Brevet FR2328311A1 — publié le 19770513

La présente invention concerne les lasers et plus précisément ceux dans lesquels une radiation cohérente à plusieurs longueurs d t onde est transformée efficacement en radiation cohérente pratiquement monochromatique. Le transfert de l'information optique d'un faisceau à une première fréquence à un autre faisceau à une autre fréquence est déjà connu. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 731 223 décrit en particulier une cavité optique et un laser fonctionnant simultanément à au moins deux-longueurs d'onde, en coopération avec une solution d'un colorant organique qui absorbe les radiations à la plus courte longueur d'onde et fluoresce à la longueur tonde la plus grande. Dans le dispositif décrit dans ce brevet, le colorant doit entre placé dans le résonateur optique si bien que la matière à effet laser ne peut pas fonctionner avec son rendement maximal.Ainsi, le colorant modifie la répartition du gain de la combinaison globale. Etant donné cette répartition modifiée, le-laser de pompage fonctionne avec un rendement inférieur à celui qu'il aurait s'il fonctionnait seul dans le résonateur optique, à ses longueurs d'onde normales de résonance. D'autres dispositifs connus utilisent des lasers à colorant pour la modification simplement de la longueur d'onde des radiations cohérentes incidentes. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 371 265 décrit l'irradiation d'une cellule active à effet Raman par des radiations cohérentes à une première longueur d'onde. Cette cellule absorbe 11 énergie incidente et l'irradie à une autre longueur d'onde. Les radiations de sortie subissent un décalage de fréquence par rapport aux radiations excitatrices, d'une quantité qui dépend des niveaux d'énergie actifs fixes Raman de la matière particulière utilisée dans la cellule. Dans ce dispositif, la source d'énergie est monochromatique. L'invention concerne la transformation efficace de la totalité de l'énergie de- sortie d'une source lumineuse cohérente à plusieurs longueurs d'onde en lumière à une seule longueur d'onde. Plus précisément, l'invention concerne le pompage dans une première matière à effet laser, provoquant des émissions lumineuses spontanées à au moins deux longueurs d'onde. Un résonateur optique est placé autour de la première matière à effet laser et assure une réaction optique afin que la première matière à effet laser irradie de la lumière cohérente stimulée auxdites longueurs d'onde. Le résonateur optique a une surface partiellement réfléchissante par laquelle une partie de la lumière cohérente stimulée à plusieurs longueurs d'onde est émise. Une seconde matière à effet laser est irradiée par la lumière provenant du résonateur. Cette seconde matière absorbe la lumière de préférence à toutes les longueurs d'onde de la lumière incidente, sauf une, et cette longueur d'onde non absorbée se trouve dans la bande de fluorescence de la seconde matière à effet laser. La lumière irradiant la seconde matière à effet laser provoque 11 émission par celle-ci de lumière cohérente stimulée à la longueur d'onde non absorbée. L'absorption de la lumière à plusieurs longueurs d'onde du premier laser par la seconde matière à effet laser a essentiellement pour rle le pompage (c'est-à-dire la production d'une inversion de populations) dans la seconde matière, et la lumière à la seule longueur d'onde non absorbée, provenant de la première matière à effet laser, provoque la stimulation de la seconde matière à effet laser subissant l'inversion de populations afin que la longueur d'onde non absorbée soit amplifiée. Les radiations de pompage à plusieurs longueurs d'onde destinées à la seconde matière à effet laser doivent entre synchronisées dans l'espace et-dans le temps avec les radiations de stimulation quine sont pas absorbées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui v suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure I représente schématiquement un mode de réalisation avantageux d'appareil selon l'invention - la figure 2 représente l'énergie laser obtenue à deux longueurs d'onde - la figure 3 représente les spectres d'absorption et d'émission d'un laser à colorant à deux longueurs d'onde - la figure 4 représente un dispositif optique de retard qui peut être utilisé lorsque les signaux optiques du premier laser n1 apparaissent pas simultanément - la figure 5 est un schéma d'un second mode de réalisation d'appareil selon l'invention ; et - la figure 6 représente