Brevet FR2458923A1 — publié le 19810102

La présente invention se rapporte aux lasers et con- cerne plus particulièrement un laser comportant un disposi- tif de déclenchement acoustique-optique rapide. Un laser est un oscillateur qui fonctionne dans la ré- gion visible, ultraviolette ou infrarouge, du spectre des fréquences. Il consiste en un amplificateur utilisant le principe de "l'amplification de lumière par émission stimu- lée de rayonnement" et une boucle de réaction optique dans laquelle une partie de la sortie de l'amplificateur est ra- menée à son entrée pour être à nouveau amplifiée, faisant ainsi osciller l'ensemble. L'amplificateur est réalisé d'une matière à laser qui émet a la longueur d'onde voulue. Certaines de ces ma- tières couramment utilisées sont des gaz, des verres et des semi-conducteurs. Le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 896 397 dé- crit un laser à déclenchement acoustique-optique. Ce laser comporte une tige de laser pompée par une lampe éclair. La tige de laser se trouve entre deux miroirs. L'un'dtentre eux est appelé le miroir de tige et l'autre est appelé le miroir de dispositif de déclenchement. Le dispositif de dé- clenchement se trouve entre la tige de laser et le miroir du dispositif de déclenchement. Ce dispositif de déclenche- ment est appelé un dispositif de déclenchement lent car sa vitesse de déclenchement est supérieure au temps d'ac- cumulation de l'impulsion laser. La vitesse de déclenche- ment du dispositif (t f) est déterminée par la vitesse (v) du son dans la matière acoustique et l'ouverture (A) de la tige de laser. Par exemple: VQUARTZ = 5,96 x 106 mm/sec. et, pour une tige de laser de 5 mm, t =--A = 5 6 = 840 nanosecondes (ns) sQUARTZ 5,96 x 10 La vitesse de déclenchement peut être accrue jusqu'à environ 420 nanosecondes en optimisant la configuration optique du résonateur laser (prismes de Porro croisés). Néanmoins, c'est encore trop long comparé au temps d'accu- mulation de l'impulsion laser qui est de l'ordre de 200 nanosecondes. L'inconvénient de la longue durée de dé- clenchement est l'effet laser postérieur. A l'inst ant o l'impulsion principale est émise, la réaction ne couvre qu'une partie de l'ouverture de la tige de laseri ainsi, après l'impulsion principale, la réaction continue à s'étendre à d'autres parties de la tige o il existe en- core une forte inversion de population, et d'autres im- pulsions laser sont émises comme des parasites. Les ef- forts qui ont été faits pour résoudre le problème de l'ef- fet laser postérieur comprennent l'abaissement du niveau de dopage des tiges de laser, par exemple les tiges de Nd: YAG, le développement de nouvelles matières pour les tiges3des changements des longueurs des tiges, l'utilisa- tion de dispositifsd'allongement optique, des changements de la géométrie des résonat eurs, et la mise en forme de l'attaque en haute fréquence. Mais aucune de ces solutions n'a permis de réduire substantiellement l'effet laser pos- térieur. L'invention a pour objet de proposer un laser à dé- clenchement acoustique-optique rapide. Un autre objet de l'invention est de proposer un la- ser à déclenchement acoustique-optique rapide, facile et économique à fabriquer. Un autre objet de l'invention est d'éliminer prati- quement l'effet laser postérieur dans un laser à déclen- chement acoustique-optique. En résumé, le laser à déclenchement acoustique-opti- que rapide comporte un amplificateur et une boucle de réaction optique. Cette dernière comporte un dispositif de déclenchement rapide comprenant des premier et second transducteurs agencés de manière à produire des vecteurs de vitesse en opposition qui sont temporisés pour obtenir une réaction maximale sur l'impulsion principale. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description --qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs: La figure 1 est une vue de c8té d'un laser antérieur à déclenchement acoustique,-optique lent, dont la source de haute fréquence a été supprimée pour simplifier la fi- gure. Les figures 2a à 2d montrent la relation entre l'établissement de la réaction et la propagation d'ondes acoustiques-optiques dans le laser à déclenchement acous- tique-optique lent. La figure 3 est une vue de côté d'un laser à déclen- chement acoustique-optique rapide dont la source de haute fréquence a été enlevée pour simplifier, la figure 4 représente un mode de réalisation