PROCEDE DE CORRECTION D'ABERRATIONS PROVOQUEES PAR LES EFFETS THERMIQUES DANS UNE CAVITE LASER

Domaine de l'invention :

La présente invention concerne un procédé de correction des aberrations provoquées par les effets thermiques dans un barreau laser, ce barreau étant placé dans un dispositif laser tel qu'une cavité laser ou un amplificateur laser.

L'invention se situe notamment dans le domaine des lasers à solide, pompés par diodes, de puissance comprise entre 400 et 1000 W, de faible divergence et avec une qualité de faisceau telle que M ² <10, où M ² représente π/λ fois le produit du diamètre du faisceau par sa divergence, λ étant la longueur d'onde du faisceau laser.

Problème et art antérieur :

Dans les dispositifs lasers de puissance, il est habituel d'utiliser un barreau cylindrique pompé transversalement, refroidi sur sa surface latérale. L'énergie à évacuer du barreau est proportionnelle à la puissance du pompage. A titre d'exemple, pour un barreau en cristal de type Nd :YAG, plus de 30 % de l'énergie de pompage est transformée en énergie thermique au sein du barreau. Cette production de chaleur dans le volume du barreau, alors que son évacuation est à la périphérie, crée un gradient thermique radial, qui induit un gradient de contraintes et d'indice, et des valeurs d'indice différentes pour les ondes situées dans un plan radial et pour les ondes situées dans un plan orthoradial. Ces gradients radiaux d'indice et de contraintes sont à l'origine d'effets thermiques dégradant la qualité et la puissance du faisceau selon trois catégories de phénomènes, à savoir : i) La variation quadratique d'indice du matériau , qui crée un effet de lentille thermique dont la focale est variable en fonction de la puissance de pompe.

ii) La biréfringence radiale induite par le pompage, qui crée un effet de bifocalisation et occasionne des pertes encore plus importantes lorsque le laser est polarisé ; dans tous les cas on limite les effets de la biréfringence par une compensation, généralement de type rotateur de Faraday pour une application industrielle. iii) La présence d'aberrations optiques de type aberration sphérique du 3è ordre qui induisent une dégradation importante des performances du laser, et font chuter le rendement d'autant plus que la qualité de faisceau M ² est faible. Une première réduction des effets thermiques est aisément obtenue en apportant l'énergie de pompe directement dans une bande d'absorption du matériau laser, grâce à l'utilisation de diodes laser de forte puissance émettant à une longueur d'onde adéquate. Ces dix dernières années, d'énormes progrès ont été réalisés dans la fabrication des diodes laser de puissance, ce qui a rendu possible les fortes puissances de pompe à un coût compatible avec une utilisation industrielle, comme décrit dans les publications de S. Mc Comb, M.Atchley, "Reliable, multikilowatt semiconductor lasers mature", Laser Focus World, de décembre 1999, et la publication de E. J. Lerner, « Diode lasers offer efficiency and reliability », Laser Focus World, Mars 1998.

Le fait de pomper avec des diodes plutôt qu'avec des lampes flash réduit notablement la chaleur déposée dans le matériau laser.

Malgré cela, les aberrations décrites ci-dessus posent toujours d'importants problèmes qui limitent la possibilité de réaliser des lasers de forte puissance et faible divergence. Ces phénomènes ont été mentionnés dans des publications telles que celles de N. Hodgson et H. Weber, parue dans "Influence of Spherical Aberration of the active médium on the performance of Nd:YAG lasers", dans la revue « IEEE journal of quantum electronics », vol 29, n°9, de septembre 1993, ou celles de J. Bourderionnet et al., « Influence of aberrations on fundamental mode of high power solid- state lasers", de la revue Proceedings of CLEO 2001, et analysés plus en détail par C. Kennedy dans « Hélicoïdal modal analysis of lasers oscillators with spherical aberrations », vol 41, n° 33, Applied Optics 20 november 2002.

Dans ces publications, leurs auteurs montrent comment des aberrations de type aberration sphérique du 3è ordre, sont à l'origine de pertes de puissance d'un générateur laser . Dans le présent document, ces aberrations seront désignées plus simplement par « aberrations sphériques ».

Ces pertes peuvent être négligeables pour des générateurs lasers de faible puissance ou ayant une qualité de faisceau moyenne ou médiocre, mais si la qualité de faisceau voulue est importante, alors ces pertes deviennent d'autant plus importantes. En outre, plus la puissance de sortie est élevée, plus la puissance de pompage est importante et plus ces phénomènes thermiques font chuter le rendement. La recherche simultanée d'une faible divergence, ou d'un faible M ² , et d'une puissance élevée maximise donc ces paramètres dégradant le rendement.

