Brevet FR2097123A1 — publié le 19720303

* 2097123 La présente invention est relative aux lasers et, plus particulièrement^ ' à un -.ascr -dont le milieu-actif est un colorant organique, qui peut émettre en continu. " iVj C3urs des dix dernières années, l'attention dss chercheurs fut ccnceacrée sur le .problème posé par. la mise au point d'un laser que l'on puisse régler pour qu'il émette en continu un rayonnement d'une longueur d'onde quelconque s:itq,ée dans une région assez large du.spectre optique, c'est-à-dire, dans L'ultraviolet, le visible et l'infrarouge. Cette attention est due, en partie, à 1!intérêt, de ceux qui prévoient un grand nombre d'applications scientifiques et commerciales dans des domaines tels que la spectroscopie, les communications, la photochimie, l'enregistrement d'imageç etc. Malgré l'intérêt et les efforts intenses, peu de progrès ont été obtenus .pour: permettre de résoudre le problème posé. On doit noter que de nbmbreusés substances, utilisables comme agent actif pour l'émission d'un faisceau laser, ont été découvertes pendant les six premières années de la technologie du laser, une grande partie de ces substances pouvant servir dans un laser à émission continue. Cependant, le spectre de fluorescence de ces substaneès, étant basé principalement sur les transitions atomiques dans la région visible du. spectre, est formé de raies et, en conséquence, ces substances ne peuvent être utilisées pour l'émission en continu dans le spectre visible. En 1966, un pas important vers la solution finale posée par le laser à émission continue fut fait lorsque P. P. Sorokin et J= R. Lankard démontrèrent que l'on pouvait obtenir une émission stimulée de radiation cohérente en utilisant des colorants organiques fluorescents en solution comme milieu émetteur de faisceau laser ^IBM Journal, Vol. 10, p. 162, 1966). Contrairement à celle des autres agents actifs,-la fluorescence des colorants organiques se présente sous forme d'une large bande, s'étalant sur plusieurs centaines d'angstrSms dans l'intervalle spectral de 0}2 u, à. 1,2. ■ p,. -Cette fluorescence, étant basée sur les transitions moléculaires plutôt qu'atomiques,, permet d'obtenir avec le laser à colorant un faisceau d'une quelconque longueur d'onde située ;.dans. une largç partie de la. frande de-fluorescence. Comme il existe un grand nombre de colorants, organiques et^que chacun de ces colorants possède sa propre bande de fluorescence, le laser à colorant a été très largement accueilli comme étant le premier laser réglable capable de fonctionner dans tout le spectre optique. L'effet laser, dans les expériences de Sorokin et Lankard.' est obtenu en plaçant la solution de colorant dans une cavité résonnante formée par des surfaces réfléchissantes parallèles usvelies. La solution est soumise au "pompage optique" par un rayonnement excitateur provenant d'un laser à rubis donnant des impulsions d'une haute intensité ou du type !'à blocage de Q". 71 20175 2 ' 2097123 Le Q d'un laser à cavité résonnante est une mesure du rapport de l'énergie emmagasinée à l'énergie dissipée pendant une période de l'onde lumineuse. Par suite de la durée de l'impulsion donnée par la source d'excitation, l'effet laser dans la solution du colorant est réduite à moins d'unç microseconde. 5 Ainsi, le laser de Sorokin et de Lankard, bien que réglable spectralement ne donne qu'une solution partielle au "problème mentionné précédemment. En dépit des efforts réalisés, on n'a pas pu obtenir un laser à colorant organique pouvant émettre un rayonnement continu. Les obstacles, s'opposant à la réalisation d'un tel laser, sont; .généralement de deux sortes. 10 Le premier obstacle est que l'accumulation non contrôlée de molécules dans l'état triplet métastable limite la durée d'émission de rayonnement du laser à quelques microsecondes, comme il est décrit dan? l'article intitulé "Flashlamp excited organic dye lasers" par B.. B. Snavely et publié dans les travaux de l'I.E.E.E. Vol. 57, n°8 - 1969. Comme il est bien connu, l'émission 15 stimulée de radiation à partir des colorants organiques fluorescents est due à des transitions radiatives qui ont lieu, lorsque les molécules dans l'état singlet excité retournent à l'état singlet fondamental. Il existe cependant une faible probabilité que les molécules excitées, au lieu de retomber directement à l'état fondamental, y retournent indirectement par transitions non 20 radiatives de l'état singlet excité à un état triplet inférieur. Ces transitions non radiatives constituent une perte pour le phénomène laser. Autrement dit, l'énergie utilisée pour pomper ou exciter les molécules à un état d'où l'effet laser peut avoir lieu, est perdue si les molécules retournent à l'état fondamental en passant par l'état triplet. La probabilité des transitions de 25 l'état singlet à l'état triplet est faible, et celle des transitions de l'état triplet à l'état fondamental est également faible. Ainsi, l'état triplet tend à jouer le rôle de piège pour les molécules excitées et diminue la quantité dé molécules disponibles pour la formation d'un faisceau-laser. Non seulement, l'état triplet réduit lg quantité des molécules utili-30 sables, "mais il gêne l'effet