WO2000025397A1 - Microlaser capable d'emettre des impulsions longues - Google Patents

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WO2000025397A1
WO2000025397A1 PCT/FR1999/002598 FR9902598W WO0025397A1 WO 2000025397 A1 WO2000025397 A1 WO 2000025397A1 FR 9902598 W FR9902598 W FR 9902598W WO 0025397 A1 WO0025397 A1 WO 0025397A1
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laser
amplifying medium
photorefractive
microlaser
cavity
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Philippe Thony
Eric Lavastre
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers

Definitions

  • the present invention relates to solid lasers, in particular microlasers, intended to emit light pulses.
  • a solid laser, or laser in the solid state is a laser whose amplifying medium is a solid. It is often a single crystal doped or not, a glass, or more rarely a polymer. With a view to its optical pumping, this solid is often excited by a light source such as a lamp, a flash, a laser diode, or even a light-emitting diode.
  • a light source such as a lamp, a flash, a laser diode, or even a light-emitting diode.
  • the amplifying medium is placed in a resonant cavity.
  • resonant cavities There are several types of resonant cavities, the most used being Fabry-Perot cavities with two mirrors or ring cavities with three or four mirrors.
  • the mirrors used are flat or spherical. Sometimes these mirrors are replaced by prisms. Lenses or deflection mirrors are possibly used in the cavity. The whole is aligned by means of precise mechanical mounts.
  • One of the mirrors often constitutes the output coupler: the laser beam is extracted by this mirror which is partially reflecting. Other output coupling systems exist.
  • a microlaser is a particular solid state laser. Its amplifying medium is made up of a thin laser material (generally of the order of 150 to 2000 ⁇ m) and of small dimensions (generally a few square millimeters). The mirrors of the resonant cavity are generally directly deposited on the polished optical faces of the laser material. In addition, the microlaser is generally pumped by a laser diode, which is either directly hybridized on the microlaser, or coupled thereto via an optical fiber.
  • the microlaser has several components, all of these components are assembled in various ways to form a single monolithic element.
  • the microlaser is polished on its two end faces (these two faces are perpendicular to the axis of the laser).
  • the mirrors which form the resonant cavity are deposited directly on the polished faces in the form of thin layers.
  • One of the faces has a maximum reflectivity, close to 100%, and the other is semi-reflecting in order to transmit part of the light outside the cavity.
  • the amplifying medium can constitute the substrate of the microlaser.
  • thin sheets a few hundred micrometers
  • large sheets severe centimeters
  • a solid laser or a microlaser
  • Q s itched in an active or passive way, by introducing, into the cavity, a loss modulator that is to say a means of modulating the overvoltage factor ("Q factor") of this cavity.
  • the value of the losses introduced into the cavity (resonator) is controlled externally for example by means of an acousto-optical modulator which diffracts light out of the resonator or an electro-optical modulator which switches the polarization of the laser beam in this resonator.
  • Such modulators require electronic control means capable of supplying radio frequency signals for the acousto-optical modulator, or else high-voltage signals for the electro-optical modulator.
  • FIG. 1 schematically represents a known microlaser, actively activated by an electro-optical modulator.
  • This microlaser successively comprises an input mirror 2, an amplifying medium 4, an intermediate mirror 6, an electro-optical modulator 7, which is provided with two lateral control electrodes 8 and 9, and an output mirror 10.
  • the medium amplifier 4 is fixed to the intermediate mirror 6 by means of an optical adhesive or a bead of resin 12.
  • the optical pumping beam 14 has also been shown, coming for example from a laser diode (not shown) and intended to excite the amplifying medium 4 through the input mirror 2.
  • We also see the impulse laser beam 16 which results therefrom and which leaves the microlaser through the mirror 10. These beams 14 and 16 propagate along the same axis X. The operation of such an active trigger laser is described below.
  • the gain in the amplifying medium is zero and the losses due to the modulator are maximum, the threshold is therefore very high and the laser does not oscillate.
  • the energy stored in the amplifying medium increases.
  • the level of pumping and the losses are such that the laser does not oscillate.
  • the level of losses induced by the modulator is suddenly reduced. Consequently, the gain of the amplifying medium becomes much greater than the level of the total losses, therefore the net gain in the laser cavity is very high.
  • the stored energy is released in the form of a giant light pulse, in a very short time.
  • non-linear modulators are used without external power supply and, more specifically, saturable absorbents, materials which are highly absorbent when illuminated with a beam of low power density and which become almost transparent when this density exceeds a certain threshold (called saturation intensity).
  • FIG. 2 schematically represents a known microlaser, triggered passively.
  • This microlaser successively comprises the input mirror 2, the amplifying medium 4, a saturable absorbent 18 and the output mirror 10.
  • the pumping beam 14 and the beam can also be seen laser 16 generated by the microlaser.
  • the saturable absorbent 18 is for example a sol-gel or semiconductor layer, or a solid material, doped with active ions. The operation of such a passive trigger laser is described below.
  • the gain in the amplifying medium is zero and the losses (absorption) due to the saturable absorbent are maximum, the threshold is therefore high and the laser does not oscillate.
  • the few laser photons present in the cavity are absorbed by the saturable absorbent: the transmission thereof increases slightly, so the losses decrease. Consequently, the net gain is increased, so the number of photons in the cavity increases. This “loop” behavior is gradually increasing. Very quickly, the absorbent saturates and the losses reach their minimum level. The net gain in the cavity is then very significant.
  • the stored energy is released in the form of a giant light pulse, in a very short time.
  • the pulse ends.
  • a certain number of laser applications require pulses whose duration is of the order of 100 nanoseconds to 1 millisecond with significant peak powers (greater than 1 watt).
  • gain-switch gain modulation
  • the amplifying medium is pumped by a light pulse from the pumping source.
  • the laser then emits a series of damped light pulses corresponding to the transient laser start-up regime. This phenomenon is undesirable when a long pulse (i.e. a long duration pulse) is desired.
  • no known microlaser is capable of emitting pulses whose duration is greater than one hundred nanoseconds.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks. It relates to a solid laser comprising a resonant cavity and, in this cavity, an amplifying medium and a loss modulator, in order to generate light pulses after optical pumping of the amplifying medium, this laser being characterized in that it comprises in addition, in the cavity, a means of lengthening the duration of the light pulses by the photorefractive effect which is a non-linear optical effect which does not transform the wavelength of the laser.
  • this means of lengthening the duration and the amplifying medium (or the loss modulator) are formed from the same material.
  • the duration extension means, the amplifying medium and the loss modulator are formed from different materials.
  • this laser is a microlaser.
  • the means for lengthening the duration of the light pulses is for example an element comprising at least one layer of a material chosen from the group comprising semiconductor crystals, oxide crystals and polymers, having photorefractive properties.
  • the material constituting such an element known for its photorefractive properties can be:
  • a semi-insulating semiconductor crystal such as indium phosphide iron doped (InP: Fe), gallium arsenide (AsGa), cadmium tellurium doped vanadium or titanium (CdTe: V or CdTerTi), or others semiconductors known for their photorefractive properties, or
  • a crystal of oxide material such as BaTi0 3 , Bi ⁇ 2 SiO 20 , LiNb0 3 : Fe, or
  • this polymer being for example a mixture of a polymer chromatophore and a conductive polymer in a polymer matrix (see document [10]).
