FR2909806A1

FR2909806A1 - Cristal et source laser a haute energie associe.

Info

Publication number: FR2909806A1
Application number: FR0610822A
Authority: FR
Inventors: Marc Eichhorn; Antoine Hirth
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-13
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: FR2909806B1; DE102007054776B4; DE102007054776A1

Abstract

La présente invention concerne notamment le domaine des lasers et a plus particulièrement pour objet une source comportant un cristal laser dopé (1) en forme de disque du type ayant deux faces principales (2,3) et une face périphérique externe (4) et des moyens de pompage (10) de ce cristal, caractérisé en ce que le cristal dopé (1) comporte un alésage (5) passant, au moins en partie par l'axe du disque.

Description

1 L'invention concerne notamment le domaine des lasers et a plus

particulièrement pour objet une source laser apte à émettre à haute énergie et, éventuellement, à des longueurs d'onde à sécurité oculaire. Le problème de la sécurité oculaire des sources lasers apparaît de façon cruciale lorsqu'il s'agit de sources laser à haute énergie. C'est sans nul doute dans le domaine des applications industrielles et militaires, où de telles sources sont mises en oeuvre, que les risques sont les plus importants. Cependant, pour des raisons économiques et stratégiques, on privilégie toujours les sources pour lesquelles l'encombrement et le rendement sont les plus favorables plutôt que de prendre en compte le risque oculaire. Sur un site industriel où les sources sont implantées de façon fixe, on peut protéger le personnel. II en est tout autrement pour les applications militaires. Le choix du laser à iode oxygène, émettant à 1.315 pm, comme source de haute énergie dans le domaine militaire est à la limite acceptable lorsqu'il est destiné à opérer en haute altitude de sorte que ce type de risque n'existe pas réellement. Par ailleurs, avec le développement des diodes de pompage dont le rendement devrait atteindre 70 à 80%, le laser à Nd:YAG émettant à 1.06 pm a pris une importance considérable au point que ce type de source a été retenu comme source à haute énergie pour des applications militaires. II est vrai que ce laser a bénéficié de nombreuses avancées technologiques qui ont renforcé son potentiel comme laser de haute énergie. A ce titre on connaît notamment la demande de brevet 2003/0138021 qui décrit une source laser haute énergie qui utilise un matériau actif de type Nd:YAG sous forme d'une structure de faible épaisseur en forme de lame mince de façon à pouvoir évacuer plus facilement la part de l'énergie de pompage transformée en chaleur. Cette lame mince est parfois désignée par le terme Slab . Cette lame mince est pompée à l'aide de deux barrettes de diodes placées de part et d'autre de la lame, et grâce à des éléments micro optiques, la lumière de pompage est couplée dans le matériau laser à travers les faces latérales ayant de 0.4 à 0.7 mm de hauteur. La chaleur est évacuée par conduction à travers les surfaces principales de la lame et l'émission laser a lieu le long de la lame à travers sa section la plus faible. Grâce à des dépôts réfléchissants ou à des lames à indice plus faible, utilisant par exemple du saphir, placées de part et d'autre sur les deux faces principales, on obtient un guidage de l'émission laser et de la lumière de pompage. La longueur de la lame mince suivant laquelle a lieu l'émission laser est le paramètre qui permet d'extrapoler vers les puissances élevées.

