Brevet FR2473800A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne un procédé de production d'une impulsion de laser, dans un oscillateur laser qui comporte une matière à effet laser, par exemple sous forme d'un batonnet, un reflecteur réfléchissant à environ 100b, disposé à une extrémité d'un résonateur laser, un réflecteur à transmission partielle disposé à l'autre extrémité de ce résonateur laser et un dispositif de pompage destiné à pomper de l'énergie lumineuse dans la matière à effet laser. Selon ce procédé, de l'énergie lumineuse est pompée par le dispositif de pompage dans la matière à effet laser pour produire un rayonnement stimulé qui tend à augmenter dans la direction du réflecteur de manière que lorsque la quantité d'énergie accumulée dans la matière à effet laser est devenue suffisante, une partie de cette énergie est déchargée par le réflecteur à transmission partielle sous forme d'une impulsion de laser d'une durée nettement plus courte que celle de l'impulsion de pompage. Dans une matière à effet laser, par exemple sous forme dlun batonnet dont une extrémité porte un miroir entièrement réfléchissant et dont l'autre extrémité porte un miroir à transmission partielle, les oscillations de laser sont produites de la manière suivante. Au début, les atomes du batonnet sont à un niveau de base. Quand le batonnet reçoit une impulsion lumineuse, cette impulsion en excite les atomes depuis le niveau de base jusqu'à un niveau plus élevé. Un rayonnement spontané produit dans certains des atomes un rayonnement stimulé qui tend à augmenter dans la direction des miroirs, car le rxyonne- ment réfléchi ne disparait pas.Un flux de photons en avalanche est ainsi produit qui, en mdme temps, ramène des atomes au niveau de base, et une partie des photons est déchargée dans la direction du batonnet, par le miroir à transmission partielle. Lorsqu'un couplage Q est utilisé par exemple, un miroir ou un prisme tournant est utilisé comme réflecteur à 100% de manière qu'une impulsion de laser soit déchargée quand ce miroir ou ce prisme est orienté de manière à coincider avec la direction du miroir à transmission partielle. Mais un inconvénient de ce type de couplage est le prix élevé du commutateur qui augmente considérablement le prix de l'appareil laser. L'invention a donc pour objet d'éliminer cet inconvénient et de proposer un procédé de production dtune impulsion de laser sans imposer de commutateurs de facteur Q. I1 est apparu qu'en choisissant de façon appropriée les dimensions de la matière à effet laser et du résonateur, les propriétés du miroir ainsi que la durée et la puissance de l'impulsion lumineuse, une oscillation de relaxation généralement considérées comme une perturbation dans cette technique peut entre utilisée de manière que la première impulsion de relaxation décharge la majeure partie de l'énergie accumulée dans la matière à effet laser, sous forme d'une courte impulsion de laser. Plus particulièrement, dans le procédé selon l'inven- tion, les valeurs suivantes des paramètres sont choisies pour l'oscillateur. où t = durée de vie moyenne d'un photon dans espace entre les deux miroirs, #sp = durée dtémission spontanée, a = 2 x 1/4 stimulée a lieu, P. = accumulation d'énergie utile dans la matière à effet laser par unité de temps (puissance de pompage), WT = energie accumulée dans la matière à effet laser sur le niveau seuil. L'invention apporte des avantages substantiels sur la technique antérieure. Ainsi, les oscillateurs laser auxquels s'applique le procédé selon l'invention sont simples et ne comportent que peu de composants. Pour cette raison, ils sont peu oóûteux et leur fonctionnement est sflr. De plus,xls n!imposent aucune formation spéciale pour leur fabrication, leur contrôle et leur entretien et aucun circuit auxiliaire n'est nécessaire. De plus, un pompage lumineux coaxial peut leur titre appliqué. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparailtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple nullement limitatif La figure 1 représente schématiquement un oscillateur laser de type connu. la figure 2 représente schématiquement un oscillateur laser utilisé selon le procédé de l'invention, la figure 3 est une courbe montrant l'accumulation d'énergie utile dans la matière à effet laser par unité de temps, en fonction du temps (égal puissance de pompage), la figure 4 est une courbe montrant l'énergie accumulée dans la matière à effet laser en fonction du temps, la figure 5 est une courbe de la puissance de sortie de l'impulsion de laser en fonction du temps. Selon un principe de structure bien connu et illus tré par la figure 1, la matière à effet laser 1 est positionnée entre deux miroirs parallèles 2 et 3. Les miroirs 2 et 3 et l'espace entre eux forment un résonateur. En général, l'un des miroirs 2 réfléchit à près de 100/do à la longueur d'onde considérée tandis que l'autre miroir 3 est à transmission partielle de manière qu'une partie du rayonnement puisse titre prélevée au résonateur. La matière à effet laser 1 est excitée par pompage dséner- gie au moyen d'un dispositif de pompage 4. Cela peut se faire par exemple en irradiant optiquement la matière à effet laser avec une lampe ou avec un autre laser. Lséner- gie excitée dans la matière à effet laser se décharge d'abord sous forme dune émission spontanée. Une partie de l'émission spontanée est déchargée dans la direction du résonateur de manière que le miroir 2 ou 3 la réfléchisse dans la matière 1.Cela produit dans la matière à effet laser 1 une émission stimulée, de sorte qu'une amplification est produite. La quantité d'énergie accumulée dans la matière à effet laser est d'autant plus grande que cette amplification est importante. Si l'amplification dans le résonateur dépasse les pertes danses miroirs et dans la matière à effet laser, le signal est amplifié dans le résonateur. Si le signal correspond aux pertes, il réste constant. Si au contraire les pertes dépassent l'amplification, le signal est atténue. Les paramètres de base de la matière à effet laser sont les suivants. # = longueur d'onde à laquelle l'émission a lieu. #sp = durée de l'émission spontanée Ai = surface d'action d'un atome chargé lorsqu'une émission stimulée a lieu (unë émission stimulée a lieu quand un photon atteint la surface d'ac tion) &alpha; = facteur de perte dans la matière à effet laser n = indice de réfraction de la matière à effet laser V = volume de la matière à effet laser et 1 = longueur de la matière à effet laser De plus, les paran.