Brevet FR2987179A1 — publié le 20130823

ETAT DE L'ART Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une source laser à déclenchement actif et une méthode de déclenchement actif d'une source laser ; elle s'applique notamment aux microlasers. Etat de l'art Les microlasers présentent une grande variété d'applications telles que la télémétrie laser, la spectroscopie, la génération de supercontinuum, les lidar. Ces lasers miniatures peuvent fonctionner à différentes longueurs d'onde, en régime continu ou en régime pulsé. Dans les microlasers déclenchés (ou « Q-switched » selon l'expression anglo-saxonne), un résonateur miniature dont la cavité optique est inférieure à quelques centimètres, permet de générer des impulsions courtes allant typiquement de quelques centaines de picosecondes à quelques nanosecondes. Les microlasers peuvent être déclenchés de façon active ou passive. Dans les microlasers à déclenchement passif, un absorbant saturable semi- conducteur à réponse non linéaire peut être utilisé comme miroir de cavité, ou alternativement, un cristal absorbant saturable. Cependant, les performances des microlasers à déclenchement passif sont intrinsèquement limitées par des effets de gigue temporelle significatifs. Les effets de gigue temporelle peuvent être réduits par la mise en oeuvre d'un déclenchement actif. Le déclenchement actif nécessite un élément actuateur comme par exemple un modulateur électro-optique ou un modulateur acousto-optique. Ces éléments présentent cependant l'inconvénient d'être chromatiques. Par ailleurs, ils sont difficiles à miniaturiser dans le cas de l'application aux microlasers. Un déclenchement actif basé sur l'utilisation d'un tube à décharge électromagnétique (« shock tube » selon l'expression anglo-saxonne) a été également mis en oeuvre dans un laser à rubis (M. Dembinski et al., « Refractive Qswitching of a Tuby laser by a moving plasma », Applied Optics, Vol. 21, N° 20). Dans ce dispositif, un gradient d'indice induit par un gradient de charge est généré au moyen d'un tube à décharge agencé dans la cavité laser, initialement désalignée. Le gradient d'indice est généré dans une direction perpendiculaire à celle du faisceau lumineux, entraînant une déviation du faisceau qui permet le déclenchement du laser par réalignement de la cavité. Ce dispositif présente cependant un encombrement non compatible avec les microlasers. Par ailleurs, la gigue temporelle dans un tel dispositif est importante du fait du temps d'établissement du gradient d'indice généré par l'onde de choc réfléchie, rendant cette technique non compatible avec le déclenchement de lasers à impulsions courtes. L'invention propose une méthode de déclenchement actif d'une cavité laser, notamment d'une cavité laser miniature, intégrant un modulateur ultra compact, pouvant opérer à toute longueur d'onde et présentant une gigue temporelle réduit, compatible des sources laser à impulsions courtes. RE SUME DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne une source laser impulsionnelle à déclenchement actif comprenant une source d'émission d'un faisceau de pompe de puissance lumineuse prédéterminée et de longueur d'onde de pompe xp donnée, destinée à pomper optiquement une cavité laser comprenant un milieu amplificateur et délimitée par deux miroirs sensiblement parallèles, pour l'émission selon un axe de propagation privilégié de la cavité d'une impulsion laser à une longueur d'onde laser XL. Les miroirs présentent l'un par rapport à l'autre un décalage angulaire, de valeur telle que la cavité se trouve en dessous du seuil d'émission laser à la puissance donnée du faisceau de pompe. La source laser comprend en outre deux électrodes positionnées de part et d'autre dudit axe de propagation privilégié et des moyens pour délivrer une impulsion électrique entre les électrodes, permettant de générer dans le milieu entre lesdites électrodes un gradient de charges électriques temporaire selon une direction sensiblement perpendiculaire audit axe de propagation privilégié et la déflexion d'un faisceau lumineux se propageant dans la cavité de telle sorte que le seuil d'émission laser soit atteint dans ladite cavité optique à la puissance donnée du faisceau de pompe. Les déposants ont montré que le gradient d'indice ainsi obtenu permet un démarrage irréversible de l'oscillation laser, l'impulsion laser résultante étant créée alors que le gradient d'indice est dissipé, ce qui permet un meilleur contrôle de la gigue temporelle. Avantageusement, la durée de l'impulsion électrique est inférieure à 10 ns, avantageusement inférieure à 1 ns, une impulsion électrique courte permettant d'augmenter le temps entre la dissipation du gradient d'indice et la création de l'impulsion laser. Selon une variante, l'impulsion électrique est bipolaire, permettant de mieux contrôler le