Brevet FR2137183A1 — publié le 19721229

La présente invention due aux travaux de Messieurs Raymond ASTIER et Claude LOTH du Laboratoire d'Optique et de Physique Moléculaire de l'Ecole Polytechnique a pour objet un dispositif pour laser dont le milieu actif est constitué d'un liquide . Ce dispositif peut être utilisé notamment pour la réalisation d'un oscillateur laser capable de fournir des impulsions de lumière stimulée avec une fréquence de répétition ble- vée . Le milieu actif liquide peut entre, par exemple, formé d'un colorant fluorescent dissous dans un solvant approprié L'excitation des molécules fluorescentes d'un liquide afin d'obtenir une émission stimulée fut réalisée tout'd'abord à l'aide d'un laser, généralement un laser à rubis .Par la suite, ces molécules fluorescentes ont pu être excitées à l'aide de tubes à éclairs couramment utilisés pour le pompage optique des milieux laser solides . Le dispositif suivant la présente invention se rapporte uniquement à ce dernier type de pompage opti que'utilisant des tubes à éclairs .Le montage classique d'un laser à liquide excité par tubes à éclairs comprend une cuve réalisée en un matériau transparent, généralement du verre ou de la silice, dans laquelle circule le milieu actif liquide, deux miroirs parallèles formant une cavité résonnante de Fabry-P6rot dans laquelle est placée ladite cuve, et enfin un tube à éclairs permettant le pompage optique du milieu actif liquide . L'éclair est produit par la décharge rapide d'un condensateur dans au gaz qui remplit le tube à éclairs Généralement l'oscillateu I,'ser est déclenché coup par coup, l'opérateur utilisant par exemple un bouton de déclenchement .L'obtention d'impulsions laser à fréquence élevée, plusieurs fois par seconde par exemple, pose des problèmes technologiques difficiles à résoudre . Tout sabord la photolyse de la molécule fluorescente peut être importante, ce qui entraine une dégradation du milieu actif liquide d'ou une perte de rendement . Ce phénomène de photolyse impose que le milieu actif liquide soit pompé avec des énergies relativement faibles .En supposant que le seuil moyen d'oscillation laser (énergie minimale à fournir au milieu actif pour obtenir une émission stimulée) est d'environ 10 Joules et que l'on se fixe a priori une fréquence de récurrence des décharges électriques dans le tube à éclairs de 10 Hertz, le tube à éclairs devra siper au. minimum 100 Watts pour atteindre le seuil d'oaeillat.i0n. laser . Dans ces conditions, le rendement énergétique est qua siment nul . En pratique, il est préférable d'utiliser au moins une puissance d'excitation double, soit environ 200 Watts Cependant, cette puissance d'excitation n'est pas compatible avec une grande durée de vie des tubes à éclairs et il devient nécessaire de réduire le seuil d'oscillation laser pour augmenter la longévité du tube à éclairs La présente invention propose un dispositif pour laser à liquide correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'obtenir un seuil d'oscillation laser relativement bas A cette fin, l'invention propose un dispositif pour laser à milieu actif liquide caractérisé en ce qu'il comporte dans un boîtier étanche une enceinte transparente destinée à contenir ledit milieu actif liquide, de forme cylindrique, terminée à chacune de ses deux extrémités par une fenêtre plane et munie de deux ouvertures latérales d'entrée et de sortie dudit liquide actif, au moins un manchon de forme cylindrique s'emboîtant d'une façon étanche à chacune des deux extrémités de ladite enceinte, placé dans l'axe de ladite enceinte et traversant d'une façon étanche ledit boîtier par un trou percé dans l'axe de ladite enceinte, un tube à éclairs permettant le pompage optique dudit milieu actif liquide, ayant la forme d'un cylindre sensiblement de même diamètre que ladite enceinte et terminé à chacune de ses deux extrémités par une ampoule contenant une électrode d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe dudit cylindre, ledit tube à éclairs et ladite enceinte étant placés côte'à côte et ayant sensiblement la même