Brevet FR2515884A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne les dispositifs à laser capables de produire des impulsions multiples. Il existe un besoin portantpour un dispositif à laser qui puisse produire des impulsions multiples avec une séparation définie entre les impulsions Un tel dispositif est utile, par exemple, dans des dispositifs qui effectuent des mesures de vitesse de vent transversal, avec moyenne, en utilisant une technique de corrélation, ainsi que dans des dispositifs de désignation non cohérents. Une technique utilisable consiste à employer deux lasers séparés émettant des impulsions de façon consécutive. Les impulsions multiples sont alors émises selon le même axe optique Le problème consiste en ce que les modes émis par les différents lasers ne sont pas exactement les mêmes, ce qui entraîne des problèmes dans les applications nécessitant une corrélation entre les impulsions De plus, il est extrêmement difficile de maintenir la stabilité d'alignement nécessaire entre les deux lasers Une autre technique qu'on peut utiliser consiste à faire émettre des impulsions à un laser classique à l'intervalle nécessaire pour produire les impulsions multiples Cette technique soulève le problème qui consiste en ce qu'elle nécessite une alimentation pou- vant fournir un courant suffisant pour recharger les conden- sateurs de stockage d'énergie en une durée inférieure à l'intervalle minimal exigé Un autre problème consiste en ce que, dans le cas o on fait fonctionner le laser avec un intervalle court entre les impulsions, comme c'est nécessai- re dans certaines applications, les ondes de choc et les défauts d'homogénéité du milieu qui sont produits par une première décharge ne se dissipent pas notablement avant la décharge suivante, et ils créent ainsi des problèmes en perturbant la décharge suivante. Ces problèmes ainsi que d'autres sont résolus par l'invention qui procure un dispositif à laser capable de produire des impulsions multiples, sans présenter les pro- blèmes qu'on rencontre avec les techniques connues à l'heure actuelle On parvient à ceci en utilisant des régions de décharge multiples à l'intérieur d'un résonateur commun L'avantage de ce dispositif consiste en ce que la séparation globale des miroirs et l'écartement entre les électrodes définissent un nombre de Fresnel qui est presque idéal pour le fonctionnement sur un seul mode transverse En repliant le résonateur, comme on le fait dans l'invention, on obtient une structure ayant un plus faible encombrement. De plus, du fait que les régions de décharge séparées peuvent amirleurpopre réseau de famatxin dl impulsion et leur propre cir- cuit de déclenchement, les décharges multiples peuvent être déclenchées simultanément pour obtenir la puissance de sortie maximale, ou bien elles peuvent être déclenchées séquentiel- lement, en étant séparées par un certain retard, pour produi- re une émission à décharges multiples qui est utile dans les applications mentionnées ici Un autre avantage de ce dispo- sitif consiste en ce que les impulsions multiples génèrent des faisceaux de sortie identiques, du fait que les régions de décharge sont à l'intérieur du même résonateur De plus, dans la structure de résonateur repliée de l'invention, les décharges multiples sont séparées et isolées les unes des autres, ce qui fait que la décharge dans une première région ne perturbe pas le milieu dans une seconde région. L'invention procure en outre des moyens permettant d'établir plusieurs régions de décharge dans un seul résona- teur optique, avec un milieu amplificateur placé dans ces régions de décharge, et des moyens destinés à produire une décharge dans chacune de ces régions, ces décharges se pro- duisant selon une relation temporelle prédéterminée. L'invention décrit en outre des moyens destinés à établir plusieurs régions de décharge séparées, mais en cou- plage optique, comprenant un milieu amplificateur et formant un seul résonateur optique, et des moyens pour produire sélectivement une décharge dans ces régions de décharge Dans une application, ces décharges peuvent être produites simulta- nément, tandis que dans une autre application, elles peuvent être produites successivement en étant séparées par un inter- valle de temps prédéterminé Les décharges sont de préférence séparées par un intervalle de temps supérieur à la durée de la turbulence qui est généréedans le résonateur par une décharge précédente. L'invention procure également un résonateur optique, un ensemble de régions de décharge placées à l'intérieur de ce résonateur et contenant un milieu amplificateur, des moyens destinés à produire indépendamment une décharge dans