Brevet FR2293086A1 — publié le 19760625

La présente invention concerne les milieux amplificateurs optiques et se rapporte plus particulièrement à la réduction des déformations de tels milieux provoquées par la lumière de pompage. On considère une plaque de milieu amplificateur d'épaisseur e, qui contient des électrons liés à des atomes, à des ions ou, dans le cas des semi-conducteurs ou des plasmas, à une large fraction du milieu. Dans un dispositif de ce type, on utilise une transition entre deux niveaux (1) et (2) pour amplifier de la lumière à une fréquence sL liée aux énergies #1 et #2 des niveaux (1) et (2) par la relation suivante hvL = (#2 - #1) (1) Le pompage par impulsions d'un tel milieu amplificateur est effectué en un temps dont la valeur est de l'ordre de celle du temps de désexcitation T21 des atomes, ions ou électrons placés au niveau (2) ou, de préférence, en un temps plus court, au moyen d'une source de pompage telle qu'une lampe à éclairs, un laser, un faisceau d'électrons ou autre, qui placent, suivant un processus bien connu des spécialistes, des électrons sur des niveaux excités (n > (n+l), (n+2)... (n+p)... qui se désexcitent ensuite vers le niveau (2) en un temps court comparé à T21. On comprend aisément que le stockage d'un atome, d'un électron ou d'un ion excité dans le milieu, en vue de son utilisation ultérieure pour l'amplifica- tion d'un faisceau lumineux de fréquence vL,impose un processus qui donne lieu, par exemple, à l'absorption d'un photon de pompage dont l'énergie en+p correspond à la bande d'absorption (n+p) puis à la désexcitation vers le niveau (2). L'énergie thermique ET dissipée dans ce milieu est alors donnée par la relation #T = (3#n+p - #2) (2) Les espèces étant supposées réparties de façon homogène dans le matériau, le pompage par une source de lumière située sur une face du milieu donne lieu, dans le matériau, à un échauffement local d'autant plus intense qué la source de pompage est plus intense et que la différence s(n+p) - #2 est plus importante. L'énergie de pompage est absorbée au cours de son passage dans le matériau, avec des sections efficaces çn+p caractéristiques de chaque niveau d'énergie. Il en résulte, lorsque le matériau soumis au pompage optique est une plaque pompée par une face que la loi de température suivant la normale à cette plaque, correspond à une température décroissante d'une face de la plaque à l'autre, à condition que l'équilibre thermique ne soit pas établi, ce qui est le cas pour les durées de vie courantes des atomes ou des ions comparées au temps de diffusion de la chaleur. Par ailleurs, le matériau lui-même peut être absorbant pour diverses longueurs d'onde. S No est la densité des centres actifs, la loi d'absorption pour chaque longueur d'ond est une loi exponentielle de forme où X est la position par rapport à la face d'entrée. I1 en résulte, en chaque point du milieu pompé, un dépot d'énergie thermique #T donné par la relation ofl &alpha; est un coéfficient dépendant de l'intensité de la sourcede pompage pour chaque énergie. A ce dépôt d'énergie thermique, il faut, en outre, ajouter un-terme également exponentiel traduisant l'absorption propre du milieu. Au cours du pompage par impulsions, la répartition locale de température à un instant donné dans le milieu soumis au pompage se présente donc sous forme d'une somme d'exponentielles décroissantes à partir de la surface du milieu voisine de la source de pompage, vers la surface de ce milieu opposée à ladite source. Un pompage en continu donnerait également lieu à un effet analogue, mais avec une répartition de température plus complexe, dépendant en particulier du couplage du milieu à une source froide indispensable pour son refroidissement. Cette loi de température, à laquelle est soumis le milieu amplificateur, peut perturber la propagation de l'onde lumineuse de fréquence ' > L à amplifier pour deux raisons principales. Elle entraîne une variation a n/T de l'indice de réfraction n du milieu en fonction de la température. Elle provque, en outre, une variation locale de volume, proportionnelle à la variation de température. Cette vari@ien de volume @e traduit, dans le cas un milieu amplifi@ateur so@@de, par ale courbure ues faces du milieu amplificateur. La relation (3) traduisant la jo d'ausorption du milieu pour opaque longueur d'onde montre que, pour que le milieu amplificateur présente un rendement suffisant, c est-à-dire qu'il absorbe la plus grande partie possible de la lumière de pompa ge, la densité N des centres actifs doit-être telle que, pour une épaisseur e de o métériau, les termes NoCne présentent des valeurs de l'ordre de 1 à 3. Pour obtenir ce résultat, on a envisagé de choisir un milieu amplificateur présentant une épaisseur et une densité de centres actifs suffisantes pobr que la majeure partie de énergie de pompage soit absorbée. Dans ces conditions la somme d'exponentielles est loin de pouvoir être approximée