Brevet FR2012620A1 — publié le 19700320

La présente invention concerne un laser. Dans des systèmes de pompage optique pour laser, il est habituellement prévu, en plus d'une source lumineuse pour irradier le milieu actif de laser, un certain type de moyen réfleo- 5 teur pour augmenter l'éfficacité de couplage de la lumière au mi- a lieu actif de laser. On/proposé de nombreux systèmes utilisant des surfaces réfléchissantes appropriées du type à réflexion pour focaliser le rayonnement provenant de la source lumineuse sur le milieu actif du laser. Dans le cas de lasers à très gran-10 de puissance, on a trouvé que des surfaces réfléchissantes du type à diffusion produisent un pompage plus uniforme du milieu actif de laser, et, dans la plupart des lasers à grande puissance utilisée actuellement on utilise un tel arrangement réfléchissant du type à diffusion. 15 Les types connus de surfaces à diffusion ou diffusantes comprennent des céramiques cuites, des oxydes pulvérulents de certains métaux enfermés dans des enveloppes transparentes, des métaux et des pellicules de différentes matières disposées sur des surfaces réfléchissantes, et des configurations équivalen-20 tes. Toutefois, dans tous ces cas, la forme géométrique du réflecteur est imposée par la configuration de la source lumineuse et du milieu actif zone> Ainsi, un type particulier de réflecteur doit être fabriqué pour chaque type particulier de tête de laser. En outre, le réflecteur lui-même doit être espacé ^ matériellement de façon à ne pas toucher la source lumineuse telle qu'une lampe à lueurs. Cet espacement est nécessaire pour éviter un ébranlement ou claquage de la lampe à lueurp, lors de la mise en marche du laser, qui pourrait résulter d'une vibration de la lampe dans les conditions physiques extrêmes se pré-sentant lors de la mise en marche. D'autre part, il importe que la surface réfléchissante soit disposée aussi près que pos-siDle de la source lumineuse et du milieu actif de laser pour assurer un couplage optimum de l'énergie lumineuse au milieu actif de laser. 35 En plus de ce qui précède, tout réflecteur du type a dif fusion doit pouvoir supporter le rayonnement intense de la lampe à lueurs, une exposition alternée à de l'air et à des fluides réfrigérants, et une corrosion possible de composés produits par le rayonnement provenant de la lampe à lueurs, en particulier 69 18597 2 2012620' pour des puissances d'entrée élevéea Des enveloppes du type contenant les oxydes métalliques, qui sont très souhaitables pour obtenir une réflectance par diffusion dans les régions utiles du spectre, pour une matière 5 active de laser donnée sont très gênantes à fabriquer et peuvent être endommagées facilement. La plupart des céramiques très pures ne sont pas disponibles sauf sous la forme la plus simple. D'après ce qui précède, on voit que la présence d'un 10 réflecteur à diffusion qui est utile au point de vue du spectre, qui peut supporter les conditions ambiantes physiques de la tête de laser et qui est convenablement adapté géométriquement, c'est-à-dire qui présente la forme voulue occasionne des frais nettement accrus et une plus grande perte de temps 15 dans la fabrication de lasers efficaces. Les problèmes précédents posés par des réflecteurs actuels du type à diffusion pour des systèmes de pompage optique dans des lasers sont pratiquement supprimés par l'invention. Plus particulièrement, l'invention fournit un nouveau 20 système de pompage optique à diffusion pour lasers dans lequel: 1) le rendement est notablement accru par rapport à des systèmes connus grâce à la présence d'une surface diffusante à plus grande réflectance dans les régions utiles du spectre, pour le milieu actif de laser considéré. 25 2) le réflecteur à diffusion lui-même peut supporter le milieu ambiant total de la tête de laser afin qu'il n'y ait pratiquement pas de risques de claquage de la lampe en présence de vibrations intenses, ou d'endommagement du réflecteur à diffusion lui-rmême par suite de l'exposition alternée à de l'air 30 et à un fluide réfrigérant ou par suite d'une corrosion résultant du rayonnement de" la lampe à lueurs, même pour des puissances d'entrée extrêmement élevées. 