Brevet FR2556890A1 — publié le 19850621

La présente invention concerne un laser à déclen_ chement, comprenant, dans une cavité, une cellule d'un gaz d'amplification et une cellule d'un gaz d'absorp- tion, des moyens d'excitation du gaz d'amplification et 5 des moyens d'excitation du gaz d'absorption. Quand une cellule contenant un gaz absorbant est pla- cée dans la cavité d'un laser, l'émission laser, normale- ment continue, peut être convertie en une émission pulsée, sous réserve qu'il s'agisse d'un absorbant saturable dont 10 le paramètre de saturation est comparable à l'intensité circulant dans le laser. Cette conversion a été désignée sous l'appellation de "déclenchement passif de Q", ou "passive Q - switching", o Q est le coefficient de qualité. 15 Pour pulser par exemple un laser C02, on a déjà, dès 1967, proposé l'hexafluorure de soufre, le propylène, l'acide formique, et même le gaz carbonique C02, ou un mélange contenant ce gaz, selon la longueur d'onde de l'émission laser. 20 Quand on adopte le gaz carbonique comme agent de pul- sation d'un laser C02, la transition d'absorption et la transition d'émission laser mettent en jeu les mêmes ni- veaux vibrationnels. En outre, le gaz carbonique de pul- sation doit être chauffé pour peupler le niveau d'absorp- 25 tion, ce gaz n'étant pas absorbant dans son niveau fondamental. On remarquera ici que le déclenchement passif d'un laser C02 par le même CO ne nécessite pas de réseau dans la cavité, puisque, aussi bien à l'amplification qu'à 30 l'absorption, la transition s'effectue entre les deux mêmes niveaux, le problème de la coïncidence des raies d'émission et d'absorption ne se posant donc pas. De façon générale, la cadence des impulsions d'un laser à déclenchement passif dépend de la nature du gaz 35 de déclenchement, ou de pulsation, de son coefficient 2 d'absorption, de sa température, de sa pression et de l'in- tensité lumineuse du laser. On explique le déclenchement passif d'un laser de la manière suivante : 5 Une émission spontanée et stimulée arrive sur le gaz absorbant. Celui-ci résiste tout d'abord à l'aveuglement (bleaching) de cette émission, notamment par transfert d'énergie de collision au niveau d'absorption. L'émission laser est ainsi empêchée.Quand l'émission spontanée et 10 stimulée devient suffisamment intense et arrive finalement à traverser l'absorbant, cette émission induit un état de transparence, la population aux deux niveaux de la transi- tion de l'absorbant étant la même, et l'émission devient une émission laser. Le laser libère alors toute 15 son énergie; au cours de la pulsation, et après relaxa- tion dE molécules, le niveau inférieur de la transition de l'absorbant se repeuple jusqu'à ce qu'il redevienne opaque et ce phénomène se poursuit à nouveau et ainsi de suite. 20 On sait depuis longtemps réaliser des lasers à déclen- chement passif comprenant, dans une cavité, une cellule d'amplification et une cellule d'absorption, par exemple à C02, ou un mélange de C02 et d'un autre gaz, une source de puissance continue pour l'amplification et une source 25 de chauffage pour l'absorption. Toutefois, la cadence des pulsations émises par les lasers à déclenchement passif réalisés jusqu'ici n'est pas rigoureusement constante, un décalage aléatoire ou sautil- lement (jitter) entre les pulsations successives se pro- 30 duisant d'une période à une autre en raison du démarrage aléatoire de l'émission laser. Bien qu'on ait déjà proposé de réguler la cadence moyenne des pulsations d'un laser à déclenchement passif en faisant par exemple varier l'intensité lumineuse du 35 laser, cette régulation par variation d'intensité n'a 3 jamais pour autant réglé cette question de jitter. C'est cette question que la présente invention se propose de traiter. A cet effet, la présente invention concerne un laser 5 à déclenchement,- comprenant, dans une cavité, une cellule d'un gaz d'amplification et une cellule d'un gaz d'absorption, des moyens d'excitation du gaz d'amplifica- tion et des moyens d'excitation du gaz d'absorption, caractérisé par le fait que les moyens d'excitation du 10 gaz d'absorption comprennent une source de tension alter- native à fréquence radio, pulsée à une cadence prédéterminée. De façon surprenante, la demanderesse a constaté qu'il était donc possible de contrôler 15 le laser à déclenchement en contrôlant la cadence des pulsations de la source d'excitation de la cellule d'absorption, et cette constatation était d'ail- leurs d'autant plus surprenante que le gaz d'une cellule d'absorption n'avait jamais été excité autrement que par 20 une source de chauffage. Le phénomène de jitter dans l'émission laser n'est alors plus limité que par celui des pulsations de la source, c'est-à-dire qu'il est négligeable. De même, la modulation pulsée d'une absorption du C02 en dehors de la cavité laser, conduit à de mauvais rendements. 