  • the element may be between two electrodes provided to create, when an electric voltage is applied between them, an electric field parallel to the axis of propagation of the light pulses generated in the cavity.
  • the loss modulator is a saturable absorbing medium, the laser being thus triggered passively.
  • This saturable absorbent medium is for example chosen from the group comprising:
  • the semiconductors comprising one or a plurality of quantum wells (width) adapted to the wavelength of the laser.
  • the amplifying medium (the laser material) is monocrystalline
  • a monocrystalline layer forming the saturable absorbent medium can be deposited by epitaxy in liquid phase on this amplifying medium and can be given to the latter from the point of view of the crystal meshes or, on the contrary, constraint.
  • a ternary or quaternary semiconductor forming the saturable absorbent medium is deposited by molecular beam epitaxy.
  • Molecular beam epitaxy or by chemical vapor deposition with organometallics (“metalorganic chemical vapor deposition”) on a semiconductor substrate which is then assembled with the amplifying medium.
  • the composition of the latter is preferably further adjusted to obtain a material which is matched to that of the corresponding substrate from the point of view of crystalline meshes and which is therefore unconstrained.
  • the quantum well (s) mentioned above are for example formed on a semiconductor substrate which is assembled with the amplifying medium.
  • the loss modulator is a voltage-controlled modulator, the laser being thus actively triggered.
  • the loss modulator in particular when it is a saturable absorbent
  • the means for lengthening the duration of the light pulses are associated with the amplifying medium. by a process chosen from the group comprising:
  • the thin layer it is for example a sol-gel layer or an epitaxial layer, doped with saturable absorbent ions.
  • the latter can then be removed but it may already contain a mirror constituting the exit mirror of the resonant cavity in which case this substrate is preserved.
  • the resonant cavity is delimited by an input mirror and an output mirror and the means for lengthening the duration of the light pulses is arranged between the loss modulator and the mirror. output or between this loss modulator and the amplifying medium.
  • the lengths are arranged between the loss modulator and the mirror. output or between this loss modulator and the amplifying medium.
  • 'Particularly advantageous basic wave are 0.946 microns, 1.06 microns, 1.3 microns, 1.55 microns and 2 microns.
  • other wavelengths can be obtained by using a non-linear optical element to obtain harmonics of these basic wavelengths (for example 473 nm, 532 nm, 466 nm) or to generate lengths of higher wave, for example by optical parametric oscillation or optical parametric amplification (OPO or OPA).
  • OPO or OPA optical parametric amplification
  • it is possible to find a saturable absorbent suitable for wavelength for example a semiconductor material).
  • a microlaser according to the invention retains the advantages of a microlaser of the continuous or triggered type (compactness, reduced cost, collective manufacturing, reliability due to its monolithic and foolproof nature, reduced maintenance, design of optical microsystem through the use of micro-optical components).
  • the pulses produced are long and respond to all applications where a known solid-state laser, with triggering and gain switching does not provide a solution (see below).
  • the saturable absorbent case of passive triggering
  • the parameters of the non-linear element intended to lengthen the pulses one can play on the shape of the pulses. emitted: triangular or Gaussian-looking pulses, for example.
  • Long pulses can be time modulated.
  • a code can be associated with each pulse emitted by the laser using a modulator outside the laser cavity.
  • the loss modulator material is also photorefractive.
  • LiNb0 3 is an electro-optical material usable for the active triggering of lasers. When this material is doped with iron, it becomes photorefractive. In any case, in general, a photorefractive material has -. a significant electro-optical coefficient. Equipped with electrodes, it can therefore play the role of voltage-controlled modulator for the active triggering of a laser according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal section view of a known microlaser, actively activated, and has already been described
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal section view of a known microlaser, triggered passively, and has already been described
  • FIG. 3A is a schematic longitudinal section view of a microlaser according to the invention, comprising a saturable absorbent and a photorefractive element,
  • FIG. 3B is a schematic longitudinal section view of a solid laser according to the invention, comprising a saturable absorbent and a photorefractive element,
  • FIG. 4 is a schematic longitudinal section view of another microlaser according to the invention, comprising a saturable absorbent deposited in a thin layer, and
  • Figure 5 is a schematic longitudinal sectional view of another microlaser according to the invention, comprising a photorefractive element between two electrodes.
  • the microlaser according to the invention which is schematically represented in longitudinal section in FIG. 3A, successively comprises an input mirror 20, an amplifying medium or gain medium 22, a saturable absorbent 24 comprised between two intermediate layers 26 and 27 used to control the reflection and transmission coefficients at each interface between two distinct materials, and for example produced by a set of layers in Si0 2 and Ti0 2 alternating, a photorefractive element 28 and an output mirror 30.
  • a beam 32 of optical pumping of the amplifying medium sent towards the latter along an axis X, through the input mirror, as well as a pulsed laser beam, or laser pulse 34, which is generated by the amplifying medium. thus excited and which also propagates along the X axis.
  • the solid laser according to the invention which is shown diagrammatically in longitudinal section in FIG. 3B, successively comprises an input mirror 35, an amplifying medium 36, a saturable absorbent 38, a photorefractive element 40 and an output mirror 42
  • the beam 44 or 45 pumping the amplifying medium 36 and the generated pulsed laser beam 46 which propagates along the same axis X as the beam 44 (this beam 44 corresponding to a longitudinal pumping and the beam 45 to a pumping transverse).
  • the components 35, 36, 38, 40 and 42 are spaced from each other while the components of the microlaser of FIG. 3A are in contact with each other (and so on even for the microlasers of Figures 4 and 5).
  • the microlaser according to the invention which is schematically represented in longitudinal section in FIG. 4, successively comprises an input mirror 48, an amplifying medium 50, a thin layer 52 of a saturable absorbent, a photorefractive substrate 54 and a exit mirror 56.
  • An anti-reflection layer 58 (for example made of MgF 2 ) or a set of anti-reflection layers (for example in Si0 2 / Ti0 2 ) is optionally interposed between the amplifying medium and the thin layer 52.
  • the substrate 54 is semiconductor (for example made of Fe doped InP, undoped AsGa or V or Ti doped CdTe) and the thin layer 52, also semiconductor, is deposited on the latter.
  • the amplifying medium 50 is fixed to the layer 52 (or to the layer 58 when it exists) by a bead of resin 60 or by a layer of optical glue.
  • a beam 62 for pumping the amplifying medium and the generated pulsed laser beam 64 which propagate along the same axis X.
  • the microlaser according to the invention which is shown diagrammatically in longitudinal section in FIG. 5, successively comprises an input mirror 66, an amplifying medium 68, a photorefractive layer 70, a saturable absorbent 72 and an output mirror 74.
  • a beam 76 for optical pumping of the amplifying medium and the generated pulsed laser beam 78 which propagate along the same axis X.
