FR2826192A1 - Frequency stabilized solid state laser includes window of transparent and thermally conductive material to cool optically pumped material - Google Patents
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Abstract
Description
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LASER SOLIDE A CAVITE PLAN/PLAN ET SOURCE LASER
STABILISEE EN FREQUENCE METTANT EN CEUVRE LEDIT LASER
SOLIDE La présente invention concerne une nouvelle structure de laser solide. SOLID LASER WITH CAVITY PLAN / PLAN AND LASER SOURCE
FREQUENCY STABILIZED IMPLEMENTING SAID LASER
The present invention relates to a new solid laser structure.
Le laser solide de l'invention trouve notamment, mais non exclusivement, son application à la réalisation d'une source laser stabilisée en fréquence, et utilisable en particulier comme étalon dans le domaine des télécommunications. The solid laser of the invention finds in particular, but not exclusively, its application to the production of a laser source stabilized in frequency, and usable in particular as a standard in the field of telecommunications.
Dans le présent texte, on désigne par laser solide, tout laser destiné à être pompé optiquement et comportant une cavité de pompage à l'intérieur de laquelle est positionnée un élément en matériau actif, cristallin ou amorphe, dopé, et permettant l'émission d'un rayonnement laser, lorsqu'il est soumis à un faisceau de pompe. La cavité de pompe est délimitée par deux miroirs : un premier miroir désigné dans la suite du présent texte miroir d'entrée (et encore communément appelé miroir de pompe), à travers lequel s'effectue le pompage de l'élément en matériau actif ; un second miroir désigné dans la suite du présent texte miroir de sortie , et qui permet la transmission du faisceau laser produit dans la cavité par l'élément en matériau actif. Pour de plus amples explications sur la structure et le fonctionnement des lasers solides connus à ce jour, on peut notamment se référer au chapitre 7.3. 1 intitulé solid state lasers du livre intitulé Lasers Theory and Practise , par les auteurs John
Hawkes et lan Latimer, et édité par Prentice Hall International Ltd. In the present text, the term “solid laser” designates any laser intended to be optically pumped and comprising a pumping cavity inside which is positioned an element made of active material, crystalline or amorphous, doped, and allowing the emission of 'laser radiation, when subjected to a pump beam. The pump cavity is delimited by two mirrors: a first mirror designated in the remainder of this text input mirror (and also commonly called pump mirror), through which the element made of active material is pumped; a second mirror designated in the remainder of this text as output mirror, and which allows the transmission of the laser beam produced in the cavity by the element made of active material. For further explanations on the structure and operation of solid lasers known to date, one can in particular refer to chapter 7.3. 1 titled solid state lasers from the book titled Lasers Theory and Practice, by the authors John
Hawkes and Lan Latimer, and edited by Prentice Hall International Ltd.
La présente invention a pour objectif principal de proposer un nouveau laser solide qui permet l'émission d'un rayonnement en régime monomode transverse et monomode longitudinal, avec une très bonne qualité transverse, et qui présente un faible encombrement. The main objective of the present invention is to provide a new solid laser which allows the emission of radiation in transverse single mode and longitudinal single mode mode, with very good transverse quality, and which has a small footprint.
Le laser solide de l'invention est connu dans l'art antérieur en ce qu'il comporte une cavité qui est délimitée par un miroir d'entrée et The solid laser of the invention is known in the prior art in that it comprises a cavity which is delimited by an input mirror and
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un miroir de sortie, et à l'intérieur de laquelle est positionné un élément en matériau actif destiné à être pompé optiquement. an outlet mirror, and inside which is positioned an element made of active material intended to be pumped optically.
De manière caractéristique selon l'invention, le miroir d'entrée est déposé sur l'une des faces de l'élément en matériau actif et forme avec le miroir de sortie une cavité plan/plan ; le laser solide comprend des moyens de refroidissement de l'ensemble miroir d'entrée/élément en matériau actif, lesquels moyens de refroidissement permettent de rendre stable la cavité plan/plan. Typically according to the invention, the input mirror is deposited on one of the faces of the element made of active material and forms with the output mirror a plane / plane cavity; the solid laser comprises means for cooling the input mirror / active material element assembly, which cooling means make it possible to make the plane / plane cavity stable.
Selon l'invention, le miroir d'entrée étant déposé directement sur l'élément en matériau actif, on réduit avantageusement la taille du laser solide. Egalement, la mise en oeuvre d'une cavité plan/plan (miroir d'entrée plan et miroir de sortie plan) permet d'améliorer la qualité transverse du rayonnement en sortie du laser solide, comparativement à une cavité de type hémisphérique généralement mise en oeuvre dans ce type de laser. Enfin, il convient de souligner qu'en fonctionnement du laser, le pompage de l'élément en matériau actif se traduit par une forte création de chaleur dans ledit élément, ce qui, en l'absence de tout moyen de refroidissement, se traduit notamment par une déformation et une dilatation de l'ensemble miroir d'entrée/élément en matériau actif, qui devient assimilable à une lentille (effet de lentille thermique). Sachant que dans le laser solide de l'invention, le miroir de sortie est plan, il n'est pas envisageable, en l'absence de tout moyen de refroidissement, de concevoir un laser dont la cavité plan/plan est stable et de faible dimension. Dans le laser solide de l'invention, les moyens de refroidissement de l'ensemble miroir d'entrée/élément en matériau actif ont ainsi pour fonction principale de rendre stable la cavité plan/plan du laser. According to the invention, the input mirror being deposited directly on the element made of active material, the size of the solid laser is advantageously reduced. Also, the use of a plane / plane cavity (plane input mirror and plane output mirror) makes it possible to improve the transverse quality of the radiation at the output of the solid laser, compared to a hemispherical type cavity generally used. works in this type of laser. Finally, it should be emphasized that in operation of the laser, the pumping of the active material element results in a strong creation of heat in said element, which, in the absence of any cooling means, results in particular by deformation and expansion of the input mirror / active material element assembly, which becomes comparable to a lens (thermal lens effect). Knowing that in the solid laser of the invention, the output mirror is plane, it is not possible, in the absence of any cooling means, to design a laser whose plane / plane cavity is stable and weak dimension. In the solid laser of the invention, the cooling means of the input mirror / active material element assembly thus have the main function of making the plane / plane cavity of the laser stable.
