Brevet FR2901424A1 — publié le 20071123

Cette solution a été utilisée par de nombreux auteurs en particulier en associant des micro-lasers à solide produisant des impulsions lasers de faible puissance à des amplificateurs à fibre optique fournissant un fort gain et une grande puissance moyenne. Cette solution a néanmoins l'inconvénient d'être complexe puisque plusieurs étages d'amplifications sont nécessaires afin d'atteindre des puissances compatibles avec des applications industrielles. De plus il est impossible d'intégrer ce système puisque le micro-laser ne peut être soudé au reste des amplificateurs. De la même façon l'oscillateur peut être une diode laser pulsée mais le nombre d'étages d'amplification augmente encore. Par ailleurs il est nécessaire d'isoler ces étages d'amplification entre eux sous peine de voir une bonne partie de la puissance être émise sous forme d'un rayonnement continu. Récemment une nouvelle technique de production d'impulsions nanosecondes basée uniquement sur des fibres optiques dopées par des ions Ytterbium a été présentée Limpert et al (Conférence Advanced Solid State Photonics, Vienne, fevrier 2005). Cette technique est basée sur l'utilisation d'une fibre optique courte, très fortement dopée, comme milieu amplificateur. Il a aussi été montré qu'un tel système permet de produire des impulsions d'une durée de l'ordre de 10 ns y compris avec des déclencheurs (ou modulateurs optiques (Q-switch)) dont le temps de montée est largement supérieur à 10 ns. Il est connu que la durée des impulsions est proportionnelle à la longueur du résonateur optique qui les produit. Pour obtenir des impulsions brèves il faut donc utiliser des résonateurs courts. Ceci impose des longueurs de fibre optique courtes dans le résonateur et par suite une faible absorption de la puissance de pompe donc un rendement médiocre. Afin d'augmenter le rendement tout en maintenant une faible longueur de fibre on augmente habituellement le coefficient d'absorption de la pompe dans la structure, introduisant ainsi des densités de population excitée très élevées qui conduisent à une réduction de la durée de vie des fibres optiques. Les solutions classiques imposent donc un compromis entre une fibre courte (courte durée d'impulsion) et longévité (trop grande densité d'ions excités pouvant introduire une évolution de la fibre). Il est donc difficile d'obtenir en même temps un rendement élevé, une 5 durée d'impulsion brève et une grande longévité de la fibre. L'objectif de l'invention est donc de proposer un dispositif laser à fibre optique de forte puissance présentant un rendement élevé, une durée d'impulsion brève de l'ordre de la nanoseconde ou de quelques nanosecondes ( L'ouverture numérique de cette gaine de pompage 31 doit être la plus grande possible. L'ensemble peut être entouré d'une gaine mécanique dont le rôle est d'assurer le maintien mécanique des fibres. Les fibres optiques 6 et 10 sont composées préférentiellement de verre ou de silice et d'air. Les fibres optiques 6 et 10 peuvent avoir des diamètres de coeur et de gaine différents mais le système fonctionnera de façon avantageuse si les ratio entre diamètre de coeur et diamètre de gaine sont très proches dans la première fibre optique 6 et la deuxième fibre optique 10. Les ondes de pompe sont incidentes sur l'extrémité extérieure 17 de la première fibre optique 6. Elles peuvent être également injectées le long de cette première fibre optique 6 dans la gaine de pompe 31 par le premier moyen de couplage optique 33. La figure 2 représente un mode de réalisation du dispositif laser à fibre optique de façon plus détaillée avec lequel il est possible de mieux comprendre le fonctionnement du dispositif. Une onde de pompe est émise par la diode laser 1. Elle est injectée dans la première fibre optique 6 à travers les premiers moyens de couplage 20 optique 33. L'onde de pompe peut être préalablement émise dans une fibre de guidage 2 disposée entre la diode laser 1 et les premiers moyens de couplage optique 33. Plus précisément, l'onde de pompe est collimatée par la première 25 lentille 3. Elle traverse le miroir dichroïque 5 et est focalisée sur l'extrémité extérieure 17 de la première fibre optique 6 par la deuxième lentille 4. Une partie de l'onde de pompe est absorbée lors de sa propagation dans la première fibre optique 6. Le coeur dopé 30 de la fibre optique 6 par laquelle l'onde de pompe est couplée par son extrémité extérieure 17 est apte 30 à absorber partiellement l'onde de pompe et à laisser sortir une onde de pompe résiduelle à l'extrémité intérieure 18 