  • the photorefractive layer 70 can be placed between two electrodes 80 and 82 to create an electric field (direct or alternating) parallel to the X axis by applying an appropriate electric voltage
  • the saturable absorbent for example 24 in FIG. 3A or 38 in FIG. 3B
  • an electro-optical modulator 25 in the FIG. 3A and 39 in FIG. 3B
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • Microchip lasers with a diamond circular saw (identical to that used in microelectronics).
  • microlasers in accordance with the invention. Individually, by assembling small samples (a few millimeters) of the different materials.
  • a laser according to the invention can be produced using a glass doped with erbium and ytterbium, an LMA crystal doped with cobalt (see document [11]) and a semi-insulating InP crystal doped with iron.
  • Microlasers were produced with a gain medium consisting of phosphate glass doped at 0.8% by mass with erbium oxide (Er 2 0 3 ) and at 20% by mass with oxide of ytterbium (Yb 2 0 3 ).
  • This genre glass: Er, Yb is commercially available from Kigre in the USA. It has an Er and Yb composition specially adapted for the operation of a 1.55 ⁇ m microlaser. A 0.75 mm or 1 mm thick glass slide is used. It has been polished to obtain two flat and parallel faces.
  • the role of the saturable absorbent is held by a layer of semiconductor material whose forbidden bandwidth is fixed by the desired wavelength (1.55 ⁇ m).
  • the saturable absorbent layers are either thick layers constrained in InGaAs, or layers in InGaAIAs, or structures with several quantum wells in 9 nm inGaAs in InAlAs barriers.
  • the entrance mirror is placed on one side of the glass slide: Er, Yb. It is a stack of Si0 2 / Ti0 2 layers produced by ion sputtering.
  • the anti-reflective layer is deposited, for example on the other face of the glass slide and the output mirror on the semiconductor.
  • the strips of semiconductor materials are assembled mechanically with glass strips: Er, Yb.
  • the cavity is pumped by a laser diode emitting around 975 nm (commercially available from Spectra Diode Labs in the USA).
  • microlasers according to the invention make it possible to deliver long pulses of strong energy, at high rate of fire, which is interesting for many applications: 1) generation and detection of ultrasound using short pulses and long pulses (coded pulse trains for application to non-destructive testing) ultrasound), 2) numerous medical applications:
  • optical data storage which uses pulses of determined lengths to erase, write or read data
  • solid lasers for example those whose amplifying medium is made of sapphire doped with titanium
  • laser diodes cannot currently be pumped by laser diodes.
  • the use of solid lasers pumped by laser diodes and emitting sufficiently long pulses to obtain effective pumping of the preceding is a solution which can prove to be very profitable.
  • US 5,321,709 A US 5,321,709 and US 5,805,622 relate to lasers triggered with a pulse extender. This device, in both cases, includes a non-linear material for converting optical frequency (frequency doubling, frequency summation).
  • phase tuning there is an interaction between coherent waves whose optical frequencies have a simple relationship (for example, one being twice the other, or one being the sum of two other distinct frequencies).
  • This interaction can be modeled by a named coefficient. 2 for example. The higher the coefficient, the more effective the nonlinear effect.
  • Another condition is necessary: a phase relationship must be respected between the waves since they do not have the same wavelength, this condition is known as phase tuning. When it is satisfied, there is effectively frequency conversion, for example frequency doubling.
  • the photorefractive effect is obtained in a material in which at least two waves propagate. These two waves must be coherent to be able to produce interference in the material. This is necessarily only possible if the two waves have equal wavelengths or optical frequencies.
  • This interference consists in the modulation in space of the intensity of the light. Some areas are brightly lit and other areas receive no radiation. In the zones illuminated, the light excites the free carriers of the material. These excited carriers move and are trapped in the material. This displacement phenomenon causes a local modification of the index of the material. An index network conforming to the location of the interference fringes is therefore created in the material. This grating would diffract a third beam (always at the same wavelength) which would cross the material.
  • the photorefractive crystal works whatever its crystallographic orientation.
  • the effects are easily distinguished by two aspects: the equal or different wavelengths (for example double, triple, in a sum relation, ...); the need to orient the non-linear element relative to the axis of the beams (nonexistent for the photorefractive element).
  • lithium niobate (LiNb03) is both non-linear and photorefractive. It is possible, in view of the above criteria, to know whether this crystal is used in frequency converter or in photorefractive material.
  • the lithium niobate in a phase-matched configuration.
  • SHG that is to say of generation of second harmonic and therefore of frequency doubling.
  • SFM for “sum-frequency-mix”

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Abstract

Laser à l'état solide, notamment microlaser, capable d'émettre des impulsions longues. Ce laser comprend une cavité résonante et, dans cette cavité, un milieu amplificateur (22) et un modulateur de pertes (24), afin d'engendrer des impulsions lumineuses après pompage optique du milieu amplificateur, ainsi qu'un moyen (28) d'allongement des impulsions par l'effet photoréfractif. Application à la médecine et au contrôle non destructif.

Description

MICROLASER CAPABLE D'EMETTRE DES IMPULSIONS LONGUES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne les lasers solides, notamment les microlasers, destinés à émettre des impulsions lumineuses.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un laser solide, ou laser à l'état solide, est un laser dont le milieu amplificateur est un solide. Il s'agit souvent d'un monocristal dopé ou non, d'un verre, ou plus rarement d'un polymère. En vue de son pompage optique, ce solide est souvent excité par une source lumineuse telle qu'une lampe, un flash, une diode laser, voire une diode électroluminescente.
Le milieu amplificateur est placé dans une cavité résonante. Il existe plusieurs types de cavités résonantes, les plus utilisées étant les cavités de Fabry-Perot à deux miroirs ou les cavités en anneau à trois ou quatre miroirs. Les miroirs utilisés sont plans ou sphériques. Parfois, ces miroirs sont remplacés par des prismes. Des lentilles ou des miroirs de renvoi sont éventuellement utilisés dans la cavité. L'ensemble est aligné au moyen de montures mécaniques précises. L'un des miroirs constitue souvent le coupleur de sortie : le faisceau laser est extrait par ce miroir qui est partiellement réfléchissant. D'autres systèmes de couplage de sortie existent.
Un microlaser est un laser à l'état solide particulier. Son milieu amplificateur est constitué par un matériau laser de faible épaisseur (généralement de l'ordre de 150 à 2000 μm) et de petites dimensions (généralement quelques millimètres carrés) . Les miroirs de la cavité résonnante sont en général directement déposés sur les faces optiques polies du matériau laser. De plus, le microlaser est en général pompé par une diode laser, qui est soit directement hybridée sur le microlaser, soit couplée à celui-ci par l'intermédiaire d'une fibre optique.
Dans le cas où le microlaser comporte plusieurs composants, tous ces composants sont assemblés de diverses manières pour ne former qu'un seul élément monolithique. Le microlaser est poli sur ses deux faces terminales (ces deux faces sont perpendiculaires à l'axe du laser) . Les miroirs qui forment la cavité résonnante sont déposés directement sur les faces polies sous forme de couches minces. L'une des faces possède une réflectivité maximum, proche de 100%, et l'autre est semi-réfléchissante afin de transmettre une partie de la lumière à l'extérieur de la cavité.
