Brevet FR2619969A1 — publié le 19890303

LASER A COLORANT A BLOCAGE DE HODE PASSIF L'invention concerne un laser à colorant à blocage de mode passif destiné à produire des impulsions de courte durée. La production d'impulsions lumineuses de très courte durée est particulièrement intéressante pour l'étude de nombreux phénomènes aussi bien dans le domaine de la physique, de la chimie que de la biologie. Des lasers à colorant à blocage de iode passif permettent la production d'impulsions de durée inférieure à 100 femtosecondes (une femtoseconde = 10 15 seconde) et même depuis peu, de quelque dizaines de femtosecondes). Un tel laser comporte une cavité contenant un milieu amplificateur qui est pompé avec un laser à argon continu et un absorbant saturable. Dans le document US 4 400 814, il a été proposé de donner à cette cavité une structure en anneau. La fluorescence engendrée dans le milieu amplificateur sature le milieu absorbant qui émet deux impulsions émises en sens contraires. Lors du parcours de la cavité, chacune dans un sens, elles sont amplifiées par le milieu amplificateur et se retrouvent en phase dans le milieu absorbant. Selon l'enseignement de ce document, il est retenu comme particulièrement important pour la production d'impulsions brèves que l'épaisseur du jet d'absorbant soit au plus égale à la longueur des impulsions ainsi produites. Dans un article du Journal of IEEE Electronics de janvier 1986, un article intitulé DESIGN CONSIDERATION FOR A FEMTOSECOND PULSE LASER ..." décrit la structure et les conditions de fonctionnement d'un laser feitoseconde à cavité en anneau permettant l'obtention d'impulsions d'une durée de 27 festosecondes. Par ailleurs, dans un article de Physical Revue Letters, N-11 de 1986, il est proposé une interprétation théorique des phénomènes observés dans un laser femtoseconde à cavité en anneau. Le but de la présente invention est la conception d'un laser à colorant à blocage de mode passif et à cavité en anneau qui permet d'obtenir des impulsions de courte durée d'une manière stable. C'est également un objectif de la présente invention de permettre la réalisation économique d'un tel laser. A cet effet selon l'invention, un laser à colorant à blocage de mode passif destiné à produire des impulsions de courte durée de type comportant une cavité en anneau contenant un milieu amplificateur et un absorbant saturable pompé par un laser à argon continu est caractérisé en ce que l'épaisseur du jet d'absorbant saturable est supérieure à deux fois la longueur de l'impulsion. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins dans lesquels La figure 1 représente le schéma du laser selon l'invention. La figure 2 représente le schéma du laser selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Le laser à colorant de l'invention est & blocage de mode passif. il comporte une cavité en anneau constitué par les miroirs 1, 2, 4, 5, 7, 8 le miroir 2 étant le miroir de sortie. Cette cavité contient un milieu amplificateur 3 placé à l'intérieur d'une sous-cavité constituée par les miroirs sphériques 4, 5. De manière traditionnelle ce milieu amplificateur est constitue d'un jet de rhodamine 6G . L'absorbant saturable 6, placé dans une sous-cavité constitué par les miroirs sphériques 7, 8 est constitué de DODCI ( Iodure de Diethylozadicarboxianine ) mélangé à un solvant. Ce laser est pompé par un laser & argon dont le faisceau 13 suscite la fuorescence du milieu amplificateur 3 après reflexion sur le miroir 14. Toutes les raies du laser de pompage peuvent être utilisées ou de manière préférentielle seule la raie à 514 nanomètre est exploitée Il était jusqu'à présent admis que les impulsions les plus brèves étaient obtenues dans un tel laser lorsque l'épaisseur du jet. d'absorbant saturable était inférieure ou en tous les cas au plus égale à la longueur de l'impulsion. C'est ainsi que de nombreuses tentatives ont été faites pour obtenir des jets extrêmement minces et de préférence d'épaisseur inférieure à 10 microns. En effet compte tenu de la vitesse de la lumière, la longueur d'une