chacune des régicns de décharge, et des moyens destinés à commander les moyens qui produisent les décharges, pour éta- blir une relation temporelle prédéterminée entre les déchar- ges provenant de différentes régions de décharge Chacune de ces régions de décharge comprend de préférence une partie différente prédéterminée du résonteur, entre des électrodes opposées appartenant à une paire d'électrodes Les moyens qui produisent les décharges comprennent des moyens destinés à commuter une impulsion électrique prédéterminée aux bornes d'une paire prédéterminée parmi les paires d'électrodes. L'écartement entre les électrodes définit de préférence le diamètre du faisceau et les-dimensions relatives du résona- teur produisent de préférence un fonctionnement avec un faisceau à un seul mode. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant au dessin annexé qui représente un schéma synoptique d'un dispositif à laser conforme à l'invention. On se reportera maintenant au dessin qui représente * 25 un laser 10 du type à champ électrique transverse, comprenant un résonateur optique replié qui est défini par des miroirs , 32, 34 et 36 Les miroirs 30 et 36 sont les miroirs, d'extrémité qui définissent les extrémités opposées de la cavité optique, et les miroirs 32 et 34 sont utilisés pour replier, ou pour renvoyer en direction opposée, un faisceau résonnant, dans le but de limiter la longueur du dispositif. Un mélange de gaz susceptible de donner lieu à une émission laser est emprisonné à l'intérieur de la structure du résona- teur par une enveloppe de laser replié, non représentée On peut par exemple utiliser un mélange approprié comprenant du gaz carbonique, de l'azote et de l'hélium, comme il est connu. Un jeu d'électrodes pricipales est placé entre cha- que région définie par les miroirs d'extrémité et un miroir de repliement Des électrodes 12 et 14 sont ainsi placées entre le réflecteur 30 et le réflecteur 32, de façon symé- trique par rapport à un axe du laser replié, et des électro- des 16 et 18 sont placées de façon similaire entre les miroirs 36 et 34, symétriquement par rapport à un axe corres- pondant Une plaque à décharges luminescentes de pré-ionisa- tion est également placée en position adjacente à chacune des deux régions ainsi définies Chaque plaque à décharges 21 et 23 comprend une plaque de support respective 20, 22, et un ensemble d'électrodes auxiliaires 24 disposées sur une premiè- re surface de chaque plaque de support, dirigée vers une région de décharge principale respective qui est définie par le volume situé entre une paire d'électrodes principales Les deux plaques à décharge de préionisation sont placées dos à dos et peuvent ainsi partager un élément conducteur commun 26 L'électrode auxiliaire centrale de chaque plaque à décharges est connectée électriquement à l'élément conducteur 26 qui est relié à la masse Les deux électrodes auxiliaires d'extrémité de chaque plaque à décharges sont connectées électriquement à une borne de sortie d'un réseau respectif de formation d'impulsions Le fonctionnement de chaque plaque à décharges est le suivant Sous l'effet de l'application d'une impulsion de haute tension entre les deux électrodes auxiliaires d'extrémité et la masse, une décharge est produi- te entre les électrodes d'extrémité et les électrodes voisi- nes adjacentes, ce qui entraîne un transfert de charge vers ces électrodes voisines, du fait que les électrodes auxili- aires, combinées à la plaque de support et à l'élément con- ducteur, forment un ensemble de condensateurs espacés La charge est ensuite transférée par décharges consécutives depuis les deux électrodes d'extrémité jusqu'à l'électrode centrale mise à la masse Les plaques à décharges de pré ionisation sont placées de façon que la chaîne de décharges entre les électrodes auxiliaires de chaque plaque à déchar- ges 21 et 23 illumine une région de décharge principale res- pective entre une paire d'électrodes principales Ceci résul- te du fait que la plaque à décharges convertit une fraction de l'énergie stockée sous la forme d'une impulsion de rayon- nement ultraviolet qui produit à son tour des électrons libres qui, lorsqu'ils sont accélérés par un champ électrique, donnent lieu à une ionisation uniforme du gaz dans l'espace d'interaction entre les électrodes principales Ceci est nécessaire pour empêcher l'apparitionr d'un arc, qui décharge- rait toute l'énergie qui est par ailleurs nécessaire pour pomper le mélange gazeux - La courbure et l'écartement des miroirs 30 et 36 ainsi que la taille de l'ouverture de définition déterminent le mode selon lequel le résonateur optique oscille On dési- re que le fonctionnement se