Le milieu amplificateur peut constituer le substrat du microlaser. En utilisant des techniques de fabrication et d'usinage issues de la microélectronique, des plaques peu épaisses (quelques centaines de micromètres) et de grande dimension (plusieurs centimètres) peuvent être traitées puis découpées en un très grand nombre d'unités. Un laser solide (ou un microlaser) peut être déclenché (« Q s itched ») de façon active ou passive, en introduisant, dans la cavité, un modulateur de pertes c'est-à-dire un moyen de modulation du facteur de surtension (« Q factor ») de cette cavité.
Pour le déclenchement actif, la valeur des pertes introduites dans la cavité (résonateur) est commandée de façon externe par exemple au moyen d'un modulateur acousto-optique qui diffracte de la lumière hors du résonateur ou d'un modulateur électro-optique qui permute la polarisation du faisceau laser dans ce résonateur. De tels modulateurs nécessitent des moyens électroniques de commande capables de fournir des signaux radiofréquences pour le modulateur acousto- optique, ou bien des signaux de haute tension pour le modulateur électro-optique.
La figure 1 représente schématiquement un microlaser connu, déclenché de façon active par un modulateur électro-optique. Ce microlaser comprend successivement un miroir d'entrée 2, un milieu amplificateur 4, un miroir intermédiaire 6, un modulateur électro-optique 7, qui est muni de deux électrodes latérales de commande 8 et 9, et un miroir de sortie 10. Le milieu amplificateur 4 est fixé au miroir intermédiaire 6 au moyen d'une colle optique ou d'un cordon de résine 12. On a également représenté le faisceau de pompage optique 14 provenant par exemple d'une diode laser (non représentée) et destiné à exciter le milieu amplificateur 4 à travers le miroir d'entrée 2. On voit aussi le faisceau laser impulsionnel 16 qui en résulte et qui sort du microlaser par le miroir 10. Ces faisceaux 14 et 16 se propagent suivant le même axe X. Le fonctionnement d'un tel laser à déclenchement actif est décrit ci-après.
Au départ, le gain dans le milieu amplificateur est nul et les pertes dues au modulateur sont maximales, le seuil est donc très élevé et le laser n'oscille pas.
On pompe ce laser, l'énergie stockée dans le milieu amplificateur augmente. Le niveau de pompage et les pertes sont telles que le laser n'oscille pas. On diminue soudainement le niveau des pertes induites par le modulateur. En conséquence, le gain du milieu amplificateur devient largement supérieur au niveau des pertes totales, donc le gain net dans la cavité laser est très élevé. L'énergie stockée est libérée sous la forme d'une impulsion lumineuse géante, en un temps très court.
Lorsque le gain est épuisé, l'impulsion se termine. L'oscillateur laser s'arrête et l'on retrouve les conditions initiales. Pour le déclenchement passif, on utilise des modulateurs non linéaires sans alimentation extérieure et, plus précisément, des absorbants saturables, matériaux qui sont fortement absorbants lorsqu'on les éclaire avec un faisceau de faible densité de puissance et qui deviennent quasiment transparents lorsque cette densité dépasse un certain seuil (appelé intensité de saturation) .
La figure 2 représente schématiquement un microlaser connu, déclenché de façon passive. Ce microlaser comprend successivement le miroir d'entrée 2, le milieu amplificateur 4, un absorbant saturable 18 et le miroir de sortie 10. On voit encore le faisceau de pompage 14 et le faisceau laser 16 engendré par le microlaser. L'absorbant saturable 18 est par exemple une couche sol-gel ou semiconductrice, ou un matériau massif, dopé avec des ions actifs. Le fonctionnement d'un tel laser à déclenchement passif est décrit ci-après.
Au départ, le gain dans le milieu amplificateur est nul et les pertes (absorption) dues à l'absorbant saturable sont maximales, le seuil est donc élevé et le laser n'oscille pas.
On pompe ce laser : l'inversion de population augmente jusqu'à ce que le gain compense les pertes. L'effet laser peut alors commencer mais à un niveau très faible puisque le gain net (c'est-à-dire le gain moins les pertes) de la cavité est quasiment nul.
Les quelques photons laser présents dans la cavité sont absorbés par l'absorbant saturable : la transmission de celui-ci augmente légèrement, donc les pertes diminuent. En conséquence, le gain net augmente, donc le nombre, de photons dans la cavité augmente. Ce comportement « en boucle » s'amplifie progressivement. Très rapidement, l'absorbant se sature et les pertes atteignent leur niveau minimum. Le gain net dans la cavité est alors très important. L'énergie stockée est libérée sous la forme d'une impulsion lumineuse géante, en un temps très court.
Lorsque le gain est épuisé, l'impulsion se termine. L'oscillation laser s'arrête et l'absorbant saturable redevient progressivement opaque. On retrouve les conditions initiales une fois que l'absorbant saturable s'est complètement désexcité.
Pour chaque longueur d'onde laser, il faut trouver un matériau absorbant saturable qui fonctionne à cette longueur d'onde. A titre d'exemple, divers matériaux absorbants saturables sont donnés dans le document [11] auquel on se reportera et qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description.
Un certain nombre d'applications des lasers nécessitent des impulsions dont la durée est de l'ordre de 100 nanosecondes à 1 milliseconde avec des puissances-crêtes non négligeables (supérieures à 1 watt) .
Le découpage temporel d'un laser continu, qui produit des puissances-crêtes faibles, n'est pas utilisable pour ces applications.
A partir d'un laser unique, il est cependant possible d'obtenir des impulsions d'assez longue durée au moyen de diverses méthodes :
- le pompage impulsionnel encore appelé « mode relaxé » ou « mode « normal »,
- le déclenchement dans des cavités de très grande longueur (quelques mètres) -voir le document [1] - en utilisant éventuellement une fibre optique,
- le déclenchement actif utilisant un modulateur de pertes commandé en temps réel - voir le document [2],
- la modulation du gain (« gain-switch ») - voir le document [3], et
- l'utilisation d'un miroir à conjugaison de phase dans la cavité résonante - voir le document [4] - à la place de l'un des miroirs terminaux de cette cavité résonante . Dans le cas du mode relaxé, le milieu amplificateur est pompé par une impulsion lumineuse provenant de la source de pompage. Le laser émet alors une série d'impulsions lumineuses amorties correspondant au régime transitoire de démarrage du laser. Ce phénomène est indésirable lorsqu'on désire une impulsion longue (c'est-à-dire une impulsion de longue durée) . Il existe cependant des améliorations de cette technique :
- le mode relaxé avec sélection d'une impulsion au moyen d'un modulateur (découpage temporel) - voir le document [5] et
- le mode relaxé avec un absorbant non-linéaire dans la cavité laser, qui moyenne la puissance de l'ensemble des impulsions émises (voir le document [6] mais aussi le document [7] où l'on explique que les impulsions obtenues présentent encore des oscillations) . En fait, les lasers solides connus ne sont pas adaptés à l'émission d'impulsions longues (de l'ordre de 100 ns à 1 ns ou plus) à des fréquences moyennes ou élevées, supérieures ou égales à 500 Hz.