L'invention a également pour objet une source laser stabilisée en fréquence. Cette source laser comprend un laser solide qui est conforme à l'invention et qui comporte en outre des moyens de The invention also relates to a frequency stabilized laser source. This laser source comprises a solid laser which conforms to the invention and which also comprises means for
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réglage de la longueur (L) de sa cavité ; la source comprend également des moyens d'asservissement (9) de la fréquence d'émission (f1) du laser solide qui commandent lesdits moyens de réglage. adjustment of the length (L) of its cavity; the source also comprises means for controlling (9) the emission frequency (f1) of the solid laser which controls said adjustment means.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après de deux variantes de réalisation de l'invention, laquelle description est donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une première variante de réalisation d'une source laser de l'invention, - la figure 2 est une présentation schématique d'une seconde variante de réalisation d'une source laser de l'invention, - la figure 3 représente les niveaux d'énergie des deux isotopes (85) et (87) du Rubidium (Rb), - la figure 4 représente schématiquement une courbe théorique de l'intensité du faisceau ayant traversé la cellule d'absorption après un unique passage (absorption simple), dans l'hypothèse purement théorique où il n'y aurait pas d'élargissement du pic d'absorption par effet Doppler. Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the description below of two alternative embodiments of the invention, which description is given by way of non-limiting example, and with reference to the accompanying drawings. in which: - Figure 1 is a schematic representation of a first alternative embodiment of a laser source of the invention, - Figure 2 is a schematic presentation of a second alternative embodiment of a laser source of the invention, - figure 3 represents the energy levels of the two isotopes (85) and (87) of Rubidium (Rb), - figure 4 schematically represents a theoretical curve of the intensity of the beam having crossed the cell absorption after a single pass (simple absorption), on the purely theoretical assumption where there would be no widening of the absorption peak by Doppler effect.
- la figure 5 représente schématiquement la courbe réelle de l'intensité du faisceau ayant traversé la cellule d'absorption après un unique passage (absorption simple), avec élargissement du pic d'absorption par effet Doppler, - la figure 6 représente schématiquement la courbe réelle de l'intensité du faisceau traversant la cellule d'absorption, après deux passages successifs et avec saturation de la transition atomique utilisée pour l'asservissement. - Figure 5 schematically represents the actual curve of the intensity of the beam having crossed the absorption cell after a single pass (single absorption), with widening of the absorption peak by Doppler effect, - Figure 6 schematically represents the curve real intensity of the beam crossing the absorption cell, after two successive passages and with saturation of the atomic transition used for the servo-control.
En référence à la figure 1, et conformément à une première variante de réalisation de l'invention, la source laser comprend : un ensemble 1 qui est formée par un laser solide miniature 10 polarisé, pompé optiquement par une diode de pompe 11 via une With reference to FIG. 1, and in accordance with a first alternative embodiment of the invention, the laser source comprises: an assembly 1 which is formed by a polarized miniature solid laser 10, optically pumped by a pump diode 11 via a
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fibre optique courte 12, et qui délivre en sortie un premier faisceau laser 2 de fréquence (f1) ; un générateur 3 de N@ème harmonique, qui permet de générer, à partir dudit premier faisceau laser 2, un faisceau lumineux 4 composé d'un second faisceau laser 4a de même fréquence (f1) et d'un faisceau lumineux 4b, dit N"eme harmonique, dont la fréquence (f2) est égale à (N) fois la fréquence (f1) du faisceau laser 2 (N étant un entier supérieur ou égal à 2) ; une cellule d'absorption 7 contenant un élément chimique d'absorption, qui dans l'exemple particulier décrit ci-après est un gaz (ou une vapeur) de Rubidium (Rb) ; - un miroir dichroïque 5 (ou tout autre moyen optique équivalent connu remplissant la même fonction) qui d'une manière générale a pour fonction de séparer les faisceaux précités 4a et 4b, en laissant passer le second faisceau laser 4a de fréquence (f1) pour former le faisceau laser de sortie, et en déviant le faisceau lumineux 4b (N'e harmonique) pour le diriger vers la cellule d'absorption 7 en sorte de le faire passer à travers l'élément chimique d'absorption de cette cellule 7 ; des moyens 6 de polarisation du faisceau laser, interposés entre la cellule d'absorption 7 et le miroir dichroïque 5 ; une lentille de focalisation (D interposée entre le miroir dichroïque
5 et les moyens de polarisation 6 ; cette lentille (D permet de réduire la taille du faisceau 4b et par là-même d'augmenter sa densité de puissance ; l'utilisation de cette lentille n'est pas nécessaire lorsque le faisceau 4b présente une puissance suffisante ; - un miroir 8 (ou tout autre moyen optique réflectif équivalent remplissant la même fonction) qui a pour fonction de retourner (déflection à 180 ) le faisceau lumineux 4"b issu de la cellule d'absorption 7 en direction de ladite cellule d'absorption, en sorte short optical fiber 12, and which outputs a first laser beam 2 of frequency (f1); a generator 3 of N @ th harmonic, which makes it possible to generate, from said first laser beam 2, a light beam 4 composed of a second laser beam 4a of the same frequency (f1) and of a light beam 4b, called N "th harmonic, whose frequency (f2) is equal to (N) times the frequency (f1) of the laser beam 2 (N being an integer greater than or equal to 2); an absorption cell 7 containing a chemical element of absorption, which in the particular example described below is a gas (or a vapor) of Rubidium (Rb); - a dichroic mirror 5 (or any other known equivalent optical means fulfilling the same function) which generally has the function of separating the aforementioned beams 4a and 4b, by allowing the second laser beam 4a of frequency (f1) to pass through to form the output laser beam, and by deflecting the light beam 4b (N'e harmonic) to direct it towards the absorption cell 7 so to pass it through the el ment chemical absorption of that cell 7; means 6 for polarizing the laser beam, interposed between the absorption cell 7 and the dichroic mirror 5; a focusing lens (D interposed between the dichroic mirror
5 and the polarization means 6; this lens (D makes it possible to reduce the size of the beam 4b and thereby increase its power density; the use of this lens is not necessary when the beam 4b has sufficient power; - a mirror 8 ( or any other equivalent reflective optical means fulfilling the same function) which has the function of returning (deflection to 180) the light beam 4 "b coming from the absorption cell 7 in the direction of said absorption cell, so
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de lui faire traverser la cellule d'absorption, une seconde fois et selon le même chemin optique, ce qui permet un fonctionnement en absorption saturée ; - et des moyens d'asservissement 9 qui sont conçus pour asservir de manière précise la fréquence (f1) du premier faisceau 2 sur une transition de l'élément chimique d'absorption (Rubidium). to make it pass through the absorption cell, a second time and along the same optical path, which allows operation in saturated absorption; - And control means 9 which are designed to control precisely the frequency (f1) of the first beam 2 on a transition of the chemical absorption element (Rubidium).
