Brevet FR2290060A1 — publié le 19760528

La présente invention concerne les amplificateurs de lumière à haut flux et se rapporte plus particulièrement à des amplificateurs de lumière tels que les systèmes lasers de grande puissance utilisés, par exemple, en physique des plasmas ou en fusion thermo-nucléaire, sans que cette énumération soit limitative. Les systèmes lasers de puissance comportent, en général, des amplificateurs de lumière dans lesquels se propage un faisceau d'intensité croissante. Par suite des conditions aux limites (diaphragme, bord des amplificateurs) et des imperfections des milieux amplificateurs, un faisceau, même parfait, se déforme et présente assez rapidement des surintensités qui limitent considérablement l'énergie globale du faisceau, car elles subissent, dans les amplificateurs, un effet d'autofocalisation. Dans les milieux solides, cet effet d'autofocalisation provoque une détérioration localisée des milieux amplificateurs. On a décrit au brevet français nO 73 04503 un système permettant d'éliminer les surintensités d'un faisceau laser, comprenant au moins un élément de filtrage non linéaire constitué par un milieu fluide présentant des propriétés de focalisation des surin tensités du faisceau laser au-dessus d'un seuil prédéterminé, ledit élément de filtrage étant placé sur le trajet dudit faisceau. Dans un système du type précité, la majeure partie du faisceau laser présente une intensité inférieure au seuil d'autofocalisation du milieu fluide et traverse le milieu sans déformation, tandis que les parties du faisceau correspondant à des surinten sités sont focalisées par le milieu. Un tel système donne de bons résultats pour des densités de puissance limitées, mais les surintensités de très faibles dimensions parviennent à traverser le système et subsistent donc dans le faisceau. L'invention vise à remédier à l'inconvénient précité en créant un système pour éliminer tout risque d'autofocalisation dans un faisceau laser, quelles que soient les dimensions des surintensi-- tés qui se produisent dans le faisceau et quelle que soit la densité de puissance dans le faisceau. Elle a donc pour objet un système du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que ledit élément de filtrage est choisi d'une longueur telle qu'il provoque la focalisation de toutes les fréquences spatiales du faisceau de lumière inférieures à une valeur prédéterminée, et laisse passer les fréquences spatiales supérieures à cette valeur, qui ne peuvent plus s'autofocaliser dans un milieu placé derrière ledit système,et qui présente une fréquence spatiale de coupure inférieure à ladite valeur prédéterminée. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 montre schématiquement un milieu amplificateur traversé par un faisceau lumineux à haut flux et l'autofocalisation d'une surintensité la Fig. 2 représente la répartition d'énergie dans un faisceau lumineux quelconque la Fig. 3 montre la décomposition du faisceau de la Fig. 2 en une série d'ondes planes la Fig. 4 montre deux ondes planes destinées à constituer un faisceau lumineux et la répartition d'énergie d'un faisceau formé de ces deux ondes la Fig. 5 est une vue schématique d'un élément de filtrage suivant l'invention, associé à un amplificateur la Fig. 6 représente la répartition d'énergie par unité de fréquence spatiale du faisceau incident et du faisceau de sortie de I'élément de filtrage suivant l'invention en fonction de la fréquence spatiale. A la Fig. 1, on a représenté un milieu amplificateur 1 traversé par un faisceau lumineux 2 dont la répartition spatiale suivant la largeur r du faisceau est donnée par la courbe 3. On sait que la distance d'autofocalisation F pour un faisceau de diamètre d et d'intensité I est donnée par la relation F = k d I 1/2 (1) Lorsqu'une surintensité 4, de diamètre d' plus faible que celui du faisceau, est présente dans celui-ci, elle peut donc, en vertu de la relation (1)-, s'autofocaliser à une distance d'autant plus faible que d' | est plus petit. On a décrit au brevet précité un système mettant à profit cette propriété pour éliminer les surintensités d'un faisceau lumineux. Mais, pour des surintensités d'assez petites dimensions, l-'analyse du phénomène d'autofocalisation est plus complexe. Cette analyse a été faite par A. Glass et J. Marburger dans l'article du rapport intitulé "Lawrence Livermore Laboratory Report" 1973. Les Fig. 2 et 3 permettent de comprendre plus aisément ce phénomène en partant de la représentation d'un faisceau lumineux 5 comportant des variations d'intensité. Comme représenté à la Fig. 3, ce faisceau peut être considéré comme une superposition linéaire d'ondes planes 6,7,8 se propageant dans des directions différentes (voir Laüe, Ann Physik 44 (1914 > , page 1197). En effet, si l'on considère comme modèle simple deux ondes de même fréquence v = À qui se propagent en faisant entre elles un angle e, par exemple les ondes 9 et 10 représentées à la Fig. 4, ces ondes forment un faisceau ayant une répartition d'intensité 11 périodique de diamètre à mi-hauteur d' = # et, par conséquent, 20 20 de fréquence spatiale #. Ces surintensités se déplacent suivant la bissectrice de l'angle Q, c'est-à-dire dans une direction qui n'est celle d'aucune des ondes 9 et 10 qui constituent le faisceau. En particulier, ces surintensités subissent une translation d' sur une distance 1 = d'. 