Brevet FR3025661A1 — publié le 20160311

- 1 - " Système de génération de faisceau laser par effet non linéaire à base de cavité microchip résonante." La présente invention concerne la génération de nouvelles longueurs d'onde par effets non linéaires, en particulier pour des lasers continus de puissance faible ou moyenne ( 5s). Cela confirme l'insensibilité de ce type de sources aux vibrations. 25 On injecte cette onde fondamentale 2 dans une cavité externe microchip 3 formant interféromètre de Fabry-Pérot selon l'invention. La cavité est réalisée par l'assemblage par adhérence moléculaire d'un matériau 4 qui est un substrat en silice, d'un cristal non linéaire de BBO de 10 mm de long, coupé pour l'accord de phase de type I entre l'onde fondamentale à 561 nm 30 et l'onde doublée à 280.5 nm. Un miroir d'entrée 4a est déposé sur le substrat 4 de silice sur une extrémité de ce substrat directement en contact avec le cristal non linéaire, ce qui a permis sa conception plus aisément que s'il avait fallut le déposer directement sur le BBO (ce qui reste toutefois un mode de réalisation envisageable pour certaines applications). La silice a été 3025661 - 1 1 - traitée pour avoir un effet réflecteur de 93% pour l'onde à 561 nm et un effet réflecteur >95% pour l'onde à 280.5 nm. La fermeture de la cavité est obtenue grâce à un miroir concave 6 de sortie en silice de réflectivité maximale à 561nm et minimale à 280 nm. Le 5 rayon de courbure est de 100 mm. Ce miroir concave 6a est disposé sur une extrémité du matériau 6 qui est en substrat en silice. Le matériau 6 est un substrat avec une face d'entrée plane et une face de sortie courbée du côté opposé au cristal non linéaire, le miroir 6a étant déposé sur la face courbée vers l'extérieur. On constate que la cavité externe est composite puisque les 10 deux miroirs sont déposés sur des substrats de silice, matériau différent du cristal non linéaire en BBO. Le premier miroir est au contact du BBO, de sorte que la cavité débute directement sur le BBO. La longueur L de la cavité résonante est de 20mm. Un isolateur optique 7 empêche l'onde réfléchie par la cavité Fabry-Pérot de 15 retourner dans le laser continu 1 et de le déstabiliser. Le système est conçu de façon à réaliser un double asservissement : un asservissement en température via deux éléments Peltier P1 pour le miroir 6a et P2 pour le cristal non linéaire commandés par une unité de traitement 8. Le second asservissement est de type électro-optique. Pour ce faire, l'unité 20 de traitement 8 est connectée au laser continu 1 et reçoit de la part d'un photodétecteur rapide 9 un signal représentatif de l'onde UV de sortie à 280.5nm. L'unité de traitement 8 comprend au moins par exemple un microcontrôleur et des composants matériels et logiciels conventionnels lui 25 permettant de s'interfacer avec les différents composants du système et de mettre des algorithmes d'asservissement. Avec 300mW à 561 nm, une puissance de sortie de plus de 20mW à 280.5 nm a été obtenue. 30 Les courbes sur la figure 4 illustrent la puissance mesurée par photodiode (en V) en sortie d'une cavité externe microchip formée le cristal de BBO et de miroirs déposés sur de la silice. La température de la silice est d'abord augmentée de 22.4°C à 23.25°C puis diminuée jusqu'à la température initiale. On constate que la courbe de résonance de la cavité 3025661 - 12 - externe est dissymétrique à cause d'une légère absorption et présente une hystérésis différentiant la montée et la descente en température. Ces effets empêchent d'asservir au sommet de la courbe. On peut alors 5 prévoir d'asservir sur le flanc de la courbe. L'asservissement fonctionne (il n'y a pas de décrochage) mais on constate notamment que la puissance n'est pas très stable avec +/- 10% de variations. L'asservissement thermique nécessite donc un asservissement sur le flanc de la résonance et n'est donc pas suffisamment stable. On peut alors avantageusement rajouter un 10 système supplémentaire pour stabiliser la puissance de sortie. Pour la stabilisation de la puissance de sortie, on peut prévoir d'utiliser l'effet électro-optique du cristal de BBO. Un signal inférieur à 40V crête a suffit à ramener les fluctuations de puissance à moins de 0.2% rms. Sur la 15 figure 5, les courbes illustrent la puissance mesurée par photodiode (en V) en sortie de la même cavité externe microchip avec un asservissement électrooptique sur le BBO. On montre également que la variation de courant de pompe d'une pompe optique du laser continu 1 émettant à 561 nm induit une variation de fréquence suffisamment rapide pour atteindre le même résultat. 20 Ces deux exemples ne sont évidemment pas exhaustifs. Il peut être avantageux selon l'invention de réaliser un interféromètre dont la réflectivité est maximale lors de la résonance. Cet interféromètre peut ainsi accorder une diode a priori multimode sur un mode résonant. Cela 25 permet de réaliser de manière simple notamment une source UV profond à 244 nm à partir d'une diode GaN à 488 nm ou à 225nm à partir d'une diode GaN à 450 nm. Un tel interféromètre peut être réalisé de la manière illustrée sur la figure 6 pour le cas d'une cavité pour le doublage de fréquence de 488nm 30 vers 244nm. On distingue un miroir plan 12 en entrée, ce miroir d'entrée ne couvrant pas entièrement le cristal non linéaire 13 et réfléchissant à 488nm et 244nm. On distingue également un miroir courbe 16 en sortie, réfléchissant à 488nm et transmettant à 244nm. Le substrat 11 sur lequel est déposé le miroir concave 16, ainsi qu'éventuellement le substrat 10 sur lequel 35 est déposé le miroir plan 12, est constitué d'un matériau différent de celui du 3025661 - 13 - cristal non linéaire. Le cristal non linéaire, en BBO, est en deux morceaux 14 et 15 tournés selon l'axe de propagation d'un angle compris entre 170 et 179.5° ou 180.5° et 190°. La valeur proche de 180° assure la compensation du décalage spatial lié à la propagation sur l'axe extraordinaire (e) (« walk- 5 off » en anglais). La valeur légèrement différente de 180° couple faiblement l'onde extraordinaire (e) du premier cristal de BBO avec l'onde ordinaire (o) du second cristal. L'accord de phase est obtenu entre l'onde ordinaire (o) à 488nm et l'onde extraordinaire (e) à 244nm. L'entrée dans la cavité externe microchip se fait par l'onde (e). La 10 réflectivité est maximale lorsque la cavité externe est résonante. La présente invention est donc relative à un système très efficace de conversion non linéaire (SHG, SFG,DFG, Raman, oscillation paramétrique,...) d'une source continue monofréquence dans une cavité externe résonante et 15 asservie sur la fréquence de la source. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. La source laser continue peut être une diode laser monofréquence (DFB ou DBR), potentiellement amplifiée par un 20 amplificateur externe (à fibre ou non). Elle peut-être une diode GaN monofréquence L'effet non linéaire mis en oeuvre peut être de façon non limitative l'un de ceux décrits ci-dessous : - doublement de fréquence, 25 - Somme de fréquences : la première fréquence résonante dans la cavité externe selon l'invention ; la seconde fréquence (non résonante) traversant la cavité externe, cette seconde fréquence provenant d'un oscillateur laser pouvant englober la cavité externe,... - Oscillateur/Amplificateur paramétrique : la cavité externe étant 30 également une cavité aux longueurs d'onde paramétriques ou la cavité paramétrique englobant la cavité externe, - Oscillateur/amplificateur Raman. REVENDICATIONS1. Système de génération d'un faisceau laser par effets non linéaires comprenant : - une source laser continue monofréquence pour générer une onde fondamentale, - une cavité externe résonante recevant cette onde fondamentale, dite cavité microchip, caractérisé en ce que ladite cavité microchip est composite dans la mesure 10 où cette cavité microchip est un assemblage solidaire de plusieurs matériaux comprenant : - au moins un cristal non linéaire (5), - un miroir d'entrée (4a), - un miroir concave (6a) déposé sur un matériau (6) fixé au cristal 15 non linéaire ; le matériau sur lequel est déposé le miroir concave est différent du matériau constitutif du cristal non linéaire, - un premier module thermoélectrique (P2) pour contrôler la température du cristal non linéaire et au moins un second module thermoélectrique (P1) pour contrôler au moins la température du 20 matériau sur lequel est déposé le miroir concave. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de traitement configurée pour asservir la température du cristal non linéaire et la température au moins du matériau sur lequel est déposé le 25 miroir concave à la fréquence de la source laser. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité de traitement est configurée pour réaliser l'asservissement en température uniquement sur au moins un flanc de la courbe de résonance. 30 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de traitement configurée pour réaliser un asservissement utilisant des phénomènes physiques plus rapides que la température des cristaux. 35 3025661 - 15 - 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de traitement est configurée pour réaliser un asservissement de la phase de l'onde fondamentale dans la cavité externe en modifiant la fréquence de la source laser continue monofréquence . 5 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque le cristal non linéaire est un cristal électrooptique, l'unité de traitement est configurée pour réaliser un asservissement électro-optique en appliquant directement une tension sur le cristal non linéaire. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité microchip est une cavité externe formant un interféromètre de Fabry-Pérot. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cavité microchip est une cavité externe en anneau. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cavité microchip est une cavité externe formant un interféromètre dont la réflectivité est maximum lors de la résonance. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau sur lequel est déposé le miroir concave est en verre ou en cristal, avec un coefficient d'expansion thermique et des coefficients thermo-optiques respectivement inférieurs à ceux du matériau constitutif du cristal non linéaire et une hygroscopie inférieure à celle du matériau constitutif du cristal non linéaire. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau sur lequel est déposé le miroir concave comprend de la silice ou de la silice fondue ou du saphir. 12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal non linéaire et le matériau sur lequel est 3025661 - 16- déposé le miroir concave sont assemblés par adhérence moléculaire ou par collage selon un procédé sol-gel. 13. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que le miroir d'entrée est déposé directement sur le matériau constitutif du cristal non linéaire ou bien sur un autre matériau différent de celui du cristal non linéaire. 10