Brevet FR2502856A1 — publié le 19821001

Procédé et dispositif pour produire des impulsions de rayonnement laser lisses, dépourvues de préimpulsions, de durée variable. La présente invention concerne un procédé de produc- tion d'impulsions de rayonnement laser dépourvues de pré- impulsions, lisses et ne présentant pas de structure secon- daire, fonction du temps, notable, dont la durée peut être réglée entre environ 400 picosecondes et 20 nanosecondes, au moyen d'un laser qui comprend un résonateur optique, un milieu laser stimulable qui y est disposé, avec un niveau supérieur et un niveau inférieur qui constituent une transi- tion laser, ainsi qu'un dispositif d'excitation pour occuper le niveau supérieur, et qui satisfasse aux conditions suivantes: a) la largeur à mi-hauteur (totale)A V de la transi- tion laser est réglée au moyen de la pression et/ou de la température de façon à satisfaire à la condition t 9 = c/2L, c étant la vitesse de la lumière et L la lon- gueur du résonateur optique; b) la duré de vie du niveau laser supérieur (durée d'extinction) est supérieure à la durée d'environ 30 cycles du rayonnement; c) la durée de vie du niveau supérieur par suite d'émis- sion spontanée est supérieure à 100 nanosecondes (correspon- dant à un coefficient d'Einstein inférieur à 107s51). En outre, l'invention concerne un laser à iode destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. Il faut, pour de nombreuses utilisations, des impul- sions laser lisses dépourvues de préimpulsions, sans struc- ture secondaire, dont la durée puisse être choisie librement dans une certaine gamme. Par exemple, il faut, comme impulsions d'entrée pour une chaîne d'amplification de laser à iode, une impulsion ( X = 1,31SFP) d'allure lisse et sans préimpulsion, la durée d'impulsion devant pouvoir être réglée en continu entre 0,4 ns et 20 ns, pour pouvoir faire, avec l'impulsion amplifiée par la chaîne d'amplification du laser à iode, des expériences devant aboutir à produire de l'énergie par fusion nucléaire. Une autre application de ces impulsions consiste en la mesure de temps de relaxation rapides dans des liquides ou bien la télémétrie. On peut couramment produire des impulsions d'une durée de l'ordre de la nanoseconde et moins par la techni- que du blocage de mode. Cependant, cette technique n'est pas valable pour des durées d'impulsion supérieures à environ 2 ns. On peut produire des impulsions de la gamme 1 - 20 ns par découpage dans une impulsion plus longue. On utilise en général pour cela des méthodes électro-optiques. Cependant, ce procédé est relativement coûteux et entratne en outre de faibles énergies d'impulsion et de mauvais rendements, car on n'utilise qu'une faible partie d'une impulsion plus longue. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé permettant de produire une impulsion de rayon- nement laser d'allure lisse, c'est-à-dire sans structure secondaire importante, fonction du temps, et sans préimpul- sions, sans utiliser d'éléments sélectifs vis-à-vis de la fréquence ni d'éléments électro-optiques actifs dans le résonateur optique du laser, la durée d'impulsion pouvant être modifiée en continu entre environ 0,4 et 20 ns. On atteint cet objectif par un procédé du type précité caractérisé, selon l'invention, en ce que la durée d'excitation est inférieure au temps de formation d'une impulsion de rayonnement laser émise avec stimulation par le milieu laser excité. Dans le cadre du procédé selon l'invention, la durée de l'impulsion est déterminée en premier lieu par la longueur du résonateur du laser. Dans une moindre mesure, on peut aussi agir sur la durée d'impulsion par modification du rapport de l'énergie d'excitation ("énergie de pompage") au seuil d'énergie du laser ("excitation dure ou mQlle"). Lorsqu'on choisit donc une durée d'excitation, c'est-à-dire la durée du rayonnement du pompage, inférieure au temps de formation de l'impulsion de rayonnement laser émise, qui est d'environ 30 à 40 cycles de résonateur, la durée de l'impulsion émise est donc déterminée essentiellement par la longueur du résonateur, elle est en particulier sensi- blement égale à trois à cinq fois la longueur du cycle du rayonnement dans