3) la nature physique du réflecteur à diffusion est tel- ' le qu'il peut facilement épouser la forme de n'importe quel voulu 35 contour/de la source lumineuse et du milieu actif du laser. Les résultats avantageux précédents sont obtenus au moyen du réflecteur à diffusion sous forme d'un tissu céramique d'oxyde de métal réfléchissant qui combine essentiellement les caractéristiques de réflectance spectrale de l'oxydé métal-40 lique avec l'inertie de la matière céramique. Etant donnée la 69 18597 3 2012620 structure en tissu celle-ci présente de la souplesse de sorte que le tissu peut facilement être placé de façon à entourer le milieu actif du laser et la source lumineuse et épouser leur forme géométrique. 5 II en résulte une enceinte géométrique dans laquelle le milieu actif lui-même constitue pratiquement le seul élément récepteur ou dissipateur de la lumière rayonnée par la source lumineuse. En outre, la nature flexible du tissu est telle qu'il peut être placé en contact direct avec la source lumineuse et 10 qu'il augmente ainsi notablement le rendement de couplage optique de l'énergie lumineuse au laser. Puisque aucune matière rigide n'est employée, le risque de claquage de la lampe par le réflecteur est réduit au minimum. Finalement, la nature poreuse du tissu est telle que le 15 fluide réfrigérant peut facilement imprégner les réflecteurs de façon à assurer un refroidissement approprié de l'enceinte optiquement hermétique. D'autres caractéristiques et avantages de la .présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite 20 en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective schématique dé-25 composée d'une tête de laser et d'un réflecteur à diffusion avant le positionnement à réflecteur autour de la tête. - la figure 2 est une vue en coupe axiale perpendiculaire à la direction des flèches 2-2 de la figure 1 qui représente le réflecteur à diffusion en position pour délimiter une encein- 30 te optiquement hermétique pour le laser de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en élévation de bout en regardant dans la direction des flèches 3~3 de la figure 1, qui représente à nouveau la matière réfléchissante en position; et - la figure 4 est une représentation graphique qualita-55 tive utile pour expliquer le fonctionnement amélioré du laser résultant de l'invention. On va se référer maintenant à la figure 1 qui représente simplement, à titre d'exemple, un type de tête de laser. Cette structure comprend une base 10 pour un milieu actif de laser se 40 présentant sous forme d'une tige cristalline 11 semi-conductrice 69 18597 4 2012620 de base entourée par une lampe à lueurs 12 en hélice formant une source lumineuse. Les extrémités de la lampe à lueurs 12 en hélice sont indiquées en 13 et 14 des électrodes appropriées (non représentées) étant reçues dans ces parties d'extrémité 5 pour produire la décharge à lueurs à travers les spires de l'hélice. On comprendre que la représentation de la .figure 1 est purement schématique et que, dans 'un mode d'exécution réel, les spires 12 de l'hélice sont très voisines l'une de l'autre de 10 sorte qu'il en résulte un couplage efficaae entre la lampe et la tige. En outre, il est bien entendu que la structure particulière illustrée par la figure 1 représente seulement un type de laser dans lequel un milieu"actif de laser d'une forme géométrique particulière est prévu pour coopérer avec une source 15 lumineuse ou lampe à lueurs d'une forme géométrique appropriée au milieu actif particulier. Conformément à l'invention, il est prévu un réflecteur à diffusion se présentant sous forme d'un tissu en céramique 15 représenté avec une forme généralement plane au-dessus de 20 la tête de laser sur la figure 1. Pour la configuration géométrique particulière révélée, le tissu 15 présente des encoches ou entailles, telles que celles indiquées en 16 et 17, placées respectivement sur le bord antérieur 18 et sur le bord posté-• rieur 19 du tissu, de façon à reçevoir les parties d'extrémités 25 13 et 14 de la lampe à lueurs 12 en hélice quand le tissu est placé autour de la lampe. La figure 2 représente en coupe la configuration résultante obtenue quand la lampe à lueurs en hélice et le milieu actif de laser ont été convenablement enveloppés dans