Brevet FR2048033A1 — publié le 19710319

La présente invention concerne un laser super-rayonnant à impulsions brèves et plus particulièrement un laser super-rayonnant à impulsions brèves pompé initialement par un passage rapide adiabatique. Conformément aux enseignements de la présente invention, on dispose d'un système de production 5 d'impulsions qui sont d'une durée extrêmement brève, inférieure à la pico-se-conde et d'une intensité très élevée.. L'état de super-rayonnement d'un laser renforcé par cohérence a été décrit dans la littérature, par exemple dans, l'article intitulé "The Coherence Brightened Laser" par R.H. Dicke dans les "Proceedings of the 1963 Conférence 10 on Quantum Electronics", vol. 1, page 35 Columbia Univ. Press, New York 1964. On sait que dans l'art antérieur les lasers classiques utilisent des miroirs afin d'obtenir une amplification par réaction et de disposer des conditions requises pour la production de rayonnement cohérent. D'autre part, on sait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des miroirs dans un système 15 dont l'élément rayonnant est initialement dans un état de super-rayonnement (ainsi que Dicke l'a décrit]. Dans un tel système, la directivité des transitions super-rayonnantes est due au fait que l'élément rayonnant se présente sous forme d'un crayon et fonctionne suivant le mode "end fire". Les avantages de ce dispositif laser résident dans sa simplicité, son efficacité et la 20 possibilité qu'il offre de produire des impulsions de forte intensité et de durée très brève. Dans un laser renforcé par cohérence on peut dire que le rayonnement est produit par une onde optique de choc brève et intense quise propage le long d'un ensemble allongé d'atomes. Si tous les atomes se trouvent dans m 25 leur état excité une impulsion .suffisanment intense amortirait l'énergie de chacun des atomes sur le front d'onde. Dans de telles condition l'impulsion deviendrait plus brève en raison de la non linéarité de la polarisation provoquée par une brève impulsion transitoire d'excitation. Dans ce système, afin que le laser soit suffisamment renforcé pour assurer une émission 30 super-rayonnante, il faut atteindre une inversion de population pratiquement totale pour laquelle la condition à satisfaire se.traduit par la formule : cw2Av cAv n » X2L (Av ,)2 X(Av ,)2 rad rad dans laquelle n est le nombre d'atomes, tous excités initialement, Av la iar-35 geur de raie incohérente y compris, l'élargissement inhomogène, l'élargissement Doppler et l'élargissement de relaxation en plus de l'élargissement de rayonnement. Av ^ est la largeur de raie du rayonnement. Conformément aux enseignements tirés de la présente invention, une inversion complète de population correspondant à la condition sus-mentionnée est 17719 2 2048033 obtenue au moyen d'un passage rapide adiabatique d'une transition optique. Si l'on désire une description générale des principes de base du passage adiabatique rapide on peut se référer à "Principles of Nuclear Magnetism" par A- . Abragam page 34 et suivantes, 1961, Oxford Press, Angleterre. Ainsi qu'il sera 5 décrit conformément aux principes du mode de réalisation préconisé figurant ci-après, le passage rapide adiabatique agit de manière à-fournir les moyens d'effectuer une transition d'inversion rapide de. l'état de base à l'état excité, pour chacun des atomes dans un système à deux niveaux reliés par un dipôle. électrique dB manière telle que le temps total exigé par l'inversion 10 complète de la population soit relativement bref. On comprendra aisément la nécessité d'un temps d'inversion bref en considérant qu'afin d'atteindre la condition d'inversion super-rayonnante ci-dessus mentionnée, outre le fait que l'impulsion d'excitation doit être de forte intensité, il est également nécessaire que- les impulsions d'excitation et d'émission traversent le milieu dans 15 des temps qui soient brefs par rapport au temps de relaxation principal du système. En d'autres