le résonateur. Cela permet de faire varier la durée d'impulsion, selon la longueur du résonateur, entre environ 400 ps et 20 ns. Les conditions a) à c) imposées au laser sont remplies, par exemple, par un laser à iode dont le milieu renferme un iodure d'alcoyle par exemple CF3I, C2F5le i-C3F7I, n-C3F7I ou t-C4F9I.Comme source de rayonnement d'exci- tation, il convient d'utiliser en particulier un laser excimère, par exemple un laser au KrF ou un laser au XeCl, dont la durée de rayonnement est inférieure à 100 ns, ou encore un laser Nd-GLAS (Néodyme-verre) ou un laser Nd-YAG (Néodyme/Yttrium-Aluminium-Grenat) à durée de rayonnement corrélativement réduite. En plus de l'avantage essentiel de la facilité de variation de la durée d'impulsion, le procédé selon l'in- vention présente encore toute une série d'autres avantages - montée sans préimpulsion de l'impulsion laser jus- qu'au maximum; - le remplacement du gaz laser entre deux impulsions ("coups") n'est pas nécessaire i - une fréquence de répétition des impulsions (taux de répétition) élevée; - les composants d'isolation entre un oscillateur laser et une chaîne d'amplification laser pour éviter les oscil- lations parasites ne sont pas nécessaires dans la même mesure que dans un laser pompé par lampe à éclats. On va décrire dans la suite des exemples d'exécu- tion non limitatifs de l'invention en se référant au dessin annexé dont: La figure 1 représente un premier exemple d'exécu- tion de dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, qui fonctionne avec incidence transver- sale du rayonnement d'excitation; La figure la représente schématiquement un système de canalisations d'alimentation de gaz pour le dispositif de la figure 1 La figure 2 représente une partie d'un second dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé de l'invention, fonctionnant avec incidence longitudinale du rayonnement d'excitation; La figure 3 représente une variante du dispositif de la figure 2. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend une cuvette de laser LK qui est fermée à ses extrémités par des fenêtres de Brewster. La cuvette laser LK sert à recevoir un gaz de laser renfermant un composé iodé à par- tir duquel peuvent être produits des atomes d'iode excités par photodissociation, susceptibles d'une émission sti- mulée (émission laser). Le gaz laser se compose avantageu- sement essentiellement d'un iodure d'alcoyle perfluoré, par exemple CF3I, C2F5I, n-C3F71, i-C3F71 ou t-C4F91. La cuvette laser LK est placée dans un résonateur opti- que limité par deux miroirs Ml et M2, l'un des miroirs Ml, ayant le plus fort facteur de réflextion possible pour la longueur d'onde d'émission (1, 315 micron) du laser à iode et pouvant être un miroir concave, tandis que l'au- tre miroir M2 présente un certain facteur de transmission, de sorte que le rayonnement peut sortir du résonateur. La distance entre les miroirs Ml et M2 peut être réglée par un dispositif de réglage 10. La gamme de réglage est, contrairement aux dispositifs d'ajustement de miroirs usuels, relativement étendu, en général supérieure à 25 cm, elle peut aller jusqu'à environ 100 cm, et peut être réglée en particulier pour une variation de la longueur du résona- teur d'environ 4 cm à 100 cm, Le dispositif de réglage 10 représenté schématique- ment sur la figure 1 comprend une plaque de base 12 com- portant un écrou 14 dans laquelle un coulisseau 16 portant un miroir Ml est placé de façon à pouvoir se déplacer. Sur le coulisseau 16 est placée une broche micrométrique 18 sur laquelle est placé un écrou moleté 20 qui est fixé axialement entre deux colliers 22 placés sur la plaque de base 12. On déplace le miroir Ml en faisant tourner l'écrou moleté 20, Pour limiter l'émission laser au type de vibration transversale le plus bas (TEM00), on place dans le résona- teur un diaphragme P, de préférence avant le miroir Ml. La photodissociation du composé iodé dans la cuvette de laser LK est provoquée par un rayonnement optique d'une source de rayonnement d'excitation SQ. Une condition essentielle du procédé selon l'invention consiste en ce que l'excitation du laser, donc la photodissociation du composé iodé, ait lieu extrêmement