Brevet FR2410383A1 — publié le 19790622

La présente invention concerne les lasers à colorant et se rapporte plus particulièrement au pompage optique d'un laser de ce type par un autre laser. On sait que certains colorants organiques présentent la particularité d'être de bons matériaux pour obtenir un effet laser, quand, placés dans une cavité résonnante, ils sont excités optiquement. Cette excitation optique peut être assurée à l'aide de lampes à éclairs ou à l'aide du rayonnement émis par un autre laser. On connait différents modes d'excitation d'un laser à colorant par un autre laser. Le rayonnement laser d'excitation peut être envoyé dans la cuve remplie de colorant d'un laser à colorant à exciter, perpendiculairement à l'axe de la cavité du laser à colorant. Dans le cas d'un pompage de ce type appelé pompage transverse, l'inversion de population dans le colorant n'est pas uniforme suivant l'axe du rayonnement d'excitation puisque ce rayonnement est atténué à mesure qu'il progresse dans la solution de colorant. En conséquence, la zone de gain maximal dans la cuve est constituée par une bande mince qui se trouve tout contre la face d'entrée du faisceau d'excitation. Les pertes par diffraction dans un tel montage sont importantes et le rayonnement du laser à colorant obtenu présente une forte divergence. Une meilleure configuration de pompage est obtenue en superposant le rayonnement d'excitation à l'axe de la cavité du laser à colorant. Un tel agencement peut être obtenu en utilisant un miroir dichroïque qui, par exemple, réfléchit totalement le rayonnement d'excitation et transmet le rayonnement du laser à colorant. Dans ce cas l'excitation du colorant est toujours plus importante du côté oh le faisceau d'excitation pénètre dans la cuve. Pour un faisceau a d'excitation de puissance donnée, on peut atté- nuer cet effet en choisissant une longueur de cuve et une concentration de colorant qui permettent d'obtenir du laser un rendement optimal. La divergence du faisceau laser mis par le laser à colorant est dans ce cas beaucoup plus faible que dans le cas d'un laser à pompage transverse. Si l'on cherche à accorder en fréquence le rayonnement émis par un laser à colorant, on constate que pour un colorant donné, la plage d'accord est décalée dans le cas d'un pompage longitudinal que dans celui d'un pompage transversal. Ceci est dû au fait que l'amplification des rayonnements émis sur les ailes de la bande de fluorescence du colorant n'est importante que du côté de la cuve où le rayonnement pénètre dans le colorant. Du côté opposé à cette zone, r 11 amplification se fait mal en raison de l'absorption du rayonnement excitateur. Pour une puissance d'excitation et une longueur de cuve données, il faut donc, dans le cas d'un pompage longitudinal ajuster la concentration du colorant pour que le rayonnement excitateur traverse toute la cuve. Un tel résultat ne peut être obtenu qu'avec des concentrations faibles, mais pour que le gain du milieu amplificateur soit important, la concentration ne doit pas être trop faible. Le gain est en effet proportionnel au nombre de molécules de colorant excité. On se trouve donc devant la nécessité d'adopter une solution de compromis qui n'est satisfaisante ni pour le rayonnement obtenu à la sortie de la cuve, ni pour le gain. Par ailleurs, dans le cas d'un système comprenant un laser à colorant suivi d'un amplificateur de la lumière émise par le laser, il est nécessaire d'ajuster les concentrations et les longueurs de cuve du laser et de l'amplificateur séparément puisque l'on est amené, pour obtenir de bons rendements, à exciter ces deux sous-ensembles avec des puissances différentes. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités en créant un laser à colorant qui soit capable d'émettre un rayonnement d'intensité suffisante sans nécessiter un ajustement particulier de la concentration du colorant. Elle a dnc pour objet nn laser à colorant comportant une cavité résonnante, une cuve contenant une solution d'un colorant de concentration donnée disposée dans ladite cavité et des moyens d'excitation du milieu colorant suivant l'axe de la cavité, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation comportent des moyens pour faire pénétrer le rayonnement excitateur par des côtés opposés de la cuve. 