Brevet FR2860606A1 — publié le 20050408

CONVERTISSEUR MULTIMODE-MONOMODE, EN PARTICULIER POUR SOURCE LASER A FIBRE AMPLIFICATRICE MULTIMODE La présente invention se rapporte à un convertisseur multimode-5 monomode et, le cas échéant, correcteur de polarisation, en particulier pour une source laser à fibre optique amplificatrice multimode. De nombreuses activités industrielles nécessitent des sources laser état solide pouvant fournir une puissance supérieure à 1 kilowatt. Des sources approchant de telles performances ont déjà été réalisées à partir de io barreaux en Nd:YAG pompés par des diodes laser. Deux types d'architecture de sources laser permettent d'obtenir de telles puissances: soit une source à oscillateur de puissance unique, soit une source à configuration dite MOPA comportant un oscillateur laser maître associé à des amplificateurs. Avec cette configuration, dans laquelle l'amplificateur est constitué d'une unique fibre optique monomode, on a pu obtenir une puissance, en régime continu, de plusieurs centaines de Watts. Cette puissance n'est limitée que par les seuils de dommages pouvant être causés à la fibre et par l'apparition d'effets non linéaires parasites dans le faisceau laser produit. La présente invention part de la configuration MOPA à laser à fibre optique pompée et comprenant un oscillateur laser monomode spatial à cohérence suffisante, de préférence monofréquence, transmettant un faisceau monomode à une première extrémité d'une fibre optique amplificatrice dopée et pompée. Comme précisé ci-dessus, si la fibre optique était monomode, on ne pourrait pas obtenir une puissance suffisante de la source laser ainsi constituée. Si cette fibre amplificatrice était multimode, à grand diamètre de coeur, on pourrait augmenter nettement la puissance délivrée par la source, par exemple une puissance supérieure à 1 kW. De plus, les fibres optiques multimodes sont bien adaptées au régime impulsionnel, avec des impulsions d'une largeur de l'ordre de quelques nanosecondes. Cependant, l'inconvénient de telles fibres optiques est que le faisceau obtenu à la sortie de ces fibres est multimode, c'est-à-dire que sa qualité spatiale est fortement dégradée, et, de plus, ce faisceau est dépolarisé. La présente invention a pour objet un dispositif qui permette, dans une source de type MOPA, de profiter des avantages de la fibre optique multimode, tout en convertissant le faisceau multimode spatial issu de la fibre optique amplificatrice en un faisceau monomode spatial. On connait un convertisseur de ce type d'après le brevet français 2 811 485. Le blocdiagramme d'une source laser comportant un tel convertisseur est représenté en figure 1. Cette source comprend essentiellement un oscillateur laser monomode 1 dont le faisceau de sortie traverse une lame dichroïque 2 et une lentille de focalisation 3. La lentille 3 envoie ce faisceau dans une fibre optique multimode amplificatrice 4 pompée par plusieurs ensembles 5 de diodes laser de pompage transversal et/ou par un ensemble de diodes de io pompage transversal, référencé 5A, qui projette son faisceau sur la lame 2 et est ainsi combiné au faisceau issu de l'oscillateur 1. Le faisceau multimode amplifié dépolarisé sortant de la fibre 4 passe par une lentille de collimation 6. Le faisceau 8a ainsi collimaté est envoyé dans un dispositif 7 convertisseur de mode et correcteur de polarisation. II sort du convertisseur 7 un faisceau 8b monomode et polarisé. Ce dispositif 7 comporte un milieu holographique dans lequel le faisceau multimode incident interfère avec un faisceau de référence monomode prélevé sur le laser oscillateur au moyen d'une lame séparatrice et envoyé au dispositif 7 via une fibre optique schématisée par une liaison 1A en trait interrompu (qui sera supprimée grâce au dispositif de l'invention, comme on le verra ci- dessous). De cette interaction résulte un transfert de l'énergie du faisceau multimode amplifié issu de la fibre 4 vers le faisceau monomode. L'inconvénient de ce dispositif est que le faisceau multimode peut subir des fluctuations de phase lorsqu'il traverse la fibre amplificatrice. Ces fluctuations sont provoquées par des effets thermiques. Ainsi, la différence de phase entre le faisceau multimode issu de la fibre amplificatrice et le faisceau monomode prélevé sur le faisceau de sortie de l'oscillateur laser peut varier rapidement dans le temps. Si le milieu holographique a un temps de réponse trop lent, il peut ne pas avoir le temps de s'adapter à ces fluctuations, et