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le laser solide 10 et le générateur 3 sont conçus de telle sorte que la puissance de la Nie, e harmonique en sortie du générateur 3 est suffisante pour obtenir une saturation de ladite transition de l'élément chimique d'absorption, c'est-à-dire une saturation de l'absorption du Rubidium dans le cas de l'exemple particulier qui va à présent être détaillé. According to an essential characteristic of the invention, the solid laser 10 and the generator 3 are designed such that the power of the harmonic output at the output of the generator 3 is sufficient to obtain saturation of said transition of the chemical element absorption, that is to say a saturation of the absorption of Rubidium in the case of the particular example which will now be detailed.
Ensemble 1 : Laser solide 10/fibre optique 11/diode de pompe 12
Le laser solide 10 comprend un élément en matériau actif 101 destiné à être pompé optiquement, et se présentant plus particulièrement sous la forme d'un barreau de verre de très faible épaisseur (lmm environ/dimension selon la longueur de la cavité), qui est co-dopé en Ytterbium et Erbium. L'ion Erbium inséré dans une matrice vitreuse permet, par pompage optique à une longueur d'onde de pompe (À) de l'ordre de 975nm, une émission laser par le barreau de verre 101 à une longueur d'onde () comprise dans la bande spectrale 1, 5jj. m et 1, 6m. Set 1: Solid laser 10 / optical fiber 11 / pump diode 12
The solid laser 10 comprises an element made of active material 101 intended to be optically pumped, and more particularly in the form of a glass rod of very small thickness (approximately 1 mm / dimension depending on the length of the cavity), which is co-doped with Ytterbium and Erbium. The Erbium ion inserted in a vitreous matrix allows, by optical pumping at a pump wavelength (λ) of the order of 975nm, a laser emission by the glass rod 101 at a wavelength () included in the spectral band 1, 5dd. m and 1.6m.
L'invention n'est toutefois pas limitée à l'utilisation d'un barreau de verre co-dopé Ytterbium et Erbium, le laser solide pouvant d'une manière plus générale être réalisé à partir d'un élément en matériau actif dopé. Il pourrait notamment s'agir d'un cristal (au lieu d'une matrice vitreuse), pouvant plus particulièrement être semi- conducteur. The invention is not however limited to the use of a Ytterbium and Erbium co-doped glass rod, the solid laser being more generally able to be produced from an element made of doped active material. It could in particular be a crystal (instead of a vitreous matrix), which can more particularly be semiconductor.
Le barreau 101 est positionné dans une cavité laser 102 formant un interféromètre de Fabry-Perrot. Ce barreau 101 comporte deux faces planes opposées 101a et 101b, qui sont parallèles et orientées The bar 101 is positioned in a laser cavity 102 forming a Fabry-Perrot interferometer. This bar 101 has two opposite flat faces 101a and 101b, which are parallel and oriented
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perpendiculairement à l'axe longitudinal de la cavité 101. La cavité 102 est délimitée par deux miroirs 103,104. Selon une caractéristique préférentielle, le miroir d'entrée est un miroir dichroïque. En outre pour réduire l'encombrement, ce miroir d'entrée 103 est déposé directement sur la face 101a du barreau 101, et forme un miroir plan. perpendicular to the longitudinal axis of the cavity 101. The cavity 102 is delimited by two mirrors 103,104. According to a preferred characteristic, the input mirror is a dichroic mirror. In addition to reduce the bulk, this input mirror 103 is deposited directly on the face 101a of the bar 101, and forms a plane mirror.
A l'opposé du miroir d'entrée 103, le miroir de sortie 104 est un miroir plan, de telle sorte que la cavité 102 est une cavité de type plan/plan. La longueur L de cette cavité 102, qui correspond à la distance entre les deux miroirs 103 et 104 selon l'axe optique longitudinal de la cavité, est réglable de manière fine, en sorte de régler la longueur de la cavité, et par là-même de permettre un réglage fin de la fréquence d'émission (f1) du laser solide 1. Ce réglage fin est obtenu au moyen d'une cale piézo-électrique 108 sur laquelle est monté le miroir de sortie 104, de préférence (mais non nécessairement) par l'intermédiaire d'un élément coupleur 107 (par exemple substrat en verre), et en agissant sur la tension de commande la cale piézoélectrique 108. Cette tension de commande est contrôlée automatiquement, par une boucle de rétroaction qui est décrite ultérieurement, et qui d'une manière générale permet un asservissement de la longueur d'onde d'émission À 1 (À 1 = c/fl, c étant la vitesse de la lumière) du laser solide 10, sur une transition (désignée ci-après d'une manière générale transition (T)) de l'élément chimique d'absorption de la cellule 7, lequel élément chimique est choisi de telle sorte que cette longueur d'onde d'émission À 1 est stabilisée autour de
1, 56m. In contrast to the input mirror 103, the output mirror 104 is a plane mirror, so that the cavity 102 is a plane / plane type cavity. The length L of this cavity 102, which corresponds to the distance between the two mirrors 103 and 104 along the longitudinal optical axis of the cavity, is adjustable in a fine manner, so as to adjust the length of the cavity, and thereby even allowing fine adjustment of the emission frequency (f1) of the solid laser 1. This fine adjustment is obtained by means of a piezoelectric shim 108 on which the output mirror 104 is mounted, preferably (but not necessarily) by means of a coupling element 107 (for example glass substrate), and by acting on the control voltage the piezoelectric shim 108. This control voltage is controlled automatically, by a feedback loop which is described later , and which in general allows a control of the emission wavelength λ 1 (λ 1 = c / fl, c being the speed of light) of the solid laser 10, on a transition (designated below) generally after transition (T)) of the absorption chemical element of cell 7, which chemical element is chosen so that this emission wavelength λ 1 is stabilized around
1.56m.
