Brevet FR2580122A1 — publié le 19861010

Laser impulsionnel muni d'un dispositif permettant d'allonger les impulsions --La présente invention a pour objet un laser impulsionnel muni d'un dispositif permettant d'allon- ger les impulsions. Ses applications sont celles des lasers en général, et plus spécialement l'interaction laser-matière. Bien que l'invention s'applique à la plupart des lasers travaillant en régime impuLsionnel, elle concerne surtout les lasers émettant des impulsions brèves. C'est le cas notamment des lasers dits à exci- mères (ou exciplexes). Pour décrire le problème que permet de résoudre l'invention, on prendra ce type de lasers comme exemple, sans qu'il s'agisse là en aucune manière d'une limitation de la portée de l'invention. Pour une description générale des principes et les caractéristiques des lasers à excimères on pour- ra se reporter par exemple à l'article de J.J. EWING intitulé "Excimer Lasers" et publié dans "Laser Handbook" édité par M.L. STICH, NorthHolland Publ. Company, 1979, pp. 135-197. Les lasers à excimères ont des longueurs d'onde situées dans l'ultraviolet (avec KrF par exem- ple, la longueur d'onde est de 0,248 pm). Ils possèdent la propriété d'émettre leur rayonnement avec un rende- ment qui peut être compris entre 1 et 10%, à comparer au rendement de quelques pour mille des lasers à verre. Par ailleurs, le domaine de longueurs d'onde en ques- tion est très favorable à divers processus d'interac- tion laser-matière. Ces lasers présentent donc un réel intérêt. Ils sont capables de fonctionner en régime im- puLsionnel et, dans ces conditions, d'émettre de très fortes énergies. La méthode la plus efficace pour réaliser l'inversion de population, origine de l'effet laser, dans le mélange gazeux actif de ces Lasers, est d'uti- liser un ou plusieurs faisceaux d'électrons qui permet- tent d'obtenir une puissance d'excitation de 0,1 à MW/cm3. Pour un Laser à KrF par exemple (composition voLumique: Ar=95%, Kr=4,6%, F=0,4%), Le pompage est obtenu par des électrons d'énergie comprise entre keV et 1 MeV, avec des densités de courant de 10 à plus de 100 A/cm2. L'une des caractéristiques essentielles d'un excimère est La courte durée de vie de L'état excité impliqué (inférieure à 10 ns pour KrF*). Ceci conduit à une forte valeur de la section efficace d'émission sti- mulée (environ 10- 16 cm2) mais empêche Le stockage de l'énergie. L'extraction d'une quantité appréciable d'énergie d'un tel mitieu va donc nécessiter l'utiLisa- tion d'un temps de fonctionnement (pompage puis émis- sion laser) assez long (plusieurs centaines de nanose- condes). Puisque les lasers à excimères ne peuvent pas stocker l'énergie, cette dernière doit Leur être four- nie en permanence pendant toute la durée durant laquel- le on désire utiliser l'effet laser. Une chaine laser de puissance est ordinaire- ment constituée d'un générateur d'impulsions suivi de toute une série d'amplificateurs de puissance. Ce schéma reste valabLe pour les lasers à excimères, mais on doit prendre en compte la nécessité de disposer d'une impulsion de Longue durée pour obtenir une forte énergie et un bon rendement d'extraction de cette éner- gie. Bien qu'avec un laser à excimères, il soit possi- ble d'engendrer directement une impulsion de longue durée, 500 ns par exemple, iL est souvent plus efficace et moins coOteux d'obtenir cette impulsion à partir d'une impulsion mère, brève (20 ns) que peut facilement délivrer un laser à pompage par décharge disponible dans Le commerce, d'allonger cette impulsion mère puis de La porter à un niveau d'énergie donné. Pour allonger une impulsion brève, on peut utiliser un dispositif qui sépare d'abord l'impuLsion incidente en n impulsions (à l'aide de lames séparatrices) puis qui retarde ces n impulsions les unes par rapport aux autres d'un inter- valle égal à leur durée pour les rendre consécutives; puis on introduit ces n impulsions consécutives dans un amplificateur qui les porte au niveau d'énergie requis. Un tel dispositif est très complexe (multi- pies lames séparatrices, lignes à retard) et son régla- ge est difficile; il conduit, en outre, à attaquer l'amplificateur avec un éclairement faible. La présente invention propose un autre moyen d'allongement et d'amplification beaucoup plus simple. Ce moyen est en soi connu puisqu'il s'agit d'un ampli- ficateur en anneau, mais qui est utilisé d'une manière originale. L'association d'un laser osciLlateur et d'un amplificateur en anneau a été souvent