de cette fibre optique 6. La structure double gaine de la première fibre optique 6 permet à l'onde de pompe d'être guidée. A la sortie de la première fibre optique 6, c'est-à-dire à l'extrémité 35 intérieure 18 de la première fibre optique 6, l'onde de pompe résiduelle et l'onde laser sont collimatés à nouveau par la première lentille de collimation 7 pour traverser l'extrémité partiellement réfléchissante 9 qui peut être un miroir partiellement réfléchissant. L'onde de pompe résiduelle et l'onde laser sont ensuite couplées sur l'extrémité intérieure 19 de la deuxième fibre optique 10 amplificatrice par la deuxième lentille de collimation 8. La longueur de la deuxième fibre optique 10 est choisie pour absorber une grande partie de l'onde de pompe incidente sur son extrémité intérieure 19. L'extrémité très fortement réfléchissante 12 de la cavité laser du résonateur optique déclenché 22 renvoie vers la première fibre optique 6 tout ou partie du rayonnement émis par cette dernière. L'extrémité très fortement réfléchissante 12 peut être un miroir. Le miroir dichroïque 5 est préférentiellement totalement réfléchissant à la longueur d'onde laser et transparent à la longueur d'onde de l'onde de 15 pompe. La longueur d'onde de pompe est choisie parmi les longueurs d'onde absorbées par les fibres optiques 6 et 10. La deuxième lentille 4, la première lentille de collimation 7 et la deuxième lentille de collimation 8 sont choisies de façon à avoir une 20 ouverture numérique au moins aussi importante que celle des gaines de pompe 31 des fibres optiques 6 et 10. Lorsque l'onde de pompe produit par la diode laser 1 est absorbée dans les fibres optiques 6 et 10, elle crée une inversion de population. Si l'extrémité très fortement réfléchissante 12 et l'extrémité 25 partiellement réfléchissante 9 sont correctement disposées, un effet laser se produit dans la cavité résonante ainsi formée. L'onde de pompe résiduelle est partiellement transmise par l'extrémité partiellement réfléchissante 9 et est injectée dans la deuxième fibre optique 10 par la deuxième lentille de collimation 8. 30 L'extrémité partiellement réfléchissante 9 et la deuxième lentille de collimation 8 sont choisies de façon à coupler simultanément le mode issu du coeur 30 de la première fibre optique 6 dans le coeur 30 de la deuxième fibre optique 10 ainsi que le rayonnement laser issu de la gaine de pompe 31 de la première fibre optique 6 vers la gaine de pompe 31 de la deuxième fibre optique 10 en garantissant un accord à la fois pour les dimensions et pour les ouvertures numériques. L'onde laser est alors amplifiée par la deuxième fibre optique 10 qui est elle-même pompée par le résiduel de la pompe n'ayant pas été absorbée 5 dans première fibre optique 6. L'onde de pompe est très partiellement absorbée dans la première fibre optique 6 (5 à 50% et avantageusement moins de 20%). Le reste est absorbé dans la deuxième fibre optique 10 afin que l'onde de pompe soit totalement, ou presque, absorbée. 10 La valeur typique de l'absorption d'une onde de pompe par le coeur 30 doit être inférieure à 30 dB/m, valeur qui prend en compte le rapport des surfaces du coeur 30 et de la gaine 31. De même la concentration locale d'ions terre rare dans le coeur 30 doit être la plus uniforme possible. 15 La longueur des fibres 6 et 10 est choisie afin d'assurer une absorption quasi complète de l'onde de pompe et permettre de produire des impulsions brèves de forte puissance ayant une durée de l'ordre de la nanoseconde ou de quelques nanosecondes ( Les figures 5 et 7 représente deux autres modes de réalisation possible dans lequel le dispositif laser est partiellement intégré. Sur la figure 5, les extrémités intérieures 18, 19 des premières 6 et deuxièmes 10 fibres optiques, l'extrémité partiellement réfléchissante 9 et les seconds moyens de couplage optique 35 sont assemblés entre eux de façon à former un ensemble monolithique, c'est-à-dire formé d'un seul bloc. Dans un mode de réalisation particulier représenté sur la figure 7, les seconds moyens de couplage optique 35 peuvent être des moyens mécaniques de maintien d'extrémité de fibre optique aptes à rapprocher les extrémités intérieures 18, 19 des deux fibres optiques 6, 10 qui se font face. Les fibres optiques 6 et 10 peuvent être rapprochées l'une de l'autre à une distance inférieure à 100 microns. On retrouve entre les extrémités intérieures 18, 19 des deux fibres optiques 6, 10 seulement une mince lame d'air ou un matériau de faible indice (d'épaisseur inférieure à 100pm). Les extrémités 18 et 19 des deux fibres optiques 6, 