Brevet FR2269221A1 — publié le 19751121

La présente invention concerne un laser de puissance à impulsions avec sys tème anti-retour. On sait qu'un laser de puissance comporte classiquement un oscillateur ca pable de fournir des impulsions de lumière de puissance relativement faible et de durée relativement longue, un modulateur capable d'arrêter le début et la fin de ces impulsions relativement longues de manière à ne laisser passer que des impul sions de pilotage brèves et de même faible puissance, un amplificateur laser, généralement à plusieurs étages amplifiant ces impulsions de pilotage brèves et les transformant en impulsions egalement brèves mais de grande puissance. Ces impulsions de puissance peuvent être ensuite focalisées sur une cible, dans le but par exemple de volatiliser une petite région de celle-ci ou de créer un plasma. Une difficulté apparat lorsqu'on veut utiliser ainsi un laser de puissance à impulsions : une partie de l'énergie envoyée sur la cible est rétrodiffusée par celle-ci, c' est-à-dire qu'une impulsion de retour dont la puissance peut être forte est envoyée sur l'amplificateur en sens inverse de l'impulsion de pilotage, et réamplifiée par celui-ci. Lorsque cette impulsion de retour réamplifiée parvient sur le modulateur, elle peut le détruire, car il est prévu pour supporter seulement la puissance beaucoup plus faible de l'impulsion de pilotage. Or, ce modulateur peut être fort couteux. Pour éviter une telle destruction, on connatt un système "anti-retour* qui comporte un laser auxiliaire à impulsions pour créer un plasma en un point de passage de l'impulsion de retour et de l'impulsion de pilotage, au moment du passage de l'impulsion de retour, c'est-à-dire après le passage de l'impulsion de pilotage. Ce plasma arrête l'impulsion de retour et protège ainsi le modulateur. Il peut étire créé soit dans l'air soit dans un autre gaz, soit encore sur une feuille d'un haut polymère organique transparent tel que le polytéréphtalate d'éthyl & e-glycol, pour localiser le claquage. L'énergie nécessaire à cette création peut entre fournie partiellement par l'impulsion de retour elle-meme. Ce système anti-retour connu présente les inconvénients suivants I1 nécessite un appareillage important comportant le laser auxiliaire, un système optique pour assurer la coincidence spatiale entre l'impulsion de retour et l'impulsion fournie par le laser auxiliaire, et un système de synchronisation pour assurer la coincidence temporelle entre ces deux mêmes impulsions. La sécurité n'est pas totale, par suite des possibilités de défaillance des divers éléments de l'appareillage. La mise au point est délicate, aussi bien en ce qui concerne la coIncidence temporelle. car l'intervalle de temps entre l'impulsion de pilotage et l'impulsion de retour est de quelques dizaines de nanosecondes, qu'en ce qui concerne la coincidence spatiale car le plasma créé doit occulter complètement la section de passage de l'impulsion de retour. La présente invention a pour but la réalisation d'un laser de puissance à impulsions avec système anti-retour ne comportant qu'un appareillage simple pour le système anti-retour, tout en présentant une sécurité accrue dans la protection contre les impulsions de retour. Elle a pour objet un laser de puissance à impulsions avec système anti-retour comportant - un générateur d'impulsions laser pour fournir au moins une impulsion lumineuse de pilotage ; - un élément de protection anti-retour placé sur le trajet de cette impul sion de pilotage et transparent à cette impulsion t - un amplificateur laser disposé de manière à recevoir ladite impulsion de pilotage après qu'slle ait traversé ledit élément de protection, et à amplifier cette impulsion de pilotage pour la transformer en une impulsion de puissance, caractérisé par le fait que ledit élément de protection est réalisé en un maté riau ayant un seuil de claquage inférieur au plus bas des seuils de destruction des éléments constituant ce générateur d'impulsions, ces seuils concernant la puissance d'un faisceau lumineux se propageant entre ledit amplificateur et ledit générateur d'impulsions. A l'aide des figures schématiques 1 à 4 ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mêmes signes de référence. La figure 1 représente un laser de puissance à impulsion avec système antiretour de type connu. Les figures 2, 3 et 4 représentent trois modes de réalisation du laser de puissance à impulsions avec système anti-retour selon l'invention. Le laser connu représenté sur la figure 1 comporte un oscillateur 2, fournissant des impulsions lumineuses de pilotage dont la durée est abrégée par un modulateur 4. Un système afocal comportant deux miroirs 6 et 8 transmet ces impulsions à un amplificateur 10 qui fournit en réponse des impulsions de puissance qui sont focalisées par une lentille 12 sur une cible 14. Les impulsions de retour résultant de la rétrodiffusion de la lumière par cette cible suivent le méme trajet que les impulsions de pilotage et sont donc réamplifiées par l'amplificateur 10. Pour éviter qu'elles ne déteriorent le modulateur 4, une feuille transparente 16 est placée sur ce trajet au voisinage du foyer 18 commun aux deux miroirs 6 et 8.Cette membrane est placée de manière