Brevet FR2039333A1 — publié le 19710115

La présente invention concerne une configuration et une construction de laser qui permettent de réduire ou de compenser les effets du "chauffage du matériau laser lorsque ..celui-ci fonctionne avec un taux de répétition élevé. 5 Les lasers ou masers optiques sont des dispositifs pro duisant une oscillation de lumière ou une amplification de lumière et sont particulièrement adaptés à fournir une sortie de lumière monochromatique cohérente d'une grande, intensité. Une telle lumière est produite dans un laser par une émission photonique des ions 10 actifs ou atomes d'un corps composé de matériau à effet laser. La présente invention concerne particulièrement des lasers du genre verre qui sont dopés * avec"certains oxydes de terres rares. Une description plus complète de ce genre de laser peut être trouvée, par exemple, dans la demande de brevet N°168.012 au nom de Elias 15 Snitzer déposé le 16 janvier 1962 .aux E.U.A. Une grandé quantité de chaleur est engendrée à l'intérieur du corps d'un laser lorsque celui-ci est en service. Pour cette raison un système de refroidissement s'impose. Un système courant est constitué par la circulation d'un fluide refroidisseur autour 20 du corps du laser. Un autre système consiste à découper le barreau laser en disques. Les disques sont alors alignés optiquement le long d'un axe commun a des intervalles. Le fluide refroidisseur choisi, d'un indice de réfraction compatible, est circulé entre et autour de ces disques. 25 Même avec un bon dispositif de refroidissement il se pro duit des gradients thermiques à travers l'épaisseur (ou le diamètre) du barreau laser pompé. Ces gradients thermiques donnent lieu à la biréfringence. Celle-ci peut provoquer la dêpolarisation de la lumière passant ou oscillant à travers le barreau et.elle est par 30 conséquent indésirable. Un degré élevé de polarisation est désirable puisque les modulateurs, electro-optiques exigent une lumière polarisée plane et de tels modulateurs sont nécessaires pour réaliser la commutation Q . Le modulateur electro-optique est très rapide et capable d'une synchronisation d'un ordre élevé, qui est 35 nécessaire pour la commutation Q de la présente invention. Ceci résulte aussi en des impulsions de sortie plus courtes et permet une minuterie plus précise de chaque occurence. Il a été découvert que la biréfringence produite par les gradients de températures peut être substantiellement éliminée par un pompage approprié d'un 40 barreau laser de forme générale rectangulaire. 70 14315 2 2039333 Un principal objet de l'invention est de fournir une construction de laser disposé de façon à éliminer substantiellement les problèmes de la biréfringence engendrée par les gradients de températures. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se ront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La Figure 1 est une vue isométrique de la géométrie la 10 plus simple d'un laser selon la présënte invention, La Figure 2 est une vue schématique de la disposition de la Figure 1, Les Figures 3, 4 et 5 sont des variantes de configurations de pompage fournissant un pompage exfocal par l'emploi de miroirs 15 elliptiques, "La Figure 5 est un autre mode de réalisation de 1'invention dans lequel on utilise deux barreaux de matériau laser, La Figure 7 est une coupe schématique de chemins ou trajectoires isothermes et de polarisation pouvant se produirent 20 dans un barreau laser de section cylindrique; La Figure 8 est une vue schématique des isothermes qui se présentent et se produisent dans un barreau laser selon cette invention, et Les Figures 9 et 10 sont des variantes de systèmes lasers 25 utilisant des lasers du genre barreau selon la présente invention. L'objet de la présente invention est donc de réduire les effets de chauffage du matériau laser lorsque celui-ci fonctionne avec des taux élevés de répétitions. Cette expression "taux élevés de répétitions" n'est pas employée pour désigner un certain nombre 30 de coups ou d'impulsions, mais plutôt la vitesse d'entrée de chaleur de la source de pompage de façon à lorsqu'une condition d' état stable est atteinte, et la température et/ou lé profil de la température•à l'intérieur du matériau laser sont assez différents d'une condition à une seule impulsion,- permettre un changement 35 des paramètres■de fonctionnement du laser. Dans des matériaux avec une faible conductivitë thermique et avec des coefficients de dilatation et de contrainte optique moins' favorables le taux de répétition, pour une entrée donnée par impulsion dans laquelle