Brevet FR2896921A1 — publié le 20070803

DISPOSITIF DE POMPAGE LONGITUDINAL D'UN MILIEU LASER La présente invention concerne le domaine des dispositifs de pompage longitudinal d'un milieu amplificateur laser. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de pompage longitudinal d'un milieu amplificateur laser comprenant au moins une diode laser apte à émettre au moins un faisceau laser, des moyens de collimation dudit faisceau laser, et des moyens de focalisation dudit faisceau laser collimaté sur ledit milieu amplificateur laser. De tels dispositifs sont par exemple connus de la demande allemande DE 10235713 divulguant un dispositif comprenant une pluralité de diodes laser émettant chacune un faisceau laser. Ces diodes sont positionnées axialement autour de la direction de propagation du rayon laser, et émettent du rayonnement qui est collimaté par une matrice de lentilles qui dirige le faisceau vers un milieu laser à un angle relativement faible par rapport à la direction de propagation du rayon laser. Toutefois, on comprendra que si l'on désire réaliser un pompage longitudinal de forte énergie, et donc disposer d'un grand nombre de diodes laser émettant un grand nombre de faisceaux laser selon un angle d'incidence faible, l'agencement décrit dans la demande allemande précitée est inefficace à cause de la pluralité de diodes et de la nécessité de focalisation par matrice de lentille.30 Un premier de la présente invention est donc de fournir un dispositif de pompage longitudinal dont la compacité soit améliorée. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de pompage longitudinal pouvant fonctionner pour des énergies élevées. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de pompage longitudinal pouvant fonctionner en présence d'un grand nombre de diodes laser de pompage. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de pompage longitudinal pour lequel la zone pompée est éloignée des contours du barreau pompé, et ce afin d'éviter les effets de diffractions. Un autre but de la présente invention est de permettre un pompage sensiblement homogène du milieu amplificateur laser. 20 Au moins un de ces buts est atteint selon l'invention par un dispositif de pompage longitudinal d'un milieu amplificateur laser comprenant au moins une diode laser apte à émettre au moins un faisceau laser, des moyens de collimation dudit faisceau laser 25 apte à générer un faisceau laser collimaté, des moyens de focalisation dudit faisceau laser collimaté sur ledit milieu amplificateur laser, caractérisé en ce que lesdits moyens de focalisation comprennent au moins un miroir, ledit miroir étant agencé de sorte que ledit faisceau collimaté soit réfléchi vers ledit 30 milieu amplificateur. Afin de s'adapter aux configurations des barreaux laser dans lesquels ledit milieu laser est un cylindre, l'axe de rotation dudit cylindre étant positionné selon un axe d'émission longitudinal dudit milieu laser et ledit dispositif comprend une pluralité de diodes entourant ledit milieu laser. De la sorte, le dispositif selon l'invention est compact puisque les miroirs permettent la réflexion des faisceaux vers le milieu amplificateur. Afin d'utiliser les configurations standard de diodes, et donc de diminuer le coût de production de l'invention, ladite pluralité de diodes est formée par une pluralité de barrettes de diodes orientées selon un axe d'émission longitudinal dudit milieu amplificateur, ledit dispositif comprenant une pluralité de miroirs, chacun desdits miroirs étant associé à une desdites barrette. L'association spécifique de chaque miroir à chaque la barrette de diode à laquelle il est associé par le faisceau permet d'adapter le volume pompé. Afin de minimiser le volume pompé, lesdites barrettes sont espacées angulairement autour dudit milieu amplificateur, chacune desdites barrettes définissant un angle formé par l'axe définit par la droite entre ladite barrette et le centre dudit miroir associé à ladite barrette et l'axe d'émission dudit milieu laser, ledit miroir étant incliné par rapport à la droite reliant ladite barrette et le centre dudit miroir associé à ladite barrette et l'axe d'émission dudit milieu laser en fonction dudit angle. Lorsque le dispositif comprend des moyens de refroidissement dudit milieu compensateur, lesdits moyens de refroidissement étant positionnés entre ladite au moins une diode et ledit milieu amplificateur, on positionne de préférence un matériau non dopé positionné entre ledit au moins un miroir et ledit milieu amplificateur dans le trajet dudit faisceau réfléchi. De la sorte, on diminue la puissance de la lentille thermique crée par lesdits moyens de refroidissement. Pour des systèmes de pompage à faible énergie, ledit dispositif comprend une première diode laser