Brevet FR2001190A1 — publié le 19690926

69J1964 ' 2001190 - - -ia présente invention se rapporte à un dispositif d'excitation de laser (qu'on appelle tête de laser) pour l'utilisation dans un dispositif de laser à l'état solide et, plus spécifiquement, à des têtes de laser qui ont une 5 efficacité d'excitation très élevée par rapport à des dispositifs classiques de ce genre. Dans un dispositif de laser à l'état solide, une source de lumière d'excitation est employée pour irradier la matière de laser et pour effectuer ainsi le pompage optique 10 à l'intérieur de la matière. Cependant, seule une partie de l'énergie lumineuse totale d'irradiation contribue à effectuer le pompage optique, parce que la région de longueur d'onde d'absorption de la matière de laser est limitée. Pour obtenir l'efficacité d'excitation élevée, en conséquence, les 15 rayons lumineux provenant de la source de lumière doivent être effectivement concentrés dans la matière de laser. A cet égard, on a fait un certain- nombre- de propositions. Dans l'article de D. Eoess intitulé "Analysis of Room Temperature CW Ruby Laser", décrit dans IEEE Journal of 20 Quantum Electronics, Yol. QE-2, N° 8 (Août 1966), pages 208-214, on propose une tête de laser comprenant un réflecteur en forme de sphéroïde allongé, qui est un éllipsoïde de révolution, formé en faisant tourner une ellipse autour de son grand axe, et à l'intérieur duquel la source de lumière 25 et la matière de laser sont disposées sur le grand axe de l'ellipse. Plus particulièrement, la source de lumière et la matière de laser sont placées sur le grand axe du sphéroïde allongé et leurs extrémités respectives adjacentes au centre du sphéroïde allongé sont placées aux deux foyers 30 de l'ellipse, ou à l'extérieur de ces deux foyers de 69 01964 2 2001190 l'ellipse qui est à une intersection, avec le sphéroïde allongé, d'un plan contenant le grand axe. Les rayons lumineux provenant de la source de lumière sont réfléchis par la surface intérieure du sphéroïde allongé et concentrés 5 dans la matière de laser qui est disposée de manière complémentaire à la source de lumière par rapport aux foyers. Cependant, l'élément de laser n'est jamais irradié directement par la sortie de source de lumière. Même si la surface réflectrice du réflecteur en forme de sphéroïde allongé 10 constitue un réflecteur idéal, une certaine perte par réflexion est inévitable. En conséquence, l'efficacité des radiations ne peut pas être suffisamment élevée avec cette structure proposée de tête de laser. En outre, puisque l'élément de laser est aligné avec la source de iumière sur ^5 le grand axe, une paire de miroirs concaves ou plans formant un résonateur optique pour l'oscillation du laser ne peut pas être disposée sur les côtés opposés de l'élément de laser. Ainsi, il est impossible pour le dispositif déorit par Roess de rendre suffisamment grand le volume actif de 20 la matière de laser. Un autre article intitulé "Die abbildende Beleuchtung Optischer Molekurverstârker in elliptischen Spiegeln" décrit dans le périodique allemand "Prequenz", Yol. 16, H°. 11 (Novembre 1962), pages 423-428. propose un réflecteur en 25 forme de cylindre elliptique pour une tête de laser. La source de lumière et l'élément de laser sont respectivement disposés dans le cylindre elliptique, parallèlement à son axe. Plus précisément , ils sont disposés sur un plan d'intersection comprenant l'axe de cylindre et le grand axe de 30 l'ellipse qui est la section transversale du cylindre. Les 69 01964 3 2001190 positions de la souroe de lumière et de l'élément de "làs'er coïncident respectivement avec les deux foyers de l'ellipse. Par suite de la nature des foyers de l'ellipse en coupe, les rayons lumineux provenant de la source de lumière en ligne 5 droite disposée sur une des lignes focales (foyers) sont réfléchis par la surface intérieure du cylindre et concentrés dans l'élément de laser à ligne droite, disposé sur l'autre des lignes focales. On peut dire que cette structure proposée est un perfectionnement apporté au dispositif décrit dans 10 l'article de Roess, parce que l'on utilise l'irradiation directe. Cependant, dans cette tête de laser, les rayons lumineux provenant obliquement de la source de lumière linéaire ne sont pas totalement dirigés vers l'élément de laser. Même si deux réflecteurs plans sont employés aux deux extré-15 mités d'ouverture du cylindre, les composants obliques atteignent l'élément de laser seulement après la réflexion répétée à l'intérieur du cylindre. Pour cette raison, l'efficacité d'irradiation n'est pas élevée de manière satisfaisante avec cette structure de tête de laser. 20 Le périodique américain "Business Week" en date du 2 Décembre 1967 indique, à la page 104, un article avec la légende "Envoyer de la lumière sur une tige de laser peut se révéler la meilleure manière d'exciter des lasers, selon des expériences de Westinghouse". La tête de laser mentionnée 25 dans cette article a un réflecteur sphérique dans laquelle la source de lumière^et la matière de laser sont disposées face à face, le centre de la sphère étant interposé entre eux. La source de lumière et l'élément de laser doivent être placés aussi près que possible du centre de la sphère pour 30 obtenir une efficacité élevée d'irradiation. Cependant, comme 69 01964 4 2001190 on le comprendra facilement, le diamètre de la sphère doit être considérablement important. En particulier, quand l'élément de laser est long, le diamètre de.la sphère doit être agrandi de manière correspondante. 5 En conséquence, l'objet principal de la présente invention est de prévoir une nouvelle tête de laser d'effi-% cacité d'irradiation améliorée. Plus spécifiquement, la présente invention prévoit une nouvelle tête de laser ayant une structure de réflecteur améliorée pour une efficacité 10 d'irradiation supérieure. Selon des caractéristiques de la présente invention, on prévoit un dispositif d'excitation de laser qui comprend un réflecteur en forme d'ellipsoïde, en général. L'ellipsoïde peut être un sphéroïde aplati qui est un ellipsoïde de révo-15 lution formé en faisant tourner une ellipse autour de son petit axe ou il peut être un sphéroïde allongé, qui est un ellipsoïde semblable de révolution formé en faisant tourner l'ellipse autour de son grand axe. DanB le cas du réflecteur en forme de sphéroïde 20 allongé, la source de lumière en ligne droite et l'élément de laser sont disposés parallèlement au grand axe. A l'intersection elliptique comprenant le centre du sphéroïde allongé et placé perpendiculairement à son grand axe, l'élément de laser et la source de lumière sont amenés à coïncider res-25 pectivement avec deux foyers d'intersection, de sorte que l'irradiation par la source de lumière sur un foyer peut être concentrée dans l'élément de laser sur un autre foyer. Dans le cas de réflecteur en forme de sphéroïde aplati la source de lumière et l'élément de laser sont dis-30 posés parallèlement au plan comprenant le lieu géométrique 69 01964 5 2001190 circulaire des foyers de l'ellipse qu'on fait tourner autour de son petit axe, pour former le sphéroïde aplati, et respectivement tangentiellement au lieu géométrique. L'irradiation par la source de lumière placée sur un côté du lieu géomé-5 trique circulaire est effectivement concentrée par le réflecteur disposé de l'autre côté du lieu géométrique. Pour renforcer encore l'efficacité d'irradiation, la source de lumière peut être- incurvée dans le plan du lieu géométrique à l'extérieur par rapport à son centre, si bien que . 10 l'image réelle de la source de lumière formée par le réflecteur peut être en recouvrement sur l'élément de laser. Comme on le comprendra d'après ce qui précède, la structure selon des caractéristiques de la présente invention permet de réaliser une utilisation plus efficace de 15 la puissance d'irradiation et de fournir de la place pour les deux réflecteurs aux deux bords opposés des éléments de laser en tant que résonateur optique. L'objet principal, les avantages techniques et la structure selon des caractéristiques de la présente inven-20 tion seront mieux compris d'après la description suivante, en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 représente une vue en perspective généralisée du réflecteur employé dans des exemples de réalisation de la présente invention. 25 Les figures 2a et 2b représentent des sections transversales d'un exemple- de réalisation de la présente invention. Les figures 3a et 3b représentent des vues en coupe d'un autre exemple de réalisation de la présente 30 invention. 69 01964 e 2001190 La figure 4- représente une vue en perspective d'un autre réflecteur employé dans la présente invention. Les figures 5a et 5b représentent des vues en coupe d'un autre exemple de réalisation employant le réflec-5 teur de la figure 4, et La figure 6 représente une vue en coupe d'une modification de l'exemple de réalisation de la figure 5. En se référant à la figure 1, un réflecteur 10 en forme d'ellipsoïde employé dans les exemples de la présente 10 invention est représenté suivant les coordonnées x, y et z leur origine coïncidant avec le centre. Les diamètres 2a, 2b et 2c du réflecteur ellipsoïdal 10 sont pris respectivement le long des axes x, y et z. L'intersection elliptique sur le plan x - y a ses foyers aux points F g et F'g. De la même 15 manière, l'intersection sur le plan x - z a ses foyers en F.j etP'r En se référant à la figure 2a, un exemple de réalisation de la présente invention comprend, dans le réflecteur 10, une matière de laser en ligne droite 11 et une source £0 de lumière 12. Elles sont disposées dans le plan y - z parallèles à l'axe y sur lequel se trouvent les foyers F2 et F'2» Plus particulièrement, les points médians de l'élément de laser 11 et de la source de lumière 12 sont respectivement placés, comme on le représente sur la figure 2b, en coïnci-25 dence spatiale avec les foyers et P'^ placés sur l'axe z. La longueur de l'élément 11 et la longueur effective de la source de lumière 12 sont rendues égales à la distance des foyers Fg e't *"2* Risque ces éléments 11 et 12 sont disposés aux foyers et F'^ aux points médians respectifs, 30 les rayons lumineux provenant de la source de lumière 12 69 01964 7 2001190 sont suffisamment concentrés dans la matière de laser 11. Bien que n'étant pas représentées sur le dessin, deux petites ouvertures sont formées sur le réflecteur 10 dans le prolongement de l'élément 11. 5 Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, le réflecteur 10A a la forme d'un sphéroïde allongé qui correspond au cas particulier de l'ellipsoïde de la figure 1 avec a = c. En d'autres termes, le réflecteur 10A est un ellipsoïde de résolution formé en faisant tourner l'ellipse, 10 coupée suivant le plan y - z de la figure 1, autour de l'axe y. L'élément de laser 11 et la source de lumière 12 sont parallèles au grand axe avec un espacement égal et uniforme. Puisque le plan x - z en coupe transversale est circulaire, l'élément 11 et la source 12 doivent être disposés aussi 15 proche que possible du centre du cercle. Cependant, pour agrandir le diamètre (figure 3b), la section circulaire présente une bonne approximation d'une ellipse qui a ses foyers'aux points (P^) et (P'^). Pour obtenir cette approximation, oet exemple de réalisation doit inévitablement avoir 20 de grandes dimensions par rapport à l'exemple de réalisation de la figure 2. Cependant, il facilite la fabrication du réflecteur, parce qu'il a la forme d'un ellipsoïde de révolution. En se référant à la figure 4, un autre rélfecteur 25 10B à utiliser dans la présente invention a la forme d'un sphéroïde aplati qui est un ellipsoïde de révolution formé en faisant tourner l'ellipse autour de son petit axe. Plus spécifiquement, en se référant à la figure 1, le réflecteur en forme de sphéroïde aplati 10B correspond à un cas spécial 30 de l'ellipsoïde 10 de la figure 1 avec a = b. En d'autres 69 01964 3 2001190 termes, le réflecteur 10B est formé en faisant tourner l'ellipse suivant le plan y - z autour de l'axe z sur la figure 1. Cette révolution forme un lieu géométrique circulaire des foyers sur le plan x - y, comme on le représente ' 5 par la ligne en pointillés sur la figure 4. Les intersections entre le lieu géométrique et la corde sur le plan x - y sont désignées par ï et P1. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 5a, l'élément de laser 11 et la source de lumière 12 10 sont disposés en parallèle sur le plan du lieu géométrique circulaire, tangentiellement au lieu géométrique. Comme on le représente sur la figufe 5b, l'élément en ligne droite 11 et la source de lumière 12 sont placés en coïncidence spatiale avec les foyers ï et P' de l'ellipse vue dans le plan x - z. 15 Etant donné que la source de lumière est placée à son point médian sur le lieu géométrique des foyers, les rayons lumineux provenant de la source 12 sont efficacement concentrés dans l'élément de laser 11 qui est placé de l'autre côté du lieu géométrique de manière complémentaire par 20 rapport à la source 12. Cependant, puisque les parties d'extrémité de chacun des organes formés par 1'élément 11 et la source 12 sont placées hors du lieu géométrique des foyers, l'image réelle de la source 12 ne coïncide pas avec l'élément 11, 25 mais prend la forme incurvée telle que présentée par 12' en ligne pointillée. Pour obtenir l'efficacité d.'irradiation suffisamment élevée, l'image réelle 12' de la source de lumière 12 doit être en recouvrement sur l'élément 11. Cependant, il n'est pas souhaitable de recourber l'élément •30 11 » comme cela est bien connu des ingénieurs dans ce 69 01964 9 2001190 domaine technique. Pour surmonter cette difficulté, on fait une modification en ce qui concerne l'exemple de réalisation de la figure 5, comme on le représente sur la figure 6. Dans cette 5 modification, la courbure de l'image réelle 12' (figure 5a) est compensée en employant une source de lumière 12A incurvée vers l'extérieur, placée dans le plan du lieu géométrique, son point médian étant en coïnoidence spatiale avec le lieu géométrique. Ainsi, l'efficacité d'irradiation 10 est encore améliorée. Le rayon de courbure R de la courbure extérieure de la source de lumière 12A est déterminé par les diamètres du sphéroïde aplati, l'excentricité des ellipses d'intersection avec le plan x-y et y - z. Les données de-plusieurs 15 échantillons sont les suivantes (voir également figure 1) Echantillon Diamètre • Diamètre Distance des Rayon de N° 2a (=2b) 2c foyers F, F' courbure R 1 150,0 mm 147,0 