FR2587125A1 - METHOD AND DEVICE FOR INCREASING THE POWER DENSITY OF A HIGH ENERGY AND FOCUSED LASER BEAM - Google Patents

Abstract

LE PROCEDE POUR AUGMENTER LA DENSITE DE PUISSANCE AU FOYER D'UN FAISCEAU LASER 11 SORTANT D'UN RESONNATEUR INSTABLE A FOYER COMMUN ET CORRIGE SPHERIQUEMENT DONT LE FRONT D'ONDE 14 DE CHAMP LOINTAIN EST CORRIGE SPHERIQUEMENT EST CARACTERISE EN CE QUE DES REGIONS DE FORME ANNULAIRE INDIVIDUELLES DE LA SECTION DU FAISCEAU SUBISSENT UN RETARD PAR RAPPORT A LEUR REGION RESPECTIVEMENT VOISINE EN DIRECTION DU CENTRE DU FAISCEAU, DE MANIERE A SENSIBLEMENT COMPENSER DES CHANGEMENTS BRUSQUES DE PHASE DANS LA REPARTITION DE L'INTENSITE SUR LE RAYON DE LA SECTION DU FAISCEAU. LE DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE SE CARACTERISE EN CE QU'UN MIROIR 15 EST DISPOSE SUR LE PARCOURS DE PROPAGATION DU FAISCEAU 11, DONT LA SURFACE REFLECHISSANTE 16 COMPREND DES REGIONS INDIVIDUELLES 16.1, 16.2 QUI MONTENT EN FORMANT DES GRADINS EN DIRECTION DE LA REGION CENTRALE 16.12.THE PROCESS FOR INCREASING THE FOCUS POWER DENSITY OF A LASER BEAM 11 COMING OUT OF AN UNSTABLE COMMON FIREPLACE RESONATOR AND SPHERICALLY CORRECTED WHOSE FAR FIELD WAVELFRONT 14 IS SPHERICALLY CORRECTED IS CHARACTERIZED AS SHAPED REGIONS INDIVIDUAL ANNULAR OF THE BEAM SECTION ARE DELAYED WITH RESPECT TO THEIR RESPECTIVELY NEIGHBORING REGION TOWARDS THE CENTER OF THE BEAM, SO AS TO SENSITIVELY COMPENSATE FOR SHIFT PHASE CHANGES IN THE DISTRIBUTION OF INTENSITY OVER THE RADIUS OF THE BEAM SECTION. THE DEVICE FOR IMPLEMENTING THIS PROCESS IS CHARACTERIZED IN THAT A MIRROR 15 IS ARRANGED ON THE PROPAGATION PATH OF BEAM 11, WHOSE REFLECTING SURFACE 16 INCLUDES INDIVIDUAL REGIONS 16.1, 16.2 WHICH RAISE BY TRAINING LEAD GRADINS FROM THE CENTRAL REGION 16.12.

Description

Procédé et dispositif pour augmenter la densité de puissance d'unMethod and device for increasing the power density of a

faisceau laser haute énergie et focalisé.  high energy and focused laser beam.

L'invention concerne un procédé pour augmenter la densité de puissance au foyer d'un faisceau laser sortant d'un résonateur instable à foyer commun, avec un front d'onde rectifié sphériquement, ainsi qu'un  The invention relates to a method for increasing the focal power density of a laser beam leaving an unstable resonator with a common focal point, with a spherically rectified wave front, as well as a

dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.  device for implementing this method.

On utilise dans la technologie des lasers à gaz haute énergie un résonateur dit instable pour pouvoir exploiter un volume de gaz excité aussi important que possible. La structure de la répartition de la l'intensité dans la section de forme annulaire que l'on constate dans  In high-energy gas laser technology, a so-called unstable resonator is used in order to be able to exploit as large a volume of excited gas as possible. The structure of the intensity distribution in the annular section that can be seen in

le champ proche du faisceau laser autour d'un centre exempt de rayon -  the near field of the laser beam around a ray-free center -

