2
3
4
7
1
6
5
8
Prisme en toit
Doublet
et miroirCristal
Imageur
DL fibrée
85
4
3
2
1
7
6
8
Entrée
Sortie
85
4
3
2
1
7
6
8
Entrée
Sortie
Le laser de pompe utilisé pour cette expérience est une diode laser fibrée de marque OPC (maintenant Spectra Physics) de puissance maximale 13 W à 808 nm pour un diamètre de 250 µm et une ouverture numérique de 0,2. On utilise un système imageur constitué de deux doublets de focales 60 et 100 mm respectivement : le waist du faisceau de pompe dans le cristal est donc d’environ 200 µm et la divergence totale vaut sin θ =0,12. En utilisant un doublet de distance focale 260 mm et de diamètre 50 mm (les faisceaux étant situés à 1 cm du bord de la lentille) pour focaliser les faisceaux dans le cristal, on obtient une ouverture numérique pour le signal de sin θ’ ≈ 0,115 compatible avec l’ouverture numérique de la pompe. Un système afocal situé entre le microlaser et l’amplificateur permet de choisir la taille du faisceau signal dans le cristal amplificateur. Dans la suite, on se placera toujours à w ≈ 110 µm dans le cristal.
Le cristal de Nd :YAG utilisé présente une concentration en néodyme de 1%, et est traité anti-reflet à 1064 nm sur les deux faces. Il est inséré dans une structure de cuivre refroidie par eau de façon à ce que les quatre faces du cristal soient en contact avec le cuivre. On améliore encore le transfert de chaleur en plaçant de petites feuilles d’indium (ce métal est un excellent conducteur, et de plus sa malléabilité nous autorise à l’ajuster parfaitement autour du cristal) sur chaque face [Forget 03].
Le laser utilisé pour fournir un signal à amplifier nous a été prêté par Nanolase. Il s’agit
d’un microlaser « classique » (équivalent globalement au modèle microchip® de la gamme
commerciale de JDS Uniphase), c'est-à-dire formé d’un cristal laser de Nd :YAG et d’un absorbant saturable (Cr4+ :YAG) passif soudés par diffusion. Ce laser produit des impulsions d’environ 700 ps à une cadence de 27 kHz. La puissance moyenne maximale est de l’ordre de 150
Photo III.1 : système à prismes Nanolase
Entrée Sortie
109
mW et le faisceau de sortie est polarisé linéairement et quasiment limité par la diffraction (on a mesuré un M² égal à 1,2).
II.2.2. Résultats
Avant de décrire les performances proprement dites de l’amplificateur, quelques mots sur la procédure de réglage. Les trois prismes sont fixés dans une monture comme on peut le voir sur la photo III.1 et préréglés: il est impossible de les orienter indépendamment les uns des autres. La solution consistant à utiliser des prismes indépendants pouvant chacun être réglés individuellement est de toute façon à rejeter en raison de l’accroissement de complexité et de coût qu’elle induit. De plus, on peut noter en observant par exemple la figure III.10 que l’espace disponible est limité : les faisceaux d’entrée et de sortie passent juste au bord des prismes, ce qui rend l’usage de tout élément de réglage problématique. L’ensemble des prismes peut cependant être orienté suivant les deux angles θ et φ et translaté suivant les directions verticale et horizontale. Le miroir situé derrière le cristal peut également être orienté dans ces deux directions.
L’alignement de l’ensemble n’est pas trivial au premier abord. Afin de simplifier cette étape nous avons dû mettre en place un système d’imagerie permettant d’observer la disposition des huit passages dans le cristal. Ce système est décrit sur la figure III.11 :
On a représenté les huit passages dans le cristal sous forme de quatre doubles passages correspondant chacun à un plan d’incidence donné (dans l’ordre en bleu, puis en jaune, en vert et enfin en rouge). Le miroir accolé au cristal est traité pour être « haute réflexion » à 1064 nm : cependant, une très petite quantité de ce signal est transmise malgré tout. Ces sont ces « fuites » que nous récupérons via un autre miroir HR 1064 nm placé dans le trajet du faisceau de pompe
Figure III.11 : système d’imagerie permettant d’observer la position des faisceaux dans le cristal
Doublet entrée sortie
Diode Laser fibrée mise en forme de la pompe
Cristal Miroirs HR 1064 nm HT 808 nm Système imageur Camera CCD Cohu® PC équipé du logiciel Spiricon® Doublet entrée sortie
Diode Laser fibrée mise en forme de la pompe
Cristal Miroirs HR 1064 nm HT 808 nm Système imageur Camera CCD Cohu® PC équipé du logiciel Spiricon®
(cette lame est bien entendu transparente à 808 nm). On image ensuite le cristal avec un grandissement donné par le rapport des distances focales des lentilles utilisées (environ x 3 dans notre cas) sur une caméra CCD.
Chaque double passage donnant naissance à un point sur le miroir situé derrière le cristal, on observe donc quatre spots d’intensités différentes (le premier double passage étant le moins intense et le dernier le plus brillant bien entendu) comme on peut le voir sur la figure III.12 ci- dessous.
Le but du jeu est d’optimiser la position des quatre impacts les uns par rapport aux autres et par rapport à la position de la pompe (dont on peut visualiser la position via le rayonnement de fluorescence qu’elle engendre) de façon à maximiser la puissance de sortie.
Pour une puissance de pompe de 12 W incidente sur le cristal, correspondant à une puissance absorbée de 9 W (l’absorption de l’échantillon de Nd :YAG que nous utilisons n’est que de 75 %), on obtient au mieux 1,8 W de signal amplifié pour 150 mW injecté comme le montre la figure III.13. La qualité de faisceau est quant à elle déplorable : le signal amplifié est considérablement élargi au cours de l’amplification (figure III.14). Il est également dégradé
puisque le M² après huit passages est mesuré à 2,8.
Figure III.12 : impacts des quatre double passages dans le cristal.
Double passage 1
Double passage 2 Double passage 3
Ces éléments laissent supposer qu’une forte lentille thermique est présente dans le cristal : elle conduit à une variation de la taille des faisceaux à chaque passage et dégrade à la fois l’efficacité de l’ensemble et la structure spatiale du signal amplifié. Nous avons mesuré la lentille créée dans le cristal de Nd :YAG par la méthode suivante : on place deux miroirs plans de part et d’autre du cristal pour réaliser un laser. On éloigne ensuite progressivement l’un des deux miroirs plans : la cavité est par nature instable (plan-plan) mais est stabilisée par la présence de la lentille thermique. On peut en première approximation estimer que l’ensemble miroir plan – cristal est équivalent à un miroir concave de rayon de courbure f (la distance focale de la lentille thermique).
Figure III.13 : puissance de sortie en fonction de la puissance d’entrée.