Brevet FR2012446A1 — publié le 19700320

M 22804 1 2012446 La présente invention se rapporte aux cellules, laser à l'état solide, et plus particulièrement, aux cellules.laser à structure fibreuse ou en forme de tige, qui présentent un indice de réfraction maximum le long de l'axe, et décroissant vers la sur-5 face extérieure. On peut penser que les cellules laser à l'état solide, de grandes puissance et pouvant fournir des oscillations entretenues, qui sont récemment entrées dans le domaine des applications pratiques, sont amenées à remplacer, dans un proche' avenir, les cellu-10 les laser à gaz, largement utilisées aujourd'hui. Ces cellules à l'état solide, pour utilisation en oscillations entretenues, doivent être aussi réduites que possible en dimensions et en poids, et leur niveau de saturation doit être aussi élevé que possible pour fournir un niveau de sortie élevé. Un amplificateur d'ondes 15 lumineuses ou un renforçateur d'images optiques utilisant une telle cellule laser, ont montré à l'expérience un taux d'amplification élevé, même avec, à l'entrée, une onde lumineuse de bas niveau, La plupart des cellules étudiées jusqu'à présent pour s'adap-20 ter aux oscillations entretenues, ont la forme d'un cylindre allongé. Elles ne donnent pas lieu à utilisation pratique, toutefois, tant que la puissance d'excitation nécessaire au pompage optique, qui provoque l'oscillation et l'amplification laser, n'est pas abaissée dans des proporrtions considérables. Une des approches vers 25 une plus basse puissance d'excitation, serait de diminuer le diamètre du cylindre. Mais cela provoque un accroissement des pertes par diffraction, introduites par le résonateur optique à cavité. De ce fait, la cellule tend à souffrir facilement de la perte par diffraction lorsqu'elle est courbée; De plus, une cellule laser 30 plus mince exige une convergence plus précise du rayon lumineux incident à la surface de l'une de ses extrémités. En outre, pour accroître l'e taux d'amplification, la longueur axiale de la cellule laser devrait être importante, ce qui, inévitablement, élargirait son diamètre. De plus, ces cellules laser conventionnelles impli-35 quent toujours des ennuis dans l'établissement de la position, de l'angle d'incidence et de la courbure. Le rapport de C. G. Young, publié dans "Applied Physics Let-ters " du 15 avril 1963, pages 151 à 152, traite des caractéristiques d'oscillation d'un oscillateur laser utilisant une fibre de 40 verre aux propriétés "laser". La cellule laser à structure fibreuse M 22804 2 2012446 présentée dans cet article est composée d'un noyau central en verre, possédant un indice de réfraction relativement élevé et contenant des ions activés, et d'une enveloppe extérieure en verre, recouvrant le noyau, et d'indice de réfraction relativement bas. La 5 lumière laser et la fluorescence produites dans le noyau y circulent par une répétition de réflexions totales à l'interface entre noyau et enveloppe. Ce type d'amplificateurs à structure fibreuse et à enveloppe, permet d'éviter certains des inconvénients associés à la cellule 10 laser d'indice de réfraction uniforme mentionnée plus haut. Cependant, comme l'excitation de l'irradiation «Je l'élément actif du laser contenu dans le noyau de verre, par les rayons lumineux d'irradiation , ne se réalise qu'à travers l'enveloppe, et comme l'interface entre noyau et enveloppe forme une surface réfléchissante, 15 l'efficacité de l'irradiation n'est pas très élevée. Pour supprimer la réflexion à l'interface, la différence des indices de réfraction devrait être aussi faible que possible. Cependant, cela a pour effet inévitable de faire décroître l'angle limite de réflexion totale, de l'onde lumineuse traversant la cellule, ce qui 20 tend à permettre à ces ondes de s'échapper plus facilement de l'interface. De plus, dans le type de cellules