la condition précédente est atteinte, est inférieur que- pour un ma-40 tériau ayant des paramètres plus favorables. Ceci, en particulier, 14315 3 2039333 est le cas avec du verre objet de l'invention, si comparé à des matériaux laser non-cristallins. Cependant, tel que noté ci-après cette invention ne s'applique pas aux matériaux laser cristallins. Selon l'invention il a été utilisé un barreau laser de section rectangulaire à la place de la section circulaire qui est plus commune. Avec ce genre de barreau on obtient une section transversale désirée tandis que 1' épaisseur effective du barreau laser est réduite permettant ainsi un refroidissement plus efficace du barreau. Par exemple, un barreau ayant une section.de 3mm par 10mm a une section équivalente à celle d'un barreau cylindrique d'un diamètre de 6mm. Cependant, son épaisseur réduite (sur la dimension de 3mm) permet des entrées de puissance d'une moyenne plus élevée pour la même puissance optique induite et contraintes ou, réciproquement, des contraintes plus faibles pour la même entrée de puissance moyenne. Pour un rapport largeur/hauteur assez élevé (au-dessus de 3:1) de la section transversale les effets d'extrémités (c'est-à-dire les extrémités du barreau) peuvent être négligés et si l'on considère les gradients thermiques comme étant dans une dimension ou plans plutôt que dans deux dimensions ou radiaux comme dans un barreau de section circulaire. Par rapport largeur/hauteur on comprend a/b ou a est la largeur du barreau et b est l'épaisseur. Ce rapport pour les barreaux selon la présente invention doit être au moins de 2:1. Des rapports plus élevés sont cependant désirables puisqu'on souhaite que les extrémités du barreau approchent la linéarité donc une arête.. Par exemple, un barreau avec une section transversale carrée ne peut pas être utilisé parce que les gradients thermiques ont une tendance à s'arrondir et devenir circulaires vers le centre en ne fournissant pas les gradients thermiques substantiellement plans désirés selon l'invention. Avoir des gradients thermiques plans (ou substantiellement plans) est un avantage considérable parce qu'ils facilitent l'emploi de dispositifs de compensation des gradients thermiques beaucoup plus simples et facile à opérer. Ce qui est plus important c'est que les dispositifs de polarisation deviennent plus simples puisque les gradients thermiques sont à une dimension ou plans. Les axes induits de biréfringence dus aux effets thermiques sont parallèles aux côtés rectangulaires tel que montré, par exemple sur la Figure 8 dans laquelle l'extrémité d'un barreau.80 est représentée conpe.ayant une pluralité de gradients thermiques 81 induits parallèles et représentés 70 14315 4 2039333 schématiquement. Tel qu'aux coins 82 ou la non linéarité est apparente, on peut négliger ceci parce que l'action laser au coin est généralement moins importante qu'à proximité du centre. Ainsi, tous les gradients thermiques dont on a à s'occuper sont plans et 5 parallèles aux faces latérales et adaptés à la modulation polarisante électro-optique. Puisque les axes induits de biréfringence sont plans et parallèles aux côtés, ils sont compatibles avec les contraintes de polarisation plane sur les modes oscillants de la cavité. 10 Au contraire, la section transversale circulaire, tel que montrée sur la Figure 7, qui ne permet qu'une polarisation radiale et tangentielle pour rester inchangée en passant à travers le barreau et systèmes optiques ayant seulement ces polarisations est difficile à utiliser. Sur la Figure 7 le barreau schématique 15 70 est compatible avec les arrangements qui polarisent les rayons de lumière tangentiels et radiaux 71 et 72 respectivement mais non les rayons de lumière 73 et 74 qui sont obliques. Les lignes 75 et 76 donnent une indication des isothermes qui peuvent se présenter à l'intérieur du barreau de section transversale circulaire 20 qui induira de tels rayons de lumière obliques. Avec un tel barreau à section transversale ciculaire, la commutation Q conventionnelle du laser, par exemple, en utilisant un polarisateur Glan et une cellule electro-optique ne serait pas possible dans notre cas sans une perte sévère de l'efficacité. De tels systèmes peuvent être 25 utilisés avec la configuration selon l'invention. Le cas le plus simple et le plus général d'une construction laser selon la présente invention est représenté par les Figures 1 et 2 et comporte une lampe flash 10. Un barreau laser 11 est montéé perpendiculaire à cette lampe flash. Un plan passant par le centre du flash bi-30 secte le