utitisée pour amplifier une impulsion de laser tout en gardant la longueur d'onde, la polarisation, la cohérence du laser oscillateur. La théorie de ce dispositif est décrite notamment dans un article de C.J. BUCZEK et al. intitu- lé "Laser Injection Locking" publié dans "Proceedings of the IEEE", vol. 61, N 10, octobre 1974, pp. 1411-1431. Il faut observer attentivement que, dans ces équipements connus, la fonction remplie par l'amplifi- cateur en anneau n'est jamais d'allonger l'impulsion -émise par le laser oscillateur mais d'amplifier celle- ci tout en conservant ses caractéristiques et notamment sa durée. Les inventeurs ont trouvé que ce dispositif pouvait remplir une autre fonction, inattendue, qui est l'allongement de la durée de l'impulsion incidente à condition qu'une certaine relation soit satisfaite en- tre la durée de cette impulsion et le temps mis par la lumière pour parcourir l'anneau. Cette condition est que ce temps de parcours soit inférieur ou égal à la durée de l'impulsion incidente. Alors, l'impulsion émergeant de l'anneau présente une durée considérable- ment plus grande que celle de L'impulsion incidente, puisqu'elle devient égale au temps pendant lequel l'anneau est actif et capable d'amplification. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un laser impulsionnel muni d'un dispo- sitif d'allongement d'impulsions, caractérisé par le fait qu'il comprend un laser oscillateur et un amplifi- cateur en anneau, ce dernier possédant un temps de parcours Tp inférieur ou égal à la durée Te des impul- sions émises par l'oscillateur, cet anneau étant excité pour être amplificateur pendant une durée t très supé- rieure à Te, cet anneau recevant l'impulsion émise par l'oscillateur et délivrant une impulsion amplifiée et allongée de durée Ts sensiblement égale à t. Dans un mode de réalisation correspondant à un laser à excimères, la durée Te de l'impulsion émise par le laser oscillateur est de l'ordre de la dizaine de nanosecondes et la durée Ts de l'impulsion allongée émise finalement est de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes. Dans les définitions qui précèdent le terme "anneau" doit être pris dans un sens large qui inclut évidemment les structures à quatre éléments réfléchis- sants et à deux bras amplificateurs, qui sont parmi les plus courantes, mais aussi les structures à trois élé- ments réfléchissants, avec trois bras en triangle, ou même à deux éléments réfléchissants, ces derniers for- mant un anneau dégénéré (du type Perot-Fabry) o les deux bras amplificateurs sont confondus (le temps de parcours Tp est alors Le temps mis par La lumière pour accomplir un aLLer et retour dans le résonateur). De toute façon, Les caractéristiques de l'in- vention apparaîtront mieux après la description qui va suivre. Cette description se réfère à des dessins anne- xés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un laser selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme montrant la forme de l'impulsion délivrée par le laser de l'inven- tion, - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un laser selon l'invention. Le laser représenté sur la figure 1 comprend un laser oscillateur 10 et un dispositif d'allongement 20. Ce dernier comprend deux bras amplificateurs 22 et 24 excités par un moyen commun 26. Lorsqu'il s'agit de lasers à excimères, le moyen 26 est un générateur de faisceau électronique qui excite les deux bras 22 et 24. Le dispositif 20 comprend encore un résonateur en anneau formé de 4 miroirs M1, M2, M3 et M4, ce dernier étant une lame semi-transparente. On suppose que l'impulsion Ie qui entre dans l'anneau et qui est émise par l'oscillateur 10 a une durée Te et une intensité I. La lame M4 a un coeffi- cient de transmission T et un coefficient de réflexion R (on a donc T=1-R aux pertes près). Le gain du dispo- sitif 20, pour un tour complet et en régime permanent, a la valeur G. Le temps de parcours de l'anneau, soit Tp, est supposé égal à la durée Te. Le fonctionnement de cet équipement est alors le suivant. La lame M4 recevant l'impulsion d'intensité I réfléchit une part IR de cette impulsion et transmet la part complémentaire IT. Après un premier tour complet dans L'anneau ampLificateur, L'intensité du faisceau devient G1IT, o G1 est le gain pour les faibles si- gnaux. Le front avant de l'impuLsion amplifiée atteint la lame séparatrice M4 alors que le front arrière de l'impulsion incidente quitte cette même lame, puisque l'on a supposé par hypothèse que Te=Tr. La lame M4 recevant une impulsion d'intensité GI IT en transmet une part G1IT2 et en réfléchit la part complémentaire GI1ITR. Le faisceau réfléchi accomplit un nouveau tour dans l'anneau et se retrouve après un tour avec une intensité G1ITRG2, etc... o G2 est le gain correspondant à l'intensité du faisceau. Ce gain peut être plus faible ou plus élevé que G1 selon que l'in- tensité est plus forte ou plus faible. Le milieu ampli- ficateur contenu dans les bras 22 et 24 est un milieu à gain saturable. Cela signifie que l'intensité du rayon- nement qui le traverse ne peut croitre indéfiniment au cours des différentes amplifications. Pour une certaine intensité, le gain reste pratiquement constant et tel que G=1/R pour chaque parcours de l'anneau. La raison de ce phénomène de saturation tient à ce que, plus l'intensité du rayonnement est grande, plus ce rayonnement dépeuple le niveau supérieur de la transition laser, et cela par émission stimulée et plus l'inversion de population se trouve réduite. Au début du processus d'amplification, la quantité IT est inférieure à l'intensité de saturation et le gain G1 est grand. Le faisceau est amplifié et bien que R soit inférieur à 1, la quantité G1R est voisine de l'unité. Mais plus l'intensité du rayonne- ment parcourant l'anneau croît, plus le gain diminue (G2 G1, G3 G2, etc... ); il arrive nécessairement un moment o ce gain est juste suffisant pour entretenir l'intensité du rayonnement. Ce gain, que l'on pourrait appeler gain de boucle, et qui est noté G, est tel qu'après un tour complet, le faisceau se retrouve avec la même intensité. Ainsi, après une période transitoire brève (qui dépend des conditions opératoires), le rayonnement prend une intensité constante qui est GIT avant réfle- xion sur la lame M4 et GITR=IT après réflexion sur cette lame. Comme le front avant de chaque impulsion am- plifiée arrive sur la lame M4 à l'instant o le front arrière de l'impulsion précédente quitte la lame, il y a continuité de l'intensité lumineuse transmise par la lame et cette intensité demeure égale à GIT2. Ce processus se poursuit tant que le gain G est présent dans le milieu amplificateur, c'est-à-dire tant que les moyens 26 assurent le pompage des bras 22 et 24. Si la durée du pompage est t, la durée Ts de l'impulsion de sortie est de l'ordre de t. La figure 2 schématise ce fonctionnement en montrant l'allure de l'impulsion de sortie Is délivrée par l'anneau amplificateur. Cette impulsion présente un front avant de durée Te qui correspond à la réflexion de l'impulsion d'entrée Ie sur la lame M4; puis elle présente un long palier d'intensité GIT2 de durée Ts qui correspond à la suite continue des impulsions am- plifiées dans l'anneau. Des phénomènes transitoires peuvent apparaître lors des premiers passages, et modu- ler quelque peu l'intensité. On observera que, malgré la forme en cloche de l'impulsion incidente, l'impulsion émise par le dis- positif global présente un sommet plat. Le dispositif ne se réduit donc pas à un simple amplificateur, comme dans le cas de l'art antérieur. Ce changement de forme tient d'une part à la condition sur les durées (Te=Tr) et d'autre part au phénomène de saturation du milieu amplificateur qui impose au gain une valeur constante G (telle que GR=1). On peut dire en quelque sorte que l'impulsion de sortie est formée d'une suite d'impulsions jointives à sommet plat. Dans la description qui précède, il a été supposé que La condition Te=Tp était parfaitement sa- tisfaite. Cette condition n'est toutefois pas impérati- ve et l'on peut avoir Te légèrement supérieur à Tp, ce qui signifie qu'il y aura chevauchement partiel des différentes impulsions amplifiées tour après tour. La combinaison de ces impulsions dépendra alors d'une con- dition de phase (interférences). Il y aura superposi- tion si les champs sont en phase. Cette condition sera obtenue en donnant à la longueur de l'anneau une valeur correcte égale à un multiple de la longueur d'onde. La figure 3 montre un mode particulier de réalisation du dispositif amplificateur-allongeur de l'invention. Le laser oscillateur n'est pas représenté. Un faisceau 30 est introduit dans l'anneau amplificateur à travers une lame M4 (T=0,9 et R=0,1 par exemple); la partie transmise vient frapper un miroir M1; le faisceau réfléchi parcourt un bras amplifica- teur 32, se réfléchit sur un ensemble dièdre ou trièdre trirectangle 33 et parcourt un second bras amplifica- teur 34; le faisceau atteint alors la lame M4; une