Brevet FR2896629A1 — publié le 20070727

- 1 " Laser continu, triplé en fréquence en intra-cavité et monofréquence." La présente invention se rapporte à un dispositif laser continu, triplé en fréquence en intra-cavité, pompé par diode; et comprenant un milieu amplificateur, un milieu non linéaire biréfringent pour le doublage de fréquence, et un milieu non linéaire biréfringent pour le triplement de fréquence. Elle s'applique notamment à la conception de laser ultraviolet (UV) ou io proche UV (300-380nm) utilisés dans la microscopie confocale, la cytométrie en flux ("flow cytometry"), le tri cellulaire, l'écriture de CD master ("CD mastering"), ou encore l'inspection de semiconducteur Le triplement de fréquence d'un laser continu pompé par diode 15 nécessite deux étages de conversion non linéaire (w+w et 20)+0 et ne peut être efficace qu'à l'intérieur d'une au moins ou deux cavités résonantes. Le doublage de fréquence résonant est possible en intra-cavité ou dans une cavité externe, asservie sur la fréquence de l'émission du laser. Dans les deux cas, une émission fondamentale monofréquence est nécessaire. Dans le 20 premier cas (intra-cavité) elle est nécessaire pour éliminer le bruit. Dans le second cas elle est nécessaire car les cavités fortement résonantes (grande finesse) sont très étroites spectralement. Le deuxième étage en cavité externe est très complexe si l'on recherche une double résonance avec l'onde fondamentale et l'onde 25 harmonique, car deux chemins optiques (onde fondamentale et onde harmonique) doivent être contrôlés. La présente invention concerne plus particulièrement le triplement en intra-cavité qui est plus facile à mettre en oeuvre, car la résonance de l'onde fondamentale est automatique. En revanche la cavité laser est allongée par 30 l'insertion de cristaux non linéaires et il est beaucoup plus difficile de rendre le laser monofréquence. On connaît le document G. Mizell, "355-nm CW emission using a contact-bonded crystal assembly pumped with a 1 watt 808nm diode", Proc. SPIE Laser Material Crystal Growth and Nonlinear Materials and Devices, vol. 35 3610 (1999), relatif à une expérimentation d'un laser continu triplé en 2896629 2-fréquence, mais de puissance très faible (200 pW max) et ne permettant pas un fonctionnement monofréquence. Il existe de nombreuses publications de laser triplé en fréquence en intra-cavité mais en fonctionnement impulsionnel seulement, ce qui au moins 5 l'avantage d'augmenter fortement l'efficacité du triplement. Enfin, l'utilisation d'un doublage de type II est source d'instabilité, car toute rotation du cristal modifie fortement l'état de polarisation de l'onde fondamentale dans la cavité et donc l'efficacité de doublage et de triplement. Ce phénomène est appelé interférence de biréfringence. ~o La présente invention a pour but la conception d'un laser continu (CW pour "continuous wave" en anglais) triplé en fréquence en intra-cavité et fonctionnant en monofréquence. Un autre but de l'invention est la conception d'un tel laser fonctionnant de manière stable, c'est à dire en limitant si nécessaire le phénomène d'interférence de biréfringence. is On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un dispositif laser continu, triplé en fréquence en intra-cavité, pompé par diode; ce dispositif comprenant : - un milieu amplificateur, un milieu non linéaire biréfringent pour le doublage de 20 fréquence, et un milieu non linéaire biréfringent pour le triplement de fréquence; ces milieux sont généralement des cristaux. Selon l'invention, le dispositif laser comprend en outre un milieu polarisant disposé de façon à constituer avec au moins l'un des cristaux 25 biréfringents un filtre biréfringent ou filtre de Lyot en intra-cavité, ledit filtre de Lyot étant adapté pour permettre une émission monofréquence en sortie dudit dispositif laser. De préférence, pour un bon fonctionnement du filtre de Lyot, les axes de biréfringence des cristaux non linéaires ne sont pas parallèles aux axes du milieu polarisant. S'ils sont parallèles, on insère un 30 cristal biréfringent entre le milieu amplificateur et le milieu polarisant, ce cristal biréfringent ayant ses axes de biréfringence préférentiellement orientés à 45 des axes du milieu polarisant. La longueur d'onde d'émission en sortie est dans la gamme des ultra-violets (UV). C'est l'ensemble de la cavité résonante qui peut constituer un - 3 filtre de Lyot. Le milieu polarisant est avantageusement disposé entre le milieu amplificateur et le milieu de doublage de