Brevet FR2895841A1 — publié le 20070706

- 1- " Dispositif laser à seuil réduit." La présente invention se rapporte à un dispositif laser. Elle trouve une application particulièrement intéressante, mais non exclusivement, dans le pompage efficace d'une transition à trois niveaux, le niveau bas de la transition correspondant à l'état fondamental. D'une façon générale, un laser à 3 niveaux est un laser pour lequel le niveau bas de la transition laser est le niveau fondamental. Le milieu n'est to amplificateur que lorsque plus de la moitié des ions sont dans l'état excité. La puissance de pompe locale nécessaire à l'atteinte de ce niveau d'excitation est P= hvpAp/aapti, où hvp est l'énergie d'un photon de pompe, Ap est l'aire de l'étendue 15 transverse de la pompe, Gap est la section efficace d'absorption de la pompe et i est la durée de vie de l'état excité. Les diodes à émetteur unique se focalisent sur des aires de quelques 10-8 m2, ce qui donne des valeurs de P de l'ordre de quelques W à quelques dizaines de W pour la majorité des terres rares sous forme trivalente dans la majorité des matériaux hôtes. En 20 général, le seuil laser est supérieur à P. Cela explique pourquoi très peu de lasers à trois niveaux pompés par diode ont été réalisés. La réalité est un peu plus complexe car les niveaux sont souvent multiples et légèrement séparés en énergie. Chacun des sous-niveaux est peuplé thermiquement et est en général à l'équilibre de Boltzmann. Les 25 sections efficaces effectives sont les sections efficaces absolues multipliées par la population relative du sous-niveau. Ainsi les sections efficaces d'émission et d'absorption diffèrent Ga≠ae. Lorsque le niveau bas de la transition est un sous-niveau d'énergie élevé, Ga Ge et le fonctionnement du laser se rapproche d'un laser à 4 niveaux. C'est le cas par exemple de la 30 transition à 946 nm du Nd :YAG (4F3/2 --> 4Ig/2). En revanche, on ne connaît pas par exemple d'expérimentation démontrant l'émission autour de 875 nm correspondant au sous-niveau fondamental du niveau 41g/2, cette transition correspondant au laser 3 niveaux. En particulier, l'Ytterbium (Yb) trivalent possède deux niveaux. Le 35 niveau fondamental 2F712 possède 4 sous-niveaux. Le niveau excité 4F5/2 en 2895841 - 2 possède 3. En général, la section efficace d'absorption la plus importante correspond à la transition entre les deux sous-niveaux les plus bas. Cette transition est celle du laser à 3 niveaux (autour de 980 nm) et elle ne peut donc pas être utilisée pour pomper ce même laser à 3 niveaux. Cela signifie 5 que Gap est faible et que le seuil laser est donc forcément élevé. C'est la raison pour laquelle très peu d'expérimentations ont démontré le fonctionnement du laser à 3 niveaux de l'Yb par exemple. A titre d'exemple, seules deux expérimentations remarquables ont démontré des lasers fondés sur la transition à 3 niveaux de l'Ytterbium. La première expérimentation concerne un laser à fibre dopée à Yb, pompé par des diodes émettant 18W à 915 nm. C'est le seul laser dépassant 1W de puissance de sortie à 977 nm. Ce type de laser est décrit dans la publication : "A 3.5-W 977-nm cladding-pumped jacketed air-clad Ytterbium-doped fiber laser", K.H. Yla-Jarkko, R. Selvas, D.B.S. Soh, J.K. Sahu, C.A. Codemard, J. Nilsson, S: U. Alam, and A.B. Grudinin. In, Zayhowski, J.J. (ed.) Advanced Solid-State Photontcs 2003. Washington DC, USA, Optical Society of America Trends in Optics and Photonics Series (OSA TOPS Vol 83). Dans ce document, la réduction du seuil est obtenue grâce à la structure de guide d'une fibre et grâce à une diode haute brillance qui permettent de réduire l'aire pompée A d'un facteur supérieur à 10. L'efficacité d'injection de la pompe n'est cependant pas bonne dans de tels lasers à fibre. L'industrialisation d'un tel laser requerrait une fibre à maintien de polarisation. Finalement, une puissance de laser inférieure à 10W ne permet pas par exemple une bonne efficacité de doublage avec des cristaux non linéaires conventionnels et le rendement de conversion entre la pompe et l'émission bleue (à 488 nm) est faible. La seconde expérimentation concerne un laser Yb :S-FAP émettant 250 mW à 985 mn. Ce laser est décrit dans l'article "Efficient laser operation of an Yb :S-FAP crystal at 985 nm", S. Yiou, F. Balembois, K. Schaffers et P. Georges, Appl. Opt. 42, 4883-4886 (2003). II est pompé par un un laser Ti :Saphir émettant 1.45 W à 900 nm. La réduction du seuil est obtenue par le choix d'un matériau (S-FAP) maximisant le produit Gapti et par le pompage par un laser, ce qui permet de 35 réduire l'aire pompée A d'un facteur au moins 10. 