Brevet FR3150916A1 — publié le 20250110

Dispositif laser La présente invention concerne un dispositif laser (10) comprenant un boîtier (12) dans lequel sont disposés les éléments suivants : une cavité laser (20) délimitée par un miroir réfléchissant (M1) et un miroir partiellement réfléchissant (M2), le miroir partiellement réfléchissant formant la sortie de la cavité laser pour un faisceau laser amplifié dans la cavité laser, une fibre optique (22) propre à acheminer le faisceau laser entre la sortie de la cavité laser et l’extérieur du boîtier, la fibre optique étant fixée au boîtier en au moins un point de fixation (P1, P2), et un composant sélectif (24) propre à sélectionner la longueur d’onde du faisceau laser en sortie du dispositif laser, le composant sélectif étant positionné dans la fibre optique en sortie de la cavité laser et en amont du ou des points de fixation. Figure pour l'abrégé : Figure 1 Dispositif laser La présente invention concerne un dispositif laser. Il est connu de l’état de la technique, des dispositifs laser comportant, dans un boîtier, une cavité laser propre à générer un faisceau laser monomode transverse et une fibre optique monomode propre à acheminer le faisceau laser généré par la cavité en sortie du boîtier. Pour sélectionner et stabiliser la longueur d’onde du faisceau laser généré par la cavité laser, il est connu d’utiliser un composant, tel qu’un réseau de Bragg, en particulier un réseau de Bragg inscrit dans une fibre optique (en anglais « Fiber Bragg Grating », abrégé en FBG). Un tel composant est traditionnellement positionné dans la fibre optique, à l’extérieur du boîtier. Actuellement, un enjeu consiste à gagner en compacité en intégrant des composants extérieurs dans le boîtier, notamment le FBG. Néanmoins, l’intégration du FBG dans le boîtier est à l’origine de sauts de longueur d’onde et de sauts de puissance significatifs lorsque que le courant de la diode laser varie, qui dégradent la stabilité spectrale et en puissance du faisceau laser en sortie de fibre. Cela est problématique pour certaines applications envisagées, notamment les applications de pompage d’amplificateurs à fibre dopée à l’Erbium (EDFA), mais aussi les applications de doublage de fréquence et de métrologie optique, telles que les expériences d’horloge optique. Il existe donc un besoin pour un dispositif laser qui soit compact tout en conservant une bonne stabilité spectrale et de puissance du faisceau laser en sortie de fibre. A cet effet, la présente description a pour objet un dispositif laser comprenant un boîtier dans lequel sont disposés les éléments suivants : une cavité laser délimitée par un miroir réfléchissant et un miroir partiellement réfléchissant, le miroir partiellement réfléchissant formant la sortie de la cavité laser pour un faisceau laser amplifié dans la cavité laser, une fibre optique propre à acheminer le faisceau laser entre la sortie de la cavité laser et l’extérieur du boîtier, la fibre optique étant fixée au boîtier en au moins un point de fixation, et un composant sélectif propre à sélectionner la longueur d’onde du faisceau laser en sortie du dispositif laser, le composant sélectif étant positionné dans la fibre optique en sortie de la cavité laser et en amont du ou des points de fixation. Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : le composant sélectif est un réseau de Bragg ; le boîtier a un orifice de sortie, la fibre optique étant fixée au boîtier en un premier et un second point de fixation, le premier point de fixation étant entre la sortie de la cavité laser et l’orifice de sortie du boîtier, le second point de fixation coïncidant avec l’orifice de sortie du boîtier, le composant sélectif étant positionné entre la sortie de la cavité laser et le premier point de fixation ; le composant sélectif est positionné à une distance inférieure ou égale à 1 millimètre de la sortie de la cavité laser ; la face du miroir partiellement réfléchissant en vis-à-vis de la fibre optique est optimisée pour transmettre, dans la cavité laser, un faisceau laser à la longueur d’onde de sélection du composant sélectif ; le spectre de réflexion du composant sélectif présente une bande passante choisie pour conserver seulement un ou deux modes laser du faisceau laser, avantageusement un seul mode du faisceau laser ; le spectre de réflexion du composant sélectif présente une bande passante inférieure ou égale à cinq fois l’intervalle spectral libre de la cavité laser, de préférence inférieure ou égale à 0,5 nanomètres, de préférence inférieure ou égale à 0,3 nanomètres ; le spectre de réflexion du composant sélectif est apodisé ; la fibre optique comprend une optique propre à focaliser le faisceau laser dans la fibre optique, l’optique étant positionnée dans la fibre optique, entre la sortie de la cavité laser et le composant sélectif, l’optique étant de préférence une lentille usinée dans la fibre optique ; la cavité laser est une cavité rectiligne ; la cavité laser est une cavité incurvée ; et le boîtier laser a une longueur inférieure ou égale à la longueur de la cavité laser plus 8 millimètres. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : - , une vue schématique en coupe d’un exemple d’un dispositif laser, - , une représentation graphique d’un exemple des modes d’un faisceau laser généré par une cavité laser, et en superposition le spectre de réflexion d’un premier composant sélectif et d’un second composant sélectif (réseaux de Bragg), le premier et le second composant sélectif ayant des bandes-passantes différentes (1,2 nm contre 0,25 nm), - , une représentation graphique d’un exemple d’évolution de la puissance optique et de la dérivée de la puissance optique en fonction du courant laser pour un dispositif laser ayant un composant sélectif FBG positionné à moins d’1 mm de la sortie de la cavité laser et en amont des points de fixation de la fibre optique au boîtier, et - , une représentation graphique d’un exemple d’évolution de la longueur d’onde en fonction du courant laser pour un dispositif laser ayant un composant sélectif FBG positionné à moins d’1 mm de la sortie de la cavité laser et en amont des points de fixation de la fibre optique au boîtier. Un dispositif laser 10 est illustré par la . Le dispositif laser 10 comprend un boîtier 12 dans lequel sont positionnés les éléments suivants : une cavité laser 20, une fibre optique 22 et un composant sélectif 24. Le boîtier 12 est un boîtier hermétique, doté d’au moins un orifice 26 pour le passage de la fibre optique 22. La cavité laser 20 est propre à générer et amplifier un faisceau laser. La cavité laser 20 forme une cavité Fabry-Pérot. La cavité laser 20 est, par exemple, une puce laser, telle qu’une diode laser. Comme illustré dans l’exemple de la , la cavité laser 20 comprend un guide d’onde 30 avec un milieu actif entre un miroir réfléchissant M1 et un miroir partiellement réfléchissant M2. Le miroir partiellement réfléchissant M2 forme la sortie de la cavité laser 20 pour le faisceau laser généré et amplifié dans la cavité laser 20. En particulier, la face du miroir réfléchissant M1 en vis-à-vis de la cavité laser 20 (vers l’intérieur de la cavité laser 20) est appelée face arrière de la cavité laser 20. La face du miroir partiellement réfléchissant M2 en vis-à-vis de la fibre optique 22 (vers l’extérieur de la cavité laser 20) est appelée face avant de la cavité laser 20. De préférence, la face du miroir partiellement réfléchissant M2 en vis-à-vis de la fibre optique 22 (face avant) est optimisée pour transmettre un faisceau laser à la longueur d’onde de sélection du composant sélectif 24 (comme cela sera décrit dans la suite de la description). Par « optimisation », il est entendu que la réflectivité du miroir partiellement réfléchissant M2 est inférieure à 0,5% à la longueur d’onde du composant sélectif 24. Ainsi, cela permet que le faisceau laser à la longueur d’onde d’intérêt (longueur d’onde du composant sélectif 24) soit réintroduit dans la cavité laser 20 pour être réamplifié formant ainsi une cavité laser additionnelle entre la face arrière de la cavité laser 20 et le composant sélectif 24. De préférence, la cavité laser 20 est une cavité rectiligne (cavité droite), c’est-à-dire que le miroir réfléchissant M1 et le miroir partiellement réfléchissant M2 sont parallèles. En d’autres termes, la cavité laser 20 n’est pas courbée. Cela permet d’obtenir une puissance laser plus élevée et de diminuer la consommation d’énergie. En variante, la cavité laser 20 est courbée. La fibre optique 22 est propre à acheminer le faisceau laser entre la sortie de la cavité laser 20 et l’extérieur du boîtier 12. La fibre optique 22 est fixée au boîtier 12 en au moins deux points de fixation P1, P2. Dans un exemple de mise en œuvre illustré par la , la fibre optique 22 est fixée au boîtier 12 en un premier point de fixation P1 et un second point de fixation P2. Le premier point de fixation P1 est entre la sortie de la cavité laser 20 et l’orifice 26 de sortie du boîtier 12. Le second point de fixation P2 fixe la fibre optique 22 à l’orifice 26 de sortie du boîtier 12. En particulier, la fixation réalisée au second point de fixation P2 est propre à solidariser, de manière hermétique, la fibre optique 22 au boîtier 12. La partie de la fibre optique 22 entre les points de fixation P1 et P2 est, ainsi, soumise aux déformations du boîtier 12 du fait de changements de température du boîtier 12 et