fréquence. Plus précisément, ces milieux sont des cristaux tels que : - pour le milieu amplificateur : Nd:YAG et Nd:YVO4 ou tout autre cristal ou verre dopé par toute terre rare ou globalement tout verre ou cristal dopé présentant une transition susceptible d'osciller dans une cavité laser, - pour le milieu de doublage de fréquence : KTP, KNbO3, BBO, BiBO, et LBO ou tout autre cristal non linéaire adapté au doublage de fréquence to - pour le milieu de triplement de fréquence : BBO, BiBO, LBO ou tout autre cristal non linéaire adapté au triplage de fréquence. Avec le dispositif laser selon l'invention, en utilisant une diode de pompe avec 2.4W à 808nm, on a expérimentalement obtenu un fonctionnement monofréquentiel à 355nm avec une puissance excédant les 15 5mW. L'autre avantage du filtre de Lyot est que la longueur d'onde émise est celle dont les pertes sont les plus faibles et donc c'est celle dont la polarisation en sortie du polariseur est parallèle à l'axe de moindre perte. La répartition des puissances entre les deux axes des cristaux doubleurs et 20 tripleurs est donc parfaitement contrôlée et stable. Avantageusement, les axes des milieux de doublage et de triplement de fréquence sont orientés sensiblement entre 30 et 60 par rapport aux axes du milieu polarisant. De préférence, l'orientation est de 45 . Avec un tel dispositif, les cristaux doubleur et tripleur peuvent être coupés et disposés de 25 façon à réaliser des accords de phase ("phase matching" en anglais") de type I et/ou II, sans que le dispositif ne devienne instable. Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, le milieu polarisant comprend une ou deux interfaces de Brewster (interfaces en angle entre deux milieux d'indices de réfraction ni et n2 tels que la tangente de 30 l'angle est égale au rapport des indices). En particulier, hormis le milieu polarisant, tous les autres milieux sont de préférence des cristaux à faces parallèles. Le dispositif selon l'invention constitue une cavité résonante linéaire monolithique. Les cavités linéaires sont habituellement les plus courtes. Cette 35 faible taille permet une séparation de mode axial le plus large possible, ce qui - est bénéfique pour l'efficacité d'un fonctionnement monofréquence. Le design du dispositif peut être tel que chaque milieu comprend une face d'entrée et une face de sortie parallèles entre elles et avec les autres faces des autres milieux; ces faces étant orthogonales à la direction de sortie du faisceau laser triplé. Avantageusement, le milieu amplificateur, le milieu polarisant et les milieux de doublage et de triplement de fréquence sont optiquement contactés entre eux, ce qui facilite grandement l'obtention d'une émission monofréquence et réduit également les coûts de fabrication. Il n'est donc pas ~o nécessaire d'insérer des éléments focalisants permettant d'ajuster la taille de mode dans les éléments non linéaires comme cela se fait dans l'art antérieur. Le bon ordre de grandeur de l'intervalle spectral libre (ISL) du filtre de Lyot est la largeur d'émission AXem du milieu amplificateur (ISL=kAXem avec 0.5 20 de grandeur de la largeur d'émission, il peut être ajusté par un cristal biréfringent supplémentaire. En effet, on peut prévoir en outre un second élément biréfringent disposé après le milieu polarisant, ce second milieu biréfringent étant adapté pour ajuster l'Intervalle Spectral Libre (ISL) du filtre de Lyot si nécessaire. 25 On rappelle que In= , où e; et 8n1 sont les épaisseur et les 2E 5n;e; différence d'indice des différents cristaux biréfringents formant le filtre. Les longueurs d'onde au sommet du filtre sont Â,,,, = 2E 5n;e m A ces longueurs d'onde, la polarisation de l'onde fondamentale en entrée des cristaux non linéaire est linéaire et parallèle à l'axe de faible perte du polariseur. C'est 30 donc le filtre de Lyot qui contrôle l'état de polarisation dans les cristaux non linéaires et qui évite donc l'interférence de biréfringence. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif laser comprend des moyens de contrôle des températures des milieux non linéaires. Avantageusement, l'accord du filtre se fait donc par un accord de la température des cristaux. La modification de la température des cristaux biréfringents induit un déplacement léger des modes de la cavité et une variation en général plus rapide de la longueur d'onde centrale du pic Xr,,. Un positionnement plus fin de la longueur d'onde du mode au centre du filtre peut être obtenu en modifiant la température du milieu amplificateur par exemple. Ainsi, il est possible d'accorder le laser en longueur d'onde et de centrer le mode d'émission sur le filtre. Io En exemple, si on utilise 5 mm de KTP pour le doublage de fréquence de 1064 nm et 5 mm de LBO (coupé pour l'accord de phase de type I pour la somme de fréquence 1064nm + 532 nm donnant 355 nm), le filtre de Lyot a un ISL=1.87 nrn et un dISL/dT=95 pm/ C. Cette dernière valeur est grande devant la variation de longueur d'onde des modes de cavité (typiquement 15 quelques pm/ C:). On a testé un laser composé d'un amplificateur Nd :YVO4 de 1 mm d'épaisseur et :L% de dopage, d'un polariseur formé de 2 prismes de silice séparés par une lame d'air et des cristaux non linéaires précités. On a bien observé un fonctionnement monofréquence autour de 1064 nm et mesuré 20 une accordabilité de l'ordre de 100 pm/ C. Par ailleurs, le dispositif laser comprend : - un miroir hautement réfléchissant (HR) à la longueur d'onde fondamentale, ce miroir étant disposé sur la face d'entrée du milieu amplificateur; et 25 - un miroir de sortie hautement réfléchissant (HR) à la longueur d'onde fondamentale, ce miroir étant éventuellement disposé sur la face de sortie du milieu non linéaire biréfringent de triplement de fréquence. Le dispositif laser peut également comprendre : -un miroir hautement réfléchissant (HR) à l'onde triplée en 30 fréquence, ce miroir étant disposé entre les deux milieux non linéaires biréfringent de doublage et de triplement de fréquence, cela permet de préserver les cristaux disposés en amont du cristal tripleur contre les ondes UV et augmenter la puissance d'UV en sortie du laser; et - 6- un miroir hautement réfléchissant (HR) à l'onde doublée en fréquence, ce miroir étant disposé entre le milieu polarisant et le milieu non linéaire biréfringent de doublage de fréquence. 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 est un schéma simplifié d'un premier laser UV selon l'invention; - La figure 2 est un schéma simplifié d'un second laser UV selon to l'invention. Sur la figure 1 est représenté un laser selon l'invention pour une émission de 7mW de puissance monofréquence à 355nm avec une pompe de 2.4W. 15 Ce dispositif laser comprend une diode de pompe D associé à un élément focalisant F permettant de guider le faisceau émis par la diode à 808nm vers une face d'entrée d'un cristal amplificateur A. Le cristal doubleur X2 est disposé entre l'élément polarisant P et le cristal tripleur X3. Le cristal amplificateur, l'élément polarisant et les cristaux doubleur et tripleur sont 20 optiquement contactés dans cet ordre et de façon linéaire. On a pris soin d'insérer sur chaque face quatre miroirs. Le miroir M1 à l'entrée du cristal amplificateur A,; le miroir M2 à la sortie du cristal tripleur X3; le miroir M3 entre l'élément polarisant et le cristal doubleur; le miroir M4 entre les deux cristaux doubleur et tripleur. 25 Quatre effets Peltier sont insérés pour contrôler la température de la diode TD, la température du milieu amplificateur TA et les températures des cristaux non linéaires Tl et T2. Le premier élément Peltier P1 est en contact avec l'ensemble diode de pompe D et éNément focalisant F. Ce premier élément Peltier permet en 30 particulier de contrôler la longueur d'onde d'émission de la diode et de refroidir cette diode. Le second élément Peltier P2 est en contact avec le cristal amplificateur et l'élément polarisant P. Il a pour fonction de refroidir l'amplificateur et peut permettre d'ajuster finement la longueur d'onde du mode de cavité. - 7- Le troisième élément Peltier P3 est en contact avec le cristal doubleur X2. Le quatrième élément Peltier P4 est en contact avec le cristal tripleur X3. L'ensemble est fixé sur un même support S. Dans le design de la figure 1, la face de sortie étant plane, le faisceau fondamental se trouve à son "waist" (point focal) sur ce miroir. Le faisceau est donc assez bien focalisé dans le cristal tripleur, mais il peut avoir fortement divergé dans le cristal doubleur. Il est en général préférable d'utiliser une longueur de cristal tripleur un peu plus courte que la longueur optimale afin de ne pas trop dégrader la conversion du fondamental vers le Io second harmonique. La génération d'onde triplée en fréquence se fait dans les deux directions dès lors qu'une partie de l'onde harmonique est réfléchie par le miroir M2. Il est souhaitable d'empêcher cette onde (en général située dans l'UV) de se propager dans les autres cristaux du laser, car de nombreux 15 cristaux vieillissent en présence