Brevet FR2866161A1 — publié le 20050812

Tête de pompage pour amplificateur optique à effet laser La présente invention concerne une tête de pompage pour amplification optique à effet laser ainsi qu'un amplificateur laser et un 5 oscillateur laser équipé d'une telle tête de pompage. Dans le domaine des amplificateurs optiques à effet laser, et notamment pour la réalisation de lasers solides de forte puissance, il est connu d'utiliser des têtes de pompage avec des milieux amplificateurs optiques, ou "slabs" selon l'expression anglo-saxonne, formés d'un bloc 1 o généralement de forme sensiblement parallélépipédique, en matériau laser de type cristal de Grenat d'Ytrium et d'Aluminium (ou YAG), dopé par des ions terre rare. La figure 1 représente un exemple d'un tel milieu amplificateur 1. Il comprend de façon connue un bloc en matériau laser dopé, sensiblement parallélépipédique, avec une face d'entrée 10, une face de sortie 11, quatre faces latérales 121 à 124, dont deux faces latérales principales en vis-à-vis sensiblement parallèles, notées 121 et 122 sur la figure 1. Sur la figure 1, sont également représentés des moyens de pompage 2 agencés sur une desdites faces principales (121), appelée dans la suite face principale de pompage, et destinés à former dans le milieu amplificateur une zone de pompage 3 formant une bande qui s'étend de ladite face principale de pompage jusqu'à la face en vis-à-vis, et dans laquelle un faisceau optique à amplifier 4, incident sur la face d'entrée, est destiné à se propager jusqu'à la face de sortie. On note z l'axe principal de propagation du faisceau (appelé axe longitudinal), et x et y les axes orthogonaux à l'axe longitudinal z, situés dans des directions respectivement transverse à la zone de pompage et parallèle à celle-ci. Un bloc de refroidissement 5 est prévu pour le refroidissement de la face en vis-à-vis de la face principale de pompage. Les figures 2A et 2B représentent de façon schématique la répartition d'énergie de pompage dans le milieu amplificateur, vue selon deux coupes longitudinales du milieu amplificateur, respectivement la coupe longitudinale AA dans le plan yz (figure 2A) et la coupe longitudinale BB dans le plan xz (figure 2B). Le flux de pompage Fp est absorbé par le milieu amplificateur et permet d'exciter les atomes du matériau à l'origine de l'effet laser. Cependant, l'efficacité du processus de pompage restant faible, une partie du flux lumineux est dissipé à l'intérieur du milieu sous forme de 2866161 2 chaleur. Dans la direction y parallèle à la zone de pompage 3, le flux lumineux de pompage absorbé par le milieu amplificateur est maximal à proximité de la face de pompage 121, résultant en un gradient thermique entre la face principale de pompage et la face en vis-à-vis représenté sur la figure 2A par une flèche référencée T . Dans la direction x transverse à la zone de pompage, la répartition de l'énergie de pompage présente une forme quasi- gaussienne avec un maximum au centre, et une atténuation sur les bords, comme cela apparaît sur la figure 2B. Les gradients thermiques créés dans les deux directions x et y orthogonales à l'axe principal z de propagation du faisceau génèrent des distorsions du faisceau après passage dans le milieu amplificateur. Pour compenser l'effet du gradient thermique dans la direction y parallèle à la zone de pompage, il est connu de faire propager le faisceau lumineux en zig-zag dans la zone de pompage, en lui faisant subir une succession de réflexions totales sur les faces principales en vis-à-vis 121, 122, comme cela apparaît sur la figure 1. Le trajet en zig- zag permet de compenser l'effet du gradient thermique dans cette direction. Par contre, ces gradients ne sont pas compensés dans la direction transverse x, ce qui provoque un fort astigmatisme du faisceau après traversée du milieu amplificateur. Pour remédier à cet effet, de nombreuses méthodes ont été envisagées dans lesquelles on agit sur le refroidissement des faces latérales. Ces procédés permettent de réduire les gradients de température sans pour autant les compenser et sont compliqués à mettre en oeuvre. Le brevet US 4,730,324 décrit une tête de pompage à deux milieux amplificateurs