apte à émettre un premier faisceau laser, et une seconde diode laser apte à émettre un second faisceau laser, ledit dispositif comprenant un premier miroir associé à ladite première diode, et un second miroir associé à ladite seconde diode, ledit milieu amplificateur comprenant une première face longitudinale et une seconde face longitudinale, ledit premier miroir étant agencé de sorte à réfléchir ledit premier faisceau laser vers ladite première face dudit milieu amplificateur, ledit second miroir étant agencé de sorte à réfléchir ledit second faisceau laser vers ladite seconde face dudit milieu amplificateur. Afin d'obtenir une illumination homogène dudit milieu amplificateur, ledit au moins un miroir est un miroir parabolique. 20 L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente un dispositif de pompage longitudinal selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 2 représente un dispositif de pompage longitudinal selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente l'utilisation d'une partie non dopée entre miroir et le milieu amplificateur selon la présente invention ; 30 - la figure 4 représente un dispositif de pompage longitudinal adapté pour les faibles énergies ; - la figure 5 représente un dispositif de pompage longitudinal adapté pour les énergies moyennes ; - la figure 6 est une vue du dessus de la figure 5. Aux fins de la présente demande, le terme de pompage longitudinal sera utilisé pour désigner un mode de pompage suivant lequel un faisceau (ou une pluralité de faisceau) de pompage est inséré dans le milieu amplificateur par les mêmes faces optiques que les faces d'entrée ou de sortie du faisceau laser amplifié. Selon un premier mode de réalisation de l'invention illustré FIG. 1 un dispositif de pompage longitudinal 1 selon l'invention comprend un milieu amplificateur laser 2 sous la forme d'un barreau laser, une barrette de diodes 3, et un ou plusieurs miroirs de renvoi 4. Il comprend également des moyens de collimation du faisceau émis par les diodes, par exemple sous la forme d'un assemblage de lentilles 5. Il comprend également un dispositif de refroidissement 6 des diodes 3 et du barreau 2, par exemple positionné entre les diodes 3 et le barreau 2. Les barrettes de diodes laser 3 forment une couronne qui entoure le milieu amplificateur solide 2 de forme cylindrique, l'axe de révolution du cylindre correspondant à la direction d'émission du faisceau laser A. Les faisceaux émis par les barrettes 3 sont collimatées par l'assemblage de lentilles 5 et repris par un miroir concave 4. Le miroir concave est alors agencé pour focaliser les faisceaux sur une des extrémités du barreau laser 2. Les multiples faisceaux collimatés issus des diodes se superposent au niveau de l'extrémité du barreau laser pour former une tache sensiblement homogène dont l'intensité est plus forte au centre. Selon l'invention, il est également possible d'éclairer le barreau laser 2 au niveau de ses deux extrémités. Ceci est illustré FIG. 2 selon un second mode de réalisation de l'invention dans lequel on fournit un barreau laser 2 comprenant une première extrémité 2a et une seconde extrémité 2b, une première couronne de barrettes de diodes 3A et une seconde couronne de barrettes de diodes 3B. Ces deux couronnes entourent le barreau 2. La première couronne 3A émet un faisceau lumineux collimaté vers un premier miroir 4A du côté de l'extrémité 2a. Ce faisceau est alors réfléchi vers la première extrémité 2a. De la même façon, un faisceau lumineux émis par les barrettes 3B est réfléchi par un miroir 4B vers l'extrémité 2b. Dans cette configuration, il est possible d'adapter à la fois la section de la zone pompée et le diamètre du faisceau de pompe à amplifier pour optimiser le rendement optique. Si le refroidissement du barreau cylindrique 2 est réalisé à sa périphérie, par exemple par un dispositif de refroidissement 6, il se crée une lentille thermique de révolution autour de l'axe de révolution du système. Un moyen pour diminuer la puissance de la lentille thermique consiste à refroidir le barreau par ses extrémités de façon à donner une composante longitudinale au gradient thermique. Pour ce faire, illustré FIG. 3, on soude des embouts non dopés 7, donc non chargés thermiquement à une extrémité du barreau, ce qui permet de refroidir efficacement le barreau à l'endroit où le dépôt thermique est le plus important. De la sorte, les distorsions optiques dues aux dépôts thermiques dans le milieu amplificateur 2 sont maintenues à un niveau relativement faible. Dans les configurations dans lesquelles les barrettes de diodes 3 sont disposées en couronne autour d'un barreau amplificateur 2, comme dans les figures 1, 2 et 3, il est facile de réaliser des dispositifs de forte énergie en augmentant