le spectre d'énergie dont les caractéristiques sont utilisées lors de la mise en oeuvre de l'appareil et du mode de réalisation de la figure 5. On se réfère à la figure 1 qui représente une première matière 1 à effet laser qui peut être toute matière capable d'émettre spontanément de la lumière à plusieurs longueurs d'onde. Dans un mode de réalisation de l'invention, la matière 1 est de la vapeur de cuivre obtenue par dissociation de vapeur d'halogénure de cuivre par décharge, dans un récipient transparent convenable 3. La matière 1 subit un pompage assuré par des électrodes 3 reliées à une source convenable de courant (non représentée) qui assure une décharge électrique dans le récipient 3. Lorsque la matière I est formée par des vapeurs d'halogénure de cuivre, deux décharges électriques sont nécessaires. La première dissocie le cuivre et lthalogène et la seconde assure le pompage du cuivre afin qu'elle crée une inversion de populations. Bien que le mode de réalisation de la figure I comprenne un laser à vapeurs de cuivre qui subit un pompage assuré par décharge électrique, toute matière laser capable d'une émission stimulée à au moins deux longueurs d'onde convient. Des exemples d'autres matières convenables à effet laser sont les vapeurs de plomb et-celles de manganèse. En outre, tout dispositif convenable de pompage de la matière à effet laser peut aussi entre utilisé. D'autres dispositifs possibles de pompage sont les tubes à éclair et d'autres lasers. Bien que la plupart des matières à effet laser, capables d'émettre simultanément des radiations à plus d'une longueùr d'onde,puissent suffire, l'invention est surtout avantageuse lorsque la première matière à effet laser est capable de produire une densité élevée d'énergie dans le colorant. Un résonateur optique 7 est disposé autour de la matière 1 à effet laser. Ce résonateur comprend un miroir totalement réfléchissant 9 et un miroir partiellement réfléchissant 11, et il assure la réaction optique permettant émission spontanée de lumière par la matière 1, celle-ci émettant des radiations lumineuses cohérentes à des longueurs d'onde obtenues spontanément par pompage par la décharge électrique du dispositif 5. Le résonateur optique 7 est de préférence réalisé afin que les radiations de la matière 1 à effet laser soient toutes dans le meme mode. Le laser représenté sur la figure 1 forme de la lumière cohérente stimulée à deux longueurs d'onde \1 et La longueur sonde \1 est inférieure à la longueur sonde En outre, la nature du résonateur optique 7 et les caractéristiques de "pompage" par décharge électrique sont réglées afin que l'énergie totale transmise soit optimale et que le signal aux longueurs d'onde Xl et h2 soit formé à partir d'un volume commun des matière excitée. Cette dernière condition assure le recouvrement spatial du signal transmis par le laser 1 avec la matière 15å effet laser.On peut obtenir cette condition optimale par modification empirique des paramètres, par exemple de l'intensité de pompage, de l'accord de la cavité et du pouvoir réflecteur du miroir, suivant des techniques bien connues. Plus précisément, dans le cas d'un laser à vapeurs de cuivre utilisant un pompage par décharge électrique, les paramètres utilisés à-cet effet sont la tension de la décharge, la densité de courant au cours de celleci, le temps de montée du courant et la largeur des impulsions. On peut aussi faire varier des paramètres de la matière à effet laser, par exemple la pression des vapeurs de cuivre et lns caractéristiques d'un gaz inerte utilisé afin que l'éner- gie totale soit optimale. Les radiations transmises par le miroir semi-réfléchissant Il sont focalisées par une lentille 13 qui les concentre dans un petit volume afin que la densité d'énergie soit élevée. Une seconde matière 15 à effet laser est placée au foyer de la lentille 17. Cette seconde matière 15 doit pouvoir absorber la lumière à toutes les longueurs d'onde, provenant de la matière 1, sauf à l'une de ces longueurs d'onde afin que le fonctionnement soit le plus efficace. En outre, la longueur d'onde non absorbée doit se trouver dans la bande de fluorescence de la matière 15 à effet laser.Lorsque ces conditions sont satisfaites, la matière 15 transmet de la lumière cohérente stimulée à la longueur d'onde non absorbée, avec une grande partie de l'énergie totale transmise par la matière 1 à plusieurs longueurs d'onde. Enfin, il faut noter de façon importante que la matière 15 à effet laser doit zetre