FR2665307A1

FR2665307A1 - Systeme laser adapte.

Info

Publication number: FR2665307A1
Application number: FR9108701A
Authority: FR
Inventors: Anthon Douglas William; Eggleston Alan Ted; Ristau Gregory Richard
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1992-01-31
Also published as: FR2665307B1; US5062117A; GB2248339A; JPH0621539A; DE4122832A1; GB2248339B; GB9114710D0

Abstract

L'invention décrit un système laser (10) comprenant un support (20) dont une extrémité est destinée à recevoir de la lumière de pompage provenant d'une source (12) et dont l'extrémité opposée transmet de la lumière laser à une fibre optique (22), le support définissant un axe de propagation préétabli qui s'étend entre ses extrémités, et un matériau lasant (16) qui est porté par le support entre les extrémités du support et qui est positionné par le support à un angle qui est mesuré entre au moins un axe optique et l'axe de propagation (D), et qui a une valeur allant de 0 à 90degré .

Description

_ i _ La présente invention concerne d'une façon générale les lasers et en

particulier des systèmes laser dans lesquels la lumière est de préférence fournie ou utilisée à une longueur

d'onde préétablie.

Dans les systèmes laser, il est fréquemment souhaitable d'utiliser ou de fournir de la lumière à une longueur d'onde particulière Par réglage ou établissement de la longueur

d'onde de la lumière du laser, on peut optimiser le mode diopé-

ration spar exemple dé 6 Lencré l ar camm-zatron de type p ro c-

sent des impulsions intenses et très brèvesl, et on peut rédui-

re le bruit optique à la sortie (par exemple réduction dans les modes competitifsj ún outre, dans les systemes dans lesquels la lumière du baser esr transmise le icn 5 d'u Lne fi Dre optique, la sortie du laser est de préference à la Longueur d'onde ou

point de dispersion nulle de la fibre optique dans ce système.

Les lasers au néodyme à pompage par diodes se sont révélés être très utiles en tant que sources laser à haute puissance pour transmission vidéo par fibres optiques et de micro-ondes Le laser est normalement utilisé en tant que source stable à régime continu (CW= continuous- wave) pour un dispositif de modulation externe, tel qu'un modulateur à guide d'onde à niobate de lithium Dans cette application, il est important qu'il n'y ait pas de bruit externe introduit par le laser Le laser doit fonctionner en un mode unique

transversal afin d'éliminer tout battement de modes transver-

2 - saux De même, le laser doit être polarisé pour éviter le

battement entre des modes orthogonaux décalés en fréquence.

La maîtrise de la polarisation peut également être importante pour d'autres raisons, car, par exemple, les modulateurs externes sont fréquemment sensibles à la polarisation Il est également nécessaire d'éliminer le battement modal entre des modes longitudinaux adjacents Cela peut être réalisé par diminution de la longueur de la cavité du laser Par exemple, on peut réaliser une largeur de bande de 30 G Hz en réduisant10 à moins de 1 cm la longueur du chemin optique aller et retour dans la cavité Toutefois, des cavités aussi petites peuvent

être difficiles à construire, en particulier lorsqu'on uti-

lise des composants tels que des polariseurs à lame sous incidence brewstérienne (également dénommées ci-après "lames

de Brewster"); ces composants ont tendance à augmenter consi-

dérablement la longueur de la cavité La réduction au minimum de la longueur de la cavité du laser est habituellement la

plus aisée dans le cas d'une cavité de laser monobloc.

Si le système laser fonctionne correctement, la largeur de bande du système de fibres optiques est déterminée par les

propriétés de dispersion des fibres La vitesse de propaga-

tion d'une impulsion optique dans une fibre est déterminée par la vitesse de groupe "v" qui est définie par v= cld(n/x)/d( 1/k)l Dans cette équation, "c" est la vitesse de la lumière, "x" est la longueur d'onde et "n" est l'indice de réfraction réel pour la fibre En raison des effets de guide d'onde, la valeur réelle de "n" dépend de la géométrie de la fibre et peut ne pas être exactement égale à la valeur pour la silice fondue à l'état de masse Le fait que "v" dépende de la longueur d'onde est normalement exprimé par la dispersion "D" qui est définie par D=dv/d X Pour des fibres de silice fondue, la dispersion est habituellement exprimée par une formule empirique telle que D(X)=(S /4)lX-X 4 /A 3, dans laquelle les valeurs de 50 et ?o sont fournies par le fabricant de fibres Lorsque X=X^,, D(X) est égal à 0; cette 3 - longueur d'onde est la "longueur d'onde à dispersion nulle" de la fibre et est normalement comprise entre 1 300 nm et

1 320 nm.

Dans de nombreux cas, les impulsions optiques portant l'information le long de la fibre ne sont pas monochroma- tiques; elles ont une largeur spectrale "^" Cette largeur

est normalement définie comme la "largeur totale à mi-

hauteur" (FWHM, initiales de l'expression anglaise "Full Width at Half Maximum"), bien qu'avec une source laser en mode multi-longitudinal, la distribution réelle de longueurs d'onde comporte normalement plusieurs pics distincts En

raison de la dispersion, les composants à différentes lon-

gueurs d'onde de l'impulsion se propagent avec des vitesses différentes Cela provoque l'élargissement de l'impulsion à mesure qu'elle progresse le long de la fibre La déformation résultantedu signal optique réduit le taux de modulation du signal sans réduire la puissance totale La déformation est caractérisée par l'étalement de l'impulsion "At" qui est définiepar àt=D(k)lAX/Ll, "L" étant la longueur de la fibre optique Elle représente la différence des temps de transit entre deux impulsions à longueurs d'onde X-(G&/2) et x+(AX/2) Lorsque X=X (c'est-à-dire lorsque le laser pompe la fibre optique à la longueur d'onde a dispersion nulle),

D(X)= O et At= 0.