de dis- positif de déclenchement pour le laser à déclenchement acoustique-optique rapide, la figure 5 représente un second mode de réalisa- tion d'un dispositif de déclenchement pour le laser à dé- clenchement acoustique-optique rapide, et les figures 6a à 6d montrent la relation entre l'établissement de la réaction et la propagation d'onde acoustique-optique dans un laser à déclenchement acoustique- optique rapide. Une brève description d'un laser à déclenchement (Q-switch) acoustique-optique lent de type antérieur sera maintenant faiteen regard de la figure 1 qui en montre les éléments essentiels. Une tige 12 de matière à laser, par exemple Nd: YAG, est montée entre deux réflecteurs 14 et 16. Le réflecteur 14 est un prisme de porro dont le sommet 18 se trouve dans un plan perpendiculaire au plan du dessin. Le réflecteur 16 est également un prisme de Porro mais dont le sommet 20 se trouve dans le plan des dessins. Entre la tige de laser 12 et le réflecteur 16 se trouve un dispositif de déclenchement acoustique-optique 22, attaqué par un transducteur 24 qui lui applique de l'énergie acoustique. Une lampe éclair 26 fournit l'énergie de pompage optique à la tige de laser 12. La lampe éclair 26 et la tige 12 sont montées dans une paroi elliptique 28 ré- fléchissante intérieurement. Les prismes de Porro 14 et 16 et le dispositif de déclenchement 22 sont alignés axialement avec l'axe longitudinal de la tige de laser 12. Le dispositif de déclenchement 22 et le prisme de Porro 16 sont inclinés sous un angle prédéterminé (ôQd) par rapport à la verti- cale; Gd est l'angle de réflexion-du dispositif de dé- clenchement 22 et il est le même que l'angle de réfle- xion du prisme de Porro 16. Quand le dispositif de déclenchement 22 est au repos en raison du fait qu'il n'est pas excité par le transduc- teur 24, le rayonnement provenant de la tige de laser 12 passe pratiquement en ligne droite à travers ce disposi- tif de déclenchement acoustique-optique 22 et il est ré- fléchi hors de la boucle de réaction par le réflecteur incliné 16. L'inclinaison du dispositif de déclenchement 22 a pour but d'éviter un effet laser indésirable par une réflexion-directe dans la tige par la surface de ce dis- positif de déclenchement 22. L'angle d'inclinaison est l'angle de déflection du dispositif de déclenchement 22 qui peut 4tre une cellule de Bragg. Quand le transduc- teur 24 est excité, une onde acoustique se propage de la manière qui sera expliquéeen détail par la suite, le long du dispositif de déclenchement 22 et des trajets de rayonnement peuvent être tracés comme le montre la figure 1. Parmi les figures 2a à 2d, la figure 2a montre l'ouverture de la tige de laser 12, le dispositif de dé- clenchement 22 et le transducteur 24. Le circuit d'atta- que à haute fréquence non représenté, est connecté au transducteur 24 par le conducteur 30. L"ouverture 12 de la tige de laser et le dispositif de déclenchement 22 qui est une cellule de Bragg, sont centrés sur l'axe op- tique Y. Quand le transducteur 24 est excité parla source à haute fréquence, à une fréquence prédéterminée, une onde acoustique 32 (figure 2a) est produite dans la cel- lule 22. L'onde acoustique 32 se propage depuis le trans- ducteur, dans la cellule de Bragg, à la vitesse du son du milieu qui constitue cette cellule, jusqu'à atteindre l'axe optique Y. Aucune réaction n'a lieu tant que lbnde acoustique n'a pas traversé le sommet 18 du prisme de Porro. Quand l'onde acoustique 32 atteint l'axe optique, la réaction d'énergie lumineuse commence; l'instant o cela se produit est désigné par t = 0. A l'instant t = 100 nano3econdes, la surface de réaction 33 s'écarte de l'axe optique, comme le montre la figure 2b. L'effet laser se produit à l'instant t,200 mnosecondes. Mais la sur- face de -réaction 33 (figure 2c) ne couvre pas complète- ment l'ouverture de la tige de laser 12 et une forte in- version résiduelle subsiste au bord extérieur de la tige de laser. Ainsi, à l'instant t = 200+ nanosecondes, la surface de réaction 33 s'étale comme le montre la figure 2d jusqu'à des surfaces d'ouverture de la tige de forte inversion résiduelle et un effet laser postérieur peut se produire. Le laser à déclenchement acoustique-optique rapide représenté sur la figure 3, est assez similaire à celui de la figure 1, et les mêmes références sont uti- lisées pour désigner des éléments identiques. La matière à effet laser peut être un gaz ou un solide, en fonction de la longueur d'onde souhaitée. Pour une longueur d'onde d'un micron, la tige 12 peut être par exemple une tige de Nd:YAG. La tige est positionnée avec une lampe éclair 26 dans une cavité réfléchissante 28. La lampe éclair 26 estla source d'énergie de pompage optique de la tige de laser 12. Cette dernière est disposée dans la direction longitudinale entre deux réflecteurs 14 et 16, l'axe for- mant le trajet X de l'onde en résonance dans le laser 1o Les réflecteurs 14 et 16 peuvent être des rétro-réflecteurs par exemple des prismes de Porro croisés. Si le réflecteur 14 est un prisme de Porro, il est avantageux de le monter avec son sommet 18 perpendiculaire à la direction de pro- pagation acoustique. Cela permet un effet de repli qui divise par deux le temps effectif de transit du front d'onde acoustique. Le réflecteur 16 est monté avec son sommet 20 parallèle à la direction de propagation acoustique, pour former le prisme de Porro croisé. Un dispositif de déclenchement rapide 34 est monté entre le prisme de Porro 16 et l'extrémité de la tige de laser 12 opposée à celle tournée vers le prisme de Porro 14. Le dispositif de déclenchement rapide 34 est essentiel- lement une cellule de Bragg avec des transducteurs en opposition 28 et 36 sur ses extrémités opposées. La cel- lule de Bragg peut etre par exemple un bloc de Quartz 38, ou un bloc d'un verre approprié tel que le verre 1173 diffusé par Texas Instruments Corp.; les transducteurs 28 et 36 peuvent être par exemple des batonnets de niobate de lithium (LiNbo) fixés sur des extrémités opposées du bloc de quartz 38, qui sont perpendiculaires à l'axe X du trajet de l'onde de résonance du laser. Dans un mode de réalisation, représenté sur la figure.4, une source 40 de haute fréquence, par exemple d'environ 100 MHz, est connectée à chacun des transduc- teurs 28 et 36 fixé sur la cellulede Bragg 34. Cette der- nière est positionnée avec son axe X décalé par rapport à l'axe optique Y d'une distance d. Dans un second mode de réalisation représenté sur la figure 5, l'axe X de la cellule de Bragg 34 coincide avec l'axe optique Y et deux sources d'énergie 42 et 44 à haute fréquence, par exemple de l'ordre de 100 MHz, sont connectéesà un dispositif à retard 46 et aux transducteurs 28 et 36 fixés sur la cellule de Bragg 34. Le dispositif de retard peut être par exemple un double circuit multi- vibrateur monostable SN 54 221 diffusé par Texas Instru- ments Incorporated. Un signal pulsé, provenant d'une source non représentée, autorise la source 44 à fonc- tionner. Ce même signal retardé par le dispositif à re- tard autorise le fonctionnement de la source à haute fréquence 42. Dans les deux modes de réalisation des figures 4 et 5, le second transducteur 36 est utilisé pour produire une onde acoustique avec un vecteur de vitesse opposé à celui du premier transducteur 28, et temporisé de manière à obtenir une réaction maximale quand l'effet laser se déclenche. Dans le premier mode de réalisation de la figure 4, la temporisation mentionnée ci-dessus est obtenue en positionnant l'axe X de la cellule de Bragg 34, décalé par rapport à l'axe optique Y d'une distance prédéterminée d, afin que le trajet de propaga- tion de l'onde acoustique du second transducteur 36 soit plus long que celui dupremier transducteur 28 et que sur ce trajet, il faut plus de temps pour atteindre l'axe optique Y. Pour une matière à effet laser avec une ouver- ture de 5 mm et une cellule de Bragg en Quartz, la dis- tance d est 1,25 mm. Dans le second mode de réalisation de la figure 5, l'axe X1 de la cellule de Bragg 34 coin- cide avec l'axe optique Y et le temporisateur retarde l'excitation du second transducteur 36 d'une durée pré- déterminée après l'excitation du premier traisducteur. Dans le cas de la cellule de Bragg 34 décrite ci-dessus, le retard est 420 nanosecondes. Dans les deux modes de réalisation,l'onde acousti- que du premier transducteur 28, comme le montre la figure 6a, atteint après l'excitation l'axe optique Y à l'in- stant to et en même temps, l'onde acoustique du transduc- teur 36 atteint le bord de l'ouverture laser. Une réac- tion n'a lieu que lorsque les ondes acoustiques sont pré- sentes symétriquement de chaque c8té de l'axe optique. A l'instant t = 100 nanosecondes (figure 6b), la surface de réaction 33 résultant de la première onde acoustique s'étale