En particulier, aucun microlaser connu n'est capable d'émettre des impulsions dont la durée est supérieure à une centaine de nanosecondes.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a pour objet un laser solide comprenant une cavité résonante et, dans cette cavité, un milieu amplificateur et un modulateur de pertes, afin d'engendrer des impulsions lumineuses après pompage optique du milieu amplificateur, ce laser étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans la cavité, un moyen d'allongement de la durée des impulsions lumineuses par l'effet photoréfractif qui est un effet optique non-linéaire ne transformant pas la longueur d'onde du laser.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ce moyen d'allongement de la durée et le milieu amplificateur (ou le modulateur de pertes) sont formés à partir d'un même matériau.
Selon un autre mode de réalisation particulier, le moyen d'allongement de la durée, le milieu amplificateur et le modulateur de pertes sont formés à partir de matériaux différents.
Selon un mode de réalisation préféré du laser objet de l'invention, ce laser est un microlaser. Le moyen d'allongement de la durée des impulsions lumineuses est par exemple un élément comprenant au moins une couche d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les cristaux semiconducteurs, les cristaux d'oxydes et les polymères, ayant des propriétés photoréfractives . A titre d'exemple, le matériau constitutif d'un tel élément connu pour ses propriétés photoréfractives (voir le document [9]) peut être :
- un cristal semiconducteur semi-isolant comme le phosphure d' indium dopé fer (InP:Fe), l'arséniure de gallium (AsGa) , le tellure de cadmium dopé vanadium ou titane (CdTe:V ou CdTerTi), ou d'autres semiconducteurs connus pour leurs propriétés photoréfractives, ou
- un cristal de matériau oxyde, comme BaTi03, Biι2SiO20, LiNb03:Fe, ou
- un polymère déposé sous la forme d'une couche mince ou d'une pluralité de couches minces, ce polymère étant par exemple un mélange d'un polymère chromatophore et d'un polymère conducteur dans une matrice polymère (voir le document [10]).
L'élément peut être compris entre deux électrodes prévues pour créer, lorsqu'une tension électrique est appliquée entre elles, un champ électrique parallèle à l'axe de propagation des impulsions lumineuses engendrées dans la cavité.
Selon un premier mode de réalisation particulier du laser objet de l'invention, le modulateur de pertes est un milieu absorbant saturable, le laser étant ainsi déclenché passivement.
Ce milieu absorbant saturable est par exemple choisi dans le groupe comprenant :
- les cristaux, les couches monocristallines et les couches sol-gel, qui sont dopés avec des ions absorbants saturables,
- les semiconducteurs ternaires ou quaternaires dont la composition est ajustée pour obtenir une largeur de bande interdite voisine de la fréquence d'émission du laser et
- les semiconducteurs comprenant un ou une pluralité de puits quantiques (« quantum wells ») de largeur adaptée à la longueur d'onde du laser.
Dans le cas où le milieu amplificateur (le matériau laser) est monocristallin, une couche monocristalline formant le milieu absorbant saturable peut être déposée par epitaxie en phase liquide sur ce milieu amplificateur et peut être accordée à celui-ci du point de vue des mailles cristallines ou, au contraire, contrainte.
De préférence, un semiconducteur ternaire ou quaternaire formant le milieu absorbant saturable est déposé par epitaxie par jet moléculaire (« molecular beam epitaxy ») ou par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (« metalorganic chemical vapor déposition ») sur un substrat semiconducteur qui est ensuite assemblé avec le milieu amplificateur.
De plus, dans le cas d'un semiconducteur quaternaire, la composition de ce dernier est de préférence ajustée en outre pour obtenir un matériau qui est accordé à celui du substrat correspondant du point de vue des mailles cristallines et qui est donc non contraint .
Le ou les puits quantiques mentionnés plus haut sont par exemple formés sur un substrat semiconducteur qui est assemblé avec le milieu amplificateur.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier du laser objet de l'invention, le modulateur de pertes est un modulateur commandé en tension, le laser étant ainsi déclenché activement. Selon un mode de réalisation particulier du laser objet de l'invention, le modulateur de pertes (en particulier lorsqu'il s'agit d'un absorbant saturable) et le moyen d'allongement de la durée des impulsions lumineuses sont associés au milieu amplificateur par un procédé choisi dans le groupe comprenant :
- l'assemblage avec une colle optique,
- l'assemblage avec un cordon de résine,
- le dépôt sous la forme d'au moins une couche mince et
- le dépôt sur un substrat distinct du milieu amplificateur, ce dépôt étant suivi d'un assemblage de ce substrat avec ce milieu amplificateur.
Au sujet de l'assemblage avec un cordon de résine on se reportera au document [8] . En ce qui concerne la couche mince, il s'agit par exemple d'une couche sol-gel ou d'une couche épitaxiée, dopée avec des ions absorbants saturables.
En ce qui concerne le substrat, ce dernier peut être ensuite enlevé mais il peut déjà contenir un miroir constituant le miroir de sortie de la cavité résonante auquel cas ce substrat est conservé.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la cavité résonante est délimitée par un miroir d'entrée et un miroir de sortie et le moyen d' allongement de la durée des impulsions lumineuses est disposé entre le modulateur de pertes et le miroir de sortie ou entre ce modulateur de pertes et le milieu amplificateur . Dans la présente invention, les longueurs
'd'onde de base particulièrement intéressantes sont 0,946 μm, 1,06 μm, 1,3 μm, 1,55 μm et 2 μm. Mais on peut obtenir d'autres longueurs d'onde en utilisant un élément optique non-linéaire pour obtenir des harmoniques de ces longueurs d'onde de base (par exemple 473 nm, 532 nm, 466 nm) ou pour générer des longueurs d'onde supérieures, par exemple par oscillation paramétrique optique ou amplification paramétrique optique (OPO ou OPA) . Pour toutes les longueurs d'onde de base, il est possible de trouver un absorbant saturable adapté en longueur d'onde (par exemple un matériau semiconducteur) .
De plus, pour la plupart des longueurs d'onde, il est possible de trouver un matériau qui présente des propriétés photoréfractives (par exemple InP semi-isolant entre 0,85 et 1,6 μm, AsGa semi- isolant entre 0,8 et 1,8 μm et BaTi03 entre 0,4 et 0,9 μm) . D'autres matériaux solides non-linéaires connus sont utilisables : par exemple KTP, BBO, LiI03, LiNb03 et CdS .
On indique ci-après divers avantages de l'invention.
Un microlaser conforme à l'invention conserve les avantages d'un microlaser de type continu ou déclenché (compacité, coût réduit, fabrication collective, fiabilité du fait de son caractère monolithique et indéréglable, maintenance réduite, conception de microsystème optique grâce à l'utilisation de composants micro-optiques).
