Brevet FR2888409A1 — publié le 20070112

L'invention concerne notamment le domaine des lasers et a plus particulièrement pour objet une source laser apte à émettre à plusieurs longueurs d'onde différentes dans l'infrarouge. Pour de nombreuses applications, telles par exemple les Lidars, la détection de polluants atmosphériques ou les contre mesures optroniques, on a besoin de sources lasers capables d'émettre plusieurs longueurs d'onde dans les différentes bandes de transmission atmosphérique. L'élément commun aux différentes architectures de ce type de lasers développés aujourd'hui est l'utilisation d'une source solide à longueur d'onde fixe ou accordable associée à des composants optiques non linéaires tel par exemple un oscillateur paramétrique optique (OPO) ou un convertisseur Raman. Les problèmes rencontrés pour le développement de ces sources concernent la qualité spatiale des faisceaux obtenus, les performances en puissance moyenne ou en énergie par impulsion ainsi que le rendement global exprimé en puissance laser utilisable générée dans les bandes spectrales à couvrir par rapport à la puissance électrique injectée dans les diodes de pompage. Très souvent, à la sortie d'un convertisseur OPO, l'une des deux longueurs d'onde générées (signal ou complémentaire) se trouve en dehors du domaine spectral recherché. Ainsi, lorsque la longueur d'onde ne dépasse pas 2pm, un OPO destiné à couvrir la bande II, à savoir entre 3 et 5 pm, ne peut pas à la fois émettre dans la partie haute vers 5pm et dans la partie basse. Lorsque, pour des applications aux contre mesures optroniques, on s'attache à couvrir la bande I vers 2.1 - 2.2 pm et la bande Il, vers 4.1/4.2 et 4.6/4.7 pm, avec un laser de pompage suivi d'un OPO, la longueur d'onde de pompage doit se situer au-dessus de 2 pm. Aujourd'hui, pour ces applications, on privilégie deux architectures de sources solides pompées par diodes. Une source basée sur un laser à néodyme, émettant vers 1 pm, et associé à 2 OPO en cascade pour atteindre la bande Il. Ex: Nd:YVO4 émettant à 1.06 pm, à une cadence de 5 kHz suivi d'un premier OPO (PPNL, PPKTP, KTP, KTA.. .) qui fournit deux ondes à 2.18 pm et 2.06 pm. On peut considérer que 2 = 2.06 pm se trouve dans la bande I. L'onde à 2.18 pm pompe un deuxième OPO (ZGP par exemple) permettant d'obtenir deux longueurs d'onde de sortie à savoir 4.1 et 4.6 pm dans la bande Il. Le rendement théorique est de 18% à la sortie du premier OPO pour a, = 2.18 pm à supposer que les rendements soient presque identiques pour le signal et le complémentaire. Par rapport au faisceau de pompe à 1.06 pm, le faisceau à 2.18 pm possède un profil spatial de nettement moins bonne qualité. A la sortie du deuxième OPO pour les deux ondes en bande II, 2^,2 à 4.1/4.2 pm et X3 à 4.6/4.7 pm, le rendement global est inférieur à 9% et les profils des faisceaux émis encore plus dégradés. Une autre solution au moins aussi avantageuse s'appuie sur une source TmHo émettant à 2.09 pm associée à un seul OPO pour émettre dans la bande Il. A 2.09 pm la qualité de faisceau est excellente (M2 L'objet de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif apte à émettre des rayonnements laser à plusieurs longueurs d'onde différentes et permettant de générer un rayonnement pulsé, haute cadence ou basse cadence avec une énergie par impulsion élevée, et pouvant atteindre la centaine de kHz avec une très faible variation de la durée des impulsions et présentant un rendement élevé. La solution apportée est une source laser comportant un cristal dopé au néodyme apte à être pompé par des moyens de pompage, un convertisseur non linéaire à effet Raman stimulé dans le méthane et un oscillateur paramétrique optique. Selon une caractéristique particulière, les moyens de pompage sont aptes à obtenir l'émission d'un cristal dopé au néodyme sur sa transition 4F312 4113,2. Selon une autre caractéristique, le cristal dopé au néodyme est choisi parmi les matrices suivantes YAG, YALO,YVO4 ou KGW. Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage comportent un laser solide, tel par exemple au moins une diode laser. Selon une caractéristique préférentielle, le cristal au néodyme pompé par lesdits moyens de pompage est apte à émettre un rayonnement laser à une longueur d'onde comprise entre 1,3 et 1,4 pm. Selon une caractéristique additionnelle, le convertisseur Raman est apte à convertir le rayonnement généré par le cristal au néodyme en au moins un second rayonnement de longueur d'onde comprise entre 2,1 et 2,2 pm. Selon une caractéristique particulière, le convertisseur Raman est constitué par une fibre creuse renfermant du méthane sous pression. Selon une autre caractéristique, cette fibre creuse est une fibre à cristaux photoniques. Selon une caractéristique additionnelle, l'oscillateur paramétrique optique est apte à être pompé par ledit second rayonnement issu du convertisseur Raman. Selon une autre caractéristique, l'oscillateur paramétrique optique est constitué par une cavité laser utilisant un cristal, tel par exemple du ZnGeP2 (ZGP) ou du CdSe, ou des semi-conducteurs à quasi-accord de phase comme GaAs ou ZnSe. Selon une caractéristique particulière, l'oscillateur paramétrique optique est apte à émettre deux rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre 3,8 et 25 5 pm Selon une caractéristique particulière, l'oscillateur paramétrique optique est apte à générer un premier rayonnement à une longueur d'onde comprise entre 4,1 et 4,2 pm et un second rayonnement à une longueur d'onde comprise entre 4,6 et 4,7 pm. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description de différentes variantes de réalisation de l'invention, en regard des figures annexées parmi lesquelles: - La figure 1 présente les moyens généraux constitutifs de l'invention, - La figure 2 montre une première variante de réalisation de l'invention - La figure 3 présente une seconde variante de réalisation de l'invention. La figure 1 présente un schéma général d'une source laser selon l'invention. Cette source laser comporte un cristal dopé au néodyme 2 apte à être pompé par des moyens de pompage 3, un convertisseur non linéaire à effet Raman stimulé dans le méthane 4 et un oscillateur paramétrique optique 5. Les moyens de pompage 3 sont aptes à faire émettre le cristal dopé au néodyme sur sa transition 4F312 - 4113/2 de telle sorte que ce dernier cristal émet un rayonnement laser 6 à une longueur d'onde ? p comprise entre 1,3 et 1,4 pm en 10 fonction de la nature du cristal. Le convertisseur non linéaire à effet Raman stimulé dans le méthane 4 est de type connu et constitué par une fibre creuse qui renferme, dans sa partie creuse, du méthane sous pression. Le rayonnement laser émis par le cristal dopé au néodyme est guidé à l'intérieur de la fibre creuse et réagit avec le méthane de sorte à générer un rayonnement 7 à une longueur d'onde 21 comprise entre 2,1 et 2, 3 pm en fonction de la longueur d'onde Xp d'entrée du rayonnement et donc, comme mentionné précédemment, de la nature du cristal dopé au néodyme. Des moyens de partage 8,9 du rayonnement 7 issu du convertisseur Raman 4 sont disposés entre ce convertisseur et l'oscillateur paramétrique optique 5. Ces moyens de partage 8,9 sont aptes à partager le rayonnement 7 issu du convertisseur Raman 4 en un premier rayonnement 10 apte à être émis directement par la source laser et en un second rayonnement 11 apte à alimenter l'oscillateur paramétrique optique 5. L'oscillateur paramétrique optique 5 est classique et correspond à l'état de l'art. II utilise une cavité