impulsion de 100 femtosecondes est d'environ 30 microns. Il a également été envisagé de renoncer aux avantages des cavités en anneau et d'exploiter les possibilités des cavités linéaires. C'est donc à l'encontre de l'évolution générale de la technique qu'il est proposé selon l'invention d'utiliser dans un laser à absorbant un jet d'absorbant saturable dont l'épaisseur est supérieure à deux fois la longueur de l'impulsion. On peut montrer qu'une telle épaisseur du jet d'absorbant n'augmente pas la durée des impulsions produites avec un jet plus mince et améliore la stabilité de l'ensemble du laser. l'avantage procuré par cette disposition provient de ce que deux phénomènes non linéaires interviennent dans la formation de l'impulsion dans ce type de laser : d'une part la dispersion de vitesse de groupe (variation de l'indice de réfraction avec la longueur d'onde), d'autre part l'automodulation de phase (variation de l'indice de réfraction avec l'intensité lumineuse). Jusqu'à présent la dispersion de vitesse de groupe était dominante dans l'allongement de la longueur des impulsions et donc toutes les dispositions qui étaient prises, tous les perfectionnements qui étaient apportés au laser avaient pour objectif principal les diminutions de cette dispersion. Maintenant, des moyens connus permettent de contrôler très précisément la dispersion de vitesse de groupe et donc de la rendre trés faible. C'est ainsi qu'une certaine épaisseur du jet d'absorbant qui contribue à augmenter cette automodulation constitue maintenant un pas important dans la réalisation d'impulsions courtes. Selon un mode de réalisation preféré, le laser b colorant de l'invention comporte dans sa cavité en anneau une ligne à retard à dispersion négative constituée de quatres prismes 9-12 taillés de telle sorte que le minimum de déviation corresponde à l'incidence sous l'angle de BREWSTER et utilisés dans ces conditions. Une telle ligne à retard constituée de quatre prismes identiques déviant le faisceau alternativerent dans un sens puis dans l'autre produit à sa sortie un faisceau ayant même position et mène direction que celles qu'il aurait eu si cette ligne à retard n'avait pas été interposée. De plus, elle n'introduit pas de dispersion chromatique. La dispersion de vitesse de groupe nécessairement introduite par les jets de colorant qui sont équivalents à une lame à face plane et parallèle ou par les couches diélectriques dont sont recouverts les miroirs formant la cavité laser peut être ainsi compensés. Le réglage de ces prisnes est obtenu en les translatant parallèlement à la bissectrice de l'angle formé par le faisceau incident et le faisceau réfracté c'est-à-dire perpendiculairement a leur base de manière å ajuster la dispersion négative qu'ils introduisent. Il est ainsi possible d'obtenir le contrôle de la dispersion de vitesse de groupe dans l'ensemble de la cavité. Il est préférable que les miroirs de la cavité et des sous-cavités soient recouverts d'un faible nombre de couches diélectriques puisque ces couches contribuent à la dispersion de vitesse de groupe. Ce nombre peut être inférieur à 20. Selon un mode réalisation particulièrement efficace, les miroirs sont recouverts d'une couche métallique et d'un petit nombre de couches diélectriques destinées principalement à la protection, mécanique de la surface. Le nombre peut être inférieur à 5. Selon un mode de réalisation préféré, le laser à colorant de l'invention comporte une sous-cavité à miroirs sphériques 17, 18 destinée à focaliser le faisceau lumineux sur un milieu non linéaire 15 de façon à augmenter l'automodulation de phase. Comme nous l'avons vu, l'automodulation de phase permet de créer de nouvelles fréquences dans le spectre et donc d'obtenir des impulsions plus courtes. L'automodulation est créée au sein du jet d'absorbant saturable car d'une part le diamètre du faisceau au point de focalisation sur le jet d'absorbant est plus petit que dans le jet du milieu amplificateur et que d'autre part les deux impulsions se croisant dans le jet d'absorbant, il s'y forme une somme cohérente