laser car 1'orientation des spins est telle qu'elle permet les transitions entre triplets et l'absorption optique associée à ces transitions est forte. De plus, la bande d'absorption .correspondante recouvre généralement le spectre de fluorescence des colorants. En conséquence, l'accumulation de molécules dans l'état triplet entr.aîne des pertes optiques impor-35 tantes aux longueurs d'onde pour lesquelles une émission >de faisceau laser est probable. En fait, l'absorption associée aux transitions .triplet-triplet peut être assez importante pour réduire ou même empêcher l'émission de rayonnement laser en moins d'une microseconde. Cependant, de récentes expériences ont montré qu'.ijl était possible '40 de réduire, par des procédés chimiques, la durée de vie de l'état triplet 71 20175 3 2097123 (l'inverse de la probabilité des transitions triplet-singlet) de nombreux colorants organiques à une durée suffisamment courte pour éviter que la concentration en molécules dans l'état triplet soit assez élevée pour gêner l'émission continue du rayonnement laser, comme il est décrit par B.B. Snavely et 5 F.P. Schafer dans l'article intitulé "Feasibility of CW opération of dye lasers" et publié dans "Physics Letters" Vol. 28A - n° 11, 1969. Par addition d'oxygène moléculaire, par exemple à plusieurs solutions de-colorants organiques connus, la durée de vie de l'état triplet du colorant peut être réduite pour permettre aux molécules, normalement piégées dans l'état triplet, de 10 retourner rapidement à l'état fondamental en une durée suffisamment courte pour permettre l'émission continue du faisceau laser. On a obtenu des résultats analogues lorsque l'on a utilisé, pour réduire la durée de vie de l'état triplet, du cyclooctatétracène dans des solutions éthyliques de colorants organiques, tels que la Rhodamine 6G et la 15 Rhodamine B, ou de l'anthracène dans des solutions de dichlorofluoresceine dans l'éthanol. L'efficacité de ce traitement chimique dépend naturellement de la probabilité de transition entre états singlet et triplet ainsi que de la sensibilité du triplet aux adjuvants utilisés. En d'autres termes, la vitesse à laquelle ont lieu les transitions singlet-triplet peut être si élevée 20 qu'aucune quantité d'adjuvants ou aucun adjuvant connu ne soient appropriés pour réduire suffisamment la quantité de molécules dans l'état triplet. Pour limiter les pertes optiques dues à l'état triplet, on peut réduire la durée de vie de l'état triplet par addition de composés chimiques, et, en plus, éviter physiquement l'accumulation de molécules dans l'état tri-25 plet dans le volume actif de la cavité résonnante.On a trouvé que cette accumulation de molécules dans l'état triplet peut être limitée dans une certaine mesure, sinon entièrement, en faisant s'écouler la solution de colorant à vitesse élevée dans le volume actif de la cavité résonnante. Ce procédé a pour effet de maintenir la densité de population des molécules dans l'état triplet 30 à une faible valeur par rapport à celle dans l'état singlet. Par ce procédé, on diminue la perte par absorption et on augmente le nombre de molécules disponibles pour l'effet laser. Le seul inconvénient de ce procédé est que son utilité est limitée aux lasers dont le volume actif est relativement petit. On a trouvé que la durée de vie de l'état triplet dans la région active de la 35 cavité résonnante doit être réduite à une microseconde ou moins. La vitesse d'écoulement de la solution dans le volume actif doit être telle que les molécules de colorant traversent la région active pendant cette durée. Lorsque la distance à traverser est de l'ordre du millimètre ou plus, une pression relativement élevée est nécessaire pour que la durée d'écoulement soit appropriée. 40 Cependant, dans le cas de cavités résonnantes, on a remarqué que les pressions 71 20175 4 2097123 nécessaires pour obtenir la durée d'écoulement appropriée ne sont pas tout à fait inaccessibles. En fait, en combinant les procédés chimiques et physiques pour réduire la durée de vie de l'état triplet, il est possible d'augmenter considérablement 5 le nombre de colorants utilisables dans les lasers à émission continue bien au-delà des colorants particuliers dont la durée de vie de l'état triplet peut être réduite suffisamment par l'un ou l'autre procédé. D'après ce qui précède, il est apparent que le premier problème posé par les pertes optiques associées à l'état triplet métastable a été résolu et 10 aucun obstacle majeur ne s'oppose à l'émission continue du faisceau laser. Le deuxième obstacle s'opposant à la réalisation d'un laser à émission continue est que l'on observe des pertes optiques dues à des effets thermiques se produisant pendant le pompage. Pour obtenir un faisceau laser continu, il est essentiel (1) de main-15 tenir continuellement une inversion de population au moins dans une partie du milieu actif et (2) de stimuler sans cesse une émission de photons dans le milieu où l'inversion de population est créée. Ceci est réalisé en bombardant ce milieu par une quantité suffisante de photons émis à la fréquence du laser pour maintenir la densité d'énergie nécessaire à l'inversion. 