Brevet FR2622059A1 — publié le 19890421

LASER ACCORDABLE EXCITÉ PAR UN LASER EN IMPULSIONS La présente invention concerne le domaine des lasers accordables pouvant fournir au moins une raie optique de longueur d'onde choisie sur une certaine plage de longueurs d'ondes. Un exemple de laser accordable est constitué par les lasers à colorant où le milieu actif est un liquide et qui permettent d'obtenir un effet laser à une longueur d'onde choisie par accord de la cavité dans laquelle se trouve le milieu pompé opti quement, par exemple de la rhodamine. On se référera ici essentiellement à ce type de laser accordable. Mais on connait d'autres types de lasers accordables 9 pompage optique où le milieu amplificateur est un gaz ou un solide et la présente invention peut également s'appliquer à ces autres types de laser. Pour obtenir un pompage optique du colorant, on trouve dans la littérature deux modes principaux d'excitation de lasers à colorant : le pompage transverse -et le pompage longitudinal. Un exemple très schématique d'un laser à colorant à pompage transverse est illustré en figure 1. La cavité laser est délimitée à une extémité par un premier miroir 1 à travers lequel sort le faisceau de sortie 2 et à l'autre extrémité par un ensemble réfléchissant et accordable 3, par exemple un expanseur de faisceau suivi d'un réseau. Le colorant circule dans une enceinte 4 dans laquelle le faisceau 5 d'un laser de pompe est focalisé par une lentille cylindrique 6 pour former une zone de focalisation 7. Pour diverses raisons, cette structure et des variantes de cette structure sont adoptées dans le cas où le faisceau d'excitation 5 est celui d'un laser en impulsions. La figure 2 représente un laser à colorant à pompage quasi longitudinal. Dans cette figure, les références 1, 2 et 3 désignent les mêmes éléments et faisceaux qu'en figure 1. Le colorant, au lieu d'entre contenu dans une enceinte 4, est projeté sous forme d'un jet 10 orienté sensiblement selon l'angle de Brewster par rapport à la direction du faisceau dans la cavité laser. Le faisceau de pompage 11, arrêté par un absorbant 12 est focalisé dans le jet, sensiblement parallèlement au faisceau dans la cavité laser pour créer une zone d'excitation 13. Ce type de cavité et de pompage est utilisé dans la technique pour les faisceaux laser à fonctionnement continu. La figure 2A représente schématiquement l'allure du faisceau laser de pompage 14 et celle du faisceau laser 15 produit par l'excitation du jet 10 dans la zone d'excitation 13. On notera qu'en pratique, contrairement à ce qui est représenté dans la figure, les faisceaux laser 14 et 15 sont aussi colinéaires que possibles et sont incidents sur le jet 10 sensiblement selon l'angle de Brewster. La zone hachure à l'intérieur du jet 10 représente la zone de création du faisceau du laser à colorant. I1 convient qu'au niveau de cette zone, les faisceaux 14 et 15 aient des dimensions aussi voisines que possible pour obtenir un rendement maximum. Si le faisceau laser de pompage 14 est trop mince, on n'excitera pas toute la zone utile et si le faisceau laser 14 est trop large, on excitera une zone inutile d'où il résultera une perte de rendement et une augmentation de la divergence du faisceau 2. Cet accord entre le faisceau laser de pompage et le faisceau laser résultant du colorant a pu être satisfait avec des lasers de pompage continus. Avec des lasers en impulsions, on n'a pas pu utilisé ce type de montage quasi-colinéaire pour plusieurs raisons parmi lesquelles on peut notamment citer le fait que les impulsions de pompage sont souