Brevet FR2240549A1 — publié le 19750307

Historiquement, le premier système à laser qui fut décrit et utilisé fut un système à "trois niveaux". En général, pour qu'un phénomène laser ait lieu dans un tel système à trois niveaux plus de la moitié des centres d'émission actifs du support doivent passer de leur état de base à des états superieurs afin de réaliser l'inversion de population nécesesaire pour la production d'un phénomène laser. Dans un système laser à "quatre niveaux", il n'est pas nécessaire que plus de la moitié des centres d'émission soient sortis de leur état de base car l'émission laser n'a pas lieu entre un état excité et un état debase plus qu'à demi-épuisé, mais survient entre un état supérieur excité et un état supérieur pratiquement vide. Le système laser à quatre niveaux est plus avantageux que le laser à trois niveaux car le premier peut être réalisé en pompant seulement une partie des centres d'émission d'état de base à un niveau supérieur, partie inférieure à la moitié. Cet avantage est à tel point primordial que le seul laser utilisé pratiquement comme un schéma à trois niveaux est le laser à rubis. tous les autres lasers pratiques foncti nnent sur un schéma à quatre niveaux. Le niveau supérieur du laser dans le rubis a une durée de vie suffisamment longue, de sorte que l'on peut prendre un temps relativement long pour exciter caniveau, facilitant ainsi le pompage optique. Pour obtenir les avantages d'un schéma de laser à quatre- niveaux, on doit choisir un matérieu où l'émission laser survient entre deux états d'énergie supérieure. Cette invention- étend la possibilité pour l'émission laser d'avoir lieu d'un état excité à l'état de base, comme pour le laser trois niveaux, mais avec l'avantage de la faible puissance de pompage du laser à quatre niveaux. Ceci est obtenu par un procédé à deux opérations dans lequel la première opération comprend l'excitation sélective, ou préparation, d'une substance afin d'obtenir une population fortement déséquilibrée entre les sous-niveaux d'état de base thermiquement peuplés. de telle sorte qu'un sous-niveau est pratiquement vide eut que n'importe quel autre sousniveau est surpeuplé.La deuxième opération comprend I'excitatïon de tout sous-niveau d'état de base surpeuplé à un état excité du système d'émission. L'émission laser à partir de cet état excit & survient au sous-niveau d'état de base sous-peuplé. Selon le système laser choisi, ces deux opérations peuvent être réalisées séquentiellement ou simultanément. En effet, la première opération change le système à trois niveaux en un système à quatre niveaux dans lequel deux des niveaux significatifs sont des sous-niveauxde base. Ladeuxième opération est l'équivalent du pompage de tout système laser à quatre~niveaux avec ses conditions requises de pompage afférentes inférieures. La préparation de la première opération de cette invention, à saloir, la réalisation d'une distribution d'état de base non équilibré. peut être faite de nombreuses manières, dont trois au moins seront décrites ici-même par la suite. La deuxième opération peut également être réalisée de nombreuses manières, mais les moyens choisis devront être tels qù'ils seront en accord avec la première opération et ne lui seront pas préjudiciable.Afin d'obtenir une telle compatibilité, un certain nombre de régles de sélection sont utilisées avantageusement. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexes à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente une réalisation préférée de l'invention. Les figures 2 et 3 sont des diagrammes de niveaux d'énergie utiles à la compréhension du fonctionnement de l'invention de la figure 1. La figure 4 est un diagramme de niveaux d'énergie pour un laser classique à trois niveaux de l'art antérieur. La figure 5 est un diagramme de riveaux d'énergie pour un laser classique à quatre niveaux de l'art antérieur. La figure 6 est un diagramme de niveaux d'énergie pour un laser à deux opérations conçu pour fonctionner conformément aux enseignements de cette invention. Dans la figure 1, une cellule transparente 2 contient le support physique d'émission laser 4, qui, dans l'exemple choisi qui illustre mais ne limite pas l'invention, se compose d'une vapeur de métal alcalin, par exemple, le rubidium. Une paire de pièces se faisant face 6 et 8, capable de se voir appliquer un champ magnétique de 50 gauss et plus, est située symétriquement de part et d'autre de la cellule 2. L'opération un, celle de préparation, consiste, dans ce cas, en un pompage optique de la vapeur 4 en présence d'un champ magnétique. De cette manière, une distribution extrémement déséqui librée dans les états de base deZeeman est réalisée. L'opération 1 est effectuée par une lampe à résonance 10.La