Brevet FR2882860A1 — publié le 20060908

- 1 " Dispositif laser à deux longueurs d'onde, et système comprenant un tel dispositif." La présente invention se rapporte à un dispositif laser à deux longueurs d'onde ou deux fréquences. Elle concerne plus particulièrement la génération d'un faisceau laser à partir d'une somme de deux fréquences différentes. D'une façon générale, les longueurs d'ondes obtenues par des lasers à solide sont fondamentalement dans le proche infrarouge. Pour obtenir des longueurs d'onde dans le visible plusieurs techniques sont possibles dont notamment celle du laser doublé intra-cavité. Un tel laser comporte un milieu amplificateur (laser à solide à base d'un cristal dopé par une terre rare) associé à un cristal non-linéaire convertissant un signal fondamental proche infrarouge émis par le milieu amplificateur en un signal visible par doublage de la fréquence du fondamental. Cependant, certaines longueurs d'onde du visible ne correspondent pas à un doublage de fréquence d'une transition d'une terre rare. Le doublage de fréquence permet d'obtenir par exemple une onde à 532 nm (1064 nm doublé, Nd:YAG ou Nd:YVO4), ou par exemple à 514 nm (1029 nm doublé, Yb:YAG). Les longueurs d'ondes non obtenues par doublage de fréquence peuvent cependant être approchées par la somme de deux fréquences. Par exemple, 488 nm peut être approchée par la somme de 1064 nm et 915 nm (deux transitions de Nd:YVO4) ou par la somme de 1053 nm et 907 nm (deux transitions de Nd/YLF). Le principe de la somme de fréquence dans le niobate de potassium KNbO3 a déjà été énoncé dans un premier article: Efficient intracavity sumfrequency generation of 490nm radiation by use of potassium niobate , S. Shichijyo et al., Opt. Lett. 19, p.1022 (1994). Dans cet article, l'émission continue d'un laser Ti:saphir autour de 910 nm est mélangée à l'émission continue à 1064 nm d'un laser Nd:YVO4 contenant un cristal de niobate de potassium. La présence intra-cavité du cristal non linéaire augmente fortement la puissance à 1064 nm (16W pour 400 mW de pompe). En revanche, l'émission du laser Ti:saphir est faible (typiquement 100 mW), ce qui limite la puissance émise à 490 nm. On connaît également un second article: All-solid-state continuous-35 wave doubly resonant all-intracavity sum-frequency mixer , Hanno M. Kretshmann et al., Optics Letters Lett Vol 22, No 19, October 1, 1997. Les 2882860 - 2 - auteurs décrivent un disposition pour sommer deux fréquences de façon à obtenir un signal émis dans le rouge autour de 620nm. Pour ce faire, on utilise deux lasers à quatre niveaux de fréquence de résonance respectivement de 1080nm et 1444nm. On inclut un milieu non linéaire dans la cavité résonante de chaque laser à quatre niveaux. Un inconvénient de ce dispositif est donc l'utilisation de deux lasers à quatre niveaux, ce qui nécessite la mise en oeuvre de deux pompes, une pompe pour chaque laser à quatre niveaux. Le document WO 02/103863 propose de mélanger l'émission d'un laser io trois niveaux avec celle d'un laser à quatre niveaux, en incluant éventuellement un cristal doubleur de fréquence à l'intérieur de la cavité du laser à quatre niveaux. Le cristal non linéaire est explicitement sorti de la cavité du laser à trois niveaux. Comme dans le premier article, cet arrangement a l'inconvénient de mélanger au moins un signal laser de faible puissance et donc de réduire fortement l'efficacité de conversion non linéaire ou de nécessiter un cristal non linéaire de forte efficacité, ce dernier étant en général très onéreux. D'autre part, cet arrangement est plutôt complexe, car il nécessite deux pompes, deux injections de pompe et le multiplexage de la pompe du laser à quatre niveaux avec le signal du laser à trois niveaux. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau dispositif laser simple à mettre en oeuvre et peu onéreux. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un dispositif laser comprenant: - un milieu amplificateur à trois niveaux apte à émettre un premier faisceau laser de longueur d'onde fondamentale; - un milieu amplificateur à quatre niveaux apte à émettre un second faisceau laser de longueur d'onde fondamentale; - un cristal non-linéaire apte à mélanger les premier et second faisceaux laser et à générer un troisième faisceau dont la fréquence est la somme des fréquences desdits premier et second faisceaux laser. Selon l'invention, le milieu amplificateur à trois niveaux et au moins le cristal non-linéaire constituent une cavité résonante pour le premier faisceau laser, et le milieu amplificateur à quatre niveaux et au moins le cristal non- linéaire constituent une cavité résonante pour le second faisceau laser; les 2882860 - 3 deux milieux amplificateurs et le cristal non-linéaire formant une cavité linéaire. Avec le dispositif selon l'invention, les deux faisceaux laser oscillent à travers le cristal non linéaire. Le mélange s'effectue entre deux faisceaux de forte puissance. Contrairement au système de l'art antérieur, le cristal non-linéaire peut être d'efficacité moyenne, donc peu onéreux. Avec un tel dispositif selon l'invention, deux longueurs d'onde provenant de deux bandes d'émissions différentes peuvent osciller simultanément, car on prévoit pour au moins un des deux faisceaux laser (ou io longueur d'onde), une zone de gain exclusive. De préférence, les deux milieux amplificateurs et le cristal non-linéaire constituent une cavité linéaire résonante monolithique. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système comprenant un dispositif laser tel que décrit ci-dessus et un moyen de pompage constitué par une unique diode laser. Suivant une première variante de l'invention, le moyen de pompage émet un faisceau laser apte à exciter à la fois le milieu amplificateur à trois niveaux et le milieu amplificateur à quatre niveaux. Ainsi, une partie de la pompe est absorbée par le milieu amplificateur à trois niveaux et le résidu de la pompe est absorbé par le milieu amplificateur à quatre niveaux. Cela nécessite d'accoler les deux milieux amplificateurs, la cavité se terminant par le cristal non linéaire. Autrement dit, le milieu amplificateur à trois niveaux et le cristal non linéaire sont accolés sur respectivement deux faces opposées du milieu amplificateur à quatre niveaux. Les miroirs de sortie des deux lasers, c'est à dire les deux milieux amplificateurs à trois et quatre niveaux, se trouvent alors sur la sortie du cristal non linéaire. Par ailleurs, on optimise la focalisation de la pompe de telle sorte que le milieu amplificateur à quatre niveaux est pompé par la diode laser et par l'émission laser à trois niveaux. Suivant une seconde variante avantageuse de l'invention, le moyen de pompage émet un faisceau laser apte à exciter uniquement le milieu amplificateur à trois niveaux. Ce qui laisse toute la latitude sur le positionnement du milieu amplificateur à quatre niveaux. Ce dernier est entièrement pompé par l'émission du laser à trois niveaux. Pour ce faire, le milieu amplificateur à trois niveaux et le milieu amplificateur à quatre niveaux sont avantageusement constitués par une terre rare et un cristal identiques. - 4 Du point de vue thermique, la seconde variante est probablement meilleure que la précédente car le défaut quantique pour le laser à quatre niveaux est plus faible. Par ailleurs, l'adaptation entre la pompe et le signal pour le laser à quatre niveaux est parfaite. Cela permet également de mettre en sandwich le cristal doubleur et de ne reporter les traitements diélectriques que sur les cristaux laser, ce qui correspond à un traitement peu onéreux. En effet, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les deux milieux amplificateurs sont accolés sur respectivement deux faces opposées du cristal non linéaire, qui est de préférence un cristal biréfringent. io Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le cristal non linéaire étant inséré entre les deux milieux amplificateurs, les parois des différents éléments du dispositif sont traités de telle sorte que: l'entrée du milieu amplificateur à trois niveaux et la sortie du milieu amplificateur à quatre niveaux comprennent un traitement diélectrique 15 réfléchissant pour ledit premier faisceau laser; - la sortie du milieu amplificateur à trois niveaux et la sortie du milieu amplificateur à quatre niveaux comprennent un traitement diélectrique réfléchissant pour ledit second faisceau laser; - la sortie du milieu amplificateur à trois niveaux et l'entrée du milieu 20 amplificateur à quatre niveaux comprennent un traitement diélectrique de transmission pour ledit premier faisceau laser; et - la sortie du milieu amplificateur à quatre niveaux comprend un traitement diélectrique de transmission pour ledit troisième faisceau laser. En d'autres termes, les deux milieux amplificateurs et le cristal nonlinéaire constituent une cavité linéaire résonante pour le premier faisceau laser. Le milieu amplificateur à quatre niveaux et le cristal non-linéaire constituent une cavité linéaire résonante pour le second faisceau laser. En général, l'inversion de population nécessaire à l'oscillation d'un laser à trois niveaux est supérieure à celle nécessaire d'un laser à quatre niveaux (à réflexion des miroirs comparables). Lorsque l'oscillation du laser à quatre niveaux débute, l'inversion de population n'augmente plus, ce qui interdit d'atteindre le seuil d'oscillation du laser à trois niveaux. Dans la seconde variante, la pompe excite le milieu de gain exclusif du laser à trois niveaux. L'inversion de population augmente jusqu'au seuil du laser à trois niveaux. Au-delà du seuil de ce laser à trois niveaux, le deuxième milieu de gain (laser - 5 à quatre niveaux) cornmence à être excité par l'absorption partielle de l'émission du laser à trois niveaux. L'augmentation de la puissance de pompe permet alors d'atteindre le seuil du laser à quatre niveaux. Des modélisations ont montrées que au-delà du seuil, la répartition de puissance entre les émissions lasers à trois et quatre niveaux suit la répartition des pertes de l'émission à trois niveaux, hors et dans le milieu amplificateur du laser à quatre niveaux. Ainsi, les deux puissances sont égales lorsque l'absorption de l'émission laser à trois niveaux dans l'amplificateur du laser à quatre niveaux est égale aux autres pertes, c'est à dire les pertes non résonantes et les pertes par doublage. C'est la situation qu'il faut rechercher lorsqu'on désire maximiser l'efficacité de la sommation des fréquences. De préférence, le milieu amplificateur à quatre niveaux présente alors une absorption de l'ordre de 1% à la longueur d'onde du laser à trois niveaux. Dans chaque variante, on obtient deux faisceaux lasers forts car le cristal non linéaire se trouve à l'intérieur des deux cavités lasers (cavités résonantes pour les premier et second faisceaux lasers). Un autre avantage d'une disposition selon la présente invention, est le fait que les modes transverses des milieux amplificateurs ont une taille transverse similaire, ce qui optimise le rendement de conversion. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre un dispositif laser formant une cavité linéaire monolithique selon l'invention, le cristal non linéaire étant disposé entre les deux milieux amplificateurs; - la figure 2 est un graphe illustrant de façon schématique l'évolution des niveaux d'excitation et de puissance des deux milieux amplificateurs du dispositif selon la figure 1; et - la figure 3 illustre un dispositif laser selon la présente invention avec le milieu amplificateur à quatre niveaux disposé entre le milieu amplificateur à trois niveaux et le cristal non linéaire. Sur la figure 1, on voit un dispositif laser 1 selon l'invention, formant cavité linéaire. Ce dispositif laser est pompé par une unique diode laser 2. Le faisceau laser émis par la diode laser 2 est colinéaire au dispositif. - 6 Le dispositif laser 1 est constitué par un cristal non-linéaire 4 accolé entre, en entrée, un milieu amplificateur à trois niveaux 3 et, en sortie, un milieu amplificateur à quatre niveaux 5. Le milieu amplificateur à trois niveaux 3 est un cristal laser émettant autour de 915 nm tel que le Nd:YVO4 et recevant le faisceau émis par la diode laser. L'unique objectif du faisceau laser émis par la diode laser 2 est l'excitation de ce milieu amplificateur à trois niveaux 3. Le cristal non-linéaire est constitué par du niobate de potassium KNbO3. Le milieu amplificateur à quatre niveaux 5 est un cristal laser émettant autour de 1064nm tel que le Nd:YVO4. Le dispositif 1 est conçu pour émettre en sortie un faisceau laser 14 à 491 nm provenant de la sommation des deux faisceaux laser des deux milieux amplificateurs. La cavité à 915nm est fermée par les traitements diélectriques HR915, c'est à dire réfléchissant à 915nm, en entrée 8 du premier cristal amplificateur 3 et en sortie 11 du second cristal amplificateur 5. En d'autres termes, le faisceau laser 6 à 915nm est confiné entre les parois 8 et 11. La cavité à 1064nm est fermée par les traitements diélectriques HR1064, c'est à dire réfléchissant à 1064nm, en sortie 9 du premier cristal amplificateur 3 et en sortie 11 du second cristal amplificateur. En d'autres termes, le faisceau laser 7 à 1064nm est confiné entre les parois 9 et 11. Le traitement diélectrique en sortie 9 du premier cristal amplificateur 3 est de type HT915, c'est à dire transmetteur à 915nm. Le traitement diélectrique en sortie 11 du deuxième cristal amplificateur 5 est de type HT491 afin de laisser sortir l'émission bleue du faisceau laser 14 à 491nm. Avantageusement, avec une telle disposition, chaque cavité à 915nm et à 1064nm comporte le cristal non-linéaire. Le tableau ci-dessous reprend les indices de réfraction déterminés dans le cristal doubleur non-linéaire KNbO3 du dispositif 1 selon l'invention, à 303K pour les longueurs d'ondes 915nm, 1064nm et 491.7nm: b a c 915 nm 2.2712 2.2316 2.1295 1064 nm 2.2572 2.2196 2.1198 491.7nm 2. 4145 2.3500 2.2256 - 7 - On constate que: na(915)+na(1064)=2nc(491.7) , ce qui correspond à un accord de phase non critique de type I. Le dispositif 1 utilise le Nd:YVO4 avec une émission à 915nm dans le laser à trois niveaux, et une émission à 1064nm dans le laser à quatre niveaux. On peut aussi utiliser le Nd:GdVO4 avec une émission à 912nm dans le laser à trois niveaux, et une émission à 1062.6nm dans le laser à quatre niveaux. Sur la figure 2, on voit l'évolution des niveaux d'excitation et de puissance des deux milieux amplificateurs 3 et 5. En abscisse se trouve la io puissance de pompe en unité arbitraire, et en ordonnée, la concentration d'ions excités ainsi que la puissance laser en unités arbitraires. La pompe 2 excite (niveau d'excitation 1) exclusivement le milieu amplificateur à trois niveaux 3. Lorsque le seuil d'oscillation de ce dernier est atteint (1 en abscisse sur la figure 2), la puissance laser émise permet d'exciter (niveau d'excitation 2) le milieu amplificateur à quatre niveaux 5. Ce dernier émet ensuite à son tour une puissance laser lorsque son seuil d'oscillation est atteint (1,5 en abscisse). Sur la figure 3 est représentée une variante 13 du dispositif selon la présente invention. Les deux milieux amplificateurs 3 et 5 sont directement accolés l'un à l'autre. Le cristal non linéaire 4 est accolé au milieu amplificateur à quatre niveaux 5 de telle sorte que les émissions des lasers à trois niveaux et à quatre niveaux sont superposées. Le dispositif 13 émet un faisceau laser 15 en sortie du cristal non linéaire. Dans ce cas, la cavité à 915nm est fermée par les traitements diélectriques HR915, c'est à dire réfléchissant à 915nm, en entrée 8 du premier cristal amplificateur 3 et en sortie 12 du cristal non linéaire 4. En d'autres termes, le faisceau laser 6 à 915nm est confiné entre les parois 8 et 12. La cavité à 1064nm est fermée par les traitements diélectriques HR1064, c'est à dire réfléchissant à 1064nm, en entrée 10 du second cristal amplificateur 5 et en sortie 12 du cristal non linéaire 4. En d'autres termes, le faisceau laser 7 à 1064nm est confiné entre les parois 10 et 12. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces 35 exemples sans sortir du cadre de l'invention. - 8 - REVENDICATIONS 1. Dispositif laser comprenant: - un milieu amplificateur à trois niveaux (3) apte à émettre un 5 premier faisceau laser (6) de longueur d'onde fondamentale; - un milieu amplificateur à quatre niveaux (5) apte à émettre un second faisceau laser (7) de longueur d'onde fondamentale; -un cristal non-linéaire (4) apte à mélanger les premier et second faisceaux laser et à générer un troisième faisceau (14) dont la fréquence est io la somme des fréquences desdits premier et second faisceaux laser; caractérisé en ce que le milieu amplificateur à trois niveaux (3) et au moins le cristal non-linéaire (4) constituent une cavité résonante pour le premier faisceau laser (6), et le milieu amplificateur à quatre niveaux (5) et au moins le cristal non-linéaire (4) constituent une cavité résonante pour le second faisceau laser (7); les deux milieux amplificateurs et le cristal non-linéaire formant une cavité linéaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux milieux amplificateurs et le cristal non-linéaire constituent une cavité linéaire 20 résonante monolithique. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux milieux amplificateurs sont accolés sur respectivement deux faces opposées du cristal non linéaire. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu amplificateur à quatre niveaux présente une absorption de l'ordre de 1% à la longueur d'onde du laser à trois niveaux. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que: l'entrée (8) du milieu amplificateur à trois niveaux (3) et la sortie (11) du milieu amplificateur à quatre niveaux (5) comprennent un traitement diélectrique réfléchissant pour ledit premier faisceau laser (6); - 9 - la sortie (9) du milieu amplificateur à trois niveaux (3) et la sortie (11) du milieu amplificateur à quatre niveaux (5) comprennent un traitement diélectrique réfléchissant pour ledit second faisceau laser (7) ; - la sortie (9) du milieu amplificateur à trois niveaux (3) et l'entrée (10) du milieu amplificateur à quatre niveaux (5) comprennent un traitement diélectrique de transmission pour ledit premier faisceau laser (6); et - la sortie (11) du milieu amplificateur à quatre niveaux (5) comprend un traitement diélectrique de transmission pour ledit troisième faisceau (14). 6. Dispositif (13) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu amplificateur à trois niveaux et le cristal non linéaire sont accolés sur respectivement deux faces opposées du milieu amplificateur à quatre niveaux. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu amplificateur à trois niveaux et le milieu amplificateur à quatre niveaux sont constitués par une terre rare et un cristal identiques. 8. Système comprenant un dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de pompage constitué par une unique diode laser (2). 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que, les deux milieux amplificateurs étant accolés sur respectivement deux faces opposées du cristal non linéaire, le moyen de pompage émet un faisceau laser apte à exciter uniquement le milieu amplificateur à trois niveaux (3). 10. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que, le milieu 3o amplificateur à trois niveaux et le cristal non linéaire étant accolés sur respectivement deux faces opposées du milieu amplificateur à quatre niveaux, le moyen de pompage émet un faisceau laser apte à exciter le milieu amplificateur à trois niveaux (3) et le milieu amplificateur à quatre niveaux (5).