Brevet FR2292354A1 — publié le 19760618

a presente 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 considére 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 wL liée aux énergies #1 et E2 des niveaux (1) et (2) par la relation suivante VL (E2 - î (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 (2i 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 L,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 = (#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 que la source de pompage est plus intense et que la différence # (ntp) - #2 est plus lirportante L'énergie de pompage est absorbée au cours de son passage dans le matériau, avec des sections efficaces taractéristi- vues de chaque niveau d'énergie. I1 en resulte, 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. Si No 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. I1 en résulte, en chaque point du milieu pompé, un dépôt d'énergie thermique ET donné par la relation où a 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 vL à amplifier pour deux raisons principales. Elle entraîne une variation a n de l'indice de réfraction n du milieu en fonction de la température. Elle provoque, en outre, 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 ampli ficateur 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 épais .seur e de matériau, les termes Nô ose 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 açtifs suffisantes pour que la majeure partie de l'énergie de pompage soit absorbée. Dans ces conditions la somma d'exponentielles est loin de pouvoir 9tre approximée par une loi linéaire ce qui serait le cas si étant peu exigent sur le rendement on choisissait des concentra tiens faibles. Dans ces conditions le gradient de température suivant la noraale aux faces de la plaque peut être considéré comme une sommé 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 créer un amplificateur de lumière dans lequel la'courbure due à la partie constante du gradient de tewe pérature soit cosrpensée. Elle a donc\pour objet un amplificateur optique comportant un milieu amplificateur, une source de pompage optique dudit milieu et une couche transparente pour la lumière de pompage et réfléchissante pour la lumière k amplifier, déposée sur la face du milieu amplificateur placée en regard de la source de pompage optique, caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces dudit milieu est taillée de manière à présenter une courbure initiale dont la modification sous l'effet de la chaleur dissipée dans ledit milieu par -la lumière de pompage confère audit amplificateur, perdant un intervalLe de temps prédéterminé, les propriétés d'un miroir plan pour la lumière à amplifier. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement a titre d'exemple la Fig. 1 montre l'évolution mécanique en fonction du temps d'un amplificateur de lumière classique la Fig. 2 montre l'évolution mécanique en fonction du temps d'un amplificateur de lumière suivant l'invention la Fig. 3 est une vue schématique d'un amplificateur de lumière suivant l'invention, comportant, sur sa face d'incidence de la lumière à amplifier, une couche de matière transparente pour cette lumière et réfléchissante pour la lumière de pompage la Fig. 4 est une vue schématique d'un amplificateur de lumière analogue à celui de la Fig. 3, mais comportant en outre un filtre de fréquences intercalé sur le trajet de la lumière de pompage. En se référant tout d'abord à la Fig. 1, l'amplificateur de lumière représenté en A comporte un milieu amplificateur 1 qui comporte, sur une de ses faces, une couche 2 de matière transparente pour la lumière de pompage 3 frappant cette face et réfléchissante pour la lumière à amplifier. Ainsi qu'on l'a exposé plus haut, sous l'effet de l'énergie de la lumière de pompage dissipée dans le milieu 1, celui-ci prend successivement lestformes représentées en B et C, de sorte que l'amplificateur se comporte alors comme un miroir concave pour la lumière à ampli fier. Un faisceau parallèle de celle-ci est donc transformé en un faisceau convergent. Bien entendu, les courbures représentées sont extrêmement exagérées par rapport aux courbures réelles. On constate qu'en C, du fait de la stabilisation en température; la concavité de l'amplificateur est atténuée mais pas supprimée totalement. L'amplificateur de lumière suivant l'invention est représenté à la Fig. 2. Comme représenté en A sur cette figure, il comprend un milieu amplificateur 4 dont la face 5 d'incidence de la lumière de pompage 6 est prétaillée en calotte sphérique dont la concavité est tournée vers la source de lumière de pompage. Le milieu 4 est ainsi rendu initialement divergent. Sur la face 5 du milieu, est appliquée une couche 7 de matière transparente pour la lumière de pompage et réfléchissante pour la lumière à amplifier. Au début de l'application de la lumière de pompage, l'ampli ficateur suivant l'invention a les propriétés d'un miroir convexe pour la lumière à amplifier. Ensuite, sous l'effet de la lumière de pompage 6, le milieu amplificateur 4 se déforme pour prendre successivement les formes représentées en B et C à la Fig. 2. En