L'invention concerne un laser de puissance à déflexion.

On connaît dans la technique des lasers intégrant la fonction de commande de l'orientation angulaire du faisceau optique émis. Cependant de tels lasers sont de faible puissance .

L'invention concerne un laser de puissance intégrant dans sa structure une commande angulaire de l'émission.

Le traitement des faisceaux lasers de puissance par des moyens d'optique non linéaire permet d'envisager une amélioration importante de la qualité spatiale des faisceaux émis, et d'introduire de nouvelles fonctions de contrôle angulaire ou de mise en phase d'oscillateurs . L'objet de l'invention réside dans une structure laser exploitant des milieux non linéaires à variation d'indice photoinduite pour assurer simultanément les deux propriétés suivantes : - génération de faisceaux limités par diffraction,

- déflexion grand champ angulaire.

La structure du laser présentée est du type oscillateur-amplificateur et elle met en oeuvre des matériaux non linéaires pour l'inscription dynamique de réseaux d'indice et la génération d'ondes conjuguées . De plus, la direction du faisceau de haute énergie émis par le laser résulte de la déflexion acousto-optique d'un faisceau de faible énergie .

L'invention concerne donc un laser de puissance à direction, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :

- un milieu en matériau non linéaire éclairé par un premier faisceau de direction fixe et un deuxième faisceau de direction variable ;

- un milieu amplificateur placé sur la direction du premier faisceau recevant au moins une partie des premier et deuxième faisceaux les amplifiant et retransmettant un faisceau amplifié vers le milieu en matériau non linéaire qui réfléchit le faisceau amplifié dans la direction du deuxième faisceau ;

- un premier dispositif séparateur de faisceau placé

sur le trajet du faisceau amplifié.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :

- la figure 1, un exemple général de réalisation de la structure selon l'invention ;

- la figure 2, un exemple détaillé de réalisation de la structure de l'invention ; la figure 3, une variante de réalisation du

10 dispositif de l'invention ;

- la figure 4, une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention.

On va donc tout d'abord décrire de façon générale le dispositif de l'invention en se basant sur la figure 1.

^ Deux faisceaux polarisés II et 12 sont transmis à un milieu en matériau non linéaire NLl. Le faisceau 12 peut être commandé angulairement par des moyens non représentés . Les deux faisceaux II et 12 interfèrent dans le milieu non linéaire et créent un réseau d'indice qui provoque la transmission d'une 0 partie au moins de la lumière vers un amplificateur optique 2. La lumière fait au moins un aller-retour dans l'amplificateur 2 en raison de la réflexion sur un dispositif de réflexion 3.

Un faisceau amplifié le est renvoyé vers le milieu non linéaire NLl. -* La direction de polarisation de ce faisceau le est tournée de 90° par rapport à la direct ion de polarisation des faisceaux II et 12 en raison de la présence de la lame quart d'onde /A. Le faisceau amplifié le est réfléchi au moins en grande partie par le milieu non linéaire , selon la direction du 0 faisceau 12. Un séparateur de polarisation SP permet ensuite d'extraire le faisceau amplifié et d'émettre tm faisceau IT.

Le dispositif de l'invention comporte , comme cela est représenté sur la figure 2 , les éléments suivants : un laser oscillateur monomode longitudinal 1 fonctionnant en régime déclenché ;

- un amplificateur 2 fonctionnant en double passage après réflexion ;

- un miroir conjugué ou à conjugaison de phase autopompé 3 permettant de réfléchir l'onde transmise par l'amplificateur 2 ;

- un milieu non linéaire NLl servant de support à l'inscription dynamique de réseaux photoinduits à efficacité de diffraction élevée et dont la fonction sera détaillée ci-dessous ;

- un déviateur de faisceau 4 possédant la résolution spatiale souhaitée dans un balayage angulaire donnée ;

- un séparateur de faisceau 7 permettant de séparer le faisceau émis par l'oscillateur en un faisceau II et un faisceau 12 .

- des dispositifs de focalisations Ll, L2, L3 ;

- des miroirs de renvoi 5 et 6 ; une lame quart d'onde A /4 placée entre l'amplificateur 2 et le miroir à conjugaison de phase 3.

Le fonctionnement de cette structure laser incluant une fonction de balayage grand champ est le suivant : le faisceau issu de l'oscillateur 1 est séparé en deux faisceaux II - 12 dont l'un subit une déflexion angulnire 1D ou 2D (bloc de déflexion acousto-optique par exemple dans le déviateur de faisceau 4) . Le système optique Ll - L2 image le centre de rotation du faisceau sur le milieu non linéaire NLl éclairé par la figure d'interférence des deux faisceaux II et 12. L'interaction choisie est telle qu'il n'y a aucune redistribution de l'énergie entre les oux faisceaux II et 12 issus du matériau non linéaire (Matériau à réponse locale : la variation d'indice photoinduite est en phase avec l'illumination spatiale de la figure d'interférence) . Le faisceau II subit une réflexion sur le miroir conjugué . Il y a donc un double passage du faisceau II dans l'amplificateur laser 2 à fort gain. Dans ces conditions, on dispose en sortie de l'amplificateur 2 d'un faisceau de puissance I parfaitement corrigé des distorsions de phase et dont l'intensité vaut :

I : I ₁ x R exp 2 { L avec

R : coefficient de réflexion du miroir conjugué

L : longueur du barreau 6 : coefficient de gain laser

Ce faisceau I est incident sur le milieu non linéaire c

NLl où il subit une diffraction par le réseau d'indice photoinduit par les faisceaux - I„ . Il en résulte un faisceau transmis I _™ de haute énergie dont la direction est celle du faisceau I„ issu du déflecteur 4. Dans cette interaction à quatre ondes tous les faisceaux peuvent être considérés à la même fréquence puisque le décalage Brillouin (de l'ordre du GHz) reste faible vis-à-vis de la fréquence optique . Le faisceau I relit le réseau sous l'incidence de Bragg conduisant au rendement optimum de diffraction : avec

= sin 1T d Δn/λ

d, Δ n étant respectivement l'épaisseur et la modulation d'indice du milieu NLl. Dans cette fonction de relecture du réseau photoinduit on cherchera à obtenir un rendement n proche de l'unité correspondant à la condition d Δ n 2^ λ /2.

Le mode de fonctionnement du système laser intégrant la fonction de déflexion du réseau est donc basé sur les trois fonctionnements suivants : a) choix d'une direction de déflexion du faisceau I„ et interférence des deux ondes dans le milieu NLl ; b) amplification double passage et conjugaison de phase du faisceau I.. ; c) obtention du faisceau de puissance émis I,--, dans la direction de I„ par la diffraction efficace de I sur le réseau

2 ^c c photoinduit.

Comme indiqué sur la figure 1 , les deux faisceaux et I„ ont même polarisation, par exemple parallèle au plan de la

figure . Une lame /4 interposée entre l'amplificateur laser 2 et la lentille de focalisation L3 génère après double traversée une polarisation tournée de 90° . Cette polarisation horizontale (perpendiculaire à la polarisation incidente) sert à la lecture du réseau photoinduit et est réfléchie par le séparateur de polarisation SP-1. De même un séparateur de polarisation SP-2 interposé sur le faisceau évite le retour d'une faible partie de la lumière non diffractée dans la direction de l'oscillateur.

Des impulsions délivrées par l'oscillateur 1 déclenché par des moyens classiques (cellules électro ou acousto-optiques) sont de l'ordre de 10 à 20 ns . L'inscription du réseau dans NLl doit s'effectuer avec une constante de temps de l'ordre de 1 à 2 ns, constante comparable à l'établissement du miroir Brillouin 3. La dimension L de l'amplificateur restant limitée (L+cellule 3 Brillouin 3 > 30 cm) , les interactions non linéaires d'inscription et de lecture des réseaux sont effectuées de façon quasi simultanée (retard de l'ordre 2 ns pour la lecture de NL-1) . La cadence des impulsions délivrées par de tels lasers étant de 10 à quelques 100 Hz, des temps de relaxation des réseaux photoinduits de l'ordre de quelques micro-secondes sont tout à fait compatibles avec l'application envisagée. De même la constante de temps du déflecteur 4 de quelques micro- secondes en technologie acousto-optique est parfaitement adaptée au positionnement dynamique du faisceau (impulsion unique ou série d'impulsions) dans une direction angulaire quelconque .

Le choix du milieu non linéaire NLl doit être tel qu'on satisfasse, outre le temps de réponse du milieu, les critères suivants :

- L'amplitude de la variation d'indice Δ n pour une densité de puissance donnée issue de l'oscillateur . La densité de puissance incidente sur le matériau peut être ajustée par l'intermédiaire du diamètre des faisceaux I , - I„ .

Δ n = n ₂ x (I _j + I ₂ ) W/cm"

avec n~ = coefficient non linéaire

- Faible absorption pour obtenir une efficacité de diffraction proche de 100 % du faisceau I dans la direction î„ .

- Acceptance angulaire convenable pour l'inscription du réseau de pas variable dû à l'interférence de I.. et I„ (10 à 20° par exemple) .