fasse sur le mode fondamental ou mode symétrique radialement d'ordre le plus faible (TEM 00), du fait que ce mode présente la plus faible divergence du faisceau et ne comporte pas de noeuds ou de trous dans le champ lointain Les miroirs 30 et 36 ont une surface concave de rayon de courbure similaire, pour définir un résonateur ayant un volume de mode avec un rétrécissement sur l'axe du résonateur réplié, entre les deux miroirs de repliement. Lorsque les deux ensembles d'électrodes sont placés symétri- quement par rapport au centre, le volume de mode contenu entre une paire d'électrodes est le même que celui contenu entre l'autre paire Ceci est important pour faire en sorte que les deux impulsions soient identiques Bien que le faisceau émis puisse être légèrement divergent, à cause de la courbure des miroirs, on peut compenser cette divergence en utilisant un miroir de sortie 36 ayant une surface arrière courbe, non représentée sur la figure, de façon à agir effectivement à la manière d'une lentille On établit une ouverture de sortie en donnant aux miroirs une dimension légèrement supérieure à celle de la région comprise entre les électrodes principales On place alors une ouverture en un certain point dans le résonateur, de façon caractéristique dans le miroir de sortie Le diamètre de l'ouverture est approximativement égal à l'écartement entre les électrodes. Le fait d'utiliser l'écartement entre les électrodes princi- pales pour définir la taille du faisceau de sortie procure ure atilicaticn optimale du milieu amplificateur, du fait que la majeure partie du gaz excité par la décharge est uti- 15884 lisée pour contribuer à la formation d'une impulsion laser. Selon une variante, on peut définir une ouverture en plaçant un diaphragme de définition d'ouverture 33 entre les deux miroirs de repliement 32 et 34. Le dispositif à laser de l'invention fonctionne de la manière suivante Un rythmeur 50 fournit une impulsion de rythme avec une cadenoe de répétition prédéterminée, par exemple 20 Hz Un dispositif de déclenchement 60 utilise les impulsions de rythme pour déclencher un réseau de formation d'impulsions 70, de façon qu'il applique une impulsion de tension à l'une des plaques à décharges, par exemple la pla- que à décharges 21, afin de pré-ioniser le milieu laser, soit dans ce cas la région adjacente aux électrodes principales 12 et 14, comme décrit ci-dessus La durée de l'impulsion de pré- ionisation-va de préférence de quelques nanosecondes à 150 nanosecondes et son amplitude est de quelques milliers de volts Le dispositif de déclenchement 60 consiste de préfé- rence en un éclateur ayant une électrode de déclenchement connectée au rythmeur 50 On utilise l'éclateur pour connec- ter électriquement des condensateurs de stockage d'énergie appropriés, qui font partie du réseau de formation d'impul- sions 70, entre les points nécessaires sur les électrodes auxiliaires Les condensateurs de stockage d'énergie apparte- nant au réseau de formation d'impulsions 70 sont chargés à leur niveau nécessaire par une alimentation à haute tension Le réseau de formation d'impulsions 70 applique une impulsion de décharge laser principale aux électrodes prin- cipales 12 et 14, approximativement après la fin de la décharge de préionisation entre les électrodes auxiliaires de la plaque à décharges. Le rythmeur 50 applique également à un circuit de retard 90 les impulsions de rythme qu'il applique au dispo- sitif de déclenchement 60 On utilise le circuit de retard pour appliquer une impulsion de rythme retardée de façon appropriée au dispositif de déclenchement 100, lui-même uti- lisé pour déclencher le réseau de formation d'impulsions , afin d'appliquer une impulsion de tension à la seconde plaque à décharges, par exemple la plaque à décharges 23, afin de pré-ioniser le milieu laser adjacent aux électrodes principales 16 et 18 A la fin de cette impulsion de pré- ionisation, le réseau de formation d'impulsions 110 applique également une impulsion de décharge principale aux bornes du second jeu d'électrodes principales 16 et 18 Ainsi, le dis- positif qu'on vient de décrire produit une première impulsion laser à un instant t O défini par chaque impulsion de rythme provenant du rythmeur 50, et une seconde impulsion laser à un instant ultérieur t 1 qui est déterminé par la valeur du retard sélectionné pour le circuit de retard 90. Il convient de noter que bien qu'on ait décrit un mode de réalisation particulier pour une plaque à déchar- ges de pré-ionisation, dans le but de produire une impulsion de préionisation qui ionise uniformément le mélange gazeux, on peut utiliser d'autres procédés pour produire le niveau d'ionisation nécessaire pour un bon fonctionnement du laser. On notera que du fait qu'il existe deux régions de décharge séparées qui peuvent être amorcées indépendam- ment, on peut utiliser le dispositif à laser pour générer une impulsion laser d'amplitude supérieure, en réglant le retard à zéro dans le circuit de retard 90, ce qui produit des décharges simultanées dans les deux jeux d'électrodes. Selon une variante, on peut fixer n'importe quelle valeur de retard au moyen du circuit de retard 90, pour générer deux décharges qui sont séparées dans le temps de n'importe quelle durée prédéterminée inférieure à la période de répé- tition des impulsions de rythme. De façon générale, chaque fois qu'une décharge a lieu, une partie du mélange gazeux se trouvant dans l'espace de décharge manifeste un claquage et se décompose en diffé- rents corps Dans le cas o on utilise C 02 en tant qu'espè- ce active, le claquage produit CO et 02 ' Dans les condi- tions normales, les composants dissociés se recombinent, et on peut utiliser des catalyseurs pour faciliter le processus de recombinaison Cependant, un problème se pose dans les applications qui nécessitent des impulsions multiples sépa- rées par une durée inférieure au temps de recombinaison Du fait que le gaz est dissocié, il existe un plus petit nombre de molécules actives disponibles dans la région de décharge, et ceci donne un gain inférieur, éventuellement inférieur au minimum nécessaire pour générer une impulsion laser Chaque décharge produit non seulement une décomposition du milieu amplificateur, mais également une onde de choc qui échauffe le milieu au voisinage de la décharge L'élévation de tempé- rature réduit encore davantage le gain du milieu, ce qui interdit la génération successive d'impulsions laser prati- quement identiques si chaque décharge a lieu avant que la chaleur se soit dissipée Un avantage important du disposi- tif à laser de l'invention consiste en ce que ces difficul- tés sont éliminées par l'utilisation de régions de décharge multiples qui sont séparées les unes des autres et qui ont des volumes de gaz effectivement indépendants, ce qui permet le déclenchement de décharges successives dans des régions différentes, chacune d'elles utilisant un volume actif prati- quement stable du milieu amplificateur Il faut également noter que du fait que les deux décharges sont séparées et isolées l'une de l'autre, l'onde de choc d'une décharge ne peut pas perturber notablement l'autre décharge. On a trouvé qui si on utilise une durée de retard d'environ 100 microsecondes, il n'y a aucune interaction perturbatrice mesurable dans les deux impulsions laser qui sont ainsi générées Ceci vient du fait que l'onde de choc s'est suffisamment dissipée pendant cette durée On peut obtenir des intervalles plus courts en plaçant autour des régions de décharge des matières qui absorbent l'onde de choc et l'empêchent de se réfléchir sur les parois de l'enveloppe et de retourner pour perturber la cavité opti- que. Un avantage du dispositif à laser de l'invention consiste en ce que, du fait que les deux régions de décharge sont contenues dans le même résonateur optique, on obtient des impulsions de sortie pratiquement identiques lorsqu'on déclenche l'une ou l'autre de ces régions De plus, la sépa- ration globale des miroirs et l'écartement entre les électro- des définissent un nombre de Fresnel qui est presque idéal pour le fonctionnement selon un mode transverse unique Le nombre de Fresnel est proportionnel au carré du rayon du faisceau, divisé par le produit de la longueur d'onde de fonctionnement par la longueur du résonateur optique On trouve qu'un nombre de Fresnel approximativement égal à 2 satisfait les exigences pour le fonctionnement selon un mode transverse unique La structure repliée permet de construire un tel résonateur avec un encombrement très réduit On peut parvenir à ceci avec un écartement de 0, 85 cm entre les électrodes principales, et avec une longueur de 25 cm pour une seule région de décharge, pour une longueur d'onde de fonctionnement de 10,6 pm, dans le cas d'un laser au C 02, de type à excitation latérale sous pression atnosphérique ( TEA). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif laser, caractérisé en oe qu'il carprend, en combinaison: des moyens ( 30, 32, 34, 36) destinés à établir plusieurs régions de décharge dans un seul résonateur opti- que; un milieu amplificateur disposé dans ces régions de décharge; et des moyens ( 21, 23, 12, 14, 16, 18, 70, 110) destinés à produire une décharge dans chacune de ces régions, ces décharges étant produites selon une relation temporelle prédéterminée. 