Brevet FR2911012A1 — publié le 20080704

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. Il 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 en chaleur. Cette lame mince est parfois désignée par le terme Slab . Cette lame mince 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 transversales de section 2b.h. Avec cette lame mince dont l'épaisseur est faible, à savoir comprise entre 0,4 et 1 mm et préférentiellement 0,7 mm, les 3 fonctions permettant d'obtenir l'émission laser sont distribuées suivant les trois axes de l'espace : - cette lame mince est pompée par un rayonnement P généré par des barrettes de diodes laser et pénétrant à l'intérieur par une ou deux faces longitudinales de section L.h et suivant une direction x, -l'émission laser a lieu selon un axe y perpendiculaire à x et située dans le plan de la lame, et à travers les surfaces transversales de section 2b.h. - la chaleur dissipée 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. 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. 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. Par ailleurs, on connaît l'article de Mackenzie et al. Intitulé Intra-cavity sidepumped Ho :YAG laser qui décrit une source laser intracavité de faible énergie comportant des premiers moyens de pompage constitués par des diodes aptes à émettre à la longueur d'onde de 0,792pm et aptes à pomper longitudinalement des seconds moyens de pompage, comportant un premier cristal dopé avec du thulium et constitué par une lame mince en Tm :YLF, eux-mêmes aptes à pomper transversalement un second cristal dopé avec de l'holmium en Ho :YAG, les premier et second cristaux étant disposés dans une même cavité. Par pompage longitudinal, on entend que la direction du faisceau de pompe du cristal est parallèle au faisceau laser émis par ce cristal. Par pompage transversal, on entend que la direction du faisceau de pompe est perpendiculaire au faisceau laser émis par ce cristal. Une telle source laser ne permet pas d'obtenir une source laser à haute énergie puisque les auteurs donnent une valeur de puissance de sortie de 15W. De plus, une telle source présente des variations de la longueur d'onde émise par la lame mince et donc des risques d'émission à une longueur d'onde qui n'est pas la longueur d'onde d'absorption maximale du Ho :YAG ce qui diminue encore la puissance de la source laser. On connaît par ailleurs les réalisations de 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. 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 kW. 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 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 inférieures à 20 W par unité. Le but de l'invention est de proposer une source laser à sécurité oculaire et haute énergie et permettant, en outre, l'obtention de faisceaux faiblement divergents qu'il sera donc facile de transporter à distance. La solution apportée est, selon un premier mode de réalisation, une source laser intracavité comportant des premiers moyens de pompage aptes à pomper des seconds moyens de pompage, comportant un premier cristal dopé avec du thulium et constitué par une lame mince, eux-mêmes aptes à pomper transversalement un second cristal dopé avec de l'holmium en Ho :YAG, les premier et second cristaux étant disposés dans une même cavité et caractérisée en ce que le premier cristal est en Tm :YAG et en ce que les premiers moyens de pompage sont aptes à pomper transversalement ce premier cristal. En plus des avantages précités, une source selon d'invention permet d'obtenir un faisceau de pompage dont la géométrie est particulièrement bien adaptée à l'utilisation d'un second cristal en forme de barreau. Le section efficace d'absorption en fonction de la longueur d'onde pour un cristal Tm :YAG dopé au thulium est par exemple donné sur la figure 7. On constate la présence d'un certain nombre de pics à 765, 779, 781, 786, 793, 798 et 804nm. Aussi, selon une caractéristique permettant de favoriser l'émission à haute énergie, les premiers moyens de pompage sont aptes à émettre un rayonnement à une longueur d'onde différente de celles concernées par les pics d'absorption de ladite figure 7 en l'occurrence à une longueur d'onde à laquelle la section efficace d'absorption est inférieure à 1,5 10"21 cm2, cette dernière valeur étant représentée en pointillés sur cette figure 7. Selon une caractéristique particulière permettant l'obtention de puissances très élevées, une source laser comporte des premiers moyens de pompage aptes à pomper des seconds moyens de pompage comportant ledit premier cristal dopé avec du thulium et eux-mêmes aptes à pomper un second cristal dopé avec de l'holmium, les premier et second cristaux étant disposés dans une même cavité. Selon une caractéristique particulière, la lame mince comporte une épaisseur e inférieure à l cm, et préférentiellement inférieure au mm et une longueur et une largeur, respectivement L et 2b, supérieures à 1 cm. Selon une autre