10 sont maintenues alignées par les moyens mécaniques précités. L'extrémité partiellement réfléchissante 9 peut être constituée d'au moins une des deux extrémités intérieures 18, 19 des fibres optiques 6, 10. Les extrémités intérieures 18, 19 sont éventuellement recouvertes d'un traitement optique partiellement réfléchissant pour l'onde laser. Il est particulièrement avantageux pour des raisons de fiabilité et de coûts de réalisation de pouvoir intégrer le maximum de fonction dans les fibres optiques 6 ou 10. L'extrémité partiellement réfléchissante 9 peut être un réflecteur de Bragg 9' comprenant un réseau de Bragg dont le coefficient de réflexion est typiquement compris entre 10 et 50% à la longueur d'onde de l'impulsion laser. Ce réflecteur de Bragg 9' est inscrit dans le coeur 30 de la fibre optique 6 ou 10. Une continuité de guidage est assurée aussi bien pour l'onde de pompe que les impulsions lasers. Les fibres optiques 6 et 10 et le réflecteur de Bragg 9' peuvent être soudés entre eux afin de former l'ensemble monolithique. Selon un autre mode de réalisation, les premières 6 et deuxièmes 10 fibres optiques sont formées d'une fibre optique unique 6, 10 dans laquelle le réflecteur de Bragg 9' est gravé ou photo-inscrit, définissant deux zones 6 et 10. La plus courte étant l'équivalent de la première fibre optique 6 et la plus longue étant l'équivalent de la deuxième fibre optique 10. Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 6, l'extrémité partiellement réfléchissante 9 et le modulateur optique 13 sont combinés pour former un modulateur intégré 16 dans les fibres optiques 6 et 10. On obtient undispositif laser monolithique totalement intégré. Le modulateur intégré 16 peut comprendre un réseau de Bragg et une commande électrique de façon à contrôler sa réflectivité. On peut modifier sa réflectivité par un signal extérieur. Le modulateur intégré 16 est disposé entre les premières 6 et 5 deuxièmes 10 fibres optiques. Le modulateur intégré 16 guide l'onde de pompe d'une fibre à l'autre. Dans cette configuration, l'onde de pompe est couplée dans la première fibre optique 6 à l'aide d'une optique de couplage 14 ou d'un "entonnoir" (ou "taper" en anglais). 10 L'optique de couplage 14 adapte adiabatiquement le diamètre de la fibre de guidage 2 transportant l'onde de pompe émise par la diode laser 1 vers le diamètre de la gaine de pompe 31 de la première fibre optique 6. L'extrémité très fortement réfléchissante 12 et les premiers moyens de couplage optique 33 peuvent être combinées pour former un réflecteur total 15 15 intégré à l'extrémité externe 17 de la première fibre optique 6. Le réflecteur total 15 formé par un réseau de Bragg inscrit dans la première fibre optique 6 forme le miroir de fond de la cavité résonante et transmet l'onde de pompe. L'ensemble des éléments optique 2, 14, 15, 6, 16 et 10 du dispositif 20 laser est assemblé de façon à former un système monolithique. Ces éléments peuvent être soudés. Plusieurs diodes lasers 1 peuvent être couplés dans la fibre grâce à un système de pieuvres de tapers . Le modulateur intégré 16 peut être positionné ente l'extrémité 25 extérieure 17 de la première fibre optique 6 et l'optique de couplage 14. Le dispositif laser peut comprendre un moyen polarisant et un moyen de stabilisation pour rigidifier les fibres optiques 6, 10 de façon à obtenir des impulsions lasers polarisées Le modulateur 13 peut être cet élément polarisant. 30 Les fibres optiques 6, 10 peuvent être rigidifiées soit de façon intrinsèque par l'emploi de fibres de type rod-type fiber ou par des moyens mécaniques externes à la fibre (support ou gaine mécanique par exemple). Ces moyens mécaniques peuvent être soit linéaires soit présenter un forme régulière compatible avec le soutien d'une fibre optique (cercle, 35 spirale, portion de courbe...). On obtient ainsi un dispositif laser à fibre optique de forte puissance présentant un rendement élevé, une durée d'impulsion brève de l'ordre de la nanoseconde, une grande longévité des fibres optiques, simple dans sa conception et pouvant se présenter sous une forme partiellement ou totalement intégrée. REVENDICATIONS 1. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique de forte puissance comprenant : - au moins une diode laser (1) apte à émettre une onde de pompe, - un résonateur optique déclenché (22) apte à générer une onde laser comportant : o une extrémité très fortement réfléchissante (12) et une extrémité partiellement réfléchissante (9) apte à transmettre partiellement l'onde de pompe et l'onde laser à l'extérieur du résonateur optique déclenché (22), o un milieu amplificateur constitué d'une première fibre optique (6) apte à absorber l'onde de pompe et amplifier l'onde laser, disposé entre les deux extrémités réfléchissantes (9) et (12), o un modulateur optique (13) apte à basculer d'un état bloquant à un état passant, - un amplificateur optique constitué d'une deuxième fibre optique (10) disposé tel que l'extrémité partiellement réfléchissante (9) du résonateur optique déclenché (22) se situe entre les deux fibres optiques (6, 10), lesdites premières (6) et deuxièmes (10) fibres optiques étant du type fibre optique double gaine présentant un coeur (30), une gaine de pompage (31), une gaine de confinement (32) et chacune une extrémité intérieure (18, 19) et une extrémité extérieure (17, 20) - des premiers moyens de couplage optique (33, 34) aptes à coupler ladite onde de pompe à l'une des deux fibres optiques (6, 10) par leur extrémité extérieure (17, 20), - des seconds moyens de couplage optique (35) disposés entre les 30 deux fibres optiques (6, 10) caractérisé en ce que : - le coeur dopé (30) de la fibre optique (6, 10) par laquelle ladite onde 35 de pompe est couplée par son extrémité extérieure (17, 20) est apteà absorber partiellement l'onde de pompe et à laisser une onde de pompe résiduelle à l'extrémité intérieure (18, 19) de ladite fibre optique (6, 10), - les seconds moyens de couplage optique (35) sont aptes à assurer simultanément le couplage de l'onde de pompe résiduelle et le couplage de l'onde laser issue du résonateur optique déclenché (22), à l'extrémité intérieure (18, 19) de l'autre des deux fibres optiques (6, 10), - ladite deuxième fibre optique (10) présente une longueur supérieure à celle de la première fibre optique (6) la rendant apte à amplifier l'onde laser issue du résonateur optique déclenché (22). 2. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités intérieures (18, 19) des premières (6) et deuxièmes (10) fibres optiques, l'extrémité partiellement réfléchissante (9) et les seconds moyens de couplage optique (35) sont assemblés entre eux de façon à former un ensemble monolithique. 3. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premières (6) et deuxièmes (10) fibres optiques sont formées d'une fibre optique unique dans laquelle l'extrémité partiellement réfléchissante (9) et les seconds moyens de couplage optique (35) sont gravés ou photoinscrits, formant deux parties de fibre optique (6, 10) distinctes de longueurs différentes. 4. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité partiellement réfléchissante (9) et le modulateur optique (13) forment un modulateur intégré (16) dans les fibres optiques (6, 10) comprenant une commande électrique de façon à contrôler la réflectivité dudit modulateur, ledit modulateur intégré (16) étant disposé entre les premières (6) et deuxièmes (10) fibres optiques. 5. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'extrémité partiellement 35 réfléchissante (9) comprend un réseau de Bragg. 6. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité très fortement réfléchissante (12) et les premiers moyens de couplage optique (33, 34) forment un réflecteur total (15) intégré à l'extrémité externe (17) de la première fibre optique (6), ledit réflecteur total (15) comprenant un réseau de Bragg. 7. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seconds moyens de couplage optique (35) sont des moyens mécaniques de maintien d'extrémité de fibre optique aptes à rapprocher les extrémités intérieures (18, 19) des deux fibres optiques (6, 10) qui se font face. 8. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend : - deux diodes lasers (1) émettant chacune une onde de pompe et, - deux premiers moyens de couplage optique (33, 34), l'un des premiers moyens de couplage optique (33) étant apte à coupler 20 l'une des ondes de pompe sur l'extrémité extérieure (17) de la première fibre optique (6) et l'autre des premiers moyens de couplage optique (34) étant apte à coupler l'autre onde de pompe sur l'extrémité extérieure (20) de la deuxième fibre optique (10). 25 9. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une des deux fibres optiques (6, 10) est du type fibre photonique. 10. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le coeur des premières (6) et deuxièmes (10) fibres optiques présente un diamètre supérieur à 30 pm. 11. Dispositif laser impulsionnel à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen polarisantet un moyen de stabilisation pour rigidifier les fibres optiques (6, 10) de façon à obtenir des impulsions lasers polarisées.