Brevet FR2241890A1 — publié le 19750321

La présente invention concerne les systèmes amplificateurs de lumière à haut flux dans lesquels une lumière très intense traverse un milieu matériel et risque d'y créer des défauts irréparables. Elle consiste en un montage qui par rapport aux systèmes actuels diminue ces risques en augmentant le rendement du système. La lumière intense passant à travers un milieu matériel peut créer des dommages dans ce milieu ou à sa surface par plusieurs mécanismes. 1/ Le champ électrique associé à l'onde lumineuse induit des électrons libres qui par avalanche détruisent le matériau (1) soit par l'intermédiaire de points absorbants soit directement. 2/ L'onde lumineuse n'ayant pas une étendue latérale infinie induit dans le milieu une variation dtindice d'autant plus élevée que son intensité est plus forte. Sous l'influence de cette variation d'indice l'onde stautofocalise par-un processus cumulatif. La distance d'autofocalisation est d'autant plus courte que l'onde est plus intense et que le rayon du faisceau lumineux est plus faible (2). I1 en résulte que de petites fluctuations d'intensité sont rapidement focalisées et sont donc particulièrement dangereuses. Leur élimination totale est impossible car le mécanisme d'amplification dans un milieu matériel quelqonque en provoque de nouvelles (3). Pour des impulsions brèves et puissantes ce deuxième mécanisme est celui qui apparatt généralement le premier c'est donc le plus gênant. La construction de systèmes amplificateurs à haut flux lumineux impose donc 1/ Une densité d'énergie assez faible pour ne pas dépasser le seuil de dommage dans le matériau ou à sa surface par les mécanismes autres que 1 'autofocalisation. 2/ Une longueur de matériau amplificateur aussi faible que possible pour diminuer les risques d'autofocalisation. 3/ Un pompage aussi efficace que possible pour augmenter le rendement global. Une première solution a été apportée au problème de l'amplification des faisceaux intenses sous forme de ce que l'on appelle les amplificateurs à plaques. Dans ces systèmes le risque d'autofocalisation est réduit par découpage du milieu amplificateur en plaques minces décalées les unes par rapport aux autres comme indiqué sur la figure 1 donnée à titre d'exemple de la technique actuelle. Ce montage présente de nombreux désavantages. 1/ Compte tenu de l'ordre de grandeur des fluctuations spatiales à supprimer dans le faisceau (1 mm par exemple il serait nécessaire pour que la diffraction les élimine d'une plaque à l'autre que ces dernières soient séparées de plus d'un mètre. Ceci ne peut etre facilement réalisé dans ces montages qui seraient alors d'un rendement déplorable. Le montage par plaque n'assure donc qu'une protection relative contre l'autofocalisation. 2/ Pour accrottre le rendement on choisit évidemment de travailler sur la section minimum donc près des seuils de rupture ou d'auto focal isation. 3/ Malgré les concessions faites le rendement global reste faible. Nous basant sur les mêmes exigences physiques nous proposons un montage différent apportant 1/ Une meilleure protection contre l'autofocalisatîon par éloignement suffisant des plaques. 2/ Un accroissement notable du rendement global. Examinons de nouveau la figure 1 et les- causes du fonctionnement défficient du système actuel. Des lampes flash F par exemple excitent le milieu amplificateur P. La géométrie utilisée implique d'éloigner ces lampes du matériau amplificateur. Le rendement de pompage i1 est mauvais. On cherche à accroître le rendement global en travaillant avec des faisceaux aussi intenses que possible sur des sections aussi faibles que possible. Appelons : S1 la surface de la section droite du faisceau. t la durée de l'impulsion. P1 sa puissance crête incidente. Al l'amplification du milieu : rapport entre l'éner gie de sortie et l'énergie incidente. l'énergie d'excitation. Le rendement global vaut alors L'amplificateur A, vaut pour-les signaux de faible énergie où N1, est pour un système à quatre niveaux, le nombre d'ions excités par unité de surface (section droite) du milieu amplificateur et Cr la section efficace