L'utilisation d'une cavité 102 de type plan/plan et de faible longueur permet avantageusement d'obtenir en sortie du laser solide
10 un rayonnement en régimes monomode transverse et longitudinal, de très bonne qualité. The use of a cavity 102 of plan / plane type and of short length advantageously makes it possible to obtain at the output of the solid laser
10 radiation in single transverse and longitudinal modes, of very good quality.
L'ensemble miroir d'entrée 103/barreau 101 forme la face d'entrée de la cavité 102, et est monté pour son refroidissement, sur The inlet mirror 103 / bar 101 assembly forms the inlet face of the cavity 102, and is mounted for cooling, on
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une première face 105a d'une fenêtre en saphir 105. La fenêtre en saphir 105, qui est en contact avec le miroir d'entrée 103, a pour fonction de dissiper l'énergie thermique accumulée par le barreau de verre 101 lors du fonctionnement du laser solide 10. Cette fenêtre en saphir pourrait être remplacée dans une autre variante par tout élément dans un matériau, qui est transparent pour le faisceau de pompe de la diode de pompe 11, et qui présente un coefficient de conductivité thermique supérieur à celui du barreau 101 en sorte de dissiper l'énergie thermique engendrée dans ce barreau 101 en cours de pompage. Plus le coefficient de conductivité thermique de la fenêtre 105 est élevé, meilleur est le refroidissement du barreau 101. A titre d'exemple, dans une autre variante mettant en oeuvre un barreau 101 en verre, et une longueur d'onde de pompe d'environ 975nm, on pourrait remplacer la fenêtre en saphir, par une fenêtre en AIN. a first face 105a of a sapphire window 105. The sapphire window 105, which is in contact with the input mirror 103, has the function of dissipating the thermal energy accumulated by the glass rod 101 during the operation of the solid laser 10. This sapphire window could be replaced in another variant by any element made of a material, which is transparent to the pump beam of the pump diode 11, and which has a coefficient of thermal conductivity greater than that of the rod 101 so as to dissipate the thermal energy generated in this bar 101 during pumping. The higher the coefficient of thermal conductivity of the window 105, the better the cooling of the bar 101. For example, in another variant using a glass bar 101, and a pump wavelength of around 975nm, we could replace the sapphire window with an AIN window.
La fenêtre en saphir est montée sur l'une 106a des faces d'un radiateur 106, présentant en son centre une ouverture traversante
106b 106Q, qui permet le passage du faisceau de pompe jusqu'à l'ensemble fenêtre en saphir 105/miroir 103/barreau 101, la seconde face 105b de la fenêtre 105 venant fermer cette ouverture 106. Q. Ce radiateur 106, qui est en contact avec la fenêtre 105, a pour fonction d'évacuer vers l'extérieur l'énergie thermique qui est absorbée par la fenêtre en saphir 105 en cours de pompage, et présente à cet effet une surface de dissipation importante (comparativement à la surface de la fenêtre 105). Ce radiateur 106 est par exemple en cuivre ou en aluminium. Il pourrait également s'agir d'un élément Peltier permettant d'absorber activement l'énergie thermique de la fenêtre 105. The sapphire window is mounted on one 106a of the faces of a radiator 106, having in its center a through opening
106b 106Q, which allows the passage of the pump beam to the sapphire window 105 / mirror 103 / bar 101 assembly, the second face 105b of the window 105 closing this opening 106. Q. This radiator 106, which is in contact with the window 105, has the function of evacuating to the outside the thermal energy which is absorbed by the sapphire window 105 during pumping, and has for this purpose a significant dissipation surface (compared to the surface from window 105). This radiator 106 is for example made of copper or aluminum. It could also be a Peltier element making it possible to actively absorb the thermal energy from window 105.
La mise en oeuvre en combinaison du radiateur 106 et de la fenêtre 105 permet avantageusement de rendre stable la cavité plan/plan 102, par un refroidissement efficace de l'ensemble miroir d'entrée 103/barreau de verre 101. En effet, en l'absence de refroidissement de l'ensemble le miroir d'entrée 103/barreau 101, ou The use in combination of the radiator 106 and the window 105 advantageously makes it possible to make the plane / plane cavity 102 stable, by effective cooling of the input mirror 103 / glass rod 101 assembly. Indeed, in l '' absence of cooling of the entire input mirror 103 / bar 101, or
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si le refroidissement de cet ensemble n'est pas assez efficace, en cours de fonctionnement du laser, sous l'action du faisceau de pompe, il se produit une déformation et une dilatation de l'ensemble miroir d'entrée 103/barreau 101, lequel ensemble devient assimilable à une lentille (effet de lentille thermique). Cette lentille associée à un miroir de sortie plan 104 forme dans ce cas une cavité instable, ce qui rend le laser inopérant. De plus, un refroidissement inefficace peut aboutir à une destruction du barreau 101. if the cooling of this assembly is not effective enough, during operation of the laser, under the action of the pump beam, there is a deformation and expansion of the input mirror 103 / bar 101 assembly, which together becomes comparable to a lens (thermal lens effect). This lens associated with a plane output mirror 104 in this case forms an unstable cavity, which makes the laser inoperative. In addition, inefficient cooling can lead to destruction of the bar 101.
En amont de l'ensemble radiateur106/fenêtre en saphir 105/ miroir d'entrée 103/barreau de verre 101 est montée une lentille de focalisation 112, qui est centrée sur l'axe optique de la cavité. Upstream of the radiator 106 / sapphire window 105 / entrance mirror 103 / glass rod 101 assembly is mounted a focusing lens 112, which is centered on the optical axis of the cavity.
Le laser solide 1 comprend également de manière usuelle un étalon rotatif 109 (lame mince), qui est positionné dans la cavité 102, en étant centré sur l'axe optique de cette cavité, et qui permet un premier réglage grossier de la fréquence d'émission du laser solide 10, par un réglage de la position angulaire initiale de l'étalon 109. The solid laser 1 also usually comprises a rotary standard 109 (thin blade), which is positioned in the cavity 102, being centered on the optical axis of this cavity, and which allows a first coarse adjustment of the frequency of emission of the solid laser 10, by adjusting the initial angular position of the standard 109.
