Brevet FR2028766A1 — publié le 19701016

La présente invention concerne l'amplification-de lumière au moyen d'un médium absorbant. Spécifiquement lorsque deux faisceaux de lumière tels que des faisceaux laser sont simultanément incident sur un milieu absorbant sous un faible angle et que l'un des faisceaux de lumière est intense et que l'autre est relativement faible, le faisceau le plus faible sera amplifié. En outre, un troisième faisceau est produit sous des conditions spécifiées. Le milieu absorbant doit être absorbant à la fréquence du faisceau intense, et pour les absorbants saturables le faisceau intense doit avoir une intensité suffisante pour changer sensiblement la distribution de la-population parmi les niveaux absorbants. Pour les absorbants linéaires l'intensité incidente doit dépasser un certain seuil, qui varie avec le dissolvant utilisé. L'intensité du faisceau faible doit être petite comparée à celle du faisceau intense et sa fréquence ne doit pas différer de celle du faisceau intense plus que de la largeur de raie homogène de la transition absorbante. Les effets décrits prennent place et dans l'absorbant saturable et dans l'absorbant linéaire. En plus, si deux faisceaux de fréquences différentes intersectent par coincidence un absorbant saturable d'une façon collinéaire plutôt qu'à un angle, la modulation de l'intensité du faisceau sortant est rehaussée. D'autres fréquences de bandes latérales optiques et des faisceaux de lumière supplémentaires sont produits pour certaines conditions spécifiques. Etat de la technique. Des milieux absorbants tels que les absorbants saturables sont ordinairement employés dans la cavité de contre-réaction optique des lasers tel que du rubis pour soumettre la sortie du la ser à un mode ou une phase rigide. Ces absorbants sont normalement sous forme de colorants liquides qui sont mélangés dans une cellule optique avec un dissolvant. Cependant, on a pas connu antérieurement qu'un milieu absorbant peut être utilisé en dehors d'une cavité de réaction de laser pour amplifier un faisceau de lumière incident sur celle-ci, ou d'effectuer une logique optique. Un objet principal de la présente invention est de fournir une amplification de lumière au moyen d'un milieu absorbant. Selon la présente-invention, deux faisceaus lasers de fréquences identiques ou presque identiques sont simultanèment inci dents sur une cellule contenant un milieu absorbant sous un petit angle l'un par rapport à l'autre. L'intensité de l'un des faisceaux est beaucoup plus grande que celle de l'autre faisceau. Le faisceau de faible intensité est amplifié au dépens du faisceau de grande intensité. Selon un autre aspect de la présente invention, à certains angles spécifiés entre les deux faisceaux, un troisième faisceau est produit à l'intérieur de la cellule contenant l'absorbant, et une logique optique peut être effectuée. D'autres modifications de l'invention tel que la modulation de deux faisceaux collinéaires la production d'une pluralité de faisceaux de sortie et l'incidence d'une pluralité de faisceaux d'entrée dans les absorbants saturables et linéaires, seront enumérées dans la description ci-après. Autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront de la présente description détaillée et des dessins ciannexés sur lesquels: La Figure 1 est un schéma d'un appareil pour produire l'amplification d'une lumière. La Figure 2 montre schématiquement un amplificateur à absorbant saturable. La Figure 3 montre schématiquement un amplificateur à absorbant saturable différent. La Figure 4-montre schématiquement le gain a d'un absorbant saturable en fonction de l'intensité du faisceau de lumière La Figure 5 est un schéma d'un modulateur de faisceau d'absorbant-saturable. La Figure 6 montre schématiquement la fonction de transfert pour un absorbant saturable. La Figure 7 montre schématiquement la fonction de transfert pour un absorbant linéaire. La Figure 8 montre schématiquement le gain d'un absorbant linéaire en fonction de l'intensité du faisceau lumineux. La Figure 9 montre schématiquement un dispositif différent d'amplificateur pour absorbants linéaires. La Figure 10 montre schématiquement un dispositif pour réaliser une logique optique. Description du mode de réalisation préféré. La première partie de la description suivante concernera exclusivement les absorbants saturables, tandis que la dernière partie concernera les absorbants linéaires. Se référant à la Figure 1 on y voit schématiquement un appareil qui produit un puissant faisceau laser et un faible