle que font certaines faces du milieu laser avec les première et seconde faces dudit milieu. Avantageusement le laser selon l'invention peut comprendre des premiers et seconds moyens de refroidissement situés de part et d'autre des première et seconde faces dudit milieu laser. Ces moyens peuvent être optimisés pour favoriser l'apparition d'un gradient de thermie dans une direction parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser émis. Le laser selon l'invention peut également avantageusement comprendre des premiers et seconds moyens de guidage des faisceaux de pompage optique, situés entre les première et seconde faces du milieu laser, de manière à homogénéiser le pompage optique dans ledit milieu laser. Avantageusement les moyens de pompage laser sont des diodes laser, pouvant notamment selon les applications visées émettre en continu ou en quasi continu. Selon une variante de l'invention, le milieu laser est en Y2AfsO12 dopé au néodyme encore dénommé Nd : YAG pouvant émettre à 1, 06 um. Les éléments pour assurer la réflexion totale peuvent avantageusement être en silice, et les moyens de guidage des faisceaux de pompage optique peuvent être en saphir. Selon une variante de l'invention, les moyens de refroidissement peuvent être des blocs de cuivre situés en périphérie des première et seconde faces du milieu laser. Selon une variante de l'invention, le laser comprend un troisième miroir de réflectivité très inférieure à celle du second miroir de réflectivité très inférieure à celle du second miroir, de manière à ce que le faisceau émis à plus basse fréquence passe au travers du second miroir et le faisceau émis à fréquence plus élevée passe au travers du troisième miroir. Avantageusement le laser peut comprendre un composant de phase pour sélectionner en sortie un faisceau laser à haute fréquence ou à basse fréquence. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 illustre un exemple de laser selon l'art connu ; - les Figures 2a à 2c illustrent des exemples de configuration de milieu laser permettant d'entrelacer ou de replier le faisceau laser dans le milieu laser ; - ! a Figure 3a et 3b illustrent des exemples de laser selon l'invention comportant des moyens de refroidissement du milieu laser ; - la Figure 4 illustre une configuration de laser selon l'invention comportant des moyens de guidage des faisceaux optiques de pompage ; - les Figures 5a et 5b illustrent des configurations de laser selon l'invention comportant des moyens de refroidissement optimisés en fonction des fréquences de pompage optiques ; - la Figure 6 illustre un exemple de configuration de moyens de guidage, striés pour réduire les déformations à la chaleur ; - ! a Figure 7 illustre un exemple de laser selon l'invention comportant des moyens annexes de refroidissement ; - ! a Figure 8 illustre une structure optimisée selon l'invention dans le cadre d'un laser bicadences émettant à 1,06 um ; ! a Figure 9 illustre une structure optimisée selon l'invention utilisant des moyens de refroidissement dans le cadre d'un laser bicadences émettant à 1,06 um ; - les Figure 10a et 10b illustrent des déformations sous la chaleur du milieu ML ; - La Figure 11 illustre un exemple de laser selon l'invention comprenant un milieu laser inséré dans une cavité laser définie par des miroirs. De manière générale le laser selon l'invention comprend un milieu laser, pompé par au moins des premier et second moyens de pompage optique, introduits dans une cavité laser définie par des miroirs. Nous allons décrire ci-après différentes architectures de milieu laser permettant une amplification satisfaisante du faisceau laser dans le milieu laser. Selon une première variante illustrée en Figure 2a le milieu laser ML comprend une première face 1 et une seconde face 2, en regard desquelles sont situées respectivement des premiers moyens de pompage optique MP1 et des seconds moyens de pompage optique MP2. Selon cette variante le milieu laser comprend des faces 3 et 4 perpendiculaires aux faces 1 et 2, lesdites faces 3 et 4 comportant des portions réfléchissantes permettant d'amplifier le faisceau laser dans le milieu laser, en lui imposant des trajets multiples dans le milieu laser. Selon une seconde variante de l'invention illustrée en Figure 2b, le milieu laser ML comporte des faces 3 et 4 biseautées par rapport aux faces 1 et 2, de façon à ce que le faisceau laser se propage en réflexion totale à l'intérieur du milieu laser. Pour obtenir cette réflexion totale les faces 3 et 4 sont taillées à l'angle de Brewster. Cette configuration permet également une amplification dans le milieu laser. De manière générale le double pompage optique dans le milieu laser génère un échauffement dudit milieu et des moyens de refroidissement peuvent avantageusement être prévus pour évacuer au maximum la chaleur à l'extérieur du milieu laser. La Figure 3a illustre un exemple de configuration comportant des premiers moyens de refroidissement MR1 et des seconds moyens de refroidissement MR2 situées en périphérie du milieu laser ML et plus précisément le long des surfaces 1 et 2 en