Aussi, ces aberrations constituent un obstacle important pour la réalisation d'un générateur laser ayant à la fois une bonne qualité de faisceau et une puissance moyenne élevée.

Pour traiter ces aberrations, il est connu d'utiliser des systèmes actifs, qui sont toujours des techniques sophistiquées, complexes, coûteuses et encombrantes, et qui en outre, s'avèrent difficiles à réaliser pour les petites dimensions concernées.

Ces systèmes peuvent être des miroirs déformables, décrits par exemple par I. Moshe et S. Jackel dans « Correction of biréfringence and thermal lensing in non reciprocal resonators by use of a dynamic imaging mirror » dans Applied Optics 39 (24), p. 4313-4319 ; Ou bien une lame de phase à cristaux liquides pour faire varier localement l'indice décrite par J. Bourderionnet et al., « Spatial mode control of a diode pumped NdYAG laser by an intracavity liquid-crystal light valve », dans Optics letters 26(24) 1958- 1960 (2001), une technologie qui entraîne d'importantes pertes de puissance. Ou encore des miroirs à conjugaison de phase comme décrit par M. Ouhayoun et al., « phase conjugate émission of a two-mirror solid state laser », dans ASSL OSA TOPS vol. 68., technique efficace mais limitée car elle nécessite des flux importants.

Constatation propre à l'invention :

L'invention résulte d'une constatation qui lui est propre, à savoir que l'aberration sphérique générée dans une cavité laser pompée transversalement étant positive, elle est de signe contraire à l'aberration sphérique qui peut être obtenue par un système optique d'aberration sphérique négative, par exemple une simple lentille convergente ou l'association de plusieurs lentilles dont au moins une est convergente, comme détaillé ultérieurement.

Dès lors, en utilisant un tel dispositif optique d'aberration sphérique négative au sein de la cavité laser, il est possible de compenser l'aberration sphérique générée par le gradient thermique.

Définition de l'invention :

C'est pourquoi, l'invention concerne un procédé de correction de l'aberration sphérique (+δ) générée par les effets thermiques dans une cavité laser pompée transversalement caractérisé en ce qu'on utilise dans cette cavité laser un dispositif optique d'aberration sphérique négative ayant une aberration sphérique (-δ) d'amplitude proche, mais de signe opposé, à l'aberration due à l'effet thermique de façon à compenser cette dernière vis- à-vis du faisceau laser généré.

Un tel procédé corrige donc les aberrations sphériques subies par une cavité laser de façon aisée et peu coûteuse, puisqu e le dispositif optique d'aberration sphérique négative selon l'invention peut être constitué d'une simple lentille. Dans la majorité des cas toutefois, on utilise de manière avantageuse un doublet optique afocal. Mais on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en utilisant davantage de lentilles, comme par exemple plusieurs doublets afocaux, dès lors que toutes ces lentilles effectuent la correction d'aberration ci-dessus.

Il convient de noter que, pour générer une aberration de signe contraire à l'aberration due aux effets thermiques, le dispositif optique d'aberration sphérique négative doit être utilisé de façon à maximiser ces aberrations, ce qui va à rencontre des solutions mises en œuvre jusqu'à présent et à rencontre des préjugés d'un homme du métier qui vise généralement à réduire ces aberrations.

La mise en œuvre de l'invention, visant à corriger des aberrations sphériques d'un dispositif laser comportant un matériau laser pompé, peut comporter les étapes suivantes :

1- mesure ou calcul de l'aberration sphérique positive +δ due au gradient thermique du matériau laser pompé dans le dispositif considéré et choix du profil du faisceau désiré dans le barreau laser considéré.

2- choix d'un dispositif optique d'aberration sphérique négative, par exemple constitué de lentilles, cet ensemble ayant une aberration sphérique totale négative -δ à l'emplacement choisi pour son insertion ; avantageusement pour cela on oriente chacune des lentilles du dispositif optique d'aberration sphérique négative dans le sens qui maximise cette aberration sphérique, puis

3- conception du reste du dispositif laser dans lequel se trouve le barreau, en tenant compte de la vergence apportée par le dispositif optique d'aberration sphérique négative selon l'invention. Des corrections dues à l'addition d'aberration sphérique par les miroirs et lentilles éventuellement ajoutés à ce stade peuvent avoir à être faites.

Dans ce cadre, le « sens » ne désigne pas la trajectoire selon laquelle les photons traversent les deux dioptres délimitant la lentille mais l'orientation de cette lentille vis-à-vis de la géométrie locale du faisceau.

