Brevet FR2339266A1 — publié le 19770819

La présente invention, due aux travaux de Monsieur Georges BRET de la Société Energetic S.A., a pour objet un dispositif amplificateur de lumière. Elle trouve une application en optique et notamment dans la réalisation d'amplificateurs a plaques perfectionnés. Les systèmes amplificateurs de lumière sont limités en gain par l'apparition d'oscillations parasites. Dans les systèmes comprenant une plaque pompée par une seule face, par exemple, la zone située a proximité des moyens de pompage possède un gain qui est très supérieur a celui des zones situées loin des moyens de pompage. Les oscillations parasites s'établissent donc en premier lieu dans cette première zone. Elles s'alimentent au milieu amplificateur, et, de ce fait, provoquent une dépopulation partielle dudit milieu qui est a l'origine de la limitation de gain dont souffrent ces systèmes. Pour éviter l'apparition d'oscillations parasites, on limite, dans les dispositifs de l'art antérieur, le gain des zones les plus proches des moyens d'excitation a une valeur légèrement inférieure au seuil d'apparition de ces oscillationE-.Mais, comme le gain du milieu amplificateur décroît avec la distance aux moyens de pompage, cette limitation entratne que le gain dans les zones éloignées devient très faible de sorte que lesdites zones ne participent que faiblement a l'amplification et les performances du dispositif s'en ressentent. L'invention a justement pour objet un dispositif qui réduit cet inconvénient et permet, tout en évitant l'apparition des oscillations parasites, d'accrottre sensiblement le gain de l'ensemble. Pour cela, l'invention propose un dispositif amplificateur de lumière dans lequel la concentration en centres actifs (ions, atomes ou molécules selon la nature du milieu amplificateur) n'est pas homogène comme dans l'art antérieur, mais croit avec la distance aux moyens de pompage. I1 en résulte que le gain des zones éloignées des moyens d'excitation peut être considérablement amélioré par rapport aux dispositifs de l'art antérieur même si le gain local des zones proches des moyens de pompage est encore limité à une valeur supérieure. I1 en résulte que le gain global et, partant, les performances du dispositif amplificateur de l'invention, sont améliorés par rapport aux dispositifs antérieurs. Dans une variante privilégiée, le milieu amplificateur est en forme de plaque pompée sur une seule face. Mais l'invention ne se limite pas à cette variante, elle englobe au contraire tous les systèmes amplificateurs quelle que soit la forme du milieu contenant les centres actifs, dès lors que sa concentration est inhomogène et croit avec la distance aux moyens de pompage. Dans la variante à plaque, celle-ci peut être formée avantageusement par une pluralité de lames juxtaposées, la concentration en centres actifs étant homogène dans chacune des lames mais croissant d'une lame à la suivante lorsqu'on s'éloigne des moyens de pompage. Le milieu amplificateur peut être un solide (verre dopé, par exemple au néodyme, rubis dopé avec des ions chrome, etc...) un liquide (solvant dans lequel est dissous un colorant etc...) ou un gaz (anhydride carbonique, iode, etc...). De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure I représente un dispositif amplificateur de lumière selon l'art antérieur, - la figure 2 représente la décroissance du gain avec la distance dans le dispositif de la figure 1, - la figure 3 représente un mode de réalisation particulier du dispositif amplificateur de l'invention dans la variante à plaque constituée par des lames juxtaposées, - la figure 4 représente un exemple de réalisation du dispositif de la figure 3 dans lequel la concentration en centres actifs varie d'une lame à l'autre, - la figure 5 représente la variation du gain du milieu amplificateur avec la distance aux moyens de pompage, pour la variante illustrée sur la figure 4. A titre purement explicatif, la description qui suit se réfère à un amplificateur de lumière à plaque. Un tel dispositif est décrit, notamment, dans la demande de brevet français nO 7323430 déposée le 27 Juin 1973 et intitulée "Système amplificateur de lumière à haut flux et haut rendement". Un dispositif amplificateur de lumière à plaque, selon l'art antérieur, est représenté sur la figure 1. I1 comprend une plaque amplificatrice 2 excitée par des moyens de pompage optique 4 disposés à l'arrière d'une des faces 6 de la plaque. Eventuellement, un miroir 8 peut être disposé à l'arrière des moyens de pompage optique 4, afin d'améliorer l'efficacité du pompage. Le faisceau lumineux de travail 10 est dirigé dans la plaque 2 pour y être amplifié. Un miroir sélectif 12 est déposé a l'arrière de la plaque 2 ; il est réfléchissant pour le rayonnement de travail 10 et transparent pour le rayonnement d'excitation issu des moyens de pompage 4. Le rayonnement de travail peut être, par exemple, à une longueur d'onde de 1,06 p pour un milieu amplificateur constitué par un verre dope au néodyme. Dans un tel dispositif, selon l'art antérieur, la concentration en centres actifs dans le milieu amplificateur est homogène. Dans le cas od ce milieu est un verre dopé au