Brevet FR2587125A1 — publié le 19870313

Procédé et dispositif pour augmenter la densité de puissance d'un faisceau laser haute énergie et focalisé. L'invention concerne un procédé pour augmenter la densité de puissance au foyer d'un faisceau laser sortant d'un résonateur instable à foyer commun, avec un front d'onde rectifié sphériquement, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. On utilise dans la technologie des lasers à gaz haute énergie un résonateur dit instable pour pouvoir exploiter un volume de gaz excité aussi important que possible. La structure de la répartition de la l'intensité dans la section de forme annulaire que l'on constate dans le champ proche du faisceau laser autour d'un centre exempt de rayon - avec une géométrie annulaire déterminée par la géométrie du miroir de sortie du résonateur - conduit dans le champ lointain à une intensité pulsante sur le rayon de la section du faisceau. Le maximum de l'intensité, qui est plus faible que dans le cas de la focalisation d'un faisceau de section de forme gaussienne, est situé au centre de ce faisceau et oscille un certain nombre de fois, après chaque fois une chute rapide jusqu'à la valeur zéro, avec une amplitude qui diminue graduellement. Hais en dépit d'amplitudes plus faibles dans les premières surfaces annulaires entourant le centre, on constate dans l'ensemble, du fait que l'aire d'une surface annulaire augmente au carré par rapport au rayon, sensiblement la même puissance dans chacune d'elles que dans la section centrale à haute énergie du faisceau. On peut montrer que dans le front d'onde du champ lointain apparaît toujours un changement brusque de phase d'environ le quart de la longueur d'onde aux endroits o la répartition radiale de l'intensité dans la section du faisceau passe par la valeur zéro. Par la focalisation, les intensités du faisceau qui apportent en premier lieu une contribution au point focal ne sont cependant que celles qui présentent une répartition continue et gaussienne de changement de phase dans le front d'onde. Connaissant ces données, l'invention a pour but d'augmenter sensiblement l'intensité au foyer d'un faisceau laser haute énergie à mode instable pour un coût constructif aussi réduit que possible. Selon l'invention, ce but est atteint essentiellement, en ce qui concerne le procédé, en faisant en sorte que les régions individuelles de forme annulaire de la section du faisceau subissent un retard par rapport à leur région respectivement voisine en direction du centre du faisceau, de manière à compenser sensiblement des changements brusques de phase dans la répartition de l'intensité sur le rayon de la section du faisceau. En ce qui concerne le dispositif, l'invention est caractérisée par le fait que l'on dispose sur le parcours de propagation du faisceau un miroir dont la surface réfléchissante comprend des régions individuelles montant en formant des gradins en direction de la région centrale. Grâce à cette solution, on fait disparaftre dans la section du faisceau de champ lointain les changements brusques de phase qui apparaissent aux positions zero de l'intensité en faisant en sorte que les sections de forme annulaire individuelles du faisceau subissent un retard étagé qui est sensiblement du quart de leur longueur d'onde; d'o il résulte dans la partie éloignée du faisceau ainsi corrigée et compensée une répartition de phase continue de type gaussien. Par la focalisation, les puissances partielles qui sont situées radialement au-delà du premier changement brusque de phase contribuent dès lors également à l'intégrale de l'intensité, et bien que ne présentant dans l'absolut qu'une relativement faible intensité apportent par intégration une importante contribution à l'intensité au foyer en raison de la géométrie de forme annulaire de ces régions individuelles de la section du faisceau. Avantageusement, le retard par zone permettant la compensation du changement brusque de phase est réalisé purement par réflexion, c'est-àdire par exemple au moyen de miroirs laser métalliques refroidissables. Ceux-ci comprennent une surface réfléchissante à zones étagées, ce qui fait que les régions individuelles de la section du faisceau incident sont réfléchies sur des parcours différents et de ce fait sont déphasées. La fabrication précise de la surface étagée du miroir est relativement non critique du fait que les hauteurs individuelles des plateaux sont de l'ordre de grandeur de quelques microns et sont de ce fait supérieures d'au moins une puissance de dix à la précision de la fabrication de surfaces de miroirs laser que l'on atteint actuellement par exemple avec le procédé de corrosion. En ce qui concerne l'invention, il ne s'agit donc pas de la déformation connue et variable dans le temps du front d'onde d'un faisceau au moyen de régions déformables de la surface d'un miroir dit MDA pour compenser des influences atmosphériques perturbatrices sur la propagation d'un faisceau déjà focalisé provenant d'une énergie rayonnante momentanément réfléchie. D'autres variantes et perfectionnements ainsi que d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, avec référence au dessin qui représente d'une façon esquissée et fortement abstraite un mode de réalisation d'un dispositif de l'invention destiné à la mise en oeuvre du procédé. Sur le dessin: la figure 1 est une représentation qualitative de la répartition typique de l'intensité d'un faisceau laser de mode instable, avec des changements brusques de phase aux positions zéro de l'intensité, par rapport au rayon de la section d'un faisceau dans le champ lointain corrigé sphériquement, et la figure 2 est une vue en coupe d'un miroir à surface de réflexion en gradins pour la compensation des changements brusques de phase existant dans un front d'onde selon la figure 1. Il n'y a pas dans le champ lointain du faisceau 11 d'un laser à résonnateur instable à foyer commun une chute continue de l'intensité I du faisceau, après