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FR2987179A1 - Impulse laser source for use in microlaser for e.g. laser telemetry, has unit delivering pulse between electrodes for generating medium between electrodes to provide gradient of electric charges in temporary direction perpendicular to axis - Google Patents

Impulse laser source for use in microlaser for e.g. laser telemetry, has unit delivering pulse between electrodes for generating medium between electrodes to provide gradient of electric charges in temporary direction perpendicular to axis Download PDF

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FR2987179A1
FR2987179A1 FR1251557A FR1251557A FR2987179A1 FR 2987179 A1 FR2987179 A1 FR 2987179A1 FR 1251557 A FR1251557 A FR 1251557A FR 1251557 A FR1251557 A FR 1251557A FR 2987179 A1 FR2987179 A1 FR 2987179A1
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FR
France
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laser
electrodes
cavity
pulse
laser source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
FR1251557A
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French (fr)
Inventor
Vincent Couderc
Alexis Labruyere
Lionel Jaffres
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
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Publication date
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Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne une source laser impulsionnelle à déclenchement actif comprenant une source d'émission d'un faisceau de pompe de puissance lumineuse prédéterminée et de longueur d'onde de pompe donnée, destinée à pomper optiquement une cavité laser (10) comprenant un milieu amplificateur (13) et délimitée par deux miroirs (11, 12) sensiblement parallèles, pour l'émission selon un axe de propagation privilégié (18) de la cavité d'une impulsion laser à une longueur d'onde laser Les miroirs présentent l'un par rapport à l'autre un décalage angulaire, de valeur telle que la cavité se trouve en dessous du seuil d'émission laser à la puissance donnée du faisceau de pompe. La source laser comprend en outre deux électrodes positionnées de part et d'autre dudit axe de propagation privilégié et des moyens pour délivrer une impulsion électrique entre les électrodes, permettant de générer dans le milieu entre lesdites électrodes un gradient de charges électriques temporaire selon une direction sensiblement perpendiculaire audit axe de propagation privilégié et la déflexion d'un faisceau lumineux se propageant dans la cavité de telle sorte que le seuil d'émission laser soit atteint dans ladite cavité optique à la puissance donnée du faisceau de pompe.In one aspect, the invention relates to an active trigger pulse laser source comprising a source for emitting a predetermined light power pump beam and a given pump wavelength for optically pumping a laser cavity (10). ) comprising an amplifying medium (13) and delimited by two mirrors (11, 12) substantially parallel, for the transmission along a preferred propagation axis (18) of the cavity of a laser pulse at a laser wavelength. mirrors have relative to each other an angular offset, of such a value that the cavity is below the laser emission threshold at the given power of the pump beam. The laser source further comprises two electrodes positioned on either side of said preferred propagation axis and means for delivering an electrical pulse between the electrodes, for generating in the medium between said electrodes a temporary electrical charge gradient in one direction substantially perpendicular to said preferred axis of propagation and the deflection of a light beam propagating in the cavity such that the laser emission threshold is reached in said optical cavity at the given power of the pump beam.

Description

ETAT DE L'ART Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une source laser à déclenchement actif et une méthode de déclenchement actif d'une source laser ; elle s'applique notamment aux microlasers. Etat de l'art Les microlasers présentent une grande variété d'applications telles que la télémétrie laser, la spectroscopie, la génération de supercontinuum, les lidar. Ces lasers miniatures peuvent fonctionner à différentes longueurs d'onde, en régime continu ou en régime pulsé. Dans les microlasers déclenchés (ou « Q-switched » selon l'expression anglo-saxonne), un résonateur miniature dont la cavité optique est inférieure à quelques centimètres, permet de générer des impulsions courtes allant typiquement de quelques centaines de picosecondes à quelques nanosecondes. Les microlasers peuvent être déclenchés de façon active ou passive. Dans les microlasers à déclenchement passif, un absorbant saturable semi- conducteur à réponse non linéaire peut être utilisé comme miroir de cavité, ou alternativement, un cristal absorbant saturable. Cependant, les performances des microlasers à déclenchement passif sont intrinsèquement limitées par des effets de gigue temporelle significatifs. Les effets de gigue temporelle peuvent être réduits par la mise en oeuvre d'un déclenchement actif. Le déclenchement actif nécessite un élément actuateur comme par exemple un modulateur électro-optique ou un modulateur acousto-optique. Ces éléments présentent cependant l'inconvénient d'être chromatiques. Par ailleurs, ils sont difficiles à miniaturiser dans le cas de l'application aux microlasers. Un déclenchement actif basé sur l'utilisation d'un tube à décharge électromagnétique (« shock tube » selon l'expression anglo-saxonne) a été également mis en oeuvre dans un laser à rubis (M. Dembinski et al., « Refractive Qswitching of a Tuby laser by a moving plasma », Applied Optics, Vol. 21, N° 20). Dans ce dispositif, un gradient d'indice induit par un gradient de charge est généré au moyen d'un tube à décharge agencé dans la cavité laser, initialement désalignée. Le gradient d'indice est généré dans une direction perpendiculaire à celle du faisceau lumineux, entraînant une déviation du faisceau qui permet le déclenchement du laser par réalignement de la cavité. Ce dispositif présente cependant un encombrement non compatible avec les microlasers. Par ailleurs, la gigue temporelle dans un tel dispositif est importante du fait du temps d'établissement du gradient d'indice généré par l'onde de choc réfléchie, rendant cette technique non compatible avec le déclenchement de lasers à impulsions courtes. L'invention propose une méthode de déclenchement actif d'une cavité laser, notamment d'une cavité laser miniature, intégrant un modulateur ultra compact, pouvant opérer à toute longueur d'onde et présentant une gigue temporelle réduit, compatible des sources laser à impulsions courtes. STATE OF THE ART Technical Field of the Invention The present invention relates to an active trigger laser source and a method of active triggering of a laser source; it applies in particular to microlasers. State of the art Microlasers have a wide variety of applications such as laser telemetry, spectroscopy, supercontinuum generation, lidar. These miniature lasers can operate at different wavelengths, in continuous or pulsed mode. In triggered microlasers (or "Q-switched" according to the English expression), a miniature resonator whose optical cavity is less than a few centimeters, makes it possible to generate short pulses typically ranging from a few hundred picoseconds to a few nanoseconds. Microlasers can be triggered actively or passively. In passive trigger microlasers, a nonlinear semiconductor saturable absorber may be used as a cavity mirror, or alternatively a saturable absorber crystal. However, the performance of passive trigger microlasers is inherently limited by significant time jitter effects. The temporal jitter effects can be reduced by the implementation of an active trigger. Active tripping requires an actuator element such as an electro-optical modulator or an acousto-optic modulator. These elements, however, have the disadvantage of being chromatic. Moreover, they are difficult to miniaturize in the case of application to microlasers. An active trigger based on the use of an electromagnetic discharge tube ("shock tube" according to the English expression) has also been implemented in a ruby laser (M. Dembinski et al., "Refractive Qswitching of a Tuby Laser by a Plasma Plasma ", Applied Optics, Vol 21, No. 20). In this device, an index gradient induced by a charge gradient is generated by means of a discharge tube arranged in the laser cavity, initially misaligned. The index gradient is generated in a direction perpendicular to that of the light beam, causing a deflection of the beam which allows the laser to be triggered by realigning the cavity. This device however has a size not compatible with microlasers. Moreover, the temporal jitter in such a device is important because of the index gradient establishment time generated by the reflected shock wave, making this technique not compatible with the triggering of short pulse lasers. The invention proposes a method of active tripping of a laser cavity, especially a miniature laser cavity, incorporating an ultra-compact modulator, capable of operating at any wavelength and having a reduced temporal jitter, compatible with pulsed laser sources. short.

