Principe du « non linear cavity dumping »

IV.2.a. Description du concept

L’idée principale est de ne faire aucun compromis sur la puissance crête qu’il est possible d’obtenir à 1063 nm ou 912 nm et ainsi de profiter des meilleures performances exigibles de chacun des deux lasers. Compte tenu des différences intrinsèques entre ces deux types de laser, on ne cherche donc pas à obtenir des impulsions de mêmes durées. Nous avons vu que l’une des principales limitations de l’efficacité de conversion non linéaire en configuration extracavité est la faible puissance crête et la largeur temporelle excessive des impulsions à

912 nm. Nous proposons donc de réaliser la somme de fréquence intracavité à cette longueur d’onde (figure IV-4).

Cristal non linéaire Q-switch Cristal émettant à 912 nm Cristal émettant à 1063 nm Q-switch

Figure IV-4. Schéma de principe de l’extraction de puissance par interaction non lin aire : la somme de fréquence se déroule intracavité à 912 nm et extracavité à 1063 nm. é

Il est en revanche possible d’obtenir des impulsions courtes et puissantes à 1063 nm. La conversion non linéaire peut donc se passer extracavité à cette longueur d’onde. On réalise donc une somme de fréquence quasi-intracavité. Le cristal non linéaire étant inséré dans la cavité résonante à 912 nm, les impulsions à 1063 nm y sont injectées pour réaliser la conversion en fréquence. Le cycle de fonctionnement pour chaque impulsion est décrit sur la figure IV-5.

1. L’élément de déclenchement du laser émettant à 912 nm bascule vers un niveau de pertes très faible ; l’impulsion à 912 nm se construit dans la cavité.

2. L’énergie emprisonnée dans la cavité résonante à 912 nm est maximale ; l’impulsion à 1063 nm est injectée dans la cavité.

3. Les impulsions à 912 nm et 1063 nm se superposent dans le cristal non linéaire ; l’impulsion bleue à 491 nm se crée.

4. L’énergie des impulsions à 912 nm et 1063 nm se transfert sur l’impulsion bleue à 491 nm.

5. L’énergie dans la cavité résonante à 912 nm a diminuée du fait de la conversion. L’impulsion à 1063 nm s’est également dépeuplée.

C’est ainsi l’interaction non linéaire qui extrait l’énergie de la cavité du laser émettant à 912 nm, d’où le nom de ce concept. La somme de fréquence ne se déroulant que lorsqu’il y a superposition temporelle des impulsions à 912 nm et 1063 nm, on remarque que la durée de l’impulsion dans le bleu est très courte, du

Figure VI-5. Cycle de fonctionnement d’un système base sur l’extraction de puissance par conversion non linéair . e

Tidemand and al. ont présenté récemment une source jaune orangée basée sur un principe similaire [Tidemand-Lichtenberg 05]. Les impulsions d’un laser émettant à 1064 nm déclenché passivement par un absorbant saturable en Cr:YAG sont injectées dans la cavité d’un laser continu émettant à 1342 nm. Le cristal non linéaire permettant de réaliser la somme de fréquence pour atteindre le jaune à 593 nm est placé dans cette même cavité.

Le fait que, dans notre configuration, le laser émettant à 912 nm soit également impulsionnel nous permet d’emprisonner plus d’énergie dans sa cavité qu’en régime continu.

IV.2.b. Avantages

Cette nouvelle configuration de conversion non linéaire offre plusieurs avantages. Tout d’abord, grâce à ce système de somme de fréquence quasi-intracavité, on profite de fortes puissances crêtes à la fois à 1063 nm et 912 nm. L’impulsion bleue hérite également de la brièveté de l’impulsion à 1063 nm.

De plus, le fait que les deux lasers soient indépendants permet une certaine souplesse dans l’alignement des faisceaux. Les photons à 1063 nm ne faisant que traverser le cristal non linéaire, les impulsions bleues ne sont évacuées de la cavité que dans une seule direction. Cette configuration offre ainsi l’avantage de ne présenter qu’une seule sortie et ne nécessite pas de miroirs spéciaux totalement réfléchissant dans l’infrarouge à 912 nm et le bleu à 491 nm.

Enfin, ce système est insensible à la gigue temporelle (jitter). En effet, la conversion non linéaire se situant dans la cavité résonante à 912 nm, celle-ci n’est composée que de miroirs dont le traitement est hautement réfléchissant à 912 nm. La durée de l’impulsion à cette longueur d’onde est donc plus longue (environ 250 ns) qu’en présence de coupleur de sortie. Le recouvrement temporel est représenté sur la figure IV-6.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 -300 -200 -100 0 100 200 300 Temps (ns) P u is sa n c e n o rm al is ée 912 nm 1063 nm 42 ns 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1 -25 -15 -5 5 15 25 Temps (ns) P u is sa n c e n o rm al is ée

Figure IV-6. Allure typique des impulsions issues de deux laser déclenchés à 912 nm et 1063 nm lorsque les miroirs de la cavité sont tous hautement réfléchissants. s

La puissance instantanée à 912 nm diminue de moins de 2 % sur plus de 40 ns. La durée de l’impulsion à 1063 nm étant de l’ordre de 1 ns, le produit des puissances instantanées est ainsi stable sur plusieurs dizaines de nanosecondes. Cette configuration relaxe donc fortement les contraintes sur la synchronisation des deux lasers.

IV.2.c. Comment choisir la longueur de la cavité à 912 nm ?

Dans notre configuration, le temps d'interaction des impulsions à 912 mn et 1063 nm dépend de deux paramètres principaux : la durée de l'impulsion à 1063 nm τ1063 et le temps d'aller et retour dans la cavité résonante à 912 nm T912.

Celui-ci est relié à la longueur de la cavité L912 par la relation :

(Equation IV-1) c L T 912 912 2⋅ =

où c représente la vitesse de la lumière.

En effet, si le temps d'aller et retour dans la cavité est trop long, tous les photons à 912 nm emprisonnés dans la cavité ne « voient » pas l'impulsion à 1063 nm et ne participent donc pas à l'interaction non linéaire, ce qui diminue l'efficacité de conversion.

Afin de déterminer la longueur optimale de la cavité résonante à 912 nm, nous avons simulé la conversion non linéaire dans deux cas : T912 > τ1063 ou T912 < τ1063.

Dans un premier temps, nous nous sommes placés dans une configuration simplifiée où nous faisons l'approximation que les impulsions sont de forme carrée et que la conversion non linéaire est totale.

IV.2.c.i. Cas simplifié : impulsions de forme carrée et conversion