sensiblement identiques, d'axes longitudinaux colinéaires, ces deux milieux amplificateurs étant tournés l'un par rapport à l'autre de 90 afin de compenser l'effet d'astigmatisme. Selon une variante, les deux milieux amplificateurs restent alignés, un prisme particulier, appelé prisme de Dove, étant positionné entre les deux milieux amplificateurs pour faire tourner le faisceau. Cette deuxième solution est plus satisfaisante car elle permet d'éviter les problèmes mécaniques et hydrauliques inhérents au positionnement relatif à 90 des deux milieux amplificateurs. Cependant, le prisme de Dove entraîne une dépolarisation du faisceau qu'il est nécessaire 2866161 3 de compenser en interposant un élément optique supplémentaire, comme une lame de phase. L'invention propose une tête de pompage à deux milieux amplificateurs pour compenser le gradient thermique transverse, sans élément optique supplémentaire, et dans laquelle le positionnement relatif de chacun des milieux amplificateurs par rapport à l'axe longitudinal est conservé. Pour cela les axes longitudinaux des milieux amplificateurs ne sont plus maintenus colinéaires, un dispositif optique de réflexion avec deux miroirs plans recevant le faisceau amplifié par le premier milieu amplificateur 7o et le réfléchissant vers le second milieu amplificateur, permettant de faire tourner le faisceau autour de son axe de propagation, sans introduire de dépolarisation. Plus précisément, l'invention propose une tête de pompage pour amplificateur optique à effet laser, comprenant: - un premier et un second milieux amplificateurs sensiblement identiques, formés chacun d'un bloc avec une face d'entrée, une face de sortie et quatre faces latérales, dont deux faces principales en vis-à-vis sensiblement parallèles, - des premier et second moyens de pompage desdits milieux amplificateurs selon l'une desdites faces principales de chacun desdits milieux, appelée face principale de pompage, les moyens de pompage étant destinés à former dans chacun des milieux amplificateurs une zone de pompage dans laquelle un faisceau optique à amplifier, incident sur la face d'entrée, est destiné à se propager en zig-zag jusqu'à la face de sortie, par réflexion totale sur lesdites faces principales, la tête de pompage étant caractérisée en ce que les milieux amplificateurs sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que leurs faces principales soient situées dans des plans parallèles, les zones de pompage étant non coplanaires, et en ce qu'elle comprend un dispositif optique de réflexion avec au moins deux miroirs plans agencés de telle sorte qu'un faisceau émergent du premier milieu amplificateur selon un axe de propagation donné subisse une rotation de 90 autour dudit axe de propagation avant de pénétrer dans la zone de pompage du second milieu amplificateur. 2866161 4 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent: La figure 1, un schéma illustrant un milieu amplificateur, ou slab (déjà décrite); - Les figures 2A et 2B, des schémas illustrant la répartition de l'énergie de pompage dans un milieu amplificateur du type de celui de la figure 1 (déjà décrite); La figure 3, un exemple de réalisation d'une tête de pompage selon l'invention dans un premier exemple de réalisation; La figure 4, un exemple de réalisation d'une tête de pompage selon l'invention dans un second exemple de réalisation. Sur ces figures les éléments identiques sont référencés par les mêmes repères. La figure 3 représente un premier exemple de réalisation d'une tête de pompage selon l'invention. Elle comprend un premier et un second milieux amplificateurs 1, 1' sensiblement identiques, du type de ceux représentés sur la figure 1, formés chacun d'un bloc avec une face d'entrée (10, 10'), une face de sortie (11, 11') et quatre faces latérales, dont deux faces principales en vis-à-vis sensiblement parallèles, respectivement 121, 122 et 121', 122'. Le bloc formant le milieu amplificateur est par exemple sensiblement parallélépipédique, avec les faces d'entrée et de sortie parallèles ou anti-parallèles, comme sur la figure 3. Les milieux amplificateurs 1, 1' sont par exemple formés avec un cristal de type YAG (Grenat d'Yttrium et