termes on peut dire que le super-rayonnement exige que l'impulsion d'excitation du système soit d'une intensité suffisante pour produire l'inversion de population requise et d'une durée suffisamment brève par rapport 20 au temps de relaxation spontanée de telle sorte que l'inversion se produise dans un temps bref par rapport au temps d'émission spontanée» La présente invention a donc pour objet" une source améliorée d'impulsions de lumière cohérente. La présente invention a également pour objet un laser super-rayonnant à 25 impulsions brèves. La présente invention a également pour objet un dispositif permettant de produire des impulsions laser de durée extrêmement courte. La présente invention a également pour objet un dispositif laser simple et efficace qui produit des impulsions de grande intensité et de brève durée. 30 La présente invention a encore pour objet un laser renforcé par cohérence produisant une émission super-rayonnante par passage rapide adiabatique d'une transition optique. Les objets particularités et avantages de la présente invention sus-men-tionnés et autres, ressortent de la description plus particulière d'un mode de 35 réalisation préconisé de la présente invention, tel que décrit par les dessins ci-joints. La figure Imontre un mode de réalisation préconisée des nouveaux concepts conformes aux principes de la présente Invention. La figure 2 montre les niveaux d'énergie dans la vapeur de potassium 4Û par laquelle on obtient une transition optique par passage rapide adiabatique 17719 3 2048033 conformément au mode de réalisation préconisé. La figure 3 montre la comparaison des temps de l'impulsion de pompage du laser à rubis et du signal haute fréquence modulant la fréquence porteuse de l'impulsion du signal laser. 5 Dans la figure 1 on voit un dispositif préconisé pour la production d'im pulsion laser super-rayonnante par passage rapide adiabatique d'une transition optique dans un système à vapeur de potassium à deux niveaux. Toutefois, il est clair que dans le contexte des enseignements tirés de la présente invention, le passage rapide adiabatique destiné à provoquer les impulsions laser super-10 rayonnantes peut être effectué dans un milieuautre que la vapeur de potassium. Il est de même évident que bien que l'on ait décrit un système à deux niveaux dans la vapeur de potassium on peut employer conformément à la présente invention des systèmes autres que ceux à deux niveaux. Afin d'obtenir le passage rapide adiabatique d'une transition optique 15 destinée à provoquer l'inversion de population pour assurer le renforcement par cohérence dans un milieu, il faut tout d'abord que le milieusoit soumis à une impulsion lumineuse intense dont la fréquence porteuse traverse soit par en haut, soit par en bas les fréquences de résonnance d'une résonnance de transition du milieu. Il est également nécessarire que la vitesse de varia-20 tion de la fréquence porteuse soit faible par rapport à l'intensité de l'impulsion lumineuse de pompage afin que : Soi, ^ , ,2 . L « tpe) 3t K 25 où u)^ représente la fréquence porteuse de l'impulsion lumineuse, p représente le moment du dipôle de transition, e représente le champ électrique, et K est la constante de Planck. Non seulement il est nécessaire que la vitesse à laquelle la fréquence porteuse de l'impulsion de pompage passe par les fréquences résonnantes d'une 30 résonnance de transition soit faible par rapport* à son intensité, mais encore faut-il que la traversée de la ligne de résonnance de transition s'effectue en un temps qui soit bref par rapport au temps T^tel que : 3uv 1 -1 3t~ 'Aû >:> 1 35 où Atu est la largeur de la ligne de résonnance et T^le temps de relaxation de l'état excité à l'état neutre. Dans le mode de réalisation préconisé, de la figure 1, on voit un dispositif permettant de produire une inversion rapide adiabatique pout. la 17719 . 