le tis-30 su réflecteur 15 à diffusion de façon à constituer une enceinte optiquement hermétique. On voit d'après la figure 2, que la souplesse du tissu a pour effet qu'il épouse les formes géométriques particulières de la lampe et de la tige. En fait, il • peut se produire un' certain' drapement léger du tissu entre les 35 spires adjacentes de l'hélice ainsi qu'il est représenté. En outre, il est bien entendu que les parties d'extrémité reçues a travers les encoches ou entailles découpées et représentées sur la figure 1, sont reçues convenablement dans le tissu de telle sorte que les parties émettrices de lumière utiles de 40 ces extrémités soient enveloppées pratiquement par le tissu. 69 18597 5 2012620 Dans la vue de face de la figure 3, on voit que la partie de bord antérieure 18 et la partie de bord postérieure 1-9 du tissu ont été recouvertes l'une par l'autre dans la portion inférieure de la tête de laser. Si on le souhaite, le tissu 5 peut être pourvu d'un revêtement de fibres de verre sur sa surface extérieure (non représentée). La figure 4 est une représentation graphique qualitative de caractéristiques de différents types de réflecteurs à diffusion. Dans cette représentation graphique, les abcisses re-10 présentent les valeurs de l'énergie lumineuse d'entrée transmise au cristal de base, tandis que les valeurs de la puissance de sortie du laser sont portées en ordonnées. Trois courbes sont représentées respectivement en 20, 21 et 22 et rencontrent l'axe des abscisses respectivement en T1, T2 et T3. Ces points 15 situés sur l'axe des abcisses représentent les seuils d'énergie avant que le processus de laser ne commence. La droite 22 représente qualitativement des types connus de réflecteurs à diffusion en céramique, pour lesquels l'espacement des surfaces réfléchissantes rigides vis-à-vis de la lampe 20 à lueurs elle-même est nécessaire. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, une telle séparation est nécessaire pour éviter qu'un mouvement vibratoire de la lampe quand elle est allumée, ne provoque un contact entre la lampe et le réflecteur du type en céramique. Si la lampe heurtait le réflecteur, elle serait 25 brisée. Etant donné cet espacement physique nécessaire pour des réflecteurs à diffusion du type rigide, le degré de couplage est relativement faible et, par suite, le dépassement d'un seuil élevé T3, par l'énergie d'entrée, est nécessaire pour déclencher le processus de laser. En outre, pour une puissance 30 de sortie voulue, une puissance d'entrée plus grande est nécessaire, ainsi qu'il est indiqué par la pente de la droite 22. La droite 21 représente un réflecteur à réflexion courant dit Alzak qui présente un rendement accru et un seuil plus bas principalement à cause de ses meilleures caractéristiques de 35 réflexion en comparaison avec la céramique représentée par la droite 22. Toutefois, l'espacement physique est encore nécessaire et les problèmes de fabrication difficiles posés pour faire épouser au réflecteur la forme géométrique de la source lumineuse et du milieu actif de laser se pose toujours. 4-0 La dernière droite 20 représente qualitativement la 69 18597 6 2012620 caractéristique du tissu en céramique selon l'invention, et on remarquera un seuil de dépassement d'énergie plus bas, en comparaison avec des réflecteurs connus, pour déclencher un processus de laser; on peut obtenir des signaux'de sortie plus 5 intenses pour des signaux d'entrée plus faibles que ceux qui caractérisent les réflecteurs de types connus. Le tissu en céramique 15 est constitué par' un oxyde métallique qui peut gtre soit de l'alumine soit de la zircone. Dans des expériences réelles, il semble que la zircone présente 10 des propriétés de réflexion spectrale un peu meilleures que celles de l'alumine mais, dans un échantilloiî de zircone particulier soumis à des essais, une certaine dégradation de la réflectance s'est produite. Par conséquent, l'oxyde métallique cons- . tituant le tissu doit être, de préférence, de l'alumine, 15 Les compositions exactes de différents types de tissus pouvant être utilisés selon l'invention contiennent l'alumine et la zircone mentionnées précédemment, et le procédé préféré pour fabriquer le tissu est décrit d'une