2895841 - 3- Les difficultés principales des lasers à Yb émettant autour de 980 nm sont doubles. La première est la compétition de gain entre les émissions à 4 niveaux et l'émission à 3 niveaux. Afin de réduire le gain maximal des émissions à 4 niveaux au seuil de l'émission à 3 niveaux, il convient de 5 réduire le produit concentration d'Ytterbium N par la longueur L. L'autre difficulté provient de la faiblesse des sections efficaces d'absorption de la pompe (entre 900 et 950 nm) et l'inadéquation de la longueur d'onde d'absorption la plus grande avec des sources semiconductrices disponibles. La combinaison d'un faible produit NL et d'une faible section efficace io d'absorption de la pompe induit une absorption réduite de la pompe dans le laser. Cela réduit donc l'efficacité du laser. Le choix des cristaux de Yb :S-FAP a été réalisé en fonction de la forte valeur de la section efficace d'absorption de l'Yb dans le S-FAP. Les deux problèmes majeurs proviennent de l'absence de fournisseurs du S-FAP et 15 de la longueur d'onde de pompe (899 nm) qui ne correspond pas aux diodes commerciales. Les autres cristaux connus sont plus défavorables. La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients précités, et en particulier de réduire le seuil d'émission d'un laser à 3 niveaux. Un autre but de l'invention est de concevoir un laser à 3 niveaux 20 pouvant être excité par une gamme étendue de longueurs d'onde. La présente invention a encore pour but un laser compact d'une grande efficacité. Un dernier but de l'invention est de concevoir un laser pompé par diode pour lequel l'excitation du milieu amplificateur ne peut pas se réaliser par un pompage direct par une diode de pompe (pour une raison de non 25 disponibilité de la longueur d'onde ou non adaptation spatiale du mode de la pompe). On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un dispositif laser comprenant : - un premier milieu amplificateur apte à émettre un premier 30 faisceau laser de sortie à la longueur d'onde de sortie X s; - un second milieu amplificateur apte à émettre un second faisceau laser de longueur d'onde intermédiaire 2i et apte à être pompé à une longueur d'onde de pompe Xp telle que Xi est comprise entre 4 et Xs; - 4 - une unique cavité laser contenant lesdits premier et second milieux amplificateurs, cette cavité étant fermée par deux miroirs de réflexion maximale à la longueur d'onde Xi . Avec le dispositif selon l'invention, l'émission laser du second milieu amplificateur est utilisée pour pomper le premier milieu amplificateur à l'intérieur d'une unique cavité laser. La présente invention permet ainsi d'étendre la gamme de longueurs d'onde de pompe utilisées pour permettre au premier milieu amplificateur de laser. En d'autres termes, on peut ainsi pomper tout milieu amplificateur qui généralement n'absorbe pas lo efficacement les longueurs d'ondes émises par les diodes. Avantageusement, le premier milieu amplificateur peut être un milieu amplificateur à trois niveaux. La présente invention permet notamment de réduire considérablement le seuil d'émission laser et d'augmenter en même temps l'efficacité des lasers à trois niveaux. En particulier, ladite cavité est le 1s siège de deux longueurs d'ondes laser Xi et Xs distinctes. Selon une caractéristiques avantageuse de l'invention, le premier milieu amplificateur comporte un élément actif absorbant le faisceau laser à la longueur d'onde intermédiaire Xi. En particulier, cette absorption du faisceau laser à la longueur d'onde intermédiaire Xi dans le premier milieu 20 amplificateur est supérieure aux pertes non résonnantes de ce faisceau laser à la longueur d'onde intermédiaire Xi. Pour obtenir les éléments constitutifs avantageux de la présente invention, on a agit de la manière décrite ci-après. Au-delà du seuil laser, l'équation liant la puissante de pompe Pp, la 25 puissance laser P1 et la fraction x d'ions excités peut s'approximer par : ANLx P P +hv (G2-1)=hy' (1-exp(aa,(xi)LI)) (1) p Où A est la section transverse de la pompe, N1 est la concentration d'ions dopants, L1 est la longueur du milieu amplificateur, t1 est la durée de vie de l'état excité, G est le gain compensant exactement les pertes 'n de la 30 cavité laser et upi(xi)=6apiNIL1(1-Fxi) est le coefficient d'absorption linéique de la pompe en fonction de l'inversion de population, F est le facteur de recouvrement de la pompe sur la distribution transverse d'ions excités. La valeur de x est donnée par la solution de G2(x1)rl=1. Le seuil est la valeur de Pp, solution de (1) lorsque P1=0. 