25 De façon générale, la demanderesse a également cons- taté qu'il était possible de peupler un niveau d'absorp- tion d'un gaz par excitation radio-fréquence, sans pour autant qu'elle soit pulsée, ce qui présente l'avantage, par exemple dans le cas du laser C02, d'en maitriser 30 électriquement la puissance optique. Il est toujours plus facile, en effet, de contrôler la puissance d'une source de tension que la température d'une source de chaleur. Or c'est grâce au contrôle de cette puissance, et bien enten- du de la pression du gaz, qu'il est possible de contrôler 35 le peuplement du niveau d'absorption du gaz absorbant, 4 qui ne doit pas être trop excessif pour que la saturation se produise. En outre, il suffit dlinterrompre l'excitation radio- fréquence pour interrompre l'absorption dans le laser et 5 que son émission devienne continue, à sa puissance nominale. Dans une forme de réalisation préférée du laser de l'invention, les gaz des cellules d'amplification et d'absorption sont les mimes, avec les avantages déjà men- tionnés plus haut, à savoir coïncidence systématique des 10 raies d'émission et d'absorption et donc non nécessité d'un réseau dans la cavité, peuplement du niveau inférieur de la transition commune. La présente invention sera mieux comprise à la lec- ture de la description suivante d'une forme de réalisation 15 préférée du laser de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 représente le schéma simplifié du laser; la figure 2 représente la courbe de variation du coefficient de transmission en fonction de la pression du 20 gaz d'absorption, pour une excitation radio-fréquence continue; la figure 3 représente la variation dans le temps du signal optique du laser, pour une excitation radio-fréquence continue, et 25 la figure 4 représente la variation dans le temps du signal optique du laser, pour une excitation radio-fré- quence pulsée. Le laser à déclenchement électrique représenté schéma- tiquement sur la figure 1 comporte, dans une enveloppe 30 métallique extérieure, non représentée, et fermée à ses deux extrémités par deux miroirs 1 et 2, et formant cavité résonante d'une longueur de quelques dizaines de centimètres, une première cellule 3 dite d'amplification et une deuxième cellule 4 dite d'absorption. 35 A la première cellule d'amplification 3 est associée .5 une source d'alimentation pour le pompage électrique et l'émission laser de cette cellule. Bien que, dans l'exemple considéré, ce pompage soit obtenu à partir d'un guide 5 excité par un champ à fré- 5 quence radio, en l'occurrence à 80 MHz, transverse, ali- menté par une source 6 et un circuit d'adaptation d'im- pédances 7, il aurait été également possible de prévoir d'autres moyens de pompage. A la deuxième cellule d'absorption 4 est associée une 10 autre source d'excitation 8, en l'occurrence une seconde source de tension alternative à fréquence radio, à 80 MHz, dont l'amplitude est pulsée de façon connueà une cadence déterminée. Il faut noter que les fréquences d'excitation des deux cellules n'ont pas à être forcément les mêmes. 15 Deux électrodes 9, 10 sont reliées respectivement aux deux bornes de la source 8, l'électrode 10 par l'intermé- diaire d'une impédance d'adaptation 11, et sont disposées sur la paroi externe de la cellule 4 en s'étendant sur pratiquement toute la longueur de la cellule. Il s'agit 20 donc ici d'une excitation transverse, mais on aurait éga- lement pu prévoir une excitation longitudinale. Les parois internes de la cellule peuvent constituer également un guide de quelques centimètres de long. En ce qui concerne l'impédance 11, sa valeur ne peut 25 être qu'approximative, car l'impédance du plasma varie beaucoup en fonction de la pression. Dans le cas d'une cellule d'une capacité de 9 pF, l'impédance comportera une self d'accord de 0,44xH, et un condensateur d'accord ajusté pour abaisser le taux d'onde stationnaire au minimum. 30 Les extrémités de la cellule d'amplification 3 et de la cellule d'absorption 4 tournées l'une vers l'autre sont fermées par deux fenêtres anti-reflet 12, 13. Au plan structurel, les cellules 3 et 4 peuvent &tre réalisées en technologie assemblée, sandwich ou couvercle, 35 ou avantageusement dans une même technologie monolithique, 6 conformément à la demande de brevet français n 8 212 147 au nom de la demanderesse. Dans l'exemple considéré, la molécule active du gaz absorbant saturable est le gaz carbonique C02, bien que 5 d'autres molécules auraient pu être adoptés. Toujours dans cet exemple, la molécule active du gaz laser est également C02, mais l'invention s'appliquerait tout aussi bien à d'autres lasers moléculaires. La courbe de la figure 2 illustre la variation du I 10 coefficient de transmission I de C02 en fonction de sa o pression, pour une excitation radio-fréquence continue. Il s'agit d'une expérience, extra-cavité, la cellule étant éclairée par un faisceau