laser à enveloppe, la transmission de l'onde lumineuse résulte d'une répétition de réflexions totales à l'interface, et il se produit une différence de 25 longueur des chemins optiques entre la multitude des rayons lumineux, ce qui entrairie éventuellement une différence des vitesses de phases entre les rayons lumineux à l'extrémité de sortie de la cellule. Il en résulte qu'il est tout à fait possible, dans une cellule laser de ce genre, qu'une oscillation laser monochromatique, mê-30 me si elle se forme, ne puisse se maintenir parce qu? une oscillation à d'autres longueurs d'onde, dans la bande de fluorescence, tend à être excitée par la différence des vitesses de phase mentionnée plus haut. Utilisée comme élément amplificateur, la cellule laser à enveloppe n'est pas capable d'amplifier un train d'im-35 pulsions lumineuses dé grande vitesse, ni de transmettre une image optique projetée à son extrémité d'entrée, et cela, à cause de la différence de longueur des chemins optiques suivis par les rayons lumineux. En outre, de petites saillies et de petits creux qui se forment inévitablement à l'interface entre noyau et enveloppe, ac-40 croissent l'importance des composants de diffusion dans;les ondes 69 22604 3 2012446 lumineuses transmises, causant éventuellement des oscillations indésirables à l'intérieur de la cellule laser amplificatrice. L'objet de la présente invention est donc de fournir une cellule laser à l'état solide, qui possède un indice de réfraction ma-5 ximum le long de l'axe, et décroissant vers la surface qui contienne des substances actives au point de vue de l'effet "laser" et qui soit par conséquent adaptée pour servir d'oscillateur laser de grande efficacité et d'amplificateur de gain élevé, pour un train d'impulsions de très grande vitesse ou pour une image optique. 10 Le principe et les caractéristiques de la présente invention vont être maintenant décrits avec plus de détails. La figure 1 montre les courbes caractéristiques de la cellule laser qui fait l'objet de l'invention ; en abcisses sont portés les pourcentages en poids Nc^ 0^ et en ordonnées sont portées les va-35 leurs relatives du seuil d'énergie. Les figures 2 et 3 montrent les vues en coupe longitudinale de deux réalisations pratiques de la présente invention. La figure 4 montre une vue similaire de la réalisation pratique, couplée cette fois à un moyen d'excitation. 20 La figure 5 montre, de façon schématique, un système de trans mission optique utilisant la cellule de la présente invention. Dans un milieu transparent aux ondes lumineuses, ayant une structure fibreuse ou la forme d'une tige et présentant un gradient d'indice de réfraction tel que cet indice soit maximum le long de 25 l'axe et décroisse lorsqu'on se rapproche de la surface, un rayon lumineux vient frapper la surface d'une de ses extrémités sous un angle d'incidence inférieur à une valeur critique, et se propage le long de l'axe de ce milieu, en oscillant autour de cet axe, virtuellement sans aucune divergence. Un milieu transparent de ce type, et 30 qui contienne des ions activables, permet de réaliser l'oscillation ou l'amplification laser sans introduire de différence dans la vitesse de phase. Par l'emploi de moyens de transmission de la lumière de ce type, il devient possible de réaliser un amplificateur d'ondes lumineuses pour un train d'impulsions de très grande vites-35 se ou pour une image optique, pourvu qu'elle soit formée de rayons lumineux comportant des longueurs d'onde composantes, communes avec celles de l'effet laser de l'amplificateur. La cellule laser de la présente invention améliore grandement l'efficacité de l'irradiation grâce au fait que les rayons lumi-40 neux d'irradiation, dirigés sur la surface latérale de la cellule, 69 22804 4 2012446 sont concentrés sur son axe par l'effet du gradient d'indice de réfraction mentionné