regard des moyens de pompage MP1 et MP2. Les moyens de refroidissement ici représentés sont des paires de plaques situées en amont et en aval des moyens de pompage, de manière à évacuer la chaleur sans perturber le pompage optique. Les plaques sont constituées de matériau bon conducteur thermique, il peut notamment s'agir de cuivre. Pour augmenter l'évacuation de chaleur au travers des éléments bons conducteurs thermiques, il peut être intéressant de prévoir des canaux à l'intérieur de ces éléments pour faire circuler un fluide de refroidissement au travers desdits canaux. Un exemple de canaux de refroidissement sera illustré ultérieurement. La Figure 3b illustre un exemple de laser comportant des éléments de refroidissement ER1 et ER2, permettant de conduire la chaleur jusque dans les moyens de refroidissement MR1 et MR2, pour éviter les effets de bords. Ces éléments de refroidissement comprennent une géométrie adaptée par exemple en forme de T pour éviter efficacement les effets de bords. Selon cette configuration les moyens de refroidissement MR1 et MR2 peuvent être directement rapportés sur les éléments ER1 et ER2. Selon cet exemple le milieu laser peut en outre comprendre des revêtements l'et 2'd'indice faible sur les faces 1 et 2 de manière à assurer la réflexion totale pour le faisceau laser qui se propage dans le milieu laser comme cela a été indiqué précédemment. Le pompage optique du milieu laser peut être réalisé directement au niveau du milieu laser, mais peut également avantageusement, comprendre des guides de lumière pour diffuser un pompage homogène au niveau des faces 1 et 2 du milieu laser. La Figure 4 illustre une variante dans laquelle il est prévu des moyens de guidage MPg1 et MPg2 qui sont des parallélépipèdes accolés au milieu laser ML. Avantageusement ces moyens de guidage MPg1 et MPg2 peuvent comprendre sur leur pourtour des revêtements de faible indice l'et 2' (exceptés sur les surfaces en regard des moyens de pompage) pour assurer la réflexion totale des faisceaux optiques de pompage à l'intérieur des moyens de guidage d'une part et d'autre part assurer la réflexion totale du faisceau laser à l'intérieur du milieu laser. Selon cette variante les moyens de refroidissement MR1 et MR2 sont situés sur des surfaces supérieures et inférieures des parallélépipèdes MPg1 et MPg2, surfaces situées dans les mêmes plans que les surfaces supérieure 7 et inférieure 8 du milieu laser. Il est à noter qu'avantageusement les faces 7 et 8 peuvent être dépolies pour éviter des oscillations parasites dans le milieu laser. Selon l'invention un unique milieu laser peut être pompé par des moyens de pompage optiques émettant à des fréquences plus ou moins élevées. Il est donc important d'optimiser les moyens de refroidissement aux différentes quantités de chaleur pouvant être emmagasinées dans le milieu laser. En considérant les moyens de pompage optique MP1 émettant à très haute fréquence, voire en continu et les moyens de pompage optique MP2 émettant à une fréquence moins élevée, les moyens de refroidissement MR, et MR2 sont dimensionnés pour avoir respectivement des surfaces de contact plus élevées et moins élevées avec le milieu laser, la Figure 5a illustre ce dimensionnement avec les longueurs W1 et W2, W1 étant supérieure à W2. La Figure 5b illustre une configuration dans laquelle les éléments de refroidissement MR, et MR2 sont en contact avec les moyens de guidage MPg1 et MPg2, les surfaces de contact entre les moyens MR1 et les moyens MPg, étant supérieures aux surfaces de contact entre les moyens MR2 et les moyens MPg2. Par ailleurs des canaux Ci et des canaux C2 sont prévus respectivement dans les moyens de refroidissement MR1 et MR2 pour faire circuler un fluide de refroidissement. Les moyens de guidage peuvent être joints au milieu laser par contact purement mécanique, mais il peut être très avantageux de les unir par l'intermédiaire d'une colle qui va absorber les différences de contraintes de déformation à la chaleur entre les deux milieux. De même pour éviter des déformations à la chaleur trop importantes, les barreaux de guidage MPg1 et MPg2 peuvent être striés comme illustré en Figure 6, pour créer des zones de dissipation thermique selon une autre direction perpendiculaire à l'axe Z. Dans l'ensemble des configurations présentées précédemment il est prévu des moyens de refroidissement efficaces au niveau des faces 1 et 2 du milieu laser, il peut être également intéressant de prévoir des moyens annexés de refroidissement au niveau des faces supérieure et inférieure 7 et 8, comme le montre la Figure 7 sur laquelle sont prévus des moyens de refroidissement annexes MR7 et MR8. Nous allons décrire l'invention dans le cadre d'un barreau laser Nd : YAG pompé d'une part par des diodes lasers continues, d'autre part par des diodes lasers. Le parallélépipède de Nd : YAG peut avantageusement être accolé à deux barreaux de saphir correspondant aux moyens de guidage, les revêtements l'et 2'permettant d'assurer la réflexion totale étant en silice. Les moyens de refroidissement peuvent être des barreaux de cuivre