caractéristique la lame mince comporte deux faces principales et au moins trois faces secondaires, les premiers moyens de pompage étant disposés en regard d'au moins l'une des dites faces secondaires. Selon une caractéristique particulière, la lame à une forme parallélépipédique. Selon une autre caractéristique le premier cristal est constitué par l'un des cristaux suivants : YAG, YALO, YVO4 ou KGW dopé au thulium. Selon une caractéristique additionnelle, le laser comporte des moyens de refroidissement des faces principales de la lame mince. Selon une autre caractéristique, les premiers moyens de pompage comportent un assemblage constitué par des émetteurs laser fibrés, ces émetteurs étant préférentiellement constitués par des diodes aptes à émettre un rayonnement par exemple de 0,8pm. Selon une caractéristique particulière, les faces principales sont recouvertes par un matériau d'indice de réfraction plus faible permettant d'obtenir un effet de guidage, par exemple du saphir. Selon une caractéristique particulière le second cristal est disposé en regard de l'une des faces latérales, préférentiellement adjacente à l'une des faces en regard avec les premiers moyens de pompage. Selon une autre caractéristique, la lame mince est apte à émettre un rayonnement laser selon une direction perpendiculaire aux rayonnements émis par les premiers moyens de pompage. Selon une autre caractéristique, la concentration en dopant à l'intérieur de la lame mince et entre un premier plan formé par une face secondaire disposée en regard des premiers moyens de pompage et un second plan de la lame parallèle au premier plan et contenant le centre de la lame, varie, cette concentration étant préférablement plus faible au niveau du premier plan qu'au niveau du second plan. Selon une caractéristique particulière, la concentration N(x) en dopant varie entre les premier et second plans selon la formule suivante : ab N(x) = 1 i 1 x' 0ùT b, T étant la transmission résiduelle, et o- la section efficace d'absorption. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description de différentes variantes de réalisation de l'invention, en regard des figures annexées parmi lesquelles : - La figure 1 schématise les moyens généraux constitutifs d'un laser à pompage intracavité selon une variante de réalisation de l'invention. - La figure 2 présente un schéma d'une lame mince utilisée dans le cadre de cette variante de réalisation de l'invention. - La figure 3 présente un schéma d'une coupe longitudinale de moyens de guidage de rayonnements et de refroidissement d'une lame mince. - La figure 4 montre un schéma d'une coupe longitudinale de moyens de guidage de rayonnements et de refroidissement d'une lame mince selon une seconde variante de réalisation. - La figure 5 présente un schéma de moyens de mise en forme du 5 rayonnement issu de premiers moyens de pompage selon une seconde variante de réalisation. Les figures 6a et 6b présentent la concentration en dopant à l'intérieur de la lame mince, respectivement lorsqu'elle est pompée sur une face longitudinale et sur deux faces longitudinales. 10 La figure 7 montre un schéma de la section efficace d'absorption de Tm :YAG en fonction de la longueur d'onde de pompage de ce cristal. La figure 1 schématise les moyens généraux constitutifs d'une source laser à sécurité oculaire et à haute puissance selon une variante de réalisation de 15 l'invention. Elle comporte des premiers moyens de pompage 1 aptes à pomper des seconds moyens de pompage 2 comportant un premier cristal dopé avec du thulium et se présentant sous la forme d'une lame mince 3, ces seconds moyens 2 étant eux-mêmes aptes à pomper un second cristal 4 dopé avec de l'holmium, les premier et second cristaux étant disposés dans une même cavité 5. 20 Le dopage en thulium est préférablement supérieur ou égal à 2% voire supérieur tandis que le second cristal est dopé à l'holmium avec un taux préférablement inférieur à 1%, par exemple 0,30/0. Les seconds moyens de pompage consistent en une cavité laser 5, appelée première cavité dans la suite, et dans laquelle est placé le premier cristal 2 en forme 25 de lame mince 3 et qui est délimitée par deux miroirs 6 et 7 comportant chacun, côté cavité, un revêtement respectivement 8 et 9, réfléchissant à la longueur d'onde d'émission laser de ce premier cristal, c'est-à-dire à une longueur d'onde d'environ 1,9 pm. Comme montré sur la figure 2, la lame mince 3 est de forme 30 parallélépipédique, de longueur L, de largeur 2b et d'épaisseur h. Elle comporte ainsi deux faces principales 10 de section 2b.L et quatre faces secondaires de plus petite section, dont deux faces longitudinales 11 de section L.h et deux faces transversales 12 de section 2b.h. Cette lame mince 3 est une structure en matériau laser solide de faible épaisseur, de quelques dixièmes à 1 mm, dans laquelle les 3 fonctions permettant d'obtenir l'émission laser sont distribuées suivant les trois axes de l'espace : - cette lame