Brevet FR2586306A1 — publié le 19870220

Dispositif d'amplification de puissance lumineuse comportant une boucle à recirculation L'invention a pour objet un dispositif d'amplification de puissance lumineuse. permettant de disposer d'impulsions de lumière de puissance supérieure à celle d'une source d'alimentation. Elle trouve une application chaque fois que la lumière n'est utilisée que sous forme d'impulsions et notamment d'impulsions brèves. alors que la source est susceptible de fonctionner en continu. On connait déjà des dispositifs d'amplification de puissance lumineuse. utilisant une source primaire (laser déclenché par exemple) et des eléments actifs amplificateurs interposés sur le trajet de la lumière et utilisant 1 effet laser ou l'effet Raman. Ces dispositifs ne permettent pas d'augmenter la puissance instantanée fournie directement à partir de la source primaire. L'invention vise à fournir un dispositif d'amplification de puissance lumineuse répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. notamment entre qu'il réalise une véritable compression temporelle de l'énergie fournie par la source. Dans ce but, l'invention propose- un dispositif comportant une source de lumière continue et un coupleur passif d'introduction de la lumière émise par la source dans une boucle optique à recirculation, caractérisé en ce qu'un déflecteur actif est interposé sur la boucle et associé à des moyens de commande permettant d'expulser l'énergie lumineuse circulant dans la boucle par impulsions séparées par un intervalle de temps correspondant à plusieurs durees de parcours de la boucle. Le coupleur passif sera généralement constitué par un coupleur en Y fortement dissymétrique. Lorsque la source utilisée est un laser à gaz, la lumière provenant de la source pourra être appliquée au coupleur par l'intermédiaire d'une optique de concentration et d'une fibre optique monomode, tandis que la boucle elle-meme sera constituée par une fibre multimode. Le déflecteur sera généralement de type acoustooptique ou electro-optique, ce dernier ayant l'avantage d'un temps de montée de modulation plus faible d'à peu près un ordre de grandeur. La longueur requise pour la boucle dépendra notamment du temps de montee du déflecteur actif : dans le cas d'un déflecteur acousto-optique ayant un temps de montée de modulation de l'ordre de 100 ns, il faudra environ 100 m de fibre optique dans la boucle pour que la puissance- de sortie soit un multiple de la puissance injectée. Dans le cas d'un déflecteur de sortie constitué par un modulateur électro-optique, il suffira souvent de quelques mètres de fibre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif d'amplification selon un mode particulier d'exécution de l'invention, sans amplification autre que celle due à la recirculation dans une boucle, - la Figure 2 est un schema montrant une constitution possible du dispositif de la Figure 1, - la Figure 3 est un chronogramme montrant la forme des impulsions de sortie susceptibles d'être obtenues dans le cas d'un déflecteur constitué par un modulateur acousto-optique, - la Figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif constituant un autre mode d'exécution, utilisant une amplification supplémentaire par effet Raman. Le dispositif d'amplification dont la constitution de principe est montrée en Figure 1 comporte un coupleur 10 à faible perte, à deux entres 11 et 12 et une sortie 13. L'une des entrées 11 reçoit une amenée de lumière 14 depuis une source continue 15, qui sera gQné- ralement un laser à émission continue. La sortie 13 est reliée à l'entrée 12 par une boucle d'accumulation de lumière 16, constituée par un tronçon de fibre optique. Sur la boucle 16 est placé un déflecteur actif 18 qui. au repos, permet à la lumière de circuler dans la boucle et, lorsqu'il est excité par un signal appliqué sur une entrée 20, envoie la lumière vers un récepteur 22. Le déflecteur 18 étant maintenu au repos, l'in tensité lumineuse In qui circule dans la boucle 16 au bout d'une durée correspondant à n fois le temps de parcours de la boucle est 1n = IoRr (1 + R2 + R22 + * + Rn2 > Io étant l'intensité de la source, R1 le rendement de couplage de l'entrée 11 vers la sortie 13, R2 le rendement de couplage de l'entrée 12 vers la sortie 13. Cette intensité tend vers une valeur limite qui est pratiquement atteinte au bout de quelques passages 10 R1/(1-RZ) (1) La formule (1) ne tient pas compte de tous les éléments, et notamment du taux de transmission R3 de l'ensemble des dioptres rencontrés et de l'atténuation A provoquée par un parcours de la boucle.Si on tient compte de tous ces facteurs et du rendement d'extraction R4 du déflecteur actif 18, l'intensité instantanée maximale I qu'il est possible d'extraire de la boucle est I = 10 R1 R4 A/(1 R2R3) (2) On voit que, pour obtenir une intensité I maximale, il faut utiliser un coupleur ayant des rendements R1 et R2 aussi proches que possible de l'unité, ce qui implique un coupleur très dissymétrique à faible perte, et un taux de transmission R3 également proche de 1. ce qui implique de prévoir sur les dioptres un traitement antireflet à la longueur d'onde de la source 15 qui sera en règle générale monochromatique. La recherche d'une valeur élevée de R1 et R2 conduira généralement à adopter un coupleur dont l'entrée 11 reçoit la lumière par l'intermédiaire d'une fibre optique monomode, de très faible diamètre, tandis que la boucle 16 sera constituée en fibre optique multimode. La disposition retenue peut être celle illustrée en Figure 2 dans le cas où la source 15 est constituée par un laser à gaz, qu'on supposera par la suite être un laser hélium-néon fournissant une raie à 633 nm, avec une puissance lumineuse qui, à l'heure actuelle, ne dépasse pas 50 mW. Le faisceau de sortie du laser 15 est concentré sur la tranche terminale de la fibre monomode 14 par une lentille 24. La boucle 16 elle-meme peut etre en deux tronçons 16ê et 16k entre lesquels est interposé le déflecteur 18. Ce dernier peut notamment être un modulateur acousto-optique dont le matériau présente une bande passante large et est optimisé pour la longueur d'onde du laser.On peut notamment utiliser Pb Mo 04 ou As 2 S3. Une première lentille 26 focalise la sortie du tronçon 16ê sur l'entrée du modulateur 18. Une seconde lentille 28 reprend la lumière de sortie d'ordre 0 et la concentre sur la tranche d'entrée du tronçon 169. L'application, sur l'entrée 20. d'une onde haute fréquence sinusoïdale permet de faire sortir la lumière suivant l'ordre 1 vers le récepteur 22. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'il existe des coupleurs pour lesquels on a R1 = 0,86 et R2 = 0,90. Le taux de transmission de l'ensemble des dioptres peut être de l'ordre de R3 = 0.90. ainsi que le rendement optique R4 du modulateur acousto-optique 18. Le temps de montée du modulateur étant proche de 100 ns, il est nécessaire de donner à la fibre une longueur d'environ 100 m. Dans le cas où la fibre présente une atténuation d'environ 20 d8/km. on peut obtenir une intensité instantanée I sensiblement égale à 3 10 en prévoyant cinq parcours de la boucle entre impulsions de sortie successives. Le chronogramme donnant la variation de l'intensité de sortie en fonction du temps. pour une durée t = 100 ns, est alors celui de la Figure 3. Dans le cas de l'emploi d'un laser hélium-néon, on peut ainsi obtenir des impulsions dont la puissance instantanée dépasse 100 mW. A titre d'exemples d'application d'un tel dispositif, on peut notamment citer les installations dans lesquelles il est nécessaire de disposer d'impulsions laser de puissance élevée. Le doublement de la puissance de la source permet en télécopie, en impression, en enregistrement sur video-disque, de réduire le temps d'inscription requis ou d'utiliser une puissance laser de la source plus faible. ce qui augmente la durée de vie. On peut également diminuer le temps d'analyse de signaux analogiques et/ou numériques de débit faible ou moyen et le temps d'analyse, grâce à l'augmentation de la puissance de crête disponible. Le déflecteur peut etre un organe autre qu'un modulateur acousto-optique. On peut en particulier utiliser un déflecteur électro-optique. qui a l'avantage d'un temps de montée plus faible qu'un modulateur acousto-optique. d'environ un ordre de grandeur. Dans ce cas, il suffira d'une boucle de quelques mètres pour obtenir une amplification du même ordre de grandeur que ci-dessus. Au lieu d'un laser à gaz, le dispositif peut comporter une diode laser. Mais dans ce cas. l'importance de la perte d'insertion dans une fibre monomode pourra conduire à accoler directement la diode laser au coupleur. Un dispositif suivant un autre mode de realisation de l'invention incorpore un élément actif d'amplification s'ajoutant à l'élément passif constitué par la boucle. On connait déjà de tels éléments actifs, qui ont notamment été utilisés pour effectuer de la compression d'énergie d'impulsions laser ou pour augmenter le nombre d'impulsions successives disponibles à partir d'une seule impulsion de déclenchement, Dans le cas présent, la fonction remplie par l'élément actif est complètement différente. La Figure 4 montre un dispositif constituant un exemple de ce second mode de réalisation. Sur cette Figure, les éléments correspondant à ceux déjà montrés en Figure 2 sont désignés par le même numéro de référence. Ils comportent encore une source 15 qui peut être constituée par un laser à gaz, alimentant la boucle 16 à une longueur d'onde de signal As. La boucle traverse un coupleur 18 qui, cette fois, devra avoir une constitution monomode pour des raisons de confinement de l'entre gie Raman. L'emploi de cette fibre monomode 16a. 16b exclut de son côté l'emploi d'un coupleur 10 fortement dissymétrique. Les pertes internes à la boucle sont compensées et l'amplification est fournie par le gain Raman obtenu à l'aide d'une seconde source 30 fonctionnant à la longueur d'onde de pompe Ap. L'amplification par intégration doit porter cette fois sur plusieurs dizaines de circulations dans la boucle, et non pas sur quelques boucles, ce qui conduit à adopter un intervalle de temps entre impulsions qui n'est plus de l'ordre de 5 T, comme dans le cas de la Figure 2, mais plutôt de l'ordre de 50 T. Le déflecteur 18. qui peut encore être de type acousto-optique ou électro-optique, doit cette fois être optimisé de façon à défléchir au mieux la longueur d'onde de signal As. On a representé en tirets sur la Figure 5 l'orientation prise par la lumière de sortie à longueur d'onde As lorsque le modulateur est excité. Naturellement, cette excitation provoque également la déflection de la lumière à longueur d'onde ,,p circulant en sens inverse de la boucle, mais cela est sans inconvenient. REVENDICATIONS 1. Dispositif comportant une source de lumière continue et un coupleur passif d'introduction de la lumière émise par la source dans une boucle optique à recirculation, caractérisé en ce qu'un déflecteur actif -(18) est interpose sur la boucle et associé à des moyens de commande permettant d'expulser l'énergie lumineuse circulant dans la boucle par impulsions séparées par un intervalle de temps correspondant à plusieurs durées de parcours de la boucle (16). 2. Dispositif selon la revendication 1, carac térisé en ce que le coupleur positif est un coupleur en Y fortement dissymétrique (10). 3. Dispositif selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que, la source (15) utilise étant un laser à gaz, la lumière de la source est appliquée au coupleur par l'intermédiaire d'une optique de concentration (24) et d'une fibre optique monomode ( tandis que la boucle elle-meme est constituée par une fibre multimode. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des moyens d'amplification par effet Raman interposés sur la boucle. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coupleur réalise un couplage entre deux tronçons d'une meme fibre optique monomode dont une extrémité est couplée à la source à longueur d'onde As et dont l'autre extrémité est couplée à une source à longueur d'onde de pompage Ap. 6. Dispositif selon la revendication 1-à 5, caractérisé en ce que le déflecteur est du type acoustooptique ou électro-optique.