d'Aluminium), pompé par des ions terres rares, comme par exemple l'Erbium, l'Holmium, le Néodyme ou le Thulium. D'autres matériaux peuvent bien entendu être utilisés pour réaliser les milieux amplificateurs, tels que les verres phosphate ou silicate, et de façon générale tout milieu laser ayant un indice de réfraction élevé. La tête de pompage comprend en outre des premier et second moyens de pompage des milieux amplificateurs (non représentés sur la figure 3), selon l'une des faces principales de chacun des milieux, appelée face principale de pompage (respectivement 121 et 121'). Les moyens de pompage sont destinés à émettre un flux de pompage Fp permettant de former dans chacun des milieux amplificateurs une zone de pompage (non 2866161 5 représentée sur la figure 3 mais similaire à la zone de pompage 3 des figures 1, 2A et 2B), s'étendant de la face principale de pompage à la face en vis-à-vis, et dans laquelle un faisceau optique à amplifier, incident sur la face d'entrée, est destiné à se propager. L'indice de réfraction du milieu amplificateur est en général élevé par rapport à celui des matériaux en contact avec les faces principales, de telle sorte qu'un faisceau incident sur la face d'entrée d'un milieu amplificateur avec un angle d'incidence donné se propage en zig-zag jusqu'à la face de sortie, par réflexions totales sur les faces principales. Cette propagation en zigzag permet de compenser les effets de distorsion dus au gradient thermique dans la direction parallèle à la direction du flux de pompage Fp. Avantageusement, les moyens de pompage comprennent des diodes laser ou des empilements de diodes laser sensiblement alignés le long de la face principale de pompage, entre les faces d'entrée et de sortie du milieu amplificateur. D'autres moyens de pompage peuvent être utilisés, type lampes à flashs, à arcs, ou lampes à filament. De façon classique, la tête de pompage peut comprendre des dispositifs de refroidissement des milieux amplificateurs (non représentés sur la figure 3), en particulier pour le refroidissement de la face en vis-à-vis de la face principale de pompage. Par exemple, chaque dispositif de refroidissement de chacun des milieux amplificateurs comprend un bloc de refroidissement de la face en vis-à-vis de la face principale de pompage, du type du bloc de refroidissement 5 représenté sur la figure 1, avec, de façon avantageuse, une couche intermédiaire d'indice donné entre la face à refroidir et le bloc de refroidissement pour assurer la réflexion totale sur ladite face lors de la propagation en zig-zag du faisceau à amplifier. Bien entendu, d'autres variantes sont possibles pour la mise en oeuvre des moyens de pompage. Par exemple, il est possible de prévoir pour chacun des milieux amplificateurs des moyens de pompage de la face en vis- à-vis de la face principale de pompage, chaque dispositif de refroidissement comprenant alors un bloc de refroidissement pour chacune des faces principales. Selon l'invention, les milieux amplificateurs 1, 1' sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que leurs faces principales soient situées dans des plans parallèles, les zones de pompage étant non coplanaires. Sur 2866161 6 la figure 3, le faisceau optique à amplifier 4 est repéré par ses différentes parties, relativement aux positions des milieux amplificateurs. Ainsi on note 40 la partie du faisceau incidente sur le premier milieu amplificateur, 41, la partie du faisceau émergente du premier milieu amplificateur, et incidente sur le second milieu amplificateur, et 42, la partie du faisceau émergente du second milieu amplificateur. La tête de pompage comprend selon l'invention un dispositif optique de réflexion 6 avec au moins deux miroirs plans 61, 62 agencés de telle sorte que le faisceau 41 émergent du premier milieu amplificateur subisse une rotation de 90 autour de son axe de propagation avant de pénétrer dans la zone de pompage du second milieu amplificateur. Le dispositif optique 6 de réflexion de la tête de pompage selon l'invention permet de compenser sans introduire d'élément optique supplémentaire, et notamment d'élément agissant sur la phase, la distorsion de phase du faisceau optique introduite par les