des deux champs électriques. Par ailleurs, nous avons vu que le jet d'absorbant introduit également une dispersion de vitesse de groupe qui peut être compensée par une ligne à retard à dispersion négative. Selon un mode de réalisation préféré, le milieu non linéaire 15 placé dans la sous-cavité à miroirs sphériques 16, 17 pour augmenter l'automodulation de phase est un jet d'éthylène glycol. Selon un autre mode de réalisation, ce milieu non linéaire est une lame de verre en silice pur ou mieux en verre dopé. Selon un autre mode de réalisation, les jets de colorant comportent un solvant présentant des effets non linéaires plus intenses que ceux produits par l'éthylène glycol. Selon un autre mode de réalisation, on adjoint å l'éthylène glycol contenus dans les jets un produit complémentaire susceptible de produire des effets non linéaires intenses. De manière préférentielle, l'épaisseur du miroir de sortie du laser est inférieure à 4 im de façon à ce qu'il produise une faible dispersion de la vitesse de groupe. En effet, la dispersion de vitesse de groupe introduite par ce miroir ne peut être compensée par la ligne à retard introduite dans la cavité. Par contre, il a été montré que l'épaisseur du miroir peut hêtre réduite diminuant ainsi la valeur de la dispersion de vitesse de groupe introduite. Selon un mode de réalisation particulier, la longueur totale de la cavité est de 3m environ les miroirs 4, 5 de la cavité amplificatrice ont une focale d'environ 5ûmm ; les miroirs 7, 8 de la cavité absorbante ont une focale de 25art. Ces deux cavités sont séparées d'environ 7501ou. De manière traditionnelle, l'angle d'incidence du faisceau sur les jets de colorants est l'angle de BREWSTER. Les prismes de la ligne à retard sont en silice pur et sont séparés d'environ 30cm. Les impulsions produites ont une longueur d'onde de 615 manomètre, la puissance est de 20 milliwatt sur chaque faisceau et la fréquence des impulsions est environ 100 Megahertz. REVENDICATIONS 1) Laser å colorant à blocage de mode passif destiné à produire des impulsions de courte durée de type comportant une cavité (1, 2,4,5,7,8) en anneau contenant un milieu amplificateur (3) et un absorbant saturable (6) pompé par un laser à argon continu et caractérisé en ce que l'épaisseur du jet d'absorbant (6) saturable est supérieure à deux fois la longueur de l'impulsion. 2) Laser à colorant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité en anneau contient une ligne à retard à dispersion négative constituée de quatres prismes (9-12) taillés de telle sorte que le minimum de déviation corresponde à l'incidence sous l'angle de BREWSTER et utilisés dans ces conditions. 3) Laser à colorant selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les miroirs sont recouverts d'un faible nombre de couches diélectriques. 4) Laser à colorant selon la revendication 3, caractérisé en ce que les couches diélectriques ne sont que des couches protectrices. 5) Laser à colorant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une sous-cavité sphérique (16,17) destinée à focaliser le faisceau lumineux sur un milieu non linéaire de façon à augmenter l'automodulation de phase. 6) Laser à colorant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu non linéaire placé dans la sous-cavité sphérique (16,17) est un jet d'éthylène glycol. 7) Laser à colorant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu non linéaire placé dans la sous-cavité sphérique (16,17) est une lame de verre. 8) Laser à colorant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que est adjoint à l'éthylène glycol contenu dans les jets un produit complémentaire susceptible de produire des effets non linéaires intenses. 9) Laser à colorant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte dans les jets un solvant présentant des effets non linéaires plus intenses que ceux produits par l'éthylène glycol. 10) Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'épaisseur du miroir de sortie du laser est inférieure à 4mm de façon à ce qu'il produise une faible dispersion de vitesse de groupe.