RE SUME DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne une source laser impulsionnelle à déclenchement actif comprenant une source d'émission d'un faisceau de pompe de puissance lumineuse prédéterminée et de longueur d'onde de pompe xp donnée, destinée à pomper optiquement une cavité laser comprenant un milieu amplificateur et délimitée par deux miroirs sensiblement parallèles, pour l'émission selon un axe de propagation privilégié de la cavité d'une impulsion laser à une longueur d'onde laser XL. Les miroirs présentent l'un par rapport à l'autre un décalage angulaire, de valeur telle que la cavité se trouve en dessous du seuil d'émission laser à la puissance donnée du faisceau de pompe. SUMMARY OF THE INVENTION According to a first aspect, the invention relates to an active trigger pulse laser source comprising a source of emission of a pump of predetermined light power pump and pump wavelength xp given, intended to optically pump a laser cavity comprising an amplifying medium and defined by two substantially parallel mirrors, for the transmission along a preferred propagation axis of the cavity of a laser pulse at a laser wavelength XL. The mirrors have an angular offset with respect to each other, of such a value that the cavity is below the laser emission threshold at the given power of the pump beam.

La source laser comprend en outre deux électrodes positionnées de part et d'autre dudit axe de propagation privilégié et des moyens pour délivrer une impulsion électrique entre les électrodes, permettant de générer dans le milieu entre lesdites électrodes un gradient de charges électriques temporaire selon une direction sensiblement perpendiculaire audit axe de propagation privilégié et la déflexion d'un faisceau lumineux se propageant dans la cavité de telle sorte que le seuil d'émission laser soit atteint dans ladite cavité optique à la puissance donnée du faisceau de pompe. Les déposants ont montré que le gradient d'indice ainsi obtenu permet un démarrage irréversible de l'oscillation laser, l'impulsion laser résultante étant créée alors que le gradient d'indice est dissipé, ce qui permet un meilleur contrôle de la gigue temporelle. The laser source further comprises two electrodes positioned on either side of said preferred propagation axis and means for delivering an electrical pulse between the electrodes, for generating in the medium between said electrodes a temporary electrical charge gradient in one direction substantially perpendicular to said preferred axis of propagation and the deflection of a light beam propagating in the cavity such that the laser emission threshold is reached in said optical cavity at the given power of the pump beam. The applicants have shown that the index gradient thus obtained allows an irreversible start of the laser oscillation, the resulting laser pulse being created while the index gradient is dissipated, which allows better control of the time jitter.

Avantageusement, la durée de l'impulsion électrique est inférieure à 10 ns, avantageusement inférieure à 1 ns, une impulsion électrique courte permettant d'augmenter le temps entre la dissipation du gradient d'indice et la création de l'impulsion laser. Advantageously, the duration of the electric pulse is less than 10 ns, advantageously less than 1 ns, a short electric pulse making it possible to increase the time between the dissipation of the index gradient and the creation of the laser pulse.