La largeur de la bande de transmission d'informations pour la fibre est essentiellement déterminée par l'étalement des impulsions Si une source optique, ayant une distribution de longueurs d'onde comportant s pics égaux à X-(AX/2) et x+(Qx/2), est modulée en amplitude avec une onde sinusoïdale à une fréquence f= 1/( 2 n Z), le taux de modulation de la sortie

est zéro Cela se produit parce que la sortie à X ( 4 /2) est déca-

lée en phase d'une demie période par rapport à celle à X+(ftx/2) La perte de modulation est moins grave si l'on admet une distribution de longueurs d'onde plus uniforme; elle est seulement d'un facteur de 2 si l'on utilise une 4 -

impulsion spectralement uniforme Il en résulte que la fré-

quence f= 1/( 2 Làr) est en général désignée par la "largeur de bande optique 3-d B" de la fibre La largeur de bande de

transmission de la fibre peut être rendue maximale par réduc-

tion au minimum soit de D(X), soit de AA Pour l'alimentation de la fibre optique, on choisit de préférence une source laser telle que le laser fonctionne aussi près que possible de la longueur d'onde à dispersion nulle (par exemple 1 301,5

à 1 321,5 nm) de la fibre optique ou à D(k)=o.

Un autre problème qui apparaît dans des applications de

fibres optiques est celui de la diffusion de Brillouin stimu-

lée (SBS, initiales anglaises de l'expression "Stimulated Brillouin Scattering") lAoki et coll, J Opt Soc Am B, ( 2), 358-363 ( 1988)l La SBS est un mécanisme de perte non linéaire qui devient important lorsque des sources laser à haute puissance sont propagées par de longues fibres optiques à faible perte La sortie spectrale d'un laser au néodyme à pompage par diode consiste normalement en plusieurs modes à largeurs -de raies de l'ordre du kilohertz espacées à intervalles de plusieurs gigahertzs Comme indiqué par Aoki et coll, dans ces conditions, la SBS devient un problème lorsque la puissance-par-mode excède une certaine valeur seuil Ainsi, la puissance maximale admissible dans la fibre est déterminée par le nombre de modes oscillants dans le laser à pompage, ainsi que par la façon dont l'énergie est répartie entre ces modes On peut réaliser un laser satisfaisant à ces exigences en utilisant un matériau de laser ayant une crête

de gain relativement large, de sorte que plusieurs modes lon-

gitudinaux puissent fonctionner malgré le grand intervalle de fréquences requis Il va sans dire que le spectre d'émission d'un laser peut être beaucoup plus étroit que la largeur de la

crête de gain Les effets dans le laser qui tendent à entraî-

ner le laser vers un fonctionnement en mode multilongitudinal (par exemple perforation spatiale) doivent être soigneusement optimisés si l'on désire rendre maximale la largeur de raie - opérationnelle. Il y a donc au moins trois facteurs qui déterminent la

configuration spectrale optimale d'un laser pour des applica-

tions de fibres optiques dans la région G Hz Les exigences en ce qui concerne les bruits de battement de modes entraînent la condition que l'espacement des modes soit aussi grand que possible Les conditions requises pour supprimer la diffusion de Brillouin stimulée (SBS) suggèrent l'utilisation d'un matériau de laser ayant une crête de gain relativement large, de sorte que plusieurs modes longitudinaux largement espacés puissent fonctionner Enfin, l'exigence d'une grande largeur de bande de transmission par fibres entraîne la condition que la dispersion D(X)&X soit réduite au minimum En présence de la valeur élevée requise de AX, cette condition ne peut être

satisfaite que si l'on fait fonctionner le laser à une lon-

gueur d'onde à laquelle D(X) est zéro Il existe donc la nécessité de pouvoir disposer d'un laser polarisé ayant une

courte cavité de laser qu'il soit possible de faire fonction-

ner en plusieurs modes longitudinaux largement espacés et au

point de dispersion nulle de la fibre.

Les lasers au néodyme à pompage par diode; sont de très utiles sources haute puissance pour transmission vidéo par fibres optiques Une source particulièrement utile de lumière

laser est la diode laser à pompage au fluorure d'yttrium-

lithium dopé au néodyme (Nd:YLF ou NYLF) Les fortes transi-

tions de 1 pm, à 1 047 nm et 1 053 nm, sont largement utili-

sées pour des applications telles que le déclenchement par com-

mutation de type Q, le verrouillage de mode et le doublement intracavité; les plus faibles transitions de 1,3 um, à 1321 nm et 1 313 nm, sont également intéressantes; la raie à 1 313 nm est particulièrement intéressante pour des applications de fibres optiques, car elle est très voisine de la longueur d'onde X à disper- sion nulle dans les fibres de silice. Les cristaux laser biréfringents, tels que Nd:YLF, sont caractérisés par un ellipsoïde optique et ont normalement des 6 - spectres d'absorption et un gain fortement dépendants de la polarisation Dans le Nd:YLF, les plus fortes transitions de 1 pm ( F 3/2 411/2) se trouvent à 1 047 nm ( 6 n= 18 x 1020 cm 2) et à 1 053 nim (ó,= 12 x 10 - 20 cm 2) Les transitions de 1,3 pim ( F 3/2 I> /2) correspondantes se trouvent à 1 313 nm (G= 3 x 1 O cn) et à 1 321 nm (C = 3 x 1020 cn?) En outre, le spectre d'absorption à 800 nm est fortement polarisé Dans le YLF avec 1 % de Nd, le spectre d'absorption comporte deux

pics principaux à 792 et 797 nm, avec des coefficients d'ab-

sorption de aó= 1 cm 1, ae= 9 cm 1 à 792 nm et a = 3 cm 1, oa= 6 cm 1 à 797 nm Cela rend le Nd:YLF aisé à pomper avec une diode laser émettant de la lumière aux environs de

800 nm.