4 2048033 2 2 transition 4 S^2 4 P3/2 dans vapeur de potassium. On voit une source lumineuse d'Impulsions de forte intensité 1, qui dans le mode de réalisation préconisé est un laser à rubis déclenché du type classique. Les impulsions de sortie du laser à rubis déclenché sont polarisées parallèlement à l'axe C 5 d'un variateur de fréquence Doppler électro-optique 3» au LiNbO^. On applique la sortie de la source de signaux haute fréquence 5 au corps de LiNbO 7afin «3 de moduler la fréquence porteuse des impulsions reçues du laser à rubis déclenché 1. En ce qui concerne une étude plus complète de la modulation en fréquence des impulsions laser telle que décrite ci-dessus, on se référera 10 à l'article intitulé "Compression of Optical Puises" par Giordmaine et autre, dans le "IEEE Journal of Quantum Electronics", vol. QE-4 n° 5 mai 196B. Le signal de sortie du variateur de fréquence Doppler électro-optique au LiNbOg modulé en fréquence est appliqué à une cellule de Raman au fluoro- nitrobenzène 9, bien connue des spécialistes. L'impulsion sortant de la 15 cellule de Raman aufluoro-nitrobenzène 9 passe ensuite dans un filtre optique 11 qui élimine la lumière Incidente du rubis et excite ensuite une cellule à vapeur de potassium en forme de-crayon 13qui effectue le passage rapide 2 2 adiabatique de la transition 4 4 P3/2' Les impulsions super-rayonnantes sont émises en 15. 20 II convient de noter que bien que la cellule à vapeur soit décrite et représentéesous forme d'un crayon dans le mode de réalisation préconisé on peut également adopter d'autres formes. Bien que généralement l'émission super-rayonnante ne dépend pas d'une manière critique de la forme de la cellule à vapeur utilisée, la largeur de l'impression et l'étalement en 25 fréquence des impulsions émises dépend de la forme de la cellule ainsi que de la densité des atomes de vapeur. C'est pourquoi la forme de la cellule et la densité des atomes seront choisies en fonction de la durée des impulsions super-rayonnantes que l'on désire. Il est en outre important de noter que le signal Stokes sortant d'une 30 cellule de Raman au fluoro-nitrobenzène excité par une forte impulsion d'un 2 2 laser à rubis est en résonnance avec la transition 4 ^ ^3/2 110 vapeur de potassium et est d'une puissance suffisante, par exemple 300 KW -1 en crete, à 13,044 cm , environ pour effectuer la transition. C'est ce qu'a décrit O.J. Lumpkin Jr, dans un article intitulé "Four Wave Parametric Interac-35 tion in Potassium Vapor" dans le "IEE Journal of Quantum Electronics", Avril 1968, vol. QE-4 n° 4. Ainsi donc, la cellule de Raman au fluoro-nitrobenzène amène la fréquence de l'impulsion du laser dans le domaine de fréquence de la transition 2 2 4 4 P3/2 alors qUB source haute fréquence 5 d'un modulateur de fre- 40 quence 3 peut ramenerl'impulsion géante d'un laser à rubis d'au-dessus du 70 17719 5 2048033 2 nivsau 4 P^/2 la résonnance. La-figure. 2 montre les niveaux d'énergie 4S_ et 4P„,„ de là vapeur de potassium dans laquelle le pompage duniveau 1/2 3/2 4P provoque une transition du niveau d'énergie 4S au niveau d'énergie 4P comme il est indiqué par la flèche. . 5 Conformément aux conditions précédemment mentionnées, la source des impulsions de pompage 1et la source haute fréquence 5 de- la figure 1sont choisies de manière à provoquer une variation de la fréquence porteuse de " l'impulsion du laser à rubis à une vitesse qui est faible par rapport à l'intensité de la cellule de Raman au fluoro-nitrobenzène mais qui amène la 10 fréquence au-delà de la ligne de résonnance de transition du potassium en un temps dont la durée est brève par rapport au temps de relaxation du potassium. On a aussi constaté qu'une impulsion géante d'un laser à rubis d'environ 10 nanosecondes modulée par une onde sinusoïdale d'environ 500 mHz représente des valeurs adéquates données à titre d'exemple. La figure 3 montre la relation 15 optimale qui doit exister entré les temps de l'impulsion du laser, à rubis et le champ électrique haute fréquence qui la module afin d'obtenir la modulation par passage rapide adiabatique pour le renforcement par cohérence et l'émission super-rayonnante dans la vapeur de potassium conformément aux principes de la présente invention. • ; . 