Brevet FR2042426A1 — publié le 19710212

i 2042426 la présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la régulation*de l'amplification d'un"laser-à milieu actif solide et, plus particulièrement, à un procédé et à un dispositif pour la neutralisation de la variation du gain 5 d'un laser sous l'influence de la température. Un laser à cristal, et plus particulièrement un laser à rubis, est fortement influencé par la température. Geci résulte des propriétés atomiques du cristal. Ainsi, la durée de l'état métastable dans un cristal de laser diminue lorsque la températu-10 re s'élève et provoque une diminution concomitante de l'amplification de l'émission stimulée (action laser). Pour cette raison, une haute énergie d'excitation (énergie de pompage) est nécessaire aux températures élevées. Si le laser est destiné à fonctionner dans un intervalle dé température important, par exemple en-15 tre - 50°C et + 60°C, et si l'énergie est choisie suffisamment haute pour permettre au laser de fonctionner de manière satisfaisante à la limite supérieure dudit intervalle de température, cette énergie d'excitation sera importante aux basses températures. Oeei entraîne des difficultés, particulièrement dans les lasers 20 à impulsions photoniques, du fait qu'un gain élevé aux basses températures entraîne la production d'impulsions doubles si l'énergie de pompage est importante. De manière à obtenir des impulsions simples, ce qui est particulièrement désirable dans le cas où le laser est utilisé pour effectuer des mesures de distance, l'éner-25 gie de pompage peut être diminuée aux basses températures,mais les impulsions simples ainsi obtenues n'auront qu'une faible é-nergie. En vue d'obtenir des impulsions simples de haute énergie même aux basses température s, le gain optique du laser doit être réduit par rapport au gain aux hautes températures. 30 La présente invention a pour but. de pèrmettre une régulation de l'amplification optique d'un laser et, plus particulièrement, une régulation telle que l'amplification optique diminue lorsque la température croît. Cette invention concerne un laser du type comprenant un milieu actif solide et un résonateur avec un dispo-35 sitif de miroirs destiné à renvoyer dans le milieu actif le rayonnement qui en est issu, le laser étant pompé au moyen d'un dispositif de pompage optique» L'invention met à profit le fait que le niveau d'excitation produit par un dispositif de pompage optique n'est pas le même 40 dans les différentes parties du milieu actif. Dans la plupart des 70 16445 2 2042426 lasers équipés de dispositifs de pompage optique , la distribution des atomes excités dans le barreau de matériau constituant le milieu actif est telle que le centre de ce barreau est excité au degré le plus élevé tandis que le niveau d'excitation au 5 voisinage de la surface de ce barreau est à peine suffisant pour provoquer l'action laser. La distribution, de l'excitation dans le barreau est déterminée par la géométrie du dispositif de pompage et par le degré de dopage du matériau constituant le milieu actif. par exemple, le dispositif de pompage est équipé d'un 10 réflecteur elliptique et le barreau disposé avec son axe coïncidant avec l'axe focal principal du réflecteur, et si une lampe de pompage cylindrique allongée est disposée le long de l'autre axe focal du réflecteur, le niveau d'excitation s'abaissera à peu près uniformément depuis un maximum au centre du barreau au 15 fur et à mesure que l'on s'écartera radialement de celui-ci vers sa surface. Le niveau d'excitation détermine le gain optique et celui-ci variera à l'intérieur du milieu actif dans le même sens que ce niveau d'excitation. Selon l'invention, ce fait est mis à profit en 20 actionnant mécaniquement le dispositif de miroirs du résonateur de telle sorte que les faisceaux rayonnés par le milieu actif re tournent, après reflexion par ce dispositif de miroirs, dans des parties de ce milieu actif dont le niveau convient à l'obtention du gain désiré. Danone réalisation préférée de l'invention, le 25 dispositif de miroirs est actionné automatiquement en réponse à la température régnant dans le voisinage du milieu actif du laser de telle sorte que le gain diminue lorsque cette température augmente. Dans les lasers à impulsions photoniques, le dispositif de 30 miroirs à réflexion totale du résonateur est constitué habituellement par un prisme, fixe ou rotatif, dont la section droite est un triangle isocèle ayant un angle droit. Un tel prisme est également connu sous le nom de prisme de Porro. Une régulation du gain selon l'invention peut facilement être effectuée en rendant 35 1121 "tel prisme mobile de manière à ce- que l'arête de ses faces à 90° puisse être déplacée à angle droit par. rapport à la direction longitudinale du barreau de cristal du laser de telle sorte qu'une variation du gain optique soit obtenue de la manière qui sera décrite plus loin. Le déplacement du prisme peut être effec-40 tué par des éléments d'actionnement commandés par des dispositifs 70 16445 3 2042426 sensibles à la température de telle sorte que le gain varie en ■» • fonction de cette température. l'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 5 les figures 1 et 2 illustrent schématiquement le principe de l'invention; et les figures 3 et 4 montrent schématiquement deux dispositifs différents pour la régulation automatique du gain du laser en réponse à la température. 