plus haut, et grâce au fait que le rayon de lumière laser produit par cette irradiation, est propagé à travers le guide de lumière, en oscillation autour de l'axe. 5 D'après l'analyse faite par S. E. Miller dans " The Bell Sys tem Technical Journal " de novembre 1965 (pages 2017 h 2064), l'indice de réfraction n en un point situé à la distance radiale x de l'axe d'un guide de lumière ayant la forme d'un cylindre allongé, s'exprime ainsi par : 10 n » nfc (1 - £ x2) (a >0 ) où n est l'indice de réfraction le long de l'axe et a une constante o positive. Ainsi, un rayon lumineux, venant frapper le guide de lumière à la surface de l'extrémité d'entrée, en faisant avec l'axe un angle 15 0, suit, à l'intérieur du guide de lumière, un chemin optique défini par î x .t tg G . sin\fâ~ Vâ Donc, en supposant donné par R0 le rayon du guide de lunièr* cylindrique, tous les rayons lumineux qui pénètrent dans le guide 20 de lumière sous un angle d'incidence inférieur à ôç , se propagent dans le guide de lumière virtuellement sans divergence. 6C est donné par :8C « tg""^V"~I. R0^ Nous allons maintenant décrire de façon particulière la présente invention, dans les cas où la tige est faite de verre. 25 Le procédé de'fabrication d'un guide de lumière en verre, à structure fibreuse ou en forme de tige, et présentant le gradient d'indice de réfraction mentionné plus haut, est décrit en détail dans la Semande de brevet n® 16986 . - - ~ 30 En conséquence, le procédé ne sera pas décrit en détails ici. En bref, ce procédé est fondé sur la substitution chimique, à un premier type de cations, inclus dans la tige de verre et capables de former des oxydes subsrtituabîes^ d'un second type de cations, capables de former lesdits oxydes 35 substituables. La substitution est réalisée en mettant la tige de verre en contact avec un bâin d'Un sel contenant les cations du second type, dont le rapport de la polarisabilité électronique àu cube . du rayon ionique, est différent de celui des premiers cations. Plus particulièrement, la tige de verre est immergée dans le bain 40 de sel , et chauffé à une température suffisante pour permettre bad original 15 20 69 22SÛ4 2012446 aux premiers cations de diffuser à 1*intérieur de la tige de verre, et aux seconds cations d'y pénétrer également par diffusion. Les cations du second type pénétrant ainsi dans, la' tige de verre, les cations du premier type, qui y étaient contenus, s'échappent du 5 verre. Ainsi, les premiers cations, contenus dans la tige de verre, sont remplacés par les seconds cations contenus dans le bain de sel. La concentration de ces derniers, entrés par diffusion, à l'intérieur de la tige de verre, est maximale à la surface, et décroît en se rapprochant de l'axe. La concentration des cations du pre-10 mier type montre un gradient absolument opposé à celui des cations du second type. Si le rapport de la polarisabilité électronique au cube du rayon ionique, pour les ions du second type, est supérieur au rapport correspondant, pour les ions du premier type, la tige de verre présente, après le processus de substitution ionique, un gradient d'indice de réfraction tel, que cet indice est minimum à •la surface et croît en se rapprochant de l'axe. Au voisinage de l'axe, l'indice de réfraction doit être égal à celui de la tige de verre avant qu'elle n'ait subi la substitution ionique. Inversement, si le rapport, mentionné ci-dessus, de la polarisabilité électronique au cube du rayon ionique, est plus petit pour les cations du second type que pour ceux du premier type, l'indice de réfraction de la tige de verre, après traitement, sera élevé à la surface et décroîtra en se rapprochant de l'axe. Un choix convenable du sel et de la pièce de verre, conduit au gradient dési-ré pour l'indice de réfraction, compte tenu de la section transversale de la tige de verre. A titre