Brevet FR2191308A1 — publié le 19740201

La présente invention a trait à des perfectionnements apportés aux dispositifs de production et d'amplification d'impulsions l tineuses Elle concerne notamment la production d'impulsions très brèves, par exemple-de l'ordre de la picoseconde, et à haute énergie, par exemple de puissance crête supérieure au gigawatt. L'article de Basov et al, intitulé : "Generation and amplification of ultrashort optical pulses" paru dans la revue "IEEE Journal of Quantum Electronics vol. QE 4, nO 10, pages 606 à 609", décrit un dispositif connu de production et d'amplification d'impulsions lumineuses de durée de l'ordre de la picoseconde et de puissance crête de l'ordre du gigawatt. Ce dispositif utilise l'association d'une source lumineuse à émission stimulée ou laser du type solide, à barreau de verre dopé au néodyma et verrouillé en mode par procédé dit passif, c'est-à-dire au moyen d'un élément à absorption saturable, avec plusieurs éléments d'amplification montés en cascade et consistant en des barreaux de verre dopés au néodyme. Un tel dispositif présente plusieurs inconvénients.En premier lieu, il nécessite l'utilisation d'un nombre d'éléments d'amplification d'autant plus grand que la puissance crête de l'impulsion lumineuse à produire est importante. Suivant une caractéristique de l'invention, on remédie à cet inconvénient en associant au premier laser un deuxième laser au moyen d'une cellule de commutation optique, la cavité du deuxième laser comportant elle aussi une cellule de commutation optique. Par ailleurs, il est connu, notamment par l'article de Duguay et al intitulé "Study of the Nd : glass laser radiation" paru dans "IEEE Journal of Quantuns Electronics, vol QE 6, nO 11,pages 725 à 743" que les impulsions produites par un laser à barreau de verre dopé au néodyme, verrouillé en mode par procédé passif, présentent une instabilité non négligeable, ce qui peut être particulièrement gênant pour certaines applications. Il est en outre connu, notamment par l'article de De Maria intitulé "Mode locking opens door to picosecond pulses" paru dans "Electronics du 16 Septembre 1968 pages 112 à 122, qu'un autre procédé de verrouillage de mode, dit procédé actif, permet d'obtenir des impulsions lumineuses très stables mais uniquement à partir d'un laser solide du type continu, tel qu'un laser à grenat d'Yttrium-Aluminium ou YAG, dopé au Néodyme. Or, un tel laser ne permet pas d'obtenir des impulsions qui soient comparables notamment en puissance crête à celles fournies par un laser au verre néodyme verrouillé en mode par procédé passif. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, on remédie à cet inconvénient en pilotant un laser à verre néodyme par le moyen d'un laser YAG-Nd verrouillé en mode par procédé actif, la liaison entre les deux cavités de ces lasers étant assurée par le moyen de commutateurs optiques rapides dont l'un au moins est disposé dans la cavité amplificatrice. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les cavités de ces deux lasers sont imbriquées en sorte qu'un seul commutateur optique est nécessaire. D'autres caractéristiques, ainsi que des avantages de la présente invention ressortiront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, le schéma synoptique d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention - la figure 2, le schéma synoptique d'un leuxième exemple de réalisation d'un dispositif confcrme à l'invention; - la figure 3, le schéma synoptique d'un premier mode de réalisation d'un commutateur optique - la figure 4, le schéma synoptique d'un deuxième mode de réalisation d'un commutateur optique. Pour obtenir une impulsion lumineuse d'énergie égale à AWo, à partir d'une impulsion d'énergie }0 fournie par un laser pilote, à verrouillage de mode ou non, un dispositif conforme à l'art antérieur doit faire appel à une chalande d'amplification de gain total A, composée d'un nombre n d'étages dtamplification n en cascade ayant chacun un gain G , tel que AWo = GnWo te nombre n d'étages de la channe dépend essentiellement du gain \a, qui peut titre obtenu pour chaque étage.En outre, le dernier étage de la chaîne doit être capable de fournir sans saturation une énergie égale à (Gn - Gn 1) w0 Suivant la présente invention, on s'affranchit de la nécessité d'utiliser ces n amplificateurs en les remplaçant par un ampli ficateur unique dans lequel l'impulsion fournie par le laser pilote passerait n fois successives, ce qui est obtenu au moyen d'un deuxième laser. Dans ce cas, on constate une perte relative de gain par rapport à la solution précédente égale à Gn-1-1 = I ~ 1 Gn G Gn ième car l'énergie obtenue au bout du n passage est alors égale à WO (Gn ~ Gn-l + I ).Cette perte relative devient négligeable lorsque la valeur de G est grande et est de toute façon compensée par l'économie qu'un tel dispositif permet de réaliser. Un premier exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention est représenté sur la figure 1 suivant un schéma synoptique. Ce dispositif