B, la face 5, qui était initialement concave, est devenue plane, tandis que la face opposée à la face 5 est devenue concave. En C, les deux faces précitées sont devenues concaves, mais, du fait de la différence de courbure initiale, leurs concavités sont différentes, de sorte que l'amplificateur, au moment où lui est appliqué un faisceau parallèle 8 de la lumière à amplifier, se comporte, vis-à-vis de ce faisceau, comme un miroir plan. Un tel agencement peut être utilisé du fait de la brièveté de l'impulsion de la lumière à amplifier par-rapport à la durée de pompage. On peut donc tailler la face 5 d'incidence pour la lumière de pompage du milieu 4 de façon à compenser exactement la déformation de la face d'incidence pour la lumière à amplifier au moment où l'impulsion de lumière à amplifier traverse l'amplificateur. Une expérience a été faite par le Demandeur avec un disque de 20 cm de diamètre et de 2 cm d'épaisseur utilisé comme milieu amplificateur. On a constaté que, pour une énergie de stockage de 1 Joule par cm, une courbure de la face d'incidence pour la lumière à amplifier correspondant à une flèche de 1 micron est aisément corrigée par une prétaille correspondante de la face d'incidence pour la lumière de pompage. Dans le mode de réalisation décrit en référence à la Fig. 2, le milieu amplificateur est prétaillé sur sa face d'incidence pour la lumière de pompage. Cependant, on peut obtenir un effet analogue par une taille, soit de la face d'incidence pour la lumière à amplifier, soit des deux faces du milieu. L'amplificateur représenté à la Fig. 3 comprend un milieu amplificateur 9 dont la face 10 d'incidence pour la lumière de pompage est prétaillée de la manière représentée à la Fig. 2, une couche 11 transparente pour la lumière de pompage 12 et réfléchissante pour la lumière à amplifier étant déposée sur la face 10. Sur la face d'incidence pour la lumière à amplifier, est déposée une couche 13 de matière transparente pour la lumière à amplitier et réfléchissante pour la lumière de pompage, de la manière décrite à la demande de brevet nO 74 38156 intitulée "Amplificateur de lumière perfectionné", déposée le 20 Novembre 1974 par le Demandeur. La face prétaillée 10 du milieu 9 et la couche 13 sur la face d'incidence pour la lumière à amplifier contribuent ensemble à corriger les effets de la déformation du milieu amplificateur. L'amplificateur représenté à la Fig. 4 est analogue à celui de la Fig. 3, mais comporte en plus un filtre 14 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. Un amplificateur de lumière comportant un tel filtre est décrit à la demande de brevet nO 74 38157 intitulée "Amplificateur optique à haut rendement", déposée le 20 Novembre 1974 par le Demandeur. Comme dans le cas de l'amplificateur de la Fig. 3, les divers éléments de l'amplificateur de la Fig. 4 contribuent à réduire les effets de la déformation du milieu par la dissipation de la lumière de pompage dans celui-ci, sur le parallélisme de la lumière à amplifier. Enfin, on peut également envisager de réaliser un amplificateur de lumière dont le milieu amplificateur serait prétaillé sur une ou deux de ses faces et auquel ne serait associé qu'un filtre tel que le filtre 14 du dispositif représenté à la Fig. 4. REVENDICATIONS 1. Amplificateur optique comportant un milieu amplificateur, une source de po page optique dudit iilieu et une couche transparente pour la lumière de po page et réfléchissante pour la lumière à amplifier, déposée sur la face du milieu amplificateur placée en regard de la source de pompage optique, caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces (5) dudit Milieu est taillée de manière à ter une courbure initiale dont la modification sous l'effet de la chaleur dissipée dans ledit milieu par la lumière de pompage confère audit amplificateur pendent un intervalle de temps prédéterminé les propriétés d'un miroir plan, pour la lumière à amplifier. 2. Amplificateur suivant la revendicatton 1, canctérisé en ce que ladite face (5) d1incidence pour la lumière de pompage (6) est taillée de anière que a concavité soit dirigée vers la source de lumière de pompage (6). 3. Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face d'incidence pour la lumière de powp pompage et la face d'incidence pour la lumière à amplifier, dudit milieu sont toutes deur taillées. 4. Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face du milieu qui est taillée, est la face d'incidence poùr la lumière à amplifier. 5. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre sur la face d'incidence pour la lumière h amplifier, une couche (13) de matière transparente pour la lumière à a amplifier et réfléchissante pour la lumière de pompage. 6. Amplificat; suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisé en ce qu'entre la source de pompage optique et le milieu amplificateur (9) est placé au moins un filtre (13) d'élinination des énergies de la source de pompage pour lesquelles le rapport entre la dissipation d'énergie qu'elles provo quint dans le milieu amplificateur et la part qu'elles prennent à l'excitation dudit milieu est supérieur d une valeur prédéterminée.