Brevet FR2292356A1 — publié le 19760618

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 considere 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 fréguence @L 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 temp de désexcitation #21 des atomes, ions ou électrons places au niveau (2) ou, de préférence, en un temps plus @ourt, au moyen d'une source de pompage telle qu'une lampe éclairs, un laser, un faisceau d'électrons ou autre, qui placent, suivant un processus bien connu de@ spécialistes, des électrons sur des niveaux excités (n), (n+1), (n+2)... (n+p)... qui se désexcitent ensuite vers le niveau (2) en un temps court comparée à @21. 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'amplífica- tion d'un faisceau lumineux de fréquence @l, impose un processus qui donne lieu, par exemple, à l'absorption d'un photon de pompage dont l'énergie @n+p correspond à la bande d'absorption (n+p) puis à la désoxcitatibn vers le niveau (2). L'énergie thermique sT dissipée dans ce milieu est alors donnée par la relation #T = (@@+p - #2) (2) Les espèces étant supposées rép@@ties de façor homogéne 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 que la source de pompage est plus intense et que la difference @(n'p) - #2 est plus importante L'énergie de pomçage est @bserbée au cours de son passate dans le @@teriau, avec des @ections erfic@ce@ @ n+@ caractérisil- ques de @nague 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 autemps de diffusion de la chaleur Par ailleurs, le matériau lui-même, peut être absorbant pour diverses longueurs d d'onde. Si NQ est la densité des centres actifs, la loi d'absorption pour chaque longueur d'onde est une loi exponentielle de forme où X est la position par rapport à la face d'entrée.. Il en résulte, en chaque point du milieu pompé, un dépôt d'énergie thermique 5T donné par la relation a &alpha; est un coefficient 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 dlexponentielles 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 vL à amplifier pour dieux raisons principales. Elle entraîne une variation #n de l'indice de réfraction n @T du milieu en fonction de la température au milieu en ronction ae ia temperature. Elle provoque, en outre1 une variation locale de volume, proportionnelle à la variation de température. Cette variation de volume se traduit, dans le cas d'un milieu amplificateur solide, par une courbure des faces du milieu amplificateur. La relation (3) traduisant la loi d'absorption du milieu pour chaque longueur d'onde montre que, pour que le milieu amplificateur présente un rendement suffisant, c'est-a-dire qu'il absorbe la plus grande partie pOssible de la lumière de pompage, la densité No des centres actifs doit être telle que, pour une épaisseur e de matériau, les termes No@ne 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 pour que la majeure partie de l'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 do 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 e 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 remédier à cette courbure spécifique de la plaque pompée sur une seule face en créant un amplificateur de lumiere dans lequel les déformations dues à la lumière de pompage sont fortement réduites. Le Demandeur a remarqué que lorsqu'on utiles une lampe à éclairs par esinple; la * e =steQtporte. J"WisPb.r+ntr?n ttbiigorte des énergies inutiles pour le pompage mais absorbées par le milieu amplificateur ou utiles pour le pompage mais correspondant à une transition dissapant beaucoup d'énergiedans le milieu ce qui entraîne une augmentation des variations de température dans le milieu. Il est donc possible de réduire la déformation du milieu ampli- ficateur en réduisant les variations de température dues à ces énergies inutiles ou à ces transitions très dissipatives. L'invention a donc pour objet un amplificateur de lumière com portant un milieu amplificateur et une source de pompage optique dudit milieu, caractérisé en ce qu'entre la source de pompage optique et le milieu amplificateur est placé au moins un filtre d'élimination des énergies de la source de pompage pour lesquelles le rapport entre la dissipation d'énergie qu'elles provoquent dans le milieu amplificateur et la part qu'elles prennent à l'excitation dudit milieu est supérieur à une valeur prédéterminée. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple la Fig. unique est une vue schématique d'un amplificateur optique à haut rendement suivant l'invention. L'amplificateur représenté sur cette figure comprend un milieu amplificateur 1 constitué par un bloc parallélépipèdique dont une face 2 constitue la face d'incidence pour la lumière à amplifier et dont la face 3 opposée à la face 2 constitue la face d'incidence pour la lumière de pompage 4 émise par une source de pompage non représentée, telle qu'une lampe à éclairs par exemple. La face 3 du milieu amplificateur porte une couche 5 de matie- re transparente pour la lumière de pompage 4 et réfléchissante pour la lumière à amplifier. Sur le trajet de la lumière de pompage, en amont de la couche 5 est disposé un filtre optique 6 d'élimination des