Brevet FR2029349A1 — publié le 19701023

La présente invention se rapporte d'une manière générale des systèmes de laser et plus particulièrement à un moyen perfec tionné de modification du facteur d ' énergie Q destiné à être utilisé dans la cavité optique d'un laser à i pulsions geantes. lies lasers classiques conprennent un cristal servant d'hôte qui est dopé avec un additif primaire fournissant les ions laser. Un moyen de régénération sous la forme de revêtements d'ex trémité réfléchissantsou miroirs sont disposés aux extrémités du cristal afin de former une cavité optique. Une énergie lumineuse est t pompée optiquement dans le cristal et se traduit par une popu- lation inversée des ions laser entre deux niveaux d'énergie. Lors- qu'un seuil ou état d'inversion donné est atteint, il se produit une émission stimulée de rayonnement de lumière depuis le cristal. Cette émission stimulée est produite en fait par la lumière oui traverse le cristal suivant un mouvement de va-et-vient. La lumière émise présente une fréquence qui correspond à la différence entre les deux niveaux d'énergie. L'émission stimulée produite lorsque la population inversée tend à revenir à son état initial peut etre extraite du système en rendant l'un es miroirs partiellement réfléchissant ou en variante en ménageant une petite ouverture sur un miroir d'extrémité. Un laser @ à impulsions géantes emblable au laser clas sique décrit plus haut à l'exception du fait qu'un obturateur élec tro-optique, tel qu'une cellule de Kerr ou de Pockels est incor por la cavité optique. Cet obturateur altere essentiellement le facteur " Q" Q" de la cavité optique en bloquant la lumière pour per mettre d'obtenir un niveau de population inverséetrès supérieur dans le cristal du laser avent qu'une émission stimulée ne se produise. @ un moment donné, pendant le cycle de pompage de la lumière, un déclencheur extérieur modifie l'étant de l'obturateur électro-optique afin de le rendre à peu près transparent, de sorte que le facteur d'énergie "Q "Q " de la cavité optique est rétabli.Du fait qu'un ni- veau d'énergie considérablement supérieur peut eAtre atteint dans le laser à l'aide de la source de lumière de pompage avant que ne se produise l'action du laser du fait de l'altération du facteur 'Q", lorsque cette énergie est finalement libérée au nonent du déclenchement de la cellule de Kerr ou de Pockels, il en résulte une impulsion géante de rayonnement . Dtl fait des caractaristiques d'altération du facteur "Q" et de son rétablissement de tels obturateurs de lumière, on les appelle souvent des commutateurs de facteur "Q". L'utilisation d1un obturateur électro-optique -....commè@ commutateur de facteur "Q" présente des avantages par le i2Lit qu'on peut le minuter et le règler avec précision à l'aide de circuits électroniques pour assurer la synchronisation de l'impulsion intense de rayonnement avec d'autres évènenents. Un grand nombre de dispositif s du type précédent, ne conviennent pas cependant à des systèmes présentant des gains optiques très élevés par le fait que l'obturateur ne/peut pas supprimer complètement l'effet du laser ce qui se traduit par le fait qu'une"post-émission " peut se produire à la suite d'une impul- sion géante. Cette difficulté est due au fait que l'obturateur ne réussit pas à se fermer complètement, à des défauts d'honogénéité du champ électrique appliqué, et à la sensibilité aux variations d'orientation, de tension et de température. Il peut en résulter une faible puissance de sortie ou bien un fonctionnement inconstant d'une impulsion à la suivante. Un autre moyen de commutation du facteur " Q" pouvant être utilisé dans la/cavité optique d'un laser afin de produire une impulsion géante est réalisée en utilisant une substance chimique absorbante tel qu'un colorant organique dont les caractéristiques atomiques sont telles qu'il peut être saturé par une lumière modérément intense , ce qui "décolore " le colorant et fait élever une grande quantité le gain interne de la cavité.Cette caractéris- tiaue du colorant est régénérative lorsqu'un laser est pompé et elle fournit une commutation de facteur "Q" automatique si la concentration de la substance absorbante est réglée d'une manière appropriée. lie colorant organique particulier pouvant être utilisé est constitué par de la kryptocyanine dans une solution d'alcool méthylique et on l'a incorporée à la cavité op-tique d'un laser à rifois Un avantage particulier de ce dernier moyen pour règler le facteur "Q" de la cavité optique réside dans le fait qu'il n'y a à peu près aucune"post- émission ". C'est-à-dire que la substance lorsque l'impulsion géante cesse prend presqu'immédiatement un état opaque --l absorbant de sorte qu'on obtient une impulsion"propre". Du fait, cependant,que le colorant répond automatiquement à un rayonnement incident, le moment où il se"décolore'1 ou il modifie le facteur "Q" de la cavitéé, ne peut pas être prévu avec précision. Dans les cas où on désire