Selon une variante, l'impulsion électrique est bipolaire, permettant de mieux contrôler le moment de dissipation du gradient d'indice. Selon une variante, le milieu entre lesdites électrodes est constitué d'air. Le gradient d'indice résulte d'une ionisation de l'air, formant un arc électrique. According to one variant, the electrical pulse is bipolar, making it possible to better control the moment of dissipation of the index gradient. According to one variant, the medium between said electrodes consists of air. The index gradient results from an ionization of the air, forming an electric arc.

Selon une variante, le milieu entre lesdites électrodes comprend un matériau semi- conducteur au moins partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission laser. La création de charges dans un milieu semi-conducteur peut être obtenue avec des tensions moins importantes que dans l'air. Selon une variante, la source laser à déclenchement actif est un microlaser, la longueur de la cavité optique entre les deux miroirs étant inférieure à 2 cm. Selon une variante, la cavité comprend en outre un cristal absorbant saturable, permettant de diminuer la durée de l'impulsion laser émise. Selon une variante, la distance entre les électrodes est sensiblement égale à 4 fois le diamètre du faisceau laser pris à 1/e2 en intensité. Cette distance permet de limiter des effets éventuels de diffraction du faisceau laser sur les extrémités des électrodes. Selon un second aspect, l'invention concerne une méthode de déclenchement actif d'une source laser selon le premier aspect comprenant : - le réglage de la cavité pour obtenir à une puissance donnée du faisceau de pompe, l'émission d'un faisceau laser ; - le déréglage de la cavité optique de telle sorte à introduire ledit décalage angulaire entre les miroirs de la cavité, entraînant le passage de la cavité optique en-dessous du seuil d'émission laser à ladite puissance de pompe; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la génération d'une impulsion laser. According to a variant, the medium between said electrodes comprises a semiconductor material at least partially transparent to the laser emission wavelength. The creation of charges in a semiconductor medium can be obtained with lower voltages than in the air. According to one variant, the active trigger laser source is a microlaser, the length of the optical cavity between the two mirrors being less than 2 cm. According to one variant, the cavity further comprises a saturable absorber crystal, making it possible to reduce the duration of the emitted laser pulse. According to one variant, the distance between the electrodes is substantially equal to 4 times the diameter of the laser beam taken at 1 / e 2 in intensity. This distance makes it possible to limit possible effects of diffraction of the laser beam on the ends of the electrodes. According to a second aspect, the invention relates to a method of active triggering of a laser source according to the first aspect comprising: - adjusting the cavity to obtain at a given power of the pump beam, the emission of a laser beam ; - the adjustment of the optical cavity so as to introduce said angular offset between the mirrors of the cavity, causing the passage of the optical cavity below the laser emission threshold to said pump power; the application of an electrical pulse between the electrodes for the generation of a laser pulse.

Selon une variante, la méthode de déclenchement actif d'une source laser comprend en outre, après l'étape de déréglage de la cavité optique : - l'augmentation de la puissance de pompe, résultant en une émission laser selon un premier mode ; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la commutation de l'émission laser selon un second mode. According to one variant, the method of active triggering of a laser source further comprises, after the step of adjusting the optical cavity: the increase of the pump power, resulting in a laser emission according to a first mode; - The application of an electrical pulse between the electrodes for switching the laser emission in a second mode.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : - Figure 1, un schéma illustrant le principe de prisme plasma dans un exemple de réalisation de l'invention ; - Figure 2, la réponse optique d'une décharge électrique générée entre deux électrodes, dans un exemple de réalisation ; - Figure 3, un exemple de source laser à déclenchement actif, selon un premier exemple de réalisation ; - Figures 4A à 4C, la forme temporelle d'une impulsion laser obtenue par déclenchement actif dans une source laser du type de celle de la figure 3, et la répartition spatiale d'intensité lumineuse de l'impulsion; - Figure 5, un exemple de source laser à déclenchement actif, selon un second exemple de réalisation ; - Figures 6A à 6C, la forme temporelle d'une impulsion laser obtenue par déclenchement actif dans une source laser du type de celle de la figure 5, et la répartition spatiale d'intensité lumineuse de l'impulsion; - Figures 7A et 7B deux exemples montrant l'allure temporelle et en fréquence d'impulsions électriques adaptées pour créer un prisme plasma dans un exemple de réalisation de l'invention; - Figure 8, la répartition spatiale de l'intensité lumineuse de faisceaux laser obtenus dans un exemple de réalisation selon l'invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the description, illustrated by the following figures: FIG. 1, a diagram illustrating the plasma prism principle in an exemplary embodiment of the invention; - Figure 2, the optical response of an electric discharge generated between two electrodes, in an exemplary embodiment; FIG. 3, an example of an active trigger laser source, according to a first exemplary embodiment; FIGS. 4A to 4C, the temporal shape of a laser pulse obtained by active triggering in a laser source of the type of that of FIG. 3, and the spatial distribution of light intensity of the pulse; FIG. 5, an example of an active trigger laser source, according to a second exemplary embodiment; FIGS. 6A to 6C, the temporal shape of a laser pulse obtained by active triggering in a laser source of the type of that of FIG. 5, and the spatial distribution of light intensity of the pulse; - Figures 7A and 7B two examples showing the time and frequency of electric pulses adapted to create a plasma prism in an embodiment of the invention; - Figure 8, the spatial distribution of the light intensity of laser beams obtained in an exemplary embodiment of the invention.

DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 illustre par un schéma le principe de réalisation d'une source laser à déclenchement actif selon un exemple de réalisation. DETAILED DESCRIPTION FIG. 1 illustrates by a diagram the principle of producing an active trigger laser source according to an exemplary embodiment.

La source laser comprend une cavité laser 10 comprenant principalement un milieu amplificateur 13 entre deux miroirs 11 et 12 formant un axe de propagation privilégié z pour un faisceau de pompe incident. Les deux miroirs présentent l'un par rapport à l'autre un angle de déviation 0 dont la valeur est inférieure à quelques degrés, la valeur est par exemple de quelques fractions de degrés (la valeur de l'angle 0 représenté sur la figure est très largement exagéré pour une meilleure compréhension). Le dérèglement angulaire de la cavité est tel que pour une puissance lumineuse donnée du faisceau de pompe, la cavité se trouve juste en-dessous du seuil d'émission stimulée laser. Deux électrodes symbolisées par des flèches 14 et 15 sont reliées aux bornes d'un générateur d'impulsions électriques (non représenté). Le passage rapide de charges entre les deux électrodes permet de générer une ionisation de l'air, formant un plasma ou arc électrique 19, ce qui permet de modifier momentanément l'indice de réfraction de l'air et d'obtenir une déflexion de l'orientation d'un faisceau lumineux traversant ledit plasma (« prisme plasma »). Un faisceau lumineux incident (16, figure 1) peut alors être dévié de sa trajectoire pendant la durée du phénomène. Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, en limitant dans le temps l'effet de prisme plasma, il est possible de modifier le coefficient de surtension lié au résonateur et de démarrer l'oscillation laser avec un très bon contrôle du moment de création de l'impulsion laser. Sur la figure 1, l'effet du prisme plasma est mis en évidence en envoyant un faisceau laser 18 de longueur d'onde 1,064 i_tm, entre les deux électrodes. Le faisceau est observé en plaçant une caméra infrarouge à une distance donnée des électrodes (72 cm dans l'exemple de la figure 1). Dans cet exemple, le dispositif expérimental pour réaliser la décharge électrique comprend deux électrodes reliées aux bornes d'un générateur haute-tension équipé d'un coupe-circuit. Les électrodes sont réalisées à partir de deux pointes de cuivre isolées électriquement du reste du système, par exemple en les maintenant dans un tube de téflon creux. La distance entre les pointes de cuivre est dans cet exemple d'environ 7 mm. Dans cette configuration, on observe l'apparition d'une décharge électrique dès que la tension devient supérieure à 6 kV, du fait de l'ionisation de l'air. Pendant la durée de la décharge électrique entre les deux électrodes, on constate une déviation angulaire du faisceau laser dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation des charges (plan yz). On observe ainsi la modification de la position de la tache lumineux formé par le faisceau laser sur la caméra (position (a) avant la décharge, position (b) pendant la décharge). Lorsque la décharge électrique s'interrompt, la tache lumineuse revient dans sa position initiale (position (a)). La déviation mesurée est de 4,5 mrad, Comme cela apparaît sur les images (a) et (b) de la figure 1, aucune déformation spatiale significative du faisceau n'est observée. On peut expliquer la déflexion du faisceau lumineux qui traverse la décharge électrique par le gradient d'indice qui s'établit pendant le passage du courant, perpendiculairement à l'axe x de la décharge électrique, ce gradient d'indice étant dû à la modification de la densité d'électrons. Les déposants ont montré que l'effet de prisme plasma ainsi mis en évidence pouvait être utilisé pour le déclenchement d'une source laser avec une gigue temporelle réduite en délivrant aux bornes des électrodes une impulsion électrique permettant de générer un prisme plasma à réponse temporelle ultra rapide. La réponse optique d'une décharge électrique générée entre deux électrodes est montrée sur la figure 2. A chaque fois qu'un plasma est créé entre les deux électrodes, ce plasma résultant de l'ionisation de l'air, une impulsion lumineuse blanche de forte intensité est observée (arc électrique), à la même fréquence que la cadence des décharges électriques entre les électrodes. En mesurant la durée de ces impulsions lumineuses liées au plasma, on peut déterminer la durée de vie du « prisme plasma ». Pour mesurer la réponse optique du plasma, on peut utiliser une photodiode rapide connectée à un oscilloscope. A mi-hauteur, la réponse optique détectée mesure environ 50 ns, avec un temps de montée de 10 ns environ. La réponse optique à mi-hauteur correspond à la durée de vie du plasma. Les oscillations visibles en queue du signal correspondent aux artefacts causés par les perturbations électromagnétiques résiduelles. La figure 3 illustre un premier exemple de réalisation d'une source à déclenchement actif, mettant en oeuvre le principe précédemment décrit. La cavité optique 30 est délimitée par deux miroirs plans 31, 32 dont les coefficients de réflexion sont respectivement de 100% et 95% à la longueur d'onde de 1,064 i_tm d'émission laser. Les miroirs sont distants d'environ 50 cm. Un cristal amplificateur de Nd :YAG de 4 mm est placé à l'intérieur de la cavité. La cavité comprend en outre un système de lentilles 34 permettant de collimater le faisceau sur la longueur de la cavité. La cavité est pompée longitudinalement à travers le miroir 31 par une diode laser 35 de longueur d'onde 808 nm correspondant à la bande d'absorption de l'ion néodyme. Le rayonnement est issu de la diode laser de pompe 35 par une fibre optique 36 et est focalisé dans le milieu amplificateur 33 par un doublet de lentilles 37. On place les deux électrodes (non représentées sur la figure 3) à l'intérieur de la cavité de telle sorte que la lumière oscille entre les miroirs en passant entre les électrodes. Le faisceau est observé à l'aide d'une caméra infrarouge placée en sortie de cavité (non représentée sur la figure 3). Dans un premier temps, aucune tension n'est appliquée entre les électrodes. On règle alors la cavité de manière à obtenir pour un faisceau de pompe de puissance donnée un faisceau gaussien dont l'image est représentée sur la figure 4C. Puis on dérègle très légèrement la cavité de manière à se placer, à puissance de pompe égale, juste en-dessous du