Dispositivo de amplificación de un haz láser que permite suprimir la emisión láser transversal.

Dispositivo de amplificación de un haz láser según un eje Ox, que comprende:

- una estructura de barra amplificadora (1) de índice nc, de longitud de onda de fluorescencia λ, delimitada por una superficie Σ que enlaza las caras de entrada S1 y de salida S2 de la estructura de barra amplificadora, y que tiene una dimensión e según la dirección Ox comprendida entre 2 cm y 5 cm, y una dimensión Φ según una dirección del plano Oyz perpendicular a Ox, con e< Φ, y destinada a ser bombeada según el eje Ox para convertirse en un medio de ganancia de diámetro D centrado sobre el eje Ox, presentando la ganancia óptica un máximo a lo largo de la cara S1 o S2 de la estructura de barra amplificadora, denominada cara de ganancia máxima, y

- un líquido (4) de índice nA que rodea a la estructura de la barra amplificadora (1) según su superficie Σ, siendo este líquido agua o una mezcla agua-etilenglicol,

caracterizado porque la superficie E comprende un primer diente (2) en forma de bisel sobre toda o parte de su unión con la cara de ganancia máxima, orientado según un ángulo α1 con respecto a Ox comprendido entre 30º y 50º, y que tiene una longitud e1' situada según el eje Ox, siendo e1' superior a una longitud umbral predeterminada e inferior a e/6, de manera que evite provocar una emisión láser transversal parásita, porque el líquido (4) de índice nA tiene una capacidad calorífica superior a 3000 julios por kilogramo por grado kelvin de manera que disipa la potencia térmica inducida por el bombeo, y porque la separación entre nA y nc es del orden de 0,3, pudiendo alcanzar 0,43, y porque una densidad (5) absorbente a la longitud de onda de fluorescencia λ de la estructura de barra amplificadora, y/o un elemento absorbente a esta longitud de onda, está sumergido en el líquido.

Dispositivo de amplificación de un haz láser que permite suprimir la emisión láser transversal El campo de la invención es el de la amplificación de un haz láser y, más particularmente, el de las barras amplificadoras.

Se recuerda brevemente el funcionamiento de un dispositivo de amplificación de un haz láser. Comprende principalmente un medio amplificador y unas fuentes de bombeo que inyectan energía en el medio amplificador. Este medio amplificador que tiene la forma de una barra puede ser un cristal, o incluso un vidrio dopado. A continuación, el haz láser a amplificar atraviesa la barra amplificadora una o varias veces por medio de dispositivos ópticos de espejos por ejemplo; en cada paso extrae una parte de la energía inyectada durante el bombeo y de ese modo es amplificado en la barra amplificadora. En una barra amplificadora de forma cilíndrica, la energía introducida durante un bombeo está confinada generalmente en la parte central de la barra amplificadora, delimitada por el diámetro D del haz de la bomba. Una parte de la energía introducida durante el bombeo no se convierte en energía luminosa sino en energía térmica en el medio amplificador; esa energía térmica debe evacuarse por medio de un dispositivo de refrigeración (a base de agua por ejemplo) , que deberá ser tanto más eficaz cuanto más elevada sea la potencia térmica (producto de la energía térmica por la tasa de repetición de los impulsos de láser) .

En este tipo de configuración de dispositivo de amplificación de haz láser, aparece un fenómeno parásito denominado emisión láser transversal entre la introducción de energía en la barra amplificadora por bombeo óptico y su extracción mediante el haz a amplificar.

Este fenómeno está ligado a la creación en la barra amplificadora de una sub-cavidad láser según un eje transversal al eje longitudinal de la barra amplificadora, las rupturas de índice de refracción en la interfaz de la barra amplificadora -ambiente aseguran la función de espejos de esta sub-cavidad. La emisión láser transversal se establece cuando se satisface la condición de oscilación de esta sub-cavidad, es decir cuando hay una conservación de la energía en una ida-vuelta en el seno de la sub-cavidad, o dicho de otra manera cuando la ganancia transversal G compensa las pérdidas P de la sub-cavidad.

A continuación se toma como ejemplo de barra amplificadora, un cristal; por supuesto se puede sustituir por un vidrio dopado.

Se ha representado en la figura 1 la ganancia óptica G transversal en un cristal amplificador 1 cilíndrico bombeado según el eje longitudinal Ox del cristal, por sus dos caras S1, S2 mediante un haz láser de bombeo 3 de diámetro D. El láser de bombeo es típicamente un láser sólido o un láser de fibra o un diodo láser. Si se designa g0 la densidad lineal de ganancia, la ganancia con pequeña señal gps es igual a g0.e en la dirección longitudinal Ox y a g0.D en una dirección transversal perpendicular a Ox. Se tiene normalmente De (las escalas de magnitud no se respetan en la figura con el fin de facilitar la lectura de la curva de ganancia) ; la longitud e del cristal está comprendida típicamente entre 2 y 5 cm, y el diámetro D entre 5 y 20 cm.