Pour stabiliser la polarisation du rayonnement en sortie du laser solide 10, lorsque le matériau actif (barreau 101) est isotrope, tel que le verre co-dopé Ytterbium/Erbium, l'étalon 109 est réalisé dans un matériau à pouvoir polarisant, tel que par exemple le matériau commercialisé sous la marque déposée POLARCOR . En revanche, si le matériau actif est anisotrope, l'étalon 109 peut être réalisé dans un matériau isotrope, tel que par exemple le verre. To stabilize the polarization of the radiation at the output of the solid laser 10, when the active material (bar 101) is isotropic, such as co-doped glass Ytterbium / Erbium, the standard 109 is made of a material with polarizing power, such as for example the material sold under the registered trademark POLARCOR. On the other hand, if the active material is anisotropic, the standard 109 can be produced in an isotropic material, such as for example glass.
La diode de pompe 11 permet un pompage optique du laser solide à travers le miroir d'entrée 103. Dans un exemple particulier de réalisation, on utilise une diode laser multimodes de puissance inférieure à 1W. Plus particulièrement, pour le pompage du verre co- dopé Ytterbium/Erbium 101, on utilise par exemple une diode à semi- conducteur GatnAsP qui permet d'obtenir une longueur d'onde de pompe (cap) de l'ordre de 975nm. The pump diode 11 allows optical pumping of the solid laser through the input mirror 103. In a particular embodiment, a multimode laser diode of power less than 1W is used. More particularly, for pumping co-doped Ytterbium / Erbium 101 glass, a GatnAsP semiconductor diode is used, for example, which makes it possible to obtain a pump wavelength (cap) of the order of 975nm.
L'utilisation d'un milieu actif réalisé au moyen d'un verre (ou The use of an active medium produced by means of a glass (or
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cristal) co-dopé en Ytterbium et Erbium, combinée avec un refroidissement de ce milieu actif par la face d'entrée (miroir dichroïque 103 associé à la fenêtre 105 et au radiateur de dissipation 106) et avec l'utilisation d'une cavité 102 de type plan/plan permet avantageusement d'obtenir, à faible coût, un laser solide 10 qui présente un encombrement faible et qui est capable d'émettre en sortie un faisceau laser 2 de longueur d'onde À 1 (À 1 = c/f1) régulée à 1, 56gm, et présentant une puissance suffisante en régimes monomode transverse et monomode longitudinal. crystal) co-doped with Ytterbium and Erbium, combined with cooling of this active medium by the input face (dichroic mirror 103 associated with the window 105 and with the dissipation radiator 106) and with the use of a cavity 102 of the plane / plane type advantageously makes it possible to obtain, at low cost, a solid laser 10 which has a small footprint and which is capable of outputting a laser beam 2 of wavelength λ 1 (λ 1 = c / f1) regulated at 1.56 gm, and having sufficient power in single transverse and longitudinal single mode regimes.
Générateur (3) d'harmonique Le générateur 3 comprend deux lentilles de focalisation 31 et 32 entre lesquelles est placé un cristal non linéaire 30 à base de cristaux (PP : KTiOPO,) permettant d'obtenir un quasi-accord de phase. D'une manière générale, ce cristal (PP : KTiOP04) pourrait être remplacé par tout cristal connu équivalent remplissant la même fonction, et par exemple par un cristal à base de KNbO. Le générateur 3 permet à partir du premier faisceau 2 en entrée de générer en sortie une seconde harmonique (N=2) dont la fréquence (f2) est le double de la fréquence du premier faisceau 2, laquelle seconde harmonique est déviée par le miroir dichroïque 5 en direction de la cellule d'absorption 7 (faisceau 412.). L'utilisation d'un cristal 30 de type (PP : KTP) permet avantageusement d'obtenir une puissance de seconde harmonique plus importante comparativement par exemple à l'utilisation d'un monocristal de type Knob03. Harmonic generator (3) The generator 3 comprises two focusing lenses 31 and 32 between which is placed a non-linear crystal 30 based on crystals (PP: KTiOPO,) making it possible to obtain a quasi-phase agreement. In general, this crystal (PP: KTiOP04) could be replaced by any known equivalent crystal fulfilling the same function, and for example by a KNbO-based crystal. The generator 3 makes it possible, from the first beam 2 at the input, to generate at the output a second harmonic (N = 2) whose frequency (f2) is twice the frequency of the first beam 2, which second harmonic is deflected by the dichroic mirror 5 in the direction of the absorption cell 7 (beam 412.). The use of a crystal 30 of the (PP: KTP) type advantageously makes it possible to obtain a higher second harmonic power compared, for example, to the use of a single crystal of the Knob03 type.
Moyens de polarisation 6 et Cellule d'absorption 7
Les moyens de polarisation 6 comportent successivement et alignés selon le même axe optique : une lame demi-onde 62, un cube polariseur 61, et une lame quart-d'onde 63. En fonctionnement, le faisceau entrant 4b de fréquence (f2) correspondant à la seconde harmonique générée par le cristal 30 est envoyé sur le cube polariseur
61. La lame demi-onde 62 permet de diriger une très faible partie de Polarization means 6 and Absorption cell 7
The polarization means 6 successively comprise and aligned along the same optical axis: a half-wave plate 62, a polarizing cube 61, and a quarter-wave plate 63. In operation, the incoming beam 4b of frequency (f2) corresponding at the second harmonic generated by crystal 30 is sent to the polarizing cube
61. The half-wave blade 62 makes it possible to direct a very small part of
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la puissance de ce faisceau entrant 4b en direction d'une première photodiode 9a. L'essentiel de la puissance de ce faisceau entrant 4b traverse une première fois le cube polariseur 61, puis passe par la lame quart-d'onde 63. Cette lame rend circulaire (droite ou gauche) la polarisation du faisceau issu du cube polariseur 61. Le faisceau 4'b polarisé circulairement traverse la cellule d'absorption 7, est réfléchi à 1800 par le miroir 8, puis retraverse, en sens inverse, successivement la cellule d'absorption 7 et la lame quart d'onde 63. Du fait de sa polarisation circulaire, ce faisceau retour est réfléchi par le cube polariseur 61 en direction d'une seconde photodiode 9b, positionnée à
l'opposée de la première photodiode 9a. the power of this incoming beam 4b towards a first photodiode 9a. Most of the power of this incoming beam 4b passes through the polarizing cube 61 for the first time, then passes through the quarter-wave plate 63. This blade makes the polarization of the beam coming from the polarizing cube 61 circular (right or left). The beam 4′b circularly polarized passes through the absorption cell 7, is reflected at 1800 by the mirror 8, then crosses back, in the opposite direction, successively the absorption cell 7 and the quarter-wave plate 63. from its circular polarization, this return beam is reflected by the polarizing cube 61 towards a second photodiode 9b, positioned at
the opposite of the first photodiode 9a.