le transfert d'énergie du faisceau multimode vers le faisceau monomode peut ne pas se faire ou être très instable. La présente invention a pour objet un perfectionnement de la source laser de type MOPA du brevet précité, et en particulier un convertisseur qui permette d'obtenir un faisceau laser monomode de puissance élevée (supérieure à 1 kW) à partir d'un faisceau laser multimode, avec le minimum possible de pertes de conversion, et qui permette, le cas échéant, de polariser un tel faisceau, s'il est dépolarisé. La présente invention a également pour objet une source laser de puissance du type MOPA, qui ne soit pas influencée par les effets de variations thermiques pouvant affecter la fibre optique amplificatrice, et qui permette d'utiliser une fibre amplificatrice à grand diamètre de coeur._ __ Le convertisseur conforme à l'invention, du type recevant un faisceau laser incident multimode de puissance, est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de prélèvement et de filtrage spatial d'une fraction du faisceau io multimode incident et un dispositif de recombinaison recevant le faisceau incident prélevé et celui à partir duquel il a été prélevé. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif de prélèvement comporte une lame séparatrice de faisceaux, et le dispositif de filtrage spatial est distinct du dispositif de prélèvement. Ce dispositif de filtrage comporte avantageusement deux lentilles convergentes coaxiales dont un foyer est commun, un trou de filtrage spatial étant disposé à ce foyer commun. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre 20 d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - La figure 1, déjà décrite ci-dessus, est un bloc-diagramme d'une source laser de puissance de l'art antérieur, Les figures 2 à 4 sont des bloc- diagrammes de trois modes de réalisation d'un convertisseur conforme à l'invention. La présente invention est décrite ci-dessous en référence à une source laser de puissance de type MOPA (le convertisseur de l'invention est ici destiné à remplacer le convertisseur 7 de la figure 1, les autres éléments de la figure 1 étant inchangés, et la liaison 1A étant supprimée, grâce au fait que le faisceau de référence est prélevé sur le faisceau d'entrée du convertisseur, comme précisé ci-dessous), mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans différentes autres applications nécessitant de convertir un faisceau laser multimode et/ou dépolarisé en un faisceau monomode et/ou polarisé, respectivement. Le convertisseur 9 représenté en figure 2 reçoit un faisceau 10 multimode (similaire au faisceau 8a de la figure 1). Ce faisceau 10 arrive sur une lame séparatrice 11. La majeure partie du faisceau 10 traverse la lame 11 (pour donner le faisceau 10A), tandis qu'une fraction 10B (cette fraction est optimisée en fonction du choix du milieu holographique du convertisseur et de la_qualité spatiale_du_faisceau multimode 10. A titre d'exemple, cette fraction est de 1/100, mais peut être avantageusement comprise entre 1/10 et 1/1000) est réfléchie vers un miroir 12, qui la réfléchit à son tour vers un dispositif 13 de filtrage spatial. Dans le présent exemple, le dispositif 13 io comporte deux lentilles convergentes 14 et 15 et une plaque opaque 16 au centre de laquelle a été percé un trou 17, dont le diamètre est choisi pour obtenir un faisceau monomode à la sortie de ce trou. Les deux lentilles 14 et 15 ont le même axe optique, et le foyer image de la première est confondu avec le foyer objet de la seconde, le trou 17 étant placé à ce foyer commun. Ce faisceau 18 est envoyé sur un dispositif non linéaire 19. Ce dispositif est, par exemple, un cristal photoréfractif tel que du RhBaTiO3. II constitue un milieu holographique Le faisceau 10A se réfléchit sur un miroir 20 qui le renvoie vers le milieu holographique 19 de telle façon qu'il interfère avec le faisceau 18. Ce faisceau 18 est le faisceau de référence de la figure d'interférence ainsi créée. Grâce au fait que le faisceau de référence est prélevé sur le faisceau incident 10, les deux faisceaux qui interfèrent entre eux (10A et 18) restent en phase entre eux, quelles que soient les fluctuations thermiques de la fibre optique (fibre 4 de la figure 1). La figure d'interférence entre ces deux faisceaux dans le milieu holographique 19 est bien stable, ce qui permet l'écriture d'un hologramme, et donc un transfert énergétique efficace du faisceau multimode 10A vers le faisceau monomode 18. On notera que le faisceau 18 doit