Le domaine de l'invention est celui des dispositifs laser de forte énergie typiquement supérieure au Joule.

Il peut s'agir aussi bien d'amplificateurs que d'oscillateurs laser. Ce type de dispositif laser rencontre un vif intérêt pour adresser des champs d'applications tels que le médical et notamment la protonthérapie (traitement de tumeur cancéreuses par faisceaux de protons), la sécurité et notamment la détection d'agents chimiques, le déclenchement contrôlé de la foudre via la création d'un canal d'air ionisé créé par laser, l'environnement pour notamment la détection de polluants, l'énergie pour des centrales à fusion par confinement inertiel, ou encore l'usinage pour notamment, la soudure, la structuration de surface ou le perçage de pièces métalliques ou autres matériaux solides.

Ainsi il existe actuellement des programmes de recherche pour développer des dispositifs laser de très fortes puissances utilisés comme faisceaux d'énergie intense pour déclencher des réactions de fusion au sein des réacteurs nucléaires des futures centrales électriques à fusion, comme décrit dans l'article de M.Dunne : « A high-power laser fusion facility for Europe », Nature physics, 2 (January 2006).

De manière générale, l'énergie exprimée en Joules, produite par un laser peut être délivrée selon différents modes :

- soit en monocoup : une seule impulsion d'une durée pouvant aller de quelques femtosecondes [10 ^"15 ] à plusieurs millisecondes [10 ^"3 ] ;

- soit cadencé : un train d'impulsions est caractérisé par une cadence exprimée en Hertz ;

- soit en continu : l'émission laser est constante sur des durées pouvant atteindre plusieurs heures. Les deux premiers modes entrent dans la catégorie des lasers impulsionnels. Le Milieu à Gain Laser ici dénommé par l'acronyme MGL au sein duquel est extraite l'énergie en question peut-être solide, liquide ou gazeux.

Dans le cas des solides, il peut s'agir de verre, de cristal ou de céramique, les céramiques pouvant être dopées à des taux pouvant atteindre quelques dizaines de pourcents.

Certains atomes de cette matrice sont remplacés par des ions dits « laser » ; le taux de remplacement définit le niveau de dopage du MGL. Via un processus d'excitation qualifié de pompage, ces ions sont capables de stocker de l'énergie puis de la restituer sous l'effet d'une impulsion laser traversant le MGL : celle-ci est alors amplifiée. C'est ce gain énergétique qui justifie l'appellation MGL. On utilise la notion de gain linéique g exprimé en cm ^"1 pour définir la capacité d'amplification par unité de longueur. La valeur du gain linéique g dépend notamment du dopage en ions lasers et du niveau d'éclairement généralement exprimé en W/cm ² du MGL dans le cas d'un « pompage » du MGL par une source lumineuse. Cet éclairement peut notamment être réalisé par des lampes flashes, ou encore un autre laser comme des diodes par exemple. La tenue au flux laser par unité de surface limitée des matériaux constituant les MGL solides impose des dimensions transverses relativement importantes lorsqu'il s'agit d'extraire sans danger de destruction du matériau lui-même (ou de ses faces) de fortes quantités d'énergie : dès quelques Joules.

Une grande dimension transverse permet donc de diminuer la densité surfacique d'énergie exprimée en J/cm ² , ou la densité de puissance exprimée en W/cm ² . Pour une utilisation en continu ou à des cadences élevées, la forte puissance moyenne résultante requière, par ailleurs, une épaisseur relativement faible afin d'extraire aisément la chaleur stockée.

Typiquement les milieux à gain destinés à des lasers de forte puissance sont avantageusement de larges plaques fines comme illustré en figures 1 a et 1 b. La figure 1 a est relative au cas d'un milieu à gain laser MGL ayant la forme d'un disque fin refroidi au niveau de l'une de ses faces selon un plan défini comme transverse selon les axes X et Y orthogonaux à la direction Z qualifiée d'axiale, le refroidissement pouvant par exemple être assuré par un liquide. Le milieu à gain est par ailleurs pompé au niveau de la face transverse opposée, l'énergie étant extraite avec réflexion sur la face refroidie. Ainsi, le pompage, le refroidissement et l'extraction sont réalisés selon l'axe Z et sont repérés par les flèches Fp, F _R et F _E .