des différences de coefficients de dilatation thermique des différents matériaux constituants le dispositif laser 10. Par exemple, les moyens de fixation utilisés sont de la colle ou de la soudure au verre à bas point de fusion. Dans un exemple, le boîtier 12 a une longueur extérieure, hors point de fixation P2, qui n’excède pas celle de la cavité laser 20 additionnée de 8mm. Dans ce cas, le boitier laser 12 est appelé « mini-pompe ». Cela permet de gagner en compacité car la distance entre les points P1 et P2 n’est pas contrainte par la longueur du composant sélectif 24, qui doit être suffisamment éloigné des points P1 et P2 dans l’état de la technique. Dans un exemple de mise en œuvre, la fibre optique 22 comprend une optique 32 propre à focaliser le faisceau laser dans la fibre optique 22. L’optique 32 est positionnée dans la fibre optique 22 entre la sortie de la cavité laser 20 et le composant sélectif 24. Par exemple, l’optique 32 est une lentille (convergente) usinée dans la fibre optique 22. Le composant sélectif 24 est propre à sélectionner la longueur d’onde du faisceau laser en sortie du dispositif laser 10. En effet, la cavité laser 20 génère et amplifie à l’origine un faisceau laser sur une large bande spectrale de plusieurs nanomètres de longueur d’onde, et le composant sélectif 24 permet de sélectionner une longueur d’onde spécifique pour le faisceau laser, qui est ensuite réamplifié de sorte à obtenir un faisceau laser de longueur d’onde contrôlée et stabilisée en sortie du dispositif laser 10. Le composant sélectif 24 est positionné dans la fibre optique 22 en sortie de la cavité laser 20 et en amont des points de fixation P1, P2. Ainsi, le composant sélectif 24 n’est pas soumis aux déformations mécaniques du boîtier 12, induites par des changements de température. En effet, lorsque le composant sélectif 24 (FBG) est positionné entre deux points de fixation P1, P2, la longueur d’onde centrale du composant sélectif 24 se déplace en fonction de sa température et de la contrainte mécanique induite par la différence de dilatation thermique du boîtier 12 et de la fibre 22. En positionnant le composant sélectif 24 en dehors de l’espace entre deux points de fixation P1, P2, on s’affranchit de ces contraintes mécaniques induite par la différence de dilatation thermique du boîtier 12 et de la fibre 22 et les variations en longueur d’onde du composant sélectif 24 sont seulement dues aux variations en température dudit composant sélectif 24. Plus particulièrement, lorsque la fibre optique 22 est fixée par deux points de fixation P1, P2, le composant sélectif 24 est positionné entre la sortie de la cavité laser 20 et le premier point de fixation P1. Ainsi, le composant sélectif 24 n’est pas situé entre les deux points de fixation P1, P2. De préférence, le composant sélectif 24 est un réseau de Bragg. Plus particulièrement, le composant sélectif 24 est un réseau de Bragg inscrit dans la fibre optique 22 (cœur de fibre). De préférence, le composant sélectif 24 est positionné à une distance inférieure ou égale à 1 millimètre de la sortie de la cavité laser 20. Ainsi, le composant sélectif 24 est positionné très proche de la sortie de la cavité laser 20, ce qui permet de réduire les sauts en longueur d’onde et les sauts de puissance par rapport à un composant sélectif 24 plus éloigné de la sortie de la cavité laser 20. En effet, lorsque le composant sélectif 24 est très proche de la sortie de la cavité laser 20 (moins d’1 mm), l’intervalle spectral libre (en anglais « Free Spectral Range », abrégé en FSR) de la cavité laser 20 est très proche du FSR de la cavité additionnelle formée entre la face arrière de la cavité laser 20 et le composant sélectif 24. Du fait de cette proximité, quand les sauts de mode surviennent (par exemple dus à des variations du courant laser), cela implique des sauts en longueur d’onde et en puissance d’amplitude réduite. De préférence, le spectre de réflexion du composant sélectif 24 présente une bande passante choisie pour conserver seulement un ou deux modes laser du faisceau laser, avantageusement un seul mode du faisceau laser. Par exemple, la illustre en A la courbe de transmission des modes laser de la cavité laser 20, en B la courbe de réflexion d’un FBG ayant une bande passante large (1,2 nm) et en C la courbe de réflexion d’un FBG ayant une bande passante étroite (0,25 nm). Comme visible sur cette figure, le FBG à bande étroite permet de sélectionner un nombre plus réduit de modes, ce qui permet de réduire les sauts en longueur d’onde en « forçant » la cavité laser 20 à n’amplifier qu’un nombre réduit de modes. De préférence, le spectre de réflexion du composant sélectif 24 présente une bande passante (définie par