Brevet FR2511552A1 — publié le 19830218

La présente invention concerne des lasers à colorant. Plus particulièrement l'invention se rapporte à un laser à colorant pompé longitudinalement. Par le passé, on a utilisé des lasers à colorant pompé longitudinalement, ces lasers étant différents des lasers à colorant pompé transversalement. Un avantage de la conception des lasers à colorant pompé longitudinalement consiste, en comparaison à des lasers pompés transversalement, en ce qu'on peut utiliser une profondeur extrêmement faible de solution de colorant pour produire à la sortie de courtes impulsions. Tous les appareils à pompage longitudinal de types connus sont assez coûteux ou bien ils comportent un grand nombre de composants optiques qui nécessitent un alignement critique. Dans le document "Topics in Applied Physics", Volume 1, "Dye Laser" par F.P. Schafer (2ème édition), 1977, on a représenté à la page 39 plusieurs agencements de lasers à colorant pompé longitudinalement.Dans tous ces agencements, le rayonnement sortant de la cellule du laser à colorant se propage dans la même direction et il est essentiellement colinéaire avec le faisceau de pompage d'entrée. Pour créer une cavité de résonateur et pour supprimer le faisceau de pompage d'entrée dans le faisceau de sortie, il est nécessaire de revêtir les surfaces de la cavité avec des miroirs multi-couches diélectriques peu coûteux qui laissent passer sélectivement une longueur d'onde de rayonnement désirée. La surface recevant le faisceau de pompage d'entrée doit être relativement transparente à-la lumière pour la longueur d'onde du faisceau de pompage d'entrée et la surface placée à l'extrémité opposée de sortie de la cavité doit être pourvue d'un revêtement diélectrique ayant une haute capacité de réflexion de la longueur d'onde du faisceau de pompage.Inversement, pour les longueurs d'onde du rayonnement laser, la surface d'entrée recevant le faisceau de pompage doit présenter une haute capacité de réflexion et la surface de laquelle part le rayonnement laser doit présenter une faible capacité de réflexion de façon à permettre à une partie du rayonnement laser de sortir de la cavité du résonateur optique. Un agencement différent de laser à colorant pompé longitudinalement a été décrit par H. Salzmann et H. Strohwald dans le document "Physics Letter", 57A (1976), 41. Ils ont représenté un agencement se composant d'une solution de colorant formant un milieu laser et maintenue entre une surface de miroir et un prisme. Le faisceau de pompage entrant est réfléchi par un premier miroir sur la surface du prisme et il est réfracté vers le bas dans la solution de colorant où se produit l'activité laser. Le rayonnement laser résultant traverse le prisme, sort de celui-ci dans une position différente de la position d'entrée du faisceau de pompage, il est réfracté vers l'extérieur en direction d'un espace libre et il est réfléchi par un second miroir dans la direction désirée.Cette disposition d'un prisme dans le trajet optique d'une cavité de laser à colorant a été utilisée précédemment, comme décrit dans le brevet U.S. nO 3 873 941, colonne 2, lignes 24 à 36. En outre, l'agencement décrit par Salzmann et al nécessite que le premier et le second miroir soient réglés indépendamment l'un de l'autre pour obtenir un alignement optique correct. G. Veith et A.L. Schmidt ont décrit dans le document "Optics Communication", Volume 30, NO 3, septembre 1979, un agencement de laser à colorant pompé transversale ment dont le rayonnement sortant est amplifié par une cellule d'amplification à pompage longitudinal. Le milieu se trouvant dans la cellule d'amplification est excité à un niveau inférieur au seuil qui est nécessaire pour qu'il se produise une action de laser. L'impulsion de laser produite par le colorant et qui doit être amplifiée pénètre dans la cellule d'amplification et provoque une émission stimulée dans cette cellule. Cette action provoque l'amplification de l'impulsion du laser à colorant. Dans la partie-amplificateur de cet agencement, on a utilisé une seule lentille pour focaliser le faisceau d'excitation dans la cellule d'amplification et pour capter l'impulsion