La figure 1 b est relative au cas d'une plaque amplificatrice pouvant notamment être utilisée dans des lasers de très forte puissance type Laser MégaJoule encore couramment dénommés par l'acronyme LMJ. Ce type de plaque peut être refroidi des deux côtés par convection d'un gaz et également pompé des deux côtés pour une extraction en transmission. Les plaques amplificatrices de ces lasers de très forte énergie peuvent être par ailleurs équipées, en leurs extrémités (suivant la plus grande dimension), de milieux appelés « Cladding », M _C LA milieux absorbants.

Le refroidissement s'effectue par contact d'un fluide sur l'une ou les deux grandes faces et fournit un flux de refroidissement illustré par les flèches FR. Il en va de même pour le pompage et l'extraction d'énergie, illustrés respectivement par des flèches F _P et F _E .

Le recours à des MGL de grandes dimensions transverses comportant des surfaces typiquement comprises entre environ 1 cm ² et 1000 cm ² , implique des pertes par amplification de l'émission spontanée dénommée ci-après par l'acronyme ASE, pouvant devenir très vite rédhibitoires si le produit (largeur X gain linéique), est trop élevé. Les flèches FASE, à l'horizontale permettent de visualiser la direction préférentielle de l'ASE qui se développe suivant les grandes dimensions du milieu à gain laser.

C'est pourquoi, il est proposé dans la présente invention un nouveau type de dispositif laser de forte énergie comportant un MGL dont les dimensions transverses sont supérieures d'un facteur environ 10 par rapport à son épaisseur, présentant des moyens de pompage, des moyens d'extraction et des moyens de refroidissement, tous agissant sous le forme de flux énergétiques à travers un plan ou des plans transverses au milieu, ledit milieu à gain présentant en outre une modulation spatiale du gain selon la direction perpendiculaire à ces plans via un contrôle sur son niveau de dopage, afin d'optimiser la capacité à stocker, à extraire de l'énergie et à refroidir le MGL tout en minimisant les effets néfastes de l'ASE. Plus précisément la présente invention a pour objet un dispositif laser de forte énergie comprenant :

- un milieu à gain à base de matériau solide incorporant des ions dopants présentant une première dimension transverse (L) selon un premier axe (X), une seconde dimension transverse (I) selon un second axe (Y) et une troisième dimension axiale (e) selon un troisième axe (Z), les trois axes étant orthogonaux entre eux, les dimensions transverses étant supérieures d'un facteur environ 1 par rapport à la troisième dimension axiale ;

- des moyens de pompage délivrant un flux d'énergie au travers d'un plan défini par les premier et deuxième axes ;

- des moyens de refroidissement délivrant un flux de chaleur au travers d'un plan défini par les premier et deuxième axes ;

- des moyens d'extraction d'énergie délivrant un flux lumineux au travers du plan défini par les premier et deuxième axes, caractérisé en ce que le milieu à gain à base de matériau solide présente un gradient de taux de dopage variable tel que les variations de gain linéique et de densité volumique d'énergie stockée sont nulles ou très faibles le long de la troisième direction axiale Z, l'amplification de l'émission spontanée étant également réduite. Selon une variante de l'invention, les dimensions transverses sont supérieures d'un facteur environ 10 par rapport à la troisième dimension.

Typiquement les flux de pompage et/ou de refroidissement et/ou d'extraction peuvent être selon le troisième axe. Selon une variante de l'invention, le dispositif laser de forte énergie comprend des moyens de pompage situés au niveau d'une première face dite transverse située dans un plan défini par les deux axes transverses, le taux de dopage variant de manière croissante depuis cette face jusqu'à une face transverse opposée à ladite première face transverse. Selon une variante de l'invention, les moyens d'extraction comprennent des moyens réfléchissants localisés sur la seconde face transverse permettant au faisceau ou à un train d'impulsions extrayant l'énergie d'émerger amplifié depuis ladite première face transverse.

Selon une variante de l'invention, le dispositif laser de forte énergie comporte des moyens de pompage situés au niveau des deux faces dites transverses du milieu à gain laser, ledit milieu à gain laser comportant une variation de dopage assimilable à une courbe présentant un maximum situé à une épaisseur médiane de l'épaisseur du milieu à gain laser, définie selon la dimension axiale. Selon une variante de l'invention, le milieu à gain est un cristal de

YAG dopé avec des ions de terres rares telles que le Néodyme ou l'Ytterbium.