seuil d'émission stimulée. Ensuite, on applique une tension entre les électrodes. On observe alors qu'à chaque fois qu'il se créé un plasma électrique 39, l'image du faisceau gaussien réapparaît temporairement à l'écran. Un déclenchement actif est ainsi réalisé. The laser source comprises a laser cavity 10 mainly comprising an amplifying medium 13 between two mirrors 11 and 12 forming a preferred propagation axis z for an incident pump beam. The two mirrors have relative to each other a deflection angle θ whose value is less than a few degrees, the value is for example a few fractions of degrees (the value of the angle θ represented in FIG. very largely exaggerated for better understanding). The angular disturbance of the cavity is such that for a given light power of the pump beam, the cavity is just below the stimulated laser emission threshold. Two electrodes symbolized by arrows 14 and 15 are connected to the terminals of an electric pulse generator (not shown). The rapid passage of charges between the two electrodes makes it possible to generate an ionization of the air, forming a plasma or electric arc 19, which makes it possible to temporarily modify the refractive index of the air and to obtain a deflection of the orientation of a light beam passing through said plasma ("plasma prism"). An incident light beam (16, FIG. 1) can then be deviated from its trajectory during the duration of the phenomenon. As will be described in more detail below, by limiting the plasma prism effect over time, it is possible to modify the resonator-related overvoltage coefficient and to start the laser oscillation with a very good control of the moment of oscillation. creation of the laser pulse. In FIG. 1, the effect of the plasma prism is evidenced by sending a laser beam 18 with a wavelength of 1.064 μm between the two electrodes. The beam is observed by placing an infrared camera at a given distance from the electrodes (72 cm in the example of Figure 1). In this example, the experimental device for carrying out the electric discharge comprises two electrodes connected to the terminals of a high-voltage generator equipped with a circuit breaker. The electrodes are made from two copper tips electrically insulated from the rest of the system, for example by keeping them in a hollow teflon tube. The distance between the copper tips is in this example about 7 mm. In this configuration, the appearance of an electric discharge is observed as soon as the voltage becomes higher than 6 kV, due to the ionization of the air. During the duration of the electric discharge between the two electrodes, there is an angular deviation of the laser beam in a plane perpendicular to the axis of propagation of the charges (yz plane). It is thus observed the modification of the position of the light spot formed by the laser beam on the camera (position (a) before the discharge, position (b) during the discharge). When the electric discharge stops, the light spot returns to its initial position (position (a)). The measured deviation is 4.5 mrad. As shown in the images (a) and (b) of FIG. 1, no significant spatial deformation of the beam is observed. The deflection of the light beam passing through the electric discharge can be explained by the index gradient which is established during the passage of the current, perpendicular to the x axis of the electric discharge, this index gradient being due to the modification electron density. Applicants have shown that the plasma prism effect thus demonstrated could be used to trigger a laser source with reduced temporal jitter by delivering an electric pulse across the electrodes to generate an ultra-fast response plasma prism. fast. The optical response of an electric discharge generated between two electrodes is shown in FIG. 2. Each time a plasma is created between the two electrodes, this plasma resulting from the ionization of the air, a white light pulse of high intensity is observed (electric arc), at the same frequency as the rate of electric discharges between the electrodes. By measuring the duration of these plasma-linked light pulses, the lifetime of the "plasma prism" can be determined. To measure the optical response of the plasma, a fast photodiode connected to an oscilloscope can be used. At half height, the detected optical response is about 50 ns, with a rise time of about 10 ns. The half-height optical response corresponds to the lifetime of the plasma. The visible oscillations at the tail of the signal correspond to the artifacts caused by the residual electromagnetic disturbances. FIG. 3 illustrates a first embodiment of an active trigger source, implementing the principle previously described. The optical cavity 30 is delimited by two planar mirrors 31, 32 whose reflection coefficients are respectively 100% and 95% at the wavelength of 1.064 i_tm of laser emission. The mirrors are about 50 cm apart. A 4mm Nd: YAG amplifier crystal is placed inside the cavity. The cavity further comprises a lens system 34 for collimating the beam along the length of the cavity. The cavity is pumped longitudinally through the mirror 31 by a laser diode 35 of wavelength 808 nm corresponding to the absorption band of the neodymium ion. The radiation is derived from the pump laser diode 35 by an optical fiber 36 and is focused in the amplifying medium 33 by a doublet of lenses 37. The two electrodes (not shown in FIG. 3) are placed inside the cavity so that the light oscillates between the mirrors passing between the electrodes. The beam is observed using an infrared camera placed at the cavity outlet (not shown in FIG. 3). At first, no voltage is applied between the electrodes. The cavity is then adjusted so as to obtain for a given power pump beam a Gaussian beam whose image is shown in FIG. 4C. Then the cavity is very slightly disturbed so as to be placed, at equal pump power, just below the stimulated emission threshold. Then, a voltage is applied between the electrodes. It is observed that each time an electric plasma is created 39, the image of the Gaussian beam reappears temporarily on the screen. An active trigger is thus realized.

