Brevet FR2141905A1 — publié le 19730126

La présente invention concerne un oscillateur à laser pour la production de brèves impulsions lumineuses, avec utilisation d'un élément déterminant la fréquence. I1 existe de nombreux domaines d'application du laser dans lesquels il est souhaitable de disposer d'impulsions lumineuses extrffi cent brèves, de l'ordre de grandeur des picosecondes. Avec un oscillateur à laser, qui se compose dans le cas le plus simple d'un milieu actif et de deux réflecteurs formant un résonateur optique, il est possible de produire des impulsions lumineuses si par exemple l'énergie de pompage est appliquée sous la forme d'impulsions audit milieu actif. Si l'énergie de pompage dépasse la valeur de seuil de la matière active, l'oscillateur à laser se met à osciller au cas où il apparat, dans les limites de la largeur de bande d'amplification de la matière du laser, au moins une fréquen-ce propre d'une qualité du résonateur suffisante pour des oscillations. Dans le cas où se présentent un grand nombre de fréquences, une sélection de fréquence peut être effectuée par exemple en utilisant un réflecteur étalon ou une combinaison de plusieurs étalons, ou encore en intercalant un filtre de transaission dans le résonateur optique ; la sélectivité de la fréquence repose dans teus ces cas sur des phénomènes d'interférence. En général, on peut produire avec des dispositifs de ce genre des impulsions de l'ordre de grandeur de la nanoseconde. La présente invention a pour but de fournir un oscillateur à laser pour la production de brèves impulsions lumineuses avec utilisation d'au moins un élément déterminant la fréquence, oscillateur avec lequel il est possible de créer des impulsions lumineuses reproductibles de l'ordre de grandeur des picosecondes, pour des fréquences de répétition de l'ordre de grandeur du GHz. Pour atteindre ce but, l'élément déterminant la fréquence est selon l'invention dimensionné de manière que le simple temps de transit des impulsions dans cet élément soit de l'ordre de grandeur de la période transitoire atomique de cet élément déterminant la fréquence et qu'ainsi la condition de valeur de seuil n'est satisfaite que pour les impulsions qui sont plus courtes que la période transitoire de l'élément déterminant la fréquence. De péférence, l'élément déterminant la fréquence est accordable. L'élément déterminant la fréquence est, de préférence, la longueur du résonateur elle-même, un étalon ou un filtre de transmission. Conformément à l'invention, l'oscillateur à laser n'est pas susceptible d'oscillations en service stationnaire. Ce résultat est obtenu grâce au fait que l'élément déterminant la fréquence est réalisé de telle sorte qu'il n'existe aucune résonance dans les limites de la largeur de bande d'amplification naturelle de la substance du laser. Par contre, un paquet d'impulsions circulant dans l'oscillateur à laser à la vitesse de la lumière est susceptible d'exister lorsqu'il est suffisamment court pour que les éléments sélecteurs de la fréquence n'entrent pas en oscillation et ne perdent pas de ce fait leur propriété sélective. Tel est le cas, avec l'utilisation d'un réflecteur étalon, lorsque l'impulsion lumineuse est plus brève que le double de l'épaisseur optique de l'étalon, car des réflexions successives ne se recouvrent pas sur les surfaces de l'étalon, c'est-à-dire que la sélectivité de fréquence basée sur l'interférence disparaît. Pour une telle impulsion, la réflexion de l'étalon est indépendante de la fréquence, et, abstraction faite d'impulsions secondaires accessoires de petite amplitude, elle est égale à la réflexion de la surface la plus interne. En cas de réflexion suffisante des éléments non résonants, le laser commence à osciller et émet automatiquement de brèves impulsions lumineuses dont l'écart maximal est déterminé par le temps de transit dans le résonateur. A titre d'exemple, l'invention est ci-après expliquée de façon plus détaillée avec référence au dessin annexé. La figure 1 montre la position relative de deux fréquences de résonance. La figure 2 montre l'amplification correspondante de la substance active. Sur la figure 1,9 1 et 9 2 désignent deux fréquences de résonance dans l'état d'amorçage de l'oscillateur à laser. Sur la figure 2, on a indiqué par V l'amplification de la substance active et par S l'amplification de seuil de la matière active. Comme on peut le voir manifestement d'après la position relative des deux courbes, il n'apparaît, dans les limites de la largeur de bande d'amplification de la matière du laser, aucune fréquence propre pour laquelle l'amplification V dépasse la valeur de seuil S. Pour une épaisseur de 1 mm de l'étalon, il se produit une durée d'impulsion de 3 . 10'12 s et, pour une longueur de 15 cm du résonateur, il se produit une fréquence minimale de répétition de 1 GHz. La durée d'impulsion vers le bas, c'est-à-dire vers des petites valeurs, est alors limitée par la période transi toire atomique A I/2? Si le temps de transit dans les éléments dépendant de la fréquence est choisi pour qu'il soit précisément égal à la période transitoire atomique, l'écart des fréquences de résonance est égal à 21r fois la largeur de rail atomique homogène. En cas de faible réflexion des surfaces individuelles, la condition indiquée concernant le temps de transit sera satisfaite de façon relativement précise, car les amplitudes réfléchies sur différentes surfaces limites sont approximativement égales, tandis qu'en cas de réflexion plus élevée, ce n'est que par des réflexiens à quatre reprises qu'une interférence notable se produit, c'est-à-dire que le temps de transit dans l'élément peut titre plus grand que ce qui correspond à la condition indiquée ci-dessus. Les échos secondaires qui se produisent dans ces conditions ne jouent pratiquement aucun rôle, car ils arrivent dans une substance saturée par la première impulsion réfléchie. Le dispositif selon l'invention permet, de manière extrêmement simple, la production d'impulsions lumineuses très brèves. Il peut âtre couplé à une modulation Q du résonateur pour la production de macroimpulsions qui se composent alors d'une séquence d'impulsions ultra-brèves. REVENDICATIONS 1. Oscillateur à laser pour la production de brèves impulsions lumineuses, avec utilisation d'un élément déterminant la fréquence, caractérisé par le fait que l'élément déterminant la fréquence est dimensionné pour que le simple temps de transit des impulsions dans cet élément soit de l'ordre de grandeur de la période transitoire atomique et qu'ainsi la condition de valeur de seuil ne soit satisfaite que pour les impulsions qui sont plus courtes que la période transitoire des éléments déterminant la fréquence. 2. Oscillateur à laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément déterminant la fréquence est accordable. 3. Oscillateur à laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément déterminant la fréquence est la longueur du résonateur elle-mEme, un étalon ou un filtre de transmission.