d'UV. D'autre part, en ajustant la phase de propagation dans le cristal tripleur (par un réglage de température), il est possible d'augmenter la puissance de sortie de l'onde triplée par l'insertion du miroir M3. On augmente la puissance du second harmonique dans la cavité en 20 insérant le miroir M4, réflecteur à l'onde harmonique et en s'assurant que le miroir M2 est également réflecteur à la longueur d'onde harmonique. La cavité entre les miroirs M2 et M4 devient résonante dès lors que la phase de propagation dans un aller retour est proche de 0 modulo 27r radians. Cette phase peut se régler par la température du cristal doubleur, mais surtout par 25 le choix de la longueur d'onde émise. Il est possible d'avoir un unique contrôle de température pour les deux cristaux non linéaires conformément à la figure 2. Sur cette figure 2, on voit un laser illustré de façon très schématique pour lequel les cristaux non linéaire doubleur 3 et tripleur 5 ne sont pas directement accolés à 30 l'amplificateur 1. La lame de Brewster 2 sert d'élément polarisant. Le cristal amplificateur à 1064nm est un Nd:YVO4 dopé à 1.1% et de longueur Imm. La face d'entrée de ce cristal amplificateur 1 est traitée HR (hautement réfléchissant) à 1064nm (>99.80h). La lame de Brewster 2 est une lame plate de silice largement fondue de lmm. Le groupe nonlinéaire comporte quatre 35 élément 3 à 6 qui optiquement collés. Le premier cristal 3 est un KTP de 5mm coupé pour un accord de phase de type II à 35 C. Le second cristal 5 est un cristal tripleur de fréquence. Plusieurs cristaux ont été testés : des cristaux LBO coupés pour accord de phase de type I de 3 mm, 4 mm and 5 mm, et des cristaux LBO coupés pour accord de phase de type II de 4mm et 8mm. s Les cristaux LBO sont disposés en sandwich entre deux lames de silice fondue 4 et 6. La larve de sortie 6 est traité HR à 1064nm (99.65%) et la transmission à 532nm et 355nm sont respectivement de 2 à 7% (en fonction du miroir) et de 95%. La lame d'entrée 4 est traité HR à 355nm (98%) afin d'éviter que l'émission UV pénètre dans le cristal KTP. to La longueur de la cavité totale est d'environ 20mm. Le milieu polarisant, qui peut être l'association du Nd:YVO4 et de la lame de Brewster, en combinaison avec les cristaux biréfringent tournés à 45 permette d'obtenir un filtre de Lyot ou filtre biréfringent. L'ensemble est contrôlé en température par un trois effets Peltier de 2W. Cela permet d'accorder le pic 15 de la longueur d'onde du filtre qui peut être atteint dans une gamme de température de 1 à 2K. Ces deux cristaux tolèrent des grandes variations de température en accord de phase, ce qui permet de conserver la conversion en fréquence nonlinéaire. Le laser est pompé par une diode 3W 1*100 pm 808 nm. L'élément 20 focalisant F est une lentille de GRIN. La diode est également contrôlée en température par un effet Peltier . Le cristal amplificateur Nd:YVO4 est contrôlée par un effet Peltier. L'utilisation d'un doublage de fréquence de type II est généralement déconseillé parce qu'il entraine un problème d'interférence de biréfringence. 25 Le dispositif laser de la figure 2 remédie à ce problème en proposant une solution pour un fonctionnement en monofréquence. Les axes du cristal de doublage de fréquence 3 de type II sur la figure 2 et les axes du cristal tripleur 5 sont alignés à 45 par rapport à l'angle de Brewster. On aligne la polarisation du Nd:YVO4 avec la polarisation de Brewster de sorte que 30 l'ensemble de la cavité constitue un filtre biréfringent ou filtre de Lyot. La longueur d'onde avec 100% de transmission est linéairement polarisée dans la lame de Brewster et séparé également sur les deux axes de polarisation du cristal de doublage de fréquence (efficacité de doublage en fréquence maximum). 9 Avec un crystal LBO tripleur de 5mm taillé pour un accord de phase de type I, la puissance de sortie a atteint 7mW. On a ainsi réalisé un laser faible bruit, continu (CW) intracavité, triplé en fréquence, qui peut raisonnablement remplacer les actuels lasers UV gas- ion. Le tableau ci-dessous reprend un ensemble de configurations possibles des cristaux. L'efficacité de doublage ou de triplage peut être de 100% lorsque la polarisation est optimale. Les configurations préférentielles ne sont pas forcément optimisées pour la conversion maximale de fréquence, mais to pour la meilleure stabilité et la simplicité. Arrplificateur Bément Polariseur Bément Doubleur Tripleur biréfringent biréfringent Type orientation eff Type orientation eff oui non oui optionnel45 Il 45 100% I 45 50% oui non oui optionnel 45 Il 45 100% Il 45 50% oui oui 45 oui non I 0 100% Il 0 100% oui non oui optionnel 45 1 45 50% Il 45 50% oui non oui optionnel 45 I 45 50% I 45 50% oui non oui non I 0 100% I 45 25% 15 Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. 