20 Le problème fondamental est de maintenir, pendant le pompage continu, l'homogénéité optique appropriée dans le milieu actif (1) pour que la densité de l'énergie d'excitation reste à une valeur supérieure ou égale à celle nécessaire à la production de l'inversion de population et (2) pour qu'une partie suffisante des photons émis à la fréquence du laser soit renvoyée, par 25 les miroirs de la cavité résonnante, dans le milieu excité afin de maintenir constante la densité de l'énergie nécessaire à l'amorçage du phénomène laser. Dans le phénomène laser, les molécules absorbent le rayonnement provenant de la source d'excitation et sont portées à des niveaux supérieur d'énergie. Comme on le sait, la transition de ces molécules excitées vers le niveau fondamental 30 est formée de transitions radiatives accompagnées d'une émission de photons et de transitions non radiatives où de l'énergie thermique est créée. Une addition non uniforme d'énergie thermique au milieu actif entraîne des gradients thermiques qui provoquent des variations d'indice de réfraction ou des hétérogénéités optiques. Ces gradients gênent la propagation uniforme de l'énergie dans 35 le milieu actif et entraînent ainsi des pertes d'énergie d'excitation et des quantités de photons disponibles pour l'émission stimulée. Jusqu'ici, ces pertes n'ont pas été réduites à un niveau nécessaire pour permettre l'émission continue du faisceau laser. La présente invention a pour objet un laser, dont le milieu actif est 40 une solution liquide de colorant organique, qui peut émettre en continu un 71 20175 2097123 ravonnez/ent cohérent d'une longueur d'onde choisie et 'située dans la bande de fluorescence du colorant or.gan.ique. le laser, 's'-iiv&wz 1 ' invention, : éprenant une source de- r ?.vc nnement excitateur et une cavité résonnante contenant une solution de colorant organique comme milieu actif est caractérisé en ce que le milieu actif comprend en outre un agent qui réduit la durée de vie de l'état triplet du colorant et en ce qu'il comprend un dispositif de dissipation de chaleur associé à un miroir de la cavité résonnante pour dissiper l'énergie thermique, créée dans le milieu actif, à une vitesse suffisante pour éviter une variation importante de l'indice de réfraction du milieu actif. Le laser à émission continue, selon l'invention, est formé d'une cavité résonnante, du type utilisé habituellement, ayant un volume actif relativement petit. La cavité est adaptée pour permettre une excitation longitudinale de la solution du colorant organique fluorescent qu'elle contient. Le rayonnement excitateur, provenant d'une source d'énergie continue, telle qu'un laser à l'argon ionisé donnant une émission continue, pénètre dans la solution de colorant par l'un des miroirs semi-réfléchissants formant la cavité résonnante. Ce rayonnement est focalisé dans le volume actif de la cavité pour obtenir une densité d'énergie suffisante pour produire le nombre nécessaire de molécules excitées. Pour dissiper l'énergie thermique créée pendant le pompage, permettant ainsi de maintenir constante 1'horaogénéité optique de la solution, les fenêtres transparentes de l'enceinte contenant la solution de colorant par lesquelles le rayonnement d'excitation pénètre dans le milieu actif, sont formées, de préférence, d'une substance d'une conductibilité thermique relativement élevée, telle que le saphir, le diamant ou l'oxyde de béryllium. L'homogénéité optique est aussi maintenue en utilisant un solvant du colorant dont l'indice de réfraction ne varie que très faiblement avec la température ainsi qu'un dispositif de pompage.et d'échangeur de chaleur* Ce dispositif permet de faire circuler, à vitesse élevée, la solution de colorant dans la région excitée de la cavité et de la refroidir avant de la recycler dans la cavité. Ce dispositif peut aussi servir à diminuer les pertes optiques dues à l'état triplet métastable des molécules de colorant. Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple : - la Fig. 1 représente un schéma des niveaux d'énergie d'une molécule de colorant organique ; - la Fig. 2 est un schéma d'un laser à colorant organique, donnant une émission continue, conforme à l'invention ; - la Fig. 3 est une vue agrandie du volume actif de la cavité résonnante ; 71 20175 6 2097123 formant la cavité résonnante sont extérieurs à l'enceinte contenant la solution de colorant ; - la Fig. 5 est une vue schématique d'un laser selon l'invention. A la Fig. 1, les lignes horizontales épaisses représentent les états 5 vibrationnels de la molécule de colorant, et les lignes horizontales les plus fines représentent la structure rotationnelle de la molécule. L'absorption de l'énergie d'excitation ou de pompage et l'émission de rayonnement laser sont représentées respectivement par les transitions A_»B et B ..}a. Les autres transitions représentent des pertes dans le phénomène laser. 