par une loi linéaire ce qui serait le cas si étant peu exigent sur le rendement on choisissait des concentrations faibles. Dans ces conditions le gradient de température suivant la normale aux faces de la plaque peut être considéré comme une somme d'un terme constant qui donne lieu, comme on le montre en mécanique, à une courbure pure et sans contraintes de la plaque et d'un autre terme qui, lui, donne lieu à contrainte et à biréfringence induite. L'invention vise à corriger ces deux termes et à permettre d'améliorer au choix, l'un ou l'autre de ces termes. Elle a donc pour objet un procédé de compensation des déformations du milieu amplificateur d'un amplificateur de lumière sous l'effet de la lumière de pompage frappant ledit milieu sur une de ses faces, caractérisé en ce qu'il consiste à engendrer dans ledit milieu, une répartition de température prédéterminée dont la somme avec la répartition de température due à la lumière de pompage donne une répartition de température à peu près constante suivant l'épaisseur dudit milieu. L'invention a également pour objet un amplificateur de lumière comportant un mi lieu amplificateur, une source de lumière de pompage optique disposée en regard de l'une des faces dudit milieu, une couche de matière transparente pour la lumière de pompage et refléchissante pour la lumière à amplifier étant disposée sur la face d'incidence pour la lumière de pompage dudit milieu, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour engendrer dans ledit milieu une répartition de température prédéterminée dont la somme avec la répartition de température due à la lumière de pompage donne une répartition de température à peu près constante suivant l'épaisseur dudit milieu. D'autres caractéristiqués de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre 'exemple et ur lesquels la Fig. 1 est une vue schématIque d'un amplificateur de lumière dans lequel sC,nt utilisés ses moyens de compensation suivant 1'invention la fig. p est un graphique montrant la répartition de température dans amplificateur de a Fig. i ia Fig. 3 est un graphique d'un exemple concret de répartition de température dans l'amplificateur de la Fig. 1. L'amplificateur de lumière représenté à la Fig. 1, comprend principalement un milieu amplificateur 1 constitué par un disque , par exemple en verre de type ED8 fabriqué et vendu par la Société OWENS, ILLINC)IS, E,U.A. Le milieu amplificateur 1 comporte une face 2 d'incidence pour la lumière de pompage sur laquelle est appliquée une couche 3 de matière transparente pour la lumière de pompage 4 émise par une source de lumière de pompage non représentée, et une face 5 d'incidence pour la lumière à amplifier. Le disque 1 est place dans une monture 6 qui comprend à proximité de la face 5 du disque un rebord annulaire 7 tourné vers l'intérieur, dont le diamètre intérieur est {-el au diamètre extérieur du disque 1. Dans le rebord 7 est ménagée une gorge 8 dans laquelle est logé un joint torique 9, une couronne 10 fixée sur la face de la monture 6 rapprochée de la face 5 du disque assurant le maintien du joint 9 au moyen d'un rebord rabattu 11 et par conséquent le serrage du disque 1 dansa monture. La monture 6 comporte en outre un couvercle 12 constitué par une bague dans laquelle est montée une lame de verre 13, l'étanchéité entre la bague 12 et la lame 13 étant assurée par un joint torique 14. La monture ainsi constituée délimite une chambre 15 entre la face 2 du disque 1 et la lan de verre 13. La chambre 15 est reliée à deux sources 16 et 17 de fluide stabilisé en température et la monture 6 comporte à cet effet deux embouts de raccordement 18 et 19. Sur l'embout 18 est monté un conduit connecté à son extrémité opposée à l'embout à une voie d'une vanne 21 à trois voies à commande électrique. Une deuxième voi de la vanne 21 est reliée à la sortie de la source de fluide 16 par l'intermédiaire d'un conduit 22 tandis que la troisième voie de cette vanne est reliée à la sortie de la source de fluide 17 par d un conduit 23. De même l'embout 19 de la monture 6 est raccordé respectivement aux entrées des sources de fluide 16 et 17 par l'intermédiaire d'un conduit 24, d'une vanne à trois voies 25 et de conduits 26 et 27. Dans le mode de réalisation représenté les sources 16 et 17 de fluide stabilisé en température sont des sources de liquide, de l'eau par exemple, comportant chacune une pompe et un échangeur thermique. Les sources de fluide 16 et 17 sont des dispositifs classiques et ne seront donc pas décrites en détail. La monture 6 porte à proximité de la face 5 du disque 1 un dispositif 28 de projection-de fluide sur la face 5 alimenté en fluide par une troisième source 29 de fluide stabilisé connectée au dispositif 28 par un conduit 30. Dans le mode de réalisation représenté la source 29 est constituée par un générateur d'air stabilisé en température, les sources de fluide ;6, 7, 29 et les vannes à trois voies 21 et 25 sont commandées par un dispositif de synchronisation 31 qui assure également la commande de la source de lumière à amplifier constituée par un laser non représenté et la source de pompage. Le dispositif de commande 31 comprend une série de circuits à retard ajustables destinés à déclencher les sources et les vannes précitées dans un ordre prédéterminé adapté à la commande que l'on désire obtenir. Lè fonctionnement de iramplificateur de lumière qui vient d'être décrit va êtrè examiné en se référant à la Fig, 1 et au graphique de laFig. 