le nombre de diodes dans la couronne et donc le diamètre de la couronne. On adapte alors l'agencement du miroir en augmentant la distance focale du miroir et la distance entre les diodes 3 et le miroir 4. Pour des dispositifs de pompage à faible énergie, et donc avec un petit nombre de diodes, on peut utiliser une disposition telle qu'illustrée FIG. 4 dans laquelle une barrette 3A, ou un empilement d'un faible nombre de barrettes de diodes émet un faisceau collimaté vers un miroir 4A. Le miroir 4A réfléchit alors le faisceau vers le milieu laser 2. Une seconde barrette 3B est positionnée de façon sensiblement symétrique à la première barrette par rapport au point de focalisation du premier faisceau. On positionne également un second miroir 4B pour réfléchir les faisceaux collimatés issus de la seconde barrette 3B, vers le milieu 2. Le volume de gain ainsi crée est adapté à l'amplification d'un faisceau laser de diamètre 1 mm dans une lame de YAG dopée. Dans les différents modes de réalisation mentionnés ci-dessus, la configuration est dimensionnée à partir de la connaissance de différents paramètres, comme par exemple la section du volume pompé, par exemple définie par son diamètre d, évaluée à partir de l'énergie de sortie et des caractéristiques du matériau laser employé, et l'énergie contenue dans l'impulsion de pompage ou la puissance de pompage. De cette dernière énergie, il est possible de déduire le nombre N de barrettes laser nécessaires. Afin que la tête de pompage soit compacte, le diamètre D de la couronne de barrettes de diodes 3 est ajusté de sorte que les barrettes soient accolées les unes aux autres. Afin d'obtenir des faisceaux focalisés et sensiblement homogènes au niveau du barreau laser 2, la forme préférée du miroir 4, 4A, 4B est une forme parabolique de distance focale f. Il faut noter que la diode 3 est collimatée selon un seul axe, axe dit rapide grâce à une lentille cylindrique. Au premier ordre, le miroir 4 forme donc deux images de la diode. La première image est l'image de la jonction collimatée par la lentille cylindrique et située au foyer principal du miroir 4, et la seconde image est l'image directe de la barrette sur le miroir. À l'emplacement de la deuxième image de la barrette, le faisceau possède la dimension la plus faible, et c'est cette dimension qu'il convient de faire coïncider avec le diamètre d du volume pompé. Or, cette image n'est pas sur l'axe du miroir et donc les images données par les différentes barrettes de la couronne ne sont pas confondues. Afin d'obtenir le volume pompé le plus faible possible, on peut donc, selon un mode de réalisation, confondre ces images sur l'axe. Pour ce faire, on peut diviser le miroir 4 en une pluralité de sous-miroirs identiques selon le nombre de barrettes de diodes 3. L'axe de chaque sous-miroir est alors incliné par rapport à l'axe du système d'un angle a si 2a est l'angle soutendu par l'axe {barrette-centre du miroir} et l'axe du système A. La formule donnant approximativement l'angle a est : a = 1/2 Arctan[D/(2*(x+f))], où x est la distance suivant l'axe de la barrette au foyer du miroir, D est le diamètre de la couronne de barrettes et f est la distance focale du miroir. On fournit maintenant un exemple de dimensionnement d'une part par un pompage en mode quasi-continu d'un cristal Yb :YAG à faible niveau d'énergie, et d'autre pour un pompage d'un cristal de Nd :YAG à un niveau d'énergie de l'ordre de 100 mJ. On réalise par exemple un pompage d'une lame de Yb :YAG selon la configuration de la FIG. 4 de façon à pomper un volume de section d'environ l mm sur 1,8 mm correspondant à un faisceau laser de diamètre 1 mm qui circule à l'incidence de Brewster dans la lame. Selon cette configuration, puisque les deux systèmes de focalisation sont réglables indépendamment, il n'y a pas de condition d'angle tel que précédemment mentionné. Pour que les dimensions du miroir soient raisonnables, on choisit une distance focale de 15 mm, les barrettes laser de pompage ayant une longueur standard de 10 mm. Pour obtenir une longueur de 1,8 mm de volume pompé, le grandissement du miroir est donc de 0,18. La formule de Newton donnant le grandissement g=f/x si x est la distance suivant l'axe de la barrette au foyer du miroir fournit alors une distance x de 83 mm. L'image directe de la barrette est alors située à une distance x'=f2/x du plan focal, soit 2,7 mm. Suivant l'axe lent de la diode, c'est-à-dire l'axe non collimaté, la diode précédemment définie a une divergence totale de 10 . Le diamètre du miroir doit alors avoir un diamètre d'au moins 34 mm pour intercepter la totalité du faisceau. Un miroir métallique de ce diamètre est tout à fait réalisable par un usinage au diamant. Par ailleurs, avec deux empilements de trois