FR2717631A1 - Source laser accordable. - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une source laser accordable permettant de générer une onde optique par différence de deux fréquences dans un cristal non linéaire (7). Les moyens permettant au milieu amplificateur (1) d'émettre les ondes associées aux deux fréquences sont constitués d'au moins une cavité dans laquelle est placé le milieu amplificateur (1) et de deux miroirs actifs (10, 12) excités par les photons de fluorescence issus du milieu amplificateur (1) et émettant chacun l'une desdites ondes.

Description

SOURCE LASER ACCORDABLE
L'invention conceme les lasers et plus particulièrement les lasers permettant de générer une onde optique dans le domaine de l'infra-rouge.
De façon plus générale, I'invention conceme aussi la génération d'ondes optiques dans d'autres domaines de fréquences.
Différents dispositifs permettent de générer des ondes optiques dans le domaine de l'infra-rouge. Parmi ceuxi on peut citer ceux générant une onde optique par différence de fréquences dans un cristal non linéaire.
Un dispositif de ce type est représenté en figure 1. II comprend un sous-ensemble permettant de générer les ondes associées aux deux fréquences et un cristal non linéaire 7 permettant d'opérer la différence des deux fréquences associées auxdites ondes.
Comme cela apparaîtra ultérieurement, un tel dispositif contient aussi des polariseurs permettant que les deux ondes soient en quadrature avant de pénétrer dans le cristal non-linéaire. Ces polariseurs n'ont pas été représentés sur la figure 1 afin de ne pas surcharger le dessin.
La cavité définie par le miroir de sortie 3 et le miroir diffractant 4 est accordée sur un premier ensemble FI de fréquences. De même, la cavité définie par le miroir de sortie 3 et le miroir diffractant 5 est accordée sur un deuxième ensemble F2 de fréquences. Un miroir dichrolque 6, placé entre les miroirs 3 et 4, est complètement transparent à la fréquence établie entre les miroirs 3 et 4 et complètement réfléchissant à la fréquence établie entre les miroirs 3 et 5.
Une source de pompage 2 excite le milieu amplificateur 1.
Comme cela est connu de l'homme de l'art, le gain du milieu amplificateur ainsi que les pertes dans les cavités mentionnées ci-dessus sont variables en fonction de la fréquence. II s'en suit que les fréquences fi et f2 qui s'établissent respectivement dans les première et deuxième cavités mentionnées cidessus sont celles pour lesquelles le gain du milieu amplificateur et les pertes dans les cavités sont correctement ajustées.
En régime impulsionnel de faible durée, par exemple de l'ordre de 10 à 50 ns, un tel dispositif présente l'inconvénient de ne pas permettre un recouvrement spatial et temporel des ondes émises aux fréquences fi et 92.
II n'est en effet pas possible que la dynamique du gain du milieu amplificateur d'une part et que les pertes dans les cavités d'autre part soient identiques aux fréquences fi et f2.
L'utilisation de miroirs à réseaux diffractants présente aussi des inconvénients. Le réglage des fréquences s'effectue par rotation des miroirs.
Ce type de réglage est très délicat.
L'invention ne présente pas ces inconvénients.
L'invention a pour objet une source laser permettant de générer une onde optique par différence de deux fréquences dans un cristal nonlinéaire, ladite source comprenant un milieu amplificateur excité par une source de pompage, des moyens permettant au milieu amplificateur d'émettre les ondes associées aux deux fréquences et des polariseurs destinés à ce que lesdites ondes soient en quadrature, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués d'au moins une cavité dans laquelle est placé le milieu amplificateur et de deux miroirs actifs excités par les photons de fluorescence issus du milieu amplificateur et émettant chacun l'une desdites ondes.
Un avantage de l'invention est donc de permettre un recouvrement spatial et temporel des ondes dont l'opération de différence des fréquences génère l'onde infra-rouge.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait avec référence aux figures ci-annexées dans lesquelles:
- la figure 1 représente un dispositif permettant de générer une onde optique par différence de fréquences selon l'art antérieur;
- la figure 2 représente le schéma de principe d'un dispositif permettant de générer une onde optique par différence de fréquences selon l'invention;
- la figure 3 représente le schéma d'un dispositif permettant de générer une onde optique par différence de fréquences selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention.