comportant des canaux dans lesquels on peut faire circuler de l'eau. Avantageusement les barreaux de cuivre sont joints aux barreaux de saphir par un joint d'indium servant notamment de conducteur thermique. Il est à noter que les distances entre moyens de pompage et milieu laser, peuvent être optimisées en tenant compte de la géométrie et donc de la divergence propre de chacun des moyens de pompage. Typiquement les dimensions 1, 2, (3 de la Figure 5a peuvent être égales à 7 mm, les dimensions W1 et W2 étant dans ce cas respectivement de 5.5 et 3.5 mm. Une structure optimisée est donnée en Figure 8. Les moyens de pompage MP1 sont des diodes laser émettant en continu et, séparées du barreau de saphir d'une distance a1 égale à 0,5 mm. Les moyens de pompage MP2 sont des diodes laser émettant en quasi-continu et séparées par une distance a2 égale à 1,5 mm. De manière optimisée les dimensions L1 et L2 sont égales à 9 mm. Les diamètres des canaux de circulation d'eau sont égaux à 3 mm. Les dimensions d1 et d2 sont égales à 7,85 mm. Les dimensions ei et e2 sont égales à 0,2 mm. Selon cette configuration la structure ne comprend pas de moyens annexes de refroidissement où pour éviter le gradient de température selon l'axe Y, on isole avec un gap d'air comme illustré en Figure 8. En maintenant des gradients thermiques horizontaux, il y a compensation avec la propagation en zig zag du faisceau laser en réflexion totale sur les faces supérieure et inférieure 7 et 8. La Figure 9 illustre une autre configuration optimisée dans laquelle sont prévus des moyens de refroidissement annexes. Des petites plaques de cuivre sont prévues comme moyens de refroidissement annexes. En effet on cherche toujours à minimiser le gradient de température du centre du milieu laser vers les faces supérieure et inférieure. Cependant comme l'illustrent les Figures 10a et 10b, l'échauffement au centre du milieu laser crée des dilatation et des déformations que l'on cherche à minimiser et notamment en accolant des plaques de cuivre MR7 et MR8. Les moyens de refroidissement annexes MR7 (kr8) sont respectivement joints au milieu laser ML par des petits éléments conducteurs mR7 (mR8) qui drainent la chaleur vers lesdits moyens annexes MR7 (MR8). Puis des éléments conducteurs M'R7 (M'R8) viennent également drainer la chaleur pour l'évacuer vers les moyens de refroidissement MR1 (MR2). Typiquement les petits éléments de refroidissement mR7 (mR8) peuvent être des éléments d'indium découpés à façon, les éléments M'R7 (M'R8) peuvent être des tresses de cuivre souple, permettant de drainer la thermie. La Figure 11 Illustre un exemple de cavité laser comprenant le milieu laser ML inséré entre des miroirs M1, M2, M3. Le miroir M2 peu réfléchissant permet de sélectionner une oscillation laser à gain très élevé correspondant à l'émission d'un faisceau laser à basse fréquence, alors que le miroir M3 très réfléchissant permet de sélectionner une oscillation laser à plus faible gain, correspondant à l'émission d'un faisceau laser à fréquence plus élevée. Pour sélectionner en sortie un faisceau laser à haute fréquence, ou à basse fréquence, le laser peut comprendre un composant de phase type lame de phase LP qui permet ainsi de diriger le faisceau laser soit vers le miroir M2 soit vers le miroir M3 ; le miroir m permettant de diriger le faisceau laser en direction du miroir M2. REVENDICATIONS 1. Laser pouvant émettre au moins un faisceau laser à une longueur d'onde (.) à une première fréquence d'émission et à une seconde fréquence d'émission nettement inférieure à ladite première fréquence et comportant : - un milieu laser (ML) présentant une première face (1) et une seconde face (2) opposée à ladite première face, parallèles à l'axe de propagation (Z) du faisceau laser émis ; - des moyens de pompage optique dudit milieu laser pour émettre le faisceau laser ; - des moyens pour définir une cavité laser caractérisée en ce que : les moyens de pompage comprennent des premiers moyens de pompage (MP1) du milieu laser en regard de la première face (1) à une première fréquence de pompage du même ordre de grandeur que la première fréquence d'émission et des seconds moyens de pompage (MP2) du milieu laser, en regard de la seconde face (2) à une seconde fréquence de pompage du même ordre de grandeur que la seconde fréquence d'émission ; - les moyens pour définir la cavité comprenant au moins un premier miroir présentant une très forte réflectivité pour le faisceau laser émis, et un second miroir dit de sortie présentant une réflectivité inférieure à celle du premier miroir, pour le faisceau laser. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour propager le faisceau laser dans le milieu laser, alternativement en réflexion totale sur la première face et sur la seconde face. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu laser comprend une troisième face (3) et une quatrième face (4) perpendiculaires aux première et seconde faces, lesdites troisième et quatrième faces étant partiellement réfléchissantes au faisceau laser de manière à générer des trajets multiples dudit faisceau laser dans le milieu laser. 4. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu laser comprend une troisième face (3) et une quatrième face (4) à deux extrémités du milieu laser, orientées par rapport aux première et seconde faces (1,2) de manière à propager l'onde émise en réflexion totale dans le milieu laser, lesdites troisième et quatrième faces faisant un angle non nul, égal à l'angle de Brewster par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de propagation (Z). 5. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu laser comprend une troisième face (3) située dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau laser, à une extrémité du milieu laser et des cinquième et sixième faces (5,6) situées à l'extrémité opposée du milieu laser, lesdites cinquième et sixième faces étant orientées par rapport à l'axe de propagation pour réaliser la propagation du faisceau laser, en réflexion totale dans le milieu laser. 6. Laser selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la trosième face (3) est réfléchissante pour le faisceau laser, de manière à augmenter le nombre de trajets du faisceau laser dans le milieu laser. 7. Laser selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que certaines des faces sont recouvertes d'un matériau dont l'indice est plus faible que celui du milieu laser, de manière à assurer la réflexion totale du faisceau laser dans le milieu laser au niveau desdites faces. 8. Laser selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens (MR1) et des seconds moyens (MR2) de refroidissement situés de part et d'autre desdites première et seconde faces du milieu laser. 9. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens de refroidissement sont des éléments métalliques situés en périphérie des première et seconde faces du milieu laser. 10. Laser selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers et seconds moyens de guidage (MPig, MP2g) des faisceaux de pompage optique, situés entre les moyens de pompage optique (MP1, MP2) et les première et seconde faces (1,2) du milieu laser, de manière à homogénéiser le pompage optique dans ledit milieu laser. 11. Laser selon la revendication 10, caractérisé en ce que les premier et second moyens de guidage sont des blocs assemblés de part et d'autre du milieu laser, au niveau des première et seconde faces dudit milieu laser. 12. Laser selon les revendications 9 et 11, caractérisé en ce que les plaques métalliques sont assemblées à la périphérie des blocs eux-mêmes assemblés de part et d'autre du milieu laser au niveau des première et seconde faces. 13. Laser selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement ont des surfaces de contact avec les moyens de guidage de pompage optique situées dans un plan parallèle à la direction de propagation de l'onde optique émise, et perpendiculaires aux première et seconde faces. 14. Laser selon la revendication 13, caractérisé en ce que la surface de contact du premier moyen de refroidissement sur le premier moyen de guidage de pompage optique est supérieure à la surface de contact du second moyen de refroidissement sur le second moyen de guidage de pompage optique. 15. Laser selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que les premier et second moyens de refroidissement comprennent des canaux dans lesquels peuvent circuler un fluide de refroidissement. 16. Laser selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement annexes (MR7, MR8) situés au niveau des septième et huitième faces du milieu laser et correspondant aux faces dites supérieure et inférieure. 17. Laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que les blocs sont striés selon une direction parallèle à la direction de pompage optique, de manière à faciliter la dissipation thermique. 18. Laser selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en de que les moyens de pompage sont des diodes laser. 19. Laser selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième miroir de réflectivité très inférieure à celle du second miroir, de manière à ce que le faisceau émis à plus basse fréquence passe au travers du second miroir, le faisceau émis à fréquence plus élevée passe au travers du troisième miroir. 20. Laser selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le milieu laser est en Y2AO12 dopé au néodyme émettant à 1, 06 um. 21. Laser selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments métalliques en cuivre, constitutifs des moyens de refroidissement. 22. Laser selon l'une des revendications 20 ou 21, caractérisé en ce qu'il comprend des blocs en saphir pour guider les faisceaux optiques de pompage. 23. Laser selon l'une des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que les première et seconde faces comprennent un revêtement en silice, pour assurer la réflexion totale au niveau desdites faces, de l'onde émise. 24. Laser selon l'une des revendications 22 ou 23, caractérisé en ce que les blocs en saphir comprennent une revêtement en silice pour assurer la réflexion totale des faisceaux optiques de pompage sur les faces desdits blocs comportant ce revêtement.