Brevet FR2000910A1 — publié le 19690919

La présente invention est relative aux lasers solides et, plus particulièrement, à un perfectionnement aux procédés de fabrication de ces lasers. Le terme "laser" recouvre un dispositif d'amplification lumineuse par émission stimulée de radiation. On définit également quelquefois les lasers comme des masers optiques et ces lasers fonctionnent suivant les memes principes que les masers en étendant ce fonctionnement au domaine optique du spectre des radiations électromagnétiques. D'une façon générale, on peut définir les lasers comme des dispositifs qui, par émission stimulée, produisent des radiations monochromatiques cohérentes dans l'infrarouge, le visible ou l'ultraviolet du spectre des tisons électromagnétiques. Un laser solide est ordinairement constitué par des ions actifs dispersés de façon homogène dans un matériau qui définit une cavité optique limitéeXpar des surfaces réfléchissantes disposées à ses extrémités, perpendiculairement à son axe optique. Le matériau est ordinairement du verre ou un autre matériau cristallin. Les ions actifs sont portés dans un état excité par un rayonnement que l'on introduit coura ent dans la cavité par ses surfaces latérales jusqutà Cg gue l'on compte plus d'ions dans un état excité que dans un état non excité, condition connue sous le nom d'inversion de population.Lorsque cette condition est remplie, un pompage supplémentaire détermine de la part des ions actifs excités une émission stimulée et cette émission stimulée à son tour stimule d'autres ions excités, suivant une procédure d'amplification en avalanche par photons. Quand ce phénomène se manifeste dans une cavité optique qui présente des extrémités réfléchissantes à surfaces parallèles, les radiations perpendiculaires à ces extrémités sont renvoyées successivement et alternativement par chacune d'elles un grand nombre de fois parallèlement à l'axe pptique de la cavité. Lorsqu'unie telle radiation agit sur le milieu actif qui reste à porter dans un état excité, celle-ci contribue à l'accroissement de l'émission stimulée produite par les ions excités.De cette façon l'amplification lumineuse obtenue peut atteindre de très fortes valeurs. Les photons ainsi produits par émission stimulée sont orientés dans la même direction et sont en phase, comme ceux qui ont déterminé leur apparition, de façon que le faisceau des radiations parallèles à l'axe de la cavité soit ce cohérent. Une partie de/rayonnement.très intense.est transmiseà travers une extrémité semi-réfléchissante de la cavité et émerge sous la forme d'un faisceau "laser". L'oscillation en phase des photons qui vont et viennent dans la cavité optique parallèlement à son axe est équivalente à l'établissement d'une onde électromagnétique stationnaire entre les deux extrémités réfléchissantes de la cavité.On peut obtenir des ondes stationnaires dans des cavités optiques de diverses configuration mais la forme la plus communément utilisée est cylindrique avec des bases planes extrêmes réfléchissantes et parallèles. La pré sente invention est relative à tous les lasers solides quelles que soient leurs configurations, la configuration en barreau cylindrique utilisée dans la description qui va suivre ne constituant qu'un exemple. Bien que la partie utile de l'émission stimulée est sensiblement parallèle à l'axe de la cavité optique, la plus grande partie des rayonnements sont orientés obliquement sur cet axe et ne contribuent pas à renforcer l'émission utile l dispositif en élevant la température du barreau et en réduisant le nombre des ions excités. Puisque la plupart des radiations inclinées sur l'axe frappent les parois latérales de la cavité optique plutôt que ses extrémités réfléchissantes, il est souhaitable que ces radiations inclinées sur l'axe ne soient pas renvoyées dans la cavité. On a donc essayé de réduire les réflexions internes du rayonnement sur les surfaces latérales des lasers solides. Pour réduire ces réflexions internes on peut tout d'abord entourer le noyau actif du barreau d'un matériau qui présente une tendance à absorber les rayonnements de la fréquence du laser. De tels barreaux doivent être, soit enrobés avec un matériau absorbant solide, soit équipes de façon qu'un liquide absorbant soit maintenu au contact du barreau. Cependant, ces deux méthodes accroissent considérablement le coût du laser. On peut également réduire ces réflexions internes sur la surface latérale des barreaux en rendant ces surfaces diffusantes par dépolissage, meùlage ou abrasion, pour déterminer la formation d'aspérités sur ces surfaces. Les radiations qui frappent les surfaces ainsi rendues diffusantes tendent à être dispersées plutôt que réfléchies vers l'intérieur de la cavité. On obtient alors des faisceaux lasers de plus forte énergie avec une ouverture plus faible et ces barreaux fonctionnent convenablement lorsque la puissance du pompage est faible. Cependant, lorsque la puissance de pompage est importante, les surfaces dépolies se couvrent d'une croûte blanchâtre qui empêche les radiations de pompage d'entrer dans le barreau. On a noté une telle altération sur un barreau de 91,5 cm de long et de 1,9 cm de diamètre'capable d'émettre des impulsions lumineuses d'une durée de 1/2000 s avec une fréquence de répétition d'une impulsion toutes les 2 mn pendant 20*mon, l'énergie absorbée par le pompage étant de 36 000 joules. La demanderesse s'est aperçue que la croûte blanchâtre qui se forme au niveau des surfaces latérales des barreaux utilisés pour l'obtention de l'effet laser par la technique