D'autres lasers utilisent un cristal-hôte de perovskite d'yttrium et d'aluminium (YAIO 3 ou YAP ou YALO) Le gain dépendant de la polarisation dans le YALO a été rapporté, et on a étudié les caractéristiques lasantes pour le pompage le long des axes cristallins principaux, par l'addition d'une perte sélective de polarisation dans la cavité (par exemple par utilisation d'un sélecteur de longueurs d'onde et de polarisation tel qu'un prisme de Brewster) lG A Massey et coll, Appl Phys Lett, vol 18, n t ( 1971); G A Massey, Jour Quantum Electron, vol QE-8, n 7 ( 1972), p 669-674;

et A Abramovici, Optics Comm, vol 61, n 6 ( 1987), p 401-

404 l D'autres auteurs ont décrit la variation des spectres de fluorescence avec sélectivité de longueurs d'onde et de polarisation, dans des cavités de laser utilisant un cristal YALO lM J Weber et coll, Appl Phys Lett, vol 15 n 10

( 1969), p 342-345 l Il a été suggéré que,pour diverses tran-

sitions de YAP dopé au Nd, l'anisotropie des sections trans-

versales d'émission stimulée des axes principaux peut être

utilisée pour l'adaptation de Nd:YAP pour des applications la-

ser spécifiques M J Weber, Appi Phys, vol 42 N* 42 ( 1971), p 4996- 5005 On a étudié en particulier un fonctionnement déclenché amélioré par commutation p dans un laser YALO dopé au Nd -7 - et on a rapporté que les coefficients de gain pour Nd dans le cristal YALO dépendaient de l'orientation cristallographique des axes principaux du barreau lasant et du choix de l'axe cristallin ayant les caractéristiques de gain optimales lM Bass et coll, Appl Phys Lett, vol 17, N O 9 ( 1970)

p 395-398 l On n'a pas trouvé d'études semblables du YLF.

Les lasers Nd:YLF fonctionnent normalement avec un angle 8 " de 90 entre l'axe optique (c'est-à-dire l'axe c du cristal) et l'axe de propagation; la propagation se fait le long de l'axe a, le pompage est dans le pic d'absorption

ri-polarisé à 792 nm et l'émission laser est avec la transi-

tion 1 047 nm #-polarisée Avec des réflecteurs de cavité de 1 pim, cela conduit normalement à une émission à 1 047 nm

:9-polarisée, avec des puissances entre 50 et 100 m W La sor-

tie est normalement polarisée linéairement avec un rapport de polarisation de plus de 1 000:1 Un fonctionnement fiable en raie unique à soit 1 047 nm, soit 1 053 nm, peut être réalisé par alignement d'une lame de Brewster sur les axes 71 ou î du cristal On peut obtenir des puissances comparables à l'une ou l'autre longueur d'onde Malheureusement, la polarisation de sortie-est assez sensible à l'alignement des axes de la lame de Brewster sur les axes cristallins Comme on peut le voir d'après une analyse de matrice de Jones, tout défaut d'alignement entraîne une sortie elliptiquement polarisée En outre, non seulement la lame de Brewster augmente le rapport entre la dimensioe totale et la longueur de la source laser,

mais elle peut également réduire la puissance utile.

On peut atteindre une émission laser à 1053 nm,

6-polariséede Nd:YLF avec O = O degrés (c'est-à-dire propaga-

tion le long de l'axe c); toutefois, cela comporte deux problèmes En premier lieu, le laser n'est plus polarisé (c'est-à-dire qu'il fonctionne dans les deux polarisations disponibles) Pour des raisons mécaniques, il est presque impossible de garantir que la propagation se fera exactement

le long de l'axe c; cela conduit à un léger degré de biré-

8 -

fringence qui divise le laser en deux séries de modes ortho-

gonaux, qui tendent l'un et l'autre à laser Un second pro-

blème provient du fait que, si l'émission laser se propage le

long de l'axe c, la puissance de sortie est caractéristique-

ment inférieure de 20 % par rapport à l'émission d'un laser fonctionnant avec un angle de 90 par rapport à l'axe optique

(à savoir O = 90 ) Cela se révèle être dû à un pompage ineffi-

cace, car avec 6 = O seul le spectre 6-polarisé relativement faible est accessible Dans cette configuration, il est

en outre difficile de maîtriser la polarisation du laser.

L'introduction d'une lame de Brewster dans la cavité peut supprimer l'une des polarisations; toutefois, elle doit être alignée exactement avec les axes difficiles à trouver du cristal, sinon elle devient un filtre de Lyot (voir par exemple Ambramovici ci-dessus, pour Nd:YAP) En général, il est plus aisé d'ajouter la lame de Brewster au barreau dans

l'axe a, qui est aisé à trouver.

Des systèmes laser Nd:YLF polarisés de la même façon peuvent être construits de manière à fonctionner à 1 313/1 321 nm Avec une puissance d'entrée de 200 m W, on

atteint caractéristiquement des puissances de sortie com-

prises entre 25 et 50 m W Lorsqu'on fait fonctionner un laser Nd:YLF à 9 = 90 sans lame de Brewster, le laser fonctionne simultanément à la fois sur la raie à 1 313 nm d-polarisé_et

sur la raie à 1 321 nm 4-polarisés Les deux raies ont prati-

quement le même gain et elles ont l'une et l'autre tendance à laser. Ce fonctionnement en deux raies est caractéristique de nombreux matériaux de laser à 1,3 gm; par exemple, un laser

Nd:YAP fonctionnant à 1 319/1 338 nm et un laser Nd:GGG fonc-

tionnant à 1 323/1 331 nm Dans de nombreux matériaux, le fonctionnant en raie unique ne peut être atteint que si l'on introduit dans la cavité du laser un élément supplémentaire sélecteur de longeur d'onde, tel qu'un filtre de Lyot ou un étalon Dans le cas de Nd:YLF, on peut utiliser la maîtrise 99 _ de la polarisation à l'aide d'une lame de Brewster, pour atteindre un fonctionnement en raie unique à l'une ou l'autre

longueur d'onde On peut également atteindre un fonctionne-

ment à 1 313 nm par propagation le long de l'axe c (à savoir 8 = 900), avec tous les mêmes problèmes de pompage et de pola- risation que le système laser à 1 053 nm avec propagation le

long de l'axe c.