2909806 2 Le problème essentiel qui demeure est lié à la géométrie particulière du faisceau laser émis, à savoir un faisceau dont la section est une fente avec des divergences très différentes suivant les deux directions et qui possède une inhomogénéité du profil d'intensité due à la loi d'absorption dans le sens de la 5 largeur de la fente. En plus de leurs inconvénients intrinsèques, ces sources à haute énergie présentent le désavantage de ne pas émettre à une longueur d'onde présentant une sécurité oculaire à savoir située au-dessus de 1,5 pm environ. Le but de l'invention est de proposer un cristal laser permettant l'obtention 10 d'une source laser à haute énergie et permettant l'obtention de faisceaux faiblement divergents qu'il sera donc facile de transporter à distance. La solution apportée est un cristal laser dopé en forme de disque du type ayant deux faces principales et une face périphérique externe, caractérisé en ce qu'il comporte un alésage passant, au moins en partie par l'axe du disque. Cet alésage 15 peut, par exemple, avoir une section circulaire, tronconique ou polygonale et déboucher sur chacune des deux faces principales du disque. Par cristal laser, il faut entendre cristal apte à émettre un rayonnement laser lorsqu'il est pompé par un rayonnement de pompage adéquat. En outre, ce cristal peut comporter au moins l'une des caractéristiques 20 suivantes : - il est constitué par un YAG, YALO, YVO4 ou KGW, - il est dopé à l'holmium ou au thulium ou à l'erbium : l'utilisation de ces dopant permet l'obtention de source laser à sécurité occulaire, - il comporte une fente radiale, cette fente permettant d'éviter l'autooscillation 25 lorsque le cristal est disposé au sein d'une source laser, Afin d'obtenir une absorption quasiment constante du rayonnement de pompage à l'intérieur de tout le disque lorsqu'il est utilisé au sein d'une source laser, un cristal selon l'invention comporte au moins l'une des caractéristiques suivantes : la concentration en dopant, varie radialement, 30 le disque est réalisé en céramique, par exemple par frittage, ce qui permet de maîtriser parfaitement la concentration en dopant, celle-ci pouvant varier radialement continûment ou par paliers, le disque présentant alors ainsi des anneaux concentriques où la concentration en dopant est la même à l'intérieur d'un anneau mais différente d'un anneau à l'autre. Cette 2909806 3 dernière technique permet l'obtention de disques de grande taille et des lasers de forte puissance, l'épaisseur du disque varie radialement, l'épaisseur étant, avantageusement, plus importante vers le centre du cercle que vers ses 5 extrémités périphériques. L'invention concerne aussi une source laser comportant un cristal laser dopé selon l'invention et des moyens de pompage de ce cristal, cette source comportant donc au moins un cristal en forme de disque du type ayant deux faces principales et une face périphérique externe caractérisé en ce que le cristal dopé comporte un 10 alésage passant, au moins en partie par l'axe du disque. Selon une caractéristique particulière, les moyens de pompage sont aptes à émettre un rayonnement en direction de ladite face périphérique externe du cristal. Selon une caractéristique particulière, la source est apte à émettre, en sortie du disque, un rayonnement dont la direction présente un angle différent de 7c/2 avec 15 l'axe du disque. Selon une caractéristique particulière, la source comporte des moyens disposés au niveau de l'alésage et aptes à dévier le rayonnement laser émis par le cristal. Selon une caractéristique additionnelle, ces moyens aptes à dévier le 20 rayonnement laser émis par le cristal sont aptes à le dévier, au moins en partie, selon la direction de l'axe du disque. Selon une caractéristique particulière, les faces principales du cristal sont recouvertes par un matériau d'indice de réfraction plus faible permettant d'obtenir un effet de guidage, par exemple du saphir.

25 Selon une caractéristique additionnelle, la face périphérique comporte un revêtement transparent à la longueur d'onde de pompe et réfléchissant à la longueur d'onde d'émission laser du cristal dopé, avec d'une manière avantage un profil spectral et angulaire très étroit. Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage sont constitués par 30 des diodes fibrées éventuellement aptes à pomper un disque dopé au thulium ou à l'erbium, ce disque étant apte, dans le cas du dopage au thulium, à émettre un rayonnement laser lui-même apte à pomper un cristal dopé à l'holmium.