à être traversée avec un minimum de pertes par les impulsions de pilotage, sans risque de claquage. Juste avant le passage de l'impulsion de retour, un plasma est initié sur cette membrane par une impulsion focalisée par une lentille 19 et provenant d'un laser auxiliaire 20 déclenché à l'instant convenable par un méme circuit de commande 22 que l'oscillateur 2. Il en résulte la formation d'un plasma qui arrête l'impulsion de retour et protège le modulateur 4. Le laser représenté sur la figure 2 est un laser à gaz carbonique de type classique fonctionnant à une longueur d'onde de 10,6 microns. L'oscillateur 2 fournit par exemple-des impulsions d'une durée de tOD ns, une énergie de un Joule sous forme d'un faisceau dont la section a une-aire de 10 mm2. Le modulateur 4 est constitué de manière classique par une cellule de Pockels 42 comportant un cristal d'arséniure de gallium, et placée entre un premier et un deuxième polariseur croisé 44 et 46. Il transmet une impulsion de pilotage rectangulaire d'une durée de 1,5 ns et d'une puissance de 5flW environ L'ensemble de l'oscillateur 2 et du modulateur 4 constituent le générateur d'impulsions laser précédesment mentionné. Un élément de protection 24 est placé sur le trajet de l'impulsion de pilotage, avant l'amplificateur 10. Ce dernier fournit une impulsion de puissance dont la durée est la méme que celle de l'impulsion de pilotage et dont l'énergie est de quelques Joules ou quelques dizaines de Joules. L'élément de protection 24 est réalisé en un matériau transparent pour l'im- pulsion de pilotage et ayant un seuil de claquage inférieur au plus bas des seuils de destruction des éléments constituant le générateur d'impulsions. c'est-à-dire en pratique ici, le modulateur 4, et plus précisément le cristal d'arséniure de Gallium. Ces seuils peuvent etre exprimés par exemple en Watts de puissance crête de l'impulsion par millimètres carré d'aire de la section du faisceau lumineux et ceci signifie que si la puissance de l'impulsion de retour risque de détruire un élément du générateur d'impulsions, elle créera préalablement un claquage dans l'élément de protection, qui se traduira par l'apparition d'un plasma qui occultera cette impulsion et protégera ainsi le générateur d'impulsions. Dans l'exemple décrit, l'élément de protection 24 est constitué par une lame de germanium dont la transparence vis-à-vis-de l'impulsion de pilotage a été augmentée par le dépot de couches anti-reflet de type classique sur ses deux faces. Oans ce cas, un plasma est créé par l'impulsion de retour sur la première couche anti-reflet rencontrée par cette impulsion en provenance de l'amplificateur 10. Un tel plasma s'accompagne d'une destruction locale de l'élément de protection. Pour éviter d'avoir à changer cet élément après chaque impulsion, il est préférable de lui donner des dimensions transversales très supérieures à la section du faisceau véhiculant l'impulsion de retour, et de le déplacer légèrement après chaque impulsion grace à un support réglable convenable non représenté. Par exemple, une lame de germanium de diamètre m mm peut tre utilisée lors de 30 impulsions successives si le diamètre du faisceau est de 10 mm, après quoi elle doit entre changée. Dans le domaine des longueurs d'onde compris entre 9 et 13 microns, des matériaux autres que le germanium peuvent également être utilisés, par exemple le chlorure de sodium, ou des feuilles de polytéréphtalate de polyéthylène- glycol connu sous le nom commercial de *mylar" ou de wterphane , ou de polytétrafluoréthylènerconnu sous le nom commercial de "teflon n. il y a souvent intérêt, pour augmenter la transparence de ces matériaux vis-å-vis de l'impulsion de pilotage, à revêtir leur deux faces de couches antireflets. Un certain défaut de transparence introduisant par exemple une perte de 20 % en transmission peut cependant ne pas présenter d'inconvénient si la puissance de l'impulsion de pilotage est largement suffisante, et présen tsr l'avantage d'un renforcement de la protection contre l'impulsion de retour. Le laser représenté sur la figure 3 est analogue au précédent. sauf en ce qui concerne les points suivants L'élément de protection est constitué par un ruban de polytéréphtalate de polyéthylène-glycol de quelques dizaines de microns d'épaisseur, allant d'un tambour d'alimentation 30 à un tambour de réception 32, ce qui permet d'assurer très simplement après chaque impulsion un déplacement de la zone de passage de l'impulsion par rapport à l'élément de protection. Le déplacement du ruban 26 peut-Stre par exemple continu ou discontinu selon que la cadence d'émission des impulsions est régulière ou irrégulière. Par ailleurs, le faisceau lumineux correspondant aux impulsions de pilotage et de retour est concentré sur le ruban 26 par un système optique comportant deux systèmes afocaux dont les foyers sont réels dans l'exemple décrit, mais seraient choisis virtuels dans d'autres cas un premier système afocal est constitué de deux miroirs paraboliques 34 et 36 qui fournissent un faisceau de section diminuée à partir du faisceau fourni par le générateur d'impulsions. Un deuxième système afocal est constitué de deux miroirs paraboliques qui fournissent, à partir de ce faisceau de