10 L'état fondamental électronique de la molécule est un état singlet, désigné par SQ» A cet état est associée une série d'énergies déterminées par l'excitation vibrationnëlle et rotationnelle quantifiée de la molécule. L'intervalle énergétique entre les niveaux vibrationnels est typiquement de l'ordre de 1 400 à 1 700 cm \ L'intervalle énergétique entre les niveaux rota-15 tionnels est beaucoup plus petit (de l'ordre d'une centaine de fois) que celui entre les niveaux vibrationnels. En conséquence, entre les niveaux vibrationnels, on observe pratiquement une continuité d'états. Les premier et deuxième états singlet et triplet excités sont respectivement désignés par et S^, T1 et T2" 20 Comme l'état fondamental électronique, chaque état électronique excité de la molécule est formé d'un ensemble analogue de niveaux d'énergie. Les transitions optiques entre ces niveaux électroniques entraînent un phénomène d'absorption et d'émission caractéristique de la molécule de colorant. Dans le phénomène d'émission de faisceau laser, les molécules sont 25 excitées par un rayonnement d'excitation ou de pompage et sont amenées, par absorption de ce rayonnement, des niveaux les plus bas de l'état singlet fondamental Sq, à des niveaux vibrationnels et rotationnels plus élevés du premier état singlet excité S^. L'excitation des molécules dë colorant peut être obtenue par illumination à l'aide de lampe à éclair ou d'un autre laser ayant les carac- 30 téristiques spectrales appropriées. A. la Fig. 1, l'excitation moléculaire est alors/ présentée par la transition La molécule excitée retombe/sans émission de rayonnement, sur le niveau B qui est un niveau inférieur de l'état excité S^, cette transition étant indiquée à la Fig. 1* par une flèche ondulée entre b et B. L'émission dû faisceau laser est due à la' tratisition stimulée entre les 35 niveaux B et a. Le niveau a correspond à un état vibrationnel et rotationnel élevé de l'état fondamental Sq. L'effet laser se termine alors par une transition non radiative entre les niveaux a et A qui est le niveau le plus bas de l'état fondamental. Avant que l'émission cohérente se produise, la concentration des 40 molécules dans l'état singlet excité S^, doit atteindre une certaine valeur 71 20175 7 2097123 10 minimale appelée inversion critique, qui dépend des pertes dans tout le système laser. L'émission de radiation lors de la transition spontanée de l'état singlet excité B à l'état fondamental, connue sous le nom de fluorescence, dépend de la durée de vie'fde l'état B. Le symboleTutilisé dans l'invention est la période de la fluorescence du grand nombre de molécules de colorant excitées. Pour la molécule de colorant organique,°Z"est égal à environ 5 x 10 ^s. L'énergie des photons nécessaire à l'absorption optique maximale de la molécule est plus élevée à celle correspondant à la fluorescence maximale. Ainsi, la bande d'absorption est centrée sur une longueur d'onde plus courte que la bande de fluorescence. La différence des énergies mises en jeu pendant l'absorption et l'émission, est absorbée par les transitions non radiatives b -*B et a_^A. La séparation du spectre d'absorption de l'état singlet et du spectre de fluorescence est importante pour le laser à colorant car le colorant 15 non excité est alors pratiquement transparent à toute radiation de la bande de fluorescence. Comme on l'a mentionné précédemment, les transitions autres que celles qui ont lieu entre l'état singlet excité et l'état fondamental présentent des pertes pour le système. Les pertes les plus importantes proviennent de ce que 20 les molécules existant dans l'état singlet excité retournent à l'état singlet fondamental en passant par un état triplet intermédiaire. Ce procédé de retour indirect à l'état fondamental est nuisible à l'effet laser pour plusieurs raisons . La première et la plus évidente est que le rétour indirect à l'état 25 fondamental fait concurrence à la fluorescence pour diminuer l'énergie du niveau singlet excité. Ainsi les molécules qui auraient pu participer à la formation du faisceau laser sont' éliminées de l'état excité. La deuxième raison est que, les transitions singlet-triplet et triplet-singlet étant interdites par suite de l'orientation des spins, la pro-30 ■ habilité d'un retour indirect à l'état fondamental, fonction de la constante ' k de la vitesse de la transition, est petite et donc la durée de vie T~t de b i. _ l'état triplet est très grande. La valeur réelle de 7^, est fonction des conditions expérimentales. Pour une solution de colorant purifiée et dégazée, une -3 durée de vie de 10 s est typique. Comme la durée de vie de l'état triplet 35 est habituellement de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de la fluorescence, l'état triplet tend à jouer le rôle d'un piège pour les molécules excitées et diminue ainsi le nombre de molécules utilisables pour l'effet laser. La troisième raison est que les transitions triplet-triplet sont 40 permises par suite de l'orientation des spins. La large bande d'absorption 71 20175 2097123 correspondante recouvre généralement le spectre de fluorescence de l'état singlet. En conséquence, l'accumulation des molécules dans l'état triplet entraîne des pertes optiques importantes aux longueurs d'onde qui pourraient être utilisées pour l'émission du faisceau laser. 