2 et en supposant que le pompage est assuré par une source telle qu'une lampe à éclairs délivrant des impulsions lumineuses. Sur la Fig. 2 l'amplificateur de lumière est représenté schématiquement en 32. Sur la face d'incidence dè la lumière de pompage 33 est appliquée une couche 34 de matière transparente pour la lumière de pompage et réfléchissante pour la lumière à amplifier 35. La répartition de température qui serait établie dans le milieu 32 par la lumière de pompage. seule est représentée en 36 . Cette répartition a lieu en supposant que la répartition de chaleur dans le milieu est uniforme avant l'application de l'impulsion de lumière de pompage, comme représenté en 37 et en admettant qu'au cours du pompage par impulsions lumineuses la chaleur engendrée. par la source de pompage n'a pas le temps de se propager de façon uniforme dans le milieu. Au moment du passage de la lumière à amplifier la température dans chaque plan du milieu 32 parallèle aux faces de pompage et d'entrée-sortie de la lumière à amplifier de celui-ci présente un gradient suivant une perpendiculaire à ces faces. Ce gradient comporte, comme indiqué plus haut, une parsie constante correspondant à une loi de température linéaire dans le milieu 32, qui donne lieu à une courbure pure des faces du milieu, sans contraintes internes et une autre partie dite non linéaire, génératrice de contraintes, donc de biréfringence. Afin de remédier à cet inconvénient on établit à l'avance dans le milieu 32 une loi de température repré.sentée en 38,en soumettant un certain temps avant le pompage, les laces de pompage et d' imoidence pour la lumière à amplifier à des courants de fluides dont les températures sont respectivement égales à T'1 et T'2 pendant des intervalles de temps égaux respectivement à tl et t2 de manière que la répartition établie à l'avance ait une allure à peu près symétrique de la répartition due à la lumière de pompage par rapport à la répartition uniforme initiale à la température TO du milieu. Il en résulte que lors du pompage du milieu la répartition de température due à la source de pompage vient s'ajouter à la répartition établie à l'avance de sorte qu on obtient une répartition finale 39 très voisine de la répartition uniforme désirée. Bien entendu cette relative unité de répartition n'est obtenue que pendant une fraction de la période de pompage du milieu, de sorte que le déclenchement de l'impulsion de lumière à amplifier doit avoir lieu pendant que les deux phénomènes précités se compensent au mieux. Dans ces conditions on obtient une compensation des effets de courbure et de contrainte du milieu imposés par le pompage Le dispositif de la Fig. 1 permet d'obtenir le résultat ci-dessus de la manière suivante. On suppose qu'au début du fonctionnement de l'amplificateur les vannes 21 et 25 se trouvent dans leurs positions représentées à la Fig. 1 La chambre 15 de la monture 6 se trouve donc en communication avec la source de fluide 16. Le fluide délivré par la source 16, de l'eau dans le cas présent, est stabilisé à la température T0 qui est la température initiale à laquelle doit se trouver l'amplificateur. Le dispositif de synchronisation 31 déclenche le fonctionnement de la source 16 qui aliments alors la chambre 15 en eau à la température T0 égale à la température de l'air ambiant avec lequel se trouve en contact la face 5 du disque 1. Au bout d'un certain temps, 10 mn par exemple pour un disque de 2 cm d'épaisseur,le milieu amplificateur, en contact avec l'eau se trouvant dans la chambre 15 atteint la température TO en tous ses points de sorte que la température initiale uniforme du milieu est établie. Le dispositif de synchronisation 31 provoque alors le passage des vannes 21 et 25 dans leur seconde position ce qùi met la chambre 15 en communication avec la source 17 à la température T'1. La source 17 est mise en route par le dispositif de synchronisation et débite pendant un temps t1 du fluide dans la chambre 15. Par ailleurs le générateur d'air 29 est également déclenché par le dispositif 31 et débite de l'air à la température T'2 pendant un temps t2 , L'air débité par le @énérateur 29 est projeté sur la face 6 du disque 1. Les valeurs des temps t1 et t2 et @es @nesants de mise en route de la source de fluide 17 et de @énérateur $9 sant cérinis de maniène que @'on obtienne dans le disque 1 la répartition de température representée en 38 à le Fig. 2. Ces valeurs sont déterminées par les rèmlages des circuits G retard correspondants du dispositif de syn@hronisation 51. Lorsque la répartition 3P est obtenue, Je dispositif de synchronisation 31 déclenche la source de pompage dont la lumière 4 frar!je le disque I. La dissipation d'une partie de l'énergie de ponmpage dans le @ise l engendre, dans celui-ct, une répartition dc température qui, à@un m instant donné, prend la forme représentée en 35 sur a Fi,-. 