Brevet FR2929766A1 — publié le 20091009

La présente invention concerne le domaine des lasers bifréquence et a plus particulièrement pour objet un procédé de pompage de tels lasers ainsi qu'un dispositif de pompage adapté pour la mise en oeuvre de ce procédé et un laser bifréquence intégrant un tel dispositif de pompage. Les lasers bifréquence sont des lasers permettant d'émettre deux ondes laser de fréquences différentes mais également susceptibles d'engendrer des différences de fréquences de l'ordre du Téra-Hertz, qui permettent l'utilisation de tels lasers bifréquence dans des applications de type télécommunications ou imagerie non invasive d'objets dissimulés par exemple. De tels lasers bifréquence peuvent être réalisés selon différentes technologies permettant l'émission au sein de la cavité laser de deux faisceaux de fréquences différentes, c'est-à-dire de deux faisceaux possédant des longueurs d'ondes différentes à l'intérieur de la cavité laser. Une technique privilégiée pour la réalisation de tels lasers bifréquence consiste à introduire dans la cavité laser un élément biréfringent, c'est-à-dire un élément présentant deux indices de réfraction différents en fonction de la polarisation de la lumière. Un tel élément biréfringent est généralement formé d'un matériau inorganique cristallin qui peut également, le cas échéant, être également un matériau laser, c'est-à-dire un matériau susceptible de constituer le milieu amplificateur émetteur d'une ou plusieurs ondes laser au sein de la cavité laser. Un tel matériau biréfringent introduit dans la cavité d'un laser bifréquence permet ainsi d'obtenir au moyen du faisceau d'excitation (faisceau de pompe) deux faisceaux laser dits faisceau ordinaire et faisceau extraordinaire qui présentent une longueur d'onde et une polarisation différentes. Un des problèmes actuellement rencontré dans les lasers bifréquence incorporant un élément biréfringent dans la cavité laser réside dans la difficulté importante existant à générer et donc à pomper simultanément les deux ondes laser ordinaire et extraordinaire susceptibles d'être émises dans la cavité laser incorporant l'élément biréfringent. De plus, lorsque le laser bifréquence fonctionne en régime pulsé, il est important que les deux ondes laser ordinaire et extraordinaire soient émises simultanément pour être utilisées dans un dispositif générant une nouvelle onde par différence de leurs fréquences. Or, les techniques actuellement employées pour obtenir le pompage et l'émission simultanés de deux ondes laser ordinaire et extraordinaire du cristal biréfringent dans une cavité laser ne sont pas satisfaisantes. En particulier, l'une des difficultés majeures rencontrées consiste à séparer spatialement en deux parties la pompe pour que les deux faisceaux laser ordinaire et extraordinaire soient émis simultanément, ce qui peut être réalisé en dédoublant l'image du faisceau lumineux de pompage à l'aide, par exemple, d'un prisme. Le but de la présente invention est de procurer un procédé de pompage optique simultané des ondes laser ordinaire et extraordinaire d'un milieu laser comportant un élément biréfringent inséré dans la cavité d'un laser bifréquence. Un autre but de l'invention est également de procurer un dispositif spécifiquement adapté à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Un autre but de l'invention est de procurer un procédé de pompage optique simultané des ondes ordinaire et extraordinaire d'un milieu laser incorporant un élément biréfringent qui permette de séparer spatialement les ondes laser ordinaire et extraordinaire afin d'exploiter et traiter celles-ci indépendamment. Un autre but de l'invention consiste également à procurer un procédé de pompage qui permette non seulement de pomper simultanément les ondes laser ordinaire et extraordinaire d'un milieu laser comprenant un élément biréfringent et qui permette de moduler indépendamment la puissance de chacune des ondes ordinaire et extraordinaire émises par le milieu laser. Ces différents buts sont atteints conformément à la présente invention par la mise en oeuvre d'un procédé de pompage d'un laser bi-fréquence généré par excitation d'un matériau laser anisotrope, caractérisé en ce que l'on pompe simultanément les deux ondes laser ordinaire et extraordinaire du matériau laser anisotrope par l'intermédiaire de moyens de pompage optiques comprenant une fibre optique bifurquée comportant deux extrémités d'entrées connectées à un moyen d'excitation optique du matériau laser et deux extrémités de sortie placées en correspondance avec les points d'émergence des deux ondes laser ordinaire et extraordinaire sur une des faces du matériau laser anisotrope. Conformément à une première