5 L'absorption optique entre les états singlets excités, par exemple entre et S^, comme le montre la Fig. 1, est aussi une source possible de perte optique pour le laser. L'importance de cette absorption est difficile à déterminer par suite du peu d'informations connues jusqu'ici. De la discussion précédente, il résulte que les pertes optiques dues à 10 l'état triplet sont très nuisibles à un effet laser continu. Si elles ne sont pas contrôlées, ces pertes peuvent stopper l'émission du faisceau laser en moins d'une microseconde après le début de l'émission, quelles que soient les molécules de colorant formant le milieu actif. Le procédé suivant l'invention, pour contrôler les pertes dues à l'état triplet , consiste à ajouter un adjuvant 15 approprié à la solution de colorant. Cet adjuvant sert à réduire la durée de vie de l'état triplet, c'est-à-dire à augmenter la probabilité des transitions —^So, jusqu'à une valeur telle que l'accumulation des molécules dans l'état triplet est évitée. Pour de nombreux colorants, on ajoute de l'oxygène moléculaire. Habituellement, on peut ajouter suffisamment d'oxygène en exposant sim-20 plement à l'air la solution du colorant. Pour d'autres colorants, tels que certains composés de la famille de la fluoresceine, on ajoute de l'anthracène. Il est aussi possible de réduire physiquement les pertes optiques dues à l'état triplet en diminuant le rapport des molécules dans l'état triplet à celles dans l'état singlet, dans le volume actif. Ceci peut être réalisé en faisant circu-25 1er la solution de colorant dans le volume actif à une vitesse telle que la durée de circulation dans le volume actif est égale à la durée de vie de l'état triplet obtenue avec le traitement chimique. Une diminution de la limite supérieure théorique de la durée de vie de l'état triplet dans le volume actif est ainsi obtenue. 30 Comme il est décrit à l'article intitulé "Intersystem Crossing Rate and Triplet State Lifetime for a Lasing Dye" de J.P. Webb et al, publié dans J. Chem. Phys. Vol. 53 (1970), le gain optique G d'un laser à colorant, dont la cavité résonnante a une longueur X et qui émet un faisceau de longueur d'onde A, peut être exprimé par la formule suivante : 35 (1) où L est la perte extrinsèque, comprenant toutes les pertes intracavité sauf les absorptions du colorant, et est indépendant de la longueur d'onde, N , N et représentent respectivement le nombre de molécules dans l'état singlet excité, l'état singlet fondamental et dans l'état triplet, S s 71 20175 9 2Ô97123 ( x% las sections transversales du faisceau stimulé, du rayonnement Z-SG'~J-Z ' ui" 1?-3C£L Ls - d - rv-c- 1 s rp?^; "■" du flux 1 incident de ihotons rv. \bix I _ final " " " A~ " ~ ~ o * f ,£■? r*r^ii ""n5 v~i3 c* ir»"^m 1 ^iior* "i-ns 1'^ csvits-» On .-?iît a-cr«irsr cas 1= section Transversale €T (A) du ra'.'Oïinement émis . g " par stimulation est proportionnelle à la finesse F (A) de la raie de fluorescence de l'état singlet et à la quatrième puissance de la longueur d'onde et inversement proportionnelle à la durée de la fluorescence : S - *4f g 8ntcN où la finesse de la raie de fluorescence est normalisée de telle sorte que : r \ __/0 F(/t)d = S (rendement quantique). et c est la vitesse de la lumière dans le vide et N l'indice de réfraction de la "solution de colorant. La vitesse de population de l'état triplet est égale à kg^,N et il se vide à une vitesse de N^/'Z^,. peut être donc exprimé par : nt~n où T]j, est la durée de vie de l'état triplet* En remplaçant N^, de l'équation (1) par sa valeur donnée à l'équation (3), on note que : G(h = N* (e (h ■■ kQT T e (A) ) - N «■ (A) - L/x. g bl i i os On voit que, pour obtenir un gain ou une production de photons, le coefficient •k de N doit être positif, soit : (A) " kSTXT V1' )0 donc i S ™ -S :/ 1 « ^2—.— > k^f,, GL (A) x st t t Ce critère doit être rencontré à toute longueur d'onde si la solution de colorant doit émettre un faisceau laser en continu. L'équation (4) représente une limite théorique à l'émission continue. En substituant (2) dans l'équation (4), on a : )\ S (À) 8 fieN kSTrr.TT En résolvant l'équation pour connaître la valeur de T^,, on peut voir que la durée de vie TT^ de l'état triplet dans le volume actif doit être inférieure à : (5) : secondes ' ' S T* cN Tksî «"T (fi) 71 20175 10 2097123 pour permettre une émission continue à une longueur d'onde/i. Cette courte durée de vie, bien qu'elle soit rare, peut être obtenue par les procèdes chimiques et mécaniques décrits précédemment. A la Fig. 2, un laser 5 à cclorant pouvant émëttre en continu est formé, 5 suivant un mode préféré de réalisation, d'une enceinte 10 en acier inoxydable qui contient une solution 11 d'un colorant organique fluorescent. Les parois opposées 13 et 14 de cette enceinte sont munies de miroirs 16 et 17 qui forment une cavité optique 20 résonnante hémisphérique. Le miroir 16 présente une concavité sphérique orientée vers le miroir 17. Le miroir 16 comprend un support 10 22 concave sphérique, fabriqué en flint dense ou autre substance analogue, et une couche 24 diélectrique et réfléchissante qui réfléchit fortement, mais pas totalement, les radiations électromagnétiques situées dans la bande de fluorescence de la solution de colorant, c'est-à-dire les radiations de longueurs d'onde utilisables pour le phénomène laser. Le miroir concave 16 transmet, de 15 préférence, 2 % environ de la radiation située dans la bande de