sortie lumineuse de cette dernière est envoyée à travers un dispositif de polarisation 12 pour obtenir une lumière de pompage polarisée circulairement qui est réfléchie par le miroir 14 à travers la cellule 2. Une telle lampe à résonance 10 peut être continue ou pulsée, le but d'une telle lampe étant de réaliser une distribution de population de durée de vie relativement longue, fortement déséquilibrée dans les états de base de Zeeman. Les optiques sont choisies de sorte que le champ magnétique H produit par les éléments polaires 6 et 8 soit parallèle au faisceau lumineux de pompage L1 entrant dans la cellule 2. Un faisceau L2, produit par un laser 20, est polarisé circulairement dans la direction montrée à la figure 1. Le faisceau L? frappe la cellule 2 après avoir étéréfîéchi, par le miroir 14'. Les sens respectifs de la rotation de la polarisation de L1 et L2 par rapport à la direction du champ magnétique sont opposés. Les faisceaux Li et L2 produisent des transitions #-et ##. Le faisceau--lumineux L2 excite la vapeur 4-à un niveau supérieur. L'émission laser pour l'état de base sous-peuplé suit, produisant un faisceau laser à- bande étroite polarisé linéairement L3. Cette émission w est polarisée parallèle au champ H et se propage perpendiculairement aux faisceaux lumineux de pompage L1 et L2. Les miroirs 16 et 18 forment la cavité optique. Une meilleure compréhension du fonctionnement du procédé à deux opérations est obtenue par une étude des-diagrammes de niveau d'énergie des figures 2 et 3 conjointement à la figure 1. où la figure 2 décrit procédé de préparation (opération 13 et où la figure 3 décrit l'action laser Copération 23. Dans la figure 2, la lumière de pompage, L1, a une intensité I1 et est polarisée circulairement pour produire la transition a- entre le sousniveau de Zeeman de l'état de base M=+1/2 et le sous-niveau d'état supérieur M=-1/2.La division de ces deux sous-niveaux est produite par le champ magnétique H et la régle de sélection est telle que L1 peut seulement produire la transition #-. Pour le rubidium, la longueur d'onde de L1 est 7946A Les atomes excités au niveau 2P1/2 (M=-1/2) seront spontanément dégénérés à l'état de base, émettant à la fois les radiations # et #, comme indiqué p-ar les lignes ondulées à la figure 2. En fournissant continuellement la lumière a-- (L1), le niveau 2S1/2 (N=+1/2) est rogressivement vidé en faveur du niveau S1/2 (M=-1/2).Cette technique pour orienter les spins, ou d'autres termes, réaliser une distribution de population non-thermique dans les sous-niveaux d'état de base est connue en tant que pompage optique et peut être décrite quantitativement comme suit. Les densités numériques respectives des atomes dans les couches stomi- ques dues au pompage sont désignées par N1, N2, N3 et N4, ou N1+ N2+ N3* N4=N, N étant la densité numérique totale des- atomes. Les lignes ondulées de la figure 2 indiquent l'émission. spontanée des radiations lumineuses a et in ayant des durées de vie respectives T et T .T est le temps entre des petits déplacements de M=#1/2 à M=# 1/2 dans les niveaux S1/2 et Ts > > T# ou T#. Les équations qui décrivent le pompage- optique sont La solution de l'état stable des équations ci-dessus est: en supposant T T Tr s Pour les lignes D1 de la vapeur de métal alcalin, T = 2T . La quantité KI1)-1 est définie comme le temps de pompage optique Tp. Le fait de substituer Tp à (KI1)-1 dans l'équation (4) produit Pour obtenir la plus grande valeur de (N1- N2), on désire avoirle plus petit rapport 6T /T .Pour les lampes 10- disponibles commercialement, p s -4 des temps de pompage T de l'ordre de 10 secondes sont disponibles. T p s peut être conçue avec une valeur de % 0,1 seconde soit en incorporant dans la cellule de vapeùr 2 un gaz supplémentaire approprié, tel que le néon, ou en recouvrant les parois de la cellule à travers lesquelles entrent les faisceaux de pompage L1 et L2 avec de la parafine. Bien que le fonctionnement idéal ait lieu si pour les nombres donnés immédiatement ci-dessus la valeur est t 0,994. Dans la figure 3, la deuxième opération du procédé de pompage est représentée. Une impulsion de lumière #+ (faisceau L2) extrait les atomes de rubidium de l'état surpeuplé S1/2 [M=-1/2) et les porte à l'état excité P1/2 (M=+1/2) de sorte que l'émission laser peut avoir lieu à partir d'un tel état excité au niveau de base sous-peuplé 51/2 (N=+1/2). Les régles de sélection sont telles que: i) la lumière #+ peut seulement provoquer la transition indiquée, ii) l'émission laser sera polarisée linéairement parallèe à H. L'émission sera perpendiculaire à la direction du champ magnétique H, comme indiqué par le faisceau lumineux L3 dans la figure 1. Le laser à bande large 20 n'est pas appliqué jusqu'à ce que l'opération 