simplement résonante à simple passage de la pompe, et met en oeuvre des cristaux classiques de ZnGeP2 permettant un accord de phase pour X, = 2.2 m. Le rayonnement 11, alimentant l'oscillateur paramétrique optique 5 de 30 longueur d'onde ?A, est transformé, dans ce dernier, en deux rayonnements 12 et 13 de longueurs d'onde respectives 22 et 2^,3 comprises entre 3 et 5pm. Le tableau ci-dessous, présente les valeurs approximatives des longueurs d'onde ? p, i1 X,2 et 2^,3 pour différents cristaux Nd:X, à savoir les cristaux suivants: le grenat d'yttrium aluminium (YAG), le vanadate d'yttrium (YVO4), l'oxyde d'Yttrium et d'aluminium (YALO), le tungstate de gadolinium et de potassium (KGW). Nd:X (Pm) (Pm) X2/ X3 (lem) Nd:YAG 1,321 2,148 3,76 / 5 Nd:YALO 1,341 2, 201 4,06/4,8 Nd:YVO4 1,3425 2,205 4,1 / 4,8 Nd:KGW 1,351 2,228 4,018 / 5 La figure 2 présente un mode de réalisation particulier d'une source laser selon l'invention. Cette source comporte trois cavités 20,30 et 40. La première cavité 20 comporte un premier miroir 21, un modulateur acousto-optique ou un Q-switch électro-optique 22, un cristal 23 et un second miroir 34. Des moyens de pompage 25 de ce cristal 23 sont associés à cette cavité et, plus particulièrement à ce cristal 23. La cavité 20 est ainsi délimitée par les deux miroirs 21 et 34. Le modulateur acousto-optique 22 est de type connu. Sa fonction est de permettre un fonctionnement discontinu de la source laser et de régler sa fréquence de fonctionnement en fonction de l'application souhaitée. Ainsi, il permet, par exemple, de travailler à haute cadence, notamment jusqu'à plus de 100 kHz, lorsque le cristal est constitué par du vanadate d'Yttrium dopé au néodyme (Nd:YVO4). Le cristal 23 est constitué par du vanadate d'Yttrium dopé au néodyme, tandis que les moyens de pompage 25 comportent des diodes et des moyens d'alimentation de ces dernières. Ces diodes sont aptes à émettre à une longueur d'onde de 0,808 pm permettant ainsi d'obtenir l'émission du cristal dopé au néodyme sur sa transition 4F312 > 4I13,2 de telle sorte qu'il émet, lorsqu'il est ainsi pompé, un rayonnement laser 26 à une longueur d'onde 2^,p de 1,3425 pm. Les miroirs 21 et 34, sont hautement réfléchissants à la longueur d'onde d'émission Xp de 1,3425 pm du cristal 23 de façon à permettre le pompage du convertisseur Raman à la puissance maximale disponible dans la cavité 20. La seconde cavité 30 comporte un miroir 24 ayant une transmission maximale à la longueur d'onde Xp de 1,3425 pm et une réflexion maximale à la longueur d'onde X1 vers 2,1 et 2,2 pm. Elle comporte aussi une première lentille de collimation 31, un convertisseur non linéaire à effet Raman stimulé dans le méthane 32 (CH4, V R= 2914 cm-1), une seconde lentille de collimation 33 et le troisième miroir 34 commun à la cavité 20 et ayant une réflexion maximale à la longueur d'onde Xp de 1,3425 pm et une transmission optimisée aux longueurs d'onde ? vers 2,1 et 2,2 pm afin d'obtenir le meilleur rendement du convertisseur Raman. Ce convertisseur Raman 32 est constitué par une fibre creuse, à guidage par cristaux photoniques bi-bande ayant peu de pertes à 1,34 pm et 2,2 pm et comportant une fenêtre à chacune de ses extrémités. Pour obtenir un rendement de conversion satisfaisant de 1.3 vers 2,1/2,2 pm, le méthane est utilisé à une pression de plusieurs dizaines d'atmosphères et la densité de puissance de pompe atteint quelques 100 MW/cm2 à 1 GW/cm2 [1]. Le coeur de la fibre creuse a un diamètre de l'ordre de 20 à 50 pm tandis que sa longueur est de quelques dizaines de cm. L'efficacité théorique à la sortie du convertisseur Raman est de près de 45% et, pratiquement, une efficacité d'au moins 15% est obtenue (diode 0,808 pm --> 2.2 pm). Le second miroir 24 est hautement réfléchissant à la