10 les figures 1 et 2 montrent un barreau de cristal 1 de la ser, lequel peut être, par exemple, un barreau de rubis. A 1'une des extrémités de la baguette 1 est disposé tin prisme à réflexion totale 2 du type décrit plus haut, les autres éléments entrant dans la constitution d'un dispositif laser complet, tels 15 que le dispositif de pompage et le miroir semi-transparent disposé à l'autre extrémité du barreau, sont bien connus et par conséquent n'ont pas été représentés dans les dessins. Au-dessus du barreau 1, dans les figures 1 et; 2, un diagramme montre comment le niveau d'excitation, et par conséquent le 20 gain optique,varient le long de la section transversale du barreau du laser. Ces diagrammes permettent de constater que l'excitation est maximale le long de l'axe longitudinal du barreau du laser et décroît de manière pratiquement symétrique avec l'augmentation de la distance à partir du dit axe. 25 la figure 1 montre le prisme 2 ave g son angle droit situé ■ ■ dans le prolongement de l'axe longitudinal du barreau du laser, c'est-à-dire coïncidant avec l'excitation maximale dans ce barreau. lorsque le prisme 2 est dans cette position par rapport au barreau 1, un faisceau émis par ce barreau est renvoyé par ce 30 prisme à l'intérieur du barreau en suivant une trajectoire dans laquelle le niveau d'excitation est à peu près le même que dans la trajectoire du faisceau émis, le gain optique maximal est a-lors obtenu dans le barreau.Si le laser fonctionne à une température élevée, le prisme 2 doit donG se trouver dans la position 35 de la figure 1 de telle sorte que ce fonctionnement soit satisfaisant avec la plus faible énergie de pompage possible. toutefois, dans le cas de basses températures, la position du prisme 2 de la figure 1 provoque un gain optique tellement é-levé que des doubles impulsions sont engendrées par le laser pour 40 une énergie de pompage inchangée. Des impulsions simples peuvent 70 16445 4 2042426 être obtenues en réduisant l'énergie de pompage mais ces impulsions sont alors de trop faible énergie. Selon l'invention, le gain optique aux basses températures est réduit en déplaçant le prisme 2 de telle sorte que son angle 5 droit ne coïncide plus avec le centre d'excitation. Ceci est illustré dans la figure 2 dans laquelle le prisme 2 est montré dans une position telle que l'arête de ses faces à angle droit est é-cartée latéralement d'une distance d par rapport au centre d'excitation dans le barreau 1. 10 Lorsque la réflexion totale se produit dans un prisme du type montré, le faisceau réfléchi est parallèle au faisceau incident. La distance entre les faisceaux incident et réfléchi est le déterminée par la distance entre le faisceau incident et/sommet de l'angle droit du prisme et est égale au double de la dite 15 distance. Le déplacement du prisme par rapport au centre d'excitation du barreau du laser, ainsi que le montre la figure 2, a pour conséquence qu'un faisceau ayant traversé le centre d'excitation avant de pénétrer dans le prisme est renvoyé, après réflexion dans ce prisme, dans le barreau en suivant une trajectoi-20 re dans laquelle l'excitation est à un moindre niveau. L'amplification de la lumière après le double passage à travers le barreau du laser (cette amplification étant proportionnelle au produit des amplifications provoquées par les deux passages simples) est, dans ce cas, plus faible que lorsque l'angle droit du prisme 25 coïncide avec le centre d'excitation du barreau du laser. Cette diminution de l'amplification permet d'engendrer des impulsions simples de haute énergie, même aux basses températures. En vue. de satisfaire les exigences d'une faible énergie de pompage aux températures élevées et d'une haute énergie des im-30 pulsions simples aux basses températures, la position du prisme 2, doit varier avec la température. A cette fin, le prisme 2 peut être monté dans un support qui peut être déplacé, par exemple manuellement au moyen d'un dispositif à vis. toutefois, le changement de position requis du prisme 2 en réponse à la tempé-35 rature peut aussi être effectué automatiquement par des moyens sensibles à la température appropriée. Les figures 3 et 4 montrent des exemples de tels moyens. Dans le dispositif de la figure 3, le prisme 2 est placé dans une monture 3 qui est suspendue au moyen d'articulations 6 40 et 7 par deux ressorts bimétalliques 4 et 5 assujettis à une base 70 16445 5 2042426 fixe 8, La disposition est telle que le prisme 2 prend la position de* la figure 1 par rapport au barreau du laser pour la température maximale à laquelle le laser est appelé à travailler. Lorsque la température décroît, les ressorts bimétalliques 4 et 5 5 se courbent de telle sorte que le prisme 2 est écarté de cette position. Dans la disposition de la figure 4, le prisme 2 est également