Laser decline a haut rendement

V o l u m e 23, n u m b e r 3

LASER

DECLENCHE

OPTICS C O M M U N I C A T I O N S

A HAUT

RENDEMENT

D e c e m b e r 1977

*

Gilles BRASSART, Georges BRET et Jean-Michel MARTEAU QUANTEL, 17, avenue de l'Atlantique, 91400- Orsay, France Re~u le 19 O c t o b r e 1977

Les lasers dont le faisceau est limitE par la diffraction ont, en gEnEral, besoin d'un petit volume de milieu amplificateur. I1 est cependant difficile pour des raisons pratiques, d'adapter le diamEtre du milieu amplificateur ~i celui du faisceau. Ces lasers ont donc un mauvais rendement, la plus grande partie de l'Energie stockEe dans le milieu amplificateur restant inexploitee. Une premiere fa~on de contourner cette difficultE consiste ~ utiliser des cavitEs dites instables [ 1 - 3 ] . Ces montages prEsentent cependant les graves inconvEnients suivants: - La rEpartition spatiale du faisceau est loin d'Etre aussi bonne que celle du faisceau d'un laser limit6 par la diffraction. On retrouve seulement de 70% ~ 80% de l'Energie du faisceau sur le mode de propagation d'ordre le plus bas. - La propagation ~i l'intErieur de la cavit~ correspond fi ces ondes sphEriques. I1 est donc dElicat de concevoir et de rEaliser des dispositifs s~lecteurs de frEquence ~ rEsonateur ou fi rEseau. - Le gain en 6nergie obtenu par une meilleure exploitation du volume actif disponible est limitE car ces rEsonateurs ayant, par nature, des pertes ElevEes, une fraction de l'Energie stockEe sert fi maintenir le gain compensant ces pertes et ne peut ~tre extraite. Nous allons donner dans la prEsente communication la description d'un montage qui prEsente tousles avantages des oscillateurs limitEs par la diffraction, en particulier une excellente qualit6 de faisceau et la possibilitE de faire simplement de la selection de fr~quence tout en ayant un rendement au moins Egal fi celui des montages ~ cavitEs instables. Le schema de ce montage est donne sur la figure 1. * D e m a n d e de b r e v e t Franqais no. 7 7 2 9 757.

A

B

t /

C

D

E

F

G

~"

Fig. 1. SchEma de m o n t a g e . A - d E c l e n c h e u r , B - d i a p h r a g m e , C - p o l a r i s e u r , D - m i l i e u a m p l i f i c a t e u r , E - m i r o i r de sortie faible c o e f f i c i e n t de r~flexion, F - lame q u a r t - d ' o n d e , G systdme optique.

Le dispositif comporte dans la cavit~ d'un laser dEclenchE un polariseur du type ~i couche diElectrique ou du type Glan Thomson, un diaphragme et un milieu amplificateur dont les positions relatives ont la plus grande importance. Un dispositif annexe place sur l'axe du faisceau de sortie en fait tourner la polarisation de 90 °, adapte son diam~tre et le renvoit dans le milieu amplificateur qu'il couvre enti~rement. Dans le montage dEcrit, ce dispositif est simplement form6 par un miroir convexe et une lame quart-d'onde. Lorsque l'interrupteur optique est fermE le laser ne peut pas fonctionner. La presence d'un miroir de renvoi et d'une lame quart d'onde au-del~ du miroir de sortie ne modifie pas la situation car cet ensemble associE au polariseur ne rEinjecte pas d'~nergie dans la cavitE du laser. Lorsqu'on ouvre l'interrupteur optique, le laser comportant un diaphragme dans la cavitE fonctionne normalement en 6mettant un faisceau limit~ par la diffraction. I1 est, en particulier, possible dans la zone ot~ se situent le dEclencheur et le miroir fi haut coefficient de rEflexion de disposer tout ensemble de sElection de frEquence utilisant des rEsonateurs ou des rEseaux. Le faisceau Emis rencontre alors l'ensemble miroir divergent-lame quart-d'onde qui le renvoit dans le milieu amplificateur. L'adaptation grace ~ la courbure 327

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OPTICS COMMUNICATIONS

du miroir de renvoi du diametre du faisceau au diam6tre du milieu amplificateur, permet d'extraire une large part de l'6nergie stockde. Le faisceau amplifid ayant une polarisation diff~rente de celle du laser est alors 6ject6 de la cavitd par la polariseur. Deux arguments peuvent 6tre opposds "a un tel montage. 1) Un dispositif de renvoi ~i miroir et lame quartd'onde comme un d6clencheur dlectrooptique "a cellule de Pockels, n'assurent pas, m~me avec un bon polariseur, une isolation parfaite. 11 y a donc un risque de voir l'ensemble auto-osciller. Examinons la limite qu'impose cet effet. Quels que soient les mdcanismes responsables de l'att6nuation des faisceaux de diff6rentes polarisations pouvant se propager dans l'ensemble, leur importance relative changeant d'ailleurs avec la valeur du coefficient de r6flexion du miroir de sortie du laser et avec le type de ddclenchement, on peut appeler A I'att6nuation qu'ils apportent en un aller-retour ~ u n faisceau risquant de crder une oscillation parasite et 6crire une condition simple de stabilitd:

Nlo < } l o g ( A - l ) ,

(1)

off N e s t le nombre d'esp6ces excitdes par unitd de volume, L la longueur du milieu amplificateur et cr la section efficace de la transition de fr6quence suppos6e plac6e pour simplifier dans un syst~me fi quatre niveaux. St, par ailleurs, D O est le diam&tre du faisceau de l'oscillateur et D l e diam&tre de la zone exploit6e en amplification, on aura les indgalitds suivantes fi cause des effets d'amplification et de saturation: l'nergie de sortie Energie stockge < < exp(NoL) Energie oscillateur Energie oscillateur

(2)

avec energie stock6e I

rrD2 LNhv,

(3)

energie oscillateur

¼ rrD2 LN (1 +Io~R2LNo]~hu . On tire de (1), (2), (3) et (4):

(DIDo)4 < aA- 1 , off log R \ a = ( 1 + 2L~-a ] < 1 328

(4)

December 1977

Dans la plupart des lasers c~est de l'ordre de 0.3 0.8, son influence sur le produit a A - I est donc faible. Par ailleurs, la d6pendante en (D/Do)4 montre qu'un grand effort sur A - 1 n'aura qu'une influence limit6e sur l'6nergie de sortie du laser. Comme il est possible d'envisager des valeurs de A - I dans la gamme l03 /t 104, il est raisonnable de concevoir des syst6mes avec (D/Do)4 de l'ordre de 102 fi 103 fonctionnant loin des conditions d'accrochages et fournissant des 6nergies de sortie 10 fi 30 fois plus 61evdes que celles que l'on aurait obtenues avec l'oscillateur seul. On peut donc exploiter des barreaux dont le diam~tre est 3 fi 6 lois le diam~tre du faisceau oscillateur, 2) L'oscillateur utilise d'abord une zone limit6e de diam6tre D o du milieu amplificateur de diam~tre D > D o et en extrait une certaine 6nergie. Lorsque le faisceau de retour couvrant le milieu amplificateur exploite cette zone, il en extrait moins d'6nergie e t a donc en sortie, comme en cavit6 unstable, une forme annulaire. L'effet existe, c'est vrai, mats il est beaucoup moins marqu6 qu'en cavit6 instable. Si nous reprenons la relation (4) le terme [(logR)/2Lo] hv reprdsente l'6nergie stockde n6cessaire pour atteindre le seuil d'oscillation. Elle est en g6n6ral comparable h l'6nergie extraite. D'une part le faisceau fi amplifier n'a pas une r6partition annulaire, d'autre part, la zone la moins favoris6e de l'amplificateur a un gain non n6gligeable. Au total, l'inhomog6n6it~ du faisceau de sortie est peu marqude et est enti6rement supprim6e st, comme dans bien des applications, ce syst6me est suivi d'un amplificateur travaillant en r6gime de saturation. L'exp6rience que nous ddcrivons maintenant a 6t6 r6alis6e avec un cristal de YAG de 6 mm X 90 mm et du commercialement disponible. Elle montre ce qu'on peut attendre du montage avec un d~clenchement par celhde de Pockels ou un d6clenchement passif par rapport "a un oscillateur classique limit6 par la diffraction. Dans ce montage, le miroir de sortie du laser avait un coefficient de r6flexion de 8% et la cavit6 pouvait avoir une longueur ajustable. Les r~sultats donn6s ici (tableau 1) correspondent/t une longueur de cavit6 de 120 cm et "a une dur6e d'impulsion de 15 ns. I1 est bien 6vident que cette m6thode d6montrde ici avec du YAG peut s'dtendre fi d'autres milieux actifs el prdsente un int6r6t certain pour les lasers g co-

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Tableau 1 Laser d6clench6 classique

Laser d6clench~ a haut rendement

DuNe d'impulsion Diam~tre du faisceau

15 ns 1.2 mm

15 ns 6 mm

D~clenchemen t actif Energie de sortie Largeur de raie sans s61ection de fr6quence

20 mJ 0.1 cm -1

130 mJ 0.1 cm -1

D~clenchemen t passif Energie de sortie Largeur de raie avec s~lection de fr6quence

l o r a n t p o m p ~ s par flash et les lasers fi gaz de puissance

10 mJ < 50 MHz

80 mJ < 50 MHz

R6f6rences

sp6cialement fi CO 2 ou i~ excim~res. [1] A.E. Siegman, Proc. IEEE (1965) p. 277. [2] A.E. Siegman and R. Arrachon, IEEE Journal of Ap. Elec 3 (1967) 156. [3] A.E. Siegman and H.Y. Miller, Appl. Opt. 9 (1970) 2729.

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