US-A-3 624 545 (Ross, délivré le 30 novembre 1971)

décrit un laser solide à pompage optique, composé d'un bar-

reau de YAG qui est pompé latéralement par au moins une diode laser à semi-conducteurs De même, US-A-3 753 145 (Chesler,

délivré le 14 août 1973) décrit l'utilisation d'une ou plu-

sieurs diodes à semi-conducteurs émettant de la lumière, pour

le pompage à l'extrémité d'un barreau de YAG dopé au néodyme.

L'utilisation d'un réseau de diodes laser pulsées, pour le pompage à l'extrémité d'un matériau lasant solide, tel que le YAG dopé au néodyme, est décrite dans US-A-3 982 201 (Rosenkranttz et coll, délivré le 21 septembre 1976) Enfin,

D.L Sipes, Appl Phys Lett, vol 47, N O 2 ( 1985), p 74-

75, a rapporté que l'utilisation d'un réseau de diodes laser à semiconducteurs étroitement focalisé, pour le pompage à l'extrémité d'un YAG dopé au néodyme, donne une conversion à haut rendement du rayonnement de pompage, ayant une longueur d'onde de 810 nm, en un rayonnement de sortie

ayant une longueur d'onde de 1 064 nm.

Ainsi, bien que la technique ait reconnu les spectres d'absorption et les gains dépendants de la polarisation de certains cristaux laser biréfringents, on fait normalement fonctionner ces cristaux à e= 00 ou 8 = 900 En outre, et cela

est plus important, les rendements accrus obtenus en faisant fonc-

tionner une fibre optique à la longueur d'onde à dispersion nulle X n'ont en général pas été liés à l'orientation d'un cristal laser par rapport à l'axe de propagation, ni à la manière dont cette orientation peut être utilisée pour optimiser le rendement du mode de fonctionnement du 1 0 laser, réduire son bruit optique ou adapter son spectre optique à certaines applications. Un objet de la présente invention est de fournir un nouveau système laser dans lequel un laser pompe une fibre optique avec des pertes minimales par dispersion. Un autre objet de l'invention est de fournir un système laser compact, à bon rendement énergétique, utilisant un cristal Nd:YLF pour fournir de la lumière polarisée à une

fibre optique, sans introduction d'éléments optiques supplé-

mentaires.

Encore un autre objet de l'invention est de fournir un système laser comprenant un matériau lasant biréfringent et un support pour le matériau lasant, qui aligne le matériau lasant, afin de réaliser un pompage à une longueur d'onde à

dispersion nulle.

Encore un autre objet de l'invention est de fournir un laser Nd:YLF pompé par diode, qui pompe une fibre optique à

environ 1,3 pm, qui utilise aussi peu de composants que pos-

sible et qui utilise une géométrie simple.

Un autre objet de l'invention est de fournir un moyen pour l'adaptation du spectre de sortie d'un système laser.

Selon la présent invention, on décrit un système laser spécifique comprenant un support comportant un extrémité qui est destinée à recevoir de la lumière de pompage à partir d'une source et comportant une extrémité opposée qui est des- tinée à transmettre de la lumière laser à une fibre optique, le support ayant un axe de propagation préétabli qui s'étend entre ses extrémités; et un matériau lasant qui est porté par le support en une position entre les extrémités du support,30 le matériau comportant au moins un axe optique et étant placé par le support à un angle qui est mesuré entre au moins un

axe optique et l'axe de propatagion, et qui a une valeur de O à 90 , le matériau lasant, lorsqu'il reçoit de la lumière de la source, ayant un spectre optique qui comprend un pic spec-

tral dominant dépendant de la polarisation, à une longueur il - d'onde qui est approximativement égale à la longueur d'onde à

dispersion nulle de la fibre optique.

Etant donné que les matériaux lasants solides biréfrin-

gents, tels que Nd:YALO ou Nd:YLF, ont caractéristiquement des spectres d'absorption et des coefficients de gain,pour les transitions du matériau dopantqui dépendent fortement de la polarisation, la maîtrise du mode de fonctionnement d'un laser, utilisant de tels agents de gain, peut être atteinte

par réglage de la polarisation ou de l'orientation cristallo-

graphique du matériau lasant dans la cavité du laser Dans des matériaux lasants solides biréfringents, les coefficients de gain dépendent de l'angle G que fait le chemin optique à

travers le cristal, par rapport à l'axe optique du cristal.

En outre, il existe une relation paramétrique qui exprime les différents coefficients de gain, pour les diverses raies de transition du matériau dopé dans le cristal, en tant qu'indices de réfraction du cristal pcur la ociarisation ordina-re et

la polarisation extraordinaire, et en tant que fonction tri-

gonométrique de l'angle O i -r Bcrn et E' Wolf, Pincr:-es of Optiques, 6 e édition, chapitre 14, Pergamon Press, New York i (USA) 1980 En conséquence, les coefficients de gain peuvent être optimisés par le choix de ô

Une utilisation très importante de la présente inven-

tion consiste en l'adaptation de la longueur d'onde de sortie à la longueur d'onde à dispersion nulle de la fibre optique qui est raccordée à la sortie du laser Selon la présente invention, la sortie est polarisée sans utilisation d'une lame de Brewster et sans détournement d'énergie à d'autres longueurs d'onde, la longueur d'onde de sortie du laser est adaptée à la longueur d'onde à dispersion nulle de la fibre optique, et il y a un battement de fréquences réduit En outre, étant donné que des moyens classiques de maîtrise de la polarisation, tels qu'une lame de Brewster, ne sont pas nécessaires, la longueur et la taille totales du laser sont

réduites.