d'exemple, selon l'invention, une tige de verre, correspondant à la présente invention, est fabriquée, selon ce procédé, de la façon suivante, Une cellule laser en verre, mincé, à structure fibreuse, ayant 0,2 mm de diamètre, et comprenant, en poids, les pourcentages suivants : 20% de T120, 12% de Na^, 15% de Pd 0, 48% de Si 02 et, en tant qu'oxyde activable, 5% de Nc^O^.» est immergée, pendant une longue durée, dans un bain de nitrate de potassium que l'on maintient à une température suffisamment haute pour permettre à la diffusion évoquée plus haut de se produire. La tige est ensuite rincée et séchée. L'indice de réfraction n de l'échantillon est de 1,59 le long de l'axe, et de 1,56 à la surface, avec un gradient exprimé par la formule : n=n (1-ox )>°ùx représente la distance radiale à l'axe 25 30 35 40 69 22904 6 2012446 -2 et où a vaut 378 cm La composition de la tige de verre-laser elle-même, peut être celle d'une cellule laser conventionnelle du type désiré. Plus particulièrement, ceux des verres au silicate, des verres au borate, des verres au phosphate, qui contiennent des ions activables comme les ions néodyme, ytterbium, erbium, samarium et holmium, peuvent servir de tige de verre de base. Ci-dessous se trouve décrite la relation qui lie la concentration des oxydes activables contenus dans la cellule laser en verre, au seuil d'énergie nécessaire à la création de l'oscillation. Une tige de verre, formée d'un verre Si02 - 1^0 - BaO ou bien d'un verre Si02 - ^0- PbO, et contenant l'ion trivalent néodyme : Nd3+, présente un seuil énergétique qui dépend du pourcentage en poids de Nc^O^, l'oxyde activable contenu dans la tige. Sur la figure 1, dans laquelle sont portés, en abscisses les pourcentages en poids de Nc^O^, et en ordonnées les valeurs relatives du seuil d'énergie, ont été reportés les niveaux d'énergie qui correspondent à un pourcentage en poids de Nd^O^ variant depuis 0,5 % jusqu'à 8 %. La courbe 1 montre les caractéristiques de la cellule laser formée d'un verre Si02 - 1^0 - BaO ; la courbe 2 montre les caractéristiques d'une cellule formée de verre Si02 K20 - PbO. Ces courbes montrent nettement que le seuil énergétique dépend du pourcentage en poids de l'oxyde activable Nc^O^, et que ce seuil énergétique est généralement plus faible pour un verre Si02 - ^O - PbO que pour un verre Si02 - 1^0 - BaO. L'invention va désormais faire l'objet d'une description plus détaillée, avec l'étude de plusieurs exemples. Exemple 1 Ainsi qu'il est décrit dans la demande de brevet citée ci-dessus, une pièce de verre ayant la forme d'une tige de 0,2 mm de diamètre, et contenant, en poids, les pourcentages de 20% T120, 12 % Na20, 15 % PbO, 3 % Nd203, 2 % U02 et 48 % Si02, est maintenue immergée pendant une durée prédéterminée dans un bain de nitrate de potassium chauffé à une température qui permette aux cations du sel de pénétrer par diffusion dans la pièce de verre. Après ce processus de substitution ionique, la tige de verre est rincée et séchée. L'indice de réfraction de la tige de verre est de 1,60 de long de son axe et 1,57 à sa surface, et le gradient d'indice de réfraction s'exprime par la formule : 69 22104 7 2012446 / . ' 2-n = n ( 1- s- a.r ) o t _2 oîi x est la distance radiale à l'axe, et où a vaut 326 cm . La tige est alors coupée de façon à donner une cellule laser cylindrique de 10 cm de longueur. Le gradient d'indice de réfrac-5 tion existant à l'intérieur de la tige de verre est attribué au remplacement d'ions thallium et sodium contenus dans la tige, par les ions potassium contenus dans le bain. La figure 2 montre de façon schématique la vue en coupe longitudinale de la cellule laser fabriquée selon le procédé relaté 10 ci«-dessus. Ainsi qu'il est indiqué, les ions néodyme (Nd^+)4 qui constituent l'espèce activable nécessaire à l'oscillation laser, ainsi que les ions Uranium (U^+) 