longueur, au moins un manchon sortant dudit boîtier d'une façon étanche et entourant d'une façon étanche chacune desdites deux ampoules et des amenées de courant électrique auxdites électrodes, un réflecteur entourant latéralement ledit tube à éclairs et ladite enceinte, des moyens pour la circulation dans ledit boîtier d'un corps réfrigérant baignant ledit tube à éclairs et la partiecylin- drique de ladite enceinte et, placé en dehors dudit boîtier, un circuit fermé connecté entre lesdites deux ouvertures latérales de ladite enceinte et muni de moyens de mise en circulation dudit milieu actif laser L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple explicatif mais non limitatif .La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel la figure unique représente une coupe en élévation d'un mode de réalisation avantageux de l'invention Afin de réduire le seuil d'oscillation laser, il faut tout d'abord que le couplage optique entre le milieu actif liquide et le tube à éclairs soit le meilleur possible . Les caractéristiques géométriques du montage sont donc importantes et on utilise également un réflecteur permettant d'améliorer le couplage optique . De plus, les variations d'indice de réfraction du milieu actif et de l'enceinte sont à éviter dans la mesure du possible afin de diminuer les pertes lumineuses .Les décharges électriques produites à cadence élevée élèvent généralement la température des différents organes du dispositif, ce qui se traduit par des variations des différents indices de réfraction entraînant une diminution du rendement de pompage optique . Le dispositif de l'invention a été conçu afin d'obtenir une valeur minimale de seuil d'oscillation laser en tenant compte des différents facteurs précités Le mode de réalisation représenté sur la figure comporte un boîtier étanche 2 qui peut être réalisé par exemple en acier inoxydable et taillé dans la masse afin de limiter les problèmes d'étanchéité . Ce boîtier comporte une face amovible permettant d'accéder aux différents organes du dispositif . A l'intérieur de ce boîtier, se trouve une enceinte transparente 4 destinée à contenir le milieu actif liquide . Cette enceinte a la forme dtun cylindre de faible diamètre termine à chacune de ses deux extrémités par deux fenêtres planes transparentes . Elle comporte également deux ouvertures latérales 6 et B, l'une permettant l'entrée du milieu actif liquide et l'autre la sortie de ce milieu . A chacune de ces ouvertures 6 et B est fixée une tubulure de raccordement 10 ou 12 sortant d'une façon étanche du boîtier par un ajutage 14 ou 16 . L'enceinte 4 peut être avantageusement réalisée en verre ou en silice transparente . Deux manchons 1B et 20 s'emboîtent d'une façon étanche aux deux extrémités de l'enceinte 4 comportant lesdites fenêtres planes .Ces manchons, qui peuvent être réalisés en une matière plastique, sEemboltent chacun-à lXune des deux extrémités d'un corps cylindrique creux 22 ou 24 de diamètre interne au moins égal au diamètre de l'enceinte 4, l'autre extrémité de ce corps cylindrique sortant du boîtier 2 d'une façon étanche à l'aide d'un joint 26 ou 28 et étant maintenu par une bride de serrage 30 ou 32 . Les corps cylindriques 22 et 24 peuvent être réalisés par exemple en acier inoxydable . Les manchons 18 et 20 et les corps cylindriques creux 22 et 24 sont centrés sur l'axe de l'enceinte 4 .Si l'on désire réaliser un oscillateur laser à l'aide du dispositif de l'invention, il est nécessaire de disposer sur l'axe de l'enceinte 4 et de part et d'autre des corps cylindriques c3eux 22 et 24, à l'extérieur du boîtier 2, deux miroirs non représentés formant une cavité résonnante de Pérot-Fabry . L'un de ces miroirs peut être à réflexion totale, l'autre ayant alors un coefficient de réflexion variable suivant le coefficient de surtension que l'on désire donner à la cavité résonnante . Les corps cylindriques 22 et 24 et les brides de serrage 30 et 32 permettent de centrer l'enceinte 4 A l'intérieur du boîtier 2, se trouve également un tube à éclairs 34 formé principalement d'une partie cylindrique 