gradients thermiques du premier milieu amplificateur, par simple propagation dans le second milieu amplificateur, sensiblement identique au premier. Dans l'exemple de la figure 3, l'axe zi de propagation du faisceau émergent 41 du premier amplificateur est dans un premier plan donné (ni), et les deux miroirs plans 61, 62 sont agencés de telle sorte que l'axe de propagation z2 du faisceau après réflexion sur les deux miroirs se trouve dans un second plan (7L2) parallèle au premier, l'axe z2 étant perpendiculaire à la direction de l'axe de propagation z1 avant réflexion. Selon une première variante, illustrée sur la figure 3, les deux milieux amplificateurs 1, 1' sont disposés dans deux plans parallèles distincts, de telle sorte que les zones de pompage se trouvent sensiblement perpendiculaires l'une à l'autre. Ainsi, le faisceau 41 issu du premier milieu amplificateur se propage dans le plan ni, se réfléchit sur le miroir 61 dans un plan vertical, puis revient dans un plan 1t2 parallèle au plan initial après réflexion sur le miroir plan 62. Le changement de plans permet de faire tourner le faisceau 41 de 90 sans introduire de dépolarisation du faisceau incident lorsque celui-ci est polarisé linéairement. La figure 4 représente une seconde variante d'une tête de pompage selon l'invention, sensiblement similaire à la tête de pompage représentée sur la figure 3 mais dans laquelle le dispositif optique de réflexion comprend un troisième miroir de renvoi 63 permettant de ramener l'axe de propagation z2 du faisceau après réflexion sur les trois miroirs dans 2866161 7 une direction sensiblement parallèle à la direction de l'axe de propagation zi avant réflexion, mais non alignée, les deux milieux amplificateurs 1, 1' étant alors disposés dans deux plans parallèles distincts avec les zones de pompage sensiblement parallèles l'une à l'autre. Comme dans l'exemple de la figure 3, le changement de plans effectué grâce aux miroirs de réflexion 61 et 62 permet de faire tourner le faisceau 41 de 90 . Cette variante présente l'avantage supplémentaire, grâce au troisième miroir 63, de réduire l'encombrement de la tête de pompage, notamment par rapport aux dispositifs de l'art antérieur dans lesquels les milieux amplificateurs étaient nécessairement disposés selon des axes colinéaires. L'invention concerne en outre un amplificateur laser avec une ou plusieurs têtes de pompage telles que décrites précédemment, et par exemple représentées sur les figures 3 ou 4. Un faisceau incident dans l'amplificateur est alors destiné à être amplifié par chacun des milieux amplificateurs de la ou des têtes de pompage. Selon une variante, l'amplification est faite par passage unique dans chacun des milieux amplificateurs. Selon une seconde variante, un passage multiple du faisceau à amplifier est prévu dans la zone de pompage d'un ou plusieurs des milieux amplificateurs. L'invention concerne aussi un oscillateur laser comprenant une cavité oscillante fermée par deux miroirs avec dans la cavité, une ou plusieurs têtes de pompage telles que décrites précédemment. L'oscillateur peut comprendre en outre un déclencheur de type Q-Switch. 8 REVENDICATIONS 1- Tête de pompage pour amplificateur optique à effet laser, 5 comprenant - un premier et un second milieux amplificateurs (1, 1') sensiblement identiques, formés chacun d'un bloc avec une face d'entrée (10, 10'), une face de sortie (11, 11') et quatre faces latérales, dont deux faces principales en vis-à-vis sensiblement parallèles (121, 122, 121', 122'), des premier et second moyens de pompage (2) desdits milieux amplificateurs selon l'une desdites faces principales de chacun desdits milieux, appelée face principale de pompage (121, 121'), les moyens de pompage étant destinés à former dans chacun des milieux amplificateurs une zone de pompage (3) dans laquelle un faisceau optique à amplifier (4), incident sur la face d'entrée, est destiné à se propager en zig-zag jusqu'à la face de sortie, par réflexion totale sur lesdites faces principales, la tête de pompage étant caractérisée en ce que les milieux amplificateurs (1, 1') sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que leurs faces principales soient situées dans des plans parallèles, les zones de pompage étant non coplanaires, et en ce qu'elle comprend un dispositif optique de réflexion (6) avec au moins deux miroirs plans (61, 62) agencés de telle sorte qu'un faisceau (41) émergent du premier milieu amplificateur selon un axe de propagation donné (z1) subisse une rotation de 90 autour dudit axe de propagation avant de pénétrer dans la zone de pompage du second milieu amplificateur. 