5 sont distribués uniformément à l'intérieur de la pièce de verre. Cette tige-laser montre une grande efficacité du point de vue de l'oscillation laser et de 15 l'amplification laser à rendement élevé. Exemple 2 Une pièce de verre, en forme de tube ayant un diamètre intérieur de 0,15 mm et un diamètre extérieur de 0,2 mm est assemblée par fusion avec une pièce de verre en forme de tige de 0,15 mm de 20 diamètre, de manière à ne plus former qu'une seule tige de verre. Avant le processus de fusion, le tube contient, en poids des pourcentages de : 20 % Tl^O, 12 % Na20, 20 % PbO et 48 % Si02, tandis que le noyau contient, en poids, des pourcentages de 20 % de Tl^O, 12 % de Na20, 16 % de PbO, 4 % de Nc^Og et 48 % de Si02. Ces com-25 positions demeurent inchangées même après la fusion, sauf dans la zone frontière qui s'est, par fusion, établie entre les deux pièces. La pièce en forme de tige qui résulte de l'opération, est ensuite soumise au traitement de substitution ionique dans le bain 30 de nitrate de potassium. Elle est ensuite sectionnée de façon a donner une tige de 10 cm de longueur. Ainsi, on obtient une cellule laser présentant un indice de réfraction maximum le long de son axe, et décroissant lorqu'on se rapproche de la surface. La figure 3 montre de façon schématique la tige de verre fabriquée par ce procédé. La référence 6 représente la pièce de verre extérieure, la référence 8 représente le noyau, et la référence 7 les ions néodyme (Nd^+) distribués uniformément à l'intérieur du noyau. Dans cette tige-laser, les ions néodyme (Nd^4)^ ne sont lifting formément distribués que dans la partie axiale, là où se trouve produite et propagée l'oscillation laser. Les rayons lumineux 69 22®t>4 8 2012446 d'excitation qui irradient la tige, sont»efficacement concentrés sur la partie axiale où sont distribués les ions néodyme. Le procédé de fabrication de la cellule laser faisant l'objet de la présente invention vient d'être décrit par l'étude 5 d'une cellule à structure de fibre en verre, mais le principe fondamental de cette invention, basé sur l'incorporation de matériaux actifs vis-à-vis de l'effet laser, à l'intérieur d'une cellule fibreuse à l'état solide dont l'indice de réfraction est maximum le long de l'axe et va en décroissant vers la surface, ce 10 principe fondamental donc, est applicable à une cellule du même genre, fibreuse et à l'état solide, mais formée d'autres matériaux que de verre. Dans cette optique, le procédé pour donner aux plastiques fibreux transparents le gradient d'indice de réfraction mentionné plus haut, se trouve détaillé dans la de-15 mande de brevet 68103, d'autre part, les procédés d'incorporation de substances actives vis-à-vis de l'effet laser, dans de tels plastiques fibreux, sont bien connues des ingénieurs spécialistes de ce domaine technique, aussi le procé-20 dé lui-même, adapté aux guides de lumière en plastique fibreux, ne sera-t-il pas davantage décrit. La description des tiges-laser qui font l'objet de la présente invention va maintenant être conduite en relation avec les moyens d'excitation qui s'y adaptent. 25 La figure 4 montre de façon schématique l'association d'une source de lumière d'irradiation rectiligne, et de la tige-laser objet de l'invention, à laquelle a été donnée une forme hélicoïdale. Grâce à cette structure, presque tous les rayons lumineux d'irradiation sont dirigés sur le matériau à propriétés de laser. 