Asservissement par absorption saturée
La figure 3 représente les niveaux d'énergie du Rubidium (Rb) 85 et 87. Pour réaliser l'asservissement de la fréquence (f1) du faisceau laser (2) on utilise par exemple comme transition (T), la transition D (SS1//F=2 5PF =3) du Rubidium (Rb) à 0, 7801) m. Cette transition D2 couple les niveaux 5Sl, (niveau fondamental) et 5 P3/2 (niveau excité, durée de vie 0, 15rus) qui possèdent avantageusement une structure fine. D'autres transitions atomiques du Rubidium pourraient également être utilisées pour réaliser l'asservissement. Control by saturated absorption
FIG. 3 represents the energy levels of Rubidium (Rb) 85 and 87. To achieve the control of the frequency (f1) of the laser beam (2), for example, the transition D (SS1) is used as transition (T) // F = 2 5PF = 3) Rubidium (Rb) at 0.7801) m. This transition D2 couples the levels 5S1, (fundamental level) and 5 P3 / 2 (excited level, lifetime 0, 15rus) which advantageously have a fine structure. Other atomic transitions of Rubidium could also be used to carry out the control.
Lorsque la pulsation (Wl) du faisceau 4b traversant la cellule 7 de Rubidium est proche de la pulsation (w.) de la transition atomique (T) choisie, l'atome absorbe une partie de l'intensité du faisceau 4b (voir figure 4). Cette absorption d'énergie est importante lorsque la fréquence du faisceau 4b n'est pas éloignée de plus d'une fois la largeur du niveau excité. Le déplacement des atomes du gaz de
Rubidium provoque cependant, par effet Doppler, un élargissement de la largeur de la transition (T). Ainsi en cas d'absorption simple (faisceau 4b traversant une seule fois la cellule d'absorption 7), on obtient en réalité une courbe d'absorption du type de celle de la figure 5. Ainsi, en cas d'absorption simple le pic d'absorption (figure 5) When the pulsation (Wl) of the beam 4b crossing the cell 7 of Rubidium is close to the pulsation (w.) Of the chosen atomic transition (T), the atom absorbs part of the intensity of the beam 4b (see Figure 4 ). This energy absorption is important when the frequency of the beam 4b is not distant from the excited level more than once. The displacement of the atoms of the gas
Rubidium, however, causes the Doppler effect to widen the width of the transition (T). Thus in the event of simple absorption (beam 4b passing through the absorption cell 7 only once), in reality an absorption curve is obtained of the type of that of FIG. 5. Thus, in the event of simple absorption the peak absorption (Figure 5)
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est en pratique trop large pour permettre un asservissement qui soit suffisamment précis à quelques MHz près. is in practice too wide to allow a control which is sufficiently precise to within a few MHz.
L'absorption saturée permet de pallier au problème précité d'élargissement du pic d'absorption par effet Doppler. En effet, le faisceau retour, qui est renvoyé par le miroir 8 dans l'exemple de la figure 1, en retraversant la cellule d'absorption 7, permet de réaliser une inversion de population, ce qui rend le milieu (gaz Rb) transparent pour les atomes de vitesse nulle. Dans ce cas, si l'intensité du faisceau 4b est suffisante pour saturer la transition (T), le signal électrique, en fonction de la fréquence du laser, renvoyé par la photodiode 9b présente l'allure donnée sur la figure 6. On comprend ainsi que l'asservissement peut être ainsi avantageusement nettement plus précis qu'en cas d'absorption simple. Saturated absorption overcomes the aforementioned problem of widening the absorption peak by Doppler effect. Indeed, the return beam, which is returned by the mirror 8 in the example of FIG. 1, by crossing again through the absorption cell 7, makes it possible to carry out a population inversion, which makes the medium (Rb gas) transparent for atoms of zero velocity. In this case, if the intensity of the beam 4b is sufficient to saturate the transition (T), the electrical signal, as a function of the frequency of the laser, returned by the photodiode 9b has the appearance given in FIG. 6. We understand as well as the slaving can thus advantageously be much more precise than in the case of simple absorption.
On comprend à la lumière de l'explication ci-dessus, que pour obtenir un fonctionnement en absorption saturée, il est essentiel que la puissance de la Nième harmonique (seconde harmonique/faisceau 4b dans l'exemple de la figure 1) qui est utilisée pour l'asservissement soit suffisante pour saturer la transition choisie et obtenir sur le photodétecteur 9b un signal conforme à la figure 6. It is understood in the light of the explanation above, that in order to obtain an operation in saturated absorption, it is essential that the power of the Nth harmonic (second harmonic / beam 4b in the example of FIG. 1) which is used for the servo is sufficient to saturate the chosen transition and obtain on the photodetector 9b a signal in accordance with FIG. 6.
Moyens d'asservissement 9/modulation de la transition atomique
Dans l'exemple particulier de la figure 1 les moyens d'asservissement 9 permettent de réaliser l'asservissement de la fréquence du faisceau laser 2 par détection synchrone, grâce à une modulation de la transition atomique (T). Control means 9 / modulation of the atomic transition
In the particular example of FIG. 1, the control means 9 make it possible to control the frequency of the laser beam 2 by synchronous detection, thanks to a modulation of the atomic transition (T).
Ces moyens d'asservissement 9 comportent un solénoïde 90 qui entoure la cellule d'absorption 7, et une boucle de rétroaction (I). These control means 9 comprise a solenoid 90 which surrounds the absorption cell 7, and a feedback loop (I).
Cette boucle de rétroaction (I) comprend essentiellement un générateur de tension sinusoïdale 91, un module de détection synchrone 92, et un amplificateur de tension 93. This feedback loop (I) essentially comprises a sinusoidal voltage generator 91, a synchronous detection module 92, and a voltage amplifier 93.