Siendo la ganancia óptica proporcional a egps, se tiene:

g0.D >> eg0.e

e

La ganancia óptica G en la dirección transversal es por tanto mucho mayor que la ganancia óptica G en la dirección longitudinal, es decir en la dirección del haz láser a amplificar.

La emisión láser transversal se manifiesta por un vaciado brutal de la energía almacenada en el cristal, provocada por unas emisiones estimuladas transversales no controladas, a costa del haz láser que se desea amplificar.

Esta emisión láser transversal es particularmente molesta en el caso de medios amplificadores sólidos de elevadas ganancias y de grandes dimensiones (típicamente una ganancia g0 de 0, 88 y un diámetro de bomba de 70 mm) . Impide por ejemplo generar impulsos láser de femto segundos de potencia de cresta muy grande, típicamente del orden del petavatio, a partir de un cristal TI:Zafiro bombeado con elevadas energías del orden de 100 J.

Hasta la actualidad, la emisión láser parásita se suprimía incrementando las pérdidas P para el haz parásito colocando sobre la periferia del cristal un material absorbente a la longitud de onda de fluorescencia del cristal; con el fin de que el dispositivo sea plenamente eficaz es además necesario que el índice de refracción del cristal y el del material absorbente estén lo más próximos que sea posible con el fin de evitar una reflexión significativa en la interfaz cristal -material absorbente que conduciría al establecimiento de la emisión láser parásita. Esto puede realizarse por ejemplo por medio de un líquido absorbente en el que se sumerge la superficie que enlaza las caras S1 y S2 del cristal. Esta solución se describe en la solicitud de patente FR 2 901 067. El líquido utilizado comprende un disolvente cuyo índice de refracción esta próximo al del cristal, y un colorante absorbente a la longitud de onda de fluorescencia del cristal. El material utilizado puede ser igualmente un sólido tal como el descrito en la publicación "Production of >1021 W/cm2 from a large-aperture Ti :sapphire laser system" de JD Bonlie et ál. (Applied Physics B (Lasers and Optics) ) springer-verlag Alemania, vol. B70 junio 2000. Se proponen otras soluciones en la solicitud de patente FR 2 877 776 A1 y en la publicación "Suppression of parasitic lasing in large-aperture Ti: sapphire laser

amplifiers", de F.G.Patterson et ál., Optics Letters, vol. 24, nº 14, 15 de julio de 1999, páginas 963-965.

En el caso de un cristal amplificador de TI:Zafiro, el índice de refracción n es igual a 1, 76. Para incrementar las pérdidas en la interfaz con un líquido, el del líquido utilizado debe estar próximo al del cristal; los dos índices se consideran como próximos si su diferencia de índice es inferior o igual a 0, 01. Este líquido viene a sustituir al agua que rodea habitualmente al cristal, cuya función es evacuar la potencia térmica generada en el cristal por el proceso de bombeo. Debe por lo tanto asegurar igualmente esta función de evacuación de la potencia térmica además de la función de supresión de la emisión láser transversal; ahora bien las propiedades térmicas y en primer lugar la capacidad calorífica de este tipo de líquidos están muy por debajo de las del agua lo que les convierte en inoperantes ya que la tasa de repetición del láser y en consecuencia la potencia térmica media son elevadas, típicamente por encima de 1 Hz para un amplificador de elevada energía, es decir superior a 30 julios. Este líquido es además muy corrosivo. Además es caro y tóxico y por lo tanto peligroso utilizar; y se degrada con el tiempo.

En consecuencia, sigue existiendo a día de hoy una necesidad de un dispositivo que dé simultáneamente satisfacción al conjunto de las exigencias antes citadas, en términos principalmente de supresión de la emisión láser transversal y de la evacuación de la potencia térmica media para unos valores significativos de éstas (típicamente superior es a 100 vatios) pero también de seguridad de utilización y de robustez con el tiempo.

La solución aportada por la invención utiliza una estructura que incrementa significativamente las pérdidas para impedir la emisión láser parásita por otro medio que la igualación de los índices de refracción lo que permite un funcionamiento con unos medios de evacuación de la potencia térmica muy eficientes, por ejemplo una refrigeración por agua. Se utiliza para ello un cristal o un conjunto de cristales que tiene una estructura geométrica particular que permite incrementar el número de interfaces y por lo tanto el número de reflexiones en las interfaces, principalmente en la proximidad de las caras S1 y S2 donde la ganancia es particularmente grande, y un líquido absorbente que tenga una capacidad calorífica adaptada. El número de reflexiones adicionales debe ser suficientemente elevado (2) y/o los coeficientes de reflexión suficientemente reducidos (0, 1) para que las pérdidas sean superiores a la ganancia.