2 Dis Dositif laser, caractérisé en ce qu'il crtprend, en - combinaison: des moyens ( 30, 32, 34, 36) destinés à établir plusieurs régions de décharge séparées, mais en couplage optique, contenant un milieu amplificateur et formant un seul résonateur optique; et des moyens ( 21, 23, 12, 14, 16, 18, 70, 110) destinés à produire une décharge dans ces régions de décharge. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que les décharges sont produites simultanément. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractéri- se en ce que les décharges sont produites successivement et sont séparées par un intervalle de temps prédéterminé. Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que les décharges sont séparées par un intervalle de temps supérieur à la durée des turbulences générées dans le résonateur par une décharge précédente. 6 Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que les décharges sont séparées par un intervalle de temps supérieur à 100 microsecondes. 7 Dispositif laseràcaractérisé en ce qu'il com- prend: un résonateur optique ( 30, 32, 34, 36); plusieurs régions de décharge disposées à l'intérieur du résonateur et contenant un milieu amplificateur; des moyens ( 12, 14, 16, 18, 21, 23, 70, 110) destinés à produire indépendamment une décharge dans chacune des régions de décharge; et des moyens ( 50, 60, 90, 100) destinés à commander les moyens qui produisent des décharges, afin d'établir une relation tempo- relle prédéterminée entre les décharges dans des régions de décharge différentes. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que chacune des régions de décharge constitue une partie différente prédéterminée du résonateur. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que chacune des régions de décharge comprend une paire d'électrodes opposées ( 12, 14; 16, 18) qui sont dis- posées longitudinalement de part et d'autre de la région de décharge considérée. 10 Dispositif selon la revendication 9, caractéri- sé en ce que les moyens qui produisent des décharges compren- nent des moyens ( 70, 110) destinés à commuter une impulsion électrique prédéterminée aux bornes d'une paire prédéterminée parmi les paires d'électrodes ( 12, 14; 16, 18). 11 Dispositif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que les dimensions relatives du faisceau optique produit par chacune des décharges et la longueur du résona- teur définissent un nombre de Fresnel approximativement égal à 2. 12 Dispositif selon la revendication 10, caracté- risé en ce que l'écartement entre les électrodes ( 12, 14 16, 18) définit le diamètre du faisceau. 13 Dispositif selon la revendication 12, caracté- risé en ce que les dimensions relatives du résonateur donnent lieu à un fonctionnement correspondant à un faisceau à un seul mode. 14 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le résonateur est replié. Dispositif laser, caractérisé en oe qu'il conprend, en combinaison: des moyens ( 30, 32, 34, 36) destinés à éta- blir un résonateur optique contenant un milieu amplificateur; des moyens destinés à établir plusieurs régions de décharge à l'intérieur du résonateur optique; plusieurs moyens de formation d'impulsions ( 70, 110) destinés à produire une décharge dans chacune des régions de décharge; et des moyens ( 50, 60, 90, 100) destinés à déclencher sélectivement les moyens de formation d'impulsions pour produire plusieurs impulsions de faisceau laser avec une relation temporelle 15884 prédéterminée. 16 Dispositif selon la revendication 15, carac- térisé en ce que les moyens qui établissent un résonateur optique définissent une cavité repliée pour isoler spatia- lement les régions de décharge. 17 Dispositif selon la revendication 15, carac- térisé en ce que chacune des régions de décharge comprend une paire d'électrodes allongées ( 12, 14; 16, 18) qui sont disposées longitudinalement de part et d'autre de l'axe lon- gitudinal de chaque région de décharge et qui sont connec- tées aux moyens de formation d'impulsions ( 70, 110). 18 Dispositif selon la revendication 17, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 33) desti- nés à définir pour les impulsions de faisceau laser une ouverture d'une taille approximativement égale à l'écarte- ment entre les électrodes des paires d'électrodes ( 12, 14 16, 18). 19 Dispositif selon la revendication 18, carac- térisé en ce que les moyens ( 30, 32, 34, 36) qui établissent un résonateur optique produisent une longueur optique qui convient pour un fonctionnement avec un faisceau laser à un seul mode. Dispositif selon la revendication 15, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 21, 23) destinés à préioniser le milieu amplificateur avant chacune des décharges.