Le générateur de tension sinusoïdale 91 permet d'alimenter le solénoïde 90 avec une tension sinusoïdale de fréquence f donnée de The sinusoidal voltage generator 91 makes it possible to supply the solenoid 90 with a sinusoidal voltage of frequency f given by
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l'ordre par exemple de quelques centaines de KHz. En fonctionnement, la cellule d'absorption est ainsi soumise à un champ magnétique modulé en amplitude, créé par le solénoïde 90. Ce champ magnétique modulé permet de déplacer les sous-niveaux Zeeman de la transition (T) (par exemple la transition atomique D2 dans le cas du Rubidium). Ce déplacement est dans une large mesure proportionnel notamment à la valeur du champ magnétique créé. Il en résulte que le signal d'absorption S1 (délivré par le photodétecteur 9a) est modulé en permanence en fréquence sur une très faible plage (typiquement pour déplacer les niveaux d'énergie sur quelques MHz). for example the order of a few hundred KHz. In operation, the absorption cell is thus subjected to an amplitude modulated magnetic field created by the solenoid 90. This modulated magnetic field makes it possible to move the Zeeman sub-levels of the transition (T) (for example the atomic transition D2 in the case of Rubidium). This displacement is to a large extent proportional in particular to the value of the magnetic field created. As a result, the absorption signal S1 (delivered by the photodetector 9a) is continuously frequency modulated over a very small range (typically to move the energy levels over a few MHz).
Le signal d'absorption S1 est traité par le module de détection synchrone 92. Ce module 92 reçoit également en entrée la tension sinusoïdale délivrée par le générateur 91, et permet de manière usuelle d'extraire du signal d'absorption 51 un signal d'erreur (e), sous la forme d'une tension continue dont la valeur est proportionnelle au décalage de fréquence entre la fréquence du faisceau 4b traversant la cellule d'absorption 7 et la fréquence de la transition (T) choisie. Le signal d'erreur (E) est amplifié par un amplificateur de tension 93, qui délivre à destination de la cale piézoélectrique 108 un signal de commande 94 (tension continue). Ce signal de commande 94 permet d'ajuster en permanence et de manière fine la longueur de la cavité du laser solide (distance entre les miroirs d'entrée 103 et de sortie 104) et par là-même la fréquence d'émission f1 du laser solide 10. The absorption signal S1 is processed by the synchronous detection module 92. This module 92 also receives as input the sinusoidal voltage delivered by the generator 91, and usually makes it possible to extract from the absorption signal 51 a signal error (e), in the form of a DC voltage, the value of which is proportional to the frequency offset between the frequency of the beam 4b passing through the absorption cell 7 and the frequency of the transition (T) chosen. The error signal (E) is amplified by a voltage amplifier 93, which delivers to the piezoelectric shim 108 a control signal 94 (direct voltage). This control signal 94 makes it possible to continuously and finely adjust the length of the cavity of the solid laser (distance between the input 103 and output 104 mirrors) and thereby the emission frequency f1 of the laser solid 10.
La source laser de l'invention dont une variante particulière de réalisation a été décrite en référence à la figure 1 permet avantageusement de réaliser un étalon en fréquence qui présente les caractéristiques et avantages suivants : - émission d'un rayonnement monomode transverse (faisceau 4a), ce qui permet de faciliter le couplage de l'onde électromagnétique avec des fibres optiques et des guides d'ondes planaires, - émission d'un rayonnement monomode longitudinal (faisceau 4a), The laser source of the invention, a particular variant of which has been described with reference to FIG. 1, advantageously makes it possible to produce a frequency standard which has the following characteristics and advantages: - emission of transverse single-mode radiation (beam 4a) , which facilitates the coupling of the electromagnetic wave with optical fibers and planar waveguides, - emission of a longitudinal single-mode radiation (beam 4a),
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ce qui permet d'obtenir une bonne finesse spectrale, - très bonne stabilité en fréquence et en puissance du faisceau de sortie 4a, - fréquence d'émission (f1) connue de manière absolue, ce qui permet d'utiliser le faisceau 4a dans des techniques de multiplexage/démultiplexage actives, - longueur d'onde d'émission (À 1) stabilisée autour de 1, 56gm, ce qui permet son utilisation comme étalon de fréquence dans le domaine des télécommunications, source laser compacte et de faible encombrement, ce qui permet de l'insérer facilement dans des systèmes embarqués et dans des chaînes de traitement dans le domaine des télécommunication. which makes it possible to obtain good spectral fineness, - very good stability in frequency and in power of the output beam 4a, - emission frequency (f1) known in an absolute manner, which makes it possible to use the beam 4a in active multiplexing / demultiplexing techniques, - emission wavelength (At 1) stabilized around 1.56 gm, which allows its use as a frequency standard in the telecommunications field, compact and compact laser source, this which allows it to be easily inserted into embedded systems and into processing chains in the telecommunications field.
A titre indicatif, dans une réalisation conforme à l'exemple de la figure 1 qui vient d'être décrit, le laser solide 10 était conçu de telle sorte que le faisceau laser 2 généré par ce laser solide était stabilisée autour de 1, 56jim avec une précision de +/- 10-8, et présentait une puissance de sortie (puissance du faisceau 4a) supérieure ou égale à
50mW en régimes monomode transverse et monomode longitudinal, cette puissance pouvant atteindre 100mW. La longueur L de la cavité valait environ 5mm. Les longueur, largeur et hauteur du laser solide 10 valaient respectivement 50mm, 30mm et 30mm. Le faisceau laser 2 en sortie du laser solide 10 présentait une très bonne qualité transverse, et était de ce fait facile à coupler avec une fibre optique. En particulier, le paramètre M2 qui définit la qualité transverse de ce faisceau était inférieur à 1,1. La seconde harmonique (faisceau 4b) générée par le générateur 3 à partir de ce faisceau laser 2 présentait une puissance supérieure à 1 W, ce qui était suffisant pour saturer la transition (S5, dF=2 -7 SP3dF =3) du Rubidium de la cellule d'absorption 7. As an indication, in an embodiment in accordance with the example of FIG. 1 which has just been described, the solid laser 10 was designed so that the laser beam 2 generated by this solid laser was stabilized around 1.56 μm with an accuracy of +/- 10-8, and had an output power (beam power 4a) greater than or equal to
50mW in transverse single-mode and longitudinal single-mode regimes, this power being able to reach 100mW. The length L of the cavity was about 5mm. The length, width and height of the solid laser 10 were worth 50mm, 30mm and 30mm respectively. The laser beam 2 at the output of the solid laser 10 exhibited very good transverse quality, and was therefore easy to couple with an optical fiber. In particular, the parameter M2 which defines the transverse quality of this beam was less than 1.1. The second harmonic (beam 4b) generated by generator 3 from this laser beam 2 had a power greater than 1 W, which was sufficient to saturate the transition (S5, dF = 2 -7 SP3dF = 3) of Rubidium from the absorption cell 7.
Variante de réalisation de la figure 2
La variante de réalisation de la figure 2 se différencie d'une Variant of embodiment of Figure 2
The variant embodiment of FIG. 2 differs from
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manière générale de la variante de la figure 1 par la mise en oeuvre d'une détection synchrone basée non plus sur une modulation de la transition (T), mais sur une modulation de fréquence du faisceau 4b. Par soucis de simplification, sur cette figure 2, les éléments qui ont été repris de la variante de la figure 1 ont été référencés de la même manière que sur la figure 1. in general of the variant of FIG. 1 by the implementation of a synchronous detection based no longer on a modulation of the transition (T), but on a frequency modulation of the beam 4b. For the sake of simplification, in this FIG. 2, the elements which have been taken from the variant of FIG. 1 have been referenced in the same manner as in FIG. 1.
Dans la variante de la figure 2, pour réaliser la modulation de fréquence du faisceau 4h, les moyens d'asservissement comportent un élément acousto-optique 95 qui est intercalé entre le miroir 5 et les moyens de polarisation 6 ; Dans l'exemple illustré, cet élément acousto-optique 95 est plus particulièrement intercalé entre la lentille de focalisation (D et la lame demi-onde 62. Dans une autre variante, cet élément acousto-optique pourrait être intercalé entre le miroir 5 et la lentille de focalisation (D. Cet élément acousto-optique, en fonction du signal alternatif de fréquence (f) qui lui appliqué en entrée, permet une modulation de fréquence du faisceau laser 4b. De manière similaire à la variante de la figure 1, on réalise ainsi une modulation du signal d'absorption (sol) délivré par le photodétecteur
9a , lequel signal est traité de la même manière par le module de détection synchrone pour extraire le signal d'erreur (s). In the variant of FIG. 2, to carry out the frequency modulation of the beam 4h, the control means comprise an acousto-optical element 95 which is interposed between the mirror 5 and the polarization means 6; In the example illustrated, this acousto-optical element 95 is more particularly interposed between the focusing lens (D and the half-wave plate 62. In another variant, this acousto-optical element could be interposed between the mirror 5 and the focusing lens (D. This acousto-optical element, as a function of the alternating frequency signal (f) which applied to it as an input, allows frequency modulation of the laser beam 4b. In a similar manner to the variant of FIG. 1, we thus achieves a modulation of the absorption signal (ground) delivered by the photodetector
9a, which signal is processed in the same way by the synchronous detection module to extract the error signal (s).
Dans une autre variante de réalisation, l'élément acoustooptique pourrait être remplacé par un électro-optique réalisant une modulation de phase sinusoïdale du faisceau 4b. In another alternative embodiment, the acoustooptic element could be replaced by an electro-optic carrying out a sinusoidal phase modulation of the beam 4b.
L'invention n'est pas limitée aux deux variantes de réalisation qui ont été décrites à titre d'exemples en référence aux figures 1 et 2. The invention is not limited to the two variant embodiments which have been described by way of examples with reference to FIGS. 1 and 2.
En particulier, et de manière non exhaustive, en remplacement du Rubidium, on pourrait également utiliser tous les alcalins connus, et notamment le Potassium, Césium, Hydrogène, Sodium, Lithium,... Plus généralement, on peut utiliser tout élément ou composé chimique présentant des raies d'absorption différenciées, et adapté à la mise en oeuvre d'un asservissement selon la variante de la figure 1 (modulation In particular, and in a non-exhaustive manner, as a replacement for Rubidium, all the known alkalis could also be used, and in particular Potassium, Cesium, Hydrogen, Sodium, Lithium, ... More generally, any chemical element or compound can be used having differentiated absorption lines, and suitable for implementing a control system according to the variant of FIG. 1 (modulation
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de la transition atomique), ou de la variante de la figure 2 (modulation du faisceau 4Q). L'invention peut d'une manière plus générale être appliquée à la réalisation d'une source laser stabilisée autour d'une longueur d'onde (À 1) quelconque prédéterminée, pouvant être différente de la valeur 1, 56gm, qui est à ce jour spécifique du domaine des télécommunications. Dans le cadre de l'invention, la source laser pourra être réalisée au moyen d'un laser solide ( solid state laser ) pompé optiquement qui peut être différent du laser solide 10 particulier de la figure 1, c'est-à-dire d'une manière plus générale au moyen d'un laser mettant en oeuvre dans une cavité, un élément en matériau actif cristallin ou amorphe. Enfin, le laser solide 10 décrit en référence à la figure 1, à titre de variante préférée de réalisation étant nouveau en soi, il peut avantageusement être utilisé pour réaliser tout type de source laser, et son utilisation n'est pas nécessairement limitée à la réalisation d'une source laser stabilisée en fréquence selon l'invention. of the atomic transition), or of the variant of FIG. 2 (modulation of the 4Q beam). The invention can more generally be applied to the production of a laser source stabilized around any predetermined wavelength (λ 1), which may be different from the value 1.56 gm, which is specific day in the telecommunications field. In the context of the invention, the laser source may be produced by means of an optically pumped solid state laser which may be different from the particular solid laser 10 of FIG. 1, that is to say d 'more generally by means of a laser implementing in a cavity, an element of crystalline or amorphous active material. Finally, the solid laser 10 described with reference to FIG. 1, by way of a preferred variant of embodiment being new in itself, it can advantageously be used to produce any type of laser source, and its use is not necessarily limited to the production of a frequency stabilized laser source according to the invention.
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