section diminuée, un faisceau de section supérieure à celle du faisceau fourni par le générateur d'impulsions. Ce faisceau de section accrue est dirigé vers l'amplificateur 10. dont la section utile est ainsi agrandie, ce qui permet d'augmenter la puissance des impulsions de puissance. La diminution de la section du faisceau au passage à travers l'élément de protection permet de choisir, pour le matériau constituant cet élément de protection, un seuil de claquage, exprimé en watts par millimètre carré, supérieur au seuil de claquage d'un élément du générateur d'impulsion exprimé avec les mêmes unités de mesure. Ces seuils sont des seuils de densité de puissance. Pour une mise en oeuvre efficace de l'invention il ne convient en effet pas de considérer d'abord ces seuils de densité de puissance. il faut seulement faire en sorte que, lorsque l'on fait contre progressivement la puissance du faisceau, le claquage se produise d'abord sur l'élément de protection. il faut- alors non plus considérer des seuils de densité de puissance. mais des seuils de puissance, exprimés par exemple en Watts. Plus précisément il faut choisir le matériau constituant l'élément de protection pour que le seuil de puissance du faisceau à partir duquel il y a claquage de cet élément de protection soit inférieur au seuil de puissance du faisceau à partir duquel l'élément le plus faible du générateur d'impulsions est détérioré. Le laser représenté sur la figure 4 comporte les mêmes éléments que celui représenté sur la figure 2, sauf en ce qui concerne le fait qu'un parallèlipi- pède de Fresnel 50 est interposée entre le polariseur 46 et l'élément de protection 24. Ce parallèlipipède peut entre constitué de chlorure de sodium si la longueur d'onde est comprise entre 4 et 15 microns. il joue un rôle bien connu analogue à celui d'une lame quart d'onde : l'impulsion de pilotage est, par exemple, polarisée linéairement dans le plan de la figure à la sortie du polariseur 46. A la sortie du parallèlipipède 50, elle est polarisée circulairement. Cette polarisation se conserve ensuite et se retrouve dans l'impulsion de retour par l'élément de protection 24. Si celui-ci laisse passer un peu de lumière, la polarisation circulaire de celle-ci sera transformée par le paral- lèlipipède 50 en une polarisation rectiligne perpendiculaire au plan de la figure. Cette lumière sera donc rejetée par le polariseur 46, ce qui complètera la protection de la cellule de Pockels 42. Bien entendu, plusieurs systèmes anti-retour selon l'invention peuvent entre utilisés en série dans une même chaine laser de puissance. REVENDICATIONS 1/ Laser de puissance à impulsions avec système anti-retour comportant - un générateur d'impulsions laser pour fournir au moins une impul sion lumineuse de pilotage ; - un élément de protection anti-retour placé sur le trajet de cette impulsion de pilotage et transparent à cette impulsion - un amplificateur laser disposé de manière à recevoir ladite impul sion de pilotage après qu'elle ait traversé ledit élément de protec tion et à amplifier cette impulsion de pilotage pour la transformer en une impulsion de puissance caractérisé par le fait que ledit élément de protection est réalisé en un matériau ayant un seuil de claquage inférieur au plus bas des seuils de des truction des éléments constituant ce générateur d'impulsions, ces seuils concernant la puissance d'un faisceau lumineux se propageant entre ledit amplificateur et ledit générateur d'impulsions. 2/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un système de déplacement pour déplacer après chaque impulsion la zone de passage de ladite impulsion de pilotage à travers ledit élément de protection par rapport à cet élément. 3/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément de protection est muni de couches anti-reflet sur ses deux faces. 4/ Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit générateur d'impulsions et ledit amplificateur étant adaptés à une longueur d'onde comprise entre 9 et 13 microns, ledit élément de protection est fait d'un matériau du groupe formé par le germanium, le polytéréphtalate d'éhtylèneglycol, le polytétrafluoréthylène et le chlorure de sodium, avec cette restriction que ce matériau ne présente par de raie d'absorption importante à la longueur d'onde utilisée. 5/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit générateur d'impulsions étant constitué par un oscillateur laser suivi d'un premier polariseur puis d'une cellule de Pockels, puis d'un deuxième polariseur croisé avec le premier pour constituer un modulateur, un élément optique du type quart d'onde est disposé entre ce modulateur et ladite lame de protection. 6/ Laser selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit oscillateur et ledit amplificateur étant adaptés à une longueur d'onde comprise entre 4 et 15 microns, ledit système optique du type quart d'onde est un parallèlipipède de Fresnel constitué de chlorure de sodium. 7/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un système optique disposé entre ledit générateur d'impulsions et ledit amplificateur, ledit élément de protection étant placé en un point dudit système où le faisceau lumineux est plus concentré qu'à l'extérieur de ce système optique.