moment de dissipation du gradient d'indice. Selon une variante, le milieu entre lesdites électrodes est constitué d'air. Le gradient d'indice résulte d'une ionisation de l'air, formant un arc électrique. Selon une variante, le milieu entre lesdites électrodes comprend un matériau semi- conducteur au moins partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission laser. La création de charges dans un milieu semi-conducteur peut être obtenue avec des tensions moins importantes que dans l'air. Selon une variante, la source laser à déclenchement actif est un microlaser, la longueur de la cavité optique entre les deux miroirs étant inférieure à 2 cm. Selon une variante, la cavité comprend en outre un cristal absorbant saturable, permettant de diminuer la durée de l'impulsion laser émise. Selon une variante, la distance entre les électrodes est sensiblement égale à 4 fois le diamètre du faisceau laser pris à 1/e2 en intensité. Cette distance permet de limiter des effets éventuels de diffraction du faisceau laser sur les extrémités des électrodes. Selon un second aspect, l'invention concerne une méthode de déclenchement actif d'une source laser selon le premier aspect comprenant : - le réglage de la cavité pour obtenir à une puissance donnée du faisceau de pompe, l'émission d'un faisceau laser ; - le déréglage de la cavité optique de telle sorte à introduire ledit décalage angulaire entre les miroirs de la cavité, entraînant le passage de la cavité optique en-dessous du seuil d'émission laser à ladite puissance de pompe; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la génération d'une impulsion laser. Selon une variante, la méthode de déclenchement actif d'une source laser comprend en outre, après l'étape de déréglage de la cavité optique : - l'augmentation de la puissance de pompe, résultant en une émission laser selon un premier mode ; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la commutation de l'émission laser selon un second mode. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : - Figure 1, un schéma illustrant le principe de prisme plasma dans un exemple de réalisation de l'invention ; - Figure 2, la réponse optique d'une décharge électrique générée entre deux électrodes, dans un exemple de réalisation ; - Figure 3, un exemple de source laser à déclenchement actif, selon un premier exemple de réalisation ; - Figures 4A à 4C, la forme temporelle d'une impulsion laser obtenue par déclenchement actif dans une source laser du type de celle de la figure 3, et la répartition spatiale d'intensité lumineuse de l'impulsion; - Figure 5, un exemple de source laser à déclenchement actif, selon un second exemple de réalisation ; - Figures 6A à 6C, la forme temporelle d'une impulsion laser obtenue par déclenchement actif dans une source laser du type de celle de la figure 5, et la répartition spatiale d'intensité lumineuse de l'impulsion; - Figures 7A et 7B deux exemples montrant l'allure temporelle et en fréquence d'impulsions électriques adaptées pour créer un prisme plasma dans un exemple de réalisation de l'invention; - Figure 8, la répartition spatiale de l'intensité lumineuse de faisceaux laser obtenus dans un exemple de réalisation selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 illustre par un schéma le principe de réalisation d'une source laser à déclenchement actif selon un exemple de réalisation. La source laser comprend une cavité laser 10 comprenant principalement un milieu amplificateur 13 entre deux miroirs 11 et 12 formant un axe de propagation privilégié z pour un faisceau de pompe incident. Les deux miroirs présentent l'un par rapport à l'autre un angle de déviation 0 dont la valeur est inférieure à quelques degrés, la valeur est par exemple de quelques fractions de degrés (la valeur de l'angle 0 représenté sur la figure est très largement exagéré pour une meilleure compréhension). Le dérèglement angulaire de la cavité est tel que pour une puissance lumineuse donnée du faisceau de pompe, la cavité se trouve juste en-dessous du seuil d'émission stimulée laser. Deux électrodes symbolisées par des flèches 14 et 15 sont reliées aux bornes d'un générateur d'impulsions électriques (non représenté). Le passage rapide de charges entre les deux électrodes permet de générer une ionisation de l'air, formant un plasma ou arc électrique 19, ce qui permet de modifier momentanément l'indice de réfraction de l'air et d'obtenir une déflexion de l'orientation d'un faisceau lumineux traversant ledit plasma (« prisme plasma »). Un faisceau lumineux incident (16, figure 1) peut alors être dévié de sa trajectoire pendant la durée du phénomène. Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, en limitant dans le temps l'effet de prisme plasma, il est possible de modifier le coefficient de surtension lié au résonateur et de démarrer l'oscillation laser avec un très bon contrôle du moment de création de l'impulsion laser. Sur la figure 1, l'effet du prisme plasma est mis en évidence en envoyant un faisceau laser 18 de longueur d'onde 1,064 i_tm, entre les deux électrodes. Le faisceau est observé en plaçant une caméra infrarouge à une distance donnée des électrodes (72 cm dans l'exemple de la figure 1). Dans cet exemple, le dispositif expérimental pour réaliser la décharge électrique comprend deux électrodes reliées aux bornes d'un générateur haute-tension équipé d'un coupe-circuit. Les électrodes sont réalisées à partir de deux pointes de cuivre isolées électriquement du reste du système, par exemple en les maintenant dans un tube de téflon creux. La distance entre les pointes de cuivre est dans cet exemple d'environ 7 mm. Dans cette configuration, on observe l'apparition d'une décharge électrique dès que la tension devient supérieure à 6 kV, du fait de l'ionisation de l'air. Pendant la durée de la décharge électrique entre les deux électrodes, on constate une déviation angulaire du faisceau laser dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation des charges (plan yz). On observe ainsi la modification de la position de la tache lumineux formé par le faisceau laser sur la caméra (position (a) avant la décharge, position (b) pendant la décharge). Lorsque la décharge électrique s'interrompt, la tache lumineuse revient dans sa position initiale (position (a)). La déviation mesurée est de 4,5 mrad, Comme cela apparaît sur les images (a) et (b) de la figure 1, aucune déformation spatiale significative du faisceau n'est observée. On peut expliquer la déflexion du faisceau lumineux qui traverse la décharge électrique par le gradient d'indice qui s'établit pendant le passage du courant, perpendiculairement à l'axe x de la décharge électrique, ce gradient d'indice étant dû à la modification de la densité d'électrons. Les déposants ont montré que l'effet de prisme plasma ainsi mis en évidence pouvait être utilisé pour le déclenchement d'une source laser avec une gigue temporelle réduite en délivrant aux bornes des électrodes une impulsion électrique permettant de générer un prisme plasma à réponse temporelle ultra rapide. La réponse optique d'une décharge électrique générée entre deux électrodes est montrée sur la figure 2. A chaque fois qu'un plasma est créé entre les deux électrodes, ce plasma résultant de l'ionisation de l'air, une impulsion lumineuse blanche de forte intensité est observée (arc électrique), à la même fréquence que la cadence des décharges électriques entre les électrodes. En mesurant la durée de ces impulsions lumineuses liées au plasma, on peut déterminer la durée de vie du « prisme plasma ». Pour mesurer la réponse optique du plasma, on peut utiliser une photodiode rapide connectée à un oscilloscope. A mi-hauteur, la réponse optique détectée mesure environ 50 ns, avec un temps de montée de 10 ns environ. La réponse optique à mi-hauteur correspond à la durée de vie du plasma. Les oscillations visibles en queue du signal correspondent aux artefacts causés par les perturbations électromagnétiques résiduelles. La figure 3 illustre un premier exemple de réalisation d'une source à déclenchement actif, mettant en oeuvre le principe précédemment décrit. La cavité optique 30 est délimitée par deux miroirs plans 31, 32 dont les coefficients de réflexion sont respectivement de 100% et 95% à la longueur d'onde de 1,064 i_tm d'émission laser. Les miroirs sont distants d'environ 50 cm. Un cristal amplificateur de Nd :YAG de 4 mm est placé à l'intérieur de la cavité. La cavité comprend en outre un système de lentilles 34 permettant de collimater le faisceau sur la longueur de la cavité. La cavité est pompée longitudinalement à travers le miroir 31 par une diode laser 35 de longueur d'onde 808 nm correspondant à la bande d'absorption de l'ion néodyme. Le rayonnement est issu de la diode laser de pompe 35 par une fibre optique 36 et est focalisé dans le milieu amplificateur 33 par un doublet de lentilles 37. On place les deux électrodes (non représentées sur la figure 3) à l'intérieur de la cavité de telle sorte que la lumière oscille entre les miroirs en passant entre les électrodes. Le faisceau est observé à l'aide d'une caméra infrarouge placée en sortie de cavité (non représentée sur la figure 3). Dans un premier temps, aucune tension n'est appliquée entre les électrodes. On règle alors la cavité de manière à obtenir pour un faisceau de pompe de puissance donnée un faisceau gaussien dont l'image est représentée sur la figure 4C. Puis on dérègle très légèrement la cavité de manière à se placer, à puissance de pompe égale, juste en-dessous du seuil d'émission stimulée. Ensuite, on applique une tension entre les électrodes. On observe alors qu'à chaque fois qu'il se créé un plasma