1 soit achevée, à savoir, lorsque N1 0,997N et N2 # 0,003N. Pour l'opération 2,. la sortie 20 du laser d'intensité Iz est appliquée à la vapeur 4 et provoque la transition a de la figure 3. La densité numérique d'atomes excités N4 deviendra vité supérieure à N2 De préférence, la durée de l'impulsion d'excitation provenant du laser 20 sera courte au temps de vie spontané de la transition TF. T est de l'ordre de 100 nanosecondes TF pour les lignes D1 des vapeurs alcalines.Les équations différentielles pour l'opération 2 sont les suivantes: où a = 1 p = 8## ##V/c TF Tc = -2L/c in R1 R2 B = coefficient B d'Einstein Q = nombre de photons dans le mode d'émission laser Tc = durée de vie de la cavité c p = nombre de modes à l'intérieur de la largeur de ligne Av dans une cavité de volume V R1, R2 = réfIectivités~des miroirs 16 et 16 et L -= longueur de la cavité Dans la pratique de cette invention, étant donné que l'émission survient à partir d'un état excité pour l'état debase sous-peuplé, le sous-niveau 2S1/2 (M=+1/2) est repeuplé et par conséquent le schéma d'émission est auto-finissant.Ce laser sera capable de produire de très courtes impulsions. D'autre part, Ia largeur de ligne de la vapeur étant étroite, il s'en suit que la largeur de bande des impulsions sera déterminée par la durée de l'impulsion ou sera On devra noter que la di-vision du niveau d'état de base peut également être provoquée par un champ électrique à la place d'un champ magnétique. L'invention envisage également le pompage optique de l'état de base par l'effet d'alignement de la source polarisée circulairement seule, sans application d'un champ. La lumière o- produit une sous-population de spins alignés parallèlement à leur direction de ropagation et une surpopulation de spins anti-parallèles à leur direction de propagation. La deuxième opération produit l'inversion de la même manière. D'autres combinaisons de polarisation peuvent être utilisées. Par exemple, en inversant les rôles de vs et o-, su en utilisant une lumière X pour l'excitation dans l'opération 2. Dans le dernier cas, la direction du faisceau de la lumière TF doit être perpendiculaire à, et polarisée linéairement le long du champ magnétique H. De plus, dans le rubidium, l'état de base est divisé dans un champ magnétique zéro à cause de l'interaction mucléaire très précise. Une telle division tient compte de l'utilisation d'une méthode d'excitation sélective pendant l'opération 1 qui est de concept différent de l'opération 1 antérieurement décrite. En utilisant une lampe à résonance 10 contenant seulement l'isotope du rubidium Rob65, on pompe optiquement la cellule 2 contenant la vapeur de rubidium composée seulement d'atomes Rob 7. Le pompage appauvrit le niveau très précis F=2 en faveur du niveau F=1. L'étape 2, pour un tel système, consistera dans l'excitation du niveau F=1 dans lequel l'émission laser a lieu à partir de l'état excité vers le niveau F=2.Une description de l'opération 1 notée ci-dessus comportant les isotropes du rubidium est donnée dans "Progrès en Optique". édité par E. Wolf, Wol. V, pages 9-11, publié en 1966 par North-Holland Publishing Company, Amsterdam, Hollande. L'opération 1 pourrait aussi être réalisée en suivant les enseignements de Stern et Gerlach. Voir "Zeitschrift für Physik Vol. 8, 110. Vol. 9, 349 [19223. Conformément à leurs enseignements, un faisceau atomique dans l'état de base S1/2 est passé à travers un champ magnétique non homogène intense. Ce passage sépare le faisceau unique en deux faisceaux, un faisceau composé entièrement d'atomes dans le sous-niveau d'état de base M=+1/2 et l'autre faisceau composé entièrement d'atomes dans le sous-niveau d'état de base M=-1/2. A l'opération 2, l'application de la lumière résonante a ou , peut être faite à l'un ou l'autre des faisceaux. Une émission laser ultérieure de lumière a ou W au sous-niveau d'état de base vide aura lieu. L'émission laser se fera perpendiculairement au faisceau excitant de l'opération deux. Afin d'obtenir un flux important dans le faisceau atomique, le schéma multiplicateur de Stern peut être utilisé. Voir "Zeifschrift fûr Physik, Vol. 39, 757 t19263. Dans ce schéma, un nombre important [de l'ordre d'une centaine) de champs magnétiques non homogènes convergents est utilisé pour réaliser la séparation en deux faisceaux d'atomes dans les sous-niveaux d'état de base M=+1/2 et M=-1/2. En résumé, la figure 6 montre l'amélioration de la présente invention sur l'art antérieur représenté parles figures 4 et 5. Dans un laser à trois niveaux classiques (figure 4), la lumière de pompage P excite plus de la moité des centres d'émission de l'état de base 1 à la bande de pompage 2 où ils dégénèrent au niveau de laser supérieur trois. L'émission prend place de 