caractéristique préférée du procédé de l'invention, le matériau laser anisotrope est placé dans une cavité laser constituée d'un miroir d'entrée dichroïque plan au travers duquel s'effectue le pompage du matériau laser anisotrope à l'aide de la fibre bifurquée et d'au moins un miroir concave. Toujours selon le procédé de l'invention, le matériau laser anisotrope choisi est de préférence un cristal biréfringent dont les axes principaux font un angle différent de 0 degré et de 90 degrés par rapport à l'axe de propagation des faisceaux laser ordinaire et extraordinaire dans la cavité laser. Toujours selon l'invention, il est également préféré dans la mise en oeuvre du procédé de pompage proposé, que le matériau laser anisotrope soit placé dans la cavité laser du laser bifréquence entre le miroir dichroïque et le miroir concave. Conformément à une autre caractéristique avantageuse du procédé de l'invention, on ajuste la puissance de pompage délivrée au matériau laser anisotrope par chacune des extrémités de sortie de la fibre optique bifurquée, de manière à ajuster la puissance des deux ondes laser ordinaire et extraordinaire émises par le matériau laser anisotrope. De préférence, dans le procédé de l'invention, on pompe les deux ondes laser ordinaire et extraordinaire du matériau laser anisotrope par l'intermédiaire d'un moyen d'excitation optique constitué d'une diode laser dont le faisceau est projeté directement au point d'émergence des ondes laser ordinaire et extraordinaire sur une des faces dudit matériau laser par l'intermédiaire de la fibre optique bifurquée. Toujours selon le procédé de l'invention, on image les extrémités de sortie de la fibre optique bifurquée sur la face du matériau laser où se trouve les points d'émergence des ondes ordinaire et extraordinaire dudit matériau par l'intermédiaire d'un dispositif de focalisation positionné entre lesdites extrémités de sortie de la fibre optique bifurquée et ledit matériau laser. Selon une autre caractéristique préférée du procédé de l'invention, on divise également le faisceau de pompage émis par le moyen d'excitation optique par l'intermédiaire d'un diviseur de faisceau positionné entre le moyen d'excitation optique, lequel est de préférence une diode laser, et les deux extrémités d'entrée de la fibre bifurquée. Enfin, toujours selon l'invention, il est également avantageux de moduler passivement la qualité de la cavité laser (Q-switch passif) par introduction d'un absorbant saturable dans ladite cavité ou, en variante, de moduler activement de ladite cavité laser par introduction d'un dispositif mécanique, acousto-optique ou électro-optique dans ladite cavité. Un autre objet de l'invention consiste également à procurer un dispositif de pompage optique pour un laser bifréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'excitation optique, en particulier une diode laser, et une fibre optique bifurquée comportant deux extrémités d'entrée reliées au moyen d'excitation optique et deux extrémités de sortie aptes à être placées par des moyens appropriés en correspondance avec les points d'émergence des ondes ordinaire et extraordinaire aptes à être émises par un matériau laser anisotrope placé dans une cavité laser d'un laser bifréquence sur une face dudit matériau laser anisotrope, et des moyens de focalisation aptes à imager les deux extrémités de sortie de la fibre bifurquée sur lesdits points d'émergence des ondes laser ordinaire et extraordinaire sur une face dudit matériau laser anisotrope placée dans la cavité laser d'un laser bifréquence. Conformément à une première caractéristique avantageuse du dispositif de pompage de l'invention, celui-ci comporte des moyens d'ajustement de la puissance optique délivrée par chaque extrémité de sortie de la fibre bifurquée sur le matériau laser anisotrope pour assurer le pompage de celui- ci et générer l'émission laser dans la cavité laser d'un laser bifréquence. De préférence, lesdits moyens d'ajustement de la puissance délivrée par chaque extrémité de sortie de la fibre bifurquée comportent des atténuateurs variables. D'autre part, conformément à une autre caractéristique préférée du dispositif de pompage de l'invention, les moyens de focalisation comportent des doublets de lentilles ou des triplets de lentilles ou encore des lentilles asphériques. Toujours selon l'invention, le dispositif de pompage proposé comporte également dans un mode de réalisation avantageux un diviseur de faisceaux de pompage placé entre le moyen d'excitation optique et les deux extrémités d'entrée de la fibre bifurquée. Enfin, un dernier objet de l'invention consiste à proposer un laser bifréquence comportant une cavité laser à l'intérieur de laquelle est placé un matériau laser anisotrope biréfringent ou encore un cristal laser associé à un cristal biréfringent indépendant et caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de pompage tel que défini précédemment. Le laser bifréquence selon la présente invention se caractérise également par le fait que la cavité laser de celui-ci est, de préférence, constituée d'un miroir d'entrée dichroïque plan au travers duquel s'effectue le pompage à l'aide de la fibre bifurquée du dispositif de pompage, et d'au moins un miroir concave. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le laser bifréquence selon l'invention comporte également à l'intérieur de la cavité laser un absorbant saturable placé dans ladite cavité et, par exemple, un absorbant tel qu'un cristal de YAG : Cr'. L'insertion et l'utilisation d'un tel absorbant saturable dans la cavité laser permet notamment de moduler passivement la qualité de la cavité laser (Q-switch passif de la cavité), ce qui permet de façon avantageuse de garantir l'émission simultanée des deux ondes laser ordinaire et extraordinaire par le matériau laser placé dans la cavité. Les caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre faite en référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un laser bifréquence 5 conforme à la présente invention, - la figure 2 représente schématiquement l'émission de deux ondes laser ordinaire et extraordinaire par un cristal laser biréfringent tel que mis en oeuvre dans un mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement l'émission de deux ondes 10 laser ordinaire et extraordinaire par l'association d'un cristal biréfringent et d'un cristal laser tel que mis en oeuvre dans une variante de l'invention. Un laser bifréquence L conforme à la présente invention est représenté à la figure 1 dans un mode préféré de réalisation. Ce laser bifréquence comporte de façon traditionnelle un dispositif de pompage P et une cavité 15 laser C comprenant un milieu actif apte à laser sous l'excitation du dispositif de pompage P. Le dispositif de pompage P comporte en premier lieu une diode laser 1 qui émet un faisceau laser de pompage 2 dans une fibre optique de diamètre de coeur de 100 pm par exemple. Ce faisceau de pompage 2 est divisé en 20 deux branches 21, 22 par l'intermédiaire d'une fibre optique splittée ou d'un diviseur de faisceau et guidé vers l'entrée de deux atténuateurs variables 3. Chaque atténuateur variable 3 est relié à sa sortie à une branche d'entrée d'une fibre optique bifurquée 4, qui guide et projette chacune des branches 21, 22 du faisceau de pompage 2 vers des lentilles 5, 6 de focalisation des 25 branches du faisceau de pompage vers le milieu actif de la cavité laser C. Cette cavité C est, dans l'exemple représenté, une cavité plan-concave formée par un miroir dichroïque plan 7 et un miroir concave 9, entre lesquels est placé un cristal laser biréfringent 8 qui constitue le milieu actif de la cavité laser C. Le cristal laser biréfringent 8 du laser de l'invention, 30 également représenté indépendamment sur la figure 2, présente un axe optique 10 faisant un angle e différent de 0° et de 90° par rapport à la direction de propagation D du faisceau laser bifréquence F émis par le cristal 8 pompé par le dispositif de pompage P. Comme représenté sur les figures 1 à 3 et conformément aux propriétés connues des cristaux biréfringents, le cristal 8 est apte à émettre deux ondes lasers distinctes, une onde dite ordinaire 00 et une onde dite extraordinaire Oe de fréquences différentes. Ces deux ondes laser prennent naissance en deux points distincts El, E2 sur une première face 8a, dite face d'entrée du cristal, se propagent depuis ces deux points El, E2 au sein du cristal 8 selon deux directions distinctes jusqu'à un même point d'émergence E3 sur une seconde face 8b du cristal biréfringent opposée à la face d'entrée 8a et appelée face de sortie, en formant un angle p entre elles. Conformément au procédé de l'invention, le dispositif de pompage P du laser L permet de pomper optiquement de façon simultanée les deux ondes lasers ordinaire et extraordinaire 00, Oe de manière à générer l'émission du faisceau laser bifréquence F au point d'émergence E3 sur la face de sortie 8b du cristal laser 8. Pour ce faire, conformément à l'invention, les deux extrémités de la fibre optique bifurquée 4 sont imagées par les optiques de focalisation 5, 6 sur la face d'entrée 8a du cristal laser 8 dans la cavité laser C, aux deux points d'émergence El, E2 des faisceaux laser ordinaire 00 et extraordinaire Oe. Les points d'émergence El, E2 sur la face d'entrée 8a du cristal laser sont distants d'une distance d déterminée par la relation suivante : d =extg(p), avec p = �arct4(no /nertg(o )J�o et e la longueur du cristal laser 8. Ceci permet de régler correctement les optiques de focalisation 5, 6 et la position des extrémités de la fibre bifurquée 4 de manière à ce que lesdites extrémités soient imagées exactement en chacun des points El et E2 sur la face d'entrée 8a du cristal laser dans la cavité C. On obtient ainsi, au point E3 sur la face de sortie 8b, l'émission du faisceau laser bifréquence F, composé de l'émission et de la propagation simultanée des ondes ordinaire et extraordinaire Oo, Oe dans le cristal laser biréfringent 8, qui se propage et est amplifiée ensuite au sein de la cavité C entre les miroirs 7, 9 de celle-ci. De façon originale et particulièrement avantageuse, chaque branche d'entrée de la fibre bifurquée du dispositif de pompage P est reliée à la sortie d'un atténuateur variable 3 lui-même alimenté en entrée par chacune des branches 21, 22 du faisceau de pompage 2 émis par la diode laser 1. Les deux atténuateurs variables 3 permettent l'ajustement de la puissance de pompage délivrée par chacune des branches de la fibre bifurquée 4 sur le cristal laser 8 aux points El et E2 et donc les puissances respectives de chacune des ondes ordinaire et extraordinaire Oo, Oe formant le faisceau laser bifréquence F du laser L. Cet ajustement des puissances injectées s'avère également nécessaire afin d'obtenir, dans une variante de réalisation du laser L de l'invention où l'on Q-switche passivement la cavité laser C par l'introduction d'un absorbant saturable tel que par exemple un cristal de YAG :Cr4+, la simultanéité d'émission des deux pulses 00, Oej lesquels ne se produisent pas au même seuil de pompage. Pour que la simultanéité d'émission des ondes pulsées ordinaire et extraordinaire intervienne, il convient que les puissances de pompage absorbées Po et Pe par le cristal laser 8 aux points El, E2 respectivement soient ajustées pour assurer l'égalité des fréquences de répétition fo et fe des deux ondes ordinaire et extraordinaire : fo=fe chaque fréquence de répétition d'une de ces ondes ordinaire ou extraordinaire étant liée à la puissance absorbée par la relation : ti ln hvpnw)e avec = no 2ti po _~~ fe=l tiln ùTe ) hV it e avec kif =n e e 2T P e où û t est la durée de vie du niveau émetteur laser û vp est la fréquence de l'onde de pompe û o est le rayon de l'onde de pompe û e est l'épaisseur du cristal laser û no et ne sont les densités de population du niveau émetteur au seuil laser pour l'onde ordinaire et extraordinaire respectivement û So et Se sont les fractions de populations du niveau émetteur qui restent à la fin d'un pulse pour l'onde ordinaire et extraordinaire respectivement. L'avantage d'une émission laser pulsée résultant du Q-switch passif ou actif de la cavité réside dans la grande puissance lumineuse instantanée au maximum du pulse. Ceci favorise les phénomènes optiques non linéaires qui ont lieu dans la matière, en particulier la génération d'une nouvelle onde dont la fréquence est la différence des fréquences des deux ondes ordinaire et extraordinaire issues du laser bifréquence. Dans un exemple de réalisation du laser L de l'invention, on peut notamment utiliser dans la cavité C un cristal laser biréfringent 8 de GdAI3(BO3)4 dopé Yb3+ dont l'axe optique 10 est orienté à 45° par rapport à la direction de propagation du faisceau laser F. Un tel cristal laser biréfringent émet alors une onde laser bifréquence F à 1045 nm en polarisation ordinaire et 1040 nm en polarisation extraordinaire lorsqu'il est pompé par une fibre optique bifurquée 4 dont chaque brin a 100 pm de diamètre de coeur, alimentée par une diode laser 1 de pompe émettant à 977 nm. Dans une autre variante de réalisation du laser L représentée à la figure 3, on peut également envisager comme milieu actif de la cavité C non pas un seul cristal laser biréfringent 8 mais deux cristaux distincts associés et complémentaires, un cristal biréfringent 11 dont l'axe optique fait un angle différent de zéro degré et de quatre-vingt dix degrés par rapport à l'axe de propagation du faisceau laser bifréquence F pour obtenir et séparer deux faisceaux ordinaire et extraordinaire et former le faisceau de sortie bifréquence F du laser L et un cristal laser 12 pas ou insuffisamment biréfringent, générant deux faisceaux lasers de fréquences différentes en amont du cristal biréfringent 11 à l'entrée de la cavité C, ces deux faisceaux parallèles étant ensuite rendus colinéaires par le cristal biréfringent 11 pour former le faisceau bifréquence F. Le laser L de la présente invention comporte ainsi un dispositif de pompage optique et une cavité laser C constitués tous deux pour permettre le pompage et l'émission simultanés des deux ondes lasers ordinaire et extraordinaire d'un cristal laser biréfringent pour générer un faisceau laser bifréquence unique F. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Procédé de pompage d'un laser bifréquence (L) généré par excitation d'un cristal laser biréfringent (8) dont l'axe optique (10) fait un angle différent de zéro degré et de quatre-vingt dix degrés par rapport à l'axe de propagation du faisceau laser (F) dans la cavité laser (C), caractérisé en ce que l'on pompe simultanément les deux ondes laser ordinaire (On) et extraordinaire (Oe) du cristal laser biréfringent (8) par l'intermédiaire de moyens de pompage optiques (P) comprenant une fibre optique bifurquée (4) comportant une extrémité d'entrée connectée à un moyen d'excitation optique (1) du cristal laser biréfringent et deux extrémités de sortie placées en correspondance avec les points d'émergence (El, E2) des deux ondes laser ordinaires et extraordinaires du cristal laser biréfringent sur une des faces (8a) de ce dernier. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste la puissance de pompage délivrée par chacune des extrémités de sortie de la fibre bifurquée (4) au cristal biréfringent (8) pour ajuster la puissance des deux ondes laser ordinaires et extraordinaires (0e, Oe) émises par le cristal. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on Q-switche passivement la cavité laser (C) dans laquelle le cristal est placé par introduction d'un absorbant saturable dans ladite cavité. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on pompe les deux ondes de laser ordinaires et extraordinaires (0e, Oe) du cristal biréfringent par l'intermédiaire d'un moyen d'excitation optique constitué d'une diode laser (1) dont le faisceau (2) est projeté directement au point d'émergence (El, E2) des ondes laser ordinaires et extraordinaires du cristal biréfringent sur une des faces de celui-ci par l'intermédiaire de la fibre optique bifurquée (4). 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la mise en correspondance des extrémités de la fibre bifurquée avec les points d'émergence des ondes laser ordinaires et extraordinaires du cristal biréfringent est réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif de focalisation imageant lesdites extrémités de sortie sur la face du cristal biréfringent où setrouve lesdits points d'émergence des ondes ordinaires et extraordinaires de ce cristal. 6 - Dispositif de pompage (P) optique pour un laser bifréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'excitation optique (1), en particulier une diode laser, et une fibre optique bifurquée (4) comportant une extrémité d'entrée reliée au moyen d'excitation optique et deux extrémités de sortie aptes à être placées en correspondance avec les points d'émergence (El, E2) des ondes de laser ordinaire et extraordinaire sur une face d'un cristal laser biréfringent (8) placé dans la cavité laser (C) d'un laser bifréquence (L), et des moyens de focalisation (5, 6) aptes à imager les deux extrémités de sortie de la fibre bifurquée sur lesdits points d'émergence des ondes laser ordinaires et extraordinaires d'un dit cristal laser biréfringent placé dans la cavité laser d'un laser bifréquence. 7 - Dispositif de pompage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'ajustement (3) de la puissance optique délivrée par chaque extrémité de sortie de la fibre bifurquée (4) sur un cristal laser biréfringent (8) pour assurer le pompage de celui-ci et générer l'émission laser dans la cavité laser d'un laser bi-fréquence. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens 20 d'ajustement de la puissance délivrée par chaque extrémité de sortie de la fibre bifurquée porte des atténuateurs variables. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de focalisation comportent au moins deux doublets de lentilles ou deux lentilles asphériques. 25 10 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un diviseur de faisceau placé entre le moyen d'excitation optique et l'extrémité d'entrée de la fibre bifurquée. 11 - Laser bifréquence (L) comportant une cavité laser (C) à l'intérieur de laquelle est placé un cristal laser biréfringent (8) et caractérisé en ce qu'il 30 comprend un dispositif de pompage (P) dudit cristal laser biréfringent selon l'une des revendications 6 à 10. 12 - Laser bifréquence selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cavité laser est une cavité plan concave. 13 - Laser bifréquence selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte un absorbant saturable placé dans la cavité 5 laser. 14 - Laser bifréquence selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'absorbant saturable est constitué d'un cristal de YAG : Cr'.