interférer avec le faisceau 10A sur toute la longueur du milieu 19, ce qui impose une cohérence suffisante pour le faisceau incident 10. Bien entendu, le coefficient de réflexion de la lame séparatrice 11 doit être optimisé afin d'obtenir la puissance maximale pour le faisceau de sortie 21. En effet, si le faisceau 10B reçoit trop de puissance, une partie importante de la puissance du faisceau 10 est perdue. Pour éviter cela, il faut envoyer le moins de puissance possible vers le miroir 12. Il ne faut toutefois pas que le déséquilibre en puissance entre les faisceaux 18 et 10A soit trop important, sinon le transfert de puissance de 10A vers 18 ne serait pas assez efficace. Le mode de réalisation représenté en figure 3 permet d'éviter de perdre de la puissance par le filtrage à l'aide d'un trou. Selon ce mode de _réalisation, le convertisseur 22 reçoit un faisceEuincident23 (qui peut être le même que le faisceau 10 de la figure 2) qui est envoyé sur une lame parfaitement transparente 24, au centre approximatif de laquelle est formé un point fortement réfléchissant 25. Le faisceau 26 réfléchi par le point 25 est io envoyé sur un miroir 27, qui le renvoie vers un dispositif non linéaire 28, identique ou similaire au dispositif 19. Le faisceau 29, qui représente la partie du faisceau 23 ayant traversé la lame 24 (la partie qui n'a pas rencontré le point 25) arrive sur un miroir 30, et est renvoyé par une lentille convergente 31 vers le dispositif non linéaire 28 pour y interférer avec le faisceau 26, et produire à la sortie du dispositif 28 un faisceau 32 monomode. En variante de l'invention, la lame 24 peut être très fortement réfléchissante, sauf une zone de sa partie centrale qui est fortement transmissive. Dans ce cas, le faisceau réfléchi par la lame est le faisceau multimode, tandis que le faisceau qui la traverse est le faisceau monomode de référence. Le fonctionnement général de cette variante est le même que celui du dispositif de la figure 3. Le point réfléchissant 25 est avantageusement de forme circulaire, de même que la lame 24, comme représenté sur la vue agrandie de la figure 3, et son diamètre est choisi pour coïncider avec la taille moyenne d'un grain de tavelure ( Speckle en anglais) qui se forme à sa surface et qu'il renvoie vers le miroir 27. Le positionnement de la lame 24 par rapport au faisceau incident 23 doit être optimisé pour extraire du faisceau un seul tel grain en totalité. De façon avantageuse, on peut disposer sur le trajet du faisceau 26 une plaque opaque dans laquelle est formé un trou de filtrage à travers lequel on fait passer ce faisceau, pour en améliorer la qualité spatiale. Le milieu holographique 28 fonctionne de la même façon que le milieu 19 de la figure 2. II permet de transférer l'énergie du faisceau multimode 29 au faisceau monomode 26. Le faisceau de sortie 32 est monomode. Pour que les deux faisceaux envoyés sur le dispositif non linéaire 19 ou 28 puissent interférer entre eux et aboutir à l'amplification du faisceau monomode prélevé sur le faisceau multimode incident, il faut, dans la plupart des cas, que ces deux faisceaux soient polarisés linéairement, parallèlement à un axe privilégié du cristal du dispositif non linéaire 19 ou 28. Or, l'application décrite en référence à la figure 1 comporte une fibre optique amplificatrice multimode qui dépolarise la lumière. Par conséquent, dans une telle application, le faisceau_incident_(10 _ou 23) est dépolarisé. Pour pouvoir produire dans le cristal non linéaire les interférences décrites ci-dessus, il faut alors disposer sur le trajet du faisceau incident un polariseur, ce qui fait perdre environ la moitié de l'énergie de ce faisceau. Le convertisseur décrit ci-dessous en référence à la figure 4 permet de résoudre ce problème sans pratiquement aucune perte d'énergie. Le dispositif convertisseur 33 de la figure 4 reçoit un faisceau incident 34 qui est à la fois multimode et dépolarisé. Ce faisceau est envoyé sur un cube séparateur de polarisations 35. Un faisceau de sortie 36 du cube 35 a une première polarisation ( par exemple une polarisation horizontale, qui se trouve dans le plan du dessin), et l'autre faisceau de sortie 37 a une polarisation orthogonale à la première (une polarisation verticale se trouvant dans un plan perpendiculaire au plan du dessin, pour le présent exemple). Ce faisceau de sortie 37 est réfléchi, par exemple orthogonalement par rapport à la direction du faisceau incident 34, par le cube 35. Le faisceau 36 est envoyé vers un