ètres suivants sont définis: lr = longueur optique du résonateur (n1 + distance libre entre les miroirs 2 et 3 et la matière à effet laser 1). R = coefficient de réflexion du miroir frontal 3 tc = 2lr/c(2&alpha;1 - 1nR) = durée de vie moyenne d'un photon dans le résonateur (c'est-à-dire dans l'espace entre les miroirs 2 et 3) où c = vitesee de la lumière = 2,998 x 108 m/s WT = hc V 1nR # .Ai . (&alpha; - 21) = énergie accumulée dans la matière à'effet laser sur le niveau seuil de manière que l'amplification dans le résonateur multipliée par atténuation = 1, où h = constante de Planck = 6,626 x 10 34Js a = 2 x 1/4x (angle solide dans lequel l'émission stimulée a lieu) Pi = accumulation d'énergie utile dans la matière à effet laser par unité de temps (= puissance de pompage) p = puissance de sortie de impulsion de laser o Dans l'oscillateur laser, une impulsion d'une durée nettement inférieure à celle de l'impulsion de pompage peut entre produite en choisissant des paramètres appropriés de l'oscillateur. Le résultat peut être considéré comme valable lorsque les conditions suivantes sont remplies simultanément. tc > 0,1 #sp afin que les pertes produites par une émission spontanée ne soient pas domi nantes. #sp/(tca) > 104 afin que l'impulsion de laser soit plus courte que 30% de l'impulsion de pom page) (pour que l'énergie de l'impulsion de laser soit supérieure à 20% de léner- gie accumulée dans la matière à effet laser) Exemple -La longueur 1 dlun batonnet de laser au néodyme, d'après la figure 1, est 125 mm et son diamètre 4 mm. Une extrémité du batonnet porte un réflecteur 2 évaporé à 99,6% et l'autre extrémité porte un réflecteur 3 à 90%.Les valeurs de base de cet oscillateur laser sont = = 1,054 m #sp = 325 m A. = 4,2 x 10-20 cm &alpha; = 0,001 cm-1 n = 1,55 v = 1,57 cm3 1 = 12,5 cm d = 4 mm R = 0,9 Sur la base de ces valeurs, les calculs suivants peuvent être faits: tc = 10-8 WT = 37 mJ a w) 2 x La figure 3 montre la forme d' une impulsion lumineuse émise par une lampe éclair coaxiale (tube éclair) qui pompe le batonnet de laser. La figure 4 montre l'énergie emmagasinée dans le batonnet en fonction du temps et la figure 5 montre la forme de l'impulsion de sortie du laser. Comme cela apparait sur les figures 4 et 5, la puissance de sortie du laser commence à augmenter fortement quand l'énergie dans le batonnet dépasse la valeur seuil WT = 40 mJ. Etant donné que le signal défini par une émission spontanée dans la direction du résonateur est très petit comparativement à la puissance de pompage, il doit être amplifié plusieurs dizaines de fois. Cette amplification prend du temps. Pendant ce temps, de l'énergie supplémentaire est pompée dans le batonnet de laser. L'impulsion de sortie contient d'autant plus d'énergie et elle est d'autant plus courte que le niveau seuil est largement dépassé. Dans le présent mode de réalisation, la durée de l'impulsion de sortie est de l'ordre de 10 7 secondes. Sur la base d'expériences et de calculsil a été possible d'établir que plus p/ (t0a) est grand, plus le rendement est meilleur et plus l'impulsion laser est courte par rapport à impulsion de pompage. Par exemple, avec les valeurs #sp/(tca)#109 et une impulsion de laser est obtenue dont la durée est inférieure à 10 de la durée de l'impulsion de pompage et l'énergie de cette impulsion dépasse 40% de l'énergie accu mulée dans la matière à effet laser. I1 faut également noter que, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les miroirs peuvent titre espacés de la matière à effet laser, comme dans le cas de la figure 1. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'une impulsion de laser' dans un oscillateur laser, cet oscillateur comprenant une matière à effet laser, par exemple sous forme d'un batonnet, un réflecteur d'un pouvoir réfléchissant d'environ îo0% disposé à une extrémité dtun résonateur laser, un réflecteur à transmission partielle disposé à l'autre extrémité dudit résonateur laser, et un dispositif de pompage destiné à pomper de l'énergie lumineuse dans ladite matière à effet laser, procédé selon lequel de l'énergie lumineuse est pompée dans la matière à effet laser au moyen dudit dispositif de pompage pour produire un rayonnement stimulé qui tend à augmenter vers la direction desdits réflecteurs de manière que lorsque la quantité dténergie accumulée dans la matière à effet laser est devenue suffisamment importante, une partie de cette énergie soit déchargée par ledit réflecteur à transmission partielle sous forme d'une impulsion de laser dune durée nettement inférieure à celle de l'impulsion de pompage, procédé caractérisé en ce que les valeurs de paramètres suivantes sont choisies pour 1' oscillateur lasers t = durée de vie moyenne drun photon dans l'espace c entre les deux réflecteurs Tsp = durée d'émission spontanée, a = 2 x 1/4 x angle solide dans lequel l'émission stimulée a lieu, Pi = énergie utile accumulée dans la matière à effet laser par unité de temps (puissance de pompage), WT = énergie accumulée dans-la matière à effet laser sur le niveau seuil. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que