faisceau laser qui sont tous les deux incidents sur une cellule de matière colorante contenant un absorbant saturable. Une source de lumière laser telle qu'un laser à rubis (non montrée) produit un faisceau de lumière 10 qui est transmis à travers un coin incliné en verre 12 et frappe sur la cellule de colorant 14 inclinée à un faible angle e par rapport au faisceau de lumière 10. La cellule de colorant 14 est remplie d'un absorbant saturable telle que la cryptocyanine dans une solution de méthanol. La plus grande partie du faisceau de lumière passe à travers la cellule à colorant 14 mais une petite quantité est réfléchie par elle, frappant le coin incliné 12. Une partie du faisceau réfléchi est elle-même réfléchie de retour le long du même chemin 16 par la surface du coin. Le résultat net est que deux faisceaux passent à travers le colorant, le premier, un faisceau intense de lumière 10, et le second un faisceau beaucoup plus faible 16 incliné vers le premier faisceau par un angle 2e et retardé dans le temps du premier par une quantité d'environ 2S/C ou S est ltespa- cement entre la cellule de colorant 14 et le coin 12, et C est la vitesse de la lumière. On utilise un coin afin d'éviter une fausse réflexion. Le faisceau de lumière sera décrit comme étant pulsé tel que par laser de mode rigide, mais le faisceau peut aussi être CW. L'intensité des impulsions doit être ajustée-de façon que les impulsions du faisceau 10 satureront le colorant, tandis que les impulsions retardées du faisceau 16 ne le satureront pas. Le faible faisceau retardé pourrait également être un signal optique dérivé par un autre moyen. Si l'intensité des deux faisceaux sortants est contrôlée tel que par des photodétecteurs 18 et 20, on a trouvé que le faisceau retardé 16 est amplifié et le faisceau principal 10 est atténué, et plus le faisceau retardé est amplifié, plus le faisceau principal est atténué. En outre, un troisième faisceau plus faible 22 apparaît au côté opposé du faisceau principal. Le gain du faisceau retardé 16 varie en fonction du temps de retardement entre le faisceau principal 10 et le faisceau retardé 16 et dans le mode pulsé le gain se présente seulement s'il y a un recouvrement appréciable des impulsions dans le faisceau retardé avec celles dans le faisceau principal. Le gain décroît rapidement quand le retardement est augmenté au delà de la durée de l'impulsion. En d'autres mots, dans le mode pulsé il y a gain seulement lorsque le retardement est comparable à/ou inférieur à la durée de l'impulsion. La quantité de gain dépend aussi de la concentration de la matière colorante. Par exemple, avec de la cryptocyanine dans une solution de méthanol, le gain variera d'un facteur de 2 ou de 3 dans une solution de densité optique de 0,3 à un facteur de 10 à 20 dans une solution de densité optique de 10,0. La production du troisième faisceau 22 dans le procédé d'amplification dépend de la séparation angulaire e entre le faisceau principal 10 et le faisceau retardé 16. Pour des séparations élevées, 4; > 20 milliradians, le troisième faisceau n'est pas produit. Un troisième faisceau substantiel est produit à de faibles angles,e310 milliradians. Avec des angles de est milliradians peu de gain est réalisé et le troisième-faisceau ne se produit pas. Le gain décroît quand 6-augmente. Le gain est limité par l'adaptation de phase en tre les deux fronts de faisceaux incidents. Avec &commat;- à 7 millira- dians l'énergie dans le troisième faisceau est environ égale à l'énergie dans le faisceau retardé et amplifié 16. La fréquence du troisième faisceau sera une harmonique des deux faisceaux incidents. En plus du troisième faisceau, d'autres faisceaux d'intensités plus faibles et d'autres harmoniques sont produits. Sur la Figure 2, deux faisceaux laser, soit à impulsions soit CW, sont montrés incidents sur une cellule contenant un absorbant saturable, le faisceau principal ayant une fréquence optique f2 et le second faisceau ayant une fréquence optique fl. Les deux faisceaux coïncident dans le temps ou se recouvrent d'une fa çon appréciable, et sont séparés par un angle e de 10 milliradians ou moins. Les faisceaux de sortie apparaissent comme un faisceau principal de fréquence f diminué en intensité et un second faisceau de fréquence fl dont l'intensité est amplifiée tel que décrit précédemment.De même apparaît à la sortie un troisième faisceau de fréquence 2f2-f1 et d'autres harmoniques de fréquences 3f2-2f1, 2f1-f2, 3f1-2f2, etc. tel que montré. Chaque faisceau étant séparé de son voisin par un angle i. L'intensité