se compose d'un premier laser 1 ou laser pilote, constituant la source d'impulsions lumineuses, d'un premier coinititateur optique 5 et d'un deuxième laser 6 jouant le rôle d'ampliiicateur et contenant un deuxième commutateur optique 10 dont le fonctionnement est synchronisé avec le premier commutateur 5 La cavité du laser 1 comporte un barreau laser 2 dont les faces d'entrée et de sortie sont avantageusement taillées suivant l'angle de Brewster, un miroir 3 totalement réfléchissant et un miroir de sortie 4 partiellement transparent.Quant à la cavité du laser 6 , outre le commutateur 0 elle comporte un barreau laser 7 et deux miroirs 8 et 9 totalement réfléchissants. Les commutateurs optiques 5 et 10 sont par exemple du meme type que ceux décrits dans l'article de Basov et al, cité dans ce qui précède. Ils ont pour propriété essentielle de présenter deux états suivant la commande qui leur est appliquée dans l'état CO ils sont totalement transparents, alors que dans l'état C1 ils se comportent comme un miroir totalement réfléchissant incliné à 450. Dans une premiers phase de fonctionnement, le commutateur 5 est à l'état CO tandis que le commutateur 10 est à l'état les impulsions lunineuses produites par le laser pilote 1 ne sont donc pas transmises au laser amplificateur 6 et, cn outre,ce dernior ne pout pas osciller, ce qui lui permet de conserver son gain mksxinUU. En faisant passer le commutateur 5 à l'état C1 , on sélectionne une inpulsion produite par le laser 1 , qui est introduite dans la cavité du laser anplificateur 6 . Dès que cette impulsion a été envoyée sur le barreau laser 7 par le commutateur 10 encore à l'état C1 , ce commutateur 10 passe à l'état 00 et y reste le temps pour l'impulsion de parcourir n fois la cavité du laser 6 .Ce commutateur 10 passe ensuite à nouveau à l'état C1 tandis que le commutateur 5 est à l'état Co ce qui fait que l'impulsion lumineuse ainsi anplifiée traverse le commutateur 5 et ressort en S Un tel dispositif est notamment particulièrement avantageux pour produire des impulsions ultra courtes, stables et de haute énergie Dans ce cas, le laser pilote 1 est choisi à barreau 2 en grenat d'Yttrium aluminium dopé au Néodyne ou YAG-Nd, sa cavité comportant en outre un dispositif actif de verrouillage de mode et le laser amplificateur 6 est choisi à barreau 7 en verre dopé au Néodyme. Les impulsions ainsi obtenues sont alors conparables à celles que fournirait un laser verre-néodyne à verrouillage de mode passif, nais avec en plus une stabilité nettement accrue, comparable à celle des impulsions que délivre un laser YAG-Nd. Etant donné que le miroir 4 n'est que partiellement transparent, les impulsions fournies par le laser pilote i subissent une perte d'énergie que l'on pourrait éviter en disposant le conmutateur optique 5 dans la cavité de ce laser 1 . Par ailleurs, du fait de la présence de deux commutateurs optiques dans le dispositif , il est nécessaire de-synchroniser avec une bonne précision les commandes appliquées à ces commutateurs . On s'affranchit de cette nécessité en modifiant la structure de ce dispositif conformément au schéma de la figure 2 Dans le dispositif représenté sur la figure 2, les cavités des lasers t et 6 sont imbriquées. La cavité du laser 1 est délimitée par les miroirs totalement réfléchissant 3 et 9 et contient le barreau 2 et le commutateur optique 10.Quant à la cavité du laser 6 , elle est délimitée par les miroirs totalement réfléchissants 8 et 9 et contient le barreau 7 , un miroir totalement réfléchissant 11 incliné à 450 et le commutateur optique 10, ce qui fait que les deux éléments 9 et 10 sont communs aux deux lasers 1 et 6 . On peut également envisager un dispositif où la position et le rôle des lasers 1 et 6 seraient intervertis. Dans le dispositif de la figure , au cours de la première phase de fonctionnement, le commutateur 10 est à l'état CO ce qui fait que le laser pilote 1 oscille et produit des impulsions. Le commutateur 10 passe ensuite à l'étant C1 dès qu'une inpulsion l'a traversé en direction du miroir 9 . Cette inpulsion est alors introduite dans le laser d'amplification 6 et y fait plusieurs aller-retour jusqu'à ce que le commutateur 10 repasse à l'état CO , ce qui provoque alors la sortie en S de cette impulsion anplifiée. Dans le cas où l'on désirerait obtenir un train d'impulsions amplifiées, ce dernier peut être obtenu à la sortie du miroir 8 qui serait alors choisi partiellement trans parent. La figure 3 représente un premier exemple de réali sation d'un commutateur optique 10 particulièrement adapté au dispositif de la figure 2 . Ce commutateur 10 se compose d'un élément 12 connu sous le nom de prisme de Glan dont une propriété connue est qu'il transmet une certaine direction de polarisation et réfléchit la polarisation orthogonale. Aux quatre faces de ce prisme sont associées des lames de phase électro-optiques 13 à 16, par exemple du type à effet Kerr ou à effet Pockels qui ont pour propriété, lorsqu'un champ électrique leur est appliqué, de faire