La lumière émise par l'impulsion laser ainsi déclenchée est détectée par une photodiode rapide reliée à un oscilloscope. La figure 4A représente le signal enregistré lors du déclenchement. On observe d'abord la trace 41 du signal radioélectrique associé à la décharge électrique sous forme d'oscillations amorties pendant environ 1 !As. On note que l'acquisition de l'oscillogramme est déclenchée sur le front montant de la perturbation électromagnétique. A partir de cet instant là, le temps de création de l'impulsion 42 (figure 4B) est de 10,8 !As. La durée de l'impulsion laser est de 730 ns. Le temps de création de l'impulsion dépend alors des caractéristiques du plasma et du gain laser dans la cavité. Cet exemple montre que le temps de « fermeture » de la cavité laser pendant lequel la cavité optique est alignée est faible. Le prisme plasma ainsi généré permet momentanément une baisse des pertes dans la cavité optique et un démarrage irréversible de l'oscillation laser, l'impulsion laser résultante étant créée alors que le prisme plasma est dissipé. La distance entre les électrodes est la plus faible possible pour obtenir un effet de prisme plasma avec une tension électrique limitée, mais suffisamment grande pour ne pas induire de perte sur le faisceau par diffraction au niveau des électrodes. Par exemple, on choisit la distance entre les électrodes sensiblement égale à quatre fois le diamètre du faisceau laser pris à 1/e2 en intensité. La figure 5 illustre un second exemple de réalisation d'une source laser à déclenchement actif appliqué plus particulièrement à un laser miniature (« microlaser »). La cavité optique 50 est formée de deux miroirs plans 51, 52 dont les coefficients de réflexion sont respectivement de 100% et 95% à la longueur d'onde de 1,064 i_tm d'émission laser. Les miroirs sont distants d'environ 1 cm. Un cristal 53 de Nd :YAG de 4 mm de longueur et un cristal 54 de CR4+ :YAG sont placés à l'intérieur de la cavité. Celle-ci est pompée longitudinalement à travers le miroir 51 par une diode laser 55 de longueur d'onde 808 nm dont le rayonnement est focalisé dans le milieu amplificateur 53 par un doublet de lentilles 57. On place les deux électrodes (non représentées sur la figure 5) à l'intérieur de la cavité de telle sorte que la lumière oscille entre les miroirs en passant entre les électrodes. Le faisceau est observé à l'aide d'une caméra infrarouge placée en sortie de cavité (non représentée sur la figure 5). Comme dans l'exemple précédent, la cavité optique est très légèrement déréglée de telle sorte qu'à une puissance donnée du faisceau de pompe suffisante pour l'émission laser, le seuil d'émission stimulée ne soit pas atteint. Dans l'exemple de la figure 5, le cristal de CR4+ :YAG agit comme un absorbant saturable dont l'effet se combine au déclenchement actif par plasma pour affiner l'impulsion laser déclenchée. La figure 6B montre un exemple d'impulsion laser ainsi obtenue. Alternativement, seul un déclenchement actif peut être mis en oeuvre. La figure 6C montre le profil spatial de l'impulsion laser créée. La figure 6A illustre le retard de création de l'impulsion par rapport à la génération du prisme plasma et une mesure de la gigue temporelle. Dans cet exemple, la puissance de pompe est de 3W, avec un mode de gain laser de 1001.1m de diamètre. On mesure un délai de création de l'impulsion laser de 3,54 µs par rapport au déclenchement de la décharge électrique dont le front de montée est de 50 ns. On mesure une gigue temporelle d'environ 300 ns. Cette gigue temporelle, mesurée à partir du front de montée du déclenchement plasma est alors 40 à 45 fois inférieure à celle que l'on a en utilisant uniquement le déclenchement passif. Le délai de création de l'impulsion laser représente ici plus de 45 fois la durée de vie du prisme plasma. La gigue temporelle entre le signal de déclenchement du plasma et le moment d'arrivée de l'impulsion laser peut être minimisée en diminuant la durée de l'impulsion électrique qui génère la décharge électrique entre les électrodes. Les figures 7A et 7B montrent selon des exemples des formes d'impulsions électriques adaptées. L'exemple de la figure 7A montre une impulsion électrique de forme sensiblement monopolaire, les courbes 71 et 72 représentant respectivement la composante temporelle et la composante fréquentielle de l'impulsion. L'exemple de la figure 7B montre une impulsion électrique de forme sensiblement bipolaire, les courbes 73 et 74 représentant respectivement la composante temporelle et la composante fréquentielle de l'impulsion. Dans le cas d'une impulsion électrique bipolaire, l'inversion de polarité de la tension électrique permet de mieux contrôler la disparition du prisme plasma et donc de contrôler le temps de fermeture de la cavité laser. The light emitted by the laser pulse thus triggered is detected by a fast photodiode connected to an oscilloscope. Figure 4A shows the signal recorded during the trip. We first observe the trace 41 of the radio signal associated with the electric discharge in the form of oscillations damped for about 1! As. It is noted that the acquisition of the oscillogram is triggered on the rising edge of the electromagnetic disturbance. From this moment, the time of creation of the pulse 42 (Figure 4B) is 10.8! As. The duration of the laser pulse is 730 ns. The time of creation of the pulse then depends on the characteristics of the plasma and the laser gain in the cavity. This example shows that the "closing" time of the laser cavity during which the optical cavity is aligned is small. The plasma prism thus generated allows a momentary reduction of the losses in the optical cavity and an irreversible start of the laser oscillation, the resulting laser pulse being created while the plasma prism is dissipated. The distance between the electrodes is as small as possible to obtain a plasma prism effect with a limited electrical voltage, but large enough not to induce a loss on the beam by diffraction at the electrodes. For example, the distance between the electrodes is chosen to be substantially equal to four times the diameter of the laser beam taken at 1 / e 2 in intensity. FIG. 5 illustrates a second exemplary embodiment of an active trigger laser source applied more particularly to a miniature laser ("microlaser"). The optical cavity 50 is formed of two planar mirrors 51, 52 whose reflection coefficients are respectively 100% and 95% at the wavelength of 1.064 i_tm of laser emission. The mirrors are about 1 cm apart. An Nd: YAG crystal 53 of 4 mm in length and a crystal 54 of CR4 +: YAG are placed inside the cavity. This is pumped longitudinally through the mirror 51 by a laser diode 55 of wavelength 808 nm, the radiation of which is focused in the amplifying medium 53 by a doublet of lenses 57. The two electrodes (not shown in FIG. Figure 5) inside the cavity so that the light oscillates between the mirrors passing between the electrodes. The beam is observed with the aid of an infrared camera placed at the cavity outlet (not shown in FIG. 5). As in the previous example, the optical cavity is very slightly out of adjustment so that at a given power of the pump beam sufficient for the laser emission, the stimulated emission threshold is not reached. In the example of FIG. 5, the CR4 +: YAG crystal acts as a saturable absorber whose effect combines with active plasma triggering to refine the triggered laser pulse. FIG. 6B shows an example of a laser pulse thus obtained. Alternatively, only an active trigger can be implemented. Figure 6C shows the spatial profile of the laser pulse created. FIG. 6A illustrates the delay of creation of the pulse with respect to the generation of the plasma prism and a measurement of the temporal jitter. In this example, the pump power is 3W, with a laser gain mode of 1001.1m in diameter. A delay of 3.54 μs laser pulse generation is measured with respect to the onset of the electric discharge with a rising edge of 50 ns. Time jitter of approximately 300 ns is measured. This time jitter, measured from the rising edge of the plasma trigger is then 40 to 45 times lower than that which is used only by the passive trigger. The time of creation of the laser pulse here represents more than 45 times the lifetime of the plasma prism. The temporal jitter between the plasma trigger signal and the arrival time of the laser pulse can be minimized by decreasing the duration of the electrical pulse that generates the electrical discharge between the electrodes. FIGS. 7A and 7B show, according to examples, forms of suitable electrical pulses. The example of FIG. 7A shows an electrical pulse of substantially monopolar shape, the curves 71 and 72 respectively representing the time component and the frequency component of the pulse. The example of FIG. 7B shows an electrical pulse of substantially bipolar shape, the curves 73 and 74 respectively representing the time component and the frequency component of the pulse. In the case of a bipolar electric pulse, the inversion of polarity of the electrical voltage makes it possible to better control the disappearance of the plasma prism and thus to control the closing time of the laser cavity.

