Brevet FR2170797A1 — publié le 19730921

La présente invention, due aux travaux de Monsieur Jean-Claude FARCY de la Compagnie Générale d'Electricité, concerne un obturateur optique. L'invention trouve une application dans la réalisation de cellules anti-retour utilisables dans des channes amplificatrices à laser fonctionnant en infrarouge. Elle permet également de réaliser des systèmes de mise en forme d'une impulsion laser. Lorsqu'un faisceau laser issu d'une channe amplificatrice tombe sur une cible, une partie de ce faisceau est réfléchie vers la chaîne laser. Ce faisceau réfléchi se propage dans les étages de la channe dans le sens inverse de celui de la propagation normale. L'énergie du faisceau réfléchi peut être alors amplifiée dans les étages encore légèrement excités et acquérir ainsi une énergie importante. Ce faisceau réfléchi et amplifié peut présenter en certains points de la channe amplificatrice, et en particulier au niveau de l'oscillateur initial, une densité d'énergie supérieure au seuil de destruction des matériaux utilisés. Pour éviter ces inconvénients, on dispose dans la chaine amplificatrice, un obturateur optique plus généralement connu sous le nom de. cellule anti-retour, qui permet de laisser passer le faisceau incident, mais qui empêche le faisceau réfléchi par la cible de retraverser la chaine amplificatrice. D'autre part, il est souvent indispensable, dans nombre d'applications, de mettre en forme l'impulsion laser issue de l'oscillateur, pour obtenir, sur la cible, une cinétique de l'excitation adaptée au but recherché.Cette mise en forme de l'impulsion laser s'effectue à l'aide d'obturateurs, qui peuvent être de conception analogue à celle utilisée pour constituer les cellules anti-retour. I1 existe de nombreux obturateurs qui permettent de remplir ces deux fonctions, dans le cas où les chaînes amplificatrices et les lasers oscillateurs utilisent des verres dopés au néodyme travaillant à une longueur d'onde de 1,06 micron. (obturateurs utilisant les effets de Kerr ou de Pockels). Par contre, lorsque les chaînes amplificatrices sont constituées par des lasers à C02, ces obturateurs classiques sont inadaptés à la longueur d'onde de fonctionnement qui se situe dans l'infra-rouge au voisinage de 10,6 p. Le but de l'invention est de proposer un obturateur optique qui permette de réaliser soit la fonction de cellule anti-retour soit celle de cellule de mise en forme, pour un faisceau laser dont la longueur d'onde est située dans l'infra-rouge et en particulier à 10,6 p. De façon précise, l'invention concerne un obturateur optique caractérisé en ce qu'il comprend, sur le trajet du faisceau lumineux à obturer, une enceinte gazeuse qui est le siège d'une pluralité de décharges électriques entre, d'une part, une pluralité de cathodes constituées par des pointes métalliques et, d'autre part, un système anodique placé en regard desdites cathodes, ainsi que des moyens pour déclencher et entretenir lesdites décharges. Dans une première variante de réalisation l'enceinte a une forme parallèlépipédique et le système anodique est une plaque métallique unique. Dans ce cas, les cathodes, qui sont situées en regard de cette plaque métallique, sont toutes équidistantes de l'anode. Dans une deuxième variante de réalisation, l'enceinte a une enveloppe cylindrique et les cathodes sont réparties le long d'une hélice située sur ce cylindre. Le système anodique est alors constitué par une pluralité de pointes métalliques identiques à celles qui constituent les cathodes, chaque anode étant diamètralement opposée à une cathode, de sorte que les décharges électriques passent ainsi toutes au voisinage de l'axe du cylindre. Les différentes caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris après la description qui suit de deux exemples de réalisation. Cette description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente schématiquement une chaîne amplificatrice utilisant l'obturateur selon l'invention et illustre une application dudit obturateur; - la figure 2 est une vue en perspective d'une extrémité de l'obturateur selon une première variante; - la figure 3 est un schéma qui indique la disposition relative des électrodes dans une deuxième variante de réalisation. Sur la figure 1 on a représenté une chaîne amplificatrice utilisant un obturateur selon l'invention. Sur cette figure, un laser pilote 2 délivre une impulsion lumineuse 4 qui est successivement amplifiée par une pluralité d'étages anlplificateurs tels que 6 et 8; l'impulsion lumineuse amplifiée est focalisée au moyen d'une lentille convergente 10 sur une cible 12; comme on l'a indiqué précédemment la cible 12 renvoie