Par ailleurs, l'aberration sphérique minimale généralement recherchée par l'homme du métier est obtenue en orientant la face la plus fortement courbée vers la partie du faisceau dont les rayons extrêmes sont les moins inclinés. Selon le procédé de l'invention, on utilise au contraire une ou plusieurs lentilles orientées dans le sens qui maximise ces aberrations, c'est à dire en orientant la face la plus fortement courbée vers la partie du faisceau dont les rayons extrêmes sont les plus inclinés. En effet, l'aberration sphérique introduite par une lentille dépend de son sens par rapport au faisceau incident, comme indiqué par exemple dans l'ouvrage de A. Maréchal, « Traité d'optique instrumentale 1ère section, tome 1 : Imagerie géométrique, Aberrations », parue aux éditions de la revue d'optique théorique et instrumentale.

Le choix de chaque lentille commence par le choix du rayon de courbure de l'un des dioptres délimitant la lentille. En l'absence de toute

contrainte particulière, cette valeur est fixée a priori, par exemple une courbure infinie correspondant à un dioptre plan. Il suffit alors de déterminer le rayon de courbure de l'autre dioptre par le calcul de l'écart normal d'aberration sphérique d'un front d'onde, c'est-à-dire la différence de marche 5 entre le front d'onde réel et le front d'onde sphérique de référence centré sur le foyer paraxial.

Pour un dioptre sphérique de rayon R (cf figure 1) séparant un milieu d'indice n d'un milieu d'indice n' tel que représenté sur la figure 1, cet écart vaut δ défini par la relation :

où Q est la constante de propagation définie par :

Une lentille étant une suite de deux dioptres sphériques, un fois le premier dioptre fixé, généralement à priori, on calcule le rayon de courbure

15 du second dioptre pour que l'aberration sphérique ait la valeur δ recherchée, c'est à dire de même module que la valeur de l'aberration sphérique négative due au gradient thermique, mais de signe contraire. Il est à noter que ce calcul ne peut se faire sans déterminer à l'avance le profil du faisceau souhaité dans le barreau ainsi que l'emplacement des lentilles de

20 compensation, à moins qu'on utilise un système compensateur constitué de deux lentilles identiques de foyers confondus, formant un système afocal de grandissement 1.

En considérant une lentille plan-convexe de focale f utilisée dans l'air, dans la configuration infini/foyer, c'est-à-dire avec un faisceau provenant de

25 l'infini et focalisé après passage dans la lentille, le sens qui maximise l'aberration sphérique est celui pour lequel la face convexe est orientée du côté où le faisceau converge.

Dans cette configuration, l'écart normal d'aberration sphérique d'un front d'onde est :

Comme l'aberration sphérique engendrée par le matériau laser est de sens contraire, il suffit d'identifier cette formule avec l'aberration sphérique

précédemment mesurée ou calculée dans les barreaux laser pour calculer la focale de la lentille adéquate.

A titre d'exemple, il apparaît que pour compenser une aberration de 1 λ à la longueur d'onde de 1064 nm avec un dispositif optique d'aberration sphérique négative d'une seule lentille en silice fondue, il faut placer à la sortie d'un barreau de matériau laser de 6 mm de diamètre une lentille plan- convexe en silice fondue de 46 mm de focale, dans le cas où le faisceau en sortie de barreau est collimaté.

Lorsque plusieurs lentilles sont considérées, la formule est appliquée autant de fois que nécessaire pour que le dispositif optique d'aberration sphérique négative constitué de toutes les lentilles implantées dans la cavité ait une aberration sphérique négative de module égal à δ.

Dans le cas où le fonctionnement même de la cavité exigerait la présence d'une lentille, il convient d'inclure cette lentille dans le système dioptrique dont l'écart normal d'aberration sphérique d'un front d'onde est -δ pour mettre en oeuvre l'invention.

Une fois les lentilles déterminées, elles peuvent être placées de façon relativement souple dans le système laser, sur le trajet du faisceau laser, en tenant compte de leur sens par rapport à la géométrie du faisceau à l'endroit de l'insertion, le sens dans lequel chaque lentille est celui qui, pour la géométrie du faisceau laser à cet endroit, maximise les aberration sphériques. Dans le cas d'un système non afocal, il faudra tenir compte de la vergence des lentilles compensatrices pour la conception du système laser.

Dans un mode de réalisation, on oriente chacune des lentilles du dispositif optique d'aberration sphérique négative convergent par rapport à la géométrie locale du faisceau de manière à ce que l'aberration sphérique qu'elle produit soit maximale.

