Brevet FR2291629A1 — publié le 19760611

La pré sente invention a pour objet un dispositif de laser à cristal ou matériau solide équivalent, de longueur d'ande variable pouvant se situer dans le visible et l'ultra-violet. On sait que lorsqu'on place certains cristaux dans une cavité optique résonante, quton les excite par le moyen d'un rayonnement approprié, l'inversion de population, c'est-à-dire le retour des électrons du niveau d'excitation à un niveau inférieur, détermine une émission de lumière cohérente, dite émission laser, représentant une énergie fortement concentrée. Tous les dispositifs de laser à cristal connus à ce jour émettent un rayonnement monochromatique correspondant en longueur d'onde à une raie extrtmement étroite qui se situe le plus souvent dans le rouge et l'Infra-rouge, voire mEme au delà. La présente invention vise au contraire à permettre d'établir un dispositif de laser à cristal ou matériau équivalent grâce auquel on puisse obtenir une émission lumineuse se situant dans le haut du spectre visible (vert, bleu, violet), voire genre dans l'ultra-violet proche, et qui corresponde à une longueur d'onde susceptible d'entre choisie à volonté dans une bande relativement large. Conformément à l'invention l'on utilise dans la cavité résonan- te un cristal ou matériau équivalent renfermant des ions lourds du groupe bismuth, plomb, thallium (Bi31 Tl+ > pub+) soit dans la substance constitutive de la matrice du cristal, soit dans un dopant ajouté à cette matrice, on. opère à une température inférieure à 500K, et l'on sélectionne dans la bande de longueur d'onde de ce matériau, par le moyen d'un réseau ou équivalent combiné a la cavité résonante, la longueur d'onde qu'on désire lui faire émettre. Les matériaux du genre sus-mentionné comportent en effet la propriété d'avoir une large bande de fluorescence à basse température. Par exemple dans le cas du bismuth cette bande apparatt à la transition 3p - > 1s quand la température se situe entre 50 et 600K o o bien que l'excitation se produise sur le niveau excité supérieur 3p1. L'expérience montre que dans ces conditions, si l'an opère à des températures encore plus basses (donc inférieures à 500K), il est possible, après pompage optique par des longueurs d'onde ultraviolettes associées aux maxima des bandes d'absorption de 3P1 (longueurs d'onde comprises entre 2 900 et 3 600 A), de réaliser l'inversion de population entre le niveau fondamental S0 et le niveau métastable 3PO, l'émission 3pO t-1sO pouvant ttre fortement amplifiée. Suivant une forme d'exécution préférée l'on réalise la sélection dé la longueur d'ande d'émission laser en associant à la cavité résonante un élément dispersif, tel qu'un réseau, gracie auquel le phénomène d'amplification n'intéresse que la longueur d'onde désirée. On peut notamment combiner un tel réseau avec l'un des miroirs de la cavité de manière que les différentes longueurs d'onde de la bande émise par le cristal ou équivalent soient réfléchies suivant des angles différents. Il suffit alors d'orienter l'ensemble miroir réseau pour que seule la longueur d'onde choisie soit renvoyée parallèlement à ltaxe de la cavité et soit donc seule amplifiée. Il est à noter qu'on a déjà proposé d'utiliser le germanate de bismuth (Bi4Ge3012) comme-matrice cristalline pour un laser au néodyme. On a également envisagé de faire jouer à des centres Bi3+ le rôle de sensibilisateursde réseaux coactivés, l'ion activateur pouvant etre Mn ou une terre rare. Mais on n'avait jamais pensé que les ions Bi3 pouvaient donner directement lieu à une émission à large bande dans laquelle il était possible de choisir une longueur d'onde déterminée pour réaliser un dispositif de laser à cristal ou matériau solide équivalent. Il convient encore de signaler qu'd l'heure actuelle on cornait des lasers dits dye lasers" qui permettent d'obtenir des longueurs d'onde variables. Ces dispositifs utilisent des cuvettes remplies de liquides à colorants organiques alors que l'invention met en oeuvre des cristaux ou corps solides équivalents. En outre les dye lasers ne fonctionnent que dans le domaine spectral visible qui s'étale du rouge au bleu, alors que le champ d'application de l'invention va du vert à l'ultra-violet proche. Pour la mise en oeuvre de l'invention l'on peut utiliser un cristal proprement dit renfermant l'ion lourd dans sa molécule constitutive. Tel est plus particulièrement le cas du germanate de bis-muth (Bi4Ge3012) qui permet d'obtenir une bande de longueur d'onde se situant dans le visible supérieur. Mais l'ion lourd