11 état 3 à l'état i 'seulement après que la moitié des centres d'émission soient découverts à l'état 3. La restriction notée ci-déssus imposée sur un laser à.trois niveaux est supprimée en utilisant un état terminal différent 4 (figure 53 de sorte que l'émission a lieu de l'état 3 à l'état 4. Puisque la niveau terminal (état 4) n'est pas thermiquement peuple de manière appréciable, seule une fraction des centres d'émission laser do it être excitée au niveau trois pour réaliser l'émission laser. Donc, une énergie de pompage bien moindre est nécessaire pour obtenir L'émission pour un laser à quatre niveaux comparativement à un laser à trois niveaux. flans la présente invention pour laquelle un diagramme d'énergie classique est représenté à la figure S, les avantages de la puissance de pompage faible du laser à quatre niveaux sont étendues à un arrangement de niveaux qui est identique à celui du laser à trois niveaux Ainsi, à gauche de la ligne pointillée A1 on connaît l'arrangement de niveau de la figure 4. Cependant, un avantage apparait provenant du fait que l'état de base est composé de plusieurs sous-niveaux.Dans I'opération 1, représentée dans le diagramme de la figure 6 entre les lignes pointillés AI et A2, une population fortement déséquilibrée est obtenue entre deux des sous-niveaux appelés I et 4, de telle sorte que le sous-niveau 1 est surpeuplé et que le niveau 4 est pratiquement sous-peuplés Dans la figure 6 > afin d'obtenir un tel déséquilibre > on emploie un pompage optique par I'intermédiaire du niveau 5 et on utilise une lumière p de même qu'à. la figure 2. Une telle opération 1 n'est qu'un exemple et d'autres techniques représentatives mais non limitatives pour effectuer l'opération 1 ont été décrites ci-dessus. Après l'opération 1, l'arrangement de niveaux, quiest représenté à droite de A-2, est identique å l'arrangement à quatre niveaux avec ses conditions requises de faible pompage propres. A des fins de comparaison avec les figures 4 et 5 on a utilisé une bande de pompage 2 dans la figure 6. Ceci n'est pas essentiel pour la présente invention et la réalisation parti- culière décrite ci-dessüs n'utilise pas due bande de pompage. Bien que l'on ai-t décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il Juge utiles, sans pour -autant sortir du cadre de ladite invention. REVENOICATIONS 1.- Système d'émission laser utilisant un support physique actif ayant des sous-niveaux d'état de base peuplés thermiquement et caractérisé par la combinaison des éléments suivants: 1". des moyens pour réaliser une répartition de population fortement déséquilibrée parmi lesdits sous-niveaux d'état de base, répartition selon laquelle un au moins des sous-niveaux est sous-peuplé et les autres sousniveaux sont surpeuplés, et 20. des moyens d'excitation dudit support physique actif pour transférer la population d'un sous-niveau d'état de base surpeuplé à un état excité du support physique, de sorte que l'action d'émission résulte du passage dudit état excité à un sous-niveau d'état de base sous-peuplé. 2.- Système d'émission laser selon la revendication 1 caractérisé en outre en ce que le moyen pour obtenir une telle population fortement déséquilibrée parmi les sous-niveaux d'état de base est le pompage optique. 3.- Système d'émission laser selon la revendication 1 caractérisé en outre en ce que le moyen pour obtenir une telle population fortement déséquilibrée parmi les sous-niveaux d'état de base est le pompage optique dans un champ magnétique. 4.- Système d'émission laser selon la revendication 1 caractérisé en outre en ce que ledit support physique d'émission est une vapeur métallique alcaline. 5.- Système d'émission laser selon la revendication 4 caractérisé en outre en ce que ladite vapeur de métal alcalin est du rubidium. 6.- Système d'émission laser selon la revendication 1 caractérisé en outre en ce que les sous-niveaux d'état de base sont séparés par interaction hyperfine. 7.- Système laser selon la revendication 6 caractérisé en outre en ce que le moyen pour obtenir ladite population fortement déséquilibrée parmi lesdits sous-niveaux hyperfins est une source de pompage qui n'est résonnante qu'avec une transition hyperfine. 8.- système d'émission laser selon la revendication 1 caractérisé en outre en ce que le support physique actif est un faisceau d'atomes. 9.- Système d'émission laser selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support physique actif est un faisceau de molécules. 10.- Système d'émission laser selon l'une des revendications 8 ou 9 carac térisé en outre en ce que le moyen pour obtenir une population fortement déséquilibrée parmi lesdits sous-niveaux d'état de base est le passage dudit faisceau atomique à travers un champ magnétique non homogène.