Dans les exemples illustrés sur les figures 3 et 5, un plasma est généré dans l'air, entre les deux électrodes. Alternativement le milieu entre les deux électrodes peut comprendre un matériau semi-conducteur transparent ou partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission laser. Par exemple, ce matériau peut être de type silicium (Si), nitrure de gallium (GaN), sulfure de zinc (ZnS), phosphure d'indium (InP), arséniure de gallium (GaA). La création d'une densité de charges suffisante pour obtenir la déflexion du faisceau lumineux et le dépassement du seuil d'émission laser dans la cavité dans un semiconducteur peut alors apparaître pour une tension électrique entre les électrodes inférieure à celle nécessaire pour l'établissement du même gradient dans l'air. Le dopage des matériaux est adapté afin de contrôler leur résistivité interne. La figure 8 illustre une variante de réalisation selon laquelle la cavité étant déréglée, on augmente la puissance du faisceau de pompe pour passer au-dessus du seuil d'émission laser dans la cavité. Il en résulte l'émission d'un mode laser particulier (71) différent du mode laser fondamental de la cavité. En appliquant une impulsion électrique entre les électrodes, on génère comme cela une commutation de mode. Le mode représenté en 71 se transforme en un mode circulaire 73. Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le procédé de déclenchement actif selon l'invention et la source laser déclenché par ledit procédé comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent. In the examples illustrated in FIGS. 3 and 5, a plasma is generated in the air, between the two electrodes. Alternatively, the medium between the two electrodes may comprise a semiconductor material that is transparent or partially transparent at the laser emission wavelength. For example, this material may be silicon (Si), gallium nitride (GaN), zinc sulphide (ZnS), indium phosphide (InP), gallium arsenide (GaA). The creation of a charge density sufficient to obtain the deflection of the light beam and the exceeding of the laser emission threshold in the cavity in a semiconductor can then occur for an electric voltage between the electrodes lower than that required for the establishment of the same gradient in the air. Doping materials is adapted to control their internal resistivity. FIG. 8 illustrates an embodiment variant according to which the cavity being out of adjustment, the power of the pump beam is increased to pass above the laser emission threshold in the cavity. This results in the emission of a particular laser mode (71) different from the fundamental laser mode of the cavity. By applying an electric pulse between the electrodes, a mode switch is generated in this way. The mode represented at 71 is transformed into a circular mode 73. Although described through a certain number of detailed exemplary embodiments, the active triggering method according to the invention and the laser source triggered by said method comprise different variants, modifications and improvements which will become apparent to those skilled in the art, it being understood that these various alternatives, modifications and improvements are within the scope of the invention, as defined by the following claims.