2- Tête de pompage selon la revendication 1, dans laquelle le faisceau (41) émergent du premier amplificateur (1) étant contenu dans un premier plan (III) donné, les deux miroirs plans sont agencés de telle sorte que le faisceau après réflexion sur les deux miroirs soit contenu dans un second plan (n2) parallèle au premier, la direction de l'axe de propagation (z2) dudit faisceau étant perpendiculaire à la direction de l'axe de propagation (zi) du faisceau avant réflexion. 3- Tête de pompage selon la revendication 2, dans laquelle les deux milieux amplificateurs sont disposés dans deux plans parallèles 2866161 9 distincts, de telle sorte que les zones de pompage se trouvent sensiblement perpendiculaires l'une à l'autre. 4- Tête de pompage selon la revendication 2, dans laquelle le dispositif optique de réflexion comprend un troisième miroir de renvoi (63) permettant de ramener l'axe de propagation (z2) du faisceau après réflexion sur les trois miroirs dans une direction sensiblement colinéaire à la direction de l'axe de propagation (zi) avant réflexion, les deux milieux amplificateurs étant disposés dans deux plans parallèles distincts, les zones de pompage se trouvant sensiblement parallèles l'une à l'autre. 5- Tête de pompage selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les premier et second moyens de pompage comprennent des diodes laser ou des empilements de diodes laser sensiblement alignés le long de la face principale de pompage, entre les faces d'entrée et de sortie du milieu amplificateur. 6- Tête de pompage selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des premier et second dispositifs de refroidissement des milieux amplificateurs (5), notamment pour le refroidissement de la face en vis-àvis de la face principale de pompage. 7- Tête de pompage selon la revendication 6, dans laquelle chaque dispositif de refroidissement comprend un bloc de refroidissement de ladite face en vis-à-vis de la face principale de pompage, avec une couche intermédiaire d'indice donné entre ladite face et le bloc de refroidissement pour assurer la réflexion totale sur ladite face lors de la propagation en zigzag du faisceau à amplifier. 8- Tête de pompage selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre pour chacun des milieux amplificateurs des moyens de pompage de la face en vis-à-vis de la face principale de pompage, chaque dispositif de refroidissement comprenant un bloc de refroidissement pour chacune des faces principales. 9- Tête de pompage selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le bloc formant le milieu amplificateur est sensiblement parallélépipédique, avec les faces d'entrée et de sortie parallèles ou antiparallèles. 2866161 10 10- Tête de pompage selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le milieu amplificateur est formé avec un cristal de type YAG, pompé par des ions terres rares. 11- Tête de pompage selon la revendication 10, dans laquelle les ions terres rares sont l'Erbium, l'Holmium, le Néodyme ou le Thulium. 12- Amplificateur laser comprenant une ou plusieurs têtes de pompage selon l'une des revendications précédentes, un faisceau incident dans l'amplificateur étant destiné à être amplifié par chacun des milieux amplificateurs de la ou des têtes de pompage. 13- Amplificateur laser selon la revendication 12, dans lequel l'amplification dans un ou plusieurs desdits milieux amplificateurs est faite par un passage multiple du faisceau à amplifier dans la zone de pompage dudit milieu. 14- Oscillateur laser comprenant une cavité oscillante fermée par 15 deux miroirs et dans ladite cavité, une ou plusieurs têtes de pompage selon l'une des revendications 1 à 11. 15- Oscillateur laser selon la revendication 141, comprenant en outre un déclencheur de type Q-Switch.