vite. On peut y par- venir en utilisant comme source de rayonnement d'excita- tion SQ un laser à excimère par exemple un laser au KrF ou un laser au XeCl. La largeur à mi-hauteur (complète) A V du faisceau laser doit satisfaire au moins approximative- ment à la condition suivante LV = c/2 L, c étant la vitesse de la lumière et L la longueur du résonateur optique du laser. D'autres lasers appropriés sont les lasers Nd à verre des lasers Nd - YAG avec démultiplication de fréquence du rayonnement de sortie ainsi que les lasers N2 en combi- naison avec t-C4 FI comme milieu laser dans le laser pompé. Pratiquement, la largeur à mi-hauteur du faisceau laser doit être au plus de 10 GHz (ou, autrement dit, d'un tiers de nombre d'ondes au plus). On préfère des valeurs de 1 GHz (1/30 de nombre d'ondes). Le réglage de la largeur à mi-hauteur à la valeur exigée par ces conditions peut être effectué facilement par la pression du gaz laser. La température aussi a une certaine influence sur la largeur spectrale, Le réglage de la pression du gaz laser peut être effectué de façon connue, et, pour des raisons de simplification, on n'a représenté les dispositifs et connexions à la cuvette laser nécessaires pour cela que sur la figure la, et encore seulement schématiquement sur celle-ci; la cuvette laser LK comporte une canalisation d'entrée 30 et une canalisa- tion de sortie 32, La canalisation d'entrée 30 est reliée par une soupape 34 à un réservoir de stockage de gaz 36 pouvant être fermé par une soupape et à un manomètre 38, et par une autre soupape 40 à une conduite 42 à laquelle des flacons à gaz comprimé 44 destinés aux gaz nécessaires sont reliés chacun par un rhéomètre 46 et une soupape 48. La conduite 42 est en outre branchée par une soupape 50 à l'entrée d'une pompe à vide 52. La conduite de sortie 32 peut être reliée par une soupape à trois voies 54 à une sortie de gaz 56 ou à l'entrée de la pompe-52. Dans le dispositif de la figure 1, le rayonnement d'excitation (rayonnement de pompage) est émis par la sour- ce de rayonnement d'excitation SQ transversalement à l'axe optique du laser à iode respectif. Le rayonnement émis par la source de rayonnement d'excitation SQ est dans ce but focalisé par une lentille cylindrique ZL dans la cuvette laser LK. La géométrie transversale représentée sur la figure 1 se caractérise par une grande simplicité et est préférée, lors- qu'on envisage surtout une construction simple. Sur les figures 2 et 3, on a représenté des exemples de réalisa- tion de dispositifs destinés à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, dans lesquels le rayonnement d'excita- tion (rayonnement de pompage) est envoyé longitudinalement dans le résonateur laser. La source de rayonnement d'exci- tation n'est pas représentée, c'est dans ce cas aussi, de préférence, un laser à excimère, comme dans le dispositif de la figure 1. Les dispositions longitudinales des figures 2 et 3 ont toutes deux pour avantage que le volume excité peut être adapté au volume du type d'oscillation transversale le plus bas, la nécessité d'un diaphragme dans le résona- teur disparaissant. En outre, pour une longueur de cuvette supérieure à 10 cm, presque tout le rayonnement d'exci- tation est absorbé dans le milieu laser, ce qui produit une bonne utilisation du rayonnement d'excitation, Ces agencements, notamment ceux de la figure 3, sont donc préférés lorsqu'une forte utilisation du rayonnement d'excitation est particulièrement importante, Dans le dispositif de la figure 2, le rayonnement. d'excitation du laser à excimère est focalisé par une len- tille sphérique SL et transmis par une plaque de quartz non métallisée FI dans la cuvette LK du laser à iode, La plaque de quartz F1 joue en même temps le rôle de miroir terminal pour le résonateur optique du laser à iode. De l'autre côté, la cuvette comporte une fenêtre de Brewster F2. Le résonateur optique du laser à iode est limité par la plaque de quartz Fl et un miroir de découplage M2 dont on peut choisir librement le coefficient de transmission. La cuvette du laser à iode LK peut être conformée en guide de lumière pour garantir une répartition homogène du rayonnement d'excitation. Ce dispositif est