Selon une variante de l'invention, le milieu à gain laser comportant une matrice avec des ions dopants, le taux de dopage varie progressivement selon ledit troisième axe entre des valeurs de l'ordre de 1 ,3 at% à 2,3 at% correspondant à un pourcentage d'ions dopants par rapport au nombre d'atomes constitutifs de la matrice du milieu à gain laser, la troisième dimension étant comprise entre environ 0,7 cm et 0,8 cm.

Selon une variante de l'invention, le milieu à gain est un disque fin. Selon une variante de l'invention, le milieu à gain est une plaque.

Selon une variante de l'invention, le rapport entre la première et/ou la deuxième dimension, et la troisième dimension est supérieur ou égal à 10. Selon une variante de l'invention, les dimensions transverses sont au moins supérieures au centimètre, la dimension axiale étant inférieure au centimètre.

Selon une variante de l'invention, les dimensions transverses du milieu à gain laser définissent une surface comprise entre environ 10 cm ² et 1000 cm ²

Selon une variante de l'invention, les moyens de refroidissement comprennent un liquide et des moyens pour faire circuler ledit liquide au niveau d'au moins l'une des faces dites transverses.

Selon une variante de l'invention, les moyens de refroidissement comprennent un gaz et des moyens pour faire circuler ledit gaz par convection. Selon une variante de l'invention, le milieu à gain laser comporte en outre des milieux absorbants situés en périphérie et disposés selon la direction axiale.

Selon une variante de l'invention, le dispositif laser de forte énergie comporte : - des moyens de pompage agissant : - sur une face transverse supérieure ;

- selon des axes distribués à l'intérieur d'un cône dont l'axe est perpendiculaire à la face transverse en question et le demi angle vaut 60° ; - des moyens de refroidissement agissant en contact avec la face transverse inférieure ;

- des moyens d'extraction agissant :

- sur les deux faces transverses ;

- selon des axes distribués à l'intérieur d'un cône dont l'axe est perpendiculaire aux faces transverses et le demi angle vaut

10°.

Selon une variante de l'invention, le dispositif laser de forte énergie comporte :

- des moyens de pompage agissant : - sur une face transverse supérieure ; selon des axes distribués à l'intérieur d'un cône dont l'axe de révolution est perpendiculaire à ladite face transverse et le demi angle vaut 10° ;

- des moyens de refroidissement agissant en contact avec la face transverse inférieure ;

- des moyens d'extraction agissant : sur les deux faces transverses ; selon des axes distribués à l'intérieur d'un cône dont l'axe de révolution est orienté à 65° des faces transverses et le demi angle vaut 1 °.

Selon une variante de l'invention, le dispositif laser de forte énergie comporte :

- des moyens de pompage agissant : sur les deux faces transverses ; - selon des axes distribués à l'intérieur de deux cônes dont les axes de révolution sont à environ 50° des faces transverses et le demi angle vaut 70° ;

- des moyens de refroidissement agissant en contact avec les faces transverses ; - des moyens d'extraction agissant : sur les deux faces transverses supérieures selon des axes distribués à l'intérieur d'un cône dont l'axe de révolution est orienté à l'angle de Brewster supérieur à environ 50° par rapport à la face transverse et le demi angle vaut 2°.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

- les figures 1 a et 1 b illustrent respectivement deux exemples de configurations de pompage laser d'un milieu à gain laser selon l'art connu mettant en évidence les surfaces d'interaction et les directions de pompage, d'extraction et de refroidissement d'un milieu à gain laser de faible épaisseur et de grandes dimensions transverses ; - les figures 2a et 2b illustrent un dispositif laser de forte énergie selon l'invention comportant des moyens de pompage au niveau d'une face transverse ;

- les figures 3a et 3b illustrent un dispositif laser de forte énergie selon l'invention comportant des moyens de pompage au niveau des deux faces transverses ;