amplifiée sortant de la cellule. Une seconde lentille a été utilisée pour focaliser l'impulsion de laser à colorant à amplifier sur le coté de la cellule d'amplification qui est opposé à celui où pénètre le faisceau servant à exciter la solution de colorant. Puisque l'impulsion du laser à colorant devant être amplifiée pénètre dans la cellule d'amplification sur le côté opposé à celui de sortie de l'impulsion amplifiée, il est évident qu'aucun miroir ne peut être utilisé pour réfléchir l'impulsion amplifiée vers la première lentille. On a apporté un soin particulier à l'établissement d'un bon recouvrement spacial entre la zone focale de l'impulsion de laser à colorant à amplifier et la région de gain. Cela est dù au fait que l'impulsion de laser à colorant pénètre dans la cellule d'amplification par le côte de la cellule qui est opposé à celui d'entrée du faisceau d'excitation de la solution de colorant. Egalement puisqu'il est nécessaire que la longueur de la cellule d'amplification ait une grandeur suffisante pour qu'on puisse obtenir un facteur d'amplification approprié, les problèmes d'alignement sont encore aggravés. Bien que les systèmes connus fonctionnent de façon appropriée, ils sont compliqués, coûteux, difficiles à aligner et ils se composent de nombreuses parties. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités. L'agencement conforme à l'invention concerne un laser à colorant pompé longitudinalement, qui soit économique et d'un alignement aisé. Cet agencement comprend un moyen optique unitaire, un moyen pour contenir une solution de colorant formant milieu laser et un moyen pour réfléchir un rayonnement laser vers le moyen optique unitaire. La solution de colorant est placée entre le moyen optique unitaire et le moyen réfléchissant et ce moyen réfléchissant est placé à proximité de la solution de colorant. Le moyen optique unitaire est positionné par rapport au moyen contenant la solution de façon à focaliser un faisceau de pompage dans la solution de colorant et à collimater un rayonnement laser sortant du moyen contenant la solution sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle. Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen contenant la solution comprend une fenêtre avant et une fenêtre arrière, entre lesquelles est retenue la solution de colorant et un moyen réfléchissant placé en arrière de la fenêtre arrière et dans une zone adjacente à celle-ci. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen contenant la solution comprend une fenêtre avant et une partie formant corps arrière qui est adjacente à la solution de colorant qui est ainsi retenue entre la fenêtre avant et la partie formant corps arrière. La partie formant corps arrière comporte un moyen pour réfléchir un rayonnement laser vers le moyen optique unitaire. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation d'un agencement de laser à colorant pompé longitudinalement, . la figure 2 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention. On a représenté en 10 sur la figure 1 une vue en coupe de l'agencement de laser à colorant pompé longitudinalement. Un faisceau de pompage d'entrée 20 est focalisé par un élément optique unitaire 30 dans une zone 40 qui contient une solution de colorant formant milieu-laser. La solution de colorant formant milieu-laser est contenue dans une cavité 50. Le faisceau de pompage 20 focalisé excite la solution de colorant pour la faire passer dans un ou plusieurs états d'excitation et elle passe ensuite dans un ou plusieurs états inférieurs, ce qui se traduit par une action de formation de laser par émission stimulée de la solution de colorant. Un réflecteur 60 qui est placé en arrière de la solution de colorant formant milieu-laser réfléchit le rayonnement laser en direction de l'élément optique unitaire 30. Le rayonnement laser sortant de la cavité contenant la solution de colorant a été désigné par 70 sur la figure 1. Le même élément optique unitaire que celui qui a focalisé le faisceau de pompage sert également à collimater le rayonnement laser sortant de la cavité contenant la solution de colorant sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle 80. L'élément optique unitaire 30 est placé, par rapport à la cavité 50 contenant la solution de colorant, dans une position telle que le faisceau de pompage est focalisé dans la solution de colorant formant milieu-laser et que le rayonnement laser sortant 70 est collimaté sous forme d'un faisceau essentiellement parallèle 80. Cet agencement constitue un laser à colorant pompé longitudinalement qui est aisément aligné. La cavité 50 destinée à contenir la solution de colorant formant milieu-laser est d'une construction simple et peu coûteuse. Une fenêtre avant 90 de la cavité permet au faisceau de pompage de pénétrer dans et d'exciter la solution de colorant formant milieu-laser et contenue dans la cavité et elle permet la sortie d'un rayonnement laser hors de ladite cavité. Dans un mode de réalisation de l'invention, il est prévu une fenêtre arrière 95 semblable à la fenêtre avant. La cavité peut être agencée pour permettre à l'écoulement de complément de remplissage en solution de colorant de circuler essentiellement transversalement à la direction de pompage ou bien la cavité peut être scellée aux deux extrémités. Pour des grandes énergies de pompage et de hautes fréquences de répétition ou bien dans un mode continu, il peut être nécessaire d'assurer une circulation de la solution de colorant formant milieu-laser. I1 s'est avéré satisfaisant, dans la plupart des situations, de prévoir simplement une source stationnaire de solution de colorant formant milieu-laser dont le remplissage n'est pas complété. Dans ce cas, les fenetres 90 et 95 sont jointes ensemble le long de leurs côtés et au moins le long de leurs fonds pour former une cavité destinée à contenir la solution de colorant.Si on désire établir un écoulement circulatoire, les fenêtres sont alors seulement jointes ensemble le long de leurs cotés et il est prévu en haut et en bas de la cavité des raccords et tuyauteries appropriés pour permettre le complément de remplissage de la solution. Des micro-tubes rectangulaires, formés par exemple de quartz ou de différentes qualités de verre se sont avérés très satisfaisants pour former la cavité 50, comportant une fenêtre avant 90 et une fenêtre arrière 95. Des micro-tubes rectangulaires disponibles dans le commerce et comportant des grandes faces d'une épaisseur de 0,2 mm jouant le rôle de fenêtres et un espacement interne entre les fenêtres de 0,2 ou 0,5 mm se sont avéres satisfaisants et économiques en pratique. Chacune des grandes faces de la matière formant le micro-tube rectangulaire possède une capacité de réflexion d'environ 4 z pour les longueurs d'onde du faisceau de pompage et du rayonnement laser. I1 est à noter qu'on peut utiliser une large gamme d'épaisseurs à la fois en ce qui concerne lès fenêtres et l'espacement entre les fenêtres, à condition- que l'épaisseur totale soit suffisante pour établir une action de laser. Un réflecteur 60 est placé en arrière et à proximité de la solution de colorant formant milieu-laser. Le réflecteur 60 sert à réfléchir le rayonnement laser en direction de l'élément optique unitaire 30. Il n'est pas nécessaire de placer le réflecteur 60 dans une position adjacente à la solution de colorant mais cependant il est souhaitable qu'il soit suffisamment rapproché de la zone d'activité du laser afin de réfléchir le rayonnement laser vers l'élément optique unitaire de telle sorte qu'il puisse être collimater sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle. Dans un mode de réalisation de l'invention, le réflecteur 60 est placé en arrière de et adjacent à la fenêtre arrière 95 de la cavité 50. Dans un autre mode de réalisation, la surface arrière de la fenêtre arrière peut être revêtue d'aluminium ou d'argent pour créer un réflecteur. Egalement, il est à noter que la fenêtre arrière 95 de la cavité 50 pourrait être remplacée par une partie de corps arrière 110 pourvue d'une surface réfléchissante destinée à réfléchir le rayonnement laser vers l'élément optique unitaire 30. Sur la figure 2, on a représenté cette variante de la cavité 100 destinée à contenir la solution de colorant formant milieu-laser. La surface avant 112 du corps arrière 110 peut être pourvue d'une surface