30 L'efficacité de l'irradiation est par conséquent très élevée. Un réflecteur cylindrique peut être disposé autour dé la cellule laser hélicoïdale 9 pour accroître encore l'efficacité de l'irradiation. La figure 5 illustre l'utilisation de la présente invention 35 comme amplificateur optique jouant le rôle de répéteur dans un système de transmission optique. Sur le dessin, la référence 11 indique un émetteur d'ondes lumineuses comprenant un oscillateur laser qui produit une onde lumineuse porteuse et un dispositif de modulation de 1 'onde porteuse de sortie par un signal à trans-40 mettre. La référence 12 indique une voie de transmission de l'onde 69 22804 9 2012446 lumineuse, constituée par un guide de lumière transparent, dont l'indice de réfraction présente sur une coupe le gradient mentionné plus haut, et dont au moins une partie contient les oxydes activables nécessaires pour former une cellule laser équivalente à la 5 tige-laser de la présente Invention. La référence 13 indique la portion du guide de lumière qui est identique à la portion 12, mais ne contient pas d'oxydes activables. La référence 14 indique un récepteur d'ondes lumineuses, pour la démodulation de l'onde lumineuse, transmise. La référence 15 indique un dispositif d'excitation qui 10 irradie la portion active n° 12 du guide de lumière,de façon à y réaliser un pompage optique. Les rayons lumineux modulés en provenance de l'émetteur 11 subissent une atténuation en traversant le guide de lumière 13. Si l'intensité des rayons lumineux transmis à l'entrée du récepteur 14, 15 est plus faible que la plus petite valeur peraise, la qualité de la transmission se détériore considérablement. Pour compenser la perte introduite par la transmission, il faut que prenne place, entre l'émetteur 11 et le récepteur 14, une amplification de l'onde lumineuse. Dans le système optique illustré ici, la perte à la trans-20 mission est compensée par l'amplification qu'assure la partie 12 de l'élément laser, celui-ci étant excité par la source de lumière irradiante 15. Il est évident, pour les techniciens spécialistes de ce domaine technique, que l'importance de la partie cellule-laser 12 peut être choisie approximativement d'après la distance 25 séparant l'émetteur 11 du récepteur 14, et d'après le coefficient de transmission du guide de lumière 13. Comme cela peut se comprendre d'après la description qui précède de la figure 5, le guide de lumière peut être allongé d'une façon illimitée de façon à fournir un système de transmis-30 sion optique à grandes distances et de signaux optiques à impulsions fortement multiplexés. Ainsi, le gradient du second degré de l'indice de réfraction dans le guide de lumière 13, joue un rôle équivalent à celui d'un assemblage de lentilles qui n'auraient chacune que de très fai-35 bles abrévations. Il s'ensuit qu'une image optique projetée sur le guide de lumière 13 à la surface d'une de ses extrémités, peut être transmise à travers ce guide sans subir de distorsion importante. Dans un tel cas, la partie 12, aux propriétés de laser, se comporte en amplificateur ou renforçateur d'image d'une grande effi-40 cacité, vis-à-vis de la. catégorie des images formées par" les 69 22804 2012446 rayons de lumière laser produits par des ions activables de même nature que ceux de la partie 12, les longueurs d'ondes sont alors communes, étant particulières aux ions activable». La combinaison de la cellule laser de la partie 12, avec un système optique con-5 venable, forme aisément un renforçateur d'images ou un système de transmission des images à grande distance. Comme le montre la structure de la figure 5, la cellule laser de la partie 12 peut être créée en incorporant des oxydes activables au guide de lumière 13 sur une longueur prédéterminée, selon le procédé mentionné plus 10 haut. Ainsi, le système de la figure 5 est facilement réalisé en se référant au procédé de la présente invention. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme d« 15 l!»art. 6? 22804 n 2012446 REVENDICATION Cellule laser à l'état solide, caractérisée en ce qu'elle présente un indice de réfraction maximum le long de son axe et décroissant vers sa périphérie, et contenant des éléments actifs vis-à-vis de l'effet laser, sur au moins une partie de .sa lon-5 gueur totale.