Selon un mode de réalisation, le dispositif optique d'aberration sphérique négative convergent est constitué d'une lentille convergente. Dans un mode de réalisation, le dispositif optique d'aberration sphérique négative convergent est constitué d'un doublet afocal de deux lentilles convergentes.

Dans un mode de réalisation, la cavité laser a deux barreaux et un rotateur de phase, le doublet est placé sur le trajet du faisceau laser entre

l'un des barreaux et le rotateur de phase, et ses lentilles ont leurs faces bombées orientées l'une vers l'autre.

Dans un mode de réalisation, la puissance moyenne du faisceau laser est comprise entre 400 et 1000 W et son coefficient M ² est inférieur à 10. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une cavité laser caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : mesure ou calcul de l'aberration sphérique positive + δ due au gradient thermique du matériau laser pompé dans le dispositif considéré ; choix d'un dispositif optique d'aberration sphérique négative formé de lentilles conformément à un procédé selon l'une des réalisations précédentes, l'aberration sphérique totale de cet ensemble étant calculée en tenant compte de l'orientation de ces lentilles par rapport à la géométrie locale du faisceau, puis insertion du dispositif optique d'aberration sphérique négative dans le dispositif laser sur le trajet du faisceau laser, en respectant par rapport à la géométrie de ce faisceau l'orientation utilisée à l'étape ii , et en tenant compte de cette insertion dans la conception du dispositif laser.

Dans un mode de réalisation, les lentilles sont orientées, par rapport à la géométrie locale du faisceau, de manière à maximiser leur aberration sphérique.

L'invention concerne également une cavité laser comprenant des moyens pour mettre en œuvre un procédé selon l'une des réalisations précédentes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description effectuée ci-dessous à titre illustratif et non limitatif en faisant référence aux figures ci-jointes sur lesquelles :

- La figure 1 représente une portion de dioptre sphérique,

- La figure 2 représente un mode de réalisation simple de l'invention,

- La figure 3 représente un second mode de réalisation, préférentiel - la figure 4 représente un exemple de cavité amplificatrice

La figure 2 schématise la mise en œuvre la plus simple de l'invention, avec un dispositif laser constitué d'une cavité laser à un seul barreau (1) et un dispositif optique d'aberration sphérique négative constitué d'une seule lentille (5), dont la vergence est calculée en fonction de l'aberration du barreau laser, de la vergence du miroir (3) en vis-à-vis, et de celle du second

miroir semi réfléchissant (2). Dans ce cas, l'introduction de i 'dispositif optique d'aberration sphérique négative modifie la stabilité de la cavité et doit être pris en compte lors de la conception de celle-ci.

L'invention conduit à la mise en place d'une lentille 5, placée sur le faisceau à un endroit quelconque de la cavité, et orientée de telle sorte que sa face la plus bombée soit du coté où les rayons extrêmes du faisceau sont les plus inclinés. Sa position est quelconque dans la cavité sur l'axe du faisceau, toutefois pour une valeur d'aberration sphérique δ donnée, la valeur de la focale de la lentille compensatrice dépend de cette position, sauf cas particulier d'un faisceau quasi-parallèle entrant sur l'une des faces de la lentille. Le faisceau laser (10) sort par le miroir semi réfléchissant (2).

Dans ce mode de réalisation, selon un exemple particulier on a mesuré un écart normal d'aberration sphérique au front d'onde non aberrant de δ = 2 λ (à lO64 nm). Pour le corriger, on utilise une lentille dont la focale est déterminée par les équations (1) de manière à ce que son aberration sphérique -δ ait même module mais signe contraire à la valeur mesurée δ. Si on est dans une configuration où il est préférable d'avoir un faisceau collimaté d'un côté du barreau, il est commode de placer la lentille compensatrice de ce côté. En choisissant par exemple une lentille plan convexe en silice fondue, on obtient alors une focale f = 28 mm.

Dans la réalisation préférentielle, le dispositif laser est une cavité laser comportant deux barreaux laser placés sur un même axe, et un rotateur de phase de π/2. Le dispositif optique d'aberration sphérique négative selon l'invention est constitué d'un doublet afocal, c'est-à-dire d'un ensemble de deux lentilles convergentes identiques et orientées symétriquement, dont le positionnement relatif fait coïncider leurs points focaux. En outre, chacune des lentilles est orientée de manière à ce que le faisceau quasi parallèle pénètre par la face la plus plane de la lentille, de manière à maximiser les aberrations de cette dernière. Le meilleur emplacement de ce doublet centré sur l'axe du faisceau est entre l'un des barreaux et le rotateur de phase, puisqu'à cet endroit le faisceau est le plus large et quasi parallèle. Du fait de ce quasi parallélisme (faisceau collimaté) l'introduction du doublet afocal ne modifie en rien la stabilité de la cavité. Un tel agencement , permet de

corriger la biréfringence et d'obtenir à la fois un faisceau de haute qualité et des pertes thermiques faibles.