12 -

L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement des modes d'exécu-

tion donnés à titre d'exemples non limitatifs Sur ces dessins, la figure 1 est une vue en plan d'une extrémité d'une boule de Nd:YLF montrant l'orientation de l'axe cristallo- graphique c de l'élément optique qui constitue le matériau lasant de la présente invention; la figure 2 est une vue latérale de l'élément optique de la figure 1; la figure 3 est une vue de l'extrémité de l'élément optique de la figure 2, selon la droite 3-3 de la figure 2; la figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système laser comprenant l'élément optique des figures 1 à 3;15 la figure 5 est une vue en section transversale par- tielle de l'extrémité du support sur la figure 4, tel que vue selon la droite 5-5; et la figure 6 est une vue latérale partielle du support de la figure 4, dans un mode de réalisation utilisant deux

cristaux à émission laser.

Si l'on se réfère à la figure 4, celle-ci représente les composants d'un système laser solide élémentaire 10 En particulier, ce système comprend une source de pompage 12,

une optique 14, un matériau lasant 16, un coupleur de sor-

tie 18 et un support 20 qui porte, dans cet exemple, la

source, l'optique, le matériau lasant et le coupleur de sor-

tie Le support 20 présente une extrémité 20 b alignée pour la transmission de la lumière provenant du matériau lasant, le

long d'un axe de propagation D, à une fibre optique 22.

Plus précisément, le rayonnement optique provenant du moyen de pompage optique ou de la source 12 est focalisé, par le moyen de focalisation ou l'optique 14, vers une extré- mité 16 a du matériau lasant 16 Le matériau lasant 16 est de préférence un matériau solide qui est capable d'être pompé35 par un rayonnement de pompage optique provenant d'une source -13 à diode laser La lumière émise par l'émission laser du maté- riau lasant 16 est contenue dans la cavité optique linéaire à

ondes stationnaires, définie par la surface réfléchis- sante 18 a du miroir ou coupleur de sortie 18 et un revêtement5 réfléchissant approprié sur la surface de l'extrémité oppo-

sée 16 a du matériau lasant Comme on l'expliquera en détail plus loin, le matériau lasant 16 a été construit par taille du cristal de manière que le chemin optique traversant le cristal soit défini comme étant en une certaine relation par

rapport à l'axe optique du cristal (voir figure 1).

Si l'on considère d'abord le support ou moyen de sup- port 20, le support est une structure portant les composants principaux du système laser 10 Dans le mode de'réalisation spécifique illustré, le support 20 comporte plusieurs inden-15 tations, fentes ou trous 12 s, 14 s, 16 S et 18 S pour recevoir ou porter les autres composants du système laser 10 Ces

fentes placent automatiquement les composants le long du che-

min optique, ou axe de propagation D, lors de leur insertion.

Les composants sont fixés en position dans le support 20 à l'aide de moyens mécaniques classiques, tels que des vis sans tête ou adhésifs ou colles classiques On pourra trouver des détails supplémentaires concernant les supports dans US-A-4 731 795 D'après ce qui suit, le spécialiste notera que le support 20 ne porte pas nécessairement l' optique 14 et

que le coupleur de sortie 18 peut être porté à l'extré-

mité 16 b du matériau lasant 16.

Les matériaux lasants 16 appropriés comprennent, mais sans se limiter à ceux-ci, des solides choisis parmi des matériaux hôtes cristallins et vitreux qui sont dopés avec un matériau actif, et des substances dans lesquelles le matériau

actif est un composant stoehiomètrique du matériau lasant.

Des matériaux actifs hautement appropriés comprennent, mais sans se limiter à ceux-ci, les ions chrome, titane et les terres rares Des résumés détaillés de matériaux lasants solides classiques sont donnés dans CRC Handbook of Laser 14 - Science ans Technology, vol 1, M J Weber éditeur, CRC Press Inc, Boca Raton, Floride (USA), 1982, p 72-135 et par A.A Kaminskii dans Laser Cystals, vol 14 de la série Springer Series in Optical Sciences, D L Mac Adam éditeur,5 Springer- Verlag, New York (USA) 1981 Des matériaux hôtes classiques pour ions néodyme comprennent le verre, le grenat d'yttrium-aluminium (Y 3 A 15012, désigné par "YAG"),Y A 103 (désigné par "YALO" ou "YAP"), LIYF 4 dopé au néodyme (désigné par "YLF">, Gd 3 Ga 5012 (désigné par "GGG") et Gd 3 Sc 2 Ga 3012 (désigné par "GSGG") A titre d'exemple, lorsqu'on utilise du

YAG dopé au néodyme en tant que matériau lasant dans un sys-

tème laser solide à pompage optique, il peut être pompé par absorption de lumière ayant une longueur d'onde d'environ 808 nma et peut émettre de la lumière ayant une longueur

d'onde d'environ 1 064 nm ou d'environ 1 320 nm.

Dans le mode de réalisation représenté sur les dessins, la source 12 comprend une diode laser 12 d et un dissipateur

de chaleur et/ou un refroidisseur thermoélectrique 12 h asso-

ciés On connaît bien l'utilisation de lampes flash, de

diodes électroluminescentes (telle qu'on l'utilise ici, cette expresscomprend des diodes superluminescentes et des.

réseaux de diodes superluminescentes) et des diodes laser (telle qu'on l'utilise ici, cette expression comprend des réseaux de diodes laser) pour exciter ou pomper optiquement un matériau lasant solide Sont actuellement disponibles des diodes électroluminescentes classiques et des diodes laser classiques, qui, en fonction de la composition, donnent un rayonnement de sortie ayant une longueur d'onde dans la plage de 630 à 1 600 nm Tout dispositif de ce type, donnant un30 rayonnement de pompage optique à un longueur d'onde efficace pour pomper un matériau lasant 16, peut être utilisé dans la mise en pratique de la présente invention Par exemple, en faisant varier la composition du dispositif, on peut faire varier la longueur d'onde d'un dispositif à base de Ga Al A35 d'environ 750 à environ 900 nm En utilisant des méthodes - semblables, on peut utiliser des sources à base de Ga Al P pour produire un rayonnement dans la plage de longueurs d'onde de

1 000 à 1 600 nm On notera naturellement que, pendant le fonction-

nement, le moyen de pompage optique sera raccordé à une ali-

mentation appropriée Les fils électriques partant de la source laser 12, qui se dirigent vers une alimentation, ne

sont pas représentés sur le dessin.