la largeur à mi-hauteur du spectre de réflectivité) inférieure ou égale à cinq fois l’intervalle spectral libre (FSR) de la cavité laser. Avantageusement, le spectre de réflexion du composant sélectif 24 présente une bande passante inférieure ou égale à 0,5 nanomètres, de préférence inférieure ou égale à 0,3 nanomètres. De préférence, le spectre de réflexion du composant sélectif 24 est apodisé. En d’autres termes, pour un FBG, la modulation de l’indice de réfraction du cœur de la fibre optique 22 a une enveloppe sans bord, telle qu’une enveloppe Gaussienne. En effet, dans le cas d’un composant sélectif 24 (FBG) non-apodisé (droit), les deux bords du composant sélectif 24 (avant et arrière) sont perçus par la lumière cheminant dans le cœur de la fibre comme des marches d'indice donnant lieu à des réflexions avec une large gamme de longueurs d'onde. Dans le cas d'un FBG non-apodisé, toutes les longueurs d'onde entrantes sont réfléchies par l'enveloppe du FBG avec la même phase optique, alors que pour le FBG apodisé, la phase optique change continuellement en fonction de la forme de l'enveloppe du FBG. Cela a pour effet que la cavité laser 20 externe favorise les quelques modes situés au centre de l'enveloppe d'apodisation, ce qui donne lieu à un transfert quasi-continu de la puissance optique avec un FBG apodisé par rapport à un transfert de puissance singulier avec un FBG conventionnel induisant un saut de mode important. Ainsi, le principal avantage de la forme apodisée (forme gaussienne par exemple) du composant sélectif 24 est que nous évitons que la lumière soit réfléchie sur les bords du composant sélectif 24. A noter que les bords extérieurs de l'enveloppe d'apodisation sont de préférence aussi petits que possible et "lissés" de manière à ce que la lumière soit de préférence réfléchie autour du sommet de l'enveloppe (du chapeau gaussien), là où le composant sélectif 24 présente la modulation d'indice la plus forte. Un exemple de fonctionnement du dispositif laser 10 va maintenant être décrit. Initialement, la cavité laser 20 génère un faisceau laser en sortie du miroir semi-réfléchissant M2. Ce faisceau laser est focalisé par l’optique 32 dans la fibre optique 22. Le composant sélectif 24 transmet une partie du faisceau laser à la longueur d’onde de sélection du composant sélectif 24. Ce faisceau laser est acheminé par la fibre optique 22 en sortie du dispositif laser 10. Le composant sélectif 24 renvoie également dans la cavité optique 20 une partie (moins de 10 %, par exemple 2-3%) du faisceau laser à la longueur d’onde de sélection du composant sélectif 24. Le faisceau laser renvoyé à la longueur d’onde d’intérêt est alors amplifié dans la cavité laser 20, avant d’être à nouveau transmis en sortie du miroir semi-réfléchissant, et ainsi de suite. Ainsi, le composant sélectif 24 placé dans la fibre optique 22 en sortie de la cavité laser 20 permet de sélectionner et de stabiliser la longueur d’onde du faisceau laser en sortie du dispositif laser 10. Le composant sélectif 24 étant positionné en amont des points de fixation P1, P2, il n’est pas soumis aux variations en température de la fibre optique 22 et du boitier 12, mais seulement aux éventuelles variations en température du composant sélectif 24. Cela limite ainsi les sauts de longueur d’onde, et préserve la stabilité spectrale et en puissance du faisceau laser en sortie du dispositif laser 10. En particulier, des tests ont été réalisés par les inventeurs montrant que les sauts en longueur d’onde diminuent d’un facteur deux lorsque le composant sélectif 24 est positionné en amont des points de fixation P1, P2, par rapport à une configuration où le composant sélectif 24 serait positionné entre les deux points de fixation P1, P2. Notamment, dans ces tests, la dérive en longueur d’onde diminue de 0,016 nm/°C à 0,009 nm/°C. Le dispositif laser 10 est en outre plus simple que ceux de l’état de la technique puisqu’il n’implique pas de modification de la forme du guide d'ondes d'une conception droite à une conception incurvée, ou l’écriture d’un réseau de Bragg sur le guide d'onde de gain (DFB) de la cavité laser 20. En outre, l'efficacité de conversion de puissance du laser est inchangée car le guide d'onde de gain n'a pas été modifié, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie par rapport à d'autres solutions de l’état de la technique. En complément, les figures 3 et 4 illustrent respectivement la stabilité en puissance, et en longueur d’onde, d’un faisceau laser généré par un dispositif laser 10 tel que décrit précédemment avec un réseau de Bragg positionné à une distance inférieure à 1 mm de la sortie de la cavité laser 20 et en amont des points de fixation P1, P2. Notamment, le nombre de sauts de mode, voir , a été réduit à 4 seulement, contre 50 dans le cas d’un réseau de Bragg positionné entre les points de fixation P1, P2 et à 5 mm de la sortie de la cavité laser 20. L'amplitude des sauts de puissance est réduite d'un facteur 2. En outre, les sauts de longueur d'onde de crête présentent une variation maximale de 0,3 nm sur toute la durée du courant sur l'ensemble de la plage de courant. L'amplitude des sauts de longueur d'onde est également réduite, avec une amplitude maximale de 0,12 nm, ce qui est 4 fois moins que dans l’état de la technique. L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation décrits précédemment sont susceptibles d’être combinés entre eux lorsque de telles combinaisons sont compatibles. En outre, dans une variante de mise en œuvre, la fibre optique 22 est fixée au boîtier 12 par un seul point de fixation (points de fixation P1 et P2 confondus). Dans ce cas, cet unique point de fixation assure à la fois les fonctions de fixation de la fibre optique 22 au boîtier 12 et de réalisation de l’étanchéité du boîtier 12. La précédente description s’applique dans ce cas en considérant les points de fixation P1 et P2 confondus. En particulier, le composant sélectif 24 est positionné en amont de l’unique point de fixation. Dispositif laser (10) comprenant un boîtier (12) dans lequel sont disposés les éléments suivants : une cavité laser (20) délimitée par un miroir réfléchissant (M1) et un miroir partiellement réfléchissant (M2), le miroir partiellement réfléchissant (M2) formant la sortie de la cavité laser (20) pour un faisceau laser amplifié dans la cavité laser (20), une fibre optique (22) propre à acheminer le faisceau laser entre la sortie de la cavité laser (20) et l’extérieur du boîtier (12), la fibre optique (22) étant fixée au boîtier (12) en au moins un point de fixation (P1, P2), et un composant sélectif (24) propre à sélectionner la longueur d’onde du faisceau laser en sortie du dispositif laser (10), le composant sélectif (24) étant positionné dans la fibre optique (22) en sortie de la cavité laser (20) et en amont du ou des points de fixation (P1, P2). Dispositif laser (10) selon la revendication 1, dans lequel le composant sélectif (24) est un réseau de Bragg. Dispositif laser (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le boîtier (12) a un orifice de sortie (26), la fibre optique (22) étant fixée au boîtier (12) en un premier et un second point de fixation (P1, P2), le premier point de fixation (P1) étant entre la sortie de la cavité laser (20) et l’orifice de sortie du boîtier (12), le second point de fixation (P2) coïncidant avec l’orifice de sortie (26) du boîtier (12), le composant sélectif (24) étant positionné entre la sortie de la cavité laser (20) et le premier point de fixation (P1). Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le composant sélectif (24) est positionné à une distance inférieure ou égale à 1 millimètre de la sortie de la cavité laser (20). Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la face du miroir partiellement réfléchissant (M2) en vis-à-vis de la fibre optique (22) est optimisée pour transmettre, dans la cavité laser (20), un faisceau laser à la longueur d’onde de sélection du composant sélectif (24). Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le spectre de réflexion du composant sélectif (24) présente une bande passante choisie pour conserver seulement un ou deux modes laser du faisceau laser, avantageusement un seul mode du faisceau laser. Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le spectre de réflexion du composant sélectif (24) présente une bande passante inférieure ou égale à cinq fois l’intervalle spectral libre (FSR) de la cavité laser (20), de préférence inférieure ou égale à 0,5 nanomètres, de préférence inférieure ou égale à 0,3 nanomètres. Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le spectre de réflexion du composant sélectif (24) est apodisé. Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la fibre optique (22) comprend une optique (32) propre à focaliser le faisceau laser dans la fibre optique (22), l’optique (32) étant positionnée dans la fibre optique (22), entre la sortie de la cavité laser (20) et le composant sélectif (24), l’optique (32) étant de préférence une lentille usinée dans la fibre optique (22). Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la cavité laser (20) est une cavité rectiligne. Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la cavité laser (20) est une cavité incurvée. Dispositif laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le boîtier laser (12) a une longueur inférieure ou égale à la longueur de la cavité laser (20) plus 8 millimètres.