antérieure, lors de l'application d'une forte puissance de pompage, est due à la formation de bulles à proximiSÇ ee cette surface. On pense que ces bulles résultent de la fusion rapide,F'une trempe des aspérités pointues qui restent à la suite du dépolissage des surfaces latérales obtenu par les techniques connues, en raison de l'importance du r rapport Aire de la surface/Volume. enveloppé. Les dimensions et le grand nombre de ces bulles expliquent, pense-t-onfil'aspect de cette croûte blanchâtre qui gêne le faisceau d'excitation entrant dans le barreau, en réduisant ainsi le rendement du laser. L'invention a donc pour but de proposer un procédé de fabrication d'un laser solide perfectionné constitué par un barreau qui présente des surfaces latérales dont les tendances à réfléchir vers l'intérieur les rayonnements émis par effet laser et à empêcher la transmission de l'énergie lumineuse de pompage sont réduites. Suivant l'invention on réalise un laser solide dont la surface latérale présente des irrégularités qui prennent la forme d'indentations. Celles-ci réduisent l'importance des réflexions vers l'intérieur au niveau de cette surface, sans que cela entraîne une détérioration de cette surface dans des conditions de pompage sévères. On réalise une telle surface par dépolissage à l'aide d'un abrasif suivi d'un polissage ou d'un émeulage pour éroder les pointes des aspérités formées au cours du dépolissage de la surface. Cet émeulage a permis de réduire considérablement la tendance des surfaces abrasées des lasers solides à se couvrir d'une croûte blanchâtre. Au dessin annexé donné seulement à titre d'exemple : - la Fig. I est une vue en coupe d'un laser solide constitué par un barreau à surface cylindrique, suivant la présente invention - la Fig. 2 est une vue en coupe agrandie d'une partie du barreau de la Fig. 1, représentant les irrégularités de la surface du barreau suivant l'invention. La Fig. 1 représente un mode de réalisation de la partie active d'un laser solide, qui est un barreau 1 constitué d'un matériau, tel qu'un verre ou un cristal, qui contient des ions actifs présentant des propriétés qui conviennent à l'obtention d'un effet; laser. Le barreau est transparent pour une lumière d'une certaine fréquence de pompage, et les ions actifs sont excitables par une source (non représentée) pour venir dans un état énergétique métastable situé au-dessus d'un état d'énergie de base dont il est séparé par une quantité d'énergie qui est égale à celle de la lumière de la source, à la fréquence de pompage utilisée. Le mode de réalisation du barreau 1 suivant l'invention est cylindrique, d'axe longitudinal X-X. il présente une surface externe 2 et des surfaces extrêmes réfléchissantes 3 et 4 qui sont préférablement planes, parallèles et perpendiculaires à l'axe X-X. Les surfaces extrêmes définissent une cavité optique dans laquelle, on peut établir un processus d'avalanche. Le rayonnement d'excitation, symbolisé par la flèche 5, est transmis à travers la surface latérale cylindrique 2 pour déterminer létablissement d'une inversion de population et initier l'apparition d'une émission stimulée. L'émission stimulée se disperse dans toutes les directions dans le barreau, en stimulant d'autres émissions et en frappant les surfaces externes du barreau.Les radiations parallèles à l'axe du barreau se réfléchissent alternativement sur ses extrémités jusqu'à ce que s'établisse une onde stationnaire de grande énergie. Suivant l'invention, la surface cylindrique 2 du barreau est relativement lisse et comporte des irrégularités sous la forme d'indentations, comme on le voit plus clairement sur la Fig. 2, de façon à présenter des qualités diffusantes tout en transmettant les radiations incidentes hors du barreau plutôt qu'en les réfléchissant vers l'intérieur de celui-ci. La surface diffusante 2 peut être obtenue par pqeulage ou abrasion de la surface, par exemple au moyen d'un abrasif à l'émeri de grosseur 220 dans un arrosage d'eau, pour réaliser des aspérités et des indentations. On émeule ensuite les extrémités de ces aspérités pour réaliser une surface présentant des irrégularités sous la forme c'indentations seulement. Cet émeulage peut être réalisé par exemple par frottement avec une pièce de feutre dans un écoulement d'eau et d'oxyde de cérium-IV. L'émeulage réduit le nombre des irrégularités et celles qui demeurent prennent la forme d'indentations. On a trouvé que cet émeulage des surfaces latérales d'un barreau de laser ne réduit pas l'efficacité du barreau et n'accot pas la divergence du faisceau du rayonnement laser émis. On n'a pas non plus remarqué la formation d'une croûte blanchâtre sur les surfaces latérales du barreau suivant l'invention à la suite de l'application d'une forte puissance de pompe. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un laser solide, comprenant une première étape dans laquelle on constitue une cavité optique-avec un matériau dopé par des ions actifs et une seconde étape dans laquelle on forme des aspérités et des indentations sur les surfaces de la cavité qui sont traversées par le rayonnement d'excitation, de manière à réduire la réflexion interne to tale sur ces surfaces, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on élimine ensuite les pointes de ces aspérités. 2. Procédé de fabrication d'un laser solide conforme à la revendication 1, dans lequel les aspérités et les indentations sont formées par dépolissage au moyen d'un matériau abrasif, caractérisé en ce que l'élimination des pointes s'obtient par polissage. 2 mots en interligne