Brevet FR2208217A1 — publié le 19740621

La présente invention concerne les systèmes laser a cavités dites instables à fortes pertes dans lesquels le milieu amplificateur doit donc avoir un gain élevé. Un laser est essentiellement constitué d'un milieu amplificateur de lumiere placé dans une cavité dont certains modes d'oscillations ont un coefficient de surtension généralement élevé. Un exemple simple de cette structure consiste en un système de deux miroirs plans parallèles entre lesquels se trouve placé le milieu amplificateur. Au début du développement du laser, ce milieu avait souvent un gain faible. Par ailleurs, on montre que l'amplification obtenue par inversion de population correspond à une certaine énergie stockée dans le matériau, énergie qu'on retrouve pour partie dans le faisceau et pour partie dans la population minium que doit contenir le milieu amplificateur pour compenser les pertes de la cavité (Notion de seuil d'oscillation). Ceci à conduit à la recherche de structure à faible pertes permettant l'utilisation de milieu à faible gain ou l'extraction d'une partie importante de énergie stockée. Les cavités électromagnétiques répondant à ces conditions sont souvent appelées cavités stables et dans le cas de miroirs sphériques leurs parametres sont donnés par un diagramme bien connu des spécialistes. I1 est possible, lorsqu'on utilise des milieux à grand gain, de concevoir des systèmes de miroirs qui ne répondent pas à ces cnnditions mais permettent cependant d'extraire de énergie lumineuse sous forme intéressante (faisceau limité par la diffraction dans certains cas). Ces systèmes sont souvent dits à cavités instables. Un exemple d'un tel système est donné sur la figure 1. Un autre exemple est donné sur la figure 2. Tous ces systèmes ont deux caractéristiques en commun. a) L'énergie du faisceau est extraite latéralement autour de l'un des miroirs car les rayons sont soit divergents dans la cavité (premier cas) soit écartés par un système du type afocal avant de rencontrer l'un des miroirs (deuxième cas) bY I1 faut disposer d'une amplification relativement grande pour franchir le seuil d'oscillation car les cavités instables ont, par nature, des coefficient de surtension faibles. Ceci se traduit par la nécessité d'un fort stockage d'énergie (perdue pour le faisceau) dans le milieu amplificateur. Le rendement est souvent médiocre ou le milieu amplificateur mal utilisé. Notre proposition qui vise à ameliorer ce rendement et à augmenter l'énergie de sortie découle de la remarque suivante Dans tous ces systèmes, grâce au changement du diamètre du faisceau dans la cavité, il est possible de séparer le rôle amplificateur du milieu chargé de passer le seuil d'oscillation du rôle d'accumulateur d'énergie de ce même milieu. Nous proposons donc une structure à deux éléments amplificateurs différents judicieusement placés dans la cavité dont, l'un généralement de petite taille, pour améliorer le rendement, sera chargé d'apporter une amplification importante et dont l'autre, généralement de forte taille, sera chargé de fournir de l'énergie au faisceau. Nous proposons également une amélioration de cette structure lorsque les milieux s'y prêtent et qui consiste à prendre pour milieu à grand gain un milieu a forte section efficace d'interaction et pour milieu chargé de stocker de l'énergie un milieu à faible section efficace d'interaction. A titre d'exemple, on peut envisager les couples suivants - une solution de Cresyl Violet et du rubis, - du YAG ou YAL0 et du verre dopés au Néodyme, Cette liste n'est pas limitative. Nous avons fait une expérience concluante et fait fonctionner un montage basé sur ces principes, représenté sur la figure 3 avec le couple PAG et-verre dopés au Néodyme. La Figure 3 donnée à titre non limitatif permet d'ailleurs de mieux comprendre l'invention. Une cavité optique instable est formée par les deux miroirs M1 et M2 dont l'un (ici M1) est convexe. Un miroir M3 perçé d'un trou de surface s permet d'extraire le faisceau donc de l'énergie. Tout autre dispositif de cavité instable, c'est-à-dire dans lequel la lumière se propage sous forme d'un faisceau divergent ou de section variable ferait aussi bien l'affaire. Dans un tel système, il existe des zônes où le faisceau utile est de fort diamètre et des zones où il est de faible diamètre. Dans le cas de la figure 3, le diamètre maximum se situe au niveau du miroir M3. Soit S la surface du faisceau au niveau de M3. Soit, par ailleurs, C la surface d'un milieu amplificateur placé entre M3 et M2. L'amplification A minimum pour passer le seuil d'oscillation dans une telle cavité est simplement AS s Cette amplification peut être entièrement fournie par le milieu amplificateur indiqué précédement. Une partie de cette amplification peut également être fournie par un second milieu amplificateur placé entre Ml et M3 donc de plus faibles dimensions. Soit c1 l'énergie stockée dans le premier milieu et 2 ltenergie stockée dans le second milieu. Si cl > > E2 l'énergie extraite du système est de l'ordre de s 1 et l'énergie injectée dans le deuxième milieu de l'ordre de s T El Ce second milieu ne pouvant délivrer qu'une énergie de l'ordre de 2, on peut partager l'amplification A = S en une partie A2 due au deuxième milieu qui sera de l'ordre de et une partie A1 due au premier milieu qui sera donc de l'ordre de: A titre d'exemple, supposons ce qui correspond à un système amplificateur placé entre M1 et M3 très petit comparé à l'autre ; alors, une amplification de 10 peut être fournie par ce petit système au bénéfice du système à forte énergie. Le dispositif objet de l'invention dont nous avons décrit le principe peut être utilisé toutes les fois que l'on veut améliorer la puissance et le rendement d'un laser qui doit, pour ses applications, fonctionner en cavité instable. Des exemples non limitatifs sont l'excitation des plasmas et la télémétrie. REVENDICATIONS 1/ Système oscillateur laser à cavité instable comportant deux éléments amplificateurs. Caractérisé par le fait qu'on bénéficie de la section variable du faisceau laser dans les cavités instables pour séparer le rôle amplificateur du rôle stockeur d'énergie. 2/ Dispositif selon la revendication 1 Caractérisé par le fait que les deux milieux amplificateurs sont de taille très différentes donc nécessitent des énergies de pompage très différentes, ce qui permet d'améliorer le rendement. 3/ Dispositif selon la revendication 1 Caractérisé par le fait que les deux milieux amplificateurs peuvent être de nature différente.