D'autres avantages spécifiques s'ajoutent :
Les impulsions produites sont longues et répondent à toutes les applications où un laser solide connu, à déclenchement et à commutation de gain n'apporte pas de solution (voir plus loin
« Applications industrielles ») .
Souvent les lasers solides déclenchés produisent des impulsions lumineuses courtes et ont de ce fait des puissances-crêtes élevées. Ceci conduit souvent à l' endommagement ou à la destruction des surfaces rencontrées par ces impulsions au cours de leur utilisation. Des impulsions longues, obtenues grâce à l'invention, permettent de répartir la même énergie dans le temps et d'éviter les pics de puissance dangereux.
Dans l'invention, en agissant sur les paramètres de l'absorbant saturable (cas du déclenchement passif) et sur les paramètres de l'élément non-linéaire prévu pour allonger les impulsions, on peut jouer sur la forme des impulsions émises : impulsions triangulaires ou d'allure gaussienne par exemple.
Les impulsions longues peuvent être modulées temporellement . A titre d'exemple, un code peut être associé à chaque impulsion émise par le laser en utilisant un modulateur en dehors de la cavité du laser.
Dans le cas d'un laser conforme à l'invention, à déclenchement actif, il peut arriver que le matériau modulateur de pertes soit aussi photoréfractif . Un exemple est le cas de LiNb03, qui est un matériau électro-optique utilisable pour le déclenchement actif des lasers. Lorsque ce matériau est dopé avec du fer, il devient photoréfractif . De toute façon, de manière générale, un matériau photoréfractif présente -. un coefficient électro-optique non négligeable. Muni d'électrodes, il peut donc jouer le rôle de modulateur commandé en tension pour le déclenchement actif d'un laser conforme à l'invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un microlaser connu, déclenché de façon active, et a déjà été décrite, • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un microlaser connu, déclenché de façon passive, et a déjà été décrite,
• la figure 3A est une vue en coupe longitudinale schématique d'un microlaser conforme à l'invention, comprenant un absorbant saturable et un élément photoréfractif,
• la figure 3B est une vue en coupe longitudinale schématique d'un laser solide conforme à l'invention, comprenant un absorbant saturable et un élément photoréfractif,
• la figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre microlaser conforme à l'invention, comprenant un absorbant saturable déposé en couche mince, et
• la figure 5 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre microlaser conforme à l'invention, comprenant un élément photoréfractif compris entre deux électrodes.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le microlaser conforme à l'invention, qui est schematiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 3A, comprend successivement un miroir d'entrée 20, un milieu amplificateur ou milieu à gain 22, un absorbant saturable 24 compris entre deux couches intermédiaires 26 et 27 servant à contrôler les coefficients de réflexion et de transmission à chaque interface entre deux matériaux distincts, et par exemple réalisées par un ensemble de couches en Si02 et Ti02 alternées, un élément photoréfractif 28 et un miroir de sortie 30.
On voit aussi un faisceau 32 de pompage optique du milieu amplificateur, envoyé vers ce dernier suivant un axe X, à travers le miroir d'entrée, ainsi qu'un faisceau laser impulsionnel, ou impulsion laser 34, qui est engendré par le milieu amplificateur ainsi excité et qui se propage aussi suivant l'axe X.
Le laser solide conforme à l'invention, qui est schematiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 3B, comprend successivement un miroir d'entrée 35, un milieu amplificateur 36, un absorbant saturable 38, un élément photoréfractif 40 et un miroir de sortie 42. On voit aussi le faisceau 44 ou 45 de pompage du milieu amplificateur 36 et le faisceau laser impulsionnel engendré 46 qui se propage suivant le même axe X que le faisceau 44 (ce faisceau 44 correspondant à un pompage longitudinal et le faisceau 45 à un pompage transverse) . Dans le laser solide de la figure 3B, les composants 35, 36, 38, 40 et 42 sont espacés les uns des autres alors que les composants du microlaser de la figure 3A sont en contact les uns avec les autres (et il en est de même pour les microlasers des figures 4 et 5) .
Le microlaser conforme à l'invention, qui est schematiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 4, comprend successivement un miroir d'entrée 48, un milieu amplificateur 50, une couche mince 52 d'un absorbant saturable, un substrat photoréfractif 54 et un miroir de sortie 56.
Une couche anti-reflet 58 (par exemple en MgF2) ou un ensemble de couches antireflet (par exemple en Si02/Ti02) est éventuellement interposé entre le milieu amplificateur et la couche mince 52.
Le substrat 54 est semiconducteur (par exemple en InP dopé Fe, en AsGa non dopé ou en CdTe dopé V ou Ti) et la couche mince 52, également semiconductrice, est déposée sur ce dernier.
Le milieu amplificateur 50 est fixé à la couche 52 (ou à la couche 58 lorsqu'elle existe) par un cordon de résine 60 ou par une couche de colle optique. On voit encore un faisceau 62 de pompage du milieu amplificateur et le faisceau laser impulsionnel engendré 64 qui se propagent suivant un même axe X.
Le microlaser conforme à l'invention, qui est schematiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 5, comprend successivement un miroir d'entrée 66, un milieu amplificateur 68, une couche photoréfractive 70, un absorbant saturable 72 et un miroir de sortie 74. On voit aussi un faisceau 76 de pompage optique du milieu amplificateur et le faisceau laser impulsionnel engendré 78 qui se propagent suivant un même axe X.
La couche photoréfractive 70 peut être placée entre deux électrodes 80 et 82 pour créer un champ électrique (continu ou alternatif) parallèle à l'axe X en appliquant une tension électrique appropriée
(continue ou alternative) entre les électrodes. Ce champ permet d'agir sur l'efficacité de l'effet photoréfractif . On peut par exemple utiliser des électrodes transparentes en ITO. Dans le laser solide de chacune des figures
3A, 3B, 4 et 5, l'absorbant saturable (par exemple 24 sur la figure 3A ou 38 sur la figure 3B) peut être remplacé par un modulateur électro-optique (25 sur la figure 3A et 39 sur la figure 3B) , pour former un laser impulsionnel déclenché de façon active.
On explique maintenant un exemple de procédé de fabrication d'un microlaser conforme à l'invention.
Il convient de noter que trois fonctions sont réunies dans la cavité de ce microlaser et sont accomplies grâce à des matériaux que l'on peut assembler selon différentes techniques possibles. La fabrication de ce microlaser a lieu selon les étapes suivantes, toutes compatibles avec une fabrication collective.
1°) Découpage du matériau laser en tranches de 25 mm de diamètre par exemple, en fonction éventuellement des axes cristallographiques pour un matériau cristallin anisotrope. Une scie à lame diamantée peut être utilisée.
2°) Rodage puis polissage des deux faces de chaque tranche, pour avoir des faces planes et parallèles. L'épaisseur du matériau laser est fixée par cette étape.
3°) Préparation d'un substrat photoréfractif (découpe, polissage, nettoyage) . Des substrats de ce genre sont disponibles dans le commerce (par exemple auprès de la société Inpact (France) notamment pour InP:Fe).