dispositif convertisseur 38, qui peut être celui de la figure 2 ou celui de la figure 3. Dans le présent exemple, le dispositif 38 est identique à celui de la figure 3. Il comporte une lame 39 identique à la lame 24 et comportant un point réfléchissant 39A, un miroir 40 réfléchissant le faisceau 41 ayant traversé la lame 39 vers un cristal non linéaire 42, et un miroir 44 disposé sur le trajet du faisceau 43 réfléchi par le point réfléchissant de la lame 39, ce miroir 44 renvoyant le faisceau 43 vers le cristal 42. Le faisceau 37 est réfléchi par un miroir 45 vers une lame demi-onde. Le faisceau 47 sortant de la lame 46 est réfléchi par un miroir 48 vers le cristal 42. Bien entendu, les miroirs 40, 44 et 48 sont disposés de telle façon que les trois faisceaux 41, 43 et 47 convergent en un point unique dans le cristal 42, et que les faisceaux 41 et 47 fassent entre eux un angle faible lors de l'incidence sur le cristal 42. Cet angle a avantageusement une valeur typiquement inférieure à quelques degrés pour un cristal en BaTiO3. On notera que, grâce à la lame demi-onde 46, le faisceau 47 a la même polarisation que le faisceau 41 (horizontale, dans le présent exemple). Les deux faisceaux multimodes 41 et 47, qui ont la même polarisation, transfèrent, dans le cristal 42, leur énergie au faisceau monomode 43 (qui a la même polarisation qu'eux), et on obtient à la sortie du cristal 42 un faisceau 49 transportant pratiquement la même énergieque lefaisceau34, mais qui est monomode et qui a une polarisation déterminée. Par conséquent, le dispositif convertisseur de l'invention, qui peut être l'un des convertisseurs des figures 2 à 4, peut être avantageusement utilisé à i0 la place du dispositif 7 de la figure 1, et peut convertir avec un très bon rendement un faisceau multimode dépolarisé en un faisceau monomode polarisé (cas du convertisseur de la figure 4, s'il s'agit d'un faisceau incident dépolarisé). Dans un exemple de réalisation, les paramètres principaux des éléments utilisés pour réaliser un convertisseur étaient les suivants, pour obtenir en sortie une puissance continue supérieure à 1 kW, à une longueur d'onde de 1064 nm: - Oscillateur: laser Nd:YAG pompé par diodes monomodes, monofréquence et délivrant une puissance d'environ 1 W, - Amplificateur à fibre optique dopé en Yb et pompé par des diodes laser, et ayant un gain de 30 dB, Puissance de pompage: 2 à 2,5 kW, Cristal non linéaire: BaTiO3 dopé Rh ou LiNbO3 ou Sn2P2S6. REVENDICATIONS 1. Dispositif convertisseur multimode-monomode pour faisceau laser multimode incident, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif 5 de prélèvement (11, 24, 39) et de filtrage spatial (13, 25, 39A) _ d'une fraction du faisceau multimode-incident-et- un- dispositif de recombinaison (19, 28, 24) recevant le faisceau prélevé et le faisceau incident à partir duquel il a été prélevé. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le io dispositif de recombinaison est un cristal non linéaire dans lequel interfèrent le faisceau incident, après prélèvement, et le faisceau prélevé. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de prélèvement comporte une lame séparatrice de 15 faisceaux (11). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage spatial (13) est distinct du dispositif de prélèvement (11). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage spatial comporte deux lentilles convergentes coaxiales (14, 15) dont un foyer est commun, un masque (16) à trou de filtrage spatial (17) étant disposé à ce foyer commun. 6. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de prélèvement fait également office de dispositif de filtrage spatial (24, 39). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de prélèvement est une lame transparente sur laquelle est formé un point réfléchissant (25, 39A). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 30 en ce qu'en outre, pour polariser un faisceau incident dépolarisé, il est disposé sur l'un des trajets de sortie d'un dispositif séparateur de faisceaux (35), une lame quart d'onde (46) étant disposée sur l'autre trajet de sortie, le faisceau issu de la lame quart d'onde étant dirigé vers le dispositif de recombinaison (42). 9. Source laser de puissance, du type comportant un oscillateur laser monomode (1), un amplificateur à fibre optique (4) à pompage (5, 5A), et un dispositif convertisseur multimode- monomode (7), caractérisée en ce que le dispositif convertisseur est conforme à celui de l'une des revendications précédentes. io