tourner de 900 la direction de polarisation des ondes qui les traversent.Ainsi lorsque par exemple une onde dont la direction de polarisation est dans le plan de la figure 3 est appliquée à l'entrée E1 du commutateur 10 et qu'aucun champ électrique n'est appliqué aux lames 13 et 14 , cette onde traverse le commutateur 10 et ressort en E3 sans modification, et vice-versa ; il en est de meme pour une onde qui entrerait en E2 elle ressortirait en E4 . Si maintenant un champ électrique est appliqué aux lames 13 à 16, la direction de polarisation de l'onde entrant en E1 subit une rotation de 900 dans la lame 13. Cette onde est donc réfléchie par le prisme 12 en direction de la lame 16 qui fait à nouveau tourner sa polarisation de 900 avant qu'elle ne sorte en E4 . Il en est de même pour les entrées E2 et E3 . Lors que par exemple une onde lumineuse, entrée en E2 ressort en E3 et est réfléchie par un miroir 4 , cette onde ressort à nouveau par E2 tant qu'un champ électrique est appliqué aux lames 14 et 15. Un autre exemple de réalisation d'un commutateur optique est représenté sur la figure 4 . Il est constitué d'un interféromètre classique, connu sous le nom d'interféromètre de Mach Zehnder et décrit notamment aux pages 311 à 314 de l'ouvrage de Eorn et Wolf intitulé H Principles of optics" ( éd. Pergamon Press 1959). Cet interféromètre est composé de deux miroirs 17 et 19 semi-transparents et de deux autres miroirs 18 et 20 totalement réfléchissants. Dans cet interféromètre, une onde entrant en E1 ressort en E3 et vice-versa, et une onde entrant en E2 ressort en E4 et vice-versa. Pour pouvoir utiliser cet interféromètre comme commutateur double, des lames de phase électrooptiques 21 et 22 sont interposées sur les trajets E1 , E3 et B2 , E4 , de préférence en conservant une symétrie à ce montage. En l'absence de champ électrique appliqué, rien n'est modifié quant au fonctionnement de cet interféromètre. Par contre, lorsqu'un champ électrique est applique de sorte que la lame 21 introduit un déphasage de + 900 tandis que l'autre lame 22 introduit un déphasage de - 900 , l'onde entrant en E1 ressort en E4 et vice-versa,tandis que celle entrant en E2 ressort en E3 et vice-versa. On a ainsi décrit un dispositif de production et d'amplifi- cation d'impulsions lunineuses de réalisation relativement économique, particulièrement bien adapté à la production d'impulsions lumineuses très brèves, très stables et à haute énergie. On a aussi décrit des commutateurs optiques particulièrement bien adaptés à la réalisation de ce dispositif. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production et d'amplification dfimpulsions lumineuses composé d'une source lumineuse à émission stimulée ou laser pilote, un commutateur optique dont le rôle est de sélectionner une impulsion produite par le laser pilote et de l'introduire dans un amplificateur d'impulsions lumineuses, caractérisé en ce que ledit amplificateur (6) consiste en un deuxième laser dont la cavité contient un deuxième commutateur optique (10) dont le fonctionnement est synchronisé avec celui du premier commuta- teur (5), en sorte qu'il empêche le laser amplificateur d'osciller en l'absence d'impulsion lumineuse introduite par le premier commutateur (5), qu'il permet l'introduction dans ce laser (6) de l'impulsion sélectionnée par ledit premier commutateur (5), puis qu'il permet à ladite impulsion d'effectuer plusieurs trajets aller-retour dans ledit laser amplificateur (6) avant d'être envoyée à la sortie (S) de ce dispositif. 2. Dispositif de production et d'amplification d'impulsions lumineuses selon la revendication 1 produisant des impulsions très brèves, très stables et à haute énergie caractérisé en ce que le laser pilote (1) est du type à grenat d'Yttriun-Aluminium dopé au Néodyme, à verrouillage de mode actif, tandis que le laser amplificateur (6) est du type à verre dopé au Néodyme. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier commutateur optique (5) est disposé dans la cavité du laser pilote (1) 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les cavités des lasers pilote (1) et amplifica- teur (6) sont imbriquées et que ledit dispositif ne comporte qu'un seul commutateur optique (10) associé à un miroir totalement réfléchissant (il) incliné à 450, ledit commutateur optique (îO) et un miroir totalement réfléchissant (9) au moins étant connuns aux deux dits lasers (1 R 6). 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le commuta- teur optique comporte un prisme de Glan, caractérisé en ce qu'à chacune des quatre faces utiles de ce prisme (12) sont associées des lames de phase (13 à 16) de type électro-optique commandées. 6. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le commu- tateur optique est constitué par un interféromètre de Mach Zehnder caractérisé en ce que les deux entrées et les deux sorties dudit interféromètre sont utilisées et qu'une lame de phase électro-optique (21 ou 22) commandée est interposée sur l'un au noins des deux "bras" de l'interféromètre.