électrique 39, l'image du faisceau gaussien réapparaît temporairement à l'écran. Un déclenchement actif est ainsi réalisé. La lumière émise par l'impulsion laser ainsi déclenchée est détectée par une photodiode rapide reliée à un oscilloscope. La figure 4A représente le signal enregistré lors du déclenchement. On observe d'abord la trace 41 du signal radioélectrique associé à la décharge électrique sous forme d'oscillations amorties pendant environ 1 !As. On note que l'acquisition de l'oscillogramme est déclenchée sur le front montant de la perturbation électromagnétique. A partir de cet instant là, le temps de création de l'impulsion 42 (figure 4B) est de 10,8 !As. La durée de l'impulsion laser est de 730 ns. Le temps de création de l'impulsion dépend alors des caractéristiques du plasma et du gain laser dans la cavité. Cet exemple montre que le temps de « fermeture » de la cavité laser pendant lequel la cavité optique est alignée est faible. Le prisme plasma ainsi généré permet momentanément une baisse des pertes dans la cavité optique et un démarrage irréversible de l'oscillation laser, l'impulsion laser résultante étant créée alors que le prisme plasma est dissipé. La distance entre les électrodes est la plus faible possible pour obtenir un effet de prisme plasma avec une tension électrique limitée, mais suffisamment grande pour ne pas induire de perte sur le faisceau par diffraction au niveau des électrodes. Par exemple, on choisit la distance entre les électrodes sensiblement égale à quatre fois le diamètre du faisceau laser pris à 1/e2 en intensité. La figure 5 illustre un second exemple de réalisation d'une source laser à déclenchement actif appliqué plus particulièrement à un laser miniature (« microlaser »). La cavité optique 50 est formée de deux miroirs plans 51, 52 dont les coefficients de réflexion sont respectivement de 100% et 95% à la longueur d'onde de 1,064 i_tm d'émission laser. Les miroirs sont distants d'environ 1 cm. Un cristal 53 de Nd :YAG de 4 mm de longueur et un cristal 54 de CR4+ :YAG sont placés à l'intérieur de la cavité. Celle-ci est pompée longitudinalement à travers le miroir 51 par une diode laser 55 de longueur d'onde 808 nm dont le rayonnement est focalisé dans le milieu amplificateur 53 par un doublet de lentilles 57. On place les deux électrodes (non représentées sur la figure 5) à l'intérieur de la cavité de telle sorte que la lumière oscille entre les miroirs en passant entre les électrodes. Le faisceau est observé à l'aide d'une caméra infrarouge placée en sortie de cavité (non représentée sur la figure 5). Comme dans l'exemple précédent, la cavité optique est très légèrement déréglée de telle sorte qu'à une puissance donnée du faisceau de pompe suffisante pour l'émission laser, le seuil d'émission stimulée ne soit pas atteint. Dans l'exemple de la figure 5, le cristal de CR4+ :YAG agit comme un absorbant saturable dont l'effet se combine au déclenchement actif par plasma pour affiner l'impulsion laser déclenchée. La figure 6B montre un exemple d'impulsion laser ainsi obtenue. Alternativement, seul un déclenchement actif peut être mis en oeuvre. La figure 6C montre le profil spatial de l'impulsion laser créée. La figure 6A illustre le retard de création de l'impulsion par rapport à la génération du prisme plasma et une mesure de la gigue temporelle. Dans cet exemple, la puissance de pompe est de 3W, avec un mode de gain laser de 1001.1m de diamètre. On mesure un délai de création de l'impulsion laser de 3,54 µs par rapport au déclenchement de la décharge électrique dont le front de montée est de 50 ns. On mesure une gigue temporelle d'environ 300 ns. Cette gigue temporelle, mesurée à partir du front de montée du déclenchement plasma est alors 40 à 45 fois inférieure à celle que l'on a en utilisant uniquement le déclenchement passif. Le délai de création de l'impulsion laser représente ici plus de 45 fois la durée de vie du prisme plasma. La gigue temporelle entre le signal de déclenchement du plasma et le moment d'arrivée de l'impulsion laser peut être minimisée en diminuant la durée de l'impulsion électrique qui génère la décharge électrique entre les électrodes. Les figures 7A et 7B montrent selon des exemples des formes d'impulsions électriques adaptées. L'exemple de la figure 7A montre une impulsion électrique de forme sensiblement monopolaire, les courbes 71 et 72 représentant respectivement la composante temporelle et la composante fréquentielle de l'impulsion. L'exemple de la figure 7B montre une impulsion électrique de forme sensiblement bipolaire, les courbes 73 et 74 représentant respectivement la composante temporelle et la composante fréquentielle de l'impulsion. Dans le cas d'une impulsion électrique bipolaire, l'inversion de polarité de la tension électrique permet de mieux contrôler la disparition