2895841 - 5 Pour un vrai laser à 3 niveaux, x1 est de l'ordre de 0.5 ou plus, alors que pour un laser à 4 niveaux, la valeur de x peut être aussi faible que 0.01. Afin de réduire le seuil laser (lié à la partie gauche de l'équation), il convient de minimiser le produit N1L1. En revanche, un bon transfert de la puissance 5 de pompe vers le laser requiert que apI(x1)LI 1. Si la section efficace d'absorption Gap1 est faible, cela implique que le produit N1L1 doit être grand. Afin de découpler le problème du seuil et celui du transfert de puissance de la pompe vers le laser, on propose donc un nouveau schéma de laser selon la présente invention. On propose de rajouter un deuxième milieu io amplificateur de concentration N2, de longueur L2, de durée de vie de son état excité ti2 absorbant la longueur d'onde de pompe 7\.p et ayant du gain à une longueur d'onde Xi intermédiaire entre la longueur d'onde de pompe et la longueur d'onde laser 2.s. La longueur d'onde Xi est absorbée par le premier milieu amplificateur. Les miroirs sont fortement réfléchissants à la 1s longueur d'onde Xi de manière à minimiser les pertes non résonnantes 12 du laser Xi. Ces pertes peuvent être bien inférieures à 1%. Si l'absorption du premier milieu amplificateur est bien supérieure à rie (cela est vrai à partir de quelques % d'absorption), l'équation du nouveau laser s'approxime par ANL x + ANL2x? + P (G2ù1)= Pp (1ùexp-apz(x2a )L )) (2) z, z2 hv, hvp 20 La fraction x2 d'ions excités du premier milieu amplificateur est celle qui permet le seuil laser à la longueur d'onde Xi. Si le second milieu amplification est bien choisi, la valeur de x2 peut être assez faible ( Le deuxième milieu amplificateur peut être basé sur la transition 4F3/2 -> 4I9/2 du néodyme Nd trivalent, ce dernier pouvant être contenu dans une matrice d'un matériau de la liste suivante : YAG; YVO4; GdVO4; YAP ou YLF. Selon une caractéristique avantageuse, on peut insérer dans la cavité selon la présente invention, des éléments tels qu'un polariseur, un filtre, un Io cristal non linéaire ou tout autre élément adapté pour être inséré dans une cavité laser. En particulier, le dispositif selon la présente invention peut être tel que le premier milieu amplificateur comprend de l'Ytterbium émettant autour de 980 nm. En outre, on peut disposer un cristal non linéaire de doublage intra- 15 cavité. Dans ce cas, la longueur d'onde émise par le dispositif laser est la moitié de celle du premier milieu amplificateur. 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 : 20 - La figure 1 est un schéma simplifié d'un laser à trois niveaux; - La figure 2 est un schéma simplifié d'un dispositif laser selon la présente invention, pompé par une diode laser; -La figure 3 est une représentation graphique des courbes des sections efficaces d'absorption et d'émission de l'Ytterbium dans une matrice 25 de GGG; - La figure 4 est un graphe représentant les caractéristiques d'un laser conventionnel et d'un laser selon la présente invention; - La figure 5 est une représentation graphique des courbes des sections efficaces d'absorption et d'émission de l'Ytterbium dans une matrice 30 de silice. Sur la figure 1, on voit une représentation des états d'énergie d'un laser à trois niveaux. On distingue trois états, état 1 : niveau d'énergie fondamental, état 2 : niveau d'énergie excité, et état 3 : niveau d'énergie d'absorption de la pompe. Chaque transition d'un état à un autre est associée 35 à un phénomène physique. Le passage de l'état 1 à l'état 3 s'effectue par 2895841 - 7- pompage optique avec absorption de photons. Le passage de l'état 3 à l'état 2 s'effectue par relaxation des