4°) Dépôt de l'absorbant saturable sur ce substrat. Dans le cas de matériaux semiconducteurs, la technique d' epitaxie par jet moléculaire (MBE) ou de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques
(MOCVD) est utilisable.
5°) Nettoyage et polissage de l'ensemble substrat photoréfractif + absorbant saturable. Le polissage ne concerne que la face du substrat photoréfractif .
6e) Dépôt du miroir d'entrée sur le matériau laser et éventuellement d'une couche antireflet sur le matériau laser ou sur l'ensemble substrat photoréfractif + absorbant saturable, ainsi que du miroir de sortie sur le substrat photoréfractif. La couche antireflet se trouve entre les deux éléments et fonctionne à la longueur d'onde du laser. 7e) Assemblage de la tranche de matériau laser et de l'ensemble substrat photoréfractif + absorbant saturable, par exemple par collage sous presse ou en suivant l'enseignement du document [8] . Les miroirs sont à l'extérieur de l'assemblage. 8°) Découpe des puces microlasers
(« microchip lasers ») avec une scie circulaire diamantée (identique à celle qui est utilisée en microélectronique) .
9°) Connexion d'une diode de pompage optique à chaque microlaser.
Il est possible également de réaliser des microlasers conformes à l'invention .de façon individuelle, en assemblant des échantillons de petite taille (quelques millimètres) des différents matériaux. Par exemple, un laser conforme à l'invention est réalisable à l'aide d'un verre dopé avec de l'erbium et de l'ytterbium, un cristal de LMA dopé avec du cobalt (voir le document [11]) et un cristal d' InP semi-isolant dopé avec du fer. Des microlasers ont été réalisés avec un milieu à gain constitué de verre de phosphate dopé à 0,8% en masse avec de l'oxyde d'erbium (Er203) et à 20% en masse avec de l'oxyde d'ytterbium (Yb203) . Ce genre de verre : Er, Yb est commercialement disponible auprès de la société Kigre aux USA. Il possède une composition en Er et Yb spécialement adaptée au fonctionnement d'un microlaser à 1,55 μm. Une lame de verre de 0,75 mm ou de 1 mm d'épaisseur est utilisée. Elle a été polie pour obtenir deux faces planes et parallèles.
Le rôle de l'absorbant saturable est tenu par une couche de matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite est fixée par la longueur d'onde souhaitée (1,55 μm) . Les couches d'absorbant saturable sont soit des couches épaisses contraintes en InGaAs, soit des couches en InGaAIAs, soit des structures à plusieurs puits quantiques en inGaAs de 9 nm dans des barrières de InAlAs . Le miroir d'entrée est déposé sur une face de la lame de verre : Er, Yb. Il s'agit d'un empilement de couches Si02/Ti02 réalisé par pulvérisation ionique. De même, on dépose la couche antireflet par exemple sur l'autre face de la lame de verre et le miroir de sortie sur le semiconducteur. Les lamelles en matériaux semiconducteurs sont assemblées de façon mécanique avec des lamelles de verre : Er, Yb.
La cavité est pompée par une diode laser émettant autour de 975 nm (commercialement disponible auprès de Spectra Diode Labs aux USA) .
Les résultats typiques obtenus avec de tels microlasers sont donnés dans le tableau suivant :
Figure imgf000022_0001
On donne quelques exemples plus précis de matériaux semiconducteurs utilisables comme couche absorbante sur un substrat de InP:Fe servant à élargir les impulsions :
- semiconducteur In0, 8Ga.,52As sur substrat InP:Fe de 350 μm d'épaisseur (dopage Fe entre 1017 et 1018 atomes par cm3) , couche contrainte de 50 nm d'épaisseur,
- semiconducteur Ino,53Gao, As/Ino,52Alo, _As sur substrat InP:Fe (dopage Fe entre 1016 et 1017 atomes par cm3) comportant quatre ou sept puits quantiques de InGaAs d'épaisseur 9 nm entre des barrières InAlAs de 20 nm, le tout étant accordé en maille et non contraint (ce qui fixe la composition), le substrat InP:Fe ayant 400 μm d'épaisseur.
Un autre matériau absorbant saturable en LMA.Co, dopé à 0,3%, d'épaisseur 750 μm, assemblé avec une lamelle d'InP:Fe d'épaisseur 400 μm, elle-même assemblée avec une lamelle de verre : Er, Yb d'épaisseur 1 mm a permis d'atteindre des résultats semblables à ceux qui sont donnés dans le tableau.
APPLICATIONS INDUSTRIELLES
Les microlasers selon l'invention permettent de délivrer des impulsions longues de forte énergie, à haute cadence de- tir, ce qui est intéressant pour de nombreuses applications : 1°) génération et détection d'ultrasons en utilisant des impulsions courtes et des impulsions longues (trains d'impulsions codées pour l'application au contrôle non destructif par ultrasons) , 2°) nombreuses applications médicales :
• impulsions lasers d'environ 500 microsecondes pour enlever les anomalies de pigmentation de la peau comme par exemple les zones vascularisées, les taches et les tatouages
• la lithotripsie ou destruction des calculs
• le traitement des ulcères, avec des impulsions à forte cadence de répétition, 3°) utilisation d'impulsions longues codées, par exemple avec un code binaire pseudo-aléatoire, par exemple dans des émetteurs de télémétrie pour l'automobile ou les missiles, ou pour la mesure de la vitesse des écoulements de fluides, 4°) application faisant appel à la modulation de la durée des impulsions :
• l'impression laser
• le bistouri laser, qui coupe, cautérise, chauffe ou nécrose selon la durée et l'énergie des impulsions
• le stockage optique des données, qui fait appel à des impulsions de longueurs déterminées pour effacer, écrire ou lire les données,
5°) utilisation des impulsions longues dans certains procédés industriels, par exemple pour l'amélioration de la qualité des dépôts obtenus par ablation laser, le traitement de surface et les insolateurs utilisés en microélectronique,
6°) l'ignition par laser, par exemple pour les moteurs à essence ou encore pour les chaînes d'amplificateurs destinés à la fusion nucléaire, et
7°) utilisation des impulsions longues pour le pompage de lasers solides.
En effet, certains lasers solides (par exemple ceux dont le milieu amplificateur est en saphire dopé avec du titane) ne peuvent actuellement pas être pompés par des diodes lasers. L'utilisation de lasers solides pompés par diodes lasers et émettant des impulsions suffisamment longues pour obtenir un pompage efficace des précédents est une solution qui peut s'avérer très rentable.
