HOMOGENEIZADOR QUE INCLUYE UN LAMINADO DE FASE.

[0001] La presente invención se refiere a un sistema para homogeneizar un impulso láser emitido por una fuente láser con el fin de iluminar de modo homogéneo un objetivo. [0002] Dicha invención tiene una aplicación particularmente interesante en el campo del bombeo por láser de medios amplificadores sólidos femtosegundo intensos. [0003] Efectivamente, la homogeneidad del bombeo por láser de los amplificadores femtosegundo basados particularmente en la tecnología Ti: Saphir es un parámetro esencial debido a la dificultad de bombear los amplificadores de modo eficaz (desde el punto de vista de la extracción de energía), y robusto (desde el punto de vista del deterioro del material láser). El umbral de deterioro de Ti: Saphir, en régimen de nanosegundo, se estima o entre 5 y 10 J/cm 2 . Este valor no procede de un estudio sistemático sino más bien de una estimación basada en la experiencia. La indeterminación sobre el valor del umbral obliga a los "laseristas", a preservar los cristales de los riesgos de deterioro, a aspirar los materiales activos un poco más allá de la fluencia de saturación, es decir, en 1 J/cm 2 , con una extracción de energía poco eficaz (20 %). [0004] Por ejemplo, en el caso de un bombeo a 4 J/cm 2 , la eficacia sería tres veces más grande (60 %). En tal caso, el umbral de deterioro del material estaría muy próximo a la fluencia de bombeo necesaria para una buena extracción de energía en los amplificadores de potencia, y cualquier falta de homogeneidad del láser de bombeo se traduciría en un riesgo de deterioro superior, y por lo tanto en una fuerte reducción de la fiabilidad o por una degradación de las prestaciones que conllevarían un coste suplementario importante. [0005] Esta falta de homogeneidad está causada por los perfiles de bombeo que nunca han sido completamente dominados por las técnicas de diagnóstico por imagen utilizadas actualmente. Estos perfiles presentan modulaciones o lugares turbulentos a menudo importantes y provocan a veces la destrucción de los cristales láser que además son excesivamente caros; su precio alcanza varias decenas de miles de euros para los más grandes, y tarda hasta un año en dar beneficios: . Considerando que entre 60 % y el 70 % del precio de un amplificador láser se debe a los láseres por bombeo, es evidente que se identifica en el control de la calidad espacial de los haces láser de bombeo, un parámetro superior para el desarrollo de sistemas más perfectos. [0006] Para limitar las modulaciones en los perfiles de bombeo, podemos considerar el hecho de que, cuando el haz se propaga algunos metros, sin salir de la zona de Rayleigh, las modulaciones son mínimas. Por ejemplo, si consideramos un láser de bombeo que expide 1 J/cm 2 (a 532 nm y a 10 Hz) sobre un haz gaussiano de 10 mm de diámetro, la zona de Rayleigh tendrá una extensión de 140 m. Pero, en realidad, los perfiles típicos de los láseres de bombeo están más próximos a un perfil "top-hat" (superGaussiano) que a un gaussiano porque esta forma está impuesta para optimizar la conversión en frecuencia y las prestaciones de la fuente en términos de energía útil. En el caso de un perfil superGaussiano, junto con las otras características del ejemplo considerado más arriba, tras sólo cuatro metros de propagación aparecen unas modulaciones que pueden volverse peligrosas para las ópticas y los cristales láser, aunque la zona de Rayleigh sea bastante más larga. Debido a estas modulaciones, es difícil utilizar en la práctica una distancia de propagación superior a 3 - 4 metros. La aproximación de la propagación en la zona de Rayleigh implica pues unas tensiones muy fuertes sobre la configuración de los amplificadores, a causa de las pequeñas distancias sobre las cuales el haz conserva efectivamente su homogeneidad. [0007] De otro modo, para limitar las modulaciones en los perfiles de bombeo, podemos utilizar también la técnica que consiste en transportar el campo próximo (supuestamente homogéneo) del haz láser de bombeo, por imagen sobre el cristal amplificador. Pero esta técnica no protege para nada a este último con respecto a cualquier variación de intensidad eventual que pudiera aparecer con el tiempo sobre el láser de bombeo utilizado. [0008] Sabemos hoy que, para limitar efectivamente estas modulaciones en los perfiles de bombeo, hay que homogeneizar la fuente, lo que implica el dominio completo del transporte de energía, a partir de los láseres de bombeo hacia el material activo. Gracias a este dominio, sería posible bombear los láseres a regímenes de alto rendimiento de extracción, pero próximos al umbral de deterioro y evitar así las súper intensidades susceptibles de dañar los cristales amplificadores. De manera general, el fin de un homogeneizador es asegurar una distribución de energía homogénea sobre el cristal amplificador cualesquiera que sean las distribuciones espaciales iniciales de los haces incidentes. [0009] En este ámbito, se conoce un homogeneizador refractivo de matrices de microlentes. Dicho homogeneizador de subpupilas refractivo está compuesto por dos partes: un elemento óptico matricial compuesto por un conjunto de microlentes y un componente focalizador. Cada microlente representa una subpupila. Las microlentes separan el haz incidente en varios segmentos, y el componente focalizador superpone la proyección de cada subpupila sobre el plano focal. Esta técnica se apoya en la débil coherencia espacial del haz láser a la entrada para obtener un efecto de promedio (suma en intensidad) de las contribuciones de los distintos subelementos repartidos sobre toda la zona que hay que bombear. 