Le rôle de l'optique 14 est de focaliser la lumière provenant de la source 12 sur le matériau lasant 16 Pour la focalisation de la lumière, on peut utiliser tout moyen optique classique Par exemple, on peut utiliser une lentille à gradient d'indice (GRIN), une lentille en forme de bouleune

lentille asphérique ou une combinaison d'éléments optiques.

Si l'on utilise une diode laser 12 d en tant que source de pompage 12, la face ou extrémité de sortie de la source à diode laser peut être placée en une relation de couplage face à

face avec la surface ou face de sortie 16 a du matériau la-

sant 16, sans utilisation de l'optique 14 Telle qu'on l'uti-

lise ici, l'expression "couplage face à face" est définie pour désigner un couplage qui est suffisamment étroit pour qu'un faisceau divergent de rayonnement de pompage optique, provenant d'une source à diode laser, pompe optiquement un

volume modal dans le matériau lasant 16 avec une aire en sec-

tion transversale suffisamment petite pour permettre prati-

quement seulement le fonctionnement du laser en mode trans-

versal unique (à savoir fonctionnement en mode TEM 0) dans le

matériau lasant.

La lumière émise par le matériau lasant 16 est envoyée

à la fibre optique 22 par le coupleur de sortie 18 Le cou-

pleur optique 18 peut être sous la forme d'un miroir qui transmet une parties mais non la totalitéide la lumière émise provenant du matériau lasant 16 Par exemple, il peut porter un revêtement optique classique sur la surface interne 18 a qui a un pouvoir réfléchissant d'environ 95 % La même sorte

de revêtement peut être appliquée sur l'extrémité adja-

16 - cente 16 b du matériau lasant 16 En ce cas, le coupleur de

sortie 18 serait remplacé par un moyen optique dont la prin-

cipale fonction serait de focaliser ou de modifier d'une

autre façon la lumière pompée vers la fibre optique 22.

La fibre optique 22 est classique Comme exemples de fibres optiques de type télécommunication, disponibles

dans le commerce auprès de Corning Telecommunications Prod.

Div, Corning Glass Works, Corning, N Y 14831, USA, on peut

citer les fibres optiques monomodales'SMF-28 CPC 3 Single-

Mode Optical Fiber*et*SMF-21 CPC 3 Single-Mode Optical Fiber" ayant des longueurs d'onde caractéristiques à dispersion

nulle de 1 314 nm et 1 312 nm, respectivement.

Si l'on revient maintenant au matériau lasant 16, con-

trairement à la pratique classique, le matériau lasant est taillé à partir d'une boule de cristal 30 (par exemple Nd:YLF), de manière que ses axes cristallins fassent un angle aigu a avec la direction de propagation D (voir figure 1) Le matériau lasant 16 se trouve ici sous la forme d'un barreau ou cylindre droit Toutefois, on notera qu'il est possible d'utiliser toute forme géométrique classique Dans un mode de réalisation particulier, le matériau lasant 16 comprend un barreau de Nd:YLF 16 ayant une concentration de Nd d'environ

1 % en poids atomique L'extrémité 16 a est revêtue pour pré-

senter plus de 85 % de transmission à la longueur d'onde (par exemple 792 nm) de la lumière émise par la source 12, et est revêtue pour avoir un haut pouvoir réfléchissant (HRY à une longueur d'onde de sortie (par exemple 1 313 nm) qui est approximativement égale à la longueur d'onde à dispersion nulle de la fibre optique 22 L'extrémité opposée 16 b est revêtue de manière à avoir un pouvoir réfléchissant de moins de 0,25 % à la longueur d'onde de sortie Dans un prototype,

le matériau lasant 16 avait un diamètre de 3 mm et une lon-

gueur de 5 mm.

Pour un axe de propagation D à un angle 9 = 450 par rap-

port à l'axe c, le gain à 1 313 nm dans le rayon ordinaire 17 - sera supérieur au gain dans l'une ou l'autre raie dans le rayon extraordinaire, et une émission laser en raie unique polarisée peut se produire Tout angle compris entre environ et 600 accomplira cela; ces angles réduisent le gain, dans le rayon extraordinaire, de 25 % par rapport aux valeurs de crête Il peut en réalité être avantageux d'opérer plus près de 8 = 60 , car cela stimule les plus forts composants e-polarisés du spectre d'absorption La double réfraction ("Walkoff") fournit un mécanisme supplémentaire de sélection de polarisation/longueur d'onde Les modes ordinaire et extraordinaire se séparent l'un de l'autre spatialement à

partir de l'extrémité d'entrée 16 a du cristal YLF 16 En rai-

son de cela, il est possible de faire en sorte que l'un ou

l'autre mode soit efficacement recouvert par la zone de pom-

page Si l'on suppose que le recouvrement maximum est avec le mode ordinaire, cela tend à renforcer davantage l'effet

sélecteur de longueur d'onde.

EXEMPLE

On a construit un laser avec 8 = 450, en utilisant un

barreau laser de Nd:YL Fayant une concentration de Nd d'en-

viron 1 %, de 4 mm de longueur, dans une cavité fort sem-

blable à celle représentée sur la figure 4 On a utilisé un réflecteur incurvé 18, ayant un rayon de courbure de 70 mm et un pouvoir réfléchissant de 99,5 % à 1,32 pm, pour former une cavité ayant une longueur de 26 mm On a aisément atteint

des puissances de laser de plus de 25 m W en utilisant un pom-

page soit à 792, soit à 797 nm Le faisceau de sortie était polarisé linéairement avec un rapport de polarisation de plus de 1 000:1 On a mesuré le spectre du faisceau de sortie à

l'aide d'un monochromateur de 0,35 m, et il s'est révélé con-

sister en plusieurs modes longitudinaux centrés à 1 313 nm.