vers la chaîne amplificatrice une partie de l'énergie incidente. Pour éviter que cette énergie après avoir été amplifiée, atteigne le laser pilote 2, on dispose un obturateur 14, tel qu'il sera décrit ultérieurement, par exemple entre les deux étages amplificateurs 6 et 8; cet obturateur reçoit un faisceau de lumière incident 16 et transmet le faisceau 18; l'obturateur 14 est commandé au moyen d'un organe 20 qui comprend également des moyens pour déclencher l'oscillateur 2. Dans le cas ot l'obturateur 14 est utilisé comme cellule anti-retour, la chaine amplificatrice laser fonctionne de la manière suivante: le laser pilote 2 commandé par l'organe 20 délivre une impulsion 4 qui est amplifiée par l'étage 6; l'impulsion laser 16 issue de l'étage 6 traverse l'obturateur 14 sans être absorbée; il en résulte que l'înipulsîon laser 18 à la sortie de l'obturateur 14 a même forme -et même intensité que l'impulsion 16; l'impulsion 18 es-t ensuite amplifiée dans l'étage amplificateur 8 et dirigée ensutte sur la cible 12.Lorsque l'impulsion laser a traversé lAobturateur 14, on déclenche la pluralité de décharges dans ledit obturateur au moyen du circuit 20, qui, en lui-même est-connu, de façon que l'impulsion en retour provenant de faréflexion sur la cible 12 rencontre un obturateur fermé et qu'ainsi cette impulsion de retour n'atteigne pas l'étage 6 et a fortiori le générateur pilote 2. Dans une utilisation comme cellule de mise en forme, l'occultation peut n'être pas totale, mais dépendre de la forme que l'on désire donner à l'impulsion laser. Dans ce cas l'impulsion laser 18 est de forme et d'énergie différentes de celles de l'impulsion incidente 16. C'est le cas notamment dans certaines chaînes amplificatrices utilisant des lasers à C02, pour lesquelles l'impulsion issue du laser pilote 2 est constituée par deux impulsions successives, la première très brève et de forte puissance crête, la seconde plus longue et de moindre puissance. Dans certaines applications, seule la première de ces deux impulsions est utile et la fonction de l'obturateur 14 consiste à ne laisser passer que cette première impulsion, et à bloquer la seconde.Cette fonction de mise en forme peut d'ailleurs être associée à une fonction anti-retour, l'obturateur 14 mettant d'abord en forme l'impulsion incidente puis s'opposant à son retour vers l'oscillateur. L'obturateur 14 est constitué par une enceinte gazeuse qui est le siège d'une pluralité de décharges. Ces décharges sont établies dans le gaz par l'intermédiaire d'électrodes dont la forme et la disposition peuvent être variables. Sur la figure 2 on a représenté une disposition particulière dans laquelle les électrodes servant de cathodes sont des pointes métalliques et l'anode est une plaque métallique unique. Sur cette figure on n'a représenté qu'une extrémité de l'obturateur, l'autre pouvant être identique; on y reconnaît le faisceau laser incident 16 et le faisceau laser émergent 18; l'anode est constituée par une plaque métallique 20 située en regard d'une pluralité de cathodes 22; chaque cathode est reliée à la borne négative d'un générateur 24 à travers des condensateurs 26; toutes les cathodes sont donc alimentées en parallèle. L'anode 20 est reliée à la borne positive du générateur 24; un interrupteur 28 permet de mettre sous tension la pluralité de cathodes 22. Le générateur 24 et l'interrupteur 28 constituent une partie de l'organe 20 de la figure 1. Lorsque les électrodes sont alimentées sous une tension convenable, une pluralité de décharges apparait dans le gaz entre, d'une part les cathodes 22 et d'autre part la plaque métallique 20. Dans le cas où l'enceinte gazeuse 29 est isolée de l'atmosphère extérieure, une enveloppe isolante et étanche 30 constitue les parois latérales et l'enceinte est fermée à ses deux extrémités par deux fenêtres transparentes au rayonnement du faisceau laser utilisé.Dans le cas de la figure 2, où une seule des deux extrémités est représentée, cette fenêtre est désignée par 32 et elle reçoit le rayonnement laser sous un angle d'incidence de préférence égal à l'angle de Brewster. Le fonctionnement de cet obturateur est le suivant: lorsque l'on veut obturer un faisceau lumineux passant dans l'espace lnter-électrode, c'est-à-dire entre la pluralité de cathodes 22 et l'anode 20, on commute à l'aide de l'interrupteur 28 les différentes cathodes à la source d'énergie 24 de façon à obtenir une pluralité de décharges sur le trajet du faisceau laser. Le nombre de cathodes utilisées et leur répartition, dépendent de la forme du faisceau à occulter et de l'absorption provoquée par chaque décharge. Les décharges sont d'intensités telles que l'on