atomes, c'est à dire une désexcitation en général non radiative et rapide. Les atomes restent dans l'état 2 pendant une durée égale à une durée de vie donnée. Le passage de l'état 2 à l'état 1 5 s'effectue par émission de photons formant le faisceau laser. Sur la figure 2, on voit un dispositif laser 4 selon la présente invention, pompé par une diode laser 5. Ce dispositif laser 4 est composé de deux milieux amplificateurs 6 et 7 formant cavité linéaire monolithique. Le faisceau laser émis par la diode laser 5 est colinéaire au dispositif laser 4. Le premier milieu amplificateur 6 est un milieu actif à trois niveaux, disposé en aval d'un second milieu amplificateur 7, l'ordre pouvant être inversé. La longueur d'onde Xi d'émission de ce dernier est comprise entre la longueur d'onde Xp d'émission de la pompe 5 et la longueur d'onde Xs d'émission du premier milieu amplificateur. Le second milieu amplificateur est excité par la pompe 5. La cavité laser du dispositif comprend un miroir 8 de réflexion maximale Rmax à la longueur d'onde Xi, ce miroir étant accolé à la face de sortie du premier milieu amplificateur 6. La cavité laser du dispositif comprend également un miroir 9 de réflexion maximale Rmax à la longueur d'onde Xi, ce miroir étant accolé à la d'entrée du second milieu amplificateur 7. Les figures 3 à 5 permettent de mettre en exergue les avantages procurés par la présente invention lorsque appliquée à un laser Ytterbium Yb à trois niveaux émettant autour de 980nm. Les cristaux Yb :YAG sont fréquemment utilisés pour une émission à 1031 nm (laser à 4 niveaux). Dans la matrice de YAG, l'ion Yb a une transition à 3 niveaux à la longueur d'onde de 968 nm. Malheureusement, à cette longueur d'onde cai=7.10-25 m2> aei=3.10-25 m2. Cela signifie que le seuil de l'émission laser nécessite une excitation de plus de 70% des ions. Pour s'affranchir de ce problème, on choisi une matrice cristalline légèrement différente (GGG). Les caractéristiques de Yb :GGG sont les suivantes : le pic d'émission 3 niveaux est 971 nm et le pic d'émission à 4 niveaux est 1031 nm, la bande d'absorption est 930-945 nm, îa1(971)=6.6.10-25 m2, cei(971)=6.6.10-25 m2, dal(940)=4.10-25 m2, i=0.8 ms. Les sections efficaces d'absorption et d'émission sont présentées sur la figure 3. Soit un cristal dopé à 2% d'Yb (Ny=2.5.1026 m-3). On suppose que la 2895841 - 8 pompe est uniforme sur un diamètre de 150 pm. Si on s'intéresse à un doublage intra-cavité par exemple, on considère une cavité avec des miroirs Rmax et on calcule la puissance laser à 971 nm en supposant que les pertes sur un aller-retour sont égales à 2%. Les simulations montrent qu'une 5 longueur de cristal Ly=5 mm est proche de l'optimum. Au-delà de cette valeur, le seuil laser devient vraiment important et le gain du laser à 4 niveaux devient si important qu'il est difficile de l'empêcher d'osciller. En deçà de cette longueur, la pompe n'est plus absorbée efficacement. Le seuil laser est de 15 W pour la longueur de 5 mm. La puissance laser atteint 20 W pour io une puissance de pompe de 17.5 W (voir les courbes de droites sur la figure 4). L'efficacité de la présente invention se démontre en utilisant du Nd :YAG comme deuxième milieu de gain. On considère un cristal dopé à 1.1% de Nd (NN=1.53. 1026 m"3) et d'une épaisseur LN=2 mm. L'ion Nd se pompe 15 à 808 nm et peut émettre à une longueur d'onde de 946 nm. La durée de vie de l'état excité est i=0.19 ms et ad2(808)=6.15.10-24 m2, ae2(946)=3.9.10-24m2, aa2(946)=4.5.10-26 m2. Comme discuté auparavant, on peut fortement réduire l'épaisseur de Yb :GGG à 4=0.5 mm par exemple. Avec ces valeurs, le seuil du laser est inférieur à 0.9 W et la puissance laser à 971 nm atteint 20 20 W pour une puissance de pompe de 1.55 W conformément aux courbes de gauches sur la figure 4. On a ainsi démontré avec la présente invention qu'il est possible de fortement réduire le seuil des lasers à 3 niveaux en conservant, voire en augmentant, l'absorption de la pompe et donc l'efficacité de conversion. 