longueur d'onde d'émission du convertisseur Raman 32 tandis que le troisième miroir 34 présente une transmission optimisée pour les longueurs d'onde situées vers 2,1/2,2 pm. Ainsi le convertisseur Raman est pompé par le rayonnement laser 26 et émet un rayonnement 36 sur la première raie Stokes du méthane à une longueur d'onde X1 20 qui se situe entre 2.1 et 2.2 pm. La troisième cavité 40 est constituée par un oscillateur paramétrique optique 41 classique utilisant une cavité simplement résonante entre les miroirs 44 et 54, à simple passage de la pompe, en l'occurrence le rayonnement 36 à une longueur d'onde Â,p = 2.2 m, et mettant en oeuvre des cristaux classiques de ZnGeP2 permettant un accord de phase pour Xp = 2.2 m. Cet oscillateur paramétrique optique 41 est apte à émettre deux rayonnements 45 et 46, à savoir le signal et son complémentaire, l'un à une longueur d'onde X2 de l'ordre de 4.1/4.2 pm et l'autre à une longueur d'onde k3 de l'ordre de 4.6/4.7 pm. En outre des moyens 50 de partage du rayonnement 36 issu du convertisseur Raman 32 sont disposés entre la seconde cavité 30 et la troisième 40. Une partie 52 de ce rayonnement est dirigée en direction de l'oscillateur paramétrique optique 41 via des moyens de focalisation 51, en l'occurrence une lentille de focalisation, tandis qu'une seconde partie 53 est apte à être émise par la source laser. Le fonctionnement de la source laser est le suivant: Lorsque les diodes laser sont alimentées électriquement, elles émettent, en direction du cristal 23, un rayonnement continu à une longueur d'onde de 0,808pm donnant lieu à une émission correspondant à la transition 4F312 --* 4I13, 2 du néodyme. Le modulateur acousto-optique 22 étant réglé sur une certaine fréquence de fonctionnement de la source, par exemple 100kHz, le cristal 23 se met à laser à cette fréquence générant ainsi un rayonnement 26 impulsionnel à une longueur d'onde de 1,3425 pm. Ce rayonnement impulsionnel 26 sort de la première cavité et pénètre dans la seconde cavité 30 puis dans le convertisseur Raman 32 apte à modifier sa longueur d'onde. En effet, le convertisseur Raman 32 est pompé par le rayonnement impulsionnel laser 26 et émet un rayonnement 36 sur la première raie Stokes du méthane à une longueur d'onde I1 qui se situe entre 2.1 et 2.2 pm. Une partie de ce rayonnement impulsionnel 36 est prélevée par des moyens 50 de partage du rayonnement 36 issu du convertisseur Raman 32 et peut ainsi être émise par la source tandis que l'autre partie de ce rayonnement 36 passe au travers de la lentille de focalisation 51 qui permet de créer une tache focale de quelques centaines de pm de diamètre, la longueur d'interaction (longueur de Rayleigh) pourra être de quelques millimètres ou du cm, suivant la focale de la lentille, le M2 et le diamètre du faisceau de pompe. Le rayonnement sortant de la lentille de focalisation pénètre dans la troisième cavité 40, en l'occurrence l'oscillateur paramétrique optique 41 duquel ressortent deux rayonnements impulsionnels synchronisés, à savoir le signal 45 et son complémentaire 46, l'un à une longueur d'onde X2 de l'ordre de 4.1/4.2 pm et l'autre à une longueur d'onde X3 de l'ordre de 4.6/4.7 pm, ces deux rayonnements 45 et 46 étant aptes à être émis par la source laser. L'utilisation d'un cristal Nd:YVO4 permet de travailler à haute cadence (plus de 100 kHz) et de fournir des énergies par impulsion de 0.1 à 0.5 mJ, voire plus. La figure 3 montre un schéma d'un second mode de réalisation de l'invention dans laquelle, par rapport au mode de réalisation décrit précédemment, la première cavité est remplacée par un système oscillateur et amplificateur de puissance laser (MOPA) qui comporte un oscillateur 60 utilisant un cristal en oxyde d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (Nd:YALO) et une chaîne d'amplification 61 du rayonnement issu de l'oscillateur 60. Avec une telle source laser, il est possible de fonctionner à une cadence limitée à quelques dizaines de Hz avec une énergie de plus de 100 mJ par impulsion et par onde générée à la sortie de l'oscillateur paramétrique optique. L'utilisation d'un cristal Nd:YAG (? p = 1.321 pm) permet aussi d'obtenir de telles cadences de fonctionnement. Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées aux 5 modes de réalisation précédemment décrits sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, d'autres cristaux dopés au néodyme que ceux cités dans la demande, peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention. Par ailleurs, l'oscillateur paramétrique optique (OPO) utilisant des cristaux de ZnGeP2 (ZGP) peut être remplacé par un OPO utilisant des cristaux de CdSe ou des semi-conducteurs à quasi-accord de phase comme GaAs ou ZnSe. A la place des sources dopées au néodyme utilisant des cristaux et émettant vers 1, 32/1,34 pm, on peut également mettre en oeuvre des sources à fibres dopées. Ainsi un laser en verre fluoré dopé au néodyme pourrait être utilisé. REVENDICATIONS 1. Source laser comportant soit un cristal (2; 23) soit une fibre dopé au néodyme et apte à être pompé par des moyens de pompage (3; 25), ainsi qu'un 5 convertisseur non linéaire à effet Raman stimulé dans le méthane (4; 32) et un oscillateur paramétrique optique (5; 41). 2. Source laser selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de pompage (3; 25) sont aptes à permettre l'émission du cristal (2; 23) ou la fibre dopé au néodyme sur sa transition 4F3/2 -> 4I13/2. 3 Source laser selon la revendication 2, caractérisée en ce que le cristal (2; 23) ou la fibre pompé par lesdits moyens de pompage (3; 25) est apte à émettre un rayonnement laser à une longueur d'onde comprise entre 1,3 et 1,4 pm. 4. Source laser selon la revendication 3, caractérisée en ce que le cristal au néodyme est choisi parmi les cristaux suivants Nd: YAG, Nd: YALO, Nd: YVO4 ou Nd: KGW. Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de pompage (3; 25) comportent un laser solide, tel par exemple au moins une diode laser. 6. Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le convertisseur Raman (4; 32) est apte à convertir le rayonnement généré par le cristal (2; 23) ou par la fibre en au moins un second rayonnement (7; 36) de longueur d'onde comprise entre 2,1 et 2,2 pm. 7 Source laser selon la revendication 6, caractérisée en ce que le convertisseur Raman (4; 32) est constitué par une fibre creuse renfermant du 25 méthane sous pression. 8 Source laser selon la revendication 6, caractérisée en ce que cette fibre creuse est à guidage par cristaux photoniques. 9 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'oscillateur paramétrique optique (5; 41) est apte à être pompé par ledit 30 second rayonnement (7; 36) issu du convertisseur Raman (4; 32). Source laser selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'oscillateur paramétrique optique (5; 41) est constitué par une cavité laser utilisant un cristal, tel par exemple du ZnGeP2 (ZGP) ou du CdSe, ou des semi-conducteurs à quasi-accord de phase comme GaAs ou ZnSe. 11 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'oscillateur paramétrique optique (5; 41) est apte à émettre deux rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre 3,8 et 5 pm. 12 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le cristal (2; 23) est constitué par du vanadate d'yttrium dopé au néodyme et en ce que l'oscillateur paramétrique optique (5; 41) est apte à générer un premier rayonnement à une longueur d'onde comprise entre 4,1 et 4,2 pm et un second rayonnement à une longueur d'onde comprise entre 4,6 et 4,7 pm.