- les figures 4a, 4b et 4c illustrent respectivement les profils de taux de dopage en ions au sein de la matrice YAG, de gain linéique en fonction de l'épaisseur et de densité volumique d'énergie stockée en fonction de l'épaisseur au sein du milieu à gain laser et ce pour un milieu à gain de dopage constant et pour un milieu à gain de taux de dopage croissant ;

- l'ensemble des figures 5a et 5b illustre la distribution du coefficient MASE dans un plan parallèle aux axes transverses d'un milieu à gain laser dans le cas d'un dopage constant selon l'art connu et d'un dopage croissant selon l'invention ;

- les figures 6a et 6b illustrent respectivement selon l'axe horizontal du graphe, l'évolution de la distribution axiale de la température et selon l'axe vertical du graphe, l'évolution temporelle de la température mesurée avec le nombre d'impulsions de pompage émise à la cadence de 10 Hz. De manière générale, le dispositif laser de forte énergie selon l'invention comprend comme représenté en figures 2a et 2b, un milieu à gain laser, des moyens de pompage, des moyens de refroidissement et des moyens d'extraction. Les moyens de pompage, les moyens de refroidissement et les moyens d'extraction sont tous des flux d'énergie traversant un plan transverse et peuvent par exemple agir le long d'un axe Z, axe selon lequel le milieu à gain laser présente une faible dimension e, typiquement comprise entre le millimètre et quelques centimètres. Les deux autres dimensions L et I du milieu à gain laser selon des axes X et Y sont de dimensions beaucoup plus importantes que la dimension selon l'axe Z. Typiquement ses dimensions L et I peuvent être de l'ordre du centimètre à quelques dizaines de centimètres. Selon l'invention, le milieu à gain laser comporte un gradient de dopage selon l'axe Z, le dopage variant de manière croissante depuis la première face transverse en contact avec les moyens de pompage, et est mis en évidence par la courbe C ₂ d au sein dudit milieu à gain laser. La figure 2b met en évidence le gradient de dopage au sein du milieu à gain laser le long de l'axe Z.

Selon une alternative de l'invention, dans le cas d'un dispositif laser de très forte énergie typiquement, des moyens de pompage peuvent avantageusement être disposés au niveau des deux faces transverses comme représenté en figures 3a et 3b. Dans ce cas les moyens d'extraction de l'énergie fonctionnent en transmission. Le faisceau ou le train d'impulsions laser à amplifier traverse alors de part en part le MGL en extrayant ainsi l'énergie préalablement stockée lors du pompage. Dans ce cas le gradient de dopage est assimilable à une courbe présentant un maximum situé à une épaisseur médiane du milieu à gain laser et est mis en évidence par la courbe C ₃ d au sein dudit milieu à gain laser.

La demanderesse explique ci-après pourquoi la configuration de dispositif laser selon l'invention permet de gérer des problématiques intrinsèques aux fortes énergies et ce notamment dans le cas de milieux à gain de type YAG dopés aux ions de type néodyme ou ytterbium.

Un premier milieu à gain laser est évalué, il présente un taux de dopage constant le long de sa direction axiale, ce taux étant de 1 ,9 at% et une épaisseur de 0,75 cm. Un second milieu à gain laser est évalué, il présente un taux de dopage variant de 1 ,3 at % à 2,3 at% et une épaisseur de 0,75cm.

Il est présenté en figures 4a à 4c, respectivement les profils de taux de dopage en ions (courbes 4a _A et 4a _B ), de gain linéique (courbes 4b _A et 4be) et de densité volumique d'énergie stockée ( courbes 4CA et 4CB), tous trois en fonction de l'épaisseur au sein du MGL (ici matrice YAG) et ce pour le milieu à gain référencé A, présentant un taux de dopage constant dans son volume de 1 ,9 at% et le milieu à gain laser référencé B ayant le profil de taux de dopage illustré en figure 4a. Pour ces deux dispositifs lasers, les moyens de pompage sont configurés pour être situés au niveau d'une seule des faces dites transverses comme illustré en figures 2a et 2b et ce avec un éclairement de pompage de 14 kW/cm ² .

L'autre face transverse, située sur l'axe Z à une position z= 0,75, est réfléchissante pour la lumière de pompe. Il ressort des figures 4b et 4c et plus précisément des courbes 4b _B et 4c _B relatives au cristal B, que ce cristal

B permet d'obtenir des variations nulles ou très faibles en terme de gain linéique et de densité volumique d'énergie stockée.