super-rayonnante à la densité d'énergie avec laquelle elle est irradiée. C'est-à-dire que la combinaison de ltenergie transmise par la matière 1 et la lentille 13 doit donner une densité d'énergie dans la matière 15 qui suffit à la production d'une inversion de populations teile que la matière 15 à effet laser présente un rapport élevé de l'émission spontanée amplifiée à l'émission spontanée ( Ts super-rayonnement") à la longueur d'onde non absorbée. En pratique, ce critère signifie que la matière 15 à effet laser doit avoir un gain,pour un seul parcours,supérieur à 10 dB environ. Une autre conséquence des propriétés physiques de la matière laser 15 est que plus les longueurs tonde irradiées par le laser 1 sont proches et plus le rendement de la matière 15 est élevé. Comme le résonateur optique 7 oblige la lumière cohérente stimulée émise par la matière 1 à setre dans un seul mode, les longueurs d'onde de pompage (absorbées par la matière 15) sont totalement comprises dans le volume spatial de la longueur d'onde non absorbée, provoquant lémission stimulée. Ainsi, lorsque les photons subissent un pompage dans la matière 15, leur émission lumineuse cohérente et en synchronisme avec la longueur sonde excitatrice est aussi stimulée. Dans un mode de réalisation avantageux, l'appareil comprend aussi un dispositif de focalisation de la lumière de la matière 15. En particulier, on a représenté celui-ci sous forme schématique par la lentille 17 de la figure 1. Cette lentille focalise à l'infini le faisceau légèrement divergent de la matière 15, c'est-à-dire que la lumière transmise par cette lentille 17 est sous forme d'un faisceau parallèle. Bien que les spécialistes puissent mettre au point de nombreux systèmes satisfaisant aux paramètres indiqués, on considère maintenant un exemple particulier. La matière 1 à effet laser est de la vapeur de chlorure de cuivre placée dans un récipient convenable. Une décharge électrique assure la dissociation du chlorure de cuivre et le pompage de la vapeur dissociée de cuivre à un état excité afin qu'une émission lumineuse stimulée soit provoquée. La matière 15 est formée par une cellule du colorant rhodamine 6G dans une solu tion à i0-4 10 5 mole par litre, dans le méthanol ou l'é- thanol. Les équations théoriques qui suivent représentent la mise en oeuvre de l'invention et en particulier dans l'exemple précédent. On considère une matière 1 à effet laser, fonctionnant à plusieurs longueurs d'onde, soit N, respectivement #1, #2, ..., #N-1, #N.L'énergie totale Eo transmise par la matière à effet laser est égale à la somme des énergies à toutes les longueurs d'onde, c'est-à-dire On utilise comme indiqué précédemment une matière 15 à base de colorant pour la transformation de l'énergie Eo normalement répartie aux N longueurs d'onde, comme indiqué dans l'équation (1),à une seule longueur d'onde intéressante, par exemple xN On considère dans un exemple particulier l'énergie transmise par le laser à vapeur de cuivre.Celui-ci a deux longueurs d'onde de fonctionnement, #1 = 5106 et #2 = 5782 . On suppose en outre que le laser fonctionne dans des conditions optimales, et que l'énergie à 5106 2, E, , est trois fois supé- rieure à celle à 5782 X EX . Ainsi 2 -L'énergie et la longueur d'onde obtenue dans le cas du laser à vapeur de cuivre considéré, sont indiquées sur la figure 2. Le rapport #1 de l'énergie E#2 à l'énergie totale Eo est donné par l'équation La combinaison des équations (2) et (3) donne ) = 1/4 qui indique qu'un quart de l'énergie totale est contenu à la longueur h2. Le dispositif de conversion à colorant augmente de rapport (la valeur maximale étant évidemment égale à 1). Le colorant est choisi d'après les critères suivants : (1) La longueur d'onde #1 est proche du maximum de la bande d'absorption du colorant ; (2) La longueur d'onde #2 est proche du maximum de la bande de fluorescence du colorant ; (3) le colorant a un rendement élevé de fluorescence. La figure 3 représente les bandes d'absorption et de fluorescence d'un exemple de colorant qui peut convenir. Les radiations incidentes à ia longueur d'onde #1, absorbées par la solution de colorant, assurent le "pompage" des molécules de colorant à ltétat fondamental vers le premier état électronique excité. En présence de la seule longueur d'onde-X2, les molécules excitées présenteraient une fluorescence spontanée dans toute la bande de fluorescence représentée sur la figure 3, et reviendraient ainsi à l'étant fondamental en un temps qui est de