On n'a pu déceler aucune oscillation à aucune longeur d'onde entre 1 310 et t 400 nm Le profil modal transversal de la sortie du laser était exactement adapté à un profil gaussien, suggérant qu'un fonctionnement en mode transversal unique 18 - avait été atteint Cela a été confirmé par des mesures de bruit à l'aide d'un analyseur spectral Le spectre de bruit présentait des pics séparés par 5,34 G Hz,caractéristique

du battement de modes des modes transversaux TEM O Le spé-

cialiste reconnattra que cette distance est déterminée par la longueur de la cavité et peut être accrue au moyen d'une cavité plus courte Les auteurs de la présente invention ont également utilisé des techniques semblables avec Nd:YAG, pour réaliser un fonctionnement,à bruit de grenaille limité, de

10 M Hz à 20 G Hz.

La figure 6 illustre un autre mode de réalisation En ce cas, le matériau lasant comprend deux cristaux de Nd:YLF

16 A et 16 B qui sont adjacents l'un à l'autre L'un des cris-

taux,16 B, est taillé de manière que son axe optique c fasse un

angle d'environ 90 avec l'axe de propagation L'autre cris-

tal, 16 A, est taillé de manière que son axe optique c soit à environ O de l'axe de propagation Les surfaces entre les deux cristaux et la surface 16 b (voir figure 4) adjacente au courieur de sortie i'8 on te préfrence u I e'étemen AR Sour i 313 nm et pour la longueur d'onde de la source (par exemple diode laser à 792 nm) Ainsi disposé, le faisceau de sortie

comprend de la lumière e-polarisée à environ 1 313 nm.

Bien que le concept de modification de l'orientation de l'axe cristallin du matériau lasant, par rapport à l'axe de propagation, ait été décrit eu égard à l'alimentation d'une fibre optique, ce concept a une application plus étendue Le spectre d'absorption et le gain dépendants de la polarisation d'hôtes cristallins lasants solides, biréfringents, peuvent

également être utilisés pour l'optimisation du mode de fonc-

tionnement d'un laser (par exemple en régime continu, à dé-

clenchement (par commutation Q) dans la mesure o la compéti-

tion de modes et les fluctuations de modes peuvent être ré-

duites à un minimum pour un mode de fonctionnement désiré.

Ce concept peut également être utilisé pour la réduc-

tion du bruit optique, dans la mesure o le bruit est une 19 -

fonction des longueurs d'onde adjacentes auxquelles fonc-

tionne le laser Ce concept peut en outre être appliqué à la fois aux cristaux laser biréfringents monoaxiaux et

biaxiaux Enfin, le concept de l'invention peut être appli-

que utilement lorsqu'on désire une longueur d'onde particu- lière ou dominante à partir d'un cristal laser (par exemple une sortie à longueur d'onde unique ou un fonctionnement en raie unique) En particulier, le choix de cette longueur d'ondecomme étant pratiquement identique à la longueur d'onde à dispersion nulle d'une fibre optique associée, a une utilité pratique immédiate et évite l'introduction d'autres dispositifs (par exemple des lames de Brewster, etc) pour

l'adaptation du spectre de sortie.

Divers changements peuvent être faits, et des caractères spécifiques de l'invention peuvent être modifiés Par exemple, le support peut être perforé (voir figure 2 de

* US-A-4 731 795) ou peut avoir une section transversale circu-

laire, semi-circulaire ou rectangulaire (voir figure 5) En outre, la surface réfléchissante 18 a peut être sous forme d'un revêtement sur l'extrémité 16 b du matériau lasant 16 De plus, divers changements peuvent être fait et des matériaux peuvent être remplacés Par exemple, on peut construire un laser polarisé à 1 053 nm en utilisant un cristal de Nd:YLF fonctionnant avec O = 30 Le rayon ordinaire aura la totalité du pic ordinaire polarisé à 1 053 nm, tandis que le rayon

extraordinaire aura 75 % du pic 1 053 et 25 % du pic 1 047.

Etant donné que le pic 1 047 est 1,5 fois plus grand que le pic 1 053, les deux pics dans le spectre extraordinaire seront l'un et l'autre plus petits que le pic ordinaire à 1 053 nm Il en résulte donc un fonctionnement polarisé à 1 053 nm La plus forte bande de pompage apparaîtra pour une polarisation extraordinaire à 797 nu Ainsi, il doit être

bien entendu que la description qui précède n'a été donnée

qu'à titre illustratif et non limitatif, et que toutes variantesou modificationspeuvent y être apportées sans sortir - pour autant du cadre général de la présente invention, tel

que défini dans les revendications ci-annexées.

21 -

Claims

REVENDICATIONS

1 Système laser, caractérisé en ce qu'il comprend a) un support ( 20) comportant une extrémité qui est destinée à recevoir de la lumière de pompage provenant d'une source ( 12) et comportant une extrémité opposée qui est destinée à trans- mettre de la lumière laser à une fibre optique,( 22),ledit support ayant un axe de propagation préétabli (D) qui s'étend entre ces extrémités; et b) un matériau lasant Qt S) qui est porté par ledit support en une position entre lesdites extrémités dudit support, ce matériau comportant au moins un axe optique et étant disposé par ledit support à un angle qui est mesuré entre ledit au moins un axe optique et ledit axe de propagation et qui a une valeur de O à 9 g 0, ledit matériau lasant, lorsqu'il reçoit de la lumière

provenant de ladite source, ayant un spectre optique qui com-

prend un pic spectral dépendant de la polarisation dominante, à une longueur d'onde qui est approximativement égale à la

longueur d'onde à dispersion nulle de ladite fibre optique.

2 Système laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau comprend du Nd:YLF, ledit angle est

compris entre environ 30 et environ 60 , ladite source pro-

duit de la lumière à une longueur d'onde d'environ 1,3 pm et ladite longueur d'onde à dispersion nulle de ladite fibre

optique est d'environ 1 310 nm.

3 Système laser selon la revendication 2 ou 3,caractérisé

en ce que ledit support est en général cylindrique et com-

porte un alésage qui relie ses extrémités, l'axe dudit alé-

sage étant aligné audit axe de propagation; et en ce que ledit matériau lasant est sous la forme d'un cylindre solide qui s'adapte dans ledit alésage du support et qui comporte

deux faces opposées.