diodes 3A et 3B comme sur la figure 4, on peut atteindre la puissance désirée. L'écart entre les diodes étant de 1,4 mm, les images des diodes dans la lame seront écartées de 0,25 mm. En réglant les miroirs de sorte que les images soient en quinconce, on occupe alors sensiblement la section désirée compte tenu de l'épaisseur des images dans le plan. On décrit maintenant une configuration d'énergie moyenne en référence aux figures 5 et 6. Pour un niveau d'énergie de l'ordre de 100 mJ, on utilise par exemple quarante barrettes de diodes laser 3. Ces 40 barrettes sont réparties en huit empilements de cinq barrettes disposés tête-bêche et pompant deux barreaux 2A et 2B, ce qui présente l'avantage de répartir la charge thermique. On dispose quatre sous-miroirs de chaque côté du dispositif, deux seulement étant représentés FIG. 5. La dimension de la diagonale de l'empilement détermine le diamètre pompé. Avec un espacement des barrettes de 1,2 mm, le grandissement donné par le miroir doit donc être de 0,36. Avec un miroir parabolique de distance focale 30 mm, la distance x de la barrette au foyer du miroir est de 83 mm et la distance x' de la seconde image au plan focal est de 11 mm. L'angle d'inclinaison a d'un sous-miroir par rapport à l'axe du système est d'environ 5 pour un diamètre de couronne de 40 mm. Le diamètre de la couronne est calculé de sorte que la trace des faisceaux soit entièrement contenue dans chaque sous-miroir. REVENDICATIONS 1. Dispositif de pompage longitudinal d'un milieu amplificateur laser (2) comprenant au moins une diode laser (3, 3A, 3B) apte à émettre au moins un faisceau laser, des moyens de collimation (5) dudit faisceau laser apte à générer un faisceau laser collimaté, des moyens de focalisation (4, 4A, 4B) dudit faisceau laser collimaté sur ledit milieu amplificateur laser (2) et caractérisé en ce que lesdits moyens de focalisation comprennent au moins un miroir (4, 4A, 4B), ledit miroir étant agencé de sorte que ledit faisceau collimaté soit réfléchi vers ledit milieu amplificateur (2). 2. Dispositif de pompage longitudinal selon la revendication 1, dans lequel ledit milieu laser est un cylindre, l'axe de rotation (A) dudit cylindre étant positionné selon un axe d'émission (A) dudit milieu laser, dans lequel ledit dispositif comprend une pluralité de diodes entourant ledit milieu laser. 3. Dispositif de pompage longitudinal selon la revendication 2, dans lequel ladite pluralité de diodes est formée par une pluralité de barrettes de diodes orientées selon ledit axe d'émission dudit milieu amplificateur, ledit dispositif comprenant une pluralité de miroirs, chacun desdits miroirs étant associé à une desdites barrette. 4. Dispositif de pompage longitudinal selon la revendication 3, dans lequel lesdites barrettes sont espacées angulairement autour dudit milieu amplificateur, chacune desdites barrettes définissant un angle formé par l'axe défini par la droite entre ladite barrette et le centre dudit miroir associé à ladite barrette et l'axe d'émission dudit milieu laser, ledit miroir étant incliné parrapport à la droite passant par ladite barrette et le centre dudit miroir associé à ladite barrette, et l'axe d'émission dudit milieu laser en fonction dudit angle. 5. Dispositif de pompage longitudinal selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de refroidissement (6) dudit milieu amplificateur, lesdits moyens de refroidissement étant positionnés entre ladite au moins une diode et ledit milieu amplificateur, ledit dispositif comprenant un matériau non dopé (7) positionné entre ledit au moins un miroir et ledit milieu amplificateur dans le trajet dudit faisceau réfléchi. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit milieu amplificateur comprend au moins une face longitudinale, ledit miroir étant agencé de sorte que ledit faisceau collimaté soit réfléchi vers ladite face longitudinale dudit milieu amplificateur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit dispositif comprend une première diode laser (3A) apte à émettre un premier faisceau laser, et une seconde diode laser (3B) apte à émettre un second faisceau laser, ledit dispositif comprenant un premier miroir associé à ladite première diode, et un second miroir associé à ladite seconde diode, ledit milieu amplificateur (2) comprenant une première face longitudinale et une seconde face longitudinale, ledit premier miroir étant agencé de sorte à réfléchir ledit premier faisceau laser vers ladite première face dudit milieu amplificateur, ledit second miroir étant agencé de sorte à réfléchir ledit second faisceau laser vers ladite seconde face dudit milieu amplificateur. 8. Dispositif de pompage longitudinal selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un miroir est un miroir parabolique.