Brevet FR2085210A1 — publié le 19711224

L'invention a pour obj et un procédé d1augmentation de •l'énergie de sortie d'un laser de puissance. Le rendement d'extraction, que l'on peut définir par la valeur du rapport de l'énergie de sortie du laser à l'énergie de pompage injectée dans le milieu 5 actif laser pour y créer une inversion de population, est donc augmenté. L'invention a également pour"objet un laser comportant application dudit procédé. Les lasers de puissance sont généralement constitués d'un générateur laser émettant un faisceau pratiquement parallèle 10 de lumière sensiblement cohérente et monochromatique et d'un milieu amplificateur recevant et amplifiant la lumière laser émise par le générateur. Le faisceau se compose soit d'une ou plusieurs impulsions lumineuses, soit d'un flux continu, modulé ou non, de lumière laser. Le milieu amplificateur peut être 15 en un ou plusieurs, tronçons constituant ainsi un ou plusieurs amplificateurs. Le milieu actif laser dans lequel il est possible de réaliser une inversion de population peut être solide (verres ou cristaux), liquide (par exemple oxychlorure de sélénium) ou gazeux (gaz carbonique par exemple). 20 Lorsque 1'éclairement du milieu actif par le faisceau laser dépasse une certaine valeur, appelée seuil de fracture, il apparaît des dommages à l'intérieur ou à la périphérie du milieu actif. Ces dommages apparaissent sous forme d'un claquage du milieu, analogue au claquage d'un diélectrique soumis à une 25 tension électrique de valeur trop élevée. Dans un milieu actif solide, il en résulte une ou plusieurs fractures endommageant d'une façon permanente le milieu laser. Il est donc nécessaire que dans une chaîne laser amplificatrice, 11éclairement ne dépasse pas en chaque point du milieu actif la valeur du seuil de fracture. 3 0 La valeur maximale de la densité d'énergie que peut fournir un laser est donc légèrement inférieure à la valeur du seuil de fracture. Cette valeur maximale n'est donc obtenue en tout point du faisceau de sortie que lorsque la répartition de l'intensité lumineuse dans une section droite du faisceau laser est uniforme. 3 5 Le rendement d'extraction augmentant avec 1 *éclairement du faisceau laser, l'amplification du faisceau laser sera plus grande pour les parties ayant une plus grande densité d'énergie: les inhomo-gënéités de densité d'énergie sont donc accentuées par amplification. 70 04185 2 2085210 La lumière laser émise par le crénérateur étant amplifiée au fur et à mesure de sa progression dans le milieu amplificateur, il est nécessaire pour éviter des fractures que la section du milieu amplificateur aille en croissant. C'est ainsi que, pour 5 une chaîne amplificatrice formée de barreaux cylindriques en verre dopé au néodyme et placés les uns à la suite des autres, le diamètre de ces barreaux augmente de l'un à l'autre de l'entrée de la chaîne amplificatrice à sa sortie. La chaîne amplificatrice peut alors être traversée, soit par un faisceau lumineux paral-10 lêle, un système focal étant placé entre deux amplificateurs successifs, soit par un faisceau divergent, la divergence étant obtenue à l'aide d'un système optique divergent placé à la sortie du générateur. Cette deuxième méthode permet d'obtenir un rendement d'extraction meilleur qu'avec la première. Cependant, le 15 système optique divergent fournit de la pupille de sortie du générateur., pupille qui peut être un diaphragme placé à la sortie du générateur ou le miroir semi-réfléchissant de sortie du générateur, une image de diffraction située à proximité de l'entrée de la chaîne amplificatrice. La pupille de sortie étant généra-20 lement circulaire, cette image de diffraction se compose d'un système d'anneaux de Fresnel d'autant plus contrasté que l'on s'éloigne de l'endroit où se forme l'image de la ptipille. Pour une chaîne amplificatrice de grande longueur, le contraste entre ces différents anneaux de Fresnel augmente très rapidement au 25 fur et à mesure de l'amplification du faisceau lumineux dans la chaîne, puisque, d'une part on s'éloigne de plus en plus de la position de l'image de la pupille de sortie et, d'autre part, les inhomogënêités de densité d'énergie augmentent au cours de l'amplification du fait de la variation du rendement d'extraction 30 en fonction de 1'éclairement du faisceau. Plus la longueur de la chaîne amplificatrice est importante, plus le système d'anneaux de Fresnel est contrasté. A la sortie d'un laser de puissance, la répartition de la densité d'énergie dans une section droite du faisceau lumineux est donc modulée par ce système d'anneaux 35 de Fresnel. De plus, le diamètre des derniers étages amplificateurs étant relativement grand, la densité d'inversion de population créée dans le milieu actif est plus élevée à la périphérie qu'au centre (inhomogênéitë du pompage optique). De ce fait, la modulation à la sortie du laser de puissance est plus forte sur les bords du faisceau laser qu'au centre. 