Brevet FR2125141A1 — publié le 19720929

La présente invention concerne les channes amplificatrices lasers plus particulierement la structure des éléments constituant la partie active de la chaîne. Une chaîne amplificatrice laser comporte un générateur laser pilote à la sortie duquel est disposée une série d'étages amplificateurs. Un étage amplificateur est constitué d'un milieu actif se trouvant généralement sous forme d'un barreau dit barreau amplificateur et dtun moyen de pompage associé à ce barreau. Ce moyen de pompage est dans la plupart des cas un tube à décharge enroulé en hélice autour du barreau, ce tube pouvant produire de fortes impulsions lumineuses. Le fonctionnement d'une chaîne amplificatrice peut être défini schématiquement de la façon suivante : le générateur pilote délivre à sa sortie une impulsion lumineuse cohérente d'une durée voisine de 30 ns qui est envoyée successivement dans les étages amplificateurs de la chaine.Cette impulsion lumineuse en traversant les différents étages amplificateurs est amplifiée pour atteindre en sortie de chaîne une énergie tres importante. Les barreaux amplificateurs qui sont disposés dans les différents étages amplificateurs peuvent être constitués de barreaux cylindriques qui ont tous des diametres égaux ou alors des diamètres qui vont croissant au fur et à mesure que l'impulsion lumineuse est amplifiée. Dans ce dernier cas lorsque les diamètres des différents barreaux ont des valeurs croissantes, on intercale entre chaque étage de la chaîne amplificatrice un dispositif afocal, de préférence à foyer virtuel, ce qui permet de coupler la sortie d'un étage avec l'entrée de l'étage suivant. Le matériau utilisé pour réaliser des barreàux amplificateurs est généralement constitué de verre comportant un dqpant choisi plus particulièrement dans la série des terres rares et plus particulièrement le Néodyme. Ces matériaux ont une tenue au flux laser qui est limitée à une certaine énergie par unité de surface. C'est ainsi que l'énergie maximale supportée par un verre laser est approximativement de 120 joules par cm pour des impulsions qui ont une durée de l'ordre de la microseconde, cette énergie tombant à 14 jou 2 les par cm pour une impulsion de l'ordre de la nanoseconde. On conçoit facilement que l'impulsion lumineuse qui sort dlun barreau amplificateur est amplifiee tout le long de ce barreau, et c' est ainsi qu'une impulsion qui rentre dans un barreau avec une énergie compatible avec la surface d'entrée de ce barreau peut atteindre en sortie une énergie qui est supérieure à ce que peut supporter ce même matériau ; dans ce cas il se peut que le barreau se détériore, détérioration par exemple sous forme de piqures ou même sous forme de cassure. Pour éviter cet inconvénient on a réalisé des barreaux à diamètre croissant, c'est-à-dire des barreaux de forme sensiblement tronconique, disposés dans la chaîne de façon que l'impulsion lumineuse à amplifier rentre dans ce barreau par la petite face de cette pièce tronçonique et ressorte par conséquent par la grande. La face d'entrée de ce barreau peut être plane, et dans ce cas on a disposé devant cette face d'entrée un moyen permettant de faire diverger le faisceau lumineux de cette impulsion, tel que par exemple une lentille divergente, ce qui permet à cette impulsion laser divergente de pénétrer dans le barreau et d'illuminer toute la matière active constituant ce barreau. Cette forme particulière de barreau amplificateur permet en principe un maximum d'amplification sans que l'on puisse craindre sa détérioration.On peut aussi au lieu de disposer devant la face plane une lentille divergente, tailler directement cette face d'entrez en dioptre concave de façon que ce soit cette face elle-même qui joue le rôle de la lentille divergente. Pour effectuer le pompage actif de ces barreaux de forme tronçonique, on les associe à des tubes à décharge qui sont constitués d'un tube cylindrique enroulé en hélice autour du barreau de façon que le tube soit sensiblement toujours à même distance de la paroi latérale de ce barreau tronconique. On conçoit qu'un tel moyen de pompage associé à un barreau de cette forme tronçonique ne permet pas, du fait de l'absorption radiale de l'énergie lumineuse délivrée par le tube à décharge, d'obtenir un pompage uniforme dans tout le matériau constituant ce barreau laser. En fait, on constate que seule la partie périphérique du barreau est sensiblement pompée uniformément. I1 en résulte que le gain en énergie de l'impulsion lunineuse est beaucoup plus important à la périphérie du faisceau lumineux de cette impulsion lumineuse qu'au centre. Cet inconvénient ne fait que s 'accroître lorsque la chaîne amplificatrice comporte plusieurs barreaux amplificateurs de cette forme, et on peut arriver ainsi à obtenir à la sortie une impulsion lumineuse dont l'énergie est presque répartie uniformément sur la périphérie du faisceau lumineux correspondant. La présente invention a pour but de pallier en partie ces inconvénients. La présente invention a pour but de réaliser une chaîne amplificatrice ayant un rendement d'amplification plus important que les chaînes amplificatrices connues. La présente invention a pour objet une chaîne amplificatrice laser comportant un générateur laser pilote délivrant un faisceau de sortie à amplifier, au moins un étage amplificateur comprenant un barreau amplificateur en matériau laser, de surface latérale tronconique et associé à des moyens de pompage, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour obtenir à partir du faisceau à amplifier entrant dans ledit barreau par sa petite face d'entrée, un faisceau divergent dans ledit barreau ayant une section droite annulaire d'épaisseur sensiblement constante, de façon que le volume conique défini par le faisceau divergent soit sensiblement confondu avec le volume conique défini par la surface la térale du barreau. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard du dessin annexé à titre illustratif mais nullement limitatif, dans leauel la figure unique représente une vue en coupe d'une chaine amplificatrice selon l'invention. La figure unique représente sous forme très schématique et en coupe partielle une partie d'une chaîne amplificatrice laser comportant un générateur pilote 1, un premier étage 2, une partie du second étaye 3, et des moyens de couplage 4 du premier étage 2 avec ce second 3. Le premier élément de la chaîne amplificatrice, c'est-à-dire le générateur pilote laser I est généralement composé d'un laser solide fonctionnant en déclenché et pouvant délivrer des impulsions lumineuses. Par exemple ce générateur pilote est composé d'un barreau-par exemple en verre dopé au néodyme, disposé dans une cavité résonnante du type Fabry-Pérot pouvant être déclenchée par la rotation d'un des deux miroirs constituant cette cavité résonnante.Avec une cavité résonnante déclenchée par rotation d'un de ses miroirs, on ne peut obtenir au minimum que des impulsions lasers d'une durée de 20ns. Pour obtenir des impulsions plus courtes, par exemple de l'ordre de la nanoseconde, on associe à la cavité résonnante de ce générateur pilote, un système electro-optique qui permet de découper, dans l'impulsion obtenue par declenchenent par rotation de miroir, une impulsion plus courte. Le générateur pilote délivre une impulsion lumineuse 8 aui est envoyée à l'entrée du premier étage 2 de la chaîne amplificatrice. Selon l'invention,le premier étage 2 comprend un barreau 5 dont la surface latérale 6 est de forme conique. A ce barreau, est associé un moyen de pompage illustré très schêmatiouement sur la figure par un tube à décharge 7 dont les éclairs lumineux effectuent le pompage optique du barreau laser 5. A l'entrée de cet étage 2 est disposé un moyen pour obtenir à partir de l'impulsion lumineuse 8 délivrée par le générateur pilote 1, un faisceau lumineux divergent 9 à section droite annulaire d'épaisseur constante, de façon que le volume conique défini par le faisceau lumineux divergent 9 soit sensiblement confondu avec le volume conique défini par la surface latérale du barreau laser 5. Ce moyen permettant d'obtenir le faisceau divergent 9 peut être constitué i'un element optique 10 armé d'inU pince rgaiisee dans un materrnau transparent et comprenant une face d'entree 11 et une de face de sortie 12, coniques, pposees ce révolution autour d'un mêr!e axe, et délimitant une épaisseur de matériau allant croissant de cet axe de révolution vers la périphérie. Il est à noter qu'une des faces de l'élément 10 peut être formée d'une surface plane, comme celle qui est représentée en 12 sur la figure, et qui est consi dérée comme une surface conique de revolutio; d'angle au sommet égal à 1800. Cet élément optique 10 est disposé devant le barreau 5 à l'entrée de l'éta- ge 2, de façon que l'axe de révolution de cet élément 10 soit sensiblement confondu avec l'axe optique du barreau 5. Lorsque l'élément 10 n'est pas solidaire du barreau 5, la face 12 de cet élément et la face d'entrée 13 du barreau 5 sont de préférence égales, c'est-àdire dans ce mode de réalisation, parallèles pour former une lame optique à faces paralleles et ce, pour faciliter les réglages, et notamment de façon que le faisceau divergent 9 dans le barreau 5 soit uniformément réparti à la périphérie de celui-ci. Bien entendu, l'élément optique 10 représenté à l'entrée de l'étage amplificateur 2 peut être intégré au barreau laser comme représenté sur la figure à l'entrée de l'étage amplificateur 3. Dans ce dernier mode de réalisation, la face d'entrée 15 du barreau 14 de l'étage amplificateur 3 est une face conique concave de révolution autour de l'axe optique du barreau 5. Cette face d'entrée 15 permet d'obtenir, à partir par exemple du faisceau d'entrée 16 de lumière parallèle émergeant de l'étage 2, un faisceau divergent 17 à section droite annulaire constante. Une telle réalisation présente notamment l'avantage de pouvoir obtenir une amplification sans avoir à craindre le dépacement du seuil de fracture du verre. En effet, si l'énergie de l'impulsion d'entrée est égale à E1, cette densité E1 sur la face d'entrée du barreau est égale à 2, si r est le rayon de la face d'entrée du barreau amplificateur. 