Claims (10)

REVENDICATIONS1. Source laser impulsionnelle à déclenchement actif comprenant : - une source d'émission (35, 55) d'un faisceau de pompe de puissance lumineuse prédéterminée et de longueur d'onde de pompe xp donnée, - une cavité laser (10, 30, 50) comprenant un milieu amplificateur (13, 33, 53) agencé entre deux miroirs (11, 12) sensiblement parallèles, la cavité laser présentant un axe de propagation privilégié et étant destiné à recevoir ledit faisceau de pompe pour l'émission selon ledit axe de propagation d'une impulsion laser à une longueur d'onde laser XL, les miroirs présentant l'un par rapport à l'autre un décalage angulaire, de valeur telle que la cavité se trouve en dessous du seuil d'émission laser à la puissance donnée du faisceau de pompe, - deux électrodes positionnées de part et d'autre dudit axe de propagation privilégié et des moyens pour délivrer une impulsion électrique entre lesdites électrodes, permettant de générer dans le milieu entre lesdites électrodes un gradient de charges électriques temporaire selon une direction sensiblement perpendiculaire audit axe de propagation privilégié et la déflexion d'un faisceau lumineux se propageant dans la cavité de telle sorte que le seuil d'émission laser soit atteint dans ladite cavité optique à la puissance donnée du faisceau de pompe. REVENDICATIONS1. An active trigger pulse laser source comprising: - a source of emission (35, 55) of a predetermined light power pump beam and a given pump wavelength xp, - a laser cavity (10, 30, 50 ) comprising an amplifying medium (13, 33, 53) arranged between two mirrors (11, 12) substantially parallel, the laser cavity having a preferred axis of propagation and being intended to receive said pump beam for emission along said axis of propagating a laser pulse at a laser wavelength XL, the mirrors having, with respect to each other, an angular offset, of such a value that the cavity is below the laser emission threshold at the power pump beam data, - two electrodes positioned on either side of said preferred propagation axis and means for delivering an electrical pulse between said electrodes, for generating in the medium between said electrodes; electrodes a temporary electrical charge gradient in a direction substantially perpendicular to said preferred axis of propagation and the deflection of a light beam propagating in the cavity such that the laser emission threshold is reached in said optical cavity at the given power pump beam. 2. Source laser à déclenchement actif selon la revendication 1, dans laquelle la durée de l'impulsion électrique est inférieure à 10 ns, avantageusement inférieure à 1 ns. 2. Active trigger laser source according to claim 1, wherein the duration of the electric pulse is less than 10 ns, preferably less than 1 ns. 3. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'impulsion électrique est bipolaire. An active trigger laser source according to any one of the preceding claims, wherein the electrical pulse is bipolar. 4. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le milieu entre lesdites électrodes est constitué d'air. An active trigger laser source according to any one of the preceding claims, wherein the medium between said electrodes is air. 5. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le milieu entre lesdites électrodes comprend un matériau semi-conducteur au moins partiellement transparent à la longueur d'onde d'émission laser. An active trigger laser source according to any one of claims 1 to 3, wherein the medium between said electrodes comprises a semiconductor material at least partially transparent to the laser emission wavelength. 6. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la longueur de la cavité optique entre les deux miroirs est inférieure à 2 cm. An active trigger laser source according to any one of the preceding claims, wherein the length of the optical cavity between the two mirrors is less than 2 cm. 7. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cavité comprend en outre un cristal absorbant saturable. An active trigger laser source according to any one of the preceding claims, wherein the cavity further comprises a saturable absorber crystal. 8. Source laser à déclenchement actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la distance entre les électrodes est sensiblement égale à 4 fois le diamètre du faisceau laser pris à 1/e2 en intensité. 8. Active trigger laser source according to any one of the preceding claims, wherein the distance between the electrodes is substantially equal to 4 times the diameter of the laser beam taken at 1 / e2 intensity. 9. Méthode de déclenchement actif d'une source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant : - le réglage de la cavité pour obtenir à une puissance donnée du faisceau de pompe, l'émission d'un faisceau laser ; - le déréglage de la cavité optique de telle sorte à introduire ledit décalage angulaire entre les miroirs de la cavité, entraînant le passage de la cavité optique en-dessous du seuil d'émission laser à ladite puissance de pompe; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la génération d'une impulsion laser. 9. A method of active triggering of a laser source according to any one of the preceding claims comprising: - adjusting the cavity to obtain at a given power of the pump beam, the emission of a laser beam; - the adjustment of the optical cavity so as to introduce said angular offset between the mirrors of the cavity, causing the passage of the optical cavity below the laser emission threshold to said pump power; the application of an electrical pulse between the electrodes for the generation of a laser pulse. 10. Méthode de déclenchement actif d'une source laser selon la revendication 9, comprenant en outre, après l'étape de déréglage de la cavité optique : - l'augmentation de la puissance de pompe, résultant en une émission laser selon un premier mode ; - l'application d'une impulsion électrique entre les électrodes pour la commutation de l'émission laser selon un second mode.25 The method of active triggering of a laser source according to claim 9, further comprising, after the step of adjusting the optical cavity: increasing the pump power, resulting in a laser emission according to a first mode ; the application of an electrical pulse between the electrodes for switching the laser emission according to a second mode.
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