70 04185 3 2085210 L'invention fournit un procédé et un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils permettent de supprimer en grande partie la modulation, due aux anneaux de resnel, de la densité 5 d'énergie dans une section droite du faisceau lumineux émergeant d'un laser de puissance. Dans ce but, l'invention propose un procédé d'augmentation de l'énergie de sortie d'un laser de puissance constitué d'un générateur laser terminé par une pupille de sortie et d'un milieu 10 amplificateur, ledit procédé étant caractérisé en ce au'il consiste principalement à l'aide d'un système optique à rendre convergent le faisceau laser sensiblement parallèle émergeant de ladite pupille et à choisir pour ledit système optique sa distance focale et sa position de sorte que le faisceau traversant ledit 15 milieu amplificateur soit divergent, que ledit système optique fournisse de ladite pupille une image située â proximité du centre dudit milieu amplificateur et que la distance de ladite image à ladite pupille soit plus grande que la longueur dudit milieu amplificateur. 20 L'invention a également pour objet un laser comportant application dudit procédé et caractérisé en ce qu'il comporte un système optique convergent centré sur le faisceau laser et placé entre ladite pupille de sortie et ledit milieu amplificateur. L'invention sera mieux comprise â l'aide de la descrip-25 tion qui suit d'un mode d'exécution de 1'invention.donné â titre d'exemple non limitatif. La description se rapporte au dessin qui l'accompagne dans lequel la figure unique illustre ledit procédé et représente un mode de réalisation avantageux de l'invention appliquée à une chàîne amplificatrice d'un laser solide 3 0 à verre dopé au néodyme et comportant trois amplificateurs. Sur la figure unique, un faisceau laser l sensiblement parallèle, délivré par un générateur laser non représenté, passe à travers une pupille 2 qui peut être par exemple le miroir semi-réflëchissant de sortie du générateur laser ou encore, comme 3 5 représenté sur la figure unique, un diaphragme percé d'un trou circulaire A. Trois amplificateurs ; , 4 et 5 formant une chaîne amplificatrice sont placés suivant l'axe optique du faisceau laser 1. Ils sont constitués de tubes â décharge 6, 7 et 8 entourant trois barreaux cylindriques de verre dopé au néodyme et 40 permettant de créer à l'intérieur des barreaux une inversion 70 04185 4 2085210 de population. Le diamètre des barreaux cylindriques des amplificateurs 3 , 4 et 5 va en croissant de l'un à l'autre au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la pupille 2. Cette croissance du diamètre 5 des différents amplificateurs permet d'amplifier dans la chaîne un faisceau lumineux divergent. La divergence du faisceau laser est réalisée, suivant la présente invention, à l'aide d'un système optique convergent représenté par une lentille convergente 9, et non à l'aide d'une lentille divergente comme c'est le cas 10 pour les dispositifs de 1'art antérieur. Cette lentille convergente 9 a une distance focale égale à la distance op et fournit du trou circulaire A une image B située à proximité du centre du milieu amplificateur constitué par les trois amplificateurs 3 , 4 et 5 et à une distance L de la pupille 2. La distance d 15 de la pupille 2 à la lentille convergente 9 est choisie de sorte que la distance L soit grande par rapport â la longueur !