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.l est une vue schématique d'un laser à colorant perfectionné suivant l'invention, la Fig.2 est une vue schématique en perspective d'un laser suivant l'invention dont la cuve est également utilisée comme milieu amplificateur. Le montage représenté à la Fig.l comprend une cavité Laser 1 formée d'un miroir 2 à réflexion totale et d'un miroir 3 semiréfléchissant ou miroir de sortie. Dans la cavité 1 ainsi constituée est disposée une cuve 4 en matériau transparent approprié contenant une solution de colorant 5. Le rayonnement d'excitation du laser est fourni par un autre laser 6 tel qu'un laser à émission continue (laser à argon) ou un lasser à impulsions (laser à rubis, laser à azote, etc). Selon l'invention, sur le trajet du faisceau 3 e émis par le laser d'excitation 6 est placé un élément séparateur 7 tel qu'un miroir semi-transparent destiné à séparer le faisceau A e en deux faisceaux perpendiculaires Ael et 8 e2. Sur le trajet du faisceau 3 el parallèle à l'axe de la ca- vité I sont successivement placés deux miroirs 8 et 9 destinés à amener le faisceau 3 el dans l'axe de la cavité 1. Dans le mode de réalisation représenté à la Fig.l, le miroir 8 est un miroir à réflexion totale incliné à 450 sur le trajet incident du faisceau 3 el tandis que le miroir 9 est un miroir dichroïque placé sur l'axe de la cavité 1 du laser entre le miroir de sortie 3 et la cuve 4 et incliné à 450 sur le trajet du faisceau réfléchi par le miroir 8. Sur le trajet du faisceau A e2 perpendiculaire à l'axe de la cavité 1 est disposé un autre miroir dichroique, placé sur l'axe de la cavité 1 entre le miroir 2 à réflexion totale et la cuve 4. Grâce à l'agencement qui vient d'etre décrit le rayonnement d'excitation provenant du laser 6 est amené suivant l'axe de la cavité 1, sur les deux faces opposées de la cuve 4. I1 en résulte un pompage du colorant suivant l'axe de la cavité beaucoup plus homogène que dans le cas de l'excitation longitudinale classique puisqu'il est assuré par les deux côtés de la cuve simultanément. Une telle amélioration du pompage permet une plus grande souplesse en ce qui concerne le choix de la concentration de colorant. En effet, puisque l'invention a pour résultat de permettre d'accroitre la concentration du colorant, il en résulte un gain du laser plus important. Par ailleurs, le fait d'améliorer le pompage permet d'associer à un laser à colorant un amplificateur de lumière sans se heurter à des problèmes difficiles d'ajustement des concentrations. I1 suffit en effet d'utiliser dans l'oscillateur et l'amplificateur des concentrations et des longueurs de cuve identiques. Un exemple d'un amplificateur de lumière associé à un laser à colorant est représenté à la Fig.2. Le montage de la Fig.2 comporte une cavité laser Il formée d'un miroir 12 à réflexion totale et d'un miroir 13 semi-réfléchissant entre lesquels est disposée mufle cuve 14 contenant un colorant 15. Le montage comporte en outre un laser d'excitation 16 et, disposé sur le trajet de son faisceau de sortie, un miroir séparateur 17 de ce faisceau en deux faisceaux 3L el et A e2 qui sont respectivement dirigés par des miroirs 18,19 et 20 vers les deux faces de la cuve 14; La partie du montage de la Fig.2 qui vient d'être décrite est-analogue au montage de la Fig.1 et forme donc un oscillateur laser perfectionné suivant-l'invention. Cependant le montage de la Fig.2 se distingue de celui de la Fig.l en ce que le colorant 15 de la cuve 14 est en outre utilisé comme amplificateur du faisceau de lumière jL,c omis par l'oscillateur. A cet effet, à la sortie de la cavité 11 est disposé un prisme 21 destiné transformer le faisceau i émis par l'oscil- lateur en un faisceau cl parallèle,réfléchi,dirigé vers la cuve suivant un axe y-y parallèle à l'axe x-x de la cavité. Le colorant de la cuve situé le long de l'axe y-y est excité par une partie de la lumière d'excitation de la cavité:ll. Cette partie du rayonnement du laser 16 est d'abord prélevée par un dispositif de décalage formé d'un ensemble de miroirs 22 à 25 qui la transforme en un faisceau R ~ parallèle au fais- ceauite et décalé par rapport à celui-ci dans un plan horizontal. Ensuite les deux faisceaux# e et #'e suivent des trajets parallèles et subissent les mêmes réflexions de la part des miroirs 17 à 20 pour constituer des faisceaux d'excitation #e1, # e1 et #e2 , #' e2 appliqués suivant les axes x-x et y-y res- pectivement aux deux faces opposées de la cuve 14 et dans des sens opposés deux à deux. Le faisceau 2 cl réfléchi par le prisme 21 