Brevet FR2330170A1 — publié le 19770527

La presente invention concerne les dispositifs pour produire une tres breve impulsion laser. Un dispositif connu pour produire une breve impulsion laser comporte un générateur laser capable d'émettre une impulsion liirnineuse dont la durée est de l'ordre de 30 nano-secondes, un obturateur électro-optique dispose sur le trajet de cette impulsion et des moyens pour ouvrir cet obturateur pendant une fraction du temps de passage de cette impulsion. Avec un tel dispositif, il est possible d'obtenir une impulsion laser dont la duree minimale est environ de 2 a 3 nano-seeondes. Or il apparalt que, dans certains domaines d'utilisation des lasers, cette duree est encore trop longue. La presente invention a pour but de realiser un dispositif laser capable d'émettre ds impulsions de dures plus courte que celle du dispositif citdessus. La presente invention a pour objet un dispositif pour produire une tres breve impulsion laser, dispositif comportant - un générateur d'une breve impulsion laser, - un amplificateur laser comprenant un milieu actif dispose sur le trajet de ladite impulsion laser et des moyens dtexcitation de ce milieu actif, caractérisé par le fait que ledit milieu actif est choisi dans le groupe constitue par le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodymeet par l'oxychlorure de phosphore dopé au néodyme, lesdits moyens d'excitatio;; fournissant a ce milieu actif une énergie capable de provoquer l'amplification du début de ladite brève impulsion laser, la fin de cette brève impulsion laser n1 étant pas sensiblement amplifiee. L'invention sera mieux comprise au cours de la description suivante donnée en regard du dessin annexé a titre illustratif, mais nullement limitatif, daRs lesquel - la figure I représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un graphique illustrant la description de ce dispositif, - et les figures 3a, 3b, 3c, et 3d représentent la orme des impulsions laser obtenues à la sortie des éléments principaux du dispositif illustré par la figure 1. La figure 1 est un schéma d'un dispositif composé d'un générateur 1 d'une breve impulsion laser, d'un amplificateur laser 2 disposé a 1, sortie du géné- rateur 1 et d'une cellule d'absorption saturable 3 disposée à la sortie de l'amplificateur 2. Le générateur 1 peut comprendre comme représenté une source 4 d'une impulsion laser 5 dont la durée peut-être de I 'ordre de 30 nano-secondes, un obturateur électro-optique 6 disposé sur le trajet de l'impulsion 5 et des moyens peur déclencher ltobturateur 6. Les éléments constitutifs du nérateur 1--n'ont pas été représentés. Ce générateur, d'un type connu, peut comprendre par exemple un barreau actif de verre dopé au néodyme disposé à l'intérieur d'une cavité optique résonnante, des moyens d'excitation de ce barreau actif et des moyens pour commander l'ouverture de cette cari té, ces moyens pouvant comporter une cellule électro-optique. L'obturateur 6, d'un type également connu, comprénd deux monocristaux 7 et 8 disposés côte a côte, une électrode céntrale annulaire 9 disposée entre ces monocristaux et deux électrodes latérales annulaires 10 et 11. Les axes cristallographiques respectifs Z1 et Z2 dés monocristaux 7 et 8 sont opposés l'un å l'autre et orientés parallèlement aux lignes de face du champ électrique qui peut être produit entre les électrodes. Comme indiqué sur la figure 2, l'axe cristallographique Ox1 du monocristal 7 est parallèle et opposé a ltaxe Ox2 du monocristal 8 et les axes respectifs Oy1 et Oy2 des monocristaux 7 et 8 sont paralleles etde même sens. Les moyens pour déclencher l'obturateur 6 peuvent comprendre une lame 12 partiellement réflécissante disposée sur X trajét de l'impulsion 5 à la sortie du générateur 4 pour renvoyer une partie de cette impulsion yers un éclateur 13. Cet éclateur est disposé en série dans le circuit du conducteur central d'une ligne coaxiale 14.L'électrode centrale 9 dé l'obturateur 6 est interposée dans le circuit de ce conducteur central ; les électrodes latérales 10 et 11 de cet obturateur sont interposées dans le circuit du conducteur extérieur de la ligne 14. Les bornes d'un générateur dé ténsion 15 sont connec- tées respectivement au conducteur central et au connecteur extérieur, à une extrémité de la ligne 14-, pour créer une différence de potentiel V entre les électrodes de l'éclateur 13.Les conducteurs de la ligne 14 sont court-circuités à son autre extrémité 16. tes moyens de déclenchement de l'boturateur 6 comportent en outre deux polariseurs croisés 17 et lS disposés- sur le trajet de l'impulsion 5 de part et d'autre de l'obturateur 6. te polariseur 17 