règler avec précision le moment où l'impulsion géante de rayonnement d'un laser à impulsion géante est émise, un commutateur de facteur "q" du type à colorant organique ne donne, par suite, pas toujours satisfaction. En conséquence,la présente invention a pour but de fournir - un système de laser à impulsions géantes dans lequel une impulsion géante de puissance de pointe constante peut Qtre fourni/à des moments précis et dans lequel l'effet normal du laser à la fois avant et après l'émission de l'impulsion géante est peu près complèter.ent supprimé;; - un moyen " de commutation du facteur Q" perfectionné destiné à être utilisé dans des lasers à impulsions géantes dans lequel on combine les caractéristiques avantageuses es moyens de commutation du type électro-optique avec les caractéristiques avan- tageuses des moyens de commutation du type colorant pouvait être décoloré sans aucun des inconvénients d'aucun de ceux-ci. En bref , ces résultats sont obtenus en combinant un obturateur du type électro-optique avec un colorant ou absorbant pouvant être décoloré/d'une manière réversible. L'absorbant pouvant être décoloré d'une Lanière réversible améliore la possibilité de l'obturateur électro-optique, tel qu'une cellule de Kerr, à bloquer complètement l'effet nornal du laser , mais avec un réglage approprié, l'impulsion de sortie peut être produite au moment de l'ouverture de l'obturateur à commande électronique. On réalise ainsi un moyen précis pour minuter la sortie de l'impulsion avec les avantages correspondants d'une impulsion de qualité élevée constante sans aucun effet d'émission antérieur ou ultérieur D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en reard du dessin annexé qui donne à titre explicatif, mais nullement limitatif une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin, la figure 1 est une vue extrêmement schématique d'un dispositif laser à impulsions géantes comportant le moyen de "com- rnutation du facteur 'Q' selon l'invention; la figure 2 est un tracé qualitatif d'une impulsion/géante de laser qu'on obtient lorsqu'on utilise seul uii obturateur électrooptique. 12 figure S3 est un tracé semblable à celui de la figure 2 représentant l'impulsion géante qu'on obtiens lorsqu'on utilise un colorant décolorable d'une manière réversible ,seul; et la figure 4 est un tracé représentant l'impulsion géante qu'on obtient lorsqu'on utilise à la fois l'obturateur électrooptique et le colorant décolorable d'une manière réversible, avec la présente invention. En se refortant d'abord à la figure 1, elle représente un cristal de laser à l'état solide 10 entouré par une lampe à éclatsen spirale ll alimentée par une source de lumière de pompage appropriée 12. Un moyen de régénération sous la forme de miroirs d'extrémité 19 et 14,respectivement, est utilisé pour former une cavité optique pour le laser 10. lie moyen de"commutation du facteur Q" perfectionné servant à règler la lumière dans-la cavité optique entre les miroirs 13 et 14 comprend un premier moyen d'altération du facteur O. qui peut se présenter sous la forme d'une cellule de Kerr comprenant un polariseur 15 et une cellule 16.Un second moyen d'altération du facteur Q suivant le mode de réalisation décrit de la présente invention,est constitue par un colorant chimique pouvant être décolcré d'une manière réversible qui est disposé à l'intérieur d'une cellule en quartz comme indiqué en i . Dans le cas où le cristal du laser est un rubis, le colorant chimique se trolltTant dans la cellule 17 est de préférence de la kryptocyanine dissoute dans de l'alcool méthylique. La concentration de la kryptocyanine peut être de l'ordre de 1015 molécules par cm3 d'alcool méthylique dans une cellule de 1 cm de longueur. lia kryptocyanine suivant cette concentration présente une grande section droite d'absorption pour ia longueur d'onde de l'émission stimulée du cristal du rubis. La cellule 16 est déclenchée au moment voulu par un signal de déclenchement extérieur provenant d'un circuit de commande approprié 18. Une impulsion géante de sortie de rayonnement stimulée est indiquée en 19. En se reportant à la figure 2, elle représente une courbe de la puissance de sortie en fon tion du temps en ordonnée et en abscisses suivant des échelles 20 et 21. X un moment donné T on a représenté une impulsion géante 22 résultant du système de laser de la figure 1, lorsqu'il n'y a pas de moyen de commutation du facteur Q constitué par un colorant pouvant entre décoloré. De ce fait, en utilisant la cellule de Kerr 16 seule, l'impulsion géante 2 est émise à un moment voulu T + 0,1 microseconde comme indiqué. Cependant, il convient de noter qu'un effet de laser dormal tel que celui indiqué en 23 peut se produire avant l'émission de l'impulsion géante. De plus, un certain effet de laser à basse puissance postérieur tel Que celui indiqué en 24 peut se produire. Lu cours d'un essai particulier, avec la cellule de Kerr seule, le système a donné des puissances