des fais ceaux harmoniques décrit en intensité avec la distance du faisceau principal. L'angle e entre les deux faisceaux incidents peut apparature dans d'autres quadrants, c'est-à-dire pour produire- l'amplification et un troisème faisceau tel que décrit ci-dessus e peut se présenter à 1800+8. Tel que montré sur la Figure 3, les deux faisceaux d'entrée sont séparés par presque 180 , et au moins trois faisceaux de sortie sont produits, le troisième faisceau se présentant à un angle e du faisceau principal d'entrée. La Figure 4, montre le gain d'un colorant absorbant saturable en fonction de- l'intensité du ou des faisceaux incidents. Le gain a une valeur crête pour une intensité déterminée de la lumière et retombe lorsque cette intensité est surpassée. Le coefficient du gain maximum est égal au-quart du coef- ficient de perte du niveau inférieur du milieu absorbant. Par exemple, si la transmission à niveau inférieur de la lumière est 1 pour cent (e 5) alors le gain en puissance pour une onde faible est Ao ou ou 350pour cent. La Figure 5, montre un cas spécial du phénomène décrit ci- dessus. Sur laFig. 5, les deux-faisceaux de lumière d'entrée, un faisceau principal de fréquence ft et un faisceau secondaire de fréquence f2c sont collinéaires et colncident sur un absorbant saturable. L'intensité dans l'absorbant saturable est alors modu- lé en amplitude à la fréquence égale à la différence f1-f2. Aussi longtemps que le colorant peut répondre ou est sensible à la modulation, l'absorption non-linéaire du colorant rehaussera et déformera la modulation et d'autres bandes latérales de fréquences sont engendrées.La hausse de la modulation se produit à cause de l'atténuation réduite dans les bandes latérales par rapport à la fréquence centrale. Le gain de ceci -dépend de la forme de la courbe de l'absorbant saturable montrée sur la Figure 6, au point de fonctionnement et à l'absorption à ce point. Sur la Fi Figure 6, la modulation se produit à une partie-non-linéaire de la courbe intensité entrante en fonction de l'intensité sortante et, la modulation de sortie est légèrement déformée en amplitude. Ainsi le faisceau de sortie produit un gain dans la fréquence secondaire f2 aux dépens de la fréquence du faisceau principal fl, et le faisceau de sortie contient toutes les harmoniques comme si les deux faisceaux d'entrée seraient à un angle e. La Figure 6, montre aussi les caractéristiques typiques d'absorbants saturables ou non-linéaires, notamment, que l'atténuation décroît avec l'augmentation de l'intensité du faisceau de lumière. Dans tous les modes de réalisation décrits, la différence en fréquence entre les faisceaux d'entrée principal et secondaire doit. étire à l'intérieur de la largeur de raie de puissance élargie de l'absorbant saturable particulier. Le gain se produit dans tous les autres absorbants saturables de la classe comprenant la cryptocyanine et qui comprend en outre, l'acétone, et les solutions de méthanol et de sulfoxydes de diméthyle de la cryptocyanine, la dicyanine A et 1, 1' diéthyle-2 2'-dicarbocyanine iodure. La phtalocyanine chlore-aluminium dans l'méthanol produit aussi un gain. Tous les autres absorbants saturables produisent cet effet. Pour une efficacité maximum de l'appareil décrit ci-dessus les faisceaux de lumière incidente doivent. -être cohérents et, les faisceaux laser sont préférés, bien que des faisceaux noncohérents peuvent etrè utilisés dans certaines circonstances. En expliquant la base physique du phénomène, la grande similarité entre la dépendance angulaire du phénomène et celle prévue pour des expériences de dispersion lumière-par-lumière suggère que l'indice de réfraction non-linéaire est responsable du gain. Cependant, l'effet ne se présente pas sans la présence d'un colorant, ceci rendant cette explication invraisemblable. Une autre explication possible pour le gain est la présence des effets de cohérence, mais le fait que le gain disparait quand les deux impulsions d'entrée sont séparées dans le temps élimine cette possibilité. Le fait qulun gain se présente dans tous les colorants saturables indique clairement que l'effet est en rapport avec la saturation elle-même, et la meilleure explication se présente comme étant que l'effet est un effet de grille d'amplitude causé par un changement de l'absorption produit par les faisceaux d'en trée. Pour résumer la théorie de l'action d'absorbant saturable telle que divulguée, considérons le cas de deux ondes monochromatiques planes, l'une ayant une intensité beaucoup plus faible que celle de l'autre et d'une fréquence légèrement différente qui sont incidents sur le milieu. Supposons aussi que l'absorption de la solution de colorant décroît avec l'augmentation de l'intensité du faisceau incident. A cause de la légère différence de fréquences, -l'intensité à l'intérieur du milieu absorbant est modulée à la fréquence de battement des deux ondes. Le degré de modulation dans le faisceau transmis est rehaussé au-dessus de celle du faisceau incident à cause de l'absorption non-linéaire dans le milieu. Ceci équivaut à dire que le faisceau -e- plus faible est amplifié.Le degre d'amplification dépend de l'inclinaison de la courbe, atténuation en fonction de l'intensité pour la solution de colorant à l'intensité utilise. Puisque la modulation dans le faisceau transmis n'est plus sinusoidale, le prou9' dé résulte aussi en une production d'harmoniques. Dans le cas ou les deux faisceaux incidents ne sont pas collinéaires, les harmoniques dedifférentes fréquences seront produites dans diffé- rentes directions. Beaucoup des effets- décrits précédemment se produisent dans les absorbants linéaires, aussi bien que dans les absorbants saturables. La description suivante concernera des absorbants linéaires. Un absorbant linéaire a une fonction de transfert qui est linéaire avec l'intensité du faisceau de lumière incidente comme représentée sur la Figure 7. Pour les absorbants linéaires le gain apparalt comme étant plus une fonction du dissolvant ou du liquide et moins une fonction du colorant particulier, que dans les absorbants saturables. Certains verres produisent égale ment cet effet. En général, la dispersion de la lumière observée dans les liquides et verres d'absorption est due aux changements de l'indice de réfraction produits par des ondes de température induites optiquement plutôt que par les ondes de densité comme dans les effets de dispersion thermique anterieurs. L'appareil utilisé pour produire les effets dans les absorbants linéaires est le même tel que montré sur les Figures 1 et -2, excepte qu'un matériau d'absorbant linéaire est mis à la place du matériau d'absorbant saturable. Deux faisceaux de de lu mière sont simultanément incidents sur l'absorbant, l'un un faisceau très intense d'environ 5Gw/cm2 et un faisceau moins intense d'environ 5 Mw/cm2. Les deux faisceaux font un angle étroit e entre eux. On peut utiliser des faisceaux pulsés o.u CW. Dans les modes de réalisation décrits les deux genres de faisceaux sont supposés être dérivés de la sortie d'un laser à rubis à mode rigide qui produit un train d'impulsion de 2 picosecondes. Tel que dans l'effet précédent, le faisceau le plus faible est amplifié aux dépens du faisceau plus fort, et de même un nombre de faisceaux d'ordres supérieurs sont produits. On a observe jusqu'à neuf faisceaux produits en utilisant de la quinolèine comme absorbant.liquide. Seul l'eau montre peu ou pas d'effet sans égard à l'absorbant utilisé. La grandeur de l'effet apparaît comme caractéristique du liquide plutôt que du colorant. Avec des matériaux- non-absorb.ants seul le- faisceau le plus fort est remarqué à la sortie. La~courbe gain-intensité pour un absorbant linéaire est donnée sur la Figure 8. Avec les sources de lasers-disponibles présentement, on peut obtenir des Sains de puissance de 10 à 100 fois. Les modèles des faisceaux de sortie ressemblent à une diffraction par grille de yransmission et peuvent être compris sur cette base. Une dépendance de l'intensité soit de l'indice de réfraction soit de l'absorption conduit à une grille avec-une orientation et périodicite telle à disperser le faisceau puissant dans la direction du faisceau faible et dans la direction du premier faisceau en gendre. Les intensités accrues dans ces directions conduiraient si le phasage est correct, à un rehaussement supplémentaire de la grille qui à son tour augmentetait encore plus la dispersion. Les faisceaux d'ordres supérieurs représentent une diffraction d'ordre supérieur de la structure de grille. Le fait que les absorptivités des solutions sont indépendantes de l'intensité indique qu'une grille de phase est développée dans ce mode de réalisation plutdt qu'une grille d'amplitude. Le fait qu'un liquide pur ne présente aucun gain, tandis que le gain d'une solution absorbante est caractéristique du dissolvant indique que le colorant absorbant transfère une excitation au liquide qui à sonstour influence son indice de réfraction. Eventuellementcette excitation prendra la-forme d'une onde de densité.Cependant, il faut en conclure que l'excitation interne transférée dans le dissolvant est elle-même responsable du changement de l'indice de refraction, et peut: être considère comme étant un changement de la température interne des molecules du dissolvant. La Figure 9, montre une autre modification des dispositifs d'amplification de la lumière, c'est-à-dire qu'on peut utiliser plus de deux faisceaux d'entrée. Ce mode de réalisation s'applique aux absorbants saturables et aux absorbants linéaires. Comme précédemment, les faisceaux les plus faibles seront amplifiés aux dépens des faisceaux plus puissants. La Figure0, montre comment les dispositifs decrits peuvent être utilises pour réaliser une logique optique coincidente. Si les deux faisceaux d'entrée sont des impulsions, ils doivent se présenter simultanément pour produire un troisième faisceau de sortie. Si un détecteur est placé pour détecter la présence du troisième faisceau, le dispositif fonctionne comme un circuit ET, la sortie du détecteur se présentant seulement si toutes les deux impulsions d'entrée se présentent coincidemment. Si les deux entrées sont des ondes CW, toutes les deux doivent se présenter avant l'apparition du troisième faisceau. Bien que l'on ait décrit la présente invention par rapport à -un mode de réalisation particulier de cette dernière, on comprendra bien qu'elle est susceptible de modifications supplemen- taires, la présente application étant envisagée de façon à tenir compte de toutes variations, utilisations ou adaptations de l'invention, suivant en général les principes de l'invention et comprenant tout écart à la présente description qui rentre dans la pratique connue ou courante de la technique à laquelle se rapporte l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour l'amplification d'un faisceau optique, caractérisé par le fait qu'il -comporte au moins un premier et un deuxième faisceaux optiques, au moins l'un de ces faisceaux ayant une intensité beaucoup plus forte que celle de l'autre faisceau, et un milieu absorbant comprenant une matière colorante pouvant entre blanchie, le premier et le second faisceaux étant simultané -ment incidents sur le milieu absorbant à un angle assez petit (tel que défini ci-avant) entre eux, les faisceaux passant à tra -vers le milieu absorbant et que le plus faible des faisceaux est amplifié par ceci. 2. Appareil pour l'amplification-selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu absorbant est un absorbant saturable. 3. Appareil pour l'amplification selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu absorbant est une solution d'absorbant linéaire. 4. Appareil pour l'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le premier et le second faisceaux optiques sont des faisceaux pulsés et que les impulsions recouvrent au moins partiellement, après l'intersection avec le milieu absorbant 5. Un appareil pour l'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le premier et le second faisceaux intersectent le milieu absorbant à un angle de 10 milliradians ou moins, l'un par rapport à l'autre, des faisceaux optiques supplémentaires étant produits et émanant de ce milieu absorbant. 6. Un appareil pour l'amplification selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le premier et le deuxième faisceaux sont de fréquences optiques différentes et que les faisceaux optiques supplémentaires sont à des fréquences optiques qui sont des harmoniques du premier et du deuxième faisceaux. 7. Un appareil pour l'amplification selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les premier et deuxième faisceaux optiques sont de fréquences optiques diffé -rentes et que l'angle entre eux est réduit à zéro, de façon qu' ils soient incidents sur le milieu absorbant en faisceaux collinéaires, par quoi, seulement un faisceau résultant est produit qui est modulé en intensité à une fréquence égale à la différence de fréquences optiques entre le premier et le deuxième faisceaux. 8. Un appareil de logique optique coincidente, caractérisé par le fait qu'il comporte l'appareil d'amplification selon la revendication 5 et un photo-détecteur placé dans le chemin de 1' un des faisceaux supplémentaires et produisant un signal de sortie seulement, lorsque les faisceaux supplémentaires se présentent. 9. Un-appareil pour l'amplification d'un faisceau optique tel que décrit substantiellement ci-avant en se référant aux et tel qu'illustré par les figures 1 à 9 des dessins. 10. Un appareil de logique optique coincidente tel que décrit substantiellement ci-avant en se réfèrant àeb tel qu'illustré par la figure 10 des dessins.