Au-delà de ces performances avantageusement constantes, la distribution variable de dopage permet de réduire fortement l'ASE, problème majeur dans les lasers de très fortes énergies.

En effet, on peut considérer qu'en deçà d'un seuil donné de gain linéique, typiquement égal à 1 cm ^"1 pour un MGL de 4x4cm ² , l'amplification de l'émission spontanée est négligeable alors qu'elle devient rapidement problématique au-delà.

Les pertes par ASE sont, par contre, importantes dans toute la première moitié du cristal A : en effet, entre z=0 et 0,3 cm le gain linéique est supérieur à 1 cm ^"1 et la densité volumique d'énergie stockée atteint une valeur de 14,5 J/cm ³ .

Pour le cristal B, le gain linéique local ne dépasse jamais 1 cm ^"1 et la densité volumique d'énergie stockée 1 1 J/cm ³ .

Pour illustrer le rôle favorable d'une distribution variable du dopage sur l'ASE, il est intéressant d'utiliser le coefficient « Multiplicateur ASE » M _ASE , comme décrit dans l'article de D.Lowenthal, « ASE effects in small aspect ratio laser oscillators and amplifiers with nonsaturable absorption », IEE J.Q.EIec.,22 ,No 8 (1986).

Ce dernier peut-être présenté comme le nombre de fois qu'un photon émis spontanément par fluorescence stimule l'émission d'autres photons avant de sortir du milieu à gain. Par exemple, un coefficient M _ASE de 1 ,8 signifie qu'un photon émis spontanément peut causer en moyenne l'émission de 0,8 photon par émission stimulée avant de quitter le milieu à gain. La durée de vie du gain dans le milieu est alors réduite de sa valeur initiale τ ₀ (pour un gain g ₀ ) pour atteindre un coefficient de τ _o /M _A sE- La demanderesse a mis en évidence qu'un gain linéique de 1 , génère un coefficient M _ASE au maximum de 2,5, alors qu'un gain linéique de 1 ,5 génère un coefficient M _ASE pouvant atteindre une valeur de 17. Ces résultats ressortent des figures 5a et 5b qui fournissent respectivement les valeurs des coefficients M _ASE définis selon les deux axes transverses exprimés en centimètres.

Il existe donc un facteur multiplicateur de 7 entre les deux et donc une durée de vie effective de stockage d'énergie 7 fois plus faible en raison de la relation de proportionnalité suivante : τ _eff ≈ τlM _ASE

avec τ : le durée de vie des ions lasers dans l'état excité, soit encore la durée de vie du gain.

Le milieu à gain laser proposé dans la présente invention permet de diminuer notablement les pertes par émission laser spontanée (ASE) en limitant la valeur du gain linéique g à une valeur seuil (dans cet exemple 1 cm-1 ) quelle que soit la distance à l'intérieur du MGL selon la direction longitudinale Z.

Par ailleurs il permet également d'optimiser l'énergie extractible pour un volume donné et par voie de conséquence de diminuer fortement le volume classique de MGL requis pour les lasers de fortes énergies connus à ce jour, ce qui représente un atout majeur dans le contexte notamment des lasers de très fortes puissances, type laser MégaJoule.

La demanderesse a pour cela déterminé les énergies extractibles des milieux à gain laser à base de cristaux YAG dopés Yb suivants : - Cristal A : épaisseur e = 0,75 cm, taux de dopage 1 ,9 at% : énergie extractible : 6, 07 J/cm ²

- Cristal B : épaisseur e = 0,75 cm, taux de dopage variant de 1 ,3 at% à 2,3 at% : énergie extractible 6,1 J/cm ² ; - Cristal C : épaisseur e = 1 ,15 cm, taux de dopage 1 ,3 at%, énergie extractible 6,08 J/cm ² .

Il ressort de ces analyses que seuls les cristaux B et C permettent de maintenir l'ASE à un niveau satisfaisant en raison d'un gain linéique inférieur ou égal à 1 , tout en conduisant à une énergie extractible du même ordre, environ 6,1 J/cm ² .