l'ordre de 10-9 s. La présence simultanée de l'énergie du laser à la longueur \2 dans le colorant provoque la stimulation des mo fécules excitées qui émettent non dans toute la bande d'émission spontanée par fluorescence mais uniquement à la longueur tonde \2 présentant ainsi les mimes caractéristiques que les radiations incidentes à la longueur d'onde h2. Ainsi, l'éner- gie absorbée à partir de la lumière du premier laser, à la longueur d'onde h?, est irradiée à la longueur d'onde \2 avec les mimes caractéristiques (par exemple de direction et de polarisation) que les radiations provenant du laser à la longueur d'onde Comme indiqué précédemment, la vitesse extrêmement grande de fluorescence spontanée des molécules excitées de colorant (environ 108 s-1) impose deux conditions à l'opti- misation du rendement de conversion. La première condition est que les radiations aux longueurs d'onde \1 et h2 soient focalisées dans la cellule à colorant afin que le pompage à l'état excité du colorant soit aussi important que possible et que l'émission stimulée à partir de l'état excité du colorant soit aussi grande que possible.La seconde condition représente le recouvrement temporel des radiations du laser à #1 et #2, nécessaire pour que la totalité en pratique des molécules portées à l'état excité par pompage à la longueur d'onde \1 contribue à l'émission stimulée à la longueur B2 Lorsque le signal de sortie du laser aux longueurs d'onde \1 et #2 apparaît successivement dans le temps, des techniques optiques de retard externes aux lasers doivent être utilisées avant focalisation des colorants dans le dispositif de conversion à colorant. La figure 4 représente un appareil qui peut être utilisé lorsque le laser transmet la lumière aux longueurs d'onde #1 et #2 successivement. Sur la figure 4, les éléments analo- gues à ceux de la figure 1 portent des références identiques. Dans l'exemple qui suit, on suppose que la lumière à la longueur d'onde \1 apparatt avant celle de longueur d'onde si bien qu'on doit retarder la première par rapport à la seconde. A cet effet, un répartiteur dichroSque 30 de faisceau est placé à la sortie du laser 1 et sépare les lumières aux deux longueurs d'onde. La lumière de longueur d'onde hl parvient à une ligne optique à retard 32 (par exemple une cellule de White ou un autre dispositif convenable à retard) et elle est retardée d'un temps tel qu'elle correspond dans le temps à la lumière à la longueur d'onde \2 lorsque les deux lumières sont recombinées par un miroir dichroTque 34 ou analogue. Comme indiqué schématiquement, la lumière à la longueur d'onde #2 peut être transmise au miroir 34 par des réflecteurs 35 et 36 qui n'introduisent qu'un retard négligeable par allongement du trajet parcouru.Le faisceau provenant du miroir 34 et qui comprend les composantes simultanées #1 et #2 parvient à la lentille 13 qui assure la focalisation comme décrit en référence à la figure 1. Le rendement maximal de conversion d'énergie Dc peut entre exprimé sous la forme = d(\ 2) dans laquelle nd est le rendement de fluorescence du colorant. Dans l'exemple considéré, on choisit #d = 1 et on obtient : #c = #1/#2 et, pour le laser à vapeur de cuivre pour lequel #1 = 5106 et #2 = 5782 , on obtient : #c = 0,88 (5) Le rapport #2 de l'énergie transmise à la longueur d'onde #2 avec le dispositif de conversion à colorant à l'é- nergie laser totale Eo est donné par la formule : Dans l'exemple particulier choisi pour lequel E#1 = 3E#2 (équation (2)), l'équation (6) devient : #2 = (1 + 3 #c)/4 et, d'après l'équation (5), comme #c = 0,88, on obtient :: #2 = 0,91. En conséquence, la combinaison du laser et du dispo- sitif de conversion à colorant permet dans l'exemple considéré la récupération de 91 % de l'énergie du laser à la longueur d'onde k2. L'équation (4) indique que le rapport n'est que de 25 % en l'absence du dispositif de conversion. On considère maintenant le mode de réalisation des figures 5 et 6. La matière à effet laser utilisée pour le pompage principal donne souvent plusieurs longueurs d'onde très séparées. Lorsque cette séparation est trop grande, tin laser unique à colorant ne permet pas la transformation efficace à une seule fréquence à partir de toutes les fréquences créées. Le mode de réalisation de la figure 5 remédie à cet inconvénient. La figure 5 représente un dispositif mettant en oeuvre trois matières à effet laser, la matière principale de pompage et deux matières de conversion à effet laser. Le cas échéant, on