La figure 1 a été décrite précédemment. II est donc inutile d'y revenir.
La figure 2 représente le schéma de principe d'un dispositif permettant de générer une onde optique par différence de fréquences selon l'invention.
Afin d'assurer la couverture spectrale de la bande infra-rouge, le milieu amplificateur 1 est une source à spectre de fluorescence étendu telle qu'un laser saphir dopé titane (Ti : A1203), un laser à base de forstérite (Cr:
Mg2SiO4), ou tout ion actif présentant naturellement une large émission spectrale. De façon préférentielle, le milieu amplificateur 1 est un laser saphir dopé titane (Ti : Al203). La source de pompage 2, par exemple du type Nd : YAG doublé en fréquence à 0,532 pm ou 0,473 Clam, excite les ions
Ti3+ du milieu amplificateur.
Le milieu amplificateur I est placé dans la cavité définie par les miroirs 8 et 3.
Cette cavité est accordée sur un ensemble F de fréquences.
Une première lame 9 partiellement réfléchissante renvoie une faible proportion de l'onde établie dans la cavité définie par les miroirs 8 et 3 sur un premier miroir actif 10 à travers un premier polariseur 13.
De même, une deuxième lame Il partiellement réfléchissante renvoie une faible proportion de l'onde établie dans la cavité définie par les miroirs 8 et 3 sur un deuxième miroir actif 12 à travers un deuxième polariseur 14. Par faible proportion, il faut entendre une fraction de l'onde établie entre les miroirs 8 et 3 de l'ordre de quelques pour cent.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les miroirs actifs 10 et 12 sont des miroirs de Bragg désignés aussi sous le terme de réflecteurs de Bragg tels que ceux décrits dans la demande de brevet déposée en
France, au nom de la Demanderesse, le 2 Mai 1990 sous le Ne d'enregistrement 90 05539. Selon d'autres modes de réalisation, les miroirs actifs 10 et 12 sont des micro-cavités laser de type diode laser à cavité verticale, ou encore des miroirs constitués d'une partie active et d'un miroir exteme comme cela sera précisé ultérieurement.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, chaque miroir actif est un miroir de Bragg constitué par un empilement répété de couches altemées d'indices optiques différents et d'épaisseurs choisies pour assurer à la fréquence désirée un pic de réflectivité perpendiculairement au miroir.
L'une au moins des couches de l'alternance est une couche semiconductrice présentant une énergie de transition radiative (en pratique ce sera le plus souvent l'énergie de bande interdite) correspondant sensiblement à la longueur d'onde d'émission laser désirée, et une énergie de bande interdite inférieure ou égale à l'énergie des photons de fluorescence de sorte que ladite couche absorbe une partie des photons de fluorescence émis par le milieu amplificateur.
Cette structure de laser revient essentiellement à dire que l'un des miroirs est en quelque sorte constitué comme un très petit laser à semiconducteur dont la cavité est constituée par l'empilement des couches du réflecteur de Bragg. Cette minidiode laser (cavité de très faible longueur) est excitée par les photons de fluorescence issus du milieu amplificateur, luimême excité par la source de pompage. Elle émet à une fréquence caractéristique d'une transition d'énergie radiative du semiconducteur utilisé, et cette fréquence se situe justement à la fois dans le pic de réflectivité du miroir et dans une zone de résonance de la mini cavité constituée par l'empilement de couches.
Comme chaque réflecteur de Bragg constitue une cavité laser de très faible épaisseur, cette cavité ne peut résonner que sur un mode unique.
Le miroir actif est donc une source cohérente monofréquence. Ainsi le miroir actif 10 est-il accordé sur une première fréquence fi et le miroir actif 12 sur une deuxième fréquence 2. II y a donc émission stimulée de lumière cohérente par chacun des miroirs 10 et 12, dans une direction perpendiculaire aux miroirs.
Ainsi, via la lame 9, la lumière cohérente issue du miroir actif 10 se trouve-t-elle injectée dans le milieu amplificateur i, lequel émet à son tour une émission stimulée à la même fréquence fi que celle émise par le miroir actif 10.
