Brevet FR3087958A1 — publié le 20200501

CRISTAL LASER AVEC AU MOINS DEUX CO-DOPANTS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des milieux amplificateurs, aptes à émettre et/ou amplifier un faisceau lumineux par effet laser. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'invention s'applique au domaine des dispositifs laser, où laser est l'acronyme de l'anglais « light amplification by stimulated emission of radiation » (amplification de lumière par émission stimulée de radiations, en français). Dans un dispositif laser, un milieu amplificateur, ou milieu à gain, reçoit une énergie d'excitation sous forme électrique ou optique. Cette énergie d'excitation, ou de pompage, permet d'amener certains de ses atomes à un niveau d'énergie haut (inversion de population). Les atomes situés à un niveau haut d'énergie peuvent redescendre spontanément à un niveau bas d'énergie, avec émission d'un photon. On parle alors d'émission spontanée. Le retour à un niveau bas d'énergie peut être facilité par l'arrivée d'un photon incident dont l'énergie correspond à la différence d'énergie entre le niveau haut et le niveau bas d'énergie. On parle alors d'émission stimulée. L'émission stimulée réalise une amplification de lumière, puisque le photon incident provoque l'émission d'au moins un autre photon de même énergie. On nomme « effet laser » cette amplification de lumière par émission stimulée. Le milieu amplificateur, ou milieu laser, peut amplifier un faisceau lumineux incident, par émission stimulée, au sein d'un dispositif nommé amplificateur laser. En variante, le milieu amplificateur peut émettre un faisceau lumineux à partir de photons initiaux émis par émission spontanée et initiant des émissions stimulées en cascade. Dans ce deuxième cas, le milieu amplificateur s'étend dans une cavité optiquement résonante à la longueur d'onde de l'émission stimulée, au sein d'un dispositif nommé oscillateur laser. On connaît 2 dans l'art antérieur différents milieux amplificateurs, notamment les milieux amplificateurs solides qui regroupent les cristaux dopés et les verres dopés. Les verres dopés ont l'avantage de présenter des spectres d'amplification avec une largeur à mi-hauteur de plusieurs nanomètres. (De même, les verres dopés présentent des spectres d'absorption avec une largeur à mi-hauteur de plusieurs nanomètres.) On rappelle ici qu'un spectre d'amplification d'un milieu amplificateur représente la répartition spectrale du gain dudit milieu amplificateur. Il s'agit en d'autres termes de l'amplification (gain spectral) apportée par le milieu amplificateur sur un faisceau lumineux injecté en entrée de ce dernier, en fonction de la longueur d'onde dudit faisceau injecté. 10 Un spectre de fluorescence d'un milieu amplificateur représente quant à lui la répartition spatiale de l'émission dudit milieu amplificateur, sans mécanisme d'amplification. Un spectre d'amplification (comme un spectre de fluorescence) d'un milieu amplificateur présente toujours une forme voisine d'une gaussienne sur laquelle on peut définir différents indicateurs tels que la largeur à mi-hauteur (nommée largeur du spectre) et la 15 longueur d'onde centrale (ou longueur d'onde centrale du spectre). On nomme « bande spectrale d'amplification » la bande spectrale sur laquelle le spectre est au-dessus de la moitié de sa valeur maximale. Les verres dopés forment en revanche de mauvais conducteurs thermiques, avec une conductivité thermique inférieure à 1 W.rn-1.0. Cette faible conductivité thermique limite 20 les possibilités d'évacuation de la chaleur apportée avec l'énergie d'excitation, ce qui nuit au rendement de l'amplification laser pour un fonctionnement en cadence de ce laser. Les cristaux dopés présentent quant à eux de très bonnes conductivités thermiques, comprises généralement entre 9 et 11 W.m-1.1 REVENDICATIONS1. Milieu amplificateur (100) pour émettre et/ou amplifier un faisceau lumineux par effet laser, constitué d'un cristal dopé de X-F2, où X désigne un élément chimique (120) de la famille des alcalino-terreux et F désigne le fluor (110), et où le cristal est dopé par des ions trivalents de terre rare, nommés ions dopants, lesdits ions dopants comprenant : - une première catégorie d'ions dopants (130), nommés ions optiquement actifs, dans laquelle chaque ion dopant est un ion d'une première terre rare ; - une seconde catégorie d'ions dopants (141, 142), nommés ions tampons, dans laquelle chaque ion dopant est un ion d'une terre rare distincte de la première terre rare ; caractérisé en ce que la seconde catégorie d'ions dopants comporte au moins des ions d'une deuxième terre rare (141) et des ions d'une troisième terre rare (142), la deuxième terre rare et la troisième terre rare étant distinctes l'une de l'autre. 2. Milieu amplificateur (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa concentration massique en ions de la deuxième terre rare (141) est supérieure ou égale à 1% en masse, et en ce que sa concentration massique en ions de la troisième terre rare (142) est supérieure ou égale à 1% en masse. 3. Milieu amplificateur (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que sa concentration massique en ions de la deuxième terre rare (141) est supérieure ou égale à 2% en masse, et en ce que sa concentration massique en ions de la troisième terre (142) rare est supérieure ou égale à 2% en masse. 4. Milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sa concentration massique en ions tampons (141, 142) est comprise entre 4% et 6%. 21 5. Milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits ions tampons (141, 142) comportent des ions de lutécium, d'yttrium, de gadolinium, de lanthane, de scandium et/ou de cérium. 5 6. Milieu amplificateur (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits ions tampons (141 ; 142) comportent des ions d'yttrium. 7. Milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite seconde catégorie d'ions dopants est constituée desdits ions 10 de la deuxième terre rare (141) et desdits ions de la troisième terre rare (142) uniquement. 8. Milieu amplificateur (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième terre rare (141) est l'yttrium et la troisième terre rare (142) est le gadolinium. 15 9. Milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite seconde catégorie d'ions dopants est constituée uniquement desdits ions de la deuxième terre rare (141), desdits ions de la troisième terre rare (142), et d'ions d'une quatrième terre rare distincte des deuxième et troisième terres rares. 20 10. Milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément chimique X (120) désigne un élément parmi le calcium, le strontium et le baryum. 11. Milieu amplificateur (100) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est 25 constitué d'un cristal dopé de fluorine, où la fluorine a pour formule CaF2. 12. Milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les ions optiquement actifs (130) sont des ions de néodyme ou des ions d'ytterbium. 22 13. Dispositif laser (50A; SOB) comportant un milieu amplificateur (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, et une source lumineuse (102) agencée pour émettre un faisceau lumineux d'excitation (103) en direction du milieu amplificateur, le faisceau lumineux d'excitation (103) étant apte à exciter optiquement le milieu amplificateur (100) pour que ce dernier émette et/ou amplifie un faisceau lumineux annexe (106) par effet laser. 14. Dispositif laser (50B) selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une source lumineuse (107) apte à émettre un faisceau lumineux à amplifier (108) en 10 direction du milieu amplificateur (100), le milieu amplificateur (100) étant apte à amplifier par effet laser ledit faisceau lumineux à amplifier (108). 15. Système laser (600) comportant une pluralité de dispositifs laser (50, 50', 50") montés en cascade les uns à la suite des autres, chaque dispositif laser (50; 50' ; 50") 15 comprenant un milieu amplificateur (100) et une source lumineuse (102) agencée pour émettre un faisceau lumineux d'excitation (103) en direction dudit milieu amplificateur, où chaque faisceau lumineux d'excitation (103) est apte à exciter optiquement le milieu amplificateur correspondant pour que ce dernier émette et/ou amplifie un faisceau lumineux par effet laser, caractérisé en ce que l'un au moins desdits dispositifs laser (50; 20 50' ; 50") est un dispositif laser selon la revendication 13 ou 14.