fluorescence. De cette manière, le faisceau laser émis E peut être extrait de la cavité résonnante et collimaté par la lentille 25. A une certaine distance du miroir concave 16 et approximativement en son centre C de courbure, se trouve une couche diélectrique réfléchissante 26 qui, avec son support 28 optiquement 20 plan, forme le miroir 17. Bien que la couche 26 réfléchisse pratiquement toutes les radiations de la bande de fluorescence de la solution de colorant, elle est relativement transparente à la radiation de la bande d'absorption de la solution et transmet de préférence 75 % ou plus de cettè radiation. Le support 28 est aussi formé d'une substance qui transmet la radiation de la bande 25 d'absorption de la solution de colorant. De cette manière, le rayonnement 29 provenant d'une source externe à émission continue 30, ayant une répartition spectrale adaptée pour exciter les molécules de colorant, peut pénétrer dans l'enceinte 10. La source externe 30 est, de préférence, un laser à émission continue. 30 La Fig. 3 représente une vue agrandie et exagérée, pour but de clarté, de la cavité optique. L'énergie d'excitation, provenant de la source 30 est dirigée par une lentille convergente 32 de longueur focale F, vers la surface de la couche 26 pour former une tache de diffraction 33, d'un diamètre minimum d, à la surface interne de la couche 26. La densité de l'énergie d'excitation 35 arrivant sur cette surface interne doit être suffisante pour provoquer une inversion de population dans la solution de colorant. Les paramètres géométriques du miroir concave 16 et la distance qui le sépare du miroir 17 sont choisis pour que la tache de diffraction obtenue avec le système des deux miroirs corresponde pratiquement avec celle que la lentille 32 forme sur ou à proximité 40 de la surface interne de la couche 26. Ceci permet que l'énergie excitatrice et 71 20175 ii 2097123 l'émission du faisceau laser diverge de la même manière de telle sorte que l'absorption de l'énergie excitatrice corresponde à l'émission du faisceau laser. Le volume actif de la cavité résonnante, c'est-à-dire le volume dans lequel se situent les trajectoires des photons stimulés est défini par les 5 rayons R du miroir concave 16 et la distance entre les miroirs 16 et 17. Cependant, cette partie de la cavité résonnante, dans laquelle se produit réellement l'inversion de population, se situe seulement au voisinage de la surface interne de la couche 26 et s'étend sur une faible longueur de la distance qui sépare le miroir 17 du miroir 16. Cette longueur du volume actif est déterminée 10 par la concentration des molécules de colorant dans le volume actif. La concentration des molécules de colorant est ajustée pour que pratiquement toute l'énergie d'excitation soit absorbée avant que le faisceau focalisé de l'énergie excitatrice diverge d'une manière importante. La solution de colorant peut être formée par tout colorant organique 15 fluorescent dont la durée de vie de l'état triplet dans le volume actif peut être réduite, par des procédés chimiques ou physiques ou par les deux, à une valeur inférieure à celle indiquée dans l'équation (5) donnée précédemment. Si la durée de vie de l'état triplet peut être maintenue à une valeur inférieure à celle donnée par cette équation, le colorant peut théoriquement donner, d'une 20 manière continue, l'inversion de population nécessaire à l'émission du faisceau laser. Quant au solvant, il doit être capable de réduire les molécules de colorant à leur forme monomère. De plus, le solvant doit être transparent aux radiations émises et absorbées par les molécules de colorant et posséder de préférence des propriétés thermiques telles que son indice de réfraction ne 25 varie que très peu avec la température. Un solvant particulièrement utilisable ayant ces caractéristiques est l'eau contenant une quantité suffisante d'agents désagrégeants, par exemple des agents tensioactifs, pour réduire les agrégats des molécules de colorant. Des solvants utilisables sont décrits à la demande de brevet français 7110869 déposée le 29 mars 1971 au nom de la Demanderesse 30 et intitulée : "Compositions organiques utiles comme milieux actifs dans un laser". Pour dissiper l'énergie thermique résultant de l'absorption de l'énergie excitatrice et, pour faciliter la réduction des pertes optiques dues à l'état triplet, on utilise un dispositif pour faire circuler constamment et à vitesse 35 rapide, la solution de colorant, dans l'enceinte la contenant. Ceci est obtenu, comme l'indique la Fig. 2, à l'aide d'une pompe 40 placée dans un conduit 41 qui relie les entrée et sortie 42 et 43 pratiquées dans des parois opposées de l'enceinte contenant le colorant. Un échangeur de chaleur 45, tel qu'un bain de glace, est placé dans le conduit 41 pour abaisser la température de la solu-40 tion avant qu'elle soit recirculée dans l'enceinte. Pour dissiper l'énergie 71 20175 12 2097123 thermique, pour éviter des dommages à la couche 26 dus à la chaleur et pour réduire les hétérogénéités optiques dans le support, le support 28 optiquement plan est de préférence formé d'une substance transparente ayant un coefficient de conductivité thermique relativement élevé. Ce