Brevet FR2542104A1 — publié le 19840907

Procédé et dispositif de création d'impulsions lumineuses brèves L'invention concerne l'obtention, à l'aide de lasers, de mono impulsions lumineuses (ce qualificatif devant être pris dans un sens large) de courte durée et elle trouve de nombreuses applications, notamment dans tous les domaines exigeant des générateurs ou amplificateurs d'impulsions brèves et intenses de lumière. Les méthodes utilisées actuellement pour obtenir des impulsions laser brèves avec un bon rendement en énergie reposent sur un même principe (utilisation d'un milieu laser présentant un gain important et d'une cavité laser ayant une faible surtension). En effet, le temps de montée de l'impulsion laser est directement lié au temps nécessaire pou-r saturer le gain et le temps de descente reflète la durée de vie des photons dans la cavité. En dehors des lasers à modes bloqués, qui émettent des trains d'impulsions dont la durée unitaire est dans le domaine de la picoseconde, les contraintes imposées par la durée du pompage, l'arrivée à la saturation du gain et la durée de vie de la cavité font qu'il existe très peu de lasers susceptibles d'émettre des impulsions uniques dont la durée ne dépasse pas une dizaine de nanosecondes.On peut évidemment raccourcir par décou- page la durée des impulsions fournies par le laser. Mais ce découpage par des éléments électro-optiques (cellule de Pockels, cellule de Kerr), s'il permet d'obtenir des impulsions de quelques nanosecondes, provoque une perte d'énergie importante. Enfin, on a proposé d'utiliser la diffusion Raman arrière pour obtenir une compression temporelle mais les dispositifs correspondants sont encombrants et, compte tenu des caractéristiques des lasers utilisés, les résultats ainsi, obtenus sont généralement limités. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de création d'impùlsions lumineuses très brèves à partir de l'énergie d'une impulsion laser, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. Elle vise en particulier à l'obtention d'impulsions courtes ne dépassant généralement pas quelques nanosecondes, à par tir de lasers fournissant normalement des impulsions dont la durée est supérieure d 'au moins un ordre de grandeur, et ce avec un excellent rendement énergétique (correspondant à un rendement quantique supérieur à 85%) Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de création de mono-impulsions de lumière brèves, suivant lequel on introduit, dans une cavité laser, un milieu Raman associé à une cavité dimensionnée de façon à présenter un gain important à la fréquence Stokes et en ce qu'on extrait l'énergie du laser à la fréquence Stokes. La compression temporelle obtenue permet d'augmenter notablement l'intensité lumineuse de l'impulsion. Il faut noter que l'invention peut être mise en oeuvre dans un dispositif a.mplificateur aussi bien que générateur de lumière ou encore dans une chaîne complète constituée d'un oscillateur et de plusieurs amplificateurs. L'invention propose également un dispositif de création de mono-impulsions de lumière de courte durée, comprenant une cavité laser, caractérisé en ce que, dans la cavité laser, est placé un milieu Raman-également inséré dans une cavité Stokes à faible surtension, capable de convertir l'énergie à la fréquence laser en énergie à la fréquence Stokes. Ceci permet notamment de réaliser de nouvelles sources infrarouges. La cavité laser est avantageusement surtendue au maximum. Dans le cas de fonctionnement en amplificateur, il est possible d'amplifier une on-de Stokes spectralement pure en équipant le dispositif de moyens de compression spectrale du genre décrit dans les brevets FR 80 11064 et US 4 348 599. Les moyens d'extraction de l'impulsion à la fréquence Stokes peuvent être constitues par un miroir semi-transparent à cette fréquence, constituant l'une des parois formant la cavité Stokes, ayan-t u-n facteur de réflexion ne dépassant pas quelques pour cént pour là fréquence Raman afin que la surtension soit faible. La zone commune aux cavités laser et Stokes peut être délimitée par des séparateurs transparents pour la fréquence laser ou Raman, réflecteurs pour l'autre. Plusieurs cavités Raman peuvent être placées en succession en les imbriquant de façon à obtenir des transferts d'énergie en cascade : un tel montage permet notamment d'effectuer des déplFcements de fréquence successifs vers l'infrarouge. Par ailleurs, on peut utiliser des milieux lasers accordables en fréquence placés dans des cavités dispersives ou injectés par une source extérieure et donc créer des impulsions de rayonnement accordables, to-ujours d-e du-rée plus co-urte que l'impulsion laser initiale. Avec un laser à modes coupléspar adaptation des longueurs de cavité7 on peut arriver à des durées de l'ordre de la picoseconde,toute l'énergie se retrouvant dans une seule impulsion.Enfin9 llinvention peut être utilisée pour améliorer les performances des lasers à faible gain (Alexandrite par exemple) et celles des lasers à faible durée de vie (laser à excimère -par exemple). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particul-iers donnés à titre de simples exemples. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispo sitif oscillateur utilisant un laser déclenché et un seul milieu Raman; - les Figures 2 et 3, similaires à la Figure 1, montrent des dispositifs à deux milieux Raman, comportant une cavité laser et deux cavités Stokes imbriquées. Le dispositif montré en Figure 1 comporte une cavité laser délimitée par deux miroirs 10a et lOb travaillant en incidence normale, ayant un coefficient de réflexion par tiquement égal à1 pour la fréquence à laquelle le milieu laser 11 présente un gain. Dans la cavité est placé un milieu Raman 12 encadré par deux miroirs 13a et 13b délimitant une cavité Stokes. Le miroir 13a est totalement réfléchissant à la fréquence Stokes tandis que l'autre, 13b, est faiblement réfléchissant (coefficient de réflexion typiquement de quelques pour cent) à cette fréquence. Les deux cavités doivent être découplées : pour cela, le milieu Raman est encadre par deux séparateurs, constitués par deux miroirs obliques 14 et 15 (à 45" du trajet optique sur la Figure 1). Ces miroirs réfléchissent totalement la fréquence laser sous l'incidence choisie alors qu'ils transmettent la lumière à la fréquence Stokes avec une très faible réflexion. La cavité laser contient un déclencheur 16, au moins lorsque le laser est tel que les états excités du milieu laser ont une grande durée de vie.La cavité laser ainsi constituée a de très faibles pertes à la fréquence laser ; elle peut être utilise de deux façons - dans le cas d'un milieu laser à faible gain, elle permet au rayonnement laser d'effe-ctuer le nombre d'aller et retour nécessaire pour saturer le gain du milieu laser1 c'est-à-dire pour extraire la plus grande partie de l'énergie stockée dans dans les états excités; - dans le cas d'un milieu laser pour lequel les états excités ont de faibles durées de vie, elle permet de stocker l'énergie sous forme de rayonnement. Au contraire, la cavité à la fréquence Stokes formée par les miroirs est faiblement surtendue Le fonctionnemen-t du disposit-if- ainsi constitué est le suivant. L'énergie stockée dans la cavité laser, importante puisque la cavet est à faible pertes induit dans le milieu Raman un gain qui est ajusté à une valeur telle que -le gain dans la cavitE Stokes atteigne une valeur suffisante pour convertir avec un bon rendement l'énergie à la fréque,nce laser en -énergie a la fréquence Stokes.Cet ajustement peut, s'effectuer pa-r réglage de la pre-ssion du milieu Raman (mélange gazeux d'hydrogène et d'argon par exemple) o.u de la longueur du milieu Raman. tors-du déclenchement du laser 11, la-cavité laser est vidée de son énergie en un temps égal ou inférieur au temps que me la lumière pour effectuer un aller et retour entre les miroirs 10a et 10b. La cavité Stokes étant peu surtendue, la, durée de vie des photons y est courte,et la durée de l'impulsion créée à la fréquence Stokes sera en conséquence égale à la duré-e d'extraction de l'énergie de la cavité laser. En d'autres termes, on voit qu'on a induit, dans le milieu-- Raman 12, placé dans la cavité laser, un gain-,donnant naissance à un faisceau Stokes capable de vider la cavité du -laser de son énergie en convertissant, en quelques nanosecondes et avec un re-ndement élevé, l'énergie électromagnétique à la fréquence laser en énergie électromagnétique à la fréquence Stokes. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'à partir d'un laser à rubis qui, en fonctionnement normal déclenché, fournit une impulsion de 30 à 40 ns, selon les conditions expérimentales, on a obtenu, à la sortie du miroir 13b, des impulsions Stokes de 3 à 6ns avec des rendements quantiques de conversion laser Stokes de 70% à 87X.. Le schéma d'un amplificateur est directement dérivé de la Figure 1 en supp-rimant les miroirs 13a et 13b ; l'énergie est alors extraite, à la fréquence Stokes, en un seul passage. La Figure 2 montre une variante de réalisation utilisant deux cavités Stokes imbriquées de façon à effectuer deux transferts d'énergie en cascade, Sur cette figure, où les éléments correspondant à ceux de la Figure 1 portent le même numéro de référence - la cavité laser est délimitée par les miroirs 10a et 1Qb, ayant un coefficient de réflexion à la fréquence laser proche de 100%, travaillant en incidence normale ; - la première cavité Stokes est délimitée par les miroirs 13a et 13b - la seconde cavité Stokes contenant un milieu Raman 17 placé dans une zone commune avec la première cavité, est délimitée par des miroirs 18a et 18b, le second (qui constitue la fenêtre de sortie) ayant un coefficient de réflexion de quelques pour cent et de très faibles absorptions à la seconde fréquence Stokes. Le dispositif de la Figure 2 doit évidemment comporter lui aussi des séparateurs permettant de dimensionner les cavités laser et Stokes indépendamment les unes des autres. Dans le mode de réalisation montré en Figure 2, ces séparateurs comprennent un premier miroir 19 présentant un coefficient de réflexion proche de 100% à la fréquence laser et un coefficient de transmission dépassant 95% à la fréquence Stokes de la première cavité. Le miroir 20, destiné à découpler les deux fréquences Stokes, a un coefficient de réflexion proche de 100% à la première fréquence