2909806 4 Selon une autre caractéristique, la source comporte des moyens de refroidissement du disque, préférentiellement associés aux faces principales du disque. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront 5 dans la description de différentes variantes de réalisation de l'invention, en regard des figures annexées parmi lesquelles : Les figures la et 1 b présentent un schéma d'un cristal selon un premier mode de réalisation de l'invention, Les figures 2a et 2b présentent un schéma d'un exemple de moyens de 10 déviation associés au cristal selon le premier mode de réalisation de l'invention, La figure 3 montre un schéma d'un exemple de moyens de pompage au cristal selon le premier mode de réalisation de l'invention, La figure 4 montre un schéma d'un second exemple de moyens de 15 déviation associés au cristal selon le premier mode de réalisation de l'invention, Les figures 5a et 5b présentent un schéma d'un cristal selon, respectivement, un second et un troisième mode de réalisation de l'invention, 20 Les figures 6a et 6b présentent un schéma d'un exemple de dispositif de refroidissement d'un cristal, respectivement, selon le second et le troisième mode de réalisation de l'invention. Les figures la et 1 b présentent un schéma d'un cristal 1 selon l'invention. Ce 25 cristal 1 à la forme d'un disque du type comportant deux surfaces principales 2 et 3 de diamètre externe Ra et une face périphérique 4 externe de hauteur h. Ce disque 1 comporte en outre un alésage 5 de section circulaire d'axe Y correspondant à l'axe du disque et définissant une face périphérique interne 6 de rayon Ri.

30 Comme montré sur les figures 2a et 2b, des moyens 7 aptes à dévier le rayonnement laser L émis par le cristal, dont une partie seulement est visible 2909806 5 sur la figure 2a, sont disposés à l'intérieur de l'alésage 5. Ces moyens 7 de déviation du rayonnement laser L émis par le cristal sont constitués par un dispositif à symétrie de révolution, en l'occurrence un cône 8, dont l'axe est confondu avec l'axe Y du disque 1 et dont la surface latérale 9 est recouverte 5 d'un revêtement réfléchissant à la longueur d'onde du rayonnement laser L émis par le cristal. Le sommet du cône fait un angle sensiblement égal à n/2 Rd. Dans cet exemple de réalisation les faces principales 2 et 3 ainsi que la face périphérique externe 4 sont recouvertes d'un revêtement réfléchissant à 10 la longueur d'onde du rayonnement laser L émis par le cristal. Ainsi, le rayonnement laser émis par le cristal et sortant de celui-ci par la face périphérique interne 6 est réfléchi par la surface réfléchissante 9 du cône dans une direction sensiblement perpendiculaire à sa direction initiale soit sensiblement dans la direction de l'axe Y du cône 8, qui est, dans cet 15 exemple de réalisation confondu avec l'axe de l'alésage 5 et avec l'axe du disque 1. La figure 3 présente un exemple d'association de moyens de pompage 10 avec un disque 1 selon l'exemple précédent. Ces moyens de pompage 10 sont constitués par des diodes fibrées qui, si elles ont toutes la même 20 puissance, sont préférentiellement régulièrement réparties autour de la surface périphérique externe 4 du disque dont le revêtement est transparent à la longueur d'onde du rayonnement de pompage sortant des fibres 11. Ces diodes fibrées sont disposées de façon radiale tout autour de la circonférence du disque 1 et les fibres 11 transportent la puissance de pompage depuis des 25 diodes, non représentées, jusqu'au disque 1 en la distribuant sur toute sa hauteur h. La cavité laser est formée, d'une part, par le revêtement qui recouvre la face périphérique externe 4 du disque et qui, en plus d'être réfléchissant à la longueur d'onde du rayonnement laser L émis par le cristal revêtement (par 30 exemple 2.02 pm pour Trn:YAG et 2.09 pm pour Ho:YAG), est transparent à la longueur d'onde du rayonnement de pompage sortant des fibres 11, (respectivement 785 nm et, 1.91 pm) et, d'autre part, par un revêtement qui 2909806 6 recouvre la face périphérique interne 6 du disque 1 et qui est réfléchissant à la longueur d'onde de pompage et transparent à la longueur d'onde d'émission du cristal 1. Le rayonnement laser L émis par le cristal 1 et qui sort de la cavité est 5 dévié par le cône réfléchissant 8 selon une direction correspondant à l'axe Y du disque 1 et le rayonnement ainsi obtenu présente une symétrie de révolution autour de son axe Y. Selon un mode de réalisation permettant d'émettre un rayonnement laser à sécurité oculaire, en l'occurrence à une longueur d'onde d'environ 1,9 10 pm, le cristal est con:stitué par un YAG dopé par du thulium à une concentration supérieure à 2%, en l'occurrence 3% tandis que les moyens de pompage sont constitués par des diodes fibrées émettant à une longueur d'onde d'environ 0,8pm. Ces diodes fibrées permettent d'obtenir des densités de puissances de pompe de l'ordre de plusieurs kWatt/cm2 et une densité de 15 puissance du laser émis par le cristal de plusieurs kWatt/cm2. Selon un mode de réalisation présenté sur la figure 4, les moyens 22 de déviation du rayonnement laser sortant de la cavité par la face périphérique interne sont constitués par un miroir de forme conique dont la surface réfléchissante 23 est de forme concave. Cette géométrie permet, par rapport à 20 un simple cône, de diminuer la section du rayonnement laser de sortie et donc d'accroître sa densité de puissance. En outre, les faces principales du disque 1 sont recouvertes par des lames 24, 25 à indice plus faible, utilisant par exemple du saphir, et servant de guidage à l'émission laser et à la lumière de pompage. De plus des moyens de refroidissement 26 par conduction sont associés aux dites faces 25 principales du disque 1 et sont constitués par une plaque supérieure 27 et une plaque inférieure 28, les moyens de déviation 22 disposés à l'intérieur du dit alésage 5 étant solidaires de ladite plaque inférieure 28. Ces deux plaques peuvent elles-mêmes être refroidies par un liquide par exemple de l'eau. Par ailleurs, les figures 5a et 5b présentent plusieurs variantes de 30 réalisation de l'alésage pratiqué dans un disque qui permettent de s'affranchir desdits moyens de déviation 7. L'alésage 13 pratiqué dans le disque 14 au niveau de son axe Y est de forme conique, comme montré sur les figures 5a et 5c, ou tronconique, comme 2909806 7 présenté sur les figures 5b et 5c et débouche sur l'une ou les deux faces principales 15, 16 du disque 14. La surface 17 qui délimite cet alésage est recouvert d'un revêtement transparent à la longueur d'onde de pompage et réfléchissant à celle du rayonnement laser émis par le cristal. L'angle au 5 sommet de l'alésage est d'environ it/2 Rd et de sorte que la face interne 17 du disque 14 qui correspond à ladite surface 17 délimitant l'alésage fait un angle d'environ n/4 Rd avec le plan du disque. Ainsi, le rayonnement laser émis par le cristal et qui frappe la face interne 17 est réfléchi par le revêtement en direction de l'axe Y du cône formé par l'alésage, c'est-à-dire selon une 10 direction sensiblement perpendiculaire à sa direction d'origine. Sur la figure 5a, l'alésage est de forme conique et le rayonnement de sortie a une section parfaitement circulaire présentant une bonne homogénéité de forme. Sur la figure 5b, l'alésage est de forme tronconique et le rayonnement 15 de sortie a une section 18 en forme de couronne puis une section 19 de forme circulaire à partir d'une certaine distance et présentant une première section circulaire centrale 20 ayant une densité de puissance supérieure à une seconde section 21 périphérique et en forme de couronne. Ainsi, la forme de l'alésage peut être adaptée en fonction du profil 20 spatial désiré du rayonnement laser émis par le disque. En outre, comme montré sur les figures 6a et 6b, les faces principales 15, 16 du disque 14 sont recouvertes par des lames 34, 35 à indice plus faible, utilisant par exemple du saphir, et servant de guidage à l'émission laser et à la lumière de pompage. De plus des moyens de refroidissement 36 par conduction sont 25 associés aux dites faces principales du disque 14 et sont constitués par une plaque supérieure 37 et une plaque inférieure 38. Ces deux plaques peuvent elles-mêmes être refroidies par un liquide par exemple de l'eau et les lames 34, 35 participent à l'échange de chaleur par conduction. Par ailleurs, l'absorption du rayonnement de pompage à l'intérieur d'un 30 disque dépend de l'intensité de ce rayonnement, de la section efficace d'absorption et de la section irradiée du cristal. Or, en partant de l'extérieur et en allant en direction de l'axe Y du disque, l'intensité du rayonnement de pompage diminue du fait de l'absorption et la section irradiée (27tR.h avec R variant de Ra à Ri) décroît 2909806 8 aussi, tendant ainsi à l'obtention d'une densité de puissance absorbée quasiment constante dans le cas où l'un compense complètement l'autre. Dans, le cas où la compensation ne serait que partielle, il serait avantageux de faire varier la concentration en dopant en fonction du rayon afin d'obtenir une absorption constante 5 et donc un échauffement quasiment constant sur tout le rayon du disque, permettant ainsi d'éviter les points chauds susceptibles de dégrader le cristal. De nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, la forme de l'alésage peut être autre que cylindrique ou conique. II peut par exemple être de section polygonale.

10 De plus, les faces principales du disque peuvent ne pas être parallèles et présenter entre elle un angle non nul, l'épaisseur h étant alors variable en fonction du rayon r, l'épaisseur étant préférentiellement inversement proportionnelle au rayon, la valeur de h étant plus élevée au niveau du rayon Ri qu'au niveau du rayon Ra, cette variation d'épaisseur pouvant alors servir à obtenir une absorption 15 constante à l'intérieur du cristal.

Claims

REVENDICATIONS

1. Cristal laser dopé en forme de disque du type ayant deux faces principales (2,3) et une face périphérique externe (4), caractérisé en ce qu'il comporte un alésage (5) passant, au moins en partie, par l'axe du disque.

2. Cristal laser selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alésage (5) a une section circulaire.

3. Cristal laser selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alésage (5) a une forme tronconique.

4. Cristal laser selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alésage (5) a une forme polygonale..

5. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'il comporte une fente radiale.

6. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 15 caractérisé en ce que le cristal dopé est constitué par un YAG, YALO, YVO4 ou KGW.

7. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est dopé avec du thulium, de l'erbium ou de l'holmium .

8. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 20 caractérisé en ce que la concentration en dopant dans le cristal varie radialement.

9. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que son épaisseur varie radialement, l'épaisseur étant plus importante vers le centre du disque que vers ses extrémités périphériques.

10. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 25 caractérisé en ce qu'il est constitué par une céramique.

11. Cristal laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'alésage (5) débouche sur chacune des deux faces principales du disque.

12. Source laser comportant un cristal selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 11 et des moyens de pompage (10).

13. Source laser selon la revendication 12, caractérisée en ce que les moyens de pompage sont aptes à émettre un rayonnement en direction de ladite face périphérique externe du cristal. 2909806 10

14. Source laser selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisée en ce qu'elle est apte à émettre, en sortie du disque, un rayonnement dont la direction présente un angle différent de n/2 avec l'axe du disque.

15. Source laser selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, 5 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens disposés au niveau de l'alésage et aptes à dévier le rayonnement laser émis par le cristal.

16. Source laser selon la revendication 15, caractérisée en ce que ces moyens aptes à dévier le rayonnement laser émis par le cristal sont aptes à le dévier, au moins en partie, selon la direction de l'axe du disque. 10

17. Source laser selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisée en ce que les faces principales sont recouvertes par un matériau d'indice de réfraction plus faible que celui du cristal, par exemple par du saphir.

18. Source laser selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, caractérisée en ce que la face périphérique comporte un revêtement transparent à la longueur d'onde de pompe et réfléchissant à la longueur d'onde d'émission laser du cristal dopé.

19. Source laser selon l'une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisée en ce que les moyens de pompage sont constitués par des diodes fibrées, éventuellement aptes à pomper un disque dopé au thulium, ce disque étant apte à émettre un rayonnement laser lui-même apte à pomper un cristal dopé à l'holmium.

20. Source laser selon l'une quelconque des revendications 12 à 19, caractérisée en ce que la source comporte des moyens de refroidissement du disque, préférentiellement associés aux faces principales du disque.25