_ du milieu amplificateur. En pratique, le procédé est mis en oeuvre de la façon exposée ci-après: 20 On dispose d'une pupille percée d'un trou de diamètre D, d'un milieu amplificateur de longueur 1 et capable d'amplifier un faisceau laser ayant une valeur maximale de divergence égale à a. La divergence étant donnée dans tous les cas par la valeur £> du rapport -gp — , on peut calculer immédiatement la distance 25 focale DF de la lentille convergente 9, connaissant les valeurs de a et de D. On désire que l'image B soit située à proximité du centre du milieu amplificateur et que la distance L soit grande par rapport à la longueur 1 du milieu amplificateur. Ceci est réalisé très facilement en éloignant suffisamment la chaîne 3 0 amplificatrice de la pupille 2. Connaissant la distance focale OF de la lentille convergente 9 et la longueur L, on détermine la distance d à l'aide de la formule bien connue des lentilles convergentes : 3 5 La détermination de la distance d permet de placer la lentille convergente 9. A proximité de l'image B et en particulier pour les points du milieu amplificateur les plus éloignés de cette image, 70 04185 2085210 à savoir l'entrée et la sortie du milieu amplificateur, les anneaux de I resnel dus à l'image de diffraction de la pupille 2 n'apparaissent pratiquement pas puisque la distance L a été choisie grande devant la longueur 1 du milieu amplificateur. 5 De ce fait, on peut considérer que l'amplification du faisceau laser passant à travers les amplificateurs 3 , 4 et 5 ne modifient pas la répartition radiale de la densité d'énergie existant avant amplification pour le faisceau laser ï. En particulier, si la densité d'énergie contenue dans une section droite est 10 uniforme en chaque point avant amplification, elle le sera également après amplification par les amplificateurs 3 , 4 et 5. Le faisceau laser ne présentant pas de surintensités créées par amplification, et en particulier par l'apparition d'un système d'anneaux de ?rêsnel, sa densité d'énergie peut être rendue 15 par amplification très voisine, mais inférieure, à la valeur pour laquelle il apparaît des fractures dans le matériau laser. De plus, le rendement d'extraction d'un amplificateur augmentant avec 1'éclairement du faisceau lasèr le traversant, la mise en oeuvre du procédé de la présente invention permet donc d'augmen-20 ter l'énergie de sortie d'un laser de puissance. L'énergie transportée par an faisceau laser sortant d'un générateur n'est en général pas suffisant pour amorcer un claquage au foyer d'une lentille convergente telle que 9 placée sur le trajet du faisceau. Cependant, dans le cas contraire, 25 il peut être utile de placer sous vide la zone avoisinant le. foyer de la lentille, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement la valeur de l'énergie à laquelle un claquage peut se produire. Il va sans dire que la présente invention ne se limite 3 0 pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et que la portée du présent brevet s'étend à tout ou partie des dispositions restant dans le cadre des équivalences ainsi qu'à toutes applications de telles dispositions. En particulier, le milieu amplificateur peut être consti-3 5 tué d'un seul amplificateur. Le matériau amplificateur peut être solide, liquide ou gazeux. 70 04185 6 2085210 REVENDICATIONS 1°) Procédé d'augmentation de l'énergie de sortie d'un laser de puissance constitué d'un générateur laser terminé par une pupille de sortie et d'un milieu amplificateur, ledit procédé 5 étant caractérisé en ce qu'il consiste principalement à l'aide d'un système optique à rendre convergent le faisceau laser sensiblement parallèle émergeant de ladite pupille et à choisir pour ledit système optique sa distance focale et sa position relative par rapport à ladite pupille et audit milieu amplificateur de 10 sorte que le faisceau traversant ledit milieu amplificateur soit divergent, que ledit système optique fournisse de ladite pupille une image située à proximité du centre dudit milieu amplificateur et que la distance de ladite image à ladite pupille soit plus grande que la longueur dudit milieu amplificateur. 15 2°) Laser comportant application du procédé défini par la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système optique convergent centré sur l'axe du faisceau laser et placé entre ladite pupille de sortie et ledit milieu amplificateur. 3 °) Laser suivant la revendication 2, caractérisé en 20 ce que ledit système optique est une lentille convergente. 4°) Laser suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu actif laser dudit générateur et ledit milieu amplificateur sont des matériaux solides. 5°) Laser suivant la revendication 4, caractérisé en 25 ce que lesdits matériaux solides sont du verre dopé au néodyme.