de ces ions. L'énergie totale stockée dans le milieu amplificateur est alors N S inr et le rendement global #G1 peut s'écrire sous forme d'un -produit : où rapport de l'énergie totale stockée à lténergie totale d'excitation ou de pompage #1, n'est autre que le rendement de pompage #p 1, En appelant 4 ~ 8 rS1 l'énergie totale incidente) s'écrit encore Cette relation se présente sous forme d'un produit de deux ren dements, l'un est le rendement de pompage déjà défini #p1 , l'autre est le rendement d'extraction de l'énergie stockée.Sur tes montages actuels on augmente Xt en augmentant le rendement d'extraction donc en diminuant car Ç lui, est fixé par la géomètrie. Une autre approche est cependant possible,. elle consiste à maximiser non pas le rendement d'extraction mais le rendement global. Nous montrons sur un montage proposé sur la figure 2 donnée à titre d'exemple et non limitatif le principe de cette nouvelle approche. Dans ce nouveau cas nous accroissons le rendement de pompage quitte à diminuer le rendement d'extraction pour d'autres raisons. Le but final est en effet de maximiser le rendement global. Dans cette nouvelle approche on voit qu'une diminution notable du rendement d'extraction est acceptable dans la mesure où le produit de ce rendement par le rendement de pompage rèste supérieur ou égal à celui du montage de la figure 1. On a ainsi le moyen de diminuer la densité d'énergie par unité de surface donc de diminuer les risques d'autofocalisation. Par ailleurs le montage proposé que nous décrivons ci-après se présentant sous forme de plaques indépendantes, il est possible d'éloigner facilement ces plaques les unes des autres et de se placer dans des conditions qui réduisent encore les risques d'autofocalisation. Si l'on affecte de l'indice deux les lettres désignant les mêmes paramètres de ce nouveau montage on a-: Si on a la possibilité d'accroître simultanément le ren ciment giooal et ia surrace utile ce qui aecrott ies risques d'autorocaiisa- tion. La figure 2 donnée à titre d'exemple illustre un montage dans lequel cette situation est réalisée. On y voit une source de pompage F placée très près du milieu amplificateur P. Le rendement de pompage est considérablement amélioré par rapport à celui du montage habituel décrit sur la figure 1. Par contre dans ce cas une seule face du matériau amplificateur est accessible et le miroir M permet de renvoyer le faisceau incident et d'exploiter deux fois le matériau amplificateur. Par ailleurs les plaques amplificatrices utilisées étant excitées individuellement il est possible de les éloigner facilement les unes des autres dans un montage par exemple-du type de celui de la'figure 3 donné à titre indicatif de la technique et non limitatif. On bénéficie alors complètement des effets de diffractions sur l'élimination des surintensités nées de début d'autofocalisation dans chaque plaque. Le dispositif objet de l'invention peut-Etre utilisé toutes les fois qu'une impulsion de lumière très intense doit-etre amplifiée. Une application particulièrement intéressante peut-Stre ltexci- tation de plasma pour induire des réactions thermonucléaires. Références Bibliographiques. (1) "Congres on Laser dammages" Boulder Colorado Mai 1973. (2) G. BRET Thèse Paris 1967. (3) A. Glass.Congres on Laser Engineering and applications Washington Juin 1973. Revendications. 1/ Dispositif amplificateur de lumière comportant un milieu amplificateur et une source de pompage caractérisé par le fait qu'il comporte un élément réflecteur place sur l'une des faces du milieu amplificateur qui permet d'augmenter considérablement le couplage entre la source et le milieu amplificateur et d'augmenter ainsi à la fois le rendement de pompage et le rendement d'extraction de l'énergie lumineuse. 2/ Dispositif amplificateur de lumière composé de plusieurs dispositifs suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les éléments suivant la revendication 1 peuvent être placés à distance les uns des autres, ce qui élève le seuil d'autofocalisation des faisceaux et permet de travailler a plus haute densité d'énergie favorisant ainsi le rendement. d'extraction.