partie est réfléchie vers le miroir M1 et une partie complémentaire est transmise vers un miroir 36 qui renvoie le faisceau dans le volume 37 compris entre les deux bras amplificateurs 32 et 34; à l'extrémité opposée se trouve une optique réfléchissante convexe 38 qui renvoie le faisceau vers un miroir concave 40, lequel réfléchit le faisceau vers La sortie 42. Le système optique 38, 40 joue le rôle d'un dispositif afocal hors de l'axe, il n'y a donc pas d'obturation du faisceau. Le dispositif comprend en outre deux hublots 44 et 46 qui ferment une enceinte 48 remplie de gaz (avec une composition telle qu'indiquée plus haut); ce gaz est excité par un faisceau d'électrons 50 provenant d'un générateur 52 et injecté dans le volume 48 à tra- vers une feuilLe mince 54. Le faisceau d'électrons occupe la totalité des volumes 48, 32, 34 et 37. Le dispositif représenté comprend ainsi deux parties distinctes: à sa base, un anneau dans lequel se produit L'allongement de l'impulsion conformément au mécanisme décrit à propos des figures 1 et 2; dans la partie supérieure des zones d'amplification correspon- dant aux-volumes 37 et 48. Eventuellement, un élément biréfringent 60 peut être disposée dans l'anneau, de préférence dans une zone o l'intensité est faible, c'est-àdire juste après la lame M4. La polarisation de la lumière se trouve alors être modifiée à chaque tour. Dans le cas d'une rotation de 90 on évite ainsi les problèmes d'interférences en cas de recouvrement. L'utilisation d'une cellule de Pockels comme élément biréfringent permet en outre de faire du multiplexage temporel. On peut aussi légèrement désaligner l'anneau en ne rendant pas exactement parallèles les deux bras amplificateurs. Le faisceau de sortie se trouve alors légèrement décalé angulairement à chaque tour, ce qui permet de faire du multiplexage spatial. L'emploi de trièdes trirectangles, ou d'un nombre impair de miroirs, ou d'un filtrage spatial est commode car ce dispositif permet non seulement de ren- voyer la lumière dans une direction parallèle à la di- rection incidente, mais également de retourner spatia- lement le faisceau, ce qui l'homogénéise dans le cas o l'amplification n'est pas parfaitement uniforme dans le milieu. Après cette description, on comprend bien comment, dans l'invention, les mécanismes d'amplifica- tion et d'allongement sont intimement mêlés. Dans les systèmes de l'art antérieur évoqués plus haut avec les lames séparatrices, lignes à retard et amplificateur, les fonctions d'allongement et d'amplification sont séparées. Il en résulte des réglages beaucoup plus complexes que dans l'invention o ces fonctions sont remplies par un seul et même moyen: l'anneau amplifi- cateur. Le seul réglage à prévoir est la Longueur de celui-ci. REVENDICATIONS 1. Laser impulsionnel muni d'un dispositif d'allongement des impulsions, caractérisé par le fait qu'il comprend un laser oscillateur (10) et un amplifi- cateur en anneau (20), ce dernier possédant un temps de parcours Tp inférieur ou égal à la durée Te de l'impul- sion émise par l'oscillateur, cet anneau étant excité pour être amplificateur pendant une durée t très supé- rieure à Te, et recevant l'impuLsion émise par l'osciL- lateur et délivrant une impulsion amplifiée et allongée de durée Ts sensiblement égale à t. 2. Laser selon la revendication 1, caractéri- sé par le fait que la durée Te de l'impulsion émise par le laser oscillateur (10) est de l'ordre de la dizaine de nanosecondes et la durée Ts de l'impulsion allongée émise par l'anneau (20) est de l'ordre de quelques cen- taines de nanosecondes. 3. Laser selon la revendication 1, caractéri- sé par le fait que le dispositif en anneau (20) com- prend quatre éléments rélféchissants (M1, M2, M3, M4) placés aux extrémités de deux bras amplificateurs pa- rallèles (22, 24), l'un de ces éléments (M4) étant en outre semitransparent, l'impulsion émise par le laser oscillateur (10) étant introduite dans l'anneau (20) à travers cet élément semi-transparent (M4). 4. Laser selon la revendication 3, caractéri- sé par le fait qu'il comprend au-dessus de l'anneau un volume amplificateur (37, 48) excité comme Les bras am- plificateurs (32, 34) de l'anneau, l'impulsion transmi- se par la lame semi-transparente traversant au moins une fois ce volume amplificateur (37, 48) avant sa sor- tie définitive. 5. Laser selon l'une quelconque des revendi- cations I à 4, caractérisé par le fait que le laser oscillateur et l'amplificateur sont du type à excimè- res.