est donc amplifié au cours de son trajet suivant l'axe y-y dans le colorant 15 de la cuve 14 et émerge de cette cuve sous la forme d'un faisceau de sortie #c2. Dans le mode de réalisation décrit en référence à la Fig.2 l'amplificateur de lumière placé à la sortie de l'oscillateur laser utilise la même cuve et les mêmes moyens d'acheminement du rayonnement d'excitation vers les deux faces de celle-ci. On comprendra cependant que l'amplificateur de lumière peut comporter une cuve séparée de celle de 'l'oscillateur Dans un tel cas, les moyens pour diriger le rayonnement d'excitation vers les faces opposées des deux cuves peuvent être également séparés. Bien que les modes de réalisation décrits utilisent le pompage longitudinal, l'invention s'applique également au pompage quasi-longitudinal et au pompage transverse. REVENDICATIONS 1 - Laser à colorant comportant une cavité résonnante, une cuve contenant une solution d'un colorant de concentration donnée disposée dans ladite cavité et des moyens d'excitation du milieu colorant suivant l'axe de la cavité, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation comportent des moyens (7,8,9,10;17,18,19, 20) pour faire pénétrer le rayonnement gel, e2) excitateur par des côtés opposés de la cuve (4,14). 2 - Laser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire pénétrer le rayonnement excitateur par lesdits côtés opposés de la cuve (4;14) comprennent un élément (7;17) de séparation du faisceau excitateur e) en un premier et un second faisceaux excitateurs a el,Ae2) et des premiers et se- conds moyens (8,9;18,19-10;20) pour diriger ledit premier et ledit second faisceaux excitateurs vers lesdites faces opposées de la cuve (4;14) suivant l'axe (x-x) de ladite cavité (1;11). 3 - Laser suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément séparateur (7;17) est constitué par un miroir semitransparent. 4 - Laser suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que lesdits premiers moyens pour diriger ledit premier faisceau lel) vers la cuve (4;14) comprennent un premier miroir (8;18) à réflexion totale placé sur le trajet dudit premier faisceau el) et un second miroir (9;19) dichroïque disposé sur l'axe (x-x) de la cavité (1;11) d'un côté de la cuve (4; 14) de la cavité, tandis que les seconds moyens pour diriger ledit second faisceau e2) vers la cuve (4;14) comprennent un miroir dichroïque (10;20) placé sur l'axe (x-x) de la cavité (l;11) de l'autre côté de la cuve. 5 - Laser suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' la sortie de la cavité (11) est disposé un amplificateur de lumière comportant une cuve qui contient le même colorant que celui dudit laser, et des moyens pour appliquer à deux faces opposées de la cuve de l'amplificateur des faisceaux excitateurs du colorant contenu dans ladite cuve de l'amplificateur. 6 - Laser suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la cuve de l'amplificateur de lumière est constituée par la cuve (14) dudit laser, l'axe (y-y) de propagation de la lumière à amplifier étant parallèle à l'axe (x-x) de la cavité et en ce qu'à la sortie dudit laser est disposé un élément (21) pour transformer le faisceau de sortie du laser en un faisceau 2 c1 réfléchi, dirigé suivant ledit axe (y-y) de propagation de la lumière à amplifier. 7 - Laser suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour appliquer les faisceaux excitateurs 'e2) aux faces opposées de ladite cuve (14) sont confondus avec lesdits premiers et seconds moyens (8,9;18,19-10;20) pour diriger lesdits premier et second faisceaux excitateurs sur lesdites faces opposées de ladite cuve (14) et en ce qu'il comporte en outre un dispositif (22 à 25) de décalage d'une partie 2'e) du faisceau excitateur we) en vue de faire parcourir à ladite partie 0'e) des trajets décalés par rapport aux trajets des faisceaux excitateurs du laser. 8 - Laser suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit élément pour transformer le faisceau(c) de sortie du laser en un faisceau réfléchi est constitué par un prisme. 9 - Laser à colorant comportant une cavité résonnante, une cuve contenant une solution d'un colorant de concentration donnée disposée dans ladite cavité et des moyens d'excitation du milieu colorant, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation comportent des moyens (7,8,9,10;17,18,19,20) pour faire pénétrer le rayonnement (3el,)e2) excitateur par des côtés opposés de la cuve (4,14).