36 et de deux ampoules 38 et 40 contenant chacune une électrode 42 et 44 .L'axe de chaque ampoule 38 ou 40 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de la partie cylindrique 36 . Cette dernière, qui a sensiblement le même diamètre et la même longueur que l'enceinte 4, est disposée côte à côte avec l'enceinte 4 Afin de mieux faire ressortir la position de la partie cylindrique du tube à éclairs, cette partie a été représentée avec un diamètre supérieur à celui de l'enceinte 4 : en fait, ces deux diamètres sont sensiblement identiques . Les ampoules 38 et 40 porteuses d'électrodes sont de diamètre et de longueur assez grands afin de permettre la détente du plasma surchauffé à chaque éclair et éviter ainsi l'explosion du tube .Le courant électrique est amené à l'électrode 42 par le fil électrique 46 terminé à l'une de ses extrémités par un clips de connexion 48 L'électrode 44 peut être avantageusement reliée à la masse 50 du boîtier 2 par l'intermédiaire d'un fil électrique 52 relié à l'électrode 44 par un clips de connexion 54 . Deux manchons 56 et 58 entourent d'une façon étanche l'extrémité des ampoules 38 et 40 . Un tube électriquement isolant 60 coulisse d'une façon étanche à l'intérieur du manchon 56 et sort du boîtier 2 d'une façon étanche à l'aide d'un joint 62 et d'une bride de serrage 64 Un diffuseur 66, placé à la base du boîtier 2, permet d'injecter dans le boîtier 2 un corps réfrigérant permettant de refroidir l'enceinte 4 contenant le milieu actif liquide et le tube à éclairs .Le corps réfrigérant sort du boîtier 2 par un passage étanche 68 . Le corps réfrigérant, qui peut être avantageusement un liquide tel que de l'eau déminéralisée, baigne le tube à éclairs 34 et la partie cylindrique de l'enceinte 4, les fenêtres planes situées à chaque extrémité de l'enceinte 4 étant uniquement en contact avec l'air ambiant-extérieur au boîtier du fait de l'étanchéité des manchons 18 et 20 et des parties cylindriques creuses 22 et 24 . Un réflecteur 70 entoure latéralement le tube à éclairs 34 et l'enceinte 4 .Ce réflecteur, qui peut être par exemple en clinquant de duralumin poli, peut avoir avantageusement une section droite en forme d'ellipse dont les foyers sont confondus, pour l'un, avec l'axe du tube à éclairs 34 et, pour l'autre, avec l'axe de l'enceinte 4 A l'extérieur du boîtier 2 un circuit fermé est connecté entre les ajutages 14 et 16, ce circuit permettant, d'une part, le recyclage du milieu actif liquide par la mise en mouvement de ce milieu dans l'enceinte 4 suivant une direction parallèle à l'axe de l'enceinte 4 et, d'autre part, l'égalisation des températures entre le corps réfrigérant et le milieu actif liquide .Ce circuit auxiliaire peut par exemple comporter une pompe pour la mise en circulation du liquide actif et un.serpentin plongeant dans le corps réfrigérant, ce serpentin étant généralement situé à l'extérieur du boîtier 2 . Afin de faciliter le refroidissement du tube à éclairs 34 et de l'enceinte 4, le réflecteur 70 peut être avantageusement muni de petits trous permettant une bonne diffusion du corps réfrigérant autour du tube à éclairs et de l'enceinte . Le bordier 2 étant étanche, le corps réfrigérant le remplit complètement jusqu'au passage 68 correspondant à la sortie du corps réfrigérant .Un circuit extérieur au boîtier 2 peut être utilisé pour le recyclage du corps réfrigérant; il est alors connecté entre le passage 68 et le diffuseur 66 et peut comporter un bac d'alimentation en corps réfrígérant, des moyens de refroidissement du corps réfri gérant ainsi qu'une pompe faisant circuler ledit corps . Le serpentin dans lequel circule le milieu actif liquide peut être plongé dans le bac d'alimentation : on réalise ainsi un échangeur thermique entre le corps réfrigérant et le milieu actif liquide. L'égalité des températures du corps réfrigérant et du milieu actif liquide permet de réduire les variations de l'indice de réfraction du milieu actif liquide, ce qui entraîne une meilleure reproductibilité des impulsions de lumière laser. On remarque que les rayons lumineux sortant de