néodyme, la concentration en ions néodyme est, par exemple, de 2 % dans tout le volume de la plaque. Il en résulte que le gain G du milieu amplificateur décroît avec la distance Z aux moyens de pompage ; cette loi de décroissance est illustrée schématiquement par la courbe de la figure 2. La valeur maximale GM prise par le gain sur la face la plus proche des moyens de pompage doit être tenue inférieure à la valeur G5 à partir de laquelle des oscillations parasites peuvent apparaître.Ces oscillations résultent de l'amplification importante que subissent les rayons lumineux qui cheminent perpendiculairement à la direction de travail, c'est-a-dire, sensiblement parallèlement à la face pompée 6. I1 résulte de cette limitas tion, que le gain moyen G pour l'ensemble de la plaque prend une valeur très inférieure au gain maximal GM, ce qui conduit naturellement a des performances modestes pour l'ensemble du dispositif. Pour réduire cet inconvénient, l'invention propose d'utiliser un milieu amplificateur dont la concentration en centres actifs croit avec la distance aux, moyens de pompage optique. Cela permet d'améliorer le gain du milieu amplificateur dans les zones éloignées des moyens de pompage et, en conséquence, le gain moyen du système. Dans le cas où l'amplificateur à plaque est constitué, selon un mode de roalisation privilégié, par une pluralité de lames juxtaposées, on obtient un dispositif conforme à celui qui est illustré sur la figure 3. Sur cette figure 3, la plaque 20 est constituée par trois lames 21, 22 et 23, et par des moyens de pompage 24 situés à l'arrière de la face 26. Des couches à réflexion sélective 28 peuvent encore être déposées sur la face 26 exposée au pompage. Cette variante est particulièrement simple de mise en oeuvre lorsque les lames ont chacune une concentration homg- gène en centres actifs, cette concentration augmentant lorsqu'on passe d'une lame à la suivante en s'éloignant des moyens de pompage. Dans cette variante, la concentration C présente donc une suite de valeurs discrètes conformément à ce qui est représenté sur la figure 4. Par exemple et à titre nullement limitatif, il peut être utilisé, pour constituer les lames 21, 22 et 23, un verre dopé au néodyme à des concentrations respectivement de 2, 3 et 4 %. Dans les conditions de la variante illustrée par -les figures 3 et 4, la variation du gain avec la distance aux moyens de pompage prend une forme sensiblement diffé- rente de celle qu'elle avait avec les dispositifs antérieurs, conformément à la courbe représentée sur la figure 5 Sur cette figure, apparaissent encore la valeur de seuil G au-delà de laquelle apparaissent des oscillations parasites, la valeur GM qui est la valeur maximale atteinte par le gain et qui est légèrement inférieure à Gs, et une valeur moyenne G qui est le gain moyen pour l'ensemble de la plaque La différence essentielle entre la figure 5 relative à l'invention et la figure 2 relative à l'art antérieur, réside dans le fait que le gain des lames éloignées 22 et 23 est quasiment le même que celui de la lame 21 proche des moyens d'excitation. I1 en résulte, à l'évidence, que le gain moyen Gm est, dans le cas de l'invention, supérieur à ce qu'il était dans les dispositifs antérieurs. Les performances du dispositif de l'invention sten trouvent donc améliorées. La présente invention est particulièrement utile lorsque la plaque a de grandes dimensions transversales, c'est-à-dire dans le sens perpendiculaire à la direction du faisceau d'utilisation. Si l'on désigne par D cette dimension transversale, on constate expérimentalement qu'il est préf é- rable que le gain en un point de la plaque ne dépasse pas la valeur de seuil G5 = 2,5/D, si l'on veut éviter l'apparition d'oscillations parasites. Une telle condition devient très contraignante lorsque le diamètre de la plaque est important et, par exemple, supérieur à 200 gain, car la valeur du seuil Gs devient alors très faible Si l'on n'utilisait pas le perfectionnement qui est l'objet de la présente invention, le gain global du système tomberait à une valeur dérisoire L'invention permet d'éviter ce grave inconvénient REVENDICATIONS 1. Dispositif amplificateur de lumière, du genre de ceux qui comprennent un milieu amplificateur contenant des centres actifs, une des faces dudit milieu étant exposée à des moyens de pompage optique, caractérisé en ce que ledit milieu amplificateur présente une concentration en centres actifs qui croît avec la distance aux moyens de pompage optique. 2. Dispositif amplificateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est en forme de plaque pompée sur une seule face. 3 Dispositif amplificateur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque est formée d'une pluralité de lames juxtaposées, la concentration en centres actifs étant homogène dans chaque lame mais croissant d'une lame à la suivante lorsqu'on s'éloigne des moyens de pompage optique 4 Dispositif amplificateur de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un solide 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un verre. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les centres actifs sont des ions trivalents de néodyme