7Fr Lorsque le faisceau a été amplifié dans ce barreau et qu'il sort avec une énergie E2, la densité d'énergie répartie sur la face de sortie du même barreau est alors égale à E2 (R2 - 2) si R est le rayon maximum de la face de sortie du barreau. On constate donc que E2, qui est supérieure à E1, est répartie sur une plus grande surface que celle de la face d'entrée et il suffit, pour que la densité d'énergie par unité de surface soit acceptable, de choisir une valeur de R suffisante. Il existe même une valeur de R pour laquelle la densité d'énergie par unité de surface peut être égale à celle à l'entrée du barreau amplificateur. E1 E2 E2 Pour cela, il suffit que = 2 2 2 c'est-à-dire R #r(1 +) Trr w(R -r ) 1 Pour obtenir à la sortie du barreau 6 un faisceau ayant une répartition de densité d'énergie uniforme dans une section droite, le barreau 6 comporte un logement 18 délimité par une surface conique 19 égale à la surface conique latérale du barreau. Dans le cas de la figure où le barreau 6 est un barreau tronconique de révolution, la surface conique délimitant le logement 18 est une surface conique de révolution de meme axe que la surface conique latérale du barreau 6 et de même angle au sommet. Si le dioptre séparant le logement 18 du materiau du barreau 6 n'est pas suffisamment réfléchissant, la paroi de ce logement est recouverte d'une couche réfléchisssante 20 comme par exemple une couche d'or. Cette couche réfléchissante 20 permet de renvoyer dans la partie du matériau du barreau 6 traversée par le faisceau 9 la partie de la lumière émise par le tube à décharge 7, qui n' a pas été transformée en énergie de pompage par un premmier passage de la lumière dans le matériau. La lumière renvoyée par la surface réfléchissante 20 permet ainsi de compenser le manque de pompage de la partie du matériau qui se trouve à proximité du logement 18, et on obtient ainsi un pompage sensiblement uniforme du barreau dans une section droite ce qui permet d'avoir un faisceau de sortie ayant une densité d'énergie égale en tout point d'une de ses section droites. Bien entendu, le faisceau obtenu à la sortie d'un tel otage amplificateur est un faisceau annulaire qu'il est nécessaire de renvoyer sur L'étage suivant de la chaîne amplificatrice. Ceci peut être fait au moyen dîun élément optique de couplage, comme représenté en 4 sur la figure, et qui peut entre constitué par une pièce optique en matériau transparent. Cette pièce est de préférence une pièce de révolution autour d'un axe dont la section droite radiale est formée de deux surfaces à réflexion totale permettant d'effectuer une translation du faisceau dans cette pièce vers un étage amplificateur suivant, cet amplificateur comportant un barreau amplificateur ayant un diamètre de face d'entrée beaucoup plus grand que le diamètre de la face d'entrée du barreau de l'étage amplificateur d'où émerge ce faisceau. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté oui n' a été donné qu a titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens éouivalents. REVENDICATIONS 1/ Chaîne amplificatrice laser comportant un générateur laser pilote délivrant un faisceau de sortie à amplifier, au moins un étage amplificateur comprenant un barreau amplificateur en matériau laser de surface latérale tronconique associé à des moyens de pompage, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour obtenir, à partir du faisceau à amplifier entrant dans ledit barreau par sa petite face d'entrée, un faisceau divergent dans ledit barreau ayant une section droite annulaire d'épaisseur sensiblement constante, de façon que le volume conique défini par le faisceau divergent soit sensiblement confondu avec le volume conique défini par la surface latérale du barreau. 2/ Chaîne amplificatrice selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens pour obtenir un faisceau divergent à section droite circulaire constante sont constitués d'un élément optique en matériau transparent comprenant une face d'entrée et une face de sortie coniques, opposées, de révolution autour d'un même axe, et délimitant une épaisseur de matériau allant croissant de cec axe de révolution vers la périphérie, ledit élément optique tant disposé suivant l'axe dudit barreau amplificateur, ladite face de sortie dudit élément étant sensiblement égale a la petite face d'entrée dudit barreau. 3/ Chaîne amplificatrice selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite face dtj sortie dudit élément et ladite face d'entrée dudit barreau sont des faces planes. 4/ Channe amplificatrice selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens pour obtenir un faisceau divergent à section droite annulaire constante sont constitués par la petite face d'entrée dudit barreau ayant une surface conique concave de révolution autour de l'axe dudit barreau. 5/ Chaîne amplificatrice selon la revendication 1 caractérisée par le fait que ledit barreau comporte un logement dont au moins une partie de sa paroi est délimitée par une surface égale à la surface conique latérale dudit barreau de fa çon à que que ledit barreau présente au moins sur une partie de sa longueur une section droite à épaisseur constante. 6/ Chaîne amplificatrice selon la revendication 5 caractérisée par le fait qu'au moins une partie de la paroi dudit logement est recouverte d'une couche réfléchissante.