support 28 tend ainsi à jouer 5 le rôle d'un diffuseur de chaleur. Le saphir, le diamant et l'oxyde de berylliim sont des substances appropriées pour ce support 28. La dissipation thermique obtenue par la recirculation de la solution du colorant et par le support 28 servant de diffuseur de chaleur sert à maintenir l'homogénéité optique de la solution du colorant et du support plan 28 nécessai-10 re à la formation d'un faisceau laser continu. Non seulement l'énergie excitatrice doit être focalisée dans la solution du colorant pour obtenir la densité d'énergie nécessaire à l'inversion de population, mais un pourcentage suffisant des photons émis par les molécules dans le volume actif doit être renvoyé et refocalisé dans le volume actif afin de permettre une émission continue du 15 faisceau laser. Le tableau suivant donne des exemples de solutions de colorant qui, lorsqu'elles sont utilisées dans un appareil du type décrit précédemment et excitées par le faisceau d'un laser à argon ionisé donnant une émission continue, émettent un rayonnement cohérent continu. A l'exception du sel disodique 20 de la fluoresceine, toutes les solutions de colorant sont excitées par la raie o 5145A du laser à l'argon. Le sel disodique de la fluoresceine est excité par o la raie 4880A. Le laser à l'argon émet dans le mode TEMoo et le faisceau a un 2 diamètre de 2 mm pris à 1/e 'de l'intensité maximale. On utilise un objectif de microscope ayant une distance focale de 32 mm pour focaliser le faisceau 25 du laser à l'argon dans la cavité résonnante. Le traitement chimique pour réduire la durée de vie de l'état triplet est la principale cause de la diminution des pertes optiques dues à l'état triplet, bien que la circulation de la solution de colorant dans le volume actif pendant l'excitation participe jusqu'à un certain point à cette diminution. Pour les colorants particuliers indiqués, 30 sauf pour les colorants de la famille de la fluoresceine, la durée de vie de l'état triplet est réduite par simple aération de la solution avec de l'oxygène -2 moléculaire à une concentration de 0,2 x 10 M environ. Pour la fluoresceine, on ajoute de l'anthracène ou du cyclooctatétracène à la solution. Le rayon de courbure du miroir concave 16 est de 4,55 mm et l'espace séparant les miroirs 16 et 35 17 est égal approximativement à 4,53 mm, cette distance étant inférieure de 0,02 mm pour avoir une focalisation parfaite. Le diamètre de la tache de diffraction formée par la lentille 32 et le miroir concave 16 sur la surface de la couche 26 est, d'après les calculs, approximativement de 12Ja_. La solution du colorant s'écoule dans le volume actif perpendiculairement à l'axe 46 de la 40 cavité à des vitesses comprises entre 200 et 600 cm/s. Avec ces vitesses, les 71 20175 13 2091123 durées it- circulation dans Î2 volume actif sont de 6 à 18 microsecondes. Ces d"rees sont approyimativeTient inférieures à celles nécessaires jour 1 a réduction totale- i i-S 0UT66 Gt- V±6 CiS 1 ' Ctlât tï."ipÎ£t, SSOS 1 3GGXCXOÎ1 Çî ^ 3(j j V SFït S clliîHX — ques. La concentrai;ion du adorant est ajustée pour que tout le rayonnement excitateur soit absorbe dans une distance de 0,2 mis environ de la couche 26. 71 20175 14 2097123 Colorant Concent rat ion molaire en colorant Rhodaminé 6G Rhodamine 6G Rhodamino 6G Rhodamine B Dichloro- fluores->. cerne Sel disodique de la fluoresceine Sel disodique de la fluo-rescêine Tétra-chloro-fl.uores-ceine Tétré-chloro-fluoresceine Solvant +1,5% (a) de Triton XlOO (B) 2,0 x 10' -4 Eau + 2 70 d'ammonyx LO (D) E*u 25 7„ d'hexafluoroiso-propanol Eau + 25 % d'hexafluoroi so- propanol 2,5 x 10 1,5 x 10 -4 2,5 x 10 -4 Ethanol plus hydro- 2,0 x 10 xyde de sodium (E) plus anthracène (F) à 2 x 10"2m. Ethanol plus cyclo- 2,0 x 10 octratétraèneF à 5 x 10_2M. -4 -4 Ethanol plus 25 % 2,0 x 10 toluène plus anthracène (F) à 2 x 10_2M. -4 -4 Ethanol plus 2,0 x 10 cyclooctratétraène(F) à 5 x 10 -M. Ethanol plus 25 7» 2,0 x 10-toluène plus anthracène(F) à 2 x 10~2m. Densité de l'énergie incidente à l'amorçage (c) 55 kW/cm2 50 kW/cm^ 80 kW/cm2 100 kW/cm 150 kW/cm" 900 kW/cm 900 kW/cm 1,5 MW fcm 1,5 MW/Cm Longueur d'onde du pic >970A 5930A 5730A 6100A 5700A 5 5 50A 5550A 5820A 5820A (A) - les pourcentages sont en volume. (B) - Qctylphénoxypolyéthoxyéthanol. (C) - L'amorçage approximatif est mesuré à une vitesse d'écoulement de la solu tion de colorant de 600 cm/s dans le volume actif. (D) - Oxyde de lauryldiméthylamine. (E) - Quantité suffisante pour rendre la solution faiblement basique. (F) - Adjuvant chimique pour le blocage dé l'état triplet. 