laser de 650 mW, avec une longueur excitée d'environ 20 cm. Jusqu'à une pression 15 d'environ 40 mbars, C02 provoque d'abord une amplification. Au-delà, le gaz est bien absorbant, et aux environs de 60 mbars, le coefficient de transmission est d'environ 0,9. Il a été constaté que la puissance de l'excitation à fréquence radio ne modifiait pas notablement le coeffi- 20 cient d'absorption, une fois que le plasma était amorcé. En excitation pulsée de la cellule d'absorption, et pendant une impulsion donnée de cette excitation, l'ab- sorption devient prépondérante au-delà d'une pression de gaz déterminée. En outre, cette pression ne doit pas non 25 plus dépasser un certain seuil, au-delà duquel le plasma ne pourrait plus être amorcé. Cette plage de pressions admissibles s'étend sensiblement de 20 mbars à 50 mbars. La figure 3 représente, avec plusieurs périodes de balayage superposées, le signal optique du laser à déclen- 30 chement passif de la figure 1, la cellule d'absorption 4 étant soumise à une excitation radio-fréquence continue, dans le cas considéré avec une pression de C02 de 30 mbars, optimisée pour la géométrie d'une cellule de 4x4x50 mm3. Comme dans les lasers de l'art antérieur, par exemple 35 avec une cellule d'absorption à l'hexafluorure de soufre 7 SF6, le phénomène de jitter se produit, et se visualise sur un oscilloscope par l'enregistrement de plusieurs périodes de balayage. Sur la figure 4, est encore représenté le signal 5 optique de ce laser, mais avec une excitation de la cel- lule d'absorption pulsée à 100 kHz. Le déclenchement du laser est accroché sur les pulsations de l'excitation, sans phénomène de jitter perceptible. Toutefois, un dé- phasage a lieu entre les impulsions du signal optique et JO celles du signal électrique, d'ailleurs variable en fonc- tion des conditions de fonctionnement. L'expérience a en outre montré que cet accrochage pouvait se poursuivre jusqu'à une cadence d'environ 200 kHz des impulsions du signal électrique, et depuis une cadence de 10 kHz. 15 De façon précise, à une cadence de 100 kHz du signal électrique, la puissance lumineuse moyenne du laser est cinq fois plus faible que sa puissance crête, celle-ci étant 2,5 fois plus grande que la puissance du laser en excitation radio fréquence continue. 20 On notera que lorsque la puissance de la source d'ex- citation de la cellule d'absorption augmente, la cadence du Q-switch diminue. Les avantages du laser décrit ci-dessus sont les suivants : - 25 - le déclenchement électrique dans C02 ne dépend pas de la raie d'émission; le fonctionnement en déclenchement passif se produit au voisinage du centre du profil de gain de la raie d'émis- sion considérée; 30 - un réseau n'est pas nécessaire dans la cavité résonante; - le laser peut fonctionner également avec des variétés isotopiques d'une même molécule, sous réserve que celles- ci occupent à la fois la cellule d'amplification et la cellule d'absorption; 35 - le pilotage de la cadence de déclenchement est aisé, 8 cette cadence étant indépendante de la puissance d'émis- sion du laser; - le mode déclenché peut être interrompu à tout moment et très facilement sans modifier notablement sa puissance 5 de fonctionnement continu; - la cellule d'absorption peut être utilisée, avec une excitation à fréquence radio de puissance plus faible, comme régulateur de puissance d'émission du laser en fonctionnement continu. 10 Le laser tel qu'il vient d'être décrit peut avoir de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la détection active infra rouge. REVENDICATIONS 1 - Laser à déclenchement, comprenant, dans une cavité, une cellule d'un gaz d'amplification (3) et une cellule d'un gaz d'absorption (4), des moyens (7) 5 d'excitation du gaz d'amplification et des moyens d'excitation du gaz d'absorption, caractérisé par le fait que les moyens d'excitation du gaz d'absorption comprennent une source (8) de tension alternative à fréquence radio. 2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé par 10 le fait que la source de tension (8) de la cellule d'ab- sorption (4) est pulsée. 3 - Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la puissance de la source de tension (8) peut être contrôlée. 4 - Laser selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé par le fait que les gaz des cellules d'amplifica- tion (3) et d'absorption (4) sont les mêmes. 5 - Laser selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé par le fait que le gaz de la cellule d'absorption 20 (4) est du C02. 6 - Laser selon l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé par le fait que les molécules des gaz des cellules d'amplification (3) et d'absorption (4) sont des variétés isotopiques d'une même molécule. 7 - Laser selon l'une des revendications 2 à 6, carac- térisé par le fait que la source de tension (8) est pulsée à une cadence comprise sensiblement entre 10 et 200 kHz.