20 Lorsque ces surintensités vont s'autofocaliser par suite d'interactions non linéaires avec un milieu transparent, cette autofocalisation aura lieu sans difficulté à condition que la distance F d'autofocalisation qui vérifie la relation F = k (n2 I) 1/2 2\ 20 dans laquelle n2 est la partie non linéaire de l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le faisceau et I, l'intensité du faisceau, soit inférieure à 1 = d' = # 20 402 # Pour des distances d'autofocalisation supérieures à 402 , le modèle simple à deux ondes, représenté à la Fig. 4, ne représente pas exactement les phénomènes, mais on comprend que, l'autofocalisation étant un effet dépendant d'une densité d'énergie et se produisant dans la direction de propagation du faisceau, cette autofocalisation se produit plus difficilement quand la densité d'énergie est le résultat d'une superposition de propagations ayant lieu dans des directions différentes. Par conséquent, pour une longueur Lo donnée de matériau amplificateur, un faisceau ne comportant que des fréquences spatiales supérieures à la fréquence de coupure (n2I)+1/2 k# kA ne subit pas d'autofocalisation. L'invention vise donc à obtenir un faisceau lumineux qui puisse être amplifié efficacement dans les dispositifs lasers de grande puissance. Le dispositif suivant l'invention est représenté à la Fig. 5. Sur cette figure, on a représenté un milieu amplificateur 12, dans lequel on désire faire passer une densité d'énergie 10 En supposant que l'indice-de réfraction non linéaire du milieu12 est no2, on sait que le faisceau à amplifier ne doit comporter que des fréquences spatiales supérieures à (n02 I0)+1/2 k# Afin d'éliminer les fréquences inférieures à cette valeur, on place, sur le trajet du faisceau, devant le milieu amplificateur 12, un élément de filtrage 13 constitué par un milieu transparent liquide possédant un indice de réfraction non linéaire nl2 plus élevé que l'indice nO2 du milieu 12.Selon une variante, le milieu transparent liquide peut etre disposé de façon que la densité d'énergie I1 qui le traverse soit plus forte que celle traversant le milieu amplificateur afin que le terme n12 in I1 soit supérieur à no2 lo L'élément de filtrage 13 comporte principalement un boîtier 14 qui présente, à ses extrémités opposées, deux fenêtres l5,16 en matériau transparent, par exemple en verre, l'étanchéité entre les parois du boîtier 14 et les fenêtres 15 et 16 étant assurée par des joints toriques 17,18 respectivement. Les fenêtres 15,16 sont légèrement inclinées par rappprt à la verticale afin d'éviter les réflexions dans la direction du faisceau.Le boîtier 14 comprend, à sa partie inférieure, un raccord tubulaire 19 d'admission du fluide 20 qui constitue le milieu de filtrage non linéaire de l'élément et, à sa partie supérieure, un raccord tubulaire 21 d'évacuation de ce fluide. Le fluide 20 est mis en circulation par une pompe (non représentée) reliée auKraccords 19 et 21. La longueur de l'élément de filtrage est choisie telle que le filtre provoque l'autofocalisation de toutes les fréquences inférieures à (nu2 (n12 I) Cette longueur correspond à la distance d'autofocalisation de la fréquence maximale que l'élément doit arrêter, Soit L = k (n12 I1)-1/2 # 20 Dans l'ensemble ainsi constitué, on injecte un faisceau 14 2e à amplifier possédant un spectre spatial compris entre 0 et e est la divergence du faisceau. Le spectre spatial du faisceau incident est représenté en trait interrompu à la Fig. 5, tandis que le spectre du faisceau après son passage dans l'élément de filtrage est représenté en trait plein. A la sortie du sélecteur 13, le faisceau lumineux ne contient que les fréquences supérieures à (n12 I )+1/2 kA qui peuvent passer sans dommage dans l'amplificateur 12 dont la fréquence de coupure est plus basse, de sorte que le faisceau ainsi traité ne peut plus subir d'autofocalisation dans le milieu amplificateur 12. REVENDICATIONS 1. Système d'élimination de surintensités d'un faisceau laser, comprenant au moins un élément de filtrage non linéaire constitué par un milieu fluide, placé sur le trajet dudit faisceau, caractérisé en ce que ledit élément de filtrage est choisi d'une longueur telle qu'il provoque la focalisation de toutes les fréquences spatiales du faisceau laser inférieures à une valeur prédéterminée et laisse passer les fréquences spatiales supérieures à cette valeur qui ne peuvent plus s'autofocaliser dans un milieu placé derrière ledit système sur le trajet du faisceau et qui présente une fréquence spatiale de coupure inférieure à ladite valeur prédéterminée. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur (L) dudit élément de filtrage est donnée par la relation L = k (nul2 I1) 1/2 2 égale à la distance d'autofocalisation dans le milieu fluide dudit élément de la fréquence la plus élevée que ledit système doit arrêter, nl2 étant la partie non linéaire de l'indice de réfraction du milieu fluide, I1, l'intensité du faisceau laser incident, X, la longueur d'onde et e,la divergence du faisceau. 3. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit élément de filtrage comprend un boitier rempli d'un milieu fluide pourvu d'une fenêtre d'entrée et d'une fenêtre de sortie du faisceau laser1 le boîtier comportant, en outre, un conduit d'admission et un conduit d'évacuation du milieu fluide par des moyens de mise en circulation dudit milieu.