De meme, via la lame il, la lumière cohérente issue du miroir actif 12 se trouvet-elle injectée dans le milieu amplificateur 1 qui émet alors une émission stimulée à la meme fréquence f2 que celle émise par le miroir actif 12.
De façon générale, le réflecteur de Bragg est un empilement de couches alternées d'indices optiques nl et n2, d'épaisseurs respectives ei et e2. L'alternance ni, ei puis n2, e2 se répète de multiples fois (par exemple quelques dizaines de fois) pour permettre l'obtention d'un pic de réflectivité dont le sommet représente un coefficient de réflexion d'au moins 90 à 95 %.
Comme cela a été mentionné précédemment, selon l'invention,
I'une au moins des couches de l'alternance est une couche semiconductrice.
De façon préférentielle, les deux couches d'indices optiques ni et n2 sont semiconductrices afin de faciliter la réalisation du réflecteur de Bragg.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention chaque miroir actif est constitué d'une partie active, composée d'un miroir de Bragg et d'une couche active, et d'un miroir exteme. La couche active est constituée par une structure à multi-puits quantiques. Le miroir exteme peut être déplacé par des moyens mécaniques ou piézoélectriques afin d'affiner spectralement la raie d'émission.
Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention chaque miroir actif est constitué d'une microwavité laser de type diode laser à cavité verticale. Cette micro-cavité est alors constituée de deux empilements de matériaux semiconducteurs du type miroir de Bragg, tels que ceux décrits cidessus, entre lesquels est insérée une couche active constituée par une structure à multi-puits quantiques.
L'invention conceme non seulement les dispositifs travaillant à fréquence fixe, mais aussi les dispositifs accordables en fréquence.
Dans le cas où les miroirs actifs sont des miroirs de Bragg, les épaisseurs de couches etlou la composition des matériaux varient le long de la surface des miroirs. L'accord spectral de l'émission issue du miroir actif est alors obtenu par déplacement mécanique du miroir de Bragg de façon à amener sur le trajet optique du milieu amplificateur la portion de miroir dont l'épaisseur etlou la composition correspond à la fréquence désirée.
Dans le cas où les miroirs actifs sont des micro-cavités laser de type diode laser, I'épaisseur eVou la composition de la couche active varie le long de la surface des miroirs. L'accord spectral de l'émission issue du miroir actif est alors obtenu par déplacement mécanique du miroir actif de façon à amener sur le trajet optique du milieu amplificateur la portion de miroir dont l'épaisseur etlou la composition de la couche active correspond à la fréquence désirée. II en est de même dans le cas où les miroirs actifs sont constitués d'une partie active, composée d'un miroir de Bragg et d'une couche active, et d'un miroir exteme. La couche active varie en épaisseur etlou en composition le long de la surface des miroirs et l'accord spectral s'obtient par déplacement du miroir.
Un avantage de l'invention est d'éviter l'utilisation d'un miroir dichroïque parfaitement transparent à l'une des deux fréquences, par exemple fl, et parfaitement réfléchissant à l'autre fréquence, par exemple f2.
En effet, dans les conditions de l'infra-rouge, les deux fréquences fi et f2 doivent être proches et de tels miroirs sont difficiles à réaliser.
Comme cela est connu de l'homme de l'art, I'opération de différence de fréquences nécessite que lesdites fréquences soient en quadrature avant de pénétrer dans le cristal non-linéaire. Les polariseurs 13 et 14 sont utilisés à cette fin.
La figure 3 représente le schéma d'un dispositif permettant de générer une onde optique par différence de fréquences selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention.
Une première cavité est constituée du miroir 8, des prismes à séparation de polarisation 18 et 19 travaillant en transmission et du miroir de sortie 3.
Les prismes à séparation de polarisation 18 et 19 étant situés entre le miroir 8 et le miroir de sortie 3, le trajet optique d'une onde établie dans cette cavité consiste à traverser lesdits prismes sans être déviés.
Une lame 16 partiellement réfléchissante, située entre les prismes 18 et 19, renvoie une faible proportion de l'onde établie dans la cavité sur un premier miroir actif 10. De même que précédemment, par faible proportion il faut entendre une fraction de l'ordre de quelques pour cent de l'onde établie dans la cavité. L'onde réfléchie par le miroir actif 10 est alors ré-introduite dans la cavité.
Une deuxième cavité est constituée du miroir 8, des prismes 18 et 19 travaillant en réflexion, d'un miroir parfaitement réfléchissant 17 et du miroir de sortie 3. Le trajet optique d'une onde établie dans cette cavité et issue du milieu amplificateur i consiste à subir une première réflexion sur le premier prisme 18, puis une deuxième réflexion sur le miroir 17, puis une troisième réflexion sur le deuxième prisme 19.
Une lame 15 partiellement réfléchissante, située sur le trajet optique reliant le prisme 18 et le miroir 17, permet à une faible proportion de l'onde se propageant du prisme 18 vers le miroir 17 1'entre envoyée sur un deuxième miroir actif 12. L'onde réfléchie par le miroir actif 12 est alors ré- introduite dans la cavité.
De même que précédemment les miroirs actifs 10 et 12 sont des miroirs de Bragg, des micro-cavités laser de type diode laser ou encore des miroirs constitués d'une partie active et d'un miroir exteme. Le miroir actif 10 est accordé sur une première fréquence fi et le miroir actif 12 est accordé sur une deuxième fréquence f2.
II s'en suit que la fréquence établie dans la cavité constituée du miroir 8, des prismes 18 et 19 travaillant en transmission et du miroir de sortie 3 est alors la fréquence fi. De même, la fréquence établie dans la cavité constituée du miroir 8, des prismes 18 et 19 travaillant en réflexion, du miroir entièrement réfléchissant 17 et du miroir de sortie 3 est alors la fréquence f2. De même que les polariseurs 13 et 14 mentionnés précédemment, les prismes 18 et 19 ont pour fonction de mettre les ondes de fréquences fi et f2 en quadrature.
Un tel montage offre l'avantage de pouvoir réaliser avec précision l'accord temporel des deux fréquences par l'ajustement de la différence des chemins optiques existant entre les états de polarisation.
L'invention concerne également les miroirs actifs dont les propriétés d'émission polarisée sont décrites dans l'article "Polarisation control for surface emitting lasers" publié dans Electronic Letters 27(12) du 6 juin 1991 en page 1067.
Selon l'invention, L'émission du laser accordable est contrôlée par l'injection optique issue des miroirs actifs. Les faisceaux d'injection issus des miroirs actifs viennent piloter le comportement dynamique du laser solide.
Les miroirs actifs peuvent être pompés en continu à l'aide d'un laser annexe par exemple Nd : VAG doublé. L'ajustement spectral de l'émission des miroirs actifs permet avantageusement de réaliser une injection symétrique par rapport au maximum de la distribution spectrale de la courbe de gain, ce qui permet d'obtenir un seuil identique au niveau du laser solide pour ces deux longueurs d'ondes de commande.
Cette architecture de source accordable émettant, de façon préférentielle, dans le proche infra-rouge peut être étendue à toute source solide accordable dans la mesure où il est possible de développer des structures et des matériaux semiconducteurs adaptés. Par exemple, I'emploi des techniques d'épitaxie sur des substrats avec désadaptation de maille et l'ajustement de la composition des matériaux semiconducteurs
InGaAs/AIGaAs contraints rendent possible la réalisation de miroirs actifs pouvant couvrir le domaine spectral de fluorescence allant de 0,9 à 1,1 clam.
II est également possible d'employer un contrôle de l'émission optique provenant des miroirs actifs à partir d'une commande par voie électrique telle que celle décrite dans l'article "Continuous wavelength tuning of two-electrode vertical cavity surface emitting lasers" publié dans la revue
Electronic Letters 27 (i i) du 23 mai 1991 en page 1002.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    i. Source laser permettant de générer une onde optique par différence de deux fréquences (fi, f2) dans un cristal non linéaire (7), ladite source comprenant un milieu amplificateur (1) excité par une source de pompage (2), des moyens permettant audit milieu amplificateur (1) d'émettre les ondes associées aux deux fréquences (fi, n) et des polariseurs (13, 14) destinés à ce que lesdites ondes soient en quadrature, caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués d'au moins une cavité dans laquelle est placé le milieu amplificateur (1) et de deux miroirs actifs (10,12) excités par les photons de fluorescence issus du milieu amplificateur (1) et émettant chacun l'une desdites ondes.
  2. 2. Source laser selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une seule cavité pourvue de deux miroirs (8, 3), d'une première lame séparatrice (9) partiellement réfléchissante destinée à envoyer vers un premier miroir actif (10) une première fraction des photons de fluorescence émis par le milieu amplificateur (1) et à renvoyer vers ledit milieu les photons émis par ledit premier miroir actif (10), et d'une seconde lame séparatrice (i i) partiellement réfléchissante destinée à envoyer vers le second miroir actif (12) une seconde fraction des photons de fluorescence émis par le milieu amplificateur (i) et à renvoyer vers ledit milieu les photons émis par ledit second miroir actif (12).
  3. 3. Source laser selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle comprend un premier polariseur (13) situé sur le trajet optique reliant ladite première lame séparatrice (9) audit premier miroir actif (10) et un second polariseur (14) situé sur le trajet optique reliant ladite seconde lame séparatrice (9) audit second miroir actif (12).
  4. 4. Source laser selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux cavités, une première cavité étant pourvue de deux miroirs (8, 3), d'un premier polariseur (18) fonctionnant en transmission, d'une lame séparatrice (16) partiellement réfléchissante destinée d'une part à envoyer vers le premier miroir actif (10) une première fraction des photons de fluorescence émis pas ledit milieu amplificateur (1) et transmis par ledit premier polariseur (18) et d'autre part à renvoyer vers ledit milieu les photons émis par ledit premier miroir actif (10), et d'un second polariseur (19) fonctionnant en transmission et recevant les photons ayant traversé ladite lame séparatrice, la deuxième cavité étant composée desdits deux miroirs (8, 3), dudit premier polariseur (18), d'une lame séparatrice (15) partiellement réfléchissante, d'un miroir parfaitement réfléchissant (17) et dudit deuxième polariseur (19), de façon que ledit premier polariseur (18) fonctionnant en réflexion renvoie une partie des photons de fluorescence issus du milieu amplificateur vers ladite lame séparatrice (15) partiellement réfléchissante, laquelle permet d'une part de réfléchir une première partie des photons qu'elle reçoit vers le second miroir actif (12) et de renvoyer vers ledit milieu les photons émis par ledit second miroir actif et d'autre part de transmettre la seconde partie desdits photons qu'elle reçoit vers ledit miroir parfaitement réfléchissant (17), lequel permet alors de renvoyer lesdits photons vers ledit deuxième polariseur fonctionnant en réflexion (19).
  5. 5. Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits miroirs actifs (10, 12) sont des micro-cavités laser à cavité verticale constituées de deux empilements de matériaux semiconducteurs du type réflecteur da Bragg entre lesquels est insérée une couche active constituée par une structure à multi-puits quantiques.
  6. 6. Source laser selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisée en ce que lesdits miroirs actifs (10, 12) sont constitués d'une partie active, composée d'un réflecteur de Bragg et d'une couche active constituée par une structure à multipuits quantiques, et d'un miroir exteme dont le déplacement permet d'affiner spectralement la raie d'émission.
  7. 7. Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits miroirs actifs (10, 12) sont des réflecteurs de
    Bragg.
  8. 8. Source laser selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que l'épaisseur et/ou la composition de la couche active varie le long de la surface d'un miroir de façon à permettre l'accord spectral de la source par déplacement dudit miroir.
  9. 9. Source laser selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque réflecteur de Bragg est un empilement de couches altemées d'indices optiques différents (ni, n2) et d'épaisseurs (ei, e2) choisies pour assurer un pic de réflectivité perpendiculairement au miroir.
  10. 10. Source laser selon la revendication 9, caractérisée en ce que au moins une des couches de l'empilement est une couche semiconductrice.
  11. 11. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu amplificateur (1) est un laser saphir dopé titane (Ti = Al2O3).
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