avec une géométrie annulaire déterminée par la géométrie du miroir de sortie du résonateur - conduit dans le champ lointain à une intensité pulsante sur le rayon de la section du faisceau. Le maximum de l'intensité, qui est plus faible que dans le cas de la focalisation d'un faisceau de section de forme gaussienne, est situé au centre de ce faisceau et oscille un certain nombre de fois, après chaque fois une chute rapide jusqu'à la valeur zéro, avec une amplitude qui diminue graduellement. Hais en dépit d'amplitudes plus faibles dans les premières surfaces annulaires entourant le centre, on constate dans l'ensemble, du fait que l'aire d'une surface annulaire augmente au carré par rapport au rayon, sensiblement la même puissance dans chacune d'elles que dans la section centrale à haute énergie du faisceau. On peut montrer que dans le front d'onde du champ lointain apparaît toujours un changement brusque de phase d'environ le quart de la longueur d'onde aux endroits o la répartition radiale de l'intensité dans la section du faisceau passe par la valeur zéro. Par la focalisation, les intensités du faisceau qui apportent en premier lieu une contribution au point focal ne sont cependant que celles qui présentent une répartition continue et gaussienne de changement de phase dans le front d'onde. Connaissant ces données, l'invention a pour but d'augmenter sensiblement l'intensité au foyer d'un faisceau laser haute énergie à  with an annular geometry determined by the geometry of the resonator output mirror - conducted in the far field at a pulsating intensity on the radius of the beam section. The maximum of the intensity, which is lower than in the case of the focusing of a beam of section of Gaussian form, is located in the center of this beam and oscillates a certain number of times, after each time a rapid fall until 'to the value zero, with an amplitude which decreases gradually. But in spite of lower amplitudes in the first annular surfaces surrounding the center, we observe on the whole, by the fact that the area of an annular surface increases squared with respect to the radius, substantially the same power in each d only in the high-energy central section of the beam. It can be shown that in the far field wavefront always appears an abrupt phase change of about a quarter of the wavelength at the places where the radial distribution of the intensity in the beam section passes through the value zero. By focusing, the beam intensities which make a contribution in the first place to the focal point are however only those which have a continuous and Gaussian distribution of phase change in the wave front. Knowing these data, the invention aims to significantly increase the intensity at the focus of a high energy laser beam at

mode instable pour un coût constructif aussi réduit que possible.  unstable mode for as low a constructive cost as possible.

Selon l'invention, ce but est atteint essentiellement, en ce qui concerne le procédé, en faisant en sorte que les régions individuelles de forme annulaire de la section du faisceau subissent un retard par rapport à leur région respectivement voisine en direction du centre du faisceau, de manière à compenser sensiblement des changements brusques de phase dans la répartition de l'intensité sur le rayon de la section  According to the invention, this object is achieved essentially, as far as the method is concerned, by ensuring that the individual annular regions of the beam section undergo a delay with respect to their respective neighboring region in the direction of the center of the beam. , so as to substantially compensate for sudden phase changes in the distribution of the intensity over the radius of the section

du faisceau.of the beam.

En ce qui concerne le dispositif, l'invention est caractérisée par le fait que l'on dispose sur le parcours de propagation du faisceau un miroir dont la surface réfléchissante comprend des régions individuelles montant en formant des gradins en direction de la région centrale. Grâce à cette solution, on fait disparaftre dans la section du faisceau de champ lointain les changements brusques de phase qui apparaissent aux positions zero de l'intensité en faisant en sorte que les sections de forme annulaire individuelles du faisceau subissent un retard étagé qui est sensiblement du quart de leur longueur d'onde; d'o il résulte dans la partie éloignée du faisceau ainsi corrigée et compensée une répartition de phase continue de type gaussien. Par la focalisation, les puissances partielles qui sont situées radialement au-delà du premier changement brusque de phase contribuent dès lors également à l'intégrale de l'intensité, et bien que ne présentant dans l'absolut qu'une relativement faible intensité apportent par intégration une importante contribution à l'intensité au foyer en raison de la géométrie de forme annulaire de ces régions individuelles  With regard to the device, the invention is characterized in that there is a mirror on the beam propagation path, the reflective surface of which comprises individual regions rising upwards, forming steps in the direction of the central region. With this solution, the abrupt phase changes which appear at zero intensity positions are made to disappear in the far field beam section, so that the individual annular sections of the beam undergo a stepped delay which is substantially a quarter of their wavelength; whence results in the distant part of the beam thus corrected and compensated for a continuous phase distribution of the Gaussian type. By focusing, the partial powers which are located radially beyond the first abrupt phase change therefore also contribute to the integral of the intensity, and although having in the absolute only a relatively weak intensity bring by integration an important contribution to the intensity of the focus due to the ring-shaped geometry of these individual regions

de la section du faisceau.of the beam section.

Avantageusement, le retard par zone permettant la compensation du changement brusque de phase est réalisé purement par réflexion, c'est-àdire par exemple au moyen de miroirs laser métalliques refroidissables. Ceux-ci comprennent une surface réfléchissante à zones étagées, ce qui fait que les régions individuelles de la section du faisceau incident sont réfléchies sur des parcours différents et de ce fait sont déphasées. La fabrication précise de la surface étagée du miroir est relativement non critique du fait que les hauteurs individuelles des plateaux sont de l'ordre de grandeur de quelques microns et sont de ce fait supérieures d'au moins une puissance de dix à la précision de la fabrication de surfaces de miroirs laser que l'on  Advantageously, the delay by zone allowing compensation for the sudden change of phase is carried out purely by reflection, that is to say for example by means of coolable metallic laser mirrors. These include a reflective surface with stepped areas, so that the individual regions of the incident beam section are reflected on different paths and therefore are out of phase. The precise fabrication of the stepped surface of the mirror is relatively non-critical since the individual heights of the plates are of the order of magnitude of a few microns and are therefore at least a power of ten greater than the accuracy of the manufacturing of laser mirror surfaces that we

atteint actuellement par exemple avec le procédé de corrosion.  currently achieved for example with the corrosion process.

En ce qui concerne l'invention, il ne s'agit donc pas de la déformation connue et variable dans le temps du front d'onde d'un faisceau au moyen de régions déformables de la surface d'un miroir dit MDA pour compenser des influences atmosphériques perturbatrices sur la propagation d'un faisceau déjà focalisé provenant d'une énergie  As regards the invention, it is therefore not a question of the known and time-varying deformation of the wavefront of a beam by means of deformable regions of the surface of a so-called MDA mirror to compensate for disturbing atmospheric influences on the propagation of an already focused beam coming from an energy

rayonnante momentanément réfléchie.  radiant momentarily reflected.

D'autres variantes et perfectionnements ainsi que d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront à la lecture  Other variants and improvements as well as other advantageous characteristics of the invention will appear on reading

de la description qui suit, avec référence au dessin qui représente  of the description which follows, with reference to the drawing which represents

d'une façon esquissée et fortement abstraite un mode de réalisation  in a sketchy and highly abstract manner an embodiment

d'un dispositif de l'invention destiné à la mise en oeuvre du procédé.  of a device of the invention intended for the implementation of the method.

Sur le dessin: la figure 1 est une représentation qualitative de la répartition typique de l'intensité d'un faisceau laser de mode instable, avec des changements brusques de phase aux positions zéro de l'intensité, par rapport au rayon de la section d'un faisceau dans le champ lointain corrigé sphériquement, et la figure 2 est une vue en coupe d'un miroir à surface de réflexion en gradins pour la compensation des changements brusques de  In the drawing: FIG. 1 is a qualitative representation of the typical distribution of the intensity of an unstable mode laser beam, with sudden phase changes at the zero positions of the intensity, relative to the radius of the section d 'a spherically corrected far field beam, and Figure 2 is a sectional view of a stepped reflection mirror for compensating for sudden changes in

phase existant dans un front d'onde selon la figure 1.  phase existing in a wavefront according to FIG. 1.

Il n'y a pas dans le champ lointain du faisceau 11 d'un laser à résonnateur instable à foyer commun une chute continue de l'intensité I du faisceau, après rectification sphérique du front d'onde 14, à partir du centre 12 du faisceau et vers l'extérieur (c'est-à-dire le long du rayon r de la section); mais une répartition de forme annulaire donnée de l'intensité à symétrie ponctuelle par rapport au centre 12 telle que l'intensité I tombe rapidement à partir d'une valeur relativement élevée, à la manière d'une courbe de répartition gaussienne, puis oscille ensuite encore plusieurs fois au-delà de la première valeur nulle de l'intensité sur le rayon r avec une amplitude allant graduellement en diminuant, ainsi que cela est montré par la ligne  In the far field of the beam 11 of an unstable resonator laser with a common focal point, there is no continuous fall in the intensity I of the beam, after spherical rectification of the wavefront 14, from the center 12 of the beam and outward (i.e. along the radius r of the section); but a given annular distribution of the intensity with point symmetry with respect to the center 12 such that the intensity I falls rapidly from a relatively high value, in the manner of a Gaussian distribution curve, then oscillates then several times beyond the first zero value of the intensity on the radius r with an amplitude gradually decreasing, as shown by the line

continue à la figure 1.continues to Figure 1.

Dans l'environnement du centre 12, la position de phase du champ électrique est d'abord approximativement constante, pour ensuite tomber rapidement le long du rayon r; au point de la section du faisceau o l'intensité I atteint la valeur zéro a lieu un changement brusque de phase qui est d'environ le quart de la longueur d'onde de la lumière, comme montré en tiretés sur le schéma qualitatif de la figure 1 sous forme d'une allure discontinue de la phase P le long du rayon r de la  In the environment of the center 12, the phase position of the electric field is first approximately constant, and then falls rapidly along the radius r; at the point of the beam section where the intensity I reaches the value zero takes place an abrupt phase change which is around a quarter of the wavelength of light, as shown in dashed lines on the qualitative diagram of the Figure 1 in the form of a discontinuous shape of phase P along the radius r of the

section du faisceau.beam section.

Il est avantageux d'obtenir sur la totalité de la section du faisceau une allure continue de la phase P (r) suivant la fonction gaussienne de répartition comme celle qui existe déjà dans la région annulaire centrale 13.12, de manière que les puissances du faisceau dans les régions annulaires 13.2, 13.1 contribuent également de façon  It is advantageous to obtain a continuous shape of the phase P (r) over the entire beam section according to the Gaussian distribution function like that which already exists in the central annular region 13.12, so that the powers of the beam in the annular regions 13.2, 13.1 also contribute so

optimale à l'intensité par focalisation du faisceau 11.  optimal intensity by focusing the beam 11.

Pour réaliser la correction de phase, les régions annulaires individuelles 13.2, 13.1 du champ lointain subissent un retard correspondant aux phases en avance de la région annulaire centrale 13.12, ce qui fait que dans le faisceau corrigé 11.6 s'établit un front d'onde plan 14.6 avec une distribution régulière des phases sur la section du faisceau. De ce fait, les intégrales des régions annulaires 13.2, 13.1 d'un faisceau focalisé contribuent à l'intensité au foyer, en plus de l'intégrale de l'intensité de la région annulaire centrale 13.12; cette intensité étant de ce fait de plusieurs ordres de grandeur plus élevés que dans le cas de la focalisation d'un faisceau 11 corrigé seulement sphériquement et sans correction des changements brusques de  To carry out the phase correction, the individual annular regions 13.2, 13.1 of the far field undergo a delay corresponding to the phases in advance of the central annular region 13.12, so that in the corrected beam 11.6 a plane wavefront is established 14.6 with a regular distribution of the phases on the beam section. As a result, the integrals of the annular regions 13.2, 13.1 of a focused beam contribute to the intensity at the focus, in addition to the integral of the intensity of the central annular region 13.12; this intensity being therefore several orders of magnitude higher than in the case of focusing a beam 11 corrected only spherically and without correction of sudden changes in

phase qu'il contient.phase it contains.

De préférence, la correction de phase est réalisée avantageusement purement par réflexion. Car dans ce cas on peut utiliser un miroir refroidi, ce qui permet d'éviter des pertes et des influences négatives sur la géométrie du faisceau dues à un échauffement thermique du moyen de correction optique. La géométrie des régions annulaires 13 situées entre les points d'intensité nulle, c'est-à-dire les endroits o ont lieu les changements brusques de phase, correspond pour une correction par réflexion de ce type à la subdivision de la surface 16 d'un miroir 15 en plans décalés axialement les uns par rapport aux autres; comprenant des gradins 17 le long des emplacements o l'intensité est nulle dans la section du faisceau, et qui décrivent des cercles autour du centre 15.12 du miroir pour un faisceau à symétrie axiale 11l et de section circulaire. Il est vrai que les gradins 17 ne sont pas réfléchissants; mais il n'y a pas de pertes thermiques à leur niveau du fait qu'ils sont situés aux endroits o l'intensité du faisceau est au  Preferably, the phase correction is advantageously carried out purely by reflection. Because in this case it is possible to use a cooled mirror, which makes it possible to avoid losses and negative influences on the geometry of the beam due to thermal heating of the optical correction means. The geometry of the annular regions 13 situated between the points of zero intensity, that is to say the places where the abrupt phase changes take place, corresponds for a correction by reflection of this type to the subdivision of the surface 16 d 'A mirror 15 in planes offset axially with respect to each other; comprising steps 17 along the locations where the intensity is zero in the beam section, and which describe circles around the center 15.12 of the mirror for a beam with axial symmetry 11l and circular section. It is true that the steps 17 are not reflective; but there is no heat loss at their level because they are located at the places where the intensity of the beam is at

moins approximativement nulle.less approximately zero.