du prisme plasma et donc de contrôler le temps de fermeture de la cavité laser. Dans les exemples illustrés sur les figures 3 et 5, un plasma est généré dans l'air, entre les deux électrodes. Alternativement le milieu entre les deux électrodes peut comprendre un matériau semi-conducteur transparent ou partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission laser. Par exemple, ce matériau peut être de type silicium (Si), nitrure de gallium (GaN), sulfure de zinc (ZnS), phosphure d'indium (InP), arséniure de gallium (GaA). La création d'une densité de charges suffisante pour obtenir la déflexion du faisceau lumineux et le dépassement du seuil d'émission laser dans la cavité dans un semiconducteur peut alors apparaître pour une tension électrique entre les électrodes inférieure à celle nécessaire pour l'établissement du même gradient dans l'air. Le dopage des matériaux est adapté afin de contrôler leur résistivité interne. La figure 8 illustre une variante de réalisation selon laquelle la cavité étant déréglée, on augmente la puissance du faisceau de pompe pour passer au-dessus du seuil d'émission laser dans la cavité. Il en résulte l'émission d'un mode laser particulier (71) différent du mode laser fondamental de la cavité. En appliquant une impulsion électrique entre les électrodes, on génère comme cela une commutation de mode. Le mode représenté en 71 se transforme en un mode circulaire 73. Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le procédé de déclenchement actif selon l'invention et la source laser déclenché par ledit procédé comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS1. Source laser impulsionnelle à déclenchement actif comprenant : - une source d'émission (35, 55) d'un faisceau de pompe de puissance lumineuse prédéterminée et de longueur d'onde de pompe xp donnée, - une cavité laser (10, 30, 50) comprenant un milieu amplificateur (13, 33, 53) agencé entre deux miroirs (11, 12) sensiblement parallèles, la cavité laser présentant un axe de propagation privilégié et étant destiné à recevoir ledit faisceau de pompe pour l'émission selon ledit axe de propagation d'une impulsion laser à une longueur d'onde laser XL, les miroirs présentant l'un par rapport à l'autre un décalage angulaire, de valeur telle que la cavité se trouve en dessous du seuil d'émission laser à la puissance donnée du faisceau de pompe, - deux électrodes positionnées de part et d'autre dudit axe de propagation privilégié et des moyens pour délivrer une impulsion électrique entre lesdites électrodes, permettant de générer dans le milieu entre lesdites électrodes un gradient de charges électriques temporaire selon une direction sensiblement perpendiculaire audit axe de propagation privilégié et la déflexion d'un faisceau lumineux se propageant dans la cavité de telle sorte que le seuil d'émission laser soit atteint dans ladite cavité optique à la puissance donnée du faisceau de pompe. 2. Source laser à déclenchement actif selon la revendication 1, dans laquelle la durée de l'impulsion électrique est inférieure à 10 ns, avantageusement inférieure à 1 ns. 3. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'impulsion électrique est bipolaire. 4. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le milieu entre lesdites électrodes est constitué d'air. 5. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le milieu entre lesdites électrodes comprend un matériau semi-conducteur au moins partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission laser. 6. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la longueur de la cavité optique entre les deux miroirs est inférieure à 2 cm. 7. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cavité comprend en outre un cristal absorbant saturable. 8. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la distance entre les électrodes est sensiblement égale à 4 fois le diamètre du faisceau laser pris à 1/e2 en intensité. 9. Méthode de déclenchement actif d'une source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant : - le réglage de la cavité pour obtenir à une puissance donnée du faisceau de pompe, l'émission d'un faisceau laser ; - le déréglage de la cavité optique de telle sorte à introduire ledit décalage angulaire entre les miroirs de la cavité, entraînant le passage de la cavité optique en-dessous du seuil d'émission laser à ladite puissance de pompe; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la génération d'une impulsion laser. 10. Méthode de déclenchement actif d'une source laser selon la revendication 9, comprenant en outre, après l'étape de déréglage de la cavité optique : - l'augmentation de la puissance de pompe, résultant en une émission laser selon un premier mode ; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la commutation de l'émission laser selon un second mode.25