Conjugaison de phase par mélange d'ondes dans les milieux lasers solides

Phase conjugation by wave-mixing interactions in solid-state laser gain media

Laboratoire Central de Recherches, Thomson-CSF, 91404 Orsay, France

Résumé

Les lasers solides présentent des avantages relatifs à leur compacité, facilité d'utilisation et à leur durée de vie. Cependant, une partie importante de l'énergie de pompage se dissipe sous forme de chaleur provocant des distorsions de phase importantes dans le milieu laser. Cet effet indésirable dégrade la qualité spatiale du faisceau émis et peut abaisser considérablement la luminance du laser. Par ailleurs les distorsions induites dépendent étroitement des conditions d'utilisation (cadence, énergie de pompage) et nécessitent donc une correction adaptative et dynamique. Les techniques de conjugaison de phase par interactions non-linéaires permettent d'apporter des solutions efficaces à l'ensemble de ces problèmes. 
En utilisant la saturation du gain, cette fonction de conjugaison de phase peut être obtenue par mélanges d'ondes optiques dans le milieu laser lui-même. Outre la possibilité d'utiliser des matériaux lasers solides, cette technique présente de très nombreux avantages. Le milieu non-linéaire étant identique à celui utilisé pour la génération et l'amplification des faisceaux, le matériau possède automatiquement toutes les caractéristiques spectrales requises. Ce mécanisme peut fonctionner quel que soit le régime temporel (continu ou impulsionnel). L'amplification laser de toutes les ondes mises en jeu permet également d'obtenir un faisceau conjugué en phase plus énergétique que la totalité des faisceaux incidents. Un tel mécanisme non-linéaire est analysé théoriquement et démontré expérimentalement dans des amplificateurs Nd:YAG pompés par lampes et dans des amplificateurs compacts Nd:YVO₄ pompés par diodes lasers de puissance en régime nanoseconde. Un fonctionnement continu est également démontré dans un amplificateur Nd:YVO₄ pompé par un laser Ti:saphir. 
Les interactions non-linéaires dans le milieu laser offrent des possibilités extrêmement intéressantes pour l'holographie dynamique et pour la réalisation de sources lasers tout à l'état solide et à haute qualité de faisceau.

Abstract

The heat load deposited in solid-state laser medium leads to thermally induced aberrations. This undesirable effect causes wavefront distorsions and reduces the brightness of lasers. Phase-distorsion correction of an optical wave propagating in laser media is thus a crucial problem that must be taken into account in solid-state laser sources. Indeed, many applications require a high-spatial-quality, diffraction-limited output beam. An approach offering great potential to solve this problem involves nonlinear optical phase conjugation. 
Phase conjugation can be obtained with degenerate wave mixing in the laser medium itself by gain saturation. The use of solid-state laser amplifiers for such operation presents very attractive features including the automatic matching of the nonlinearity with the laser wavelength, a fast response time and a high efficiency of the nonlinear process due to the laser amplification of all interacting beams. In as much as gain saturation is inherent in all tenporal regimes, phase conjugation in inverted media can be performed in both pulsed and cw regimes. This nonlinear mechanism is theoretically analyzed and experimentally demonstrated in flash-lamp pumped Nd:YAG amplifiers and in a compact diode-pumped Nd:YVO₄ amplifier in the nanosecond pulsed regime. Efficient continuous wave operation is also demonstrated in a Nd:YVO₄ amplifier pumped by a cw Ti:sapphire laser. 
Applications to dynamic holography and correction of aberrated wavefronts propagating in laser media are presented. Finally, it is shown that saturable gain media can be used as efficient phase conjugate mirrors for all-solid-state high beam quality laser sources.