peut également intervenir comme dopant dans un cristal ne le renfermant normalement pas.Comme cristaux ainsi susceptibles d'être dopés l'on peut citer les suivants Pour l'ion Bi3+ Couleur d'émission des bandes larges La203, Ln203 (Ln = Sc, Lu, Y ou Gd) violet + vert Y2LnSb07- (Ln = Ga, Lu, Y ou Gd) bleu MSb206 (M = Ca ou Sr) bleu Lagan ultra-violet Y 2W06 vert + jaune + rouge Pour l'ion Pb2+ KCl ultra-violet Pour l'ion Tl+ KCl ultra-violet KBr ultra-violet KI violet Au lieu d'un cristal proprement dit, l'on peut également utiliser des verres dans lesquels l'ion lourd intervient là encore à titre de dopant, par exemple Pour l'ion Bi3+ Couleur d'émission des bandes larges Germanate visible Borate ultra-violet Phosphates ultra-violet+violet+bleu Sulfates visible Silicates ultra-violet Pour l'ion Pb2+ Germanate bleu Borate violet Borax violet Phosphates ultra-violet Sulfates ultra-violet Silicates ultra-violet+bleu Pour l'ion Tl Germanate ultra-violet Phosphates ultra-violet Sulfates ultra-violet Silicates ultra-violet Le pompage du matériau choisi doit être effectué par une sour o ce de longueur d'onde relativement courte, inférieure à 3 000 A et il doit comporter une intensité suffisante. A titre de sources lumineuses susceptibles d'erre utilisées l'on peut citer 10) une lampe à arc concentré dans le xénon avec enveloppe de quartz, fonctionnant sous très haute puissance 20) une lampe à vapeur de mercure à basse pression, mais de très haute puissance 30) un laser de plus grande longueur d'onde, mais associé à un doubleur de fréquence permettant d'abtenir un rayonnement ul tra-violet. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques quelle présente et les avantages quelle est susceptible de procurer. Fig. 1 montre le schéma des niveaux représentatifs de la cinétique interne du bismuth Bi3+. Fig. 2 représente la courbe de fluorescence du bismuth. Fig. 3 illustre schématiquement l'ensemble d'un dispositif de laser suivant l'invention. En fig. 1 l'on a représenté la cinétique de la fluorescence des centres Bi3+. Aux températures inférieures à 500K c'est l'intensité qui est prépondérante et qui peut donner lieu à l'émission laser après inversion des populations entre iso et dPO. La différen ce i e V correspond à quelques centièmes d'électron-volt. On recon- nait un modèle analogue à celui du rubis Al203 dopé à Cr3+ avec des valeurs de probabilité d'émissions spontanées presque semblables. La différence entre les deux matériaux réside à la fois dans le domaine d'absorption (pompage U.V. pour Bi3+ et visible pour Cor3+) et dans le spectre de fluorescence (raie rouge R1 et R2 de Cr , Cr3+ très larges de Bi3+ dans l'tJ.V. ou le visible). L Fig. 2 illustre un exemple de fluorescence correspondant à Bi3+, le corps en question étant ici le germanate de bismuth (Bi4Ge3012). Dans cette figure a est 'la courbe d'excitation et b celle de fluorescence dont la forme encloche correspond à une bande très large. Les ordonnées sont graduées en valeurs arbitraires, l'unité 1 étant au niveau du sommet de b.On voit que si l'on admet une limite inférieure d'intensité de 50%, l'on peut choisir utilement la longueur d'onde d'émission laser dans une zone relativement large large d'environ 1 500 A, ce qui permet de balayer le haut du spectre visible jusquf à. l'U.V. avec ce matériau. En ce qui concerne maintenant le dispositif de fig. 3, la référence 1 y désigne le matériau utilisé, tel par exemple qu'un cristal de germanate de bismuth. Ce cristal est immergé dans un cryostat 2 maintenu à basse température. par de l'hélium liquide. La paroi du cryostat comporte deux fenEtres 3 et 4 disposées au droit des faces d'extrémité du cristal et une troisième 5 prévue dans une paroi transversale. Ces fenêtres sont faites en un matériau transparent aux courtes longueurs d'onde, par exemple en quartz suprasil. On a indiqué en 6 la source de pompage propre à émettre un rayonnement U.V. intense. A cette source est associé un condenseur 7 constitué par une lentille semi-cylindrique en quartz. Le rayonnement concentré par le condenseur 7 traverse la entre 5 pour venir frapper le cristal 1 dans le sens transversal. On peut bien entendu prévoir des miroirs appropriés pour que ce rayonnement soit renvoyé de manière à traverser plusieurs fois le cristal. La cavité résonante comprend un premier miroir 8 orienté perpendiculairement à l'axe du cristal, extérieurement au cryostat 2, ce miroir comportant une ouverture 8a de sortie du faisceau laser qui est centrée par rapport à l'axe du cristal 1. Il est prévu d'autre part-de l'autre