Brevet FR2909807A1 — publié le 20080613

L'invention concerne notamment le domaine des lasers et a plus particulièrement pour objet une source laser apte à émettre à des longueurs d'onde à sécurité oculaire et à haute énergie. Le problème de la sécurité oculaire des sources lasers apparaît de façon cruciale lorsqu'il s'agit de sources laser à haute énergie. C'est sans nul doute dans le domaine des applications industrielles et militaires, où de telles sources sont mises en oeuvre, que les risques sont les plus importants. Cependant, pour des raisons économiques et stratégiques, on privilégie toujours les sources pour lesquelles l'encombrement et le rendement sont les plus favorables plutôt que de prendre en compte le risque oculaire. Sur un site industriel où les sources sont implantées de façon fixe, on peut protéger le personnel. II en est tout autrement pour les applications militaires. Le choix du laser à iode oxygène, émettant à 1.315 pm, comme source de haute énergie dans le domaine militaire est à la limite acceptable lorsqu'il est destiné à opérer en haute altitude de sorte que ce type de risque n'existe pas réellement. Par ailleurs, avec le développement des diodes de pompage dont le rendement devrait atteindre 70 à 80%, le laser à Nd:YAG émettant à 1.06 pm a pris une importance considérable au point que ce type de source a été retenu comme source à haute énergie pour des applications militaires. Il est vrai que ce laser a bénéficié de nombreuses avancées technologiques qui ont renforcé son potentiel comme laser de haute énergie. A ce titre, on connaît notamment la demande de brevet 2003/0138021 qui décrit une source laser haute énergie laser qui utilise un matériau actif de type Nd:YAG sous forme d'une structure de faible épaisseur en forme de lame mince de façon à pouvoir évacuer plus facilement la part de l'énergie de pompage transformée 25 en chaleur. Cette lame mince est parfois désignée par le terme Slab . Comme montré sur la figure 1, cette lame mince LM est de forme parallélépipédique, de longueur L de largeur 2b et d'épaisseur h. Elle comporte ainsi deux faces principales de grande section 2b.L et quatre faces secondaires de plus petite section, dont deux faces longitudinales de section L.h et deux faces 30 transversales de section 2b.h. Cette lame est disposée dans une cavité laser limitée par un premier miroir HR réfléchissant à la longueur d'onde d'émission laser de la lame et par un second miroir OC hautement réfléchissant à la longueur d'onde +NYlrf r~r Irlr~~rrrr~- 2909807 2 d'émission laser de la lame et une réflectivité de l'ordre de 95% à cette même longueur d'onde. Avec cette lame mince dont l'épaisseur est faible, à savoir comprise entre 0,4 à 0,7 mm à 1 mm, les 3 fonctions permettant d'obtenir l'émission laser sont 5 distribuées suivant les trois axes de l'espace : - cette lame mince est pompée par un rayonnement P généré par des barrettes de diodes laser ou des fibres optiques et pénétrant à l'intérieur par une ou deux faces longitudinales de section .h et suivant une direction x, - l'émission laser a lieu selon un axe y perpendiculaire à x et située dans le 10 plan de la lame, et à travers les surfaces transversales de section 2b.h. - la chaleur dissipée Q par la lame mince, due à l'absorption, par cette lame, du faisceau P de pompe, est évacuée par conduction, avec des moyens de refroidissement connus, à travers les faces principales suivant un axe z perpendiculaire à x et y. 15 L est une partie du rayonnement laser émis par la lame qui sort de la cavité par le miroir OC. Grâce à des dépôts réfléchissants ou à des lames à indice plus faible, utilisant par exemple du saphir, placées de part et d'autre sur les deux faces principales, on obtient un guidage de l'émission laser et de la lumière de pompage. 20 La longueur de la lame mince suivant laquelle a lieu l'émission laser est le paramètre qui permet d'extrapoler vers les puissances élevées. Le problème essentiel qui demeure est lié à la géométrie particulière du faisceau laser émis, à savoir un faisceau dont la section est une fente avec des divergences très différentes suivant les deux directions et qui possède une inhomogénéité du profil d'intensité due à la loi d'absorption dans le sens de la largeur de la fente. En plus de leurs inconvénients intrinsèques, ces sources à haute énergie présentent l'inconvénient de ne pas émettre à une longueur d'onde présentant une sécurité oculaire à savoir située au-dessus de 1,5 pm environ. On connaît par ailleurs les réalisations de J.l Mackenzie et al. proposées dans l'article intitulé 15 Watt diode side pumped Tm :YAG waveguide laser at 2pm Electronics Letters, 5 juillet 2001, vol.37, n 14 concernant une source à sécurité oculaire apte à émettre à une longueur d'onde de 2,01 pm. Il existe, par ailleurs, des barreaux de Ho:YAG à pompage longitudinal par laser à fibre dopé 2909807 3 thulium ou par laser YLF dopé thulium. Cependant, ces réalisations permettent d'obtenir des sources laser de faible énergie, à savoir inférieure à une centaine de Watt et ne permettent nullement d'obtenir une source laser haute énergie, c'est-à-dire d'une puissance supérieure au kWatt. 5 De plus, le coefficient d'absorption du rayonnement de pompage de Ho:YAG à 1.91 pm est environ 10 fois plus faible que celui de Nd:YAG, ce qui conduit à une géométrie de faisceau encore bien moins adaptée que celle de Nd:YAG dans une configuration slab pour produire une puissance élevée. Les densités de puissance de pompage étant très différentes, l'architecture à deux rangées de 10 diodes du Nd:YAG slab ne convient pas non plus pour Ho:YAG, d'autant plus que les puissances des diodes à 1.91 pm disponibles sont relativement faibles, à savoir inférieur à 20 W par unité. Le but de l'invention est de proposer une source laser à sécurité oculaire et à haute énergie et permettant, en outre, l'obtention de faisceaux faiblement 15 divergents qu'il sera donc facile de transporter à distance. La solution apportée est tout d'abord une lame mince constituée par un matériau laser solide et comportant deux surfaces principales et des surfaces secondaires, et caractérisé en ce qu'au moins deux des dites surfaces secondaires font entre-elles un angle 0 obtus. 20 Comme entre deux surfaces comportant une arête commune, on peut considérer soit l'angle intérieur, soit l'angle extérieur, par angle 0 entre ces deux surfaces, il faut considérer celui dont la valeur est inférieure à rc radians. Par matériau laser solide, il faut comprendre tout matériau solide apte à générer un rayonnement laser lorsqu'il est pompé par un rayonnement adéquat. 25 Selon une caractéristique particulière, cette lame mince comporte au moins cinq surfaces secondaires. Selon une caractéristique additionnelle, au moins une partie de l'une des faces secondaires est recouverte par un matériau réfléchissant à la longueur d'onde d'émission de la lame ou par un matériau d'indice de réfraction plus faible que la 30 lame, tel par exemple du saphir. Selon une caractéristique additionnelle, la lame mince comporte quatre faces secondaires dont l'une d'entre-elles comporte au moins une première et une seconde surfaces, ces première et deuxième surfaces étant préférentiellement recouvertes par un matériau réfléchissant à la longueur d'onde d'émission de la lame 2909807 4 ou par un matériau d'indice de réfraction plus faible que la lame, tel par exemple du saphir. Par matériau réfléchissant, il faut entendre un matériau qui, du côté de la lame, est apte à réfléchir les rayonnements émis et provenant de cette lame. 5 Selon une caractéristique additionnelle, ces première et seconde surfaces font entre-elles un angle 0 tel que : 90 REVENDICATIONS 1. Lame mince constituée par un matériau laser solide et comportant deux surfaces principales et des surfaces secondaires, et caractérisé en ce qu'au moins 5 deux des dites surfaces secondaires font entre-elles un angle 0 obtus. 2. Lame mince selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins cinq surfaces secondaires. 3. Lame mince selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 10 caractérisée en ce qu'au rnoins une partie de l'une des faces secondaires est recouverte par un matériau réfléchissant à la longueur d'onde d'émission de la lame ou par un matériau d'indice de réfraction plus faible que la lame, tel par exemple du saphir. 15 4. Lame mince selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte quatre faces secondaires dont l'une d'entre-elles comporte au moins une première et une seconde surfaces, ces première et deuxième surfaces étant préférentiellement recouvertes par un matériau réfléchissant à la longueur d'onde d'émission de la lame ou par un matériau d'indice 20 de réfraction plus faible que la lame, tel par exemple du saphir. 5. Lame mince selon la revendication 4, caractérisée en ce que ces première et seconde surfaces font entre-elles un angle 01 tel que : 90 6. Lame mince selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 caractérisée en ce qu'elle comporte deux faces secondaires longitudinales parallèles entre elles et deux faces secondaires transversales comportant en tout au moins trois surfaces secondaires transversales dont au moins deux d'entreûelles sont, au moins en partie, recouvertes par un matériau réfléchissant à la longueur d'onde d'émission de la lame ou par un matériau d'indice de réfraction plus faible que la 30 lame, tel par exemple du saphir alors que l'une d'entre-elles n'est, au moins en partie pas recouverte par un tel matériau. 7. Lame mince selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'une des faces transversales comporte deux surfaces adjacentes présentant entre-elles un angle 01 tel que 150 8. Lame mince selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est en cristal ou en céramique dopé, par exemple en YAG, 5 YALO, YVO4 ou KGW dopé à l'holmium ou au thulium ou à l'erbium. 9. Lame mince selon la revendication 8, caractérisée en ce que la concentration en dopant, varie à l'intérieur de la lame. 10. Source laser comportant une lame mince selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 10 11. Source laser selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de pompage constitués par des diodes fibrées.