Coupleur de sortie - Output coupler
Un coupleur de sortie ( OC ) est le composant d'un résonateur optique qui permet l'extraction d'une partie de la lumière du faisceau intracavité du laser. Un coupleur de sortie consiste le plus souvent en un miroir partiellement réfléchissant, permettant à une certaine partie du faisceau intracavité de passer à travers. D'autres méthodes incluent l'utilisation de miroirs presque totalement réfléchissants à chaque extrémité de la cavité, émettant le faisceau soit en le focalisant dans un petit trou percé au centre d'un miroir, soit en le redirigeant par l'utilisation de miroirs rotatifs, de prismes ou d'autres dispositifs optiques, amenant le faisceau à contourner l'un des miroirs d'extrémité à un instant donné.
Miroir partiellement réfléchissant
Dans sa forme la plus courante, un coupleur de sortie consiste en un miroir partiellement réfléchissant , parfois appelé séparateur de faisceau . La réflectance et la transmittance du miroir sont généralement déterminées par le gain du milieu laser . Dans certains lasers, le gain est très faible, de sorte que le faisceau doit effectuer des centaines de passages dans le milieu pour un gain suffisant. Dans ce cas, le coupleur de sortie peut être réfléchissant jusqu'à 99%, ne transmettant que 1% du faisceau de la cavité à utiliser. Un laser à colorant a un gain très élevé par rapport à la plupart des lasers à l'état solide, de sorte que le faisceau n'a besoin que de quelques passages à travers le liquide pour atteindre son gain optimal, ainsi le coupleur de sortie est généralement réfléchissant à environ 80%. Dans d'autres, comme un laser à excimère , la réflectivité de 4% du verre non revêtu fournit suffisamment de miroir, transmettant près de 96% du faisceau intracavité.
Les lasers fonctionnent en réfléchissant la lumière entre deux ou plusieurs miroirs qui ont un milieu laser actif entre eux. Le milieu amplifie la lumière par émission stimulée . Pour que l'émission laser se produise, le gain du milieu actif doit être supérieur à la perte totale, qui comprend à la fois les effets indésirables tels que l' absorption , l'émission dans des directions autres que le trajet du faisceau et la libération intentionnelle d'énergie à travers le coupleur de sortie. En d'autres termes, le laser doit atteindre un seuil .
Il existe trois propriétés importantes du coupleur de sortie:
- Rayons de courbure
- La forme de la surface du coupleur de sortie, ainsi que la forme du réflecteur haut, déterminent la stabilité de la cavité optique. Le coupleur de sortie peut être plat ou courbe , selon la conception de la cavité optique. Les rayons de courbure sont généralement déterminés par le type de cavité souhaité (c'est-à-dire: plan / plan, concentrique, confocale, etc.) ainsi que le diamètre et la longueur de la cavité. La face du coupleur de sortie tournée vers la cavité est la face avec le revêtement partiellement réfléchissant appliqué. C'est le côté qui détermine partiellement les propriétés modales du laser. Si cette surface intérieure est incurvée, la surface extérieure doit l'être également. Cela empêchera l'OC de fonctionner comme un objectif. La courbure de la surface extérieure peut être conçue pour donner une sortie laser collimatée. Cette surface externe a généralement un revêtement antireflet appliqué pour maximiser la puissance de sortie. Pour minimiser les pertes, améliorer le profil du faisceau et maximiser la cohérence, la forme de la surface est généralement fabriquée selon des tolérances d'ingénierie très élevées , minimisant tout écart par rapport à une surface idéale. Ces écarts sont généralement maintenus si petits qu'ils sont mesurés en longueurs d'onde de la lumière, à l'aide de dispositifs tels que des interféromètres ou des plats optiques . En règle générale, un coupleur de sortie laser sera fabriqué selon des tolérances de λ / 10 (un dixième de la longueur d'onde de la lumière) ou mieux.
- En fonction du gain du support, la quantité de lumière dont le CO a besoin pour se refléter peut varier considérablement. Les lasers hélium-néon nécessitent un miroir réfléchissant d'environ 99% pour se laser, tandis que les lasers à azote ont un gain extrêmement élevé (ils sont " superradiants ") et ne nécessitent aucun OC (0% de réflexion). La réflectivité de tout OC variera avec la longueur d' onde . Les miroirs revêtus de métal ont généralement une bonne réflectivité sur une large bande passante, mais peuvent ne pas couvrir une partie entière du spectre. L'argent a une réflectivité jusqu'à 99,9% dans la plage visuelle, mais est un mauvais réflecteur des ultraviolets. L'aluminium ne reflète pas bien l'infrarouge, mais est un bon réflecteur de la gamme visuelle au proche UV, tandis que l'or est très réfléchissant à la lumière infrarouge mais un mauvais réflecteur de longueurs d'onde plus courtes que le jaune. Un miroir diélectrique peut avoir une plage d'accord aussi faible que 10 nm lorsqu'il est conçu pour une longueur d'onde spécifique, ou peut être conçu avec une large plage, allant jusqu'à 100 nm, pour les lasers accordables . Pour cette raison, les propriétés spectrales de l'OC sont importantes à prendre en compte lors de l'assemblage d'une cavité laser.
- Le matériau utilisé comme substrat du miroir est également une considération importante. La plupart des verres ont une bonne transmissivité du proche UV au proche IR, mais les lasers qui émettent dans des longueurs d'onde plus courtes ou plus longues peuvent nécessiter un substrat différent. Par exemple, le séléniure de zinc est généralement utilisé dans les lasers à dioxyde de carbone en raison de sa transmittance élevée aux longueurs d'onde infrarouges.
Tombereau à cavité
Une cavité tombereau est un coupleur de sortie qui assure la fonction d'un Q-switch . Il permet à l'énergie de s'accumuler dans la cavité optique, puis de la libérer à un intervalle spécifiquement chronométré. Cela permet au faisceau de monter à des niveaux élevés, puis d'être libéré en très peu de temps; souvent dans le temps qu'il faut une onde lumineuse pour effectuer un aller-retour à travers la cavité, d'où le nom. Après avoir construit en intensité, la cavité "décharge" soudainement son énergie. Les tombereaux à cavité utilisent généralement un miroir hautement réfléchissant à chaque extrémité de la cavité, permettant au faisceau de recevoir le plein gain du support. À un intervalle spécifique, le faisceau est redirigé, à l'aide d'un dispositif tel qu'une cellule de Pockels , un modulateur acousto-optique ou un prisme ou miroir à rotation rapide. Ce faisceau redirigé contourne le miroir d'extrémité, permettant l'émission d'une impulsion très puissante. Les dumpers à cavité peuvent être utilisés pour un fonctionnement en onde continue, mais leur utilisation la plus courante est avec des lasers à verrouillage de mode , pour extraire une impulsion très courte à son intensité de crête.