manière très détaillée dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N° 3»385.915 du 28 20 mai 1968, auquel on se référera pour avoir des détails quant à la composition du tissu et à son procédé de fabrication. Lors'du fonctionnement, un morceau detissu 15 est découpé suivant un modèle approprié déterminé par les formes géométriques de la source lumineuse et du milieu actif de laser. Dans 25 l'exemple particulier illustré par la figure 1, la matière peut être découpée suivant le modèle représenté comprenent les en--tailles 16 et 1?. Ensuite, on enveloppe la source lumineuse et le milieu actif de laser dans le tissu, en contact intime avec ce tissu, 30 de façon à constituer une enceinte optiquement hermétique» La souplesse du tissu est" telle qu'il est simple de faire épouser au tissu les formes géométriques de la lampe à lueurs et du milieu actif de laser et que cette opération peut être exécutée 'rapidement. L'enceinte géométrique résultanteLest telle que 35 pratiquement le seul élément récepteur de la lumière rayonnée par la source lumineuse après que le tissu réfléchissant à diffusion a été mis en place est constitué par le milieu actif de laser lui-même à savoir, dans le cas de la figure 1, par la tige cristalline 11. 40 A cause de la nature physique poreuse du tissu lui-même, 18597 7 2012620 celui-ci est perméable au fluide de refroidissement et n'entrave pas, ainsi, un refroidissement approprié de la tête de laser. Un tissu constitué par un oxyde métallique ayant des caractéristiques de réflexion spectrale voulues pour le type particulier de laser considéré est utilisé dans chaque cas. On a trouvé qu'un tissu constitué par de l'alumine est le plus satisfaisant pour un laser au rubis. Dans ce cas, il présente une réflectance extrêmement grande dans la bande spectrale du rayonnement émis par la lampe à lueurs en hélice utilisée pour le pompage du rubis. D'après la description précédente on voit que l'invention fournit un réflecteur perfectionné du type à diffusion pour laser qui satisfait pleinement aux trois critères fondamentaux résidant dans un rendement élevé, dans l'aptitude à résister aux conditions ambiantes et dans la facilité de faire épouser au réflecteur la forme géométrique particulière du système. 69 18597 8 2012620 REVENDICATIONS 1-Système de pompage optique à diffusion pour laser comprenant un milieu actif de laser d'une première configuration 5 géométrique donnée et unë source lumineuse d'une seconde configuration géométrique donnée couplée optiquement au milieu actif de laser pour introduire par pompage de l'énergie lumineuse de pompe dans le milieu actif de laser, ledit système de pompage optique étant, caractérisé par un réflecteur à diffu- . 10 sion se présentant sous forme d'un tissu flexible en céramique constitué par un oxyde métallique réfléchissant qui entoure à peu près entièrement le milieu actif de laser et la source lumineuse en épousant pratiquement les formes géométriques de ce . milieu actif et de la source lumineuse de façon à constituer une 15 enceinte géométrique dans laquelle ce milieu actif constitue pratiquement le seul élément récepteur de lumière rayonnée à partir de la source lumineuse. 2- Système de pompage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu est perméable au fluide de re- 20 froidissement de sorte que 1.'enceinte optiquement hermétique résultante peut être refroidie facilement. 3- Système de pompage optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'oxyde métallique est de l'alumine. 4- Système de pompage optique selon la revendication 2, 25 caractérisé en ce que l'oxyde métallique est de la zircone. 5- Système de pompage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu actif de laser comprend une tige cristalline de base semi-conductrice et que la source lumineuse comprend une lampe à lueurs' enroulée en hélice autour de 30 la tige, ledit tissu enroulant la lampe à lueurs en hélice en étant en contact avec "celle-ci et comportant des parties entaillées de façon à laisser passer des parties d'extrémité de la lampe à lueurs, ce tissu présentant un léger drapement entre des spires adjacentes de l'hélice de façon à délimiter une en-35 ceinte à peu près optiquement hermétique.