l'enceinte 4 parallèlement à l'axe de cette enceinte traversent un nombre de milieux différents (dioptres) réduit au minimum, puisqu'unie fois sortis de l'enceinte 4 par l'une des deux dites fenêtres planes, les rayons lumineux se propagent directement dans l'air ambiant et sortent du boîtier 2. Cette caractéristique permet notamment de réduire le seuil d'oscillation laser. A l'aide du mode de réalisation qui vient d'être décrit, on peut mentionner, à titre d'exemple, qu'en utilisant comme milieu actif liquide une solution d'un dérivé de la coumarine dans un mélange d'eau et d'alcool à la concentration de 1D mole par litre, le seuil d'oscillation laser, qui est d'environ 10 Joules avec les dispositifs usuels, a été abaissé à 2 Joules. Cette diminution du seuil d'oscillation laser permet d'abaisser la puissance électrique d'excitation du tube à éclairs à environ 40 Watts à une cadence de répétition de 10 Hertz, ce qui est parfaitement compatible avec une grande longévité des tubes à éclairs couramment utilisés. Il 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 explicatif mais non limitatif. En particulier, au lieu d'utiliser les corps cylindriques creux 22 et 24, on peut n'employer que les manchons cylindriques 18 et 20 en les prolongeant jusqu'aux brides de serrage 30 et 32. REVENDICATIONS 1 . Dispositif pour laser à milieu actif liquide, carac trisé en ce qu'il comporte dans un boîtier étanche une enceinte transparente destinée à contenir ledit milieu actif liquide, de forme cylindrique, terminée à chacune de ses deux extrémités par une fenêtre plane et munie de deux ouvertures latérales d'entrée et de sortie dudit liquide actif, au moins un manchon de forme cylindrique s'emboîtant d'une façon étanche à chacune des deux extrémités de ladite enceinte, placé dans l'axe de ladite enceinte et traversant d'une façon étanche ledit boîtier par un trou percé dans l'axe de ladite enceinte, un tube à éclairs permettant le pompage optique dudit milieu actif liquide, ayant la forme d'un cylindre sensiblement de même diamètre que ladite enceinte et terminé à chacune de ses deux extrémités par une ampoule contenant une électrode d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe dudit cylindre, ledit tube à éclairs et ladite enceinte étant placés côte à côte et ayant sensiblement la même longueur, au moins un manchon sortant dudit boîtier d'une façon étanche et entourant d'une façon étanche chacune desdites deux ampoules et des amenées de courant électrique auxdites électrodes, un réflecteur entourant latéralement ledit tube à éclairs et ladite enceinte, des moyens pour la circulation dans ledit boîtier d'un corps réfrigérant baignant ledit tube à éclairs et la partie cylindrique de ladite enceinte et, placé en dehors dudit boîtier, un circuit fermé connecté entre lesdites deux ouvertures latérales de ladite'enceinte et muni de moyens de mise en circulation dudit milieu actif laser. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps réfrigérant est un liquide. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit liquide est de l'eau. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit fermé comporte des moyens de refroidissement dudit milieu actif liquide. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu?il comporte un échangeur thermique permettant de rendre sensiblement égales les températures dudit corps réfrigérant et dudit milieu actif liquide. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique est constitué d'un serpentin placé dans ledit circuit fermé et dans lequel circule ledit milieu actif liquide, ledit serpentin baignant dans ledit corps réfrigérant. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit milieu actif liquide est un corps fluorescent dissous dans un solvant. B. Dispositif selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce que ledit corps fluorescent est un colorant. 9. Application du dispositif défini à l'une des revendications précédentes à la réalisation d'un oscillateur laser pouvant fournir des impulsions de lumière laser avec une cadence de répétition élevée.