de sortie qui variaient d'une pointe de 600 megawatts jusqu' moins de 200 megawatts entre des impul- sions successives. Ce résultat, comme déjà indiqué,est une conséquence de l'incapacité de la cellule de Kerr à empêcher d'une ma- nière constante l'effet de laser normal avant 1 moment où est émise l'impulsion géante .De plus, nnême lorsque la puissance de sortie a été assez élevée, il s'est produit un effet de laser considérable postérieur ou un effet de laser normal à basse puissance comme in- diqué en 24, et qui se produit du fait que la cellule de Kerr reste ouverte après son déclenchement pendent une fraction appréciable de la durée de pompage. Comme décrit précédemment , cet effet de laser ou émission ultérieur peut,dans un grand nombre de cas,être indésirable. Sur la figure 3, on a représenté une impulsion géante 25 obtenue lorsqu'on utilise le commutateur de facteur " Q" 17 par colorant décolorable seul sans cellule de Kerr 16 ni polariseur 15. Il convient de noter que l'impulsion géante est relativement"propre" sans aucun rayonnement de laser antérieur ou ultérieur. D'autre part, le colorant décolorable seul se traduit par une variation importante du moment oit se produit la sortie. lie seul moyen possible de réglage réside dans des réglages approximatifs des paramètres de pompage du laser et de la cavité optique. De ce fait, le minutage de l pulsion géante -peut varier, par exemple de + L00 micros@condes par rapport au moment voulu T comme indiqué par l'impulsion en pointillé 25'. lia figure 4 représente le résultat qu'on obtient lorsqu'on utilise ensemble comme indiqué sur la figure 1 à la fois la cellule de Kerr et le coorant décolorables. Il convient de noter qu'on obtient une impulsion propre 26 sans aucun effet de laser ou emission antérieure ou ultérieure au moment précis T qui est voulu. Dans le montage expérimental décrit, lorsque le laser a été amorcé et l'obturateur de la cellule de Kerr déclenché, oil a simples obtenu une série d'impulsion a haute puissance/ constamuent supérieuresà 800 megawatts sans aucun effet de laser/ou d'émission pos- térieur. Pour vérifier que la cellule de Kerr commandait toujours la production de l'impulsion? on a mesuré le délai entre le signal déclenchement de de/synchronisation électronique appliqué à la cellule de Kerr par le circuit de commande 18 et l'apparition des impulsions de sortie. On a déterminé que la variation de ce délai était inférieure à 0,03 microsecondes ctest-a-dire la limite de définition pendant l'essai en questio.. On peut comparer cette variation avec celle qu'on obtient lorsqu'on utilise le colorant décolorable seul dont la variation s'élève jusqu'à 200 microsecondes, comme décrit tolus haut. On voit, de ce fait, que-les avantages d'un colorant décolorable qui donne une puissance de sortie constante et l'absence d'effet de laser normal ont été combinés avec les avantages de la cellule de Kerr concernant Lul minutage électronique précis de la sortie pour donner un système de laser à impulsions géantes d'ensemble perfectionne. -Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes, sans sortir de son cadre. REVENDICATION 1 - Système de laser à impulsions géante@ servant à foarnir une impulsion de rayonnement d énergie de pointe élevée comprenant un dispositif de laser comportant une cavité optique, système caractérisé en ce qu'il comprend un premier moyen de commande servant à altérer le facteur "Q" de cette cavité optique; un moyen servit à produire un signal de.déclenchemeni un moment donné connecté au premier moyen de commande, ce premier moyen de conmande agissant sous l'action de ce signal en rétablissant au moins partiellement le facteur "Q" de la cavité optique, et un se cond moyen de commande disposé de manière à intercepter le rayon- nement dans la cavité optique afin d'altérer son facteur "Q", ce second moyen de commande étant sensible automatiquement au rayonnement initial .incident qu'il recoit lors du dédlenchement remier du/moyen de commande et passant d'un état à peu près complètement opaque à un état à peu près complètement transparent de façon à rétablir complètement le facteur "Q" de la cavité optique, de sorte que l'énergie peut être emmagasinée dans le système du la ser à un niveau donné et ensuite libérée par ce signal de déclenchement au moment donné afin de produire l'impulsion de rayonnement à pointe de puissance élevée. 2 - Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen de commande comprend un obturateur électro- optique et le second moyen de commande comprend un/colorant organique que pouvant décoloré d'une manière réversible présentant une section droite d'absorption élevée pour la longueur d'onde de l1impul- sion de rayonnement, la cessation de l'impulsion de la pointe de puissance ramenant le colorant organique décodorable d'une manière réversible à un état à peu près complètement opaque de façon à ré- duire tout effet de laser ou émission postérieur et fournir une impulsion propre.