placé entre la lame 12 et l'obturateur 6 est orienté. de façon à polariser la lumière laser émise par la source 4 dans un plan parallèle à l'axe Ox1 du monoeristal 7. L'amplificateur laser 2 comprend un milieu actif 19 disposé sur l'axe d'émission de la source 4. Ce milieu actif- est constitué soit d'un monocristal de grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) dopé au méodyme, soit d'oxychlorure de phosphore (POCl3) dopé au néodyme. Lorsque ce milieu actif est un cristal de YAG il peut avoir la forme d'un barreau cylindrique ; lorsque il est constitué par de l'oxychlorure de phosphore liquide il peut être disposé dans un récipient cylindrique de forme analogue. Le milieu actif 19 peut entre excité par exemple a l'aide d'un tube a décharge 20 hélicoïdal entourant la surface latérale de ce milieu actif, le tube 20 étant alimenté grâce à un générateur de courant électrique 21. La cellule d'absorption saturable 3 disposée a la sortie de l'amplificateur 2 peut comprendre Essentiellement un liquide commercialisé par la Société KODAK et portant la référence 97-40, ce liquide étant disposé dans un récipient comportant daeux fenêtres transparentes au rayonnement laser émis par la source 4. Le dispositif représenté sur la figure 1, fonctionne de la manière suivante La forme de l'impulsion 5 émise par la source 4 est illustrée par la figure 3a qui est un graphique représentatif de la variation de l'intensité I du rayonnement laser en fonction du temps t. Comme il est visible sur cette figure, la durée de l'impulsion, prise a la moitié de l'intensité maximale, est de 30 nano-secondes. Lorsque cette impulsion arrive sur la lame 12 (figure 1), une partie de son énergie est renvoyée vers l'éclateur 13 (figure 1) chargé au potentiel V. L'éclateurs'amorce et une impulsion électrique se propage le long de la ligne 14 vers l'obturateur 6.L'énergie dé l'impulsion laser 5 ayant traverse la lame 12, polarisée parallèlement à OxI (figure 2 > grâce au polariseur 17, traverse l'obturateur 6 mais est arrêtée par le polariseur 18 croisé par rapport au polariseur 17. Par contre, brsque l'impulsion électrique arrive sur les électrodes de l'obturateur 6, le champ électrique appliqué sur les monocristaux 7 et 8 induit par effet Pockels une biréfringence se traduisant par l'apparition de deux axes Ox1' et Oy'1 dans le cristal 7, et de deux axes 0x'2 et Oy2' dans le cristal 8, ces axes étant disposés comme indiqué sur la figure 2. Il en résulte une rotation de 90 degrés du plan de polarisation de l'impulsion laser qui se trouve polarisée suivant Oy1 et peut être transmise par le polariseur 18. L'impulsion électrique se propageant le long de la ligne 14 est renvoyée avec changément de signe lorqu'elle arrive à l'extrémité 16 de cette ligne et annule la tension de pdarisation de l'obturateur 6. La durée d'ouverture de l'obturateur est déterminée par la logueur de la ligne 11 entre l'extrémité 16 et l'obturateur, cette ligueur pouvant être choisie très courte. La longueur de la ligne 14 entre l'éclateur 13 et l'obturateur 6 est telle que l'obturateur s'ouvre au moment où l'impulsion laser arrive presque à son intensité maximale. L'impulsion laser se trouve donc "découpée" comme représente sur la figure 3b qui représente la forme de l'impulsion laser à la sortie du générateur 1.La durée à mi-intensité de cette impulsion laser dépend principalement de son front de montée et d; descente, c'est-à-dire de la durée d'amorçage de l'éclateur et du temps de transmission de l'impulsion électrique d'un bout à l'autre de l'obturateur 6, La valeur minimale de cette durée à mi-intensité est, en pratique, de l'ordre de 2 nano-secondes, L'impulsion laser traverse ensuite l'amplificateur 2 ce qui entraine une modification de sa forme comme indiqué sur la figure 3c ; le front de montée est devenu beaucoup plus raide, la durée à mi intensité a diminué et le pied de l'impulsion laser, 'est-à-dire la partie qui précède le front de montée, a été amplifié coemie indiqué en AB sur la figure 3c. La déformation de l'impulsion laser dont on peut se rendre compte en comparant les figures 3b et 3c, peut être expliquée par les considérations suivantes Compte tenu de ltenergie stockée dans la matériau actif 19 par suite de sai excitation par la décharge du tube 20, l'impulsion laser qui traverse l'amplificateur est d'abord fortement amplifiée, tout au moins à son début, ce qui entraine un raidissement de son front de montée. Mais cette énergie stockée s'épuise au cours du passage de l'impulsion laser dans l'amplificateur et il en résulte un effondrement rapide du front de descente de cette impulsion, ce qui provoque une diminution de sa durée à mi-intensité. La forte awlification du début de l'impulsion ne peut se produire que si le milieu actif possède un section efficace d'amplification ( #a) très élevée, ce qui est le cas pour le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme et pour l'oxychlorure de phosphore dopé au néodyme. En effet, pour le YAG, #a = 30 10-20-20 cm22 pour POCl3, a = 8 10 cm alors que pour le verre dopé au néodyme #a = 2 10-20 cm2. - De phs, la diminution de la durée de l'Impulsion laser est d'autant plus importante que l'énergie d'excitation fournie au matériau actif est forte. La puissance maximale de l'impulsion laser sortant de l'amplificateur augmente avec la longueur de matériau actif traversée. Cette longueur doit donc être inférieure à une valeur limite au dessus de laquelle la puissance de l'impulsion provoque le claquage du matériau actif. Les deux exemples donnés ci-dessous permettent de se rendre compte de la réduction de la durée d'une impulsion laser, qui peut être obtenue avec rgspecti- vement un amplificateur à YAG et Exemple 1 a) Matériau actif:YAG dopé au néodyme taux de dopage : 1,5 % barreau cylindrique diamètre : 5 mm longueur total; : 1D cm énergie stockée dans le matériau actif: 2 Joules b) Impulsion à l'entrée de l'amplificateur longueur d 'onde : 1,06 micron énergie : 3 milijoules forme : trapezoldalq temps de montée : 1 nano-seconde temps de descente : 1 nano-seeonde durée à mi-intensité : 2 nano-secondes c) Impulsion à la sortie de l'amplificateur durée à mi-intensité : 200 picosecondes. Exemple 2 a) Matériau actif : POCl3 dopé au néodyme taux de dopage : 2,5 % cuve cylindrique diamètre : 11 mm longueur : 40 cm énergie stockée dans le matériau actif : 38 Joules b) Impulsion à l'entrée de l'amplificateur longueur d'onde : 1,06 micron énergie : 1 millijoule forme : trapèzoïdale temps de montée 1 1 nano-seconde temps de descente : 1 nano-seconde durée à mrintensité : 2,2 nano-secondes. c) Impulsion à la sortie de l'amplificateur durée à mi-intensité : 1,2 nano-seconde. La cellule d'absorption saturable 3 qui peut entre placée à la sortie de l'amplificateur 2 absorbe l'énergie laser qu'elle reçoit tant qu'elle est inférieure à un seuil prédéterminé et laisse passer l'énergie laser au dessus de ce seuil. On conçoit donc qu'on peut choisir une cellule apte à absorber l'énergie correspondant au pied de l'impulsion AB (figure 3c) et à laisser passer l'énergie restante de cette impulsion. La figure 3d représente la forme de l'impulsion laser à la sortie d'une telle cellule. On voit que le pied de cette impulsion a été considérablement réduit. Pour donner un ordre de grandeur, l'intensité correspondant au point B peut être diminuée dans un rapport de 10, Cette cellule permet par conséquent d'augmenter la dynamique de l'impulsion laser obtenue à la sortie de l'amplificateur. il apparatt donc que le dispositif décrit ci-dessus et illustré par la figure 1, délivre des impulsions laser très brèves, de durée nettement inférieure à celles obtenues avec les dIspositifs connus. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux-modçs de; réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut sans sortir du cadre de l'invention, chahgez certaines dispositiions et remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour produire une très brève impulsion laser, dispositif comportant - un générateur d'une breve impulsion laser, - un amplificateur laser comprenant un milieu actif disposé sur le trajet de ladite impulsion laser et des moyens d'excitation de ce milieu actif, caractérisé par le fait que ledit milieu actif est choisi dans le groupe constitué par le grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme et par l'oxychlorure de phosphore dopé au néodyme, lesdits moyens d'excitation fournissant à ce milieu actif une énergie capable de provoquer l'amplification du début de ladite brève impulsion laser, la fin de cette brève impulsion laser n'étant pas sensiblement amplifiée. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractéflsé,par le fait qu'il comporte en outre une cellule d'absorption saturable disposée à la sortie dudit amplificateur cette cellule étant apte à absorber 1 'énergie laser qu'elle reçoit tant qu'elle est inferieure à un seuil prédéterminé et à laisser passer cette énergie au dessus de ce seuil. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit générateur d'une brève impulsion laser comporte : - un générateur d'une impulsion laser, - un obturateur électro-optique disposé sur le trajet de ladite impulsion laser, - et des moyens pour ouvrir ledit obturateur pendant une fraction du temps du passage de ladite impulsion laser.