L'angle d'incidence 18 du faisceau à corriger 11 doit être choisi dans la mesure du possible pour que les surfaces latérales des gradins 17 ne s'échauffent pas et de manière que les régions individuelles 13 de la surface à gradins 16 du miroir soient dans toute la mesure du possible parallèles les unes aux autres. Par rapport à la direction du faisceau incident 11, la surface centrale 16.12 du miroir est à l'avant des surfaces annulaires en gradin 16.2, 16.1. La région annulaire 13.1 du faisceau 11 qui est le plus à l'extérieur subit sur le miroir correcteur 15 le déphasage le plus important par rapport au centre 11.12 du faisceau - ce qui est nécessaire pour obtenir une répartition de phases aussi exempte que possible de changements brusques, c'est-à-dire continue le long du rayon r de la section du faisceau dans  The angle of incidence 18 of the beam to be corrected 11 should be chosen as far as possible so that the lateral surfaces of the steps 17 do not heat up and so that the individual regions 13 of the step surface 16 of the mirror are as far as possible parallel to each other. Relative to the direction of the incident beam 11, the central surface 16.12 of the mirror is in front of the annular stepped surfaces 16.2, 16.1. The annular region 13.1 of the beam 11 which is the outermost undergoes on the correcting mirror 15 the greatest phase shift relative to the center 11.12 of the beam - which is necessary to obtain a phase distribution as free of changes as possible abrupt, i.e. continuous along the radius r of the beam section in

le faisceau de sortie corrigé 11.6.  the corrected output beam 11.6.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter la densité de puissance au foyer d'un faisceau laser sortant d'un résonnateur instable à foyer commun présentant un front d'onde rectifié sphériquement, caractérisé en ce que des régions de forme annulaire individuelles de la section du faisceau subissent un retard par rapport à leur région respectivement voisine en direction du centre du faisceau, de manière à sensiblement compenser des changements brusques de phase dans la répartition de l'intensité sur le rayon de la  1. Method for increasing the power density at the focus of a laser beam leaving an unstable resonator with a common focus having a spherically rectified wavefront, characterized in that individual annular regions of the beam section undergo a delay with respect to their respective neighboring region in the direction of the center of the beam, so as to substantially compensate for abrupt phase changes in the distribution of the intensity over the radius of the section du faisceau.beam section. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le retard est obtenu par réflexion sur un miroir dans des régions de la surface du miroir qui sont décalées en direction de la propagation du faisceau.  2. Method according to claim 1, characterized in that the delay is obtained by reflection on a mirror in regions of the surface of the mirror which are offset in the direction of the propagation of the beam. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la réflexion est réalisée sur une surface de miroir à gradins, dont les gradins concordent avec les changements brusques de phase dans la3. Method according to claim 2, characterized in that the reflection is carried out on a stepped mirror surface, the steps of which agree with the abrupt phase changes in the surface en section du faisceau non corrigé.  uncorrected beam cross-sectional area. 4. Dispositif pour augmenter la densité de puissance au foyer d'un faisceau laser (11)sortant d'un résonnateur instable à foyer commun, présentant un front d'onde (14) corrigé sphériquement, en vue de la  4. Device for increasing the power density at the focus of a laser beam (11) leaving an unstable resonator with a common focus, having a spherically corrected wavefront (14), for the purpose of mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications  implementation of the method according to any one of the claims précédentes, caractérisé en ce qu'un miroir (15) est disposé sur le parcours de propagation du faisceau (11), dont la surface réfléchissante (16) comprend des régions individuelles (16.1, 16.2) qui montent en formant des gradins en direction de la région centrale  above, characterized in that a mirror (15) is arranged on the beam propagation path (11), the reflecting surface (16) of which comprises individual regions (16.1, 16.2) which rise in steps towards the central region (16.12).(16.12). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les gradins (17) situés entre les régions (16.1/16.2/16.12) de la surface du miroir sont disposees aux endroits o le faisceau incident (11) presente sur la surface (16) du miroir une intensite approximativement nulle.  5. Device according to claim 4, characterized in that the steps (17) located between the regions (16.1 / 16.2 / 16.12) of the surface of the mirror are arranged at the places where the incident beam (11) present on the surface (16 ) of the mirror an approximately zero intensity.