également relati- vement simple, mais il a pour inconvénient que seule une fraction du rayonnement du laser à iode peut sortir sous forme de rayonnement utile. Dans le dispositif de la figure 3, le rayonnement d'excitation est focalisé par une lentille convergente SL et est alors réfléchi longitudinalement par une lame sépara- trice SP dans la cuvette laser LK. La lame séparatrice SP doit avoir un coefficient de réflexion aussi élevé que pos- sible pour le rayonnement d'excitation à un angle d'incidence de 450 pour obtenir le plus fort coefficient de transmis- sion possible de la lumière du laser à iode à 1,315 micron. On peut aussi utiliser une lame séparatrice comportant un trou d'environ 2 mm de diamètre, mais le coefficient de réflexion ne doit alors être élevé que pour le rayonnement d'excitation. Le résonateur du laser à iode est délimité par un miroir terminal concave Ml qui doit réfléchir le rayonnement laser aussi complètement que possible et un miroir de sortie M2 semi-transparent, Les lasers à iode, pompés par un laser à excimère décrits,présentent indépendamment de la direction d'inci- dence du rayonnement d'excitation toute une série d'avanta- ges essentiels par rapport aux lasers à iode courants pompés par lampe à éclats. 8- La durée d'impulsion peut être réglée à volonté par variation de la longueur du résonateur dans la gamme de 400 ps à 20 ns. Il faut alors, pour obtenir une impulsion sans struc- ture secondaire, adapter la pression régnant dans la cuvette Slaser à la longueur du résonateur, c'est-à-dire que, plus les impulsions à engendrer sont longues, plus la pression doit être basse pour limiter la largeur de bande de l'amplification et, par suite,la largeur de bande de l'impulsion à produire. La liaison entre la largeur de bande d'amplification et la pres- sion du laser à gaz est connue, dans son principe, par le bre- vet allemand n024 09 240. Selon un mode d'exécution préféré du présent procédé, on utilise un mélange gazeux de C3F7I non dilué comme gaz de laser et la pression est d'environ 4.104 Pascals pour une lon- gueur de résonateur de 2cm et diminue jusqu'à environ 3.10 Pa lorsque la longueur du résonateur augmente jusqu'à lm. Le gaz de laser peut renfermer un gaz de dilution comme l'argon en plus du composé iodé. L'intensité de l'impulsion augmente de façon monotone jusqu'au maximum d'impulsion et est dépourvue de maxima secondaires (préimpulsions) avant le maximum principal. Cela garantit une impulsion individuelle dépourvue de préimpul- sion de façon simple et sans éléments actifs ou passifs supplé- mentaires. Il n'y a pas lieu de changer le milieu laser (iodures) entre deux impulsions, du fait qu'en raison de la rapidité du temps de formation de l'impulsion jusqu'au démarrage de l'émis- sion laser, il ne se produit pas d'extinction de l'état excité en raison d'impuretés ou d'iode produit photolytiquement. Au bout d'un assez grand nombre d'impulsion, il faut, bien entendu, remplacer le milieu laser, du fait qu'il se con- somme en raison de processus irréversibles. Pour des taux de répétition élevés il est nécessaire d'avoir un système de renou- vellement du gaz, ou de recirculation avec un dispositif régéné- rateur de gaz comme décrit par exemple dans le brevet allemand 3525 34 322. La fréquence de répétition des impulsions du laser est déterminée essentiellement par la fréquence de répétition de la source de rayonnement d'excitation (laser à excimère), ce qui donne, dans l'état actuel de la technologie, une fréquence de répétition beaucoup plus élevée que lorsqu'on utilise des lampes à éclats au xénon comme source de rayonnement d'excitation. L'énergie et la puissance de l'impulsion du laser à iode produite par le rayonnement du laser à excimère sont beau- Scoup plus élevées que les valeurs correspondantes, lorsque les impulsions sont produites par la lumière des lampes à éclats au xénon. L'invention ne se limite pas au laser à iode, mais elle peut aussi s'appliquer, par exemple, de façon analogue, à un laser au CO2. On peut, dans ce cas aussi, ajuster la largeur spectrale par la pression et/ou la température du gaz du laser. On peut aussi mettre en oeuvre l'invention avec un laser à rubis entre