ait à faire à des décharges d'arc qui--absorbent le rayonnement infra-rouge; le rôle des condensateurs 26 est de répartir uniformément l'énergie électrique sur chaque cathode. Si cette disposition en forme de parallélépipède est commode lorsque le faisceau laser à obturer a lui aussi une forme' rectangulaire- ce qui est le cas des impulsions laser issues d'une chaîne utilisant des lasers à CO2 à excitation transverse-l'invention ne se limite pas à ce seul mde"de'-éaiisation, mais au contraire embrasse d'autres variantes comme par exemple celle qui est représentée sur la-figure 3, correspondant au cas où le faisceau laser à obturer a une section circulaire. Sur la figure 3 on a représenté une disposition particuliere des électrodes, caractérisée en ce que la pluralité de cathodes 26 est répartie le long d'une hélice 40 du cylindre latéral 42 constituant l'enveloppe de l'enceinte gazeuse 29. Dans cette variante de réalisation, le système anodique est constitué par des pointes métalliques 44 identiques à celles qui constituent les cathodes 26, et diamètralement opposées aux cathodes. Les anodes 44 sont donc elles aussi réparties sur une hélice 46 imbriquée dans l'hélice 40. Toutes les anodes sont reliées électriquement entre elles, et les cathodes sont toutes associées à des condensateurs non représentés, comme sur la figure 2. Selon cette variante de l'invention la décharge entre une cathode et l'anode qui lui fait face est un filament au trajet sinueux, mais qui passe au voisinage de l'axe du cylindre constituant l'enceinte gazeuse. Comme les décharges sont toutes décalées les unes par rapport aux autres on obtient, suivant l'axe du système, une très grande probabilité d'absorption du faisceau laser, mais par contre à la périphérie de--ce système, une probabilité d'absorption moindre. L'existence d4une zone centrale à forte absorption peut être mise- à- profit pour réaliser, à partir d'un faisceau laser incident de forme cylindrique, un faisceau émergent annulaire, dépourvu d'énergie en son centre. Néanmoins, cette variante de réalisation ne se limite pas à cette seule application, mais permet aussi d'occulter complètement des faisceaux cylindriques de faible diamètre, en les faisant passer au voisinage de l'axe du système. Dans les deux variantes précédemment décrites, le plasma est crée dans une enceinte qui contient un gaz. Ce gaz peut être de nature diverse: ce peut être de l'air, auquel cas le dispositif est particulièrement simple à réaliser; ce peut être aussi de l'azote, et l'enceinte doit présenter alors un certain degré d'étanchéité. L'emploi d'azote permet de s'affranchir des fluctuations des caractéristiques de l'atmosphère- ambiante, (en particulier du degré hygrométrique) et conduit à des performances meilleures et plus reproductibles. L'invention ne se limite pas toutefois à l'utilisation d'air ou d'azote, mais au contraire englobe les variantes qui utilisent tout autre gaz à condition qu'il permette d'obtenir -un plasma suffisamment opaque au rayonnement utilisé. De même, si l'obturateur tel qu'il a été décrit trouve une application évidente dans les chaînes amplificatrices fonctionnant à 10,6 , il en trouve également une dans les dispositifs fonctionnant à d'autres longueurs d'onde, et en particulier à toutes les longueurs d'onde infra-rouges pour lesquelles on ne dispose pas d'obturateurs classiques. Comme il va de soi, l'invention ne se limite nullement aux deux modes de réalisation que l'on a décrits, mais elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Obturateur optique caractérisé en ce qu'il comprend, sur le trajet du faisceau lumineux à obturer, une enceinte gazeuse qui est le siège d'une pluralité de décharges électriques entre d'une part, une pluralité de cathodes constituées par des pointes métalliques, et, d'autre part, un système anodique placé en regard desdites cathodes, ainsi que des moyens pour déclencher et entretenir lesdites décharges. 2. Obturateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système anodique est une plaque métallique unique, les cathodes en regard étant toutes équidistantes de cette plaque. 3. Obturateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte a une enveloppe cylindrique et que les cathodes -sont réparties le long d'une hélice située sur ce cylindre, et en ce que ledit système anodique est constitué par une-pluralité d-e pointes metalliques, chacune des anodes étant diamétralement opposée à une desdites cathodes, les décharges électriques passant toutes au voisinage de l'axe du cylindre. 4. Obturateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte est étanche et que le gaz de ladite enceinte est de l'azote.