Brevet FR2105093A1 — publié le 19720428

La présente invention a pour objet un oscillateur laser tel que la répartition de L'intensité lumineuse contenue dans une section droite du faisceau lumineux émis par ledit oscillateur peut être réglable. En particulier, ladite répartition peut être uniforme. La divergence du faisceau lumineux émis par cet oscillateur est également faible. L'inversion de population d'un milieu laser solide ou liquide est généralement obtenue par pompage optique grâce à l'éclair émis par une ou plusieurs lampes à décharge disposées autour du milieu actif. Ce mode de pompage fait apparaître des contraintes thermiques à la périphérie du milieu pompé: il en résulte une variation d'indice optique dans le milieu et de biréfringence induite. On constate alors que le faisceau laser émis diverge notablement et que la répartition de l'intensité lumineuse contenue dans une section droite du faisceau est beaucoup plus élevée sur les ords du faisceau qu'au centre. On peut dire que l'émission laser se fait approximativement sous la forme d'un anneau et que la densité d'énergie contenue dans une section droite du faisceau a la forme d'une cuvette. Pour les lasers à gaz, le milieu actif gazeux est contenu dans une enveloppe, généralement un tube en verre. De nombreux atomes gazeux excités, situés à la périphérie du milieu actif, entrent en collision avec la paroi de l'enveloppe. Ils se désexcitent et une quantité d'énergie non négligeable est perdue du fait de ces collisions. Il en résulte que la densité d'énergie n'est pas répartie uniformément le long d'une section droite du faisceau lumineux issu de ces lasers. Une solution employée pour pallier ces inconvénients consiste à déformer l'une des deux extrémités du milieu actif laser pour compenser l'inhomogénéité du pompage, mais il est impossible, une fois réalisé, de modifier 3-a forme donnée à cette extrémité. La correction effectuée n'est donc valable que pour un défaut particulier d'homogénéité du faisceau laser. La présente invention propose un oscillateur laser correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique notamment en ce que la répartition de l'intensité lumineuse contenue dans une section droite du faisceau lumineux émis par ledit oscillateur peut être réglable et en ce que la divergence du faisceau est relativement faible. A cette fin, l'invention propose un oscillateur laser comportant un milieu actif, des moyens de pompage pour créer une inversion de population dans ledit milieu, deux réflecteurs formant une cavité résonnante de PEROT-FABRY, ledit milieu actif étant placé & l'intérieur de ladite cavité, caractérisé en ce que l'un desdits réflecteurs est un prisme à réflexion totale, en ce qU&commat; que l'extrémité dudit milieu actif située du c6té dudit prisme forme un dioptre concave et en ce qu'une lentille convergente est centrée sur l'axe de ladite cavité résonnante entre ledit prisme et ledit dioptre concave, ladite lentille et ledit dioptre concave formant un système afocal de grossissement G réglable. L'invention sera mieux comprise la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné à titre d'exemple explicatif et non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel la figure unique représente un mode de réalisation avantageux de l'invention. Ce mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure unique est constitué d'un milieu actif laser 2 placé a l'intérieur et sur l'axe d'une cavité résonnante de PEROT-FABRY formée des deux réflecteurs 4 et 6. Le réflecteur 4 est semi-transparent et constitue le miroir de sortie de l'oscillateur. Le réflecteur 6 est, conformément à la présente invention, un prisme à réflection totale. Des moyens de pompage, représentés sur la figure unique par une lampe à décharge 8, permet de créer une inversion de population dans le milieu actif 2. L'extrémité de ce milieu située du côté du prisme 6 forme un dioptre concave 10. Lorsque le milieu actif 2 utilisé est un solide, le dioptre 10 est taillé directement dans la masse du solide. Lorsque le milieu actif est gazeux ou liquide, on donne une forme concave à l'une des deux extrémités de l'enveloppe contenant ce milieu actif.Entre le prisme 6 et le dioptre concave 10 et sur l'axe 12 de la cavité résonnante, est placée une lentille convergente 14. Cette dernière forme avec le dioptre concave 10 un système afocal de grossissement G. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, le prisme 6 et la lentille 14 peuvent etre assemblés en une seule pièce de façon à former un prisme ayant une face convexe. La distance entre la lentille 14 et le dioptre concave 10 peut être modifiée à volonté. Les avantages de l'oscillateur laser conforme à l'invention sont les suivants: le prisme 6 à réflection totale annule l'effet d'une déformation en forme de prisme du milieu actif laser 2 car dans un tel prisme tout rayon normal à l'arête revient parallèlement à lui-même. Le réglage de la distance de la lentille 14 au dioptre concave 10 permet de compenser les déformations du milieu actif 2. A titre d'exemple, dans le cas particulier des lasers solides et liquides, la répartition de la densité d'énergie contenue dans une section droite du faisceau lumineux émis par un oscillateur laser non conforme à l'invention a généralement la forme d'une cuvette, c'est-à-dire que la densité d'énergie est beaucoup plus élevée sur les bords du faisceau lumineux qu'au centre.Le réglage de la distance de la lentille 14 au dioptre 10 permet de passer d'une répartition de l'émission lumineuse en forme de cuvette à une répartition en forme de bosse dans laquelle la densité d'énergie transportée par le faisceau lumineux est plus importante au centre que sur les bords. Cette dernière répartition de l'énergie est très intéressante lorsque l'on désire amplifier le faisceau lumineux, car l'inversion de population créée par pompage optique dans un milieu laser solide ou liquide, et en particulier dans les milieux amplificateurs, est décroissante de la surface du matériau laser au centre. A titre d'exemple également, le réglage de la distance de la lentille 14 au dioptre 10 permet d'obtenir un faisceau lumineux émis par 1'oscillateur laser ayant une densité d'énergie uniforme.Un autre avantage de la présente invention est d'obtenir à la sortie de l'oscillateur laser un faisceaux lumineux de faible divergence. Ceci est obtenu en donnant au système afocal, constitué par la lentille 14 et par le dioptre concave 10, un grossissement au moins égal à 2 ce qui a pour effet de diminuer l'émission de lumière du milieu actif laser 2 sur des modes de résonance non axiaux de la cavité résonnante de PEROT-FABRY. Lorsque le prisme 6 et la lentille 14 ne constituent qu une seule pièce optique, il est avantageux que l'ouverture de la lentille 14 soit inférieure à f/4 (f désignant la distance focale de la lentille). Ceci a pour effet d'éviter des réflexions internes dans la pièce optique constituée par ltensemble 6-14, réflexions pouvant provoquer des fractures à l'intérieur ou à la surface de la pièce optique. Les réflexions lumineuses parasites pouvant avoir lieu sur le dioptre concave 10 sont sans effet sur la tenue des matériaux au flux laser car elles ne se focalisent pas dans ces matériaux. L'oscillateur conforme à l'invention peut fonctionner indifféremment en régime "libre" ou en régime "déclenché". Dans ce dernier cas le déclenchement de l'oscillateur peut être réalisé à l'aide d'un système électro-optique classique situé par exemple dans la cavité résonnante de PEROT-FABRY. A titre d'exemple, les principales dimensions d'un oscillateur laser réalisé conformément à l'invention étaient les suivantes: diamètre du milieu actif laser 8 mm, rayon du dioptre concave 50 mm, rayon de la lentille convergente 125 mm. Le grossissement G était alors égal à 2,5. La surface utilisée du prisme 6 avait un diamètre de 20 mm. I1 va sans dire que la présente invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple non limitatif. En particulier les dimensions de L'oscillateur réalisé n'ont été données qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Oscillateur laser, dont la répartition de l'intensité lumineuse contenue dans une section droite du faisceau lumineux émis par ledit oscillateur peut être réglable, comportant un milieu actif, des moyens de pompage pour créer une inversion de population dans ledit milieu, deux réflecteurs formant une cavité résonnante de PEROT-FABRY, ledit milieu actif étant placé à l'intérieur de ladite cavité, caractérisé en ce que l'un des réflecteurs est un prisme à réflexion totale, en ce que l'extrémité du milieu actif située du côté dudit prisme forme un dioptre concave et en ce qu'une lentille convergente est centrée sur l'axe de ladite cavité résonnante entre ledit prisme et ledit dioptre concave, ladite lentille et ledit dioptre concave formant un système afocal de grossissement G réglable. 2. Oscillateur laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit prisme à réflexion totale et ladite lentille sont réunis, l'ensemble formant un prisme ayant une face convexe. 3. Oscillateur laser suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'ouverture de ladite lentille est au plus égal à f/4, f désignant la distance focale de ladite lentille. 4. Oscillateur laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit grossissement G est au moins égal à 2, ce qui a pour effet de diminuer la divergence du faisceau laser. 5. Oscillateur laser suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit milieu actif est un solide. 6. Oscillateur laser suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit solide est du verre dopé au néodyme. Nouvelles revendications modifiées après le premier projet d'avis documentaire.