rectification sphérique du front d'onde 14, à partir du centre 12 du faisceau et vers l'extérieur (c'est-à-dire le long du rayon r de la section); mais une répartition de forme annulaire donnée de l'intensité à symétrie ponctuelle par rapport au centre 12 telle que l'intensité I tombe rapidement à partir d'une valeur relativement élevée, à la manière d'une courbe de répartition gaussienne, puis oscille ensuite encore plusieurs fois au-delà de la première valeur nulle de l'intensité sur le rayon r avec une amplitude allant graduellement en diminuant, ainsi que cela est montré par la ligne continue à la figure 1. Dans l'environnement du centre 12, la position de phase du champ électrique est d'abord approximativement constante, pour ensuite tomber rapidement le long du rayon r; au point de la section du faisceau o l'intensité I atteint la valeur zéro a lieu un changement brusque de phase qui est d'environ le quart de la longueur d'onde de la lumière, comme montré en tiretés sur le schéma qualitatif de la figure 1 sous forme d'une allure discontinue de la phase P le long du rayon r de la section du faisceau. Il est avantageux d'obtenir sur la totalité de la section du faisceau une allure continue de la phase P (r) suivant la fonction gaussienne de répartition comme celle qui existe déjà dans la région annulaire centrale 13.12, de manière que les puissances du faisceau dans les régions annulaires 13.2, 13.1 contribuent également de façon optimale à l'intensité par focalisation du faisceau 11. Pour réaliser la correction de phase, les régions annulaires individuelles 13.2, 13.1 du champ lointain subissent un retard correspondant aux phases en avance de la région annulaire centrale 13.12, ce qui fait que dans le faisceau corrigé 11.6 s'établit un front d'onde plan 14.6 avec une distribution régulière des phases sur la section du faisceau. De ce fait, les intégrales des régions annulaires 13.2, 13.1 d'un faisceau focalisé contribuent à l'intensité au foyer, en plus de l'intégrale de l'intensité de la région annulaire centrale 13.12; cette intensité étant de ce fait de plusieurs ordres de grandeur plus élevés que dans le cas de la focalisation d'un faisceau 11 corrigé seulement sphériquement et sans correction des changements brusques de phase qu'il contient. De préférence, la correction de phase est réalisée avantageusement purement par réflexion. Car dans ce cas on peut utiliser un miroir refroidi, ce qui permet d'éviter des pertes et des influences négatives sur la géométrie du faisceau dues à un échauffement thermique du moyen de correction optique. La géométrie des régions annulaires 13 situées entre les points d'intensité nulle, c'est-à-dire les endroits o ont lieu les changements brusques de phase, correspond pour une correction par réflexion de ce type à la subdivision de la surface 16 d'un miroir 15 en plans décalés axialement les uns par rapport aux autres; comprenant des gradins 17 le long des emplacements o l'intensité est nulle dans la section du faisceau, et qui décrivent des cercles autour du centre 15.12 du miroir pour un faisceau à symétrie axiale 11l et de section circulaire. Il est vrai que les gradins 17 ne sont pas réfléchissants; mais il n'y a pas de pertes thermiques à leur niveau du fait qu'ils sont situés aux endroits o l'intensité du faisceau est au moins approximativement nulle. L'angle d'incidence 18 du faisceau à corriger 11 doit être choisi dans la mesure du possible pour que les surfaces latérales des gradins 17 ne s'échauffent pas et de manière que les régions individuelles 13 de la surface à gradins 16 du miroir soient dans toute la mesure du possible parallèles les unes aux autres. Par rapport à la direction du faisceau incident 11, la surface centrale 16.12 du miroir est à l'avant des surfaces annulaires en gradin 16.2, 16.1. La région annulaire 13.1 du faisceau 11 qui est le plus à l'extérieur subit sur le miroir correcteur 15 le déphasage le plus important par rapport au centre 11.12 du faisceau - ce qui est nécessaire pour obtenir une répartition de phases aussi exempte que possible de changements brusques, c'est-à-dire continue le long du rayon r de la section du faisceau dans le faisceau de sortie corrigé 11.6. REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter la densité de puissance au foyer d'un faisceau laser sortant d'un résonnateur instable à foyer commun présentant un front d'onde rectifié sphériquement, caractérisé en ce que des régions de forme annulaire individuelles de la section du faisceau subissent un retard par rapport à leur région respectivement voisine en direction du centre du faisceau, de manière à sensiblement compenser des changements brusques de phase dans la répartition de l'intensité sur le rayon de la section du faisceau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le retard est obtenu par réflexion sur un miroir dans des régions de la surface du miroir qui sont décalées en direction de la propagation du faisceau. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la réflexion est réalisée sur une surface de miroir à gradins, dont les gradins concordent avec les changements brusques de phase dans la surface en section du faisceau non corrigé. 4. Dispositif pour augmenter la densité de puissance au foyer d'un faisceau laser (11)sortant d'un résonnateur instable à foyer commun, présentant un front d'onde (14) corrigé sphériquement, en vue de la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un miroir (15) est disposé sur le parcours de propagation du faisceau (11), dont la surface réfléchissante (16) comprend des régions individuelles (16.1, 16.2) qui montent en formant des gradins en direction de la région centrale (16.12). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les gradins (17) situés entre les régions (16.1/16.2/16.12) de la surface du miroir sont disposees aux endroits o le faisceau incident (11) presente sur la surface (16) du miroir une intensite approximativement nulle.