20 Bien que l'on ait décrit dans ce.qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques principales de l'invention, il est bien évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de-forme ou. de détails qu'il juge utiles sâns pour autant sortir du cadre dB ladite invention. 1771.9 6 204803,3 REVENDICATIONS 1. Laser super-rayonnant à impulsions brèves dans lequel on obtient un renforcement par cohérence conduisant à une émission super-rayonnante, caractérisé en ce qu'il comprend : une cellule laser contenant une vapeur constituant le milieu laser, 5 une source d'impulsions de pompage produisant une impuision de lumière cohérente de forte intensité et de durée brève pour l'excitation de ladite vapeur ; et un système de modulation de fréquence pour faire varier la fréquence porteuse de ladite impulsion lumineuse de manière à ce qu'elle passe par 10 la fréquence de résonance d'une transition optique résonnante de ladite vapeur destinée à produire une inversion de papalation adiabatique et un renforcement par cohérence ce qui conduit à l'émission super-rayonnante. 2. Laser tel que décrit dans la revendication 1 caractérisé en ce que ladite 15 inversion se produit entre deux niveaux reliés par une transition par dipôle électrique. 3. Laser tel que décrit dans la revendication 2 caractérisé en ce que ladite vapeur est de la vapeur de potassium. 20 4. Laser tël que décrit dans la revendication 3 caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en outre une cellule Raman au fluoro-nitrobenzène et que ledit système de modulation comporte un dispositif de modulation haute fréquence de ladite impulsion lumineuse. 5. Laser tel que décrit dans la revendication 4 caractérisé en ce que la 25 source des impulsions de pompage comporte un laser à rubis déclenché. 6. Laser tel que décrit dans la revendication 5 caractérisé en ce que ladite durée brève des dites impulsions de lumière est petite par rapport au temps de relaxation de ladite vapeur. 30 7. Laser tel que décrit dans la revendication 6 caractérisé en ce que ladite cellule Raman au fluoro-nitrobenzène engendre un faisceau StoKes résonnant 2 2 avec la transition 4 ~ 4 ^3/2 ^aci^te vaPeur de potassium. 8. Laser tel que décrit dans la revendication 7 caractérisé en ce que ledit dispositif de modulation comporte un milieu de LiNbO destiné à recevoir ij 70 17719 7 2048033 les dites impulsions de lumière qui y sont modulées par un champ électrique haute fréquence créé par ledit signal modulateur haute fréquence. 9. Procédé permettant de créer dans un milieu laser gazeux une condition de renforcement par cohérence afin d'obtenir l'émission super-rayonnante, 5 caractérisé en ce que sur ledit milieu au moyen d'impulsions d'excitation afin de produire le passage rapide adiabatique d'une transition optique dans ledit milieu, de manière que ladite impulsion traverse ledit milieu en un temps d'une durée brève par rapport au temps de relaxation de ladite transition optique. 10 10. Procédé tel que décrit dans la revendication 9 caractérisé en ce que ledit passage rapide adiabatique est produit en faisant passer la fréquence porteuse de ladite impulsion d'excitation par la fréquence résonnante de ladite transition. 11. Procédé tel que décrit dans la revendication 10 caractérisé en ce que 15 ledit milieu est de la vapeur de potassium et que ladite impulsion d'excitation est une impulsion géante d'un laser à rubis. 12. Procédé tel que décrit dans la revendication 11 caractérisé en ce que la fréquence porteuse, de ladite impulsion' géante du laser à rubis est modulée dans un milieu de LiNbO^ au moyen d'un signal haute fréquence et envoyée 20 dans une cellule Raman au fluoro-nitrobenzène de manière à entrer en résonance 2 2 avec la transition 4 ~ 4 ^3/2 *aci**:e vaPeur de potassium.