Néanmoins le cristal C présente une épaisseur nettement plus importante que celle du cristal B, et par la même un volume de matériau nettement plus important surtout lorsqu'il s'agit d'envisager des lasers de très fortes énergies présentant des dimensions transversales selon les axes X et Y de l'ordre de dizaines voire de centaines de centimètres conduisant à la nécessité d'un dopage variable rendu évident en terme de volume de milieu à gain laser requis.

En effet, il ressort qu'un cristal de 0,75 cm d'épaisseur à gradient de dopage est suffisant pour atteindre la même capacité d'extraction qu'un cristal de 1 ,15 cm à dopage constant. Un tel gain de 35% sur le volume requis de MGL peut s'avérer fondamental dans le dimensionnement d'un système laser. A titre d'exemple les 4320 plaques amplificatrices du laser MégaJoule tel qu'il est conçu actuellement pèsent 125 tonnes, ces plaques étant uniformément dopées. La configuration de dispositif laser proposée dans la présente invention permet de plus de mieux gérer la thermique de ce type de dispositif laser de forte puissance moyenne, au sein duquel il est important de parvenir à bien évacuer la chaleur générée.

Pour cela les dispositifs lasers qui sont étudiés fonctionnent avec des moyens de refroidissement efficaces. Plus précisément, un refroidissement efficace doit être assuré pour un régime cadencé à 10 Hz. Ce refroidissement comprend : - une convection d'air localisée au niveau d'une première face transverse situé du côté des moyens de pompage et caractérisée par un coefficient d'échange thermique de 10 W/m ² /K et une température de 295,15 K ; - une circulation d'eau au niveau d'une face transverse opposée à la première face transverse et caractérisée par un coefficient d'échange thermique de 30 000 W/m ² /K et une température de 288,15 K.

Les figures 6a et 6b illustrent à ce titre l'évolution de la distribution axiale (longitudinale, axe z) de température respectivement pour le cristal C et pour le cristal B avec le nombre d'impulsions de pompage à 10 Hz représenté selon les axes verticaux. Les axes horizontaux représentent la dimension longitudinale des milieux à gain laser : une épaisseur de 1 ,15 cm pour le cristal YAG dopé uniformément avec un taux de dopage constant de 1 ,3 at% et de 0,75 cm pour le cristal à dopage variable compris entre 1 ,3 et 2,3 at%. Les différentes courbes sont des courbes d'isotempérature exprimée en Kelvin.

L'axe vertical donne le nombre d'impulsions de pompe. A la cadence de 10 Hz, le maximum de 500 signifie donc 50 secondes. On observe que : dans le cas du cristal C uniformément dopé et illustré en figure 6a, même après 50 secondes l'équilibre thermique n'est pas atteint et la température maximale est de 361 K.

dans le cas du cristal B à dopage variable et illustré en figure 6b, environ 30 secondes sont requises pour atteindre un équilibre thermique avec une valeur maximale de température de 340 K.

De manière générale pour réaliser le milieu à gain laser utilisé dans un dispositif laser de forte énergie selon l'invention il est possible d'utiliser l'une des technologies suivantes permettant de réaliser le profil de variation de taux de dopage recherché.

Plus précisément ces techniques peuvent être les suivantes : - la croissance d'un milieu à gain laser par épitaxie, c'est-à-dire couche atomique après couche atomique, avec une variation contrôlée du dopage de couche à couche ;

- la constitution d'un milieu à gain laser segmenté en cofrittant un nombre donné de céramiques très fines possédant des dopages variables ;

- la constitution d'un milieu à gain laser segmenté en ayant recours à une technique d'adhérence moléculaire de cristaux très fins possédant des dopages variables ;

- la croissance par cristallisation horizontale directe d'un cristal possédant alors un gradient de dopage ;

- la constitution d'un milieu à gain laser par frittage laser de couches successives de poudres céramiques possédant des dopages variables ;

- la constitution d'un milieu à gain laser par modification du dopage d'un MGL initialement dopé de manière uniforme (par annihilation d'ions) ; - la constitution d'un milieu à gain laser par bombardement d'une matrice hôte (YAG par exemple) à l'aide d'un faisceau d'ions (ytterbium par exemple) absorbés progressivement depuis la surface, engendrant ainsi le gradient de dopage dans le MGL.