mm 30 mm 80 - 85 mm 2 133,4 127,2 40 60 - 65 3 142,8 Î33,8 50 65 - 70 4 150,0 137,4 60 40-45 Une série d'expériences "a révélé que l'efficacité d'irradiation était remarquablement améliorée avec cette modification. Dans l'exemple de réalisation indiqué pi-dessus 25 et dans ses modifications, la source de lumière 12 peut être une lampe à arc, une lampe à filaments ou tout autre moyen convenant à l'excitation optique. On comprendra facilement que la modification de la figure 6 est largement applicable à d'autres formes diverses de la source de lumière» En 3: d'autres termes, la source de lumière 12A peut avoir d'autres 69 01964 10 2001190 formes que l'arc circulaire. Bien que n'étant pas particulièrement mentionné dans ce qui précède, la surface réflec-trioe ellipsoïdale du réflecteur 10 peut être formée de verre revêtu de couche métallique à sa surface intérieure. A titre 5 de variantes, la surface peut être découpée à partir d'une masse de métal. 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 0 qui apparaîtront à l'homme de l'art. 69 01964 11 2001190 REVENDICATIONS 1. - Dispositif d'excitation de laser, comprenant un moyen réflecteur formé d'une surface réflectrice intérieure ayant une structure de réflecteur ellipsoïdal creux, cet 5 ellipsoïde ayant ses deux intersections elliptiques les plus grandes dans les plans x - y et y - z dans le. système de coordonnées rectangulaires x - y - z, et une source de lumière disposée à l'intérieur des moyens réflecteurs dans lin plan placé sur le plan x - y, la source de lumière étant 10 parallèle à une ligne comprenant deux foyers de l'intersection elliptique dans le plan x - y et au moins une partie de la source de lumière étant en coïncidence spatiale avec un des foyers de l'intersection elliptique du plan x - z, caractérisé en ce qu'une matière pour laser linéaire à l'état 15 solide est disposée sensiblement parallèllement à la source de lumière, au moins une partie étant en coïncidence spatiale avec l'autre des lieux géométriques de l'intersection elliptique du plan x - z. 2. - Dispositif de laser à l'état solide, comprenant 20 un réflecteur ellipsoïdal, une matière pour laser à l'état solide disposée dans l'ellipsoïde, et ayant une longueur égale à la distance entre deux foyers de l'ellipsoïde sur un de ses axes, et une source de lumière de longueur égale à la matière pour irradier la matière de laser, caractérisé en 25 ce que la matière et la source de lumière sont disposées parallèlement à un axe, avec.une symétrie axiale et sur des foyers sur un des deux axes restants, et en ce que les foyers mentionnés coïncident respectivement avec les points médians de la matière de laser et de la source de lumière. 30 3. - Dispositif de laser à l'état solide, caractérisé 69 01964 ,, 12 2001 190 en ce qu'il comprend un corps réflecteur de forme en sphéroïde aplati qui est un ellipsoïde de révolution obtenu en faisant tourner une ellipse autour de son petit axe en formant un lieu géométrique circulaire des foyers de l'ellipse, un laser 5 à l'état solide disposé tangentiellement sur le lieu géométrique à l'intérieur de son plan, et line source de lumière disposée sur le côté opposé du lieu géométrique parallèlement et en vis-à-vis par rapport à la matière de laser, pour fournir la puissance de., lumière de pompage à la matière de laser. 10 4. - Dispositif de laser à l'état solide comprenant un réflecteur ayant la forme d'un sphéroïde allongé qui est un ellipsoïde de révolution obtenu en faisant tourner une ellipse autour de son grand axe, une matière de laser à l'état solide et une source de lumière pour irradier la 15 matière de laser, caractérisé en ce.que la matière et la source de lumière sont disposées dans le réflecteur respectivement parallèlement au grand axe, leurs points médians étant alignés avec le centre du réflecteur, et en ce que la distance entre le grand axe et chacun des organes formés 20 par la matière de laser et la source de lumière est approximativement égale et uniforme. 5. - Dispositif d'excitation pour un dispositif de laser à l'état solide comprenant un réflecteur formé de la surface intérieure d'un sphéroïde aplati obtenu en fai-25 sant tourner une ellipse autour de son petit axe, en formant un lieu géométrique circulaire des foyers de l'ellipse, un élément de laser à l'état solide sensiblement en ligne droite, disposé tangentiellement sur et à l'intérieur du plan du lieu géométrique circulaire, et une source de 30 lumière disposée sur la. face opposée de l'élément de laser 69 01964 ,3 2001190 par rapport au lieu géométrique circulaire pour irradier l'élément de laser pour son excitation, caractérisé en ce que la source de lumière est recourbée et la courbure est déterminée pour que l'image réelle de la source de lumière 5 formée par le réflecteur puisse être en recouvrement sur l'élément de laser.