4 Système laser selon la revendication l, 2 ou 3,caractérisé en ce que le cylindre de matériau lasant a une face qui est adjacente à une extrémité dudit support et qui porte un moyen pour être capable de transmission optique à la longueur 22 - d'onde approximative de ladite source et être hautement réfléchissante optiquement aux environs de ladite longueur

d'onde à dispersion nulle.

Système laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face opposée dudit matériau est adjacente à l'extrémité opposée dudit support et porte un moyen pour être capable de transmission optique à une longueur d'onde qui est

environ la longueur d'onde à dispersion nulle.

6 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau lasant est un cristal qui est dopé avec une terre rare et qui est capable d'être pompé par un moyen à

diode laser.

7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau lasant est du fluorure d'yttrium-lithium

dopé au néodyme.

8 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau lasant comprend deux cristaux de Nd:YLF qui sont adjacents l'un à l'autre, l'un desdits cristaux étant taillé de manière à ce que son axe optique fasse un angle d'environ 90 avec ledit axe de propagation, et l'autre desdits cristaux étant taillé de manière à ce que son axe

optique soit à environ O dudit axe de propagation.

9 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce

que ledit angle est un angle aigu différent de 0 .

10 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau lasant est un matériau lasant monoaxial biréfringent. 11 Système selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau lasant est caractérisé par un ellipsoïde

optique qui définit ledit axe optique.

12 Système laser, caractérisé en ce qu'il comprend, a) un moyen de support ( 20) pour le maintien en place d'un matériau lasant (u 16, ledit moyen de support ayant deux faces opposées dont une face est destinée à recevoir un rayonnement optique de pompage provenant d'une source 12) *et l'autre des deux faces 23 -

dudit moyen de support est destinée à transmettre une sor-

tie de lumière lasante, les faces dudit moyen de support étant généralement placées parallèlement l'une par rapport à

l'autre et définissant un axe de propagation (D) pour la trans-

mission de lumière provenant de ladite face vers l'autre face; et b) un matériau lasant ( 16) biréfringent dopé' présentant un ellipsoïde optique, qui a un spectre d'absorption et un gain dépendants de la polarisation et qui est placé dans ledit moyen de support à un angle préétabli entre ledit axe de propagation et au moins l'un des axes dudit ellipsoïde optique, de manière à avoir un pic spectral lasant polarisé

de sortie à une longueur d'onde préétablie.

13 Système laser selon la revendication 12, caracté-

risé en ce que ledit matériau lasant comprend un barreau de Nd:YLF ayant un axe longitudinal qui coïncide avec ledit axe

de propagation, ayant scn axe c faisant un angle aigu par rap-

port audit axe de propagation, et ayant sont axe a à angle

droit par rapport audit axe de propagation.

14 Système laser selon la revendication 13, caracté-

risé-en ce que ledit barreau a deux extrémités pratiquement parallèles, l'une desdites extrémités étant positionnée dans ledit moyen de support en une position adjacente à ladite face dudit moyen de support pour la transmission de lumière à une fibre optique ayant une longueur d'onde à dispersion

nulle approximativement égale à laditelongueur d'onde pré-

établie.

Système laser selon la revendication 14, caracté-

risé en ce que ladite extrémité dudit barreau est hautement

réfléchissante à 1 313 nm et hautement capable de transmis-

sion à environ 792 nm; et en ce que ledit barreau a une extrémité opposée qui est au moins réfléchissante à 0,25 % à

1 313 nm.

16 Système laser selon la revendication 13, caracté-

risé en ce que ledit moyen de support comporte un alésage

_ 24 -

cylindrique généralement allongé qui est destiné à porter

ledit barreau entre les deux faces opposées dudit moyen de support. 17 Système laser selon la revendication 12, caracté-

risé en ce que ladite source est choisie parmi des diodes

laser, des réseaux de diodes laser, des diodes superlumines-

centes et des réseaux de diodes superluminescentes.

18 Système laser selon la revendication 12, caracté-

risé en ce que ledit matériau lasant comprend deux éléments en Nd:YLF de type barreau placés face à face, l'un ayant ledit axe de propagation aligné avec l'axe a dudit cristal

YLF, et l'autre étant aligné avec l'axe c dudit cristal YLF.

19 Système laser selon la revendication 12, caracté-

risé en ce que ledit matériau lasant comprend un barreau cylindrique qui est taillé à partir d'une boule de Nd:YLF et qui a un axe longitudinal qui fait un angle d'environ 450

avec l'axe c de la boule.

Système laser pour l'alimentation d'une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend (a) un matériau lasant qui est destiné à être pompé par une

source qui est caractérisée par une longeur d'onde de pom-

page, ledit matériau lasant ayant au moins un axe optique, un gain dépendant de la polarisation et un spectre d'absorption qui comprend un pic spectral à une longueur d'onde et à une polarisation préétablies; (b> un moyen pour la formation d'une cavité de laser pour l'émission laser dudit matériau le long d'une direction de propagation et dans la fibre optique, ledit pic spectral ayant une caractéristique préétablie lorsque ladite direction de propagation est le long d'un axe du cristal et une autre

caractéristique préétablie lorsque ladite direction de propa-

gation est le long d'un autre axe du cristal; et (c) un moyen pour l'adaptation dudit spectre d'absorption à la longueur d'onde à dispersion nulle préétablie de la fibre optique, par positionnement dudit matériau lasant dans ladite - cavité et le long de ladite direction de propagation à un angle aigu préétabli, différent de O , entre les deux axes du cristal, pour que le pic spectral se situe entre une

caractéristique préétablie et l'autre caractéristique pré-

établie.

21 Système laser selon la revendication 20, caracté-

risé en ce que ledit matériau lasant comprend du Nd:YLF qui a été taillé à partir d'une boule de Nd:YLF de manière que ledit axe de propagation fasse un angle aigu,différent-de 0,

avec l'axe c-du YLF.

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