placé dans une monture 3 qui est alors susceptible de coulisser sur un support fixe 15. Un conteneur oblong 9 est monté 10 au voisinage du barreau 1 du laser. Ce conteneur 9 est rempli avec un liquide 10 et, de préférence, avec du mercure. Ce conteneur 9 communique, par l'intermédiaire d'un tube 11, avec un cylindre 12 dans lequel peut coulisser un piston 13 dont la tige est raccordée à là monture 3 du prisme. Un ressort presseur 14 15 est disposé entre l'une des extrémités de la monture 3 du prisme et un appui fixe 16. Lorsque la température varie, le volume occupé par le liquide 10 varie également de telle sorte que la monture 3 du prisme est déplacée sous l'action du piston 13 et du ressort 14. En fonctionnement semi-continu, lorsque la températu-20 re du barreau du laser est susceptible de s'élever notablement au-dessus de la température ambiante, un tel conteneur 9 sera disposé, de préférence, à proximité immédiate du barreau 1 de telle sorte que la température de celui-ci soit mieux détectée qu'avec le dispositif de la figure 3. 25 Dans les lasers à impulsions photoniques, le prisme 2 a réflexion totale est souvent utilisé pour provoquer les impulsions, auquel cas ce prisme doit être susceptible de tourner autour d'un axe faisant un angle droit avec l'arête des faces à 90° de ce prisme. Dans ce cas, le moyen entraînant le prisme en 30 rotation peut être monté, ainsi que ce prisme, sur un support approprié qui est déplacé en réponse à la température de la manière qui a été décrite. Les moyens pour le déplacement du prisme en réponse aux changement de température peuvent, évidemment, être conçus d'autres 35 façons que celles illustrées dans les figures 3 eli 4. 70 16445 6 2042426 BEmDICAQîIOHS 1. Un procédé pour la régulation de l'amplification d'un laser comprenant un milieu actif solide et un résonateur avec un dispositif de miroirs pour réfléchir le rayonnement émis par le 5 dit milieu actif dans ce même milieu, le laser étant pompé au moyen d'un dispositif de pompage optique de telle sorte qu'un niveau d'excitation différent soit produit dans les différentes parties de ce laser; le procédé étant caractérisé en ce que le dit dispositif de miroirs est actionné mécaniquement de telle 10 sorte que les faisceaux émis par le milieu actif du laser soient ! renvoyés, après réflexion dans le dispositif de miroirs, à travers des parties de ce milieu actif ayant un niveau d'excitation convenant à l'amplification désirée. 2. Un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce 15 que le dispositif de miroirs est actionné en réponse au changement de température au voisinage du milieu actif du laser de telle sorte que l'amplification diminue lorsque la température décroît. 3. Un dispositif pour la régulation de l'amplification dans 20 -un laser par le procédé suivant la revendication lou 2, le dit laser comprenant un milieu actif solide et un résonateur comportant un dispositif de miroirs pour réfléchir le rayonnement émis par le dit milieu actif dans ce même milieu et un dispositif de pompage pour le pompage optique du laser de telle sorte qu'un ni-25 veau d'excitation différent soit produit dans les différentes parties du milieu actif; le dispositif étant caractérisé par la présence de moyens actionnant le dispositif de miroirs de telle sorte que le point d'entrée d'un faisceau réfléchi dans le milieu actif puisse être modifié. 30 4. Un dispositif suivant la revendication 3} caractérisé en ce que le dit dispositif de miroirs est constitué par un prisme dont la section droite est un triangle isocèle ayant un angle droit, et en ce que les dits moyens d'actionnement sont agencés de manière à déplacer ce prisme de telle sorte que l'arête de 35 ses faces à angle droit soit déplacée perpendiculairement à l'axe longitudinal du milieu actif. 5. Un dispositif suivant la revendication 3 on 4, caractérisé en ce que les dits moyens d'actionnement comprennent un dispositif sensible à la température qui détecte la température 40 au voisinage du milieu actif et commande le déplacement du dis 70 16445 7 2042426 positif de miroirs en réponse, à cette température. 6. Un dispositif suivant les revendications 4- et 5> caractérisé en ce que les moyens d'actionnement comprenant le dispositif sensible à la température sont conçus de telle sorte que, 5 lorsque la température dans le voisinage du milieu actif est relativement élevée, le prisme soit maintenu dans une position tel-•le que son angle droit se présente en face d'une région d'excitation maximale du milieu actif et qu'il s'écarte de cette position lorsque la température s'élève. 10 7* tfn. dispositif suivant.la revendication 5 ou 6, caractéri sé en ce que le dit dispositif sensible à la température est constitué par un système bimétallique. 8. Un dispositif suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le dispositif sensible à la température est consti-15 tué par un conteneur renfermant un liquide, tel que du mercure, et un dispositif à piston relié au dit conteneur et actionné par le liquide lorsque le volume occupé par celui-ci est modifié par lin changement de température. 520/70