réfléchissante destinée à réfléchir un rayonnement laser en direction de l'élément optique unitaire. En variante, la surface arrière 114 du corps arrière 110 peut être pourvue d'une surface réfléchissante 116. I1 est à noter que, dans ce cas, le corps arrière 110 doit être essentiellement transparent à la fois pour les longueurs d'onde du faisceau de pompage et les longueurs d'onde du faisceau laser de manière que le rayonnement laser soit réfléchi par la surface réfléchissante 116 en direction de l'élément optique unitaire. I1 est également possible de placer la surface réfléchissante à l'intérieur du corps arrière 110, à condition qu'au moins une partie de ce corps arrière située entre la surface réfléchissante et la solution de colorant soit essentiellement transparente à la fois aux longueurs d'ondes du faisceau de pompage etaux longueurs d'onde du faisceau laser. On peut utiliser de nombreux types possibles de surfaces réfléchissantes, à condition qu'elles agissent comme de bons réflecteurs pour la longueur d'onde du rayonnement laser. Une surface revêtue d'aluminium ou d'argent a donné des résultats satisfaisants. Puisque la grande puissance du faisceau de pompage et du rayonnement laser a tendance à endommager le réflecteur, il est possible de le protéger à l'aide d'un revêtement approprié, par exemple du chlorure de magnésium, afin de réduire les dommages. On peut aussi utiliser un miroir diélectrique. I1 existe de nombreux colorants du commerce qui peuvent être transformés en solutions particulières choisis pour une application désirée, ladite solution étant essentiellement définie par la longueur d'onde du rayonnement laser désirée. On peut régler la concentration de la solution de colorant par une dilution du colorant dans un solvant approprié. La concentration désirée est fonction de la profondeur de la solution de colorant contenue dans la cavité. En pratique il s'est avéré avantageux de régler la concentration de la solution de colorant de manière que seulement environ 20 % du rayonnement correspondant au faisceau de pompage atteignent la fenêtre ou surface arrière de la cavité. Le faisceau de pompage d'entrée 20 constitue le faisceau de sortie d'un autre laser. On a utilisé le faisceau de sortie d'un laser à azote gazeux et on a aussi utilisé le faisceau de sortie d'un laser à colorant pompé longitudinalement ou un colorant pompé transversalement. Les seuls impératifs consistent en ce que la longueur du faisceau de pompage doit être compatible avec les caractéristiques d'absorption de la solution de colorant formant milieu-laser et qu'une densité d'énergie suffisante soit produite par le faisceau de pompage dans la solution de colorant pour engendrer une inversion de population suffisamment grande de la solution de colorant formant milieu-laser pour créer une activité de laser stimulé. Le faisceau de pompage 20 est focalisé par l'élément optique unitaire 30 pour obtenir une haute densité d'énergie de pompage dans la solution de colorant formant milieu-laser. On a représenté l'élément optique unitaire 30 sous la forme d'une lentille plano-convexe. Cependant on peut utiliser une lentille biconvexe, comme indiquée par les lignes en trait interrompu 30 ou bien une lentille à ménisque, comme indiquée en 130 sur la figure 2. Comme le montre la figure 1, le faisceau de pompage 20 pénètre dans la lentille en son centre. Cela n'est pas strictement nécessaire mais il en résulte une formation d'un point focal moins déformé dans la solution de colorant que si le faisceau de pompage 20 pénétrait dans l'élément optique unitaire 30 sur sa périphérie.Les lentilles sont de préférence constituées de quartz, puisque du verre ordinaire a tendance à atténuer le faisceau de pompage et le rayonnement laser. Le rayonnement laser est réfléchi par le réflecteur en direction de l'élément optique unitaire 30. Comme le montre la figure 1, la cavité 50 et le réflecteur 60 sont légèrement inclinés de manière que le rayonnement laser 70 sortant de la cavité 50 soit légèrement non-colinéaire avec le faisceau de pompage 20. Le rayonnement laser 70 sortant est divergent et ilest collimaté par l'élément optique unitaire 30 sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle 80. Quand l'élément optique unitaire 30 est positionné de manière que le faisceau de pompage 20 soit focalisé dans la solution de colorant formant laser, il est évident que le rayonnement laser divergent qui sort de la cavité est collimaté sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle. I1 est avantageux d'incliner légèrement la cavité et le miroir de manière que le faisceau essentiellement parallèle 80 soit séparé du faisceau de pompage 20.On peut alors placer un prisme 20 pour intercepter le faisceau essentiellement parallèle 80 et pour le projeter dans toutes directions désirées. I1 est évident qu'on peut utiliser un miroir à la place du prisme 120. I1 est également évident que la cavité et le miroir n'ont pas besoin d'être inclinés. Lorsqu'il n'y a pas d'inclinaison, le rayonnement laser 70 sortant se déplace sur un trajet colinéaire avec le faisceau de pompage. On peut utiliser un miroir diélectrique pour séparer le faisceau essentiellement parallèle du faisceau de pompage. Dans le cas d'absence d'inclinaison de la cavité et du réflecteur, il apparait que l'axe de l'élément optique unitaire 30 est essentiellement perpendiculaire à la surface avant de la cavité 50. Dans le cas d'une inclinaison de la cavité et du réflecteur comme indiquée sur la figure 1, on voit que l'axe de l'élément optique unitaire 30 fait un certain angle par rapport à un axe perpendiculaire à la fenêtre avant 90 de la cavité 50. Deux considérations interviennent pour le choix de cet angle. Du fait que l'élément optique unitaire a des dimensions limitées, il en résulte que, si l'angle est trop grand, le rayonnement laser sortant de la cavité n'arrive pas sur l'élément optique. En second lieu, si l'angle est trop petit, le faisceau de pompage ne produit pas d'effet laser dans la cavité, comme cela a été décrit dans le brevet U.S. nO 3 873 941. I1 s'est avéré satisfaisant d'adopter en pratique un angle d'environ 6 degrés, qui permet de séparer le faisceau essentiellement parallèle 80 du faisceau de pompage 20. L'espacement entre l'élément optique unitaire 30 et la cavité 50 est essentiellement égal à la longueur focale de l'élément optique. Deux considérations interviennent dans le choix de la longueur focale désirée de l'élément optique. Du fait qu'une densité d'énergie focalisée suffisamment grande est nécessaire dans la solution de colorant formant milieu-laser, la longueur focale de l'élément optique unitaire ne doit pas être trop grande puisqu'une grande longueur focale se traduit par une plus grande dimension de foyer et il en résulte qu'une réduction de la densité d'énergie qui peut ne pas être suffisante pour produire une action laser dans la cavité.En second lieu, bien que la majeure partie du rayonnement laser sortant de la cavité se propage en direction de l'élément optique unitaire 30, une certaine quantité de rayonnement super radiant sort de la cavité d'une fagon approximativement sphérique. Ce rayonnement super radiant résulte de l'émission spontanée de la solution de colorant fortement excitée et il est indésirable et ne doit pas être collimaté par l'élément optique unitaire 30. Si l'élément optique unitaire est trop rapproché de la cavité 50, une grande quantité indésirable de ce rayonnement laser super radiant est collimatée. En conséquence il est souhaitable de faire en sorte que la longueur focale de l'élément optique unitaire 30 ait une valeur suffisante pour qu'une quantité insignifiante de rayonnement super radiant soit collimatée. Egalement, si on utilise une longueur focale trop courte, il se produit une trop forte densité d'énergie dans la cavité 50 et il risque alors de se former un fort pour centage d'impulsions super radiantes indésirables. Pour le réglage de cet agencement de laser à colorant pompé longitudinalement, il n'est pas nécessaire de faire intervenir des opérations critiques d'alignement. Le faisceau de pompage 20 est aligné de manière qu'il arrive sur la surface de l'élément optique unitaire 30. L'espacement entre l'élément optique unitaire 30 et la cavité 50 est réglé visuellement de telle sorte qu'une zone focale bien définie existe dans la