autres. Dans ce cas, on peut régler la largeur spectrale au au moyen de la température. On fait fonctionner le barreau de rubis-à une température inférieure à 70K. 1 0 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Procédé de production d'impulsions de rayonnement laser dépourvues de préimpulsions, lisses et ne présentant pas de structure, secondaire important fonction du temps, dont la durée peut être réglée entre environ 400 Picosecondes et 20 nanosecondes au moyen d'un laser comprenant un résonateur optique, un milieu laser stimulable placé dans celui-ci présen- tant un niveau supérieur et un niveau inférieur qui constituent une transition laser et un dispositif d'excitation pour occu- per le niveau supérieur du milieu laser. et satisfaisant aux conditions suivantes: a) la largeur à mi-hauteur (totale)4V de la transi- tion laser est réglée au moyen de la pression et/ou de la tem- pérature de façon à remplir les conditionsAV = c/2L, c étant la vitesse de la lumière et L la longueur du résonateur opti- que; b) la durée de vie du niveau laser supérieur (durée d'extinction) est supérieure à la durée d'environ 30 cycles du rayonnement dans le résonateur optique, et c) la durée de vie du niveau supérieur en raison d'é- mission spontanée est supérieure à 100 nanosecondes (correspon- dant à un coefficient d'Einstein inférieur à 10 7 s1, caractérisé en ce que la durée d'excitation est inférieure à la durée de formation d'une impulsion de rayonnement laser émise avec stimulation par le milieu laser excité. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée d'excitation est inférieure à la durée de 30 cycles du rayonnement émis avec stimulation dans le résonateur optique. 3. - Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1 avec un laser à iode qui comprend un réso- nateur optique, une cuvette qui y est placée, dans laquelle se trouve un gaz de laser comportant un composé iodé suscep- tible de photodissociation et une source de rayonnement d'exci- tation pour produire un rayonnement optique qui produit dans le gaz de laser par photodissociation du composé iodé des ato- mes d'iode susceptibles d'émission stimulée, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'excitation comprend un laser qui délivre des impulsions de rayonnement dont la durée est il inférieure à la durée de formation d'une impulsion initiale du laser à iode engendrée lors de l'émission stimulée des atomes d'iode. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'excitation présente une durée d'émission par impulsion de rayonnement inférieure à la durée de 30 cycles du rayonnement laser émis avec stimulation dans le résonateur optique. 5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'excitation comprend un laser à excimère. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'excitation comprend un laser au KrF. 7. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'excitation comprend un laser au XeCl. 8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'excitation comprend un laser Nd-GLAS ou un laser Nd-YAG en combinaison avec un dispositif quadrupleur de fréquence. 9. - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 8, caractérisé en ce que le composé iodé est choisi parmi les composés suivants: CF3I, i-C3F7I, n-C F71, C2F5i, 2 5 t-C4F I. 10. - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 9, caractérisé en ce que le résonateur optique a une longueur comprise entre 2cm et 100cm, et en ce que la pression du gaz laser est de l'ordre de grandeur de 4. 104 Pa pour une longueur de résonateur de 2cm et diminue jusqu'à environ 3.103 Pa, lorsque la longueur du résonateur augmente jusqu'à cm. 11. - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour modifier la longueur du résonateur optique qui permet de régler la longueur du résonateur sur une gamme d'au moins 25cm et un dispositif pour régler une pression de gaz prédéterminée dans la cuvette laser. 12. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la source de rayonnement d'exci- tation comporte un laser à N2. 13. - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 12., caractérisé en ce que la cuvette est reliée à un dispositif de régénération du gaz de laser.