25 Cette invention prend notamment tout son sens, mais pas uniquement, dans la réalisation de source laser autour de 980 nm ou autour de 490 nm (en insérant un cristal doubleur dans la cavité) à partir de la transition à 3 niveaux de l'Yb. La majorité des matériaux hôtes peut être considérée, en incluant Yb:SiO2 (figure 5) qui a l'avantage d'émettre à 976 nm. La fréquence double 30 correspond exactement à la longueur d'onde principale des lasers à Argon (488 nm). D'une façon générale, la présente invention permet un pompage efficace d'un laser à 3 niveaux. Pour ce faire, on a introduit dans la cavité 35 laser un second milieu laser, que l'on peut exciter avec une pompe de 2895841 - 9 longueur d'onde a,p; ce second milieu émettant une longueur d'onde intermédiaire 2d, comprise entre la longueur d'onde de pompe et celle du laser à 3 niveaux a.s. On s'assure également que les miroirs de la cavité laser sont Rmax (réflexion maximale) à la longueur d'onde Xi. De préférence, le seuil 5 du laser 2i est plus faible que celui du laser 2.s lorsque ce dernier est pompé directement. En outre, la longueur d'onde Xi est de préférence absorbée par le milieu laser à 3 niveaux et cette absorption est supérieure aux autres pertes de la cavité. D'autres éléments peuvent être ajoutés à l'intérieur de la cavité, comme un polariseur, un filtre ou des cristaux non linéaires. La to présente invention s'applique notamment à la transition à trois niveaux de l'Yb3+, dont la longueur d'onde se situe autour de 980 nm selon le matériau hôte. Cela permet de réaliser des lasers émettant autour de 980 nm ou des lasers émettant autour de 490 nm lorsqu'un dispositif de doublage intracavité est inclus. 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. En effet, la présente invention peut avantageusement s'appliquer à d'autres milieux amplificateurs que le milieu amplificateur à trois niveaux, tel que par exemple le milieu 20 amplificateur à quatre niveaux. 15 REVENDICATIONS 1. Dispositif laser comprenant : - un premier milieu amplificateur apte à émettre un premier faisceau 5 laser de sortie à la longueur d'onde de sortie Xs; - un second milieu amplificateur apte à émettre un second faisceau laser de longueur d'onde intermédiaire Xi et apte à être pompé à une longueur d'onde de pompe Xp telle que Xi est comprise entre Xp et Xs; - une unique cavité laser contenant lesdits premier et second milieux 10 amplificateurs, cette cavité étant fermée par deux miroirs de réflexion maximale à la longueur d'onde Xi . 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier milieu amplificateur est un milieu amplificateur à trois niveaux. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier milieu amplificateur comporte un élément actif absorbant le faisceau laser à la longueur d'onde intermédiaire Xi. 20 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'absorption du faisceau laser à la longueur d'onde intermédiaire Xi dans le premier milieu amplificateur est supérieure aux pertes non résonnantes de ce faisceau laser à la longueur d'onde intermédiaire Xi. 25 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité est de type linéaire résonante monolithique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que le seuil d'émission du second milieu amplificateur à la longueur d'onde Xi est inférieur au seuil d'émission du premier milieu amplificateur à la longueur d'onde Xs lorsque ce dernier est pompé directement. 2895841 - 11 - 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier milieu amplificateur est basé sur la transition trois niveaux de l'Ytterbium trivalent. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier milieu amplificateur comprend une matrice de silicate dopée à l'Ytterbium (Yb). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, lo caractérisé en ce que le deuxième milieu amplificateur est basé sur la transition 4F3/2 -a 4I9/2 du néodyme Nd trivalent. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le Nd trivalent est contenu dans une matrice d'un matériau de la liste suivante: YAG; YVO4i 15 GdVO4i YAP ou YLF. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comprend en outre un polariseur. 20 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comprend en outre un filtre. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comprend en outre un cristal non linéaire. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier milieu amplificateur comprend de l'Ytterbium émettant autour de 980 nm, et en ce qu'il comprend en outre un cristal non linéaire de doublage intra-cavité. 25