barreau le long de sa longueur. Autour du barreau et de la lampe est monté un miroir 12 réflecteur cylindrique de section transversale circulaire qui peut être constitué d'une feuille d'argent ou d'or, Un tel arrangement permet un pompage exfocal. Le pompage est symétrique et toute distorsion du barreau dûe au 35 pompage d'un côté seulement est évitée. Toute distorsion due à un pompage d'arête est un effet d'ordre secondaire et peut être évité par masquage. La Figure 3 représente une variante d'un arrangement dans lequel le flash 30 et le barreau rectangulaire 31 sont disposés 40 dans un cylindre 32 de section transversale elliptique. Un plan 0 5 10 15 20 25 30 35 40 14315 5 2039333 passant, par les deux foyers de la section transversale elliptique bisecte le barreau et le flash le long de leurs longueurs respectives. La configuration de la Fig. 3 est particulièrement appropriée pour un refroidissement par eau, lequel exige que le barreau et la lampe soient sépares. Comme on peut le voir, la configuration cylindrique de section circulaire pour le cylindre réflecteur qui est représenté sur la Fig. 2 exige une proximité contigue entre la lampe et l'arête longitudinale ou surface du barreau 11. Cependant, le système de la Fig. 2 et celui de la Fig. 3 sont exfocal et forment une image d'une source lumineuse, dans un plan réduisant ainsi la tendance à localiser des points chauds ou à inversions élevés dans une partie du barreau. Les Fig. 4 et 5 représentent des variantes de l'arrangement de la Fig. 3. Sur la Fig. 4 on voit deux cylindres réflecteurs ëlliptiques 40 et 41, deux lampes flash 42 et 43, et un simple barreau 44. Les deux cylindres réflecteurs elliptiques 40 et 41 se joignent au centre des surfaces longitudinales opposées du barreau 44. Le barreau 44 a une largeur suffisante pour s'étendre entre les foyers adjacents 45 et 46 des deux ellipses. Tel que dans la Fig. 2 une surface extérieure des lampes respectives 42 et 43 est contigue par rapport à l'un des foyers des deux cylindres réflecteurs de section transversale élliptique. Comme dans le cas de la Fig. 3 les lampes, le barreau et tous les foyers sont bissectés par un plan commun. Sur la Fig.5 on voit une paire de cylindres 50 et 51 respectivement qui s'intersectent et qui ont une section transversale elliptique. Les points d'intersections sont des images miroirs espacées des surfaces opposées respectives du barreau 52. On voit aussi une paire de lampes flash 53 et 54 et les lampes le barreau et les foyers des deux ellipses sont bissectés par un plan commun. Le recouvrement est inférieur que dans une ellipse double avec une formation d'image ligne par ligne dans laquelle les ellipses sont jointes dans un plan contenant le foyer et la perte et l'efficacité sont ainsi réduits. Ces configurations permettent d'utiliser un barreau central plus de lampes flash, et/ou une combinaison des deux. Dans la variante de l'arrangement, de la Fig. 6 on voit un cylindre reflecteur élliptique 60 ayant dans son intérieur une lampe 61 et une paire de barreau 62 et 63. La lampe 61, le foyer et l'espace entre les deux barreaux sont bissectés par un plan commun. Cette configuration peut être utilisée pour surmonter un inconvénient principal du barreau, c'est-à-dire 70 14315 6 2039333 sa transparence supérieure au rayonnement de pompage. Aucun des barreaux est pompé symétriquement tel que dans le cas de la Fig.4 et de la Fig.5, par exemple, mais l'on peut facilement les adapter pour qu'il compense l'un l'autre puisque la distorsion thermi-5 que (et conditions s'y rapportant) suit des directions "opposées pour les deux, c'est-à-dire les barreaux se tordent comme leur image miroir et les effets peuvent être compensés par l'utilisation d'un prisme à un côté commun. Dans le cas d'un matériau laser cristallin ayant un gain 10 préférentiel pour une polarisation les axes du cristal doivent être orientés convenablement. Par exemple, un barreau de rubis devrait être coupé de façon que l'axe optique soit dans un plan perpendiculaire au grand côté de la section transversale. Le rayon ordinaire dans le rubis a une orientation de polarisation à tra-15 vers sa largeur. Il existe un autre cas d'un certain intérêt, si la biréfringence induite est assez basse pour ne pas avoir d'effet sur l'efficacité du laser pour une polarisation quelconque, il peut y avoir un avantage a avoir le plan de polarisation à 45° par rap-20 port aux côtés du barreau. Les conditions de faible biréfringence induite sont réalisées par un laser à barreau de verre fonctionnant à des vitesses très faibles de