cté du cristal par rapport au miroir 8, un second miroir 9 semi-transparent et non perforé, derrière lequel est disposé un réseau réfléchissant 10 propre à recevoir et à renvoyer avec effet dispersif les rayons lumineux qui ont traversé le miroir 9.On comprend aisément que si l'on éclaire l'ensemble 9-10 par un rayonnement complexe, par exemple en lumière blanche, pour simplifier et mieux fixer les idées, les rayons lumineux qui auront traversé le miroir 9 seront renvoyés par le réseau 10 suivant des angles fonction de leurs longueurs d'onde, de telle sorte qu'en faisant varier l'incidence du réseau par rapport au faisceau qu'il re çoit, on peut obtenir que seule une longueur d'onde déterminée soit renvoyée suivant une direction parallèle à sa direction d'inciden- ce. En reportant ces observations au schéma de fig. 3, on conçoit sans peine qu'en agissant sur l'inclinaison du réseau 10 par rapport à l'axe du cristal 1.on puisse ne lui faire renvoyer parallèlement à cet axe que la longueur d'onde qu'on désire faire émettre au dispositif.Il en résulte que si la semi-transparence du miroir 9 est suffisante, dans la bande de fluorescence représentée en fig. -2, seule cette longueur d'onde est amplifiée, toutes les autres étant pratiquement éliminées. Finalement donc lors de l'inversion de population le dispositif émet par l'ouverture 8a un faisceau laser monochromatique dont la longueur-d'onde dépend du réglage du réseau 10. Bien entendu le rayonnement émis est d'autant plus intense que la longueur tonde choisie est plus proche du sommet de la courbe de fig. 2, mais si l'on admet une certaine perte dtintensité par rapport au maximum, par exemple 50 %, on voit qu'on peut disposer d'une bande de fréquence relativement large moyennant un réglage extrêmement simplifié et qu'on peut faire varier à chaque instant. Il doit d'ailleurs & re entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait-pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. Ainsi dans le montage de fig. 3 le miroir semi-transparent 9 n'a d'autre but que d'éviter les brûlures de la surface du réseau 10 par le rayonnement- laser en limitant alors lténergie qui lui est transmise, mais on pourrait parfaitement concevoir de se dispenser de ce miroir en utilisant un réseau dont on aurait convenablement traité la surface en regard du réseau. D'autre part, en ce qui concerne la courbe de fig. 2, on comprend qu'en choisissant convenablement le cristal ou verre parmi ceux cités plus haut, on pourrait -obte- nir un domaine spectral totalement situé dans l'ultra-violet (cas des ions T1+ et pb2+). REVNDICÂÙIONS 1. Procédé pour ltobtention d'un rayonnement laser de longueur d'onde variable pouvant se situer dans l'ultra violets du genre dans lequel on utilise un cristal ou matériau solide équivalent disposé dans une cavité optique résonante et qu'on excite par le moyen d'un rayonnement de pompage approprié, caractérisé en ce que le matériau utilisé renferme des ions lourds du groupe constitué par Bi3+, Tl+ et Pub+ en ce qu'on opère à une température inférieure à 50 K, et en ce qu'on sélectionne dans la bande de fluorescence de- ce matériau, par le moyen d'un organe disper- sif, tel qu'un réseau combiné à la cavité résonante, la longueur d'onde qu'on désire lui faire émettre. 2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau d'émission un cristal au sein duquel l'ion lourd est inclus dans la molécule constitutive du cristal. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau d'émission le germanate de bismuth Bi4Ge3O12. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau d'émission un cristal dans lequel l'ion lourd intervient à titre de dopant. 5. Procédé suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le cristal dopé est un halogénure alcalin. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau d'émission un verre dopé à l'ion lourd. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que la source de pompage est constituée par une lampe à arc concentré dans le xénon. 8* Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que la source de pompage est constituée par une lampe à mercure à basse pression. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendIcations qui précèdent, caractérisé en ce que la source de pompage est constituée par un laser associé à un doubleur de fréquence optique. 10e Dispositif pour l'obtention d'un rayonnement laser de longueur d'onde variable pouvant se situer dans l'ultra-violet, caractérisé en ce qu'il est établi pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent.