Brevet FR2292355A1 — 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 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 vL liée aux énergies 1 et 2 des niveaux (1) et (2) par la relation suivante = 'E2 - 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'amplification 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 n+p correspond à la bande d'absorption (n+p) puis à la désexcitation vers le niveau (2). L'énergie thermique T 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 e(n+p) - 2 est plus importante. L'énergie de pompage est absorbée au cours de son passage dans le matériau, avec des sections efficaces Cn+p caractéristiques de chaque niveau d'énergie. I1 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. 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 dépit d'énergie thermique QT 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 temperature. 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 amplificateur présente un rendement suffisant, c'est-à-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 e 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 pou-voir 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 comte une solive 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 diminuer notablement la partie constante du gradient de teipérature tout en diminuant légèrement l'autre partie. -Elle a donc sour objet un amplificateur de lumière, comportant un milieu amplificateur qui comprend une face d'incidence pour le faisceau lumineux à amplifier, une face d'incidence pour la lumière de pompage, un miroir, réfléchissant pour la lumière à amplifier et transparent pour la lumière de pompage, placé sur ladite face d'incidence pour la lumière de pompage, caractérisé en ce que, sur la face d'incidence pour la lumière à amplifier, est placé un miroir supplémentaire, transparent pour la lumière à amplifier mais réfléchissant pour la lumière de pompage. 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 représente schématiquement un amplificateur à pompage optique classique et la courbe de dissipation de l'énergie de pompage dans le milieu amplificateur la Fig. 2 représente un amplificateur de lumière suivant l'invention la Fig. 3 est une courbe de dissipation d'énergie de l'amplificateur de la Fig. 2 la Fig. 4 est un graphique des différences relatives de températures entre deux faces d'un amplificateur à absorption totale classique et d'un amplificateur suivant l'invention. L'amplificateur classique représenté à la Fig. 1 comprend un milieu amplificateur 1 d'épaisseur e sur une face duquel est déposée une couche 2 de matière transparente pour la lumière de pompage 3 émise par une source (non représentée) et réfléchissante pour la lumière à amplifier. La courbe 4 représente la répartition des températures dans le milieu 1 selon l'épaisseur e de élui-ci. On voit. que la température T1 du milieu est maximale sur la face du milieu 1 que frappe la lumière de pompage 3 et que la température T2 sur la face opposée du milieu 1 est minimale, ce qui entraîne les inconvénients énoncés plus haut. L'amplificateur de lumière suivant l'invention, représenté à la Fig. 2, comprend un milieu amplificateur 5 dont la face destinée à recevoir la lumière de pompage 6 émise par une source non représentée est revêtue d'une couche 7 de matière réfléchissante pour la lumière à amplifier et transparente pour la lumière de pompage. Sur la face du milieu amplificateur 5 opposée à la couche 7, est déposée une couche 8 de matière réfléchissante pour la lumière de pompage, mais transparente pour la lumière à amplifier. Le fonctionnement de l'amplificateur suivant l'invention va etre décrit en référence aux Fig. 2 et 3. Lorsqu'une impulsion de lumière de pompage 6 frappe la couche 7, elle traverse celle-ci et se propage dans le milieu 5. Cette propagation s'accompagne d'une perte d'énergie de pompage sous forme d'échauffement. Le reste de la lumière qui n'a pas été dissipé dans le milieu 5 est réfléchi par la couche supplémentaire 8 et se propage en sens inverse dans le milieu, de l'énergie étant encore dissipée au cours du trajet de retour de la lumière de pompage. Ce phénomène est représenté sur la Eig. 3 par une répartition des températures illustrée par une première courbe de répartition entre les températures T1 et T2 résultant du trajet incident de la lumière de pompage dans le milieu 5 et par une seconde courbe de répartition entre les températures T2 et T3 résultant du trajet de la lumière de pompage réfléchie par la couche 8. Dans un amplificataur classique, la température du milieu par rapport à la température initiale de ce milieu supposée uniforme est donnée par Dans l'amplificateur suivant l'invention, la température du milieu par rapport à la température initiale de ce milieu supposée uniforme est donnée par la relation dans laquelle - a est une constante de proportionnalité, - k est le coéfficient d'absorption moyen du milieu, par unité de longueur. Sur la Fig. 4, on a représenté deux courbes A et B illustrant respectivement les variations des températures AT1 et AT2 d'un amplificateur de lumière classique et d'un amplificateur suivant l'invention. Les valeurs qui ont servi à établir ces courbes sont groupées dans le tableau suivant ke : e ke e-2ke : AT1 (------------:-----------:-----------:-- 0 1 1 0 0 0,5 0,6 0,37 0,63 0,17 1 0,37 0,135 0,86 0,4 1,5 0,22 0,05 0,95 0,6 2 0,135 0,02 0,98 0,73 2,5 0,08 . . 0,84 3 0,05 . . 0,90 L'examen des courbes A et B permet de constater une répartition des températures dans le milieu plus uniforme dans l'ampli ficateur de lumière suivant l'invention que dans un amplificateur classique, ce qui permet de réduire considérablement la partie constante du gradient de température et de diminuer ainsi la courbure équivalente du système sans affecter le rendement de l'amplificateur. REVENDICATIONS 1. Amplificateur de lumière, comportant un milieu amplificateur qui comprend une face d'incidence pour le faisceau lumineux à amplifier, une face d'incidence pour la lumière de pompage, un miroir réfléchissant pour la lumière à amplifier et transparent pour la lumière de pompage placé sur ladite face d'incidence pour la lumière de pompage, caractérisé en ce que, sur la face d'incidence pour la lumière à amplifier, est placé un miroir supplémentaire, transparent pour la lumière à amplifier, mais réfléchissant pour la lumière de pompage. 2. Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit miroir supplémentaire est constitué par une couche de matière transparente pour la lumière à amplifier et réfléchissante pour la lumière de pompage, déposée sur la face d'incidence pour la lumière à amplifier.