répétition ou par un laser à rubis avec toutes les entrées de puissance moyenne les plus élevées, auxquelles les niveaux de gain, qui pour un rubis sont une fonc-25 tion de la température, seraient faibles de toute façon. Les avantages seraient, si désirés, la facilité de discrimination contre les modes désaxes et les chemins ou trajectoires de rayons d'une fluorescence intense qui dépendent des réflexions des côtés du barreau pour leur chemin du à un changement dans 1' 30 état de polarisation qui se produit après une reflexion interne totale (TIR) dans lequel le vecteur de polarisation incident n'est pas parallèle au plan de 1'interface ou repose dans le plan formé par le chemin des rayons et sa projection sur l'interface. Dans le cas d'un laser à verre le polarisateur extérieur discriminerait, 35 tandis que dans le rubis, le dichroïsme du matériau lui-même réaliserait cette fonction, aide par un polarisateur, si ceci est souhaité. Pour une reflexion interne totale "TIR" à l'intérieur du barreau la condition de polarisation n'est pas changée si la polarisation initiale est parallèle ou perpendiculaire aux côtés du 40 rectangle. Dans un barreau de section circulaire, il existe tou 70 14315 7 2039333 jours des modes, ou trajectoires de rayons, pour lesquels la reflexion interne totale "TIR" est possible sans changements de la condition de polarisation. C'est pour cette raison que des revêtements et traitements de surface sont utilisés. 5 Les Figures 9 et 10 représentent des systèmes sans forma tion d'image utilisant un barreau laser ayant un rapport largeur/ hauteur essentiellement tel que susmentionné. La Figure 9 représente un barreau laser 90 associé à une lampe flash hélicoïdale 91 qui enveloppe le barreau. La Figure 10 10 représente un barreau laser 100 et une paire de lampes flash 101 et 102 à l'intérieur d'un cylindre réflecteur symétrique 103. Les lampes flash, le barreau laser et le réflecteur sont tous bissectés par un plan commun. L'efficacité des configurations des Figures 9 et 10 est généralement plus faible que celle des autres modes de 15 réalisation décrits ci-dessus, par exemple, l'efficacité est inférieure de deux à trois fois. " Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans 20 sortir du cadre de l'invention ". 70 14315 3 2039333 REVENDICATIONS. 1. Système laser du genre à barreau ayant un rapport largeur/ hauteur supérieur à 2/1 caractérisé par le fait qu'il comporte des dispositifs de pompage orientes symétriquement ainsi que des dispo- 5 sitifs réflecteurs. 2. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le barreau a un rapport largeur/hauteur d'au moins 3/1. 3. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le barreau laser et la source de pompage sont alignés lon- 10 gitudinalement le long d'un axe commun à l'intérieur d'un réflecteur cylindrique. 4. Arrangement selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le réflecteur a une section transversale elliptique. 5. Arrangement selon la revendication 3, caractérisé par le 15 fait que le réflecteur est constitué d'une paire de réflecteurs elliptique qui s'intersectent et que le barreau s'étend sur la distance entre les foyers adjacents des deux réflecteurs elliptiques, et par le fait que la paire de réflecteurs, le barreau et les sources de pompage sont tous bissectés par un plan commun. 20 6. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de pompage est constitué d'une source hélicoïdale de lumière enroulée autour du barreau sur toute sa longueur. 7. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le barreau est placé selon la largeur d'un réflecteur cy- 25 lindrique dans un plan commun avec une bissectrice du réflecteur et par une paire de sources de pompage disposée symétriquement de chaque côté du barreau. 8. Méthode pour faire fonctionner le système selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle consiste à faire fonc- 30 tionner les sources de pompage pour induire des gradients thermiques substantiellement plans dans le barreau et par le fait que ces gradients sont substantiellement parallèles aux faces de ce barreau. 9. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé par le 35 fait que le laser est un laser à verre dopé avec un oxyde d'une terre rare. 10. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le laser est un barreau de rubis découpé de façon que son axe optique soit dans un plan perpendiculaire au grand côté de sasec- 40 tion transversale et que le rayon ordinaire dans le rubis a une 14315 5 . . ; 2039333 orientation de polarisation à. travers sa largeur.