Il convient alors de respecter un positionnement relatif des deux lentilles constituant le dispositif optique d'aberration sphérique négative. Mais la position de ce dispositif optique d'aberration sphérique négative entre un barreau et le rotateur de Faraday reste quelconque sur le trajet du faisceau laser (sans changer la valeur de l'afocal puisqu'ici le faisceau est collimaté), ce qui constitue un avantage, et une caractéristique, importante d'un procédé selon l'invention. Ce procédé introduit une correction de phase visant à corriger l'aberration sphérique en en créant une autre de même amplitude et de signe opposé.

De fait, ce positionnement libre sur l'axe du faisceau laser constitue une souplesse de conception, ce positionnement le long du faisceau étant sans lien avec la focale de la ou des lentilles considérée(s). On rappelle que cela va à l'encontre du dispositif divulgué par le brevet

DE 44 15 511 Al d'une part en ce que ce dernier oriente les lentilles, par rapport à la géométrie du faisceau à cet endroit, dans le sens qui minimise les aberrations sphériques, et d'autre part en ce qu'il constitue un dispositif d'imagerie optique visant à compenser la biréfringence. De ce dernier point découle que la vergence des lentilles qui peut être choisie de manière assez large, mais ce choix détermine ensuite la position des lentilles sur l'axe optique, qui doit être très précise.

Dans une réalisation de l'invention, on effectue une combinaison entre un procédé de compensation de biréfringence, tel que défini dans le brevet DE4415511 Al, et un procédé conforme à l'invention

Dans ce cas apparaissent des limites d'encombrement, ce qui peut entraîner une correction seulement partielle de l'aberration sphérique, c'est à dire inférieure à la correction qui aurait été obtenue en mettant uniquement en oeuvre un procédé conforme à l'invention mais on obtient, en contrepartie, une compensation améliorée de la dépolarisation. Une telle correction partielle de l'aberration sphérique procure déjà une amélioration significative des performances du laser.

La figure 3 représente un second mode de réalisation préféré dans lequel le dispositif laser est une cavité laser à deux barreaux laser IA et IB identiques, utilisés selon un même axe principal. De part et d'autre de ces

deux barreaux, une lentille divergente de faible valeur 4A et 4B corrige le défaut de parallélisme du faisceau. Au centre, un rotateur de phase 6 permet de limiter la biréfringence.

La mise en œuvre de l'invention conduit à la mise en place d' un dispositif optique d'aberration sphérique négative constitué d'un doublet afocal de lentilles convergentes 5A et 5B, identiques, placées sur le faisceau à un endroit quelconque le long du faisceau entre le rotateur de phase et l'un des barreaux laser,, chacune des lentilles du doublet étant orientée de telle manière que sa face plane soit du coté du faisceau parallèle (c'est-à-dire vers l'extérieur du doublet), et sa face bombée du coté où les rayons extrêmes du faisceau sont les plus inclinés (c'est-à-dire vers le centre du doublet).

On mesure l'aberration sphérique positive +δ due au gradient thermique du matériau laser pompé. On choisit par exemple des lentilles plan convexe, dont on détermine la focale par les équations (1), ce qui donne : +δ = 4λ que

R f = - = 28 mm n - \

La figure 4 représente schématiquement un exemple de cavité amplificatrice de forte puissance, destinée à amplifier un faisceau entrant (9). Dans cet exemple le dispositif optique d'aberration sphérique négative introduit pour corriger l'aberration est constitué d'un premier doublet afocal constitué des lentilles convergentes 5A et 5B, suivi d'un second doublet afocal constitué des lentilles convergentes 7A et 7B. Les autres éléments sont analogues à ceux de la figure 3.

La présente invention présente de nombreuses applications dans les domaines où des faisceaux lasers ayant une densité d'énergie importante et localisée doivent être générés partir d'un système compact, notamment avec des puissances comprises entre 400 et 1000 W et un coefficient M ² inférieur à 10.

Ces domaines d'applications comprennent, de façon non limitative, la recherche ou les opérations industrielles telles que l'usinage laser, la

génération de plasma (comme sources de courtes longueur s d'onde , par exemple en photolithographie), le durcissement des matériaux par choc laser ou encore le traitement du silicium pour les écrans plats.