peut en utiliser un plus grand nombre. Par raison de simplicité, les éléments de la figure 5 qui portent des références identiques à ceux de la figure 1 sont des éléments analogues. Ainsi, le laser 1 est entouré par un résonateur optique 7. La lumière du laser est focalisée par une lentille 13 dans une première matière 19 à effet laser comprenant un colorant, et la lumière transmise par la matière 19 est focalisée par une lentille 21 dans une seconde matière 23 à effet laser, à base d'un colorant. La lentille 25 focalise le faisceau légèrement divergent de la matière 23 et en forme un faisceau parallèle. Le colorant de la matière 19 est choisi afin qu'il transforme l'énergie de la paire de longueurs d'onde les plus courtes à la plus grande longueur d'onde de cette paire. te manière analogue, la matière 23 est choisie afin quelle transforme l'énergie de la paire des longueurs d'onde les plus courtes qui restent à la longueur d'onde la plus grande de cette paire. Ainsi, par exemple, lorsque le laser 1 transmet trois longueurs d'onde X 2 et h , placées dans cet ordre croissant, la matière 19 irradie l'énergie à la longueur d'onde et et la matière 23 à la longueur d'onde x3, la plus grande partie de l'énergie des plus courtes longueurs d'onde étant ainsi accumulée à la plus grande longueur d'onde. Chacune des matières de conversion à effet laser peut transformer de la lumière à plusieurs longueurs d'onde à une longueur d'onde plus grande. De manière analogue, on peut ajouter vautres matières à effet laser pour la transformation de l'énergie de paires de longueurs d'ondes à une seule longueur d'onde. La figure 6 représente graphiquement la conversion d'énergie dans le mode de réalisation de la figure 5. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil destiné à transformer de la lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde en lumière cohérente à une seule longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comprend un premier laser destiné à transmettre simultanément et de fa çon spontanée de la lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde, et une matière à effet laser irradiée parla lumière cohérente du laser, la matière à effet laser absorbant la lumière à au moins l'une des longueurs d'onde mais pas à toutes, et ayant une bande de fluorescence qui comprend au moins l'une des longueurs d'onde non absorbées, cette longueur d'onde non absorbée de la bande de fluorescence provoquant la stimulation par la matière à effet laser de l'émission de lumière cohérente à cette longueur d'onde non absorbée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérise en ce que le premier laser est un laser à vapeur de cuivre comprenant un dispositif de pompage par décharge électrique, et la matière à effet laser est une cellule contenant de la rhodamine 6G en solution à 10 4 - 10 5 mole/litre de méthanol. 3. Appareil de transformation de lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde en lumière cohérente à une seule longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comprend un premier laser destiné à transmettre simultanément et spontanément de la lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde, et plusieurs secondes matières à effet laser montées en cascade, la première de ces matières recevant la lumière cohérente provenant du laser, chacune des matières successives à effet laser montées en cascade recevant la lumière de la matière précédente à effet laser, chacune de ces matières absorbant de la lumière à la longueur d'onde la plus courte quelle reçoit et transmettant par fluorescence de la lumière à une longueur d'onde plus grande à laquelle elle est aussi irradiée. 4. Procédé de transformation de lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde en lumière cohérente à une seule longueur d'onde, caractérisé ence qu'il comprend le pompage d'un premier laser afin que celui-ci transmette spontanément des composantes de lumière cohérente à plusieurs longueurs d'onde, et l'irradiation simultanée d'une matière à effet laser par lesdites composantes de lumière cohérente, cette matière absorbant la lumière à l'une au moins des longueurs d'onde mais pas à toutes, et ayant une bande de fluorescence dans laquelle se trouve au moins l'une des longueurs d'onde non absorbées, la lumière à la longueur d'onde non absorbée et comprise dans la bande de fluorescence provoquant la stimulation par la matière à effet laser de l'émission de lumière cohérente à cette longueur d'onde non absorbée.