2   [0010] Esta técnica ha mostrado unas buenas prestaciones sobre los sistemas de bombeo con una coherencia espacial débil. Sin embargo, sobre los sistemas de bombeo casi perfectamente coherentes espacialmente, la matriz de microlentes ha inducido modulaciones del 100 %. Incluso en el caso de los haces con débil coherencia espacial las mejores prestaciones de homogeneización se obtienen fuera del plano focal, ya que éste está modulado por los efectos de difracción de las estructuras periódicas, llamado efecto Talbot. En otras palabras, este efecto Talbot impide utilizar la distribución de energía en el plano focal y necesita utilizar planos donde la distribución de energía esté poco modulada pero menos próxima al "tophat" ideal. [0011] Sabemos que el documento US4521075 describe un sistema para hacer incoherente espacialmente un haz láser dirigido hacia un objetivo. Este sistema incluye entre la fuente láser y el objetivo: - Un componente óptico para introducir una incoherencia espacial entre varias partes del haz láser, y - Una lente de enfoque para dirigir el haz láser sobre el objetivo. Se produce entonces una perturbación que limita las interferencias a nivel del objetivo. [0012] Sin embargo, la experiencia ha demostrado que este sistema no permitía homogeneizar una fuente distinta de un láser muy incoherente, por ejemplo diodos láser y láseres de excímeros. [0013] El documento US2005/00 23478 se refiere a una lámina de faro con forma de elemento holográfico que permite modificar el perfil de un haz láser. [0014] La presente invención tiene como objetivo remediar los inconvenientes anteriormente expuestos proponiendo un sistema de homogeneización que elimine los efectos de interferencia y de difracción. [0015] Otro fin de la invención es proponer un sistema capaz de garantizar una configuración de bombeo robusta y fiable para los amplificadores de gran potencia media en los sistemas láser femtosegundo, aplicado en un número creciente de instalaciones y destinado, por ejemplo, a alcanzar potencias de cresta superiores al Petawatt. [0016] La presente invención también tiene por objeto un sistema eficaz desde el punto de vista de la extracción de energía, que permite controlar la intensidad del haz láser sobre el objetivo. [0017] Se alcanza por lo tanto por lo menos uno de los objetivos mencionados anteriormente gracias a un sistema para homogeneizar un impulso láser emitido por una fuente láser con el fin de iluminar de modo homogéneo un objetivo, al comprender este sistema las características especificadas en la primera reivindicación. [0018] Según la invención, las subpupilas y los medios de enfoque son adaptados para que dichos haces láseres retardados se superpongan sobre el objetivo en una mancha homogénea. La lámina de fase puede estar constituida por una matriz de elementos ópticos que aplican cada uno un retraso sobre cada haz elemental que lo atraviesa. Este elemento óptico, llamado subpupila, genera un haz elemental orientado hacia una dirección determinada. La disposición en matriz y la orientación de las subpupilas se determinan de manera experimental o por cálculos. Los medios de enfoque se sitúan para que los haces elementales procedentes... [Seguir leyendo]

1. Sistema para homogeneizar un impulso láser emitido por una fuente láser con el fin de iluminar de modo homogéneo un objetivo; dicho sistema incluye entre la fuente láser y el objetivo: - Una lámina de fase constituida por una pluralidad de subpupilas aptas para generar una pluralidad de haces láseres retrasados hacia el objetivo, siendo la diferencia de recorrido d entre dos haces láseres retrasados adyacentes superior o igual a la longitud de la coherencia temporal Tc.C del impulso láser, con C como velocidad de la luz en el medio considerado, y unos - Medios de enfoque; las subpupilas y los medios de enfoque se adaptan para que dichos haces de láseres retrasados se superpongan sobre el objetivo en una mancha homogénea, caracterizado porque se graba una información de fase en cada subpupila de modo que la mancha homogénea presenta una forma definida para la información de fase. 2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque la lámina de fase contiene N subpupilas: N es sensiblemente igual a 1/ 2 , siendo r el contraste de la mancha homogénea y estando definido particularmente como la relación entre la desviación tipo y la media, es decir = sigma (I)/, siendo I la intensidad. 3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el objetivo está dispuesto sobre el plano de Fourier del medio de enfoque, estando calculada la información de fase a partir de la transformada de Fourier inversa de la forma de la mancha. 4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de enfoque incluyen una lente convergente dispuesta de tal modo que el objetivo se encuentra a la distancia de enfoque de dicha lente convergente. 5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la diferencia de recorrido d es : d = Tc.c, siendo "c" la velocidad de la luz en el medio considerado. 6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la dimensión transversa de la lámina de fase es superior al diámetro del haz láser que constituye el impulso láser. 7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación entre la dimensión transversa de cada subpupila y el diámetro del haz láser que constituye el impulso láser es proporcional al contraste de la mancha homogénea : estando particularmente definido como la relación entre la separación tipo y la media, es decir = sigma (I)/, siendo I la intensidad. 8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la lente está integrada en la lámina de fase. 9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuente láser es un láser de bombeo y el objetivo es un medio sólido amplificador. 10. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque el objetivo es un cristal de zafiro dopado con titanio. 11. Sistema según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque la fuente láser es un láser doblado en frecuencia escogido entre los láseres siguientes: Nd:YAG; Nd:cristal, Nd:YLF, Yb:cristal, Yb:YAG. 12. Aplicación del sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el bombeo de medios amplificadores en una cadena láser CPA-Ti:Saphir. 8   9     11