Les mécanismes non linéaires possibles satisfaisant à ces critères sont :

- les effets Kerr optiques (CS„ - cristaux liquides, cristaux organiques . . . . )

- les effets photoréfractifs (SBN, GaAs, BSO . . . )

- l'absorption saturée ("dyes" , semiconducteurs . . . )

- les matériaux lasers (YAG, Ruby, verre, Nd . . . )

A titre d'exemple on donnera ci-dessous une application numérique correspondant à l'utilisation de l'effet Kerr optique dans CS„ (matériau référence n„ = 2 x 10 cm . W ) . Ce matériau a l'avantage de posséder les propriétés requises pour la mise en évidence des effets .

La structure laser de la figure 2 représente une variante de réalisation de l'invention plus compacte dans le cas le plus courant où le déflecteur 4 est du type acousto-optique.

La partie non diffractée par la cellule constitue le faisceau

I.. . La partie diffractée est le faisceau I„ dont l'orientation est choisie par le déflecteur. Le séparateur de polarisation SP permet d'extraire le faisceau de puissance lors de son retour de l'amplificateur. L'adaptation du faisceau en sortie du déflecteur 4 au diamètre du barreau amplificateur peut être, si nécessaire, réalisée par l'intermédiaire d'un système optique afocal.

On retrouve le milieu non linéaire NLl, situé entre le séparateur SP et l'amplificateur 2, qui permet de retransmettre le faisceau I c selon la direction du faisceau I„ .

La structure laser de la figure 4 utilise comme matériau non linéaire NLl le même matériau que le milieu laser. Cette approche présente plusieurs avantages indiqués comme suit :

- le milieu non linéaire NLl est identique à celui utilisé pour l'amplification des faisceaux par émission stimulée : il n'est pas nécessaire de rechercher un matériau annexe ayant toutes les caractéristiques votilues ; le mécanisme non linéaire responsable de la génération du faisceau de sortie I _τ est la saturation du gain de l'amplificateur laser ;

- la fonction de traitement du faisceau (dans le cas présent déflexion angulaire) peut être intégrée à la fonction d'amplification par émission stimulée . Sur la figure 4 les deux fonctions - réseau photoinduit NLl et amplification double passage sont spatialement disjointes mais réalisées dans le même matériau maintenu en inversion de population par pompage flash (ou diodes) . A titre d'exemple, on fournit ci-après un exemple dans lequel les différents éléments constitutifs sont les suivants :

- Oscillateur monomode : Laser Nd: YAG pompé diodes

10 ns - 40 mJ. puise

- Bloc de déflexion acousto-optique 2D-TeO„

Nombre de points : 500 x 500 Temps d'accès : 5 μs Efficacité : 50 % Excursion angulaire : 10° ( ψ , = 2 mm)

Miroir à conjugaison de phase Cellule Brillouin : CH ₄ = 100 Réflectivité de l'onde : 70 %

Ampli laser double passage Diamètre <b -- : 7 mm Gain laser : 0, 15 cm

Longueur L : 10 cm

- Milieu NL-1

Densité de puissance incidente sur le milieu : Z ₌ ΛO ⁸ W. Cm ^"2 : 10 ¹² W.m ^"2

Variation d'indice photoinduite

10 n = 1, 26.10 -5

Epaisseur de la cellule pour obtenir une efficacité de 100 % sur l'onde I ^L ,C du A /2Δn = 40 mm

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Energie émise par le laser

I _τ = 0, 7 x 30 x 10 x exp 0, 3 x 10

I ~ 600 mJ

20 Le dispositif de l'invention présente les avantages suivants

Le faisceau subissant l'amplification et la conjugaison de phase reste fixe. Dans ces conditions tout le volume du milieu amplificateur est utilisé. Par comparaison, à ^e - ^J 5 certaines techniques de microbalayage connues, le faisceau occupe une partie limitée du volume actif (50 % typiquement) .

- La structure laser proposée permet de réaliser une source de haute énergie présentant une très bonne qualité spatiale du faisceau avec un contrôle rapide de la direction d'émission (quelques micro-secondes typiquement) .

- La structure met en oeuvre un milieu non linéaire NLl dont la seule fonction est d'assurer la diffraction dynamique du faisceau conjugué dans un champ angulaire donné.

- La structure est compatible avec l'utilisation de plusieurs étages amplificateurs.

La description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple . D'autres variantes peuvent, être envisagées sans sortir du cadre de l'invention . Notamment , les modes de réalisation des différents éléments du dispositif selon l'invention n'ont été fournies que pour illustrer la description .