solution de colorant formant laser. La cavité 50 et le miroir 60 peuvent être légèrement inclinés de manière à séparer le faisceau de pompage 20 et le faisceau essentiellement parallèle 80 résultant. Après avoir décrit d'une façon générale la présente invention, on va maintenant donner un exemple qui n'est absolument pas limitatif. On a utilisé une cavité formée à partir d'un micro-tube de section droite rectangulaire en verre ou en quartz comportant des fenêtres avant et arrière de 0,2 mm et un espacement interne de 0,5 mm. On a pompé une solution de colorant du type rhodamine 6G formant laser (environ 8 X 10 3M dans de ltéthanol) à l'aide d'un laser à azote gazeux d'environ 200 kilowats pendant environ 300 picosecondes à une fréquence de répétition de 20 impulsions par seconde. On a utilisé une lentille plano-convexe en quartz d'une longueur focale de 51 mm. On a obtenu à la sortie un rayonnement laser qui a eu une durée neB dépassant pas 75 picosecondes. REVENDICATIONS 1. Agencement de laser à colorant pompé longitudinalement, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen optique unitaire (30), un moyen (50) pour contenir une solution de colorant formant laser et un moyen pour réflé- chir un rayonnement laser en direction dudit moyen optique unitaire, ladite solution du colorant étant disposée entre ledit moyen optique unitaire et ledit moyen réfléchissant qui est placé à proximité de la solution de colorant, ledit moyen optique unitaire étant positionné par rapport audit moyen contenant la solution pour focaliser un faisceau de pompage dans ladite solution du colorant et pour collimater le rayonnement laser sortant dudit moyen contenant la solution sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen contenant la solution comprend une fenêtre avant et une fenêtre arrière, ladite solution de colorant étant contenue entre lesdites fenêtres avant et arrière et en ce que ledit moyen réfléchissant comprend une surface réfléchissante placée en arrière de et adjacente de ladite fenêtre arrière pour réfléchir un rayonnement laser en direction dudit moyen optique unitaire. 3. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen contenant la solution comprend une fenêtre avant et une partie formant corps arrière qui est adjacente à ladite solution de colorant, cette solution étant contenue entre ladite fenêtre avant et ladite partie formant corps arrière, ladite partie formant corps arrière comportant ledit moyen réfléchissant pour réfléchir un rayonnement laser en direction dudit moyen optique unitaire. 4. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un moyen réfléchissant est prévu sur la surface arrière de ladite partie formant corps arrière, cette partie formant corps arrière étant essentiellement transparente à la fois aux longueurs d'onde du faisceau de pompage et aux longueurs d'onde du rayonnement laser. 5. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un moyen réfléchissant est prévu sur la surface arrière, adjacente à la solution de colorant, de ladite partie formant corps arrière. 6. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen optique unitaire comprend une lentille plano-convexe, biconvexe ou en ménisque. 7. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'axe de la lentille est essentiellement perpendiculaire à la surface avant dudit moyen contenant la solution, l'espacement entre ladite lentille et le moyen contenant la solution étant essentiellement égal à la longueur focale de ladite lentille. 8. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'axe de la lentille fait par rapport à un axe perpendiculaire à la surface dudit moyen contenant la solution un angle tel qu'un rayonnement laser sortant dudit moyen contenant la solution continu à être collimaté sous la forme d'un faisceau essentiellement parallèle audit moyen optique unitaire, l'espacement entre ladite lentille et ledit moyen contenant la solution étant essentiellement égal à la longueur focale de ladite lentille. 9. Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la capacité de réflexion desdites fenêtres est inférieure à 10 % des longueurs d'onde du faisceau de pompage et du rayonnement laser.