énergies de la source de pompage pour lesquelles le rapport entre-la dissipation d'énergie qu'elles provoquent dans le milieu 1 et la part qu'elles prennent à l'excitation du milieu est supérieur à une valeur prédé- terminée. Le rôle essentiel du filtre 6 est donc de supprimer le pompa ge par les bandes d'énergie élevée (n+p) pour lesquelles le sto- ckage d'un électron au niveau (2) dissiperait une énergie #(n+p)-#2 considérable, comparée à celle qu'il faudrait dissiper dans le cas du pompage par une bande d'énergie plus basse. Mais ce filtre est également destiné à éliminer les énergies inutiles pour le pompage mais correspondant à des absorptions propres du milieu 1 Le filtre 6 est avantageusement réalisé en un verre coloré ayant des bandes d'absorption correspondant aux fréquences lumineuses à supprimer. Le verre coloré du type OG fabriqu8 par la Société CHOTT, Mayence, Allemagne Fédérale convient bien pour l'application envisagée. Le filtre peut également être constitué par une couche multidiélectrique appropriée présentant les memes propriétés que le verre coloré précité. On suppose, à titre d'exemple que le niveau n tel que (#n-#2)= (#2-31) participe dans une proportion de 90% au transfert vers le niveau (2) alors que le niveau n+p d'énergie en+p telle que en+p #2 = 10 (#2-#1) participe dans une proportion de 10% à ce transfert. La mise en place d'un filtre 6 assurant la coupure de l'excitation par le milieu n+p, bien qu'entrainant une perte de-rendement de 10% permet une diminution de moitié de la chaleur localement dissipée dans le milieu amplificateur au cours de la désexcitation. Un exemple particulièrement intéressant est celui du pompage d'un milieu amplificateur en verre dopé au Néodyme. Les expériences réalisées par le Demandeur sur une tel milieu amplificateur ont permis d'aboutir aux résultats suivants Dans un verre au Néodyme classique par exemple le verre ED-2 fabriqué par la Société OWENS Illinois, on a le schéma d'absorption suivant niveau N + 4 19 400 cm-1 niveau N + 3 17 500 cm-1 niveau N + 2 13 500 cm-I niveau N + 1 12 500 cm-1 niveau N 11 450 cm Transition laser 2 000 cm1 0 Si on excite les quatre bandes supérieures d'absorption les énergies dissipées lors de la désexcitation vers le niveau N à 11 450 cm~l entrent dans l'énergie de désexcitation totale dans les proportions suivantes. niveau 4 30% niveau 3 49% piveau 2 11% niveau 1 10% Total 100% En revanche la fraction du nombre d'ions excités créés à partir de chacun de ces niveaux est niveau 4 11% niveau 3 25% niveau 2 16% niveau 1 30% niveau N 17% I1 en résulte qu'en supprimant la transition avec un filtre 6 approprié on diminue la dissipation d'énergie de 30% en ne diminuant le rendement que de 11%. Si de plus le filtre 6 est conçu pour supprimer soit 50% soit la totalité de la transition on perd un facteur de 23% ou 30% sur le rendement mais en dissipant respectivement 55% ou 20% de l'énergie. On constate donc que grâce à l'interposition du filtre 6 la diminution de dissipation d'énergie dans le milieu est, dans la plupart des cas, supérieure à la réduction du rendement ce qui justifie l'intérêt d'utiliser un tel filtre. Bien que dans:le mode de réalisation décrit ci-dessus on emploie un seul filtre, on peut envisager l'utilisation de deux filtres, ou plus, juxtaposés, présentant chacun des bandes d'absorption différentes correspondant à des fréquences particulières à éliminer. La technique qui vient d'être décrite ne s'oppose nullement à l'utilisation en combinaison avec le filtre d'élimination des énergies inutiles pour le pompage, d'une couche transparente pour la lumière à amplifier et réfléchissante pour la lumière de pompage décrite dans la demande de brevet intitulée "Amplificateur de lumière parfectionné" déposée ce jour par le Demandeur. Les effets de ces deux moyens s'ajoutent pour améliorer la réduction des déformations du milieu amplificateur. Une telle couche supplémentaire 7 est représentée en trait mixte sur la figure. REVEND I CaT IONS 1 - Amplificateur de lumière comportant un milieu amplificateur et une source de pompage optique dudit milieu,carac- térisé en ce qu'entre la source de pompage optique et le milieu amplificateur (1) est placé au moins un filtre 46) d'élimination des énergies de la source de pompage pour lesquelles le rapport entre la dissipation d'énergie qu'elles provoquent dans le milieu ampli- ficateur et la part qu'elles prennent à l'excitation dudit milieu est supérieur ê une valeur prédéterminée. 2 - Amplificateur suivant la revendication 1, earac- térisé en ce que ledit filtre est réalisé en un verre coloré ayant des bandes d'absorption correspondant aux fréquences lumineuses à supprimer. 3 - Amplificateur suivant la revendication l, carac- térisé en ce que ledit filtre est constitué par une couche mul- tidiéloctrique ayant des bandes d'absorption correspondant aux fréquences lumineuses à éliminer. 4 - Amplificateur suvant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre sur la face d'incidence de la lumière à amplifier une'couche (7) de ratière transparente pour la lumière à amplifier et réfléchissante pour la lumière de pompage.