Stokes et un coefficient de transmission supérieur à 95% à la seconde fréquence Stokes. Les miroirs 19 et 20 peuvent par exemple être constitués par des miroirs à traitement mu-lti diélectrique.Le troisième élément séparateur 21 reçoit la lumière aux trois fréquences qui interviennent dans le dispositif : dans le cas illustré, il doit savoir un coefficient de réflexion proche de 100% pour la fréquence Stokes dans la première cavité, et un coefficient de transmission dépassant 95% pour la fréquence laser et la fréquence Stokes de la second? cavité. Le mode de réalisation montré en figure 3 se différencie du précédent essentiellement en ce que la seconde cavité Stokes est munie d'une optique concentrique destinée à y augmenter le gain Raman. On retrouve sur cette figure le milieu laser 11, le premier milieu Raman 12 et le second milieu Raman 17. La cavité laser est délimitée par le miroir 10a et la face plane lOb, traitée pour présenter une réflexion proche de 100wu à la fréquence laser et une transmission dépassant 95% à la première fréquence Stokes, d'une lentille à plan convexe 22. La première cavité Raman est délimitée par un miroir plan 13a et un miroir concave, désigné par les deux références 13b et 18a car il délimite aussi la seconde cavité Raman. Ce miroir concave est traité de façon à avoir un coefficient de réflexion proche de 100% aux deux fréquences Stokes.Le milieu laser n'en est pas moins traversé par des faisceaux parallèles, la convergence provoquée par le miroir 13b étant compensée par la lentille plan convexe 22, dont la face convexe est traitée pour éviter les reflets à la première fréquence Stokes. Enfin, la seconde cavité Stokes est délimitée par le miroir 13b, 18a et la face avant 18b d'un ménisque convergent 23. La face interne concave 18b est traitée de façon à présenter une réflectivité faible, typiquement d'environ-4S, à la seconde fréquence Stokes. La face externe convexe du ménisque est traitée contre les reflets à la seconde fréquence Stokes. Le rayon de courbure du miroir 18a et de la face concave 18b est choisi en fonction de leur écartement pour constituer une cavité concentrique. Le découplage entre les deux cavités Stokes est assuré par un séparateur 24 constitué par un miroir ayant un coefficient de réflexion proche de 100% a la seconde fréquence Stokes et un coefficient de transmission dépassant 95% à la pre mière -fréquence Stokes. Tout milieu possédant une section efficace Raman suffisante peut être utilise dans ces dispositifs. Les gaz semblent être les plus avantageux eu égard aux problèmes de diffu-sion Brillouin stimulée. Dans le cas des- cavités Stokes imbriquées, les milieux Raman peuvent être de nature differente. L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes encore. En particulier, on peut imbriquer un nombre de cavites supérieur à trois pour obtenir des faisceaux Stokes successifs à des fréquences différentes, et ainsi réaliser un décalage de fréquence permettant notam- ment de constituer une source infrarouge. L'imbrication des cavités peut être- diffé-rente- de celle mentionnée cidessus. REVENDICATIONS 1. Procédé de création d'impulsions lumineuses brèves par compression temporelle de l'énergie d'un laser caractérisé en ce -qu'on introduit dans une cavité laser, avantageusement surtendue au maximun, un milieu Raman (12) associé à une cavité dimensionnée de façon à présenter un gain Stokes important et en ce qu'on extrai-t,-I'énergie du laser à la fréquence Stokes. 2. Dispositif de créa-tion de mono-impulsions de lumière de courte durée,. comprenant une cavité laser, carac térise en ce que dans la cavité laser, surtendue, est placé un milieu Raman (12) également inséré dans une cavité Stokes à faible surtension, capable de convertir l'énergie à la fréquence laser-en énergie a la fréquence Stokes. 3. Dispositif selon -la -revendication 2, caractérisé en ce que la cavité Raman est déll-mitGe par des miroirs tra- vaillant en incidence normale, dont l'un présente un coef:tei cient de réflexion proche de 100% à la fréquence Stokes tandis que-l'autre présente un coefficient de réflexion de quelques pour cent et de faible perte d'absorption à la fréquence Stokes. ,4. Disposit-if selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce.que le milieu Raman- (12) est encadré par des séparateurs (14, 15) 'destinés à orienter la, lumière à la fréquence laser y-ers. le laser de production d'énergie (11) et à découpler les cavités laser et Raman. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les séparateurs sont constitués par des miroirs ayant un coefficient de réflexion proche de 100% à l'une des fréquences laser et Stokes et un coefficient de transmission proche de 100% à l'autre fréquence. 6. Dispositif selon la revend.içation 4, caractérisé en -ce--qu'il utilise d.es moyens séparateurs autres que des miroirs. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un second milieu Raman placé dans une seconde cavité Stokes à faible surtension, imbriquée dans la première cavité de façon à provoquer un transfert d'énergie de la première fréquence Stokes à la seconde. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur et un ou piusieurs amplificateurs.