2 5 REVENDICATIONS 1. Dispositif laser continu, triplé en fréquence en intra-cavité, pompé par diode; ce dispositif comprenant : s - un milieu amplificateur, un milieu non linéaire biréfringent pour le doublage de fréquence, un milieu non linéaire biréfringent pour le triplement de fréquence, ~o caractérisé en ce qu'il comprend en outre un milieu polarisant disposé de façon à constituer un filtre biréfringent ou filtre de Lyot en intra-cavité, ledit filtre de Lyot étant adapté pour permettre une émission monofréquence en sortie dudit dispositif laser. 15 2. Dispositif laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu polarisant comprend une ou deux interfaces de Brewster. 3. Dispositif laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les axes des milieux de doublage et de triplement de fréquence sont orientés 20 sensiblement entre 30 et 60 par rapport aux axes du milieu polarisant. 4. Dispositif laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'orientation est de 45 . 25 5. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier élément biréfringent disposé après le milieu polarisant, dont les axes de polarisation sont parallèles à ceux des cristaux non linéaires, ce premier milieu biréfringent étant adapté pour ajuster l'Intervalle Spectral Libre (ISL) du filtre 30 de Lyot. 6. Dispositif laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les axes des milieux de doublage et de triplement de fréquence sont parallèles aux axes du milieu polarisant. 35 15 7. Dispositif laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que le cristal doubleur est coupé pour un accord de phase de type I. 8. Dispositif laser selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il 5 comprend un élément biréfringent disposé entre le milieu amplificateur et le milieu polarisant. 9. Dispositif laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que ce second élément biréfringent est un cristal biréfringent dont les axes sont lo tournés à 45 des axes du milieu polarisant. 10. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que hormis le milieu polarisant, tous les autres milieux sont des cristaux à faces parallèles. 11. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur d'onde d'émission en sortie est dans la gamme des ultra-violets (UV). 20 12. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue une cavité résonante linéaire monolithique. 13. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que le milieu amplificateur, le milieu polarisant et les milieux de doublage et de triplement de fréquence sont optiquement contactés entre eux. 14. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle de la température du milieu amplificateur. 15. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle des 35 températures des milieux non linéaires.- 12 - 16. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, c:aractérisé en ce que la largeur du filtre de Lyot est sensiblement égale à la largeur d'émission de la transition du milieu amplificateur. 17. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, c:aractérisé en ce qu'il comprend un miroir hautement réfléchissant (HR) à la longueur d'onde fondamentale, ce miroir étant disposé ~o sur la face d'entrée du milieu amplificateur. 18. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir de sortie hautement réfléchissant (HR) à la longueur d'onde fondamentale, ce miroir 15 étant disposé sur la face de sortie du milieu non linéaire biréfringent de triplement de fréquence. 19. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir hautement 20 réfléchissant (F-IR) à l'onde triplé, ce miroir étant disposé entre les deux milieux non linéaires biréfringent de doublage et de triplement de fréquence. 20. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir hautement 25 réfléchissant (HR) à l'onde triplée en fréquence, ce miroir étant disposé entre le milieu non linéaire biréfringent de doublage de fréquence et le milieu non linéaire biréfringent de triplage de fréquence. 21. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir hautement réfléchissant (HR) à l'onde doublée en fréquence, ce miroir étant disposé entre le milieu polarisant et le milieu non linéaire biréfringent de doublage de fréquence.