mince 3 est pompée par un rayonnement P à travers une ou deux faces longitudinales 11 de section L. h et suivant une direction x, - l'émission laser a lieu selon un axe y perpendiculaire à x et située dans le plan de la lame, et à travers les surfaces transversales 12 de section 2b.h. - la chaleur dissipée par la lame mince 3, due à l'absorption, par cette lame, du faisceau P de pompe, est évacuée par conduction, avec des moyens connus non représentés, à travers les faces principales suivant un axe z perpendiculaire à x et y. La lame mince 3 doit permettre de guider l'émission laser sur toute la longueur L traversée et guider la lumière de pompage sur tout le trajet 2b. Pour cela on peut placer cette lame entre deux autres lames, 41, 42 d'indice de réfraction plus faible, par exemple en saphir, comme montré sur la figure 3 donnant ainsi lieu à un guide d'onde d'ouverture numérique 0.47, et placé des moyens de refroidissement 43 de la lame 3, en l'occurrence des plaques de cuivre 44,45 refroidies par eau, au-dessus des lames de saphir 41 et 42. Une autre possibilité, présentée sur la figure 4, consiste à revêtir la lame mince par des couches 46,47 totalement réfléchissantes pour la pompe et la lumière laser émise par la lame dopée au thulium et à placer des moyens de refroidissement 44,45 au-dessus de chacune des dites couches réfléchissantes 46,47. Les premiers moyens de pompage sont constitués par des émetteurs laser 13, en l'occurrence des diodes, couplées à au moins l'une des faces longitudinales par des fibres optiques 14. Ces ensembles sont connus sous le nom de diodes fibrées 15 et permettent l'obtention de faisceaux de pompe P avec une densité de puissance de pompe de l'ordre du kilowatt par cm2 et une puissance globale de pompe de plusieurs kW. Ces diodes émettent, dans cet exemple de réalisation, à une longueur d'onde d'environ 0,800pm. Des moyens de fixation 40 sont aptes à maintenir l'extrémité 17 des fibres en regard avec la face longitudinale 11 à laquelle elles sont couplées. Eventuellement, comme montré sur la figure 5, les moyens de couplage des diodes avec la face longitudinale 11 peuvent comporter une optique 16, par exemple une optique de collimation disposée entre l'extrémité 17 des diodes fibrées et ladite face longitudinale 11 Le second cristal 4 est disposé dans une seconde cavité 18 délimitée d'une part par un premier miroir 19 comportant, du côté de cette cavité, un revêtement 20 réfléchissant aux longueurs d'onde d'émission du second cristal 4, en l'occurrence vers 2,1 pm et un second miroir de sortie 21 présentant une face, coté cavité 18, recouverte d'un revêtement 22 hautement réfléchissant à 2,1pm et ayant une réflectivité de l'ordre de 95% à cette même longueur d'onde. Ce second cristal 4 est en forme de barreau de longueur sensiblement égale à la largeur 2b de la lame mince 3 et disposé en regard de l'une des faces transversales 12 de la lame et à l'intérieur de ladite première cavité 5 et à une distance telle de cette face transversale que l'ensemble du rayonnement 25 en sortant pénètre dans le cristal 4, malgré la forte divergence bidimensionnelle de ce rayonnement. Ainsi, le barreau de Ho:YAG est pompé en mode transverse directement par la source Tm:YAG sans que l'on ait à utiliser de système optique pour élargir le faisceau de pompe ce qui simplifie sa réalisation et améliore la compacité de la source. Les premier et second cristaux utilisés sont de type YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium). Cependant tout autre cristal ou combinaison de cristaux adéquat pourrait être utilisés tels que YSAG (grenat d'aluminium de scandium et d'yttrium), , que YSGG (grenat de gallium de scandium et d'yttrium), YGG (grenat de gallium et d'yttrium), GGG (grenat de gallium et de gadolinium), GSGG (grenat de gallium de scandium et de gadolinium), GSAG (grenat d'aluminium de gallium et de gadolinium), LLGG (grenat de gallium, lutétium et lanthane), YAP (perovskite d'aluminium et d'yttrium), YLF (fluoride de lithium et d'yttrium), LuLF (fluoride de lithium et de lutétium), YVO4 (vanadate d'yttrium) ... Le fonctionnement de ce dispositif laser est le suivant. Les faisceaux de pompage P émis par les diodes laser 13 sont véhiculés par les moyens de couplage, en l'occurrence les fibres 14 et pénètrent à l'intérieur de la lame mince 3, donc du premier cristal dopé Tm : YAG, par l'une et l'autre de ses faces longitudinales 11. Ces faisceaux de pompe sont absorbés presque en totalité par ce premier cristal 3 qui se met alors à laser en émettant un faisceau laser 25 dont la longueur d'onde est de 2,01 pm. Ce faisceau 25 traverse ensuite le second cristal 4 dans lequel il est partiellement absorbé. La partie non absorbée est réfléchie, par le revêtement 8 du miroir 6 délimitant d'un côté la première cavité, et ce, en direction du second cristal 4 dans lequel il est à nouveau partiellement absorbé. La partie absorbée par le second cristal 4 du faisceau issu du premier