Más precisamente la invención tiene por objetivo un dispositivo de amplificación de un haz láser tal como se describe en la reivindicación 1.

Preferentemente, la superficie comprende un segundo diente de dos caras, estando inclinada la cara orientada hacia primer diente según un ángulo 1 con respecto al eje Ox, siendo 1 y 1 tal es que los fotones se propagan paralelamente a la cara de ganancia máxima y reflejados con unas pérdidas elevadas (es decir con un coeficiente de reflexión 0, 1) por el primer... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de amplificación de un haz láser según un eje Ox, que comprende:

- una estructura de barra amplificadora (1) de índice nc, de longitud de onda de fluorescencia , delimitada por una superficie que enlaza las caras de entrada S1 y de salida S2 de la estructura de barra amplificadora, y que tiene una dimensión e según la dirección Ox comprendida entre 2 cm y 5 cm, y una dimensión según una dirección del plano Oyz perpendicular a Ox, con e < , y destinada a ser bombeada según el eje Ox para convertirse en un medio de ganancia de diámetro D centrado sobre el eje Ox, presentando la ganancia óptica un máximo a lo largo de la cara S1 o S2 de la estructura de barra amplificadora, denominada cara de ganancia máxima, y -un líquido (4) de índice nA que rodea a la estructura de la barra amplificadora (1) según su superficie , siendo este líquido agua o una mezcla agua-etilenglicol, caracterizado porque la superficie E comprende un primer diente (2) en forma de bisel sobre toda o parte de su unión con la cara de ganancia máxima, orientado según un ángulo 1 con respecto a Ox comprendido entre 30º y 50º, y que tiene una longitud e1 situada según el eje Ox, siendo e1 superior a una longitud umbral predeterminada e inferior a e/6, de manera que evite provocar una emisión láser transversal parásita, porque el líquido (4) de índice nA tiene una capacidad calorífica superior a 3000 julios por kilogramo por grado kelvin de manera que disipa la potencia térmica inducida por el bombeo, y porque la separación entre nA y nc es del orden de 0, 3, pudiendo alcanzar 0, 43, y porque una densidad (5) absorbente a la longitud de onda de fluorescencia de la estructura de barra amplificadora, y/o un elemento absorbente a esta longitud de onda, está sumergido en el líquido.

2. Dispositivo de amplificación de un haz láser según la reivindicación precedente, caracterizado porque la superficie comprende un segundo diente (2) de dos caras, estando inclinada la cara orientada hacia el primer diente según un ángulo 1 con respecto al eje Ox, siendo 1 y 1 tales que los fotones se propagan paralelamente a la cara de ganancia máxima y reflejados por el primer diente (2) llegan perpendicularmente sobre esta cara del segundo diente.

3. Dispositivo de amplificación de un haz láser según la reivindicación precedente, caracterizado porque el medio de ganancia presenta otro máximo a lo largo de la otra cara de la estructura de barra amplificadora y porque la superficie presenta un tercer diente (2) bajo la forma de otro bisel sobre toda o parte de su unión con esta otra cara de ganancia máxima y sobre una longitud e2 localizada según el eje Ox, siendo e2 superior a la longitud umbral predeterminada, estando orientado este otro bisel según un ángulo 2 con respecto a Ox, estando inclinada la segunda cara del segundo diente según un ángulo 2 con respecto al eje Ox, siendo 2 y 2 tales que los fotones se propagan paralelamente a esta otra cara de ganancia máxima y reflejados por el tercer diente llegan perpendicularmente sobre esta cara.

4. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la longitud umbral se determina en función de la ganancia óptica.

5. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el ángulo 1 es tal que sen 1 < nA/nc.

6. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes tomada en combinación con la reivindicación 3, caracterizado porque el ángulo 2 es tal que:

sen 2 < nA/nc.

7. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes tomada en combinación con la reivindicación 3, caracterizado porque e1=e2, 1=2, 1=2.

8. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las caras de entrada y de salida son circulares y porque el (o los) diente (s) presenta (n) una simetría de revolución según el eje Ox.

9. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el (o los) diente (s) se realiza (n) sobre dos partes de la superficie , diametralmente opuestas.

10. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las caras de entrada y de salida son rectangulares y porque el (o los) diente (s) se realiza (n) sobre dos partes de la superficie , situadas según dos lados opuestos del rectángulo.

11. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la estructura de barra amplificadora comprende un único cristal o un único vidrio dopado.

12. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la estructura de barra amplificadora comprende un cristal (1a, 1b, 1c) o un vidrio dopado por diente (2) .

13. Dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque el cristal es de Ti:Zafiro.

14. Procedimiento de utilización de un dispositivo de amplificación de un haz láser según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende una etapa de bombeo del dispositivo, y porque este bombeo induce una potencia térmica superior a 100 vatios de media.