2. Cette répartition se compose avec la répartition 38 établie à l'avvance, de sorte qu'à l'instant précité, on dispose, dans le disque 1, d'une répartition de température -elle que représentée en'39 à la Fig. 2, répartition qui n'engendre pratiquement pas de déformation du disque et permet de corriger les effets de courbure et de contrainte. Pendant que la répartition de température dans le milieu est rendue uniforme, le dispositif de synohrcnisation 31 applique un signal de commande au laser qui émet une impulsion de lumière à amplifier. Le faisceau qui émerge de l'amplificateur après réflexion sur la couche 3 n'est donc pratiquement pas déformé par rapport au faisceau incident. A la fin de l'impulsion laser, les divers éléments de l'amplificateur reviennent à leurs positions initiales, de sorte que l'amplificateur est prêt pour un nouveau cycle de foncticnnement. Le fait de pouvoir air sur les températures T' et T' de la source de fluide 17 et du générateur d'air 29, ainsi que sur les durées t1 et t2 pendant lesquelles ces deux sources délivrent respectivement du fluide dans la chambre 15 et sur la face 5 du disque 1 permet de compenser dans les meilleures conditions les déformations induites dans le milieu par la lumière de pompage. Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit, les sources 16 et 17 sont des sources de liquide, tandis que la source 29 est un générateur d'air. Cependant, on peut prévoir d'utiliser des sources de même nature pour les deux faces du milieu ou de n'utiliser qu lise source pour une seule face. Dans le mode de réalisation qui vient entre décrit la répartition de température initiale a été choisie uniforme, mais il est possible de choisir une répartition initiale différente de @ I1 suffit, à cet effet, au lieu d'utiliser la source 16 d fluide à la température Tr égale à la température ambiante, de lui donner une valeur T'0 prédéterminée différente de celle ci. D'une façon plus générale, il est possible d'obtenir une compensation plus exacte de la loi de température induite par le pompage en modulant les températures T'1 et T'2 au ours du temps. Cette modulation peut être obtenue par commande du réglage de stabilisation de température des sources de fluide. sur le graphique de la Fig. 3, on a représenté en A la répartition de températ@@re @@@@@ée par une source de pompage constituée par ane lampe à éclair@,pour une lame -te verra de type ED8 de la Société CWENS et, en B1 et B2, les couroes de température obtenues en soumettant une telle lame,utilisée somme milieu ampklificateur 1 dans le dispositif de la Fig. 1, à des courants de flux froid de 10 et 8 mW/cm2 pendant respectivement 3,7 et 5,5 secondes ava@t e pompage. Le flux froid était @bte@@ en faisant circuler de l'eau à une température inférieure a la temperature TO initiale du verre et de l'eau de refroidissement. Les courbes C et C2 résultent de la composition de la courbe A avec les courbes B1 et B2 respectivement. Elles montrent les répartitions de température dans le milieu dans les deux cas précités après compensation. On constate que ces répartitions, après compensation, sont très favorables et réduisent les sources de déformations du milieu au minimum. VnaNDICATIONS 1 - Procédé de compensation des déformations du milieu amplificateur d'un amplificateur de lumière sous l'effet de la lumière de pompage frappant ledit milieu sur une de ses faces, caractérisé en ce qu'il consiste à engendrer dans ledit milieu, une répartition da température prédéterminée dont la somme avec la répartition de température due à la lumière de pompage donne une répartition de température à peu près constante suivant l'épaisseur dudit milieu. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on engendre ladite répartition de température prédéterminée dans ledit milieu, en mettant en contact pendant un temps prédéterminé au moins l'une des faces d'incidence pour la lumière de pompage et d'incidence pour la lumière à amplifier avec au moins un fluide dont la température est une fonction prédéterminée du temps. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit fluide est un-liquide ou un gaz. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la température dudit fluide est constante en fonction du temps. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite face dudit milieu amplificateur est mise d'abord en contact avec un fluide se trouvant à une première température (To) stabilisée pendant un intervalle de temps suffisant pour conférer au dit milieu une répartition de température initiale constante suivant l'épaisseur dudit milieu, cette face étant ensuite mise en contact avec un fluide ce trouvant à une seconde -température (T'1) pendant un temps suffisant pour engendrer dans ledit milieu une répartition de température symétrique de la répartition de température due à la lumière de pompage par rapport à ladite répartition constante. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'non met en contact pendant des temps prédéterminés les faces d'incidence pour la lumière de pompage et d' in- cidence pour la lumière à amplifier, chacune avec au moins- un fluide dont la température est une fonction prédéterminée du temps 7 - Procédé suivant la revendication @, caractérisé en ce que l'une cds dites faces du milieu t d'abord mise en contact avec un fluide se trouvant à une première tex rature constante (To) stabilisée, pendant un intervalle de temps suffisant pour conférer audit milieu une répartition de température initiale constante suivant l'épaisseur de milieu, les deux faces du milieu étant ensate mises en contact respectivement avec des fluides sue trouvant à des tempéra tures (T'1, T' > ) différentes pendant des intervalles de temps suffi- sants pour engendrer dans ledit milieu une répartition de température symétrique de la répartition de température due à la lumière de pour page, par rapport à ladite répartition constante. 8 - Amplificateur de lumière comportant un milieu amplificateur, une source de lumière de pompage optique disposée en regard de l'une des faces dudit milieu, une couche de matière transparente pour la lumière de pompage et réfléchissante pour la lumière à amplifier étant disposée sur la face d'incidence pour la lumière de pompage dudit milieu, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (15, 16, 17, 21, 25, 28, 29) pour engendrer dans ledit milieu (1) une répartition de température prédéterminée (38) dont la somme avec la répartition de température (36) due à la lumière de pompage donne une répartition de température (39) à peu près constante -suivant l'épaisseur dudit milieu. 9 - Amplificateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moyens pour engendrer la répartition de température prédéterminée comprennent au moins une source de fluide (16, 17, 29) dont la température est une fonction du temps prédéterminée, des moyens (15, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30) de mise en circulation du fluide en contact avec l'une au moins des faces (2, 5) d'incidence pour la lumière de pompage (4) et d'incidence pour la lu mière à amplifier du milieu (1) et un dispositif (31) de synchronisation desdit moyens de mise en circulation. 10 - Amplificateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une première source de fluide (16) dont la température a une première valeur (To), une seconde source de fluide (17) dont la température a une seconde valeur (T'1),les dites pre mière et seconde sources de fluide étant mises tour à tour en com munication avec l'une des faces (2) du milieu amplificateur par l'inter- nédiaire de vannes (21, 25) commandées par le dispositif de synchronisation et de conduits (20, 22, 23, 24, 26, 27), et une troisième source de fluide (29) dont la température est à une troisième valeur (T'2), mise en communications avec l'autre face (5) dudit milieu par l'inter- médiaire d'un conduit ( 0). 11 - Amplificateur suivant la revendication 10, caractérisé-en ce que les premières, seconde et troisième valeurs (To, T1, T2) des dites températures de fluide sont constantes. 12 - Amplificateur suivant 1'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les première et seconde sources de fluide (16, 17) sont des sources de liquide, et en ce que ledit milieu amplificateur (1) est constitué par un disque placé dans une monture (6) qui délimite avec ladite face (2) du disque (1) une chambre (15) pourvue d'embouts (19, 20) de raccordement de ladite chambre avec des conduits (20, 24) reliés aux dites vannes (21, 25), ladite troisième source de fluide (29) étant un générateur d'air mis en communication avec l'autre face (5) du disque par l'intermédiaire d'un dispositif de projection (28) fixé sur ladits monture (6). 13 - Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la monture (6) est fermée du côté de la face (2) d'incidence pour la lumière de pompage dudit milieu (1), par une lame de verre (13) montée de façon étanche dans une bague (14) rendue solidaire de ladite monture (6). 14 - Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le dispositif de synchronisation (31) est connecté aux dites sources de fluide (16, 17, 29) aux vannes (21, 25) à la source de lumière de pompage et à la source de lumière à amplifier et en ce qu'il comporte des circuits à retard définissant les instants d'actionnement de ces éléments en fonction de la répartition de température prédéterminée que l'on désire obtenir dans le milieu (1).