71 20175 15 2097123 La Fig. 4 représente un laser 50 à émission continue selon l'invention. Les miroirs 51 et 52 sont situés à l'extérieur de l'enceinte 53 contenant le colorant. La solution de colorant 54 est circulée à l'aide d'une pompe, non représentée, reliée par un conduit à l'entrée 55 et à la sortie 56. L'énergie 5 d'excitation 57, provenant d'une source à émission continue appropriée, est focalisée par la lentille 58 dans l'enceinte 53, le rayonnement excitateur traversant un miroir 52, servant à former la cavité résonnante, et une fenêtre 60 pratiquée dans la paroi de l'enceinte. Le foyer F' de la lentille convergente 58 est, de préférence, au milieu du volume actif V de la cavité résonnante. Le 10 miroir concave 52 de la cavité résonnante sert à recueillir les photons provenant du volume actif par la fenêtre 60 de l'enceinte et à les renvoyer vers son centre de courbure C^ situé dans le volume actif. Une lentille collimâtrice 62 située dans la paroi de l'enceinte contenant la solution du colorant, sert à collimater les photons, divergeant et provenant du volume actif, vers le miroir 15 51 formant la cavité résonnante. Les photons frappent perpendiculairement le miroir 51 et sont renvoyés vers le foyer F de la lentille 62 qui est situé dans le volume actif. On doit noter que l'association de la lentille 62 et du miroir 51 forme un "miroir épais" qui est équivalent au miroir concave 16 représenté à la Fig. 2. Le miroir 51 est légèrement transparent aux photons de longueurs 20 d'onde du faisceau laser pour qu'une partie de l'émission sorte de la cavité résonnante. Comme le montre la Fig. 4, le rayon de courbure du miroir 52 et la distance focale de la lentille 62 se recouvrent dans le volume actif de la cavité résonnante. Ceci permet de réduire les pertes optiques par diffraction 25 et de former une cavité résonnante optiquement stable, c'est-à-dire une cavité dans laquelle les photons émis ne "s'échappent pas" après plusieurs réflexions sur les miroirs. La cavité hémisphérique, représentée aux Fig. 2 et 3, est rendue stable par réglage du miroir concave pour que son centre de courbure soit situé derrière le miroir plan 17. De cette manière, l'image du centre de cour-30 bure C donnée par le miroir plan se trouve dans le volume optique. Bien que la cavité particulière représentée à la Fig. 4 soit asphé-rique de nature, le rayon de courbure du miroir 52 et la distance focale de la lentille 62 étant inégaux, il est facilement apparent que l'émission continue du faisceau laser peut aussi avoir lieu dans une cavité sphérique ou confocale. 35 Dans ces cavités, la surface interne de la fenêtre 60 de l'enceinte 53 (Fig. 4) doit être placée au voisinage du volume actif de la cavité résonnante pour minimiser les pertes optiques par absorption. A cause de l'énergie thermique importante créée dans le volume actif, la fenêtre 60 de l'enceinte 53 doit être constituée par une substance qui possède une faible capacité de conservation 40 de chaleur. Par ce moyen, l'énergie thermique dans le volume actif et dans la 71 20175 16 2097123 fenêtre peut être rapidement dissipée de manière à conserver les propriétés optiques de la fenêtre et de la solution de colorant nécessaires à la formation du faisceau laser à émission continue. Un des avantages à utiliser ces cavités sphériques et asphériques est que le volume actif peut être deux fois plus long 5 que celui de la cavité hémisphérique, ce qui donne un volume plus grand dans lequel la chaleur est dissipée et ce qui permet des concentrations inférieures en colorant. La Fig. 5 représente un laser selon l'invention qui comprend un dispositif pour régler la longueur d'onde du faisceau laser. Ce laser est ana-10 logue à celui de la Fig. 2, le miroir concave 16 étant remplacé par son "miroir épais" équivalent formé d'une lentille collimatrice 70 et d'un miroir 71. Par raison de simplicité, le miroir 71 est représenté sous forme d'un miroir plan. En réalité, pour que les photons soient renvoyés dans le volume actif, le miroir 71 doit être concave puisque le faisceau laser continue à diverger 15 légèrement après avoir traversé la lentille collimatrice 70. Pour la même raison, le miroir 51 de la Fig. 4 est aussi concave. Placé entre la lentille 70 et le miroir 71, se trouve un prisme 74, ou autre dispositif dispersif, qui permet de disperser le faisceau laser en ses composantes spectrales. Puisque chaque radiation frappe le miroir 71 sous 20 un angle particulier, seule la radiation arrivant perpendiculairement est renvoyée dans le volume actif. Les radiations stimulées ont donc cette longueur d'onde particulière. En faisant simplement pivoter le miroir 71 autour de son axe 76, il est possible de renvoyer une radiation de longueur d'onde désirée dans la cavité résonnante et d'obtenir ainsi un faisceau laser de longueur 25 d'onde déterminée. Le miroir 71 est, de préférence, faiblement transparent au spectre de fluorescence de la solution du colorant organique pour permettre au faisceau laser de sortir de la cavité résonnante. Naturellement , en plus du prisme, il est possible d'utiliser des réseaux de diffraction, et autres dispositifs optiques appropriés pour régler le faisceau laser. 71 20175 i / 2097123 ïhV IjND i \J_ . - Xur* Laser à émission contenue coupi-enant une sovrce -de rayonnesarit e;::ci tuteur et ■.'.nî: :,r~i - ' résonnants concena^r un railxea actif constitué par une -solution de colorant organique, caractérisé en ce que le milieu actif contient un agent réduisant la durée de vie de l'état triplet du colorant et en ce qu'il comprend en outre un dispositif pour dissiper la chaleur associé à un miroir de la cavité résonnante pour dissiper 1* énergie thermique créée dans le milieu actif à une vitesse suffisante pour éviter une variation importante de l'indice de réfraction du milieu actif.