cristal entraîne l'émission, par le second cristal 4, d'un faisceau 26 à une longueur d'onde d'environ 2,1 pm. En sortant du deuxième cristal, 90 à 95% de ce faisceau 26 est réfléchi par le revêtement 22 du second miroir 21 tandis que 5 à 10 % du faisceau le traverse ; Cette partie du faisceau référencée 27 peut alors être utilisée, de façon connue, à l'extérieur de la cavité. D'une manière avantageuse, le dopage en thulium, à l'intérieur de la lame mince constitutive du premier cristal est distribué de façon graduelle et croissante dans le sens du faisceau de pompage sur la distance 2b dans la lame si l'on pompe par une seule face, ou sur la distance b si l'on pompe par les deux faces opposées. Les figures 6a et 6b présentent, respectivement le dopage proposé en Thulium en fonction de la direction x à partir de l'une des faces longitudinales et respectivement, lorsque le pompage à lieu sur une seule ou sur les deux faces longitudinales (11). Théoriquement le dopage devrait varier suivant la loi; 6b N(x) _ 1 1 x' 0ùT b) T étant la transmission résiduelle (par exemple 10%), et a la 20 section efficace d'absorption. Avec cette loi de distribution du dopage, on dépose sensiblement la même densité de puissance de pompage dans toute la lame. Avec Tm:YAG on aurait typiquement b 30 à 40 mm et le dopage N varierait de 3 à 4% (mettre des valeurs plausibles correspondantes au 25 Thulium). Pour obtenir une densité de puissance de pompage suffisante, des fibres optiques transportant la lumière de pompage sont réparties sur toute la longueur L d'une face ou des deux faces opposées réservées au pompage. La relation entre puissance laser P, et densité de puissance de 30 pompage Dp s'écrit : P, = n 2 h.L. Dp 5 i1 étant le rendement optique du laser (z 0.4 à 0.6 pour Tm:YAG). La densité de puissance calorifique à évacuer par unité de surface du slab s'écrit : dQ aDp(1- ).h dS 1n(0.9) a = coefficient d'absorption pour 1.91 pm. Cette valeur de dQ/dS est sensiblement la même que pour Nd:YAG car les produits aDp de Tm:YAG et Nd:YAG sont très voisins. Revendications 1 Source laser intracavité comportant des premiers moyens de pompage (2) aptes à pomper des seconds moyens de pompage, comportant un premier cristal (3)dopé avec du thulium et constitué par une lame mince, eux-mêmes aptes à pomper transversalement un second cristal (4) dopé avec de l'holmium, les premier et second cristaux (3 ; 4) étant disposés dans une même cavité (5) et caractérisée en ce que le premier cristal est en Tm :YAG et en ce que les premiers moyens de pompage (2) sont aptes à pomper transversalement ce premier cristal (3). 2 Source laser selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers moyens de pompage (2) sont aptes à émettre un rayonnement de pompage de Tm :YAG à une longueur d'onde à laquelle la section efficace d'absorption est inférieure à 1,5 10-21 cm2. 3 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la lame mince (3) comporte une épaisseur e inférieure au mm et une longueur et une largeur, respectivement L et 2b, supérieures à 1 cm. 4 Source laser selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la lame mince comporte deux faces principales (10) et au moins trois faces secondaires (11, 12), les premiers moyens de pompage (1) étant disposés en regard d'au moins l'une des dites faces secondaires (11, 12). 5 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le premier cristal (3) est constitué par l'un des cristaux suivants : YAG, YALO, YVO4 ou KGW dopé au thulium. 6 Source laser selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les premiers moyens de pompage (1) comportent un assemblage (15) constitué par des émetteurs laser fibrés, ces émetteurs étant préférentiellement constitués par des diodes (13) aptes à émettre à une longueur d'onde de 0,800 pm. 7 Source laser selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les faces principales (10) sont recouvertes par un matériau (41, 42) d'indice de réfraction plus faible permettant d'obtenir un effet de guidage, par exemple du saphir. 8 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le second cristal (4) est disposé en regard de l'une des facessecondaires (11,12), préférentiellement adjacente à l'une des faces en regard avec les premiers moyens de pompage. 9 Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la concentration en dopant à l'intérieur lame mince (3) et entre un premier plan formé par une face secondaire (11, 12) en regard des premiers moyens de pompage (1) et un second plan de la lame parallèle au premier plan et contenant le centre de la lame, varie et, préférentiellement, la concentration est plus faible au niveau du premier plan qu'au niveau du second plan. Source laser selon la revendication 9, caractérisée en ce que la 10 concentration N(x) en dopant varie entre les premier et second plans selon la formule suivante : 6b N(x) = 1 ( 1 x\ ùT b, T étant la transmission résiduelle, et 6 la section efficace d'absorption.