vers l'extérieur, symétriquement par rapport à l'axe optique, et la surface de réaction 48 résultant de la combinaison des deux ondes acoustiques s'étale vers l'axe optique à partir des bords de l'ouverture laser. A l'instant t Z 200 nanosecondes, quand l'effet- laser se produit, les ondes acoustiques se rejoignent et les surfaces de réaction 33 et 48 remplissent pratiquement toutelouverture, de sorte quel'effet laser a lieu sur l'ouverture entière. Enfin, à l'instant t = 200+O nanosecondes (figure 6d) des surfaces d'interférence acoustique se développent et une légère inversion résiduelle subsiste dans la tige 12. Aucun effet laser post érieur n'a donc lieu. Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits et illus- trés à titre d'exemples nullement limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Laser à déclenchement acoustique-optique, carac- térisé en ce qu'il comporte une matière à effet laser 412), un réflecteur(14) monté perpendiculairement à l'axe lon- gitudinal de la matière à effet laser, et espacé de sa première extrémité, un réflecteur de réaction (16) espacé de la seconde extrémité de la matière à effet laser, un dispositif (26) de pompage de la matière à effet laser, et un dispositif de déclenchement (34) acoustique-optique monté sur l'axe longitudinal de la matière à effet laser (12) et incliné d'un angle prédéterminé par rapport à cet axe, entre la seconde extrémité de la matière à effet laser et le réflecteur de réaction (16), de manière à éli- miner pratiquement l'effet laser postérieur de la matière à effet laser. 2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de déclenchement (34) acoustique- optique comporte un corps (38) de matière qui transmet les ondes acoustiques et despremier et second générateurs (28, 36) d'ondes acoustiques accouplés avec le corps de matière transmettant les ondes acoustiques, de manière à produire des ondes acoustiques dans ce corps et développer - ainsi une surface de réaction totale dans la matière à effet laser, pour son impulsion principale. 3 - Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second générateurs (28, 36) d'ondes acoustiques sont des transducteurs qui convertissent des signaux électriques en ondes acoustiques dans le corps de matière transmettant les ondes acoustiques, une source 42 de courant à haute fréquence étant connectée à ces transducteurs. 4 - Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second transducteurs (28, 36) sont accouplés avec les côtés opposés du corps (38) de matière transmettant les ondes acoustiques. 5 - Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps (38) de matière transmettant les ondes acocetiqixes est un bloc, les transducteurs (28, 36) étant montés sur des faces opposées de ce bloc. 6 - Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bloc (38) de matière transmettant les ondes acoustiques est positionné avec son axe décalé d'une dis- tance prédéterminée de l'axe longitudinal de la matière à effet laser (12) de manière que lorsque les transduc- teurs sont excités simultanément par la source (42) de courant à haute fréquence, des ondes acoustiques avec des vecteurs de vitesse opposés soient produites et tem- porisées l'une par rapport à l'autre pour obtenir une surface totale de réaction dans la matière à effet laser pour l'impulsion principale. 7 - Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bloc (38) de matière transmettant les ondes acoustiques est positionné avec son axe coincidant avec l'axe longitudinal de la matière à effet laser (12), la source de courant à haute -Fréquence comprenant des première et seconde sources (42, 44) et un dispositif à retard (46), lesdites première et seconde sources de courant à haute fréquence étant connectées aux premier et second transduc- teurs (28, 36) et au dispositif à retard (46) de manière que les transducteurs produisant des ondes acoustiques en opposition dont les vecteurs de vitesse sont tempori- sés de manière à obtenir une surface de réaction totale dans la matière à effet laser (12) pour l'impulsion prin- cipale. 8 - Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps (38) de matière transmettant les ondes acoustiques est choisi dans le groupe comprenant le quartz et le verre. 9 - Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que lespremier et second transducteurs (28, 36) produisant des ondes acoustiques sont en niobate de li- thium.