Les documents cités dans la présente description sont les suivants : [1] Jani, Barnes, Murray, Applied Optics, vol.36, n°15, pp 3357-3362
[2] Panarella, Bradley, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.11, n°5, pp 181-185
[3] Fulbert, Kramer, Rabarot, Molva, Conférence ICF 1998, Proceedings SPIE, « Microchip lasers for the LMJ front end »
[4] Russel, brevet US 7276981 A, 06/06/1989, S.D. Russel
[5] Harrison, Rines, Moulton, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.24, n°6, pp 1181-1187 [6] Schwarz, Naiman, Chang, Applied Physics Letters, vol.11, n°7, pp 242-244
[7] Pinto, Esterowitz, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.30, n°l, pp 167-169
[8] Demande de brevet français n° 9608943 du 17 juillet 1996 - voir aussi EP 0820128 A
[9] Boyd, « Nonlinear optics », chapitres 10.4 à 10.7, Académie Press, 1992
[10] Meerholz, Journal of Optical Society of America, vol.15, n°7, p. 2114, 1998
[11] Demande de brevet français n° 9701010 du 30 janvier 1997 - voir aussi EP 0856924 A
[12] US 5,805,622 A
[13] US 5,321,709 A. US 5,321,709 et US 5,805,622 concernent des lasers déclenchés avec un dispositif d'allongement des impulsions. Ce dispositif, dans les deux cas, comprend un matériau non-linéaire de conversion de fréquence optique (doublage de fréquence, sommation de fréquence) .
Dans la présente invention, on ne souhaite en aucun cas convertir la fréquence du laser. Ce changement non désiré de fréquence est un problème. La technique de l'invention permet de conserver la fréquence et la longueur d'onde du laser.
On fait ci-après un rappel sur l'effet non- linéaire de type conversion de fréquence et l'effet photoréfractif : * L'effet non-linéaire de type conversion de fréquence.
Il se produit dans certains matériaux une interaction entre des ondes cohérentes dont les fréquences optiques présentent une relation simple (par exemple, l'une étant le double de l'autre, ou encore l'une étant la somme de deux autres fréquences distinctes) . Cette interaction peut être modélisée par un coefficient nommé . 2 par exemple. Plus le coefficient est fort et plus l'effet non linéaire est efficace. Une autre condition est nécessaire : une relation de phase doit être respectée entre les ondes puisque celles-ci n'ont pas la même longueur d'onde, cette condition est connue sous le nom d'accord de phase. Lorsqu'elle est satisfaite, il y a effectivement conversion de fréquence, par exemple doublage de fréquence. Pour satisfaire cette condition, il faut orienter le cristal selon les axes de l'ellipsoïde des indices du matériau : il faut orienter le cristal au moyen de rayons X par exemple puis le découper selon les bons angles qui respectent la relation d'accord de phase puis placer le cristal sur le faisceau et affiner son orientation par réglage mécanique et thermique.
* L'effet photoréfractif.
L'effet photoréfractif est obtenu dans un matériau dans lequel au moins deux ondes se propagent. Ces deux ondes doivent être cohérentes pour pouvoir produire des interférences dans le matériau. Nécessairement cela est possible uniquement si les deux ondes ont des longueurs d' onde ou des fréquences optiques égales. Ces interférences consistent en la modulation dans l'espace de l'intensité de la lumière. Certaines zones sont fortement illuminées et d'autres zones ne reçoivent aucun rayonnement. Dans les zones illuminées, la lumière permet d'exciter les porteurs libre du matériau. Ces porteurs excités se déplacent et sont piégés dans le matériau. Ce phénomène de déplacement provoque une modification locale de l'indice du matériau. Un réseau d'indice conforme à la localisation des franges d' interférence se crée donc dans le matériau. Ce réseau diffracterait un troisième faisceau (toujours à la même longueur d'onde) qui traverserait le matériau. Ici, le cristal photoréfractif fonctionne quelle que soit son orientation cristallographique .
En conclusion, les effets sont facilement distingués par deux aspects : les longueurs d'ondes égales ou différentes (par exemple double, triple, dans une relation de somme, ...) ; la nécessité d'orienter l'élément non-linéaire par rapport à l'axe des faisceaux (inexistant pour l'élément photoréfractif).
Il existe un cas particulier : le niobate de lithium (LiNb03) est à la fois non-linéaire et photoréfractif. Il est possible, au vu des critères précédents, de savoir si ce cristal est utilisé en convertisseur de fréquence ou en matériau photoréfractif. En l'occurrence, dans le document US 5,321,709, le niobate de lithium est dans une configuration d'accord de phase (« phase-matched ») . D'autre part il est fait à plusieurs reprises mention de « SHG » c'est-à-dire de génération de seconde harmonique et donc de doublage de fréquence. Il en est de même pour la « SFM » (pour « sum-frequency-mix ») c'est-à-dire la sommation de fréquence par mélange d'ondes, il est donc clair que les auteurs du document US 5,321,709 utilisent le LiNb03 en tant que convertisseur de fréquence.

Claims

REVENDICATIONS
1. Laser solide comprenant une cavité résonante et, dans cette cavité, un milieu amplificateur (22, 36, 50, 68) et un modulateur de pertes (24, 25, 38, 39, 52, 72), afin d'engendrer des impulsions lumineuses après pompage optique du milieu amplificateur, ce laser étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans la cavité, un moyen d'allongement de la durée des impulsions lumineuses par l'effet photoréfractif (28, 40, 54, 70).
2. Laser selon la revendication 1, ce laser étant un microlaser.
3. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le moyen d'allongement de la durée des impulsions lumineuses est un élément comprenant au moins une couche d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les cristaux semiconducteurs ayant des propriétés photoréfractives, les cristaux d'oxydes ayant des propriétés photoréfractives et les polymères ayant des propriétés photoréfractives .
4. Laser selon la revendication 3, dans lequel l'élément est compris entre deux électrodes (80, 82) prévues pour créer, lorsqu'une tension électrique est appliquée entre elles, un champ électrique parallèle à l'axe de propagation des impulsions lumineuses engendrées dans la cavité.
5. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le modulateur de pertes est un milieu absorbant saturable (24, 38, 52, 72), le laser étant ainsi déclenché passivement.
6. Laser selon la revendication 5, dans lequel le milieu absorbant saturable est choisi dans le groupe comprenant :
- les cristaux, les couches monocristallines et les couches sol-gel, qui sont dopés avec des ions absorbants saturables,
- les semiconducteurs ternaires ou quaternaires dont la composition est ajustée pour obtenir une largeur de bande interdite voisine de la fréquence d'émission du laser et
- les semiconducteurs comprenant un ou une pluralité de puits quantiques de largeur adaptée à la longueur d'onde du laser.
7. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le modulateur de pertes est un modulateur commandé en tension (25, 39) , le laser étant ainsi déclenché activement.
8. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le modulateur de pertes et le moyen d'allongement des impulsions lumineuses sont associés au milieu amplificateur par un procédé choisi dans le groupe comprenant :
- l'assemblage avec une colle optique,
- l'assemblage avec un cordon de résine (60), - le dépôt sous la forme d'au moins une couche mince et
- le dépôt sur un substrat distinct du milieu amplificateur, ce dépôt étant suivi d'un assemblage de ce substrat avec ce milieu amplificateur.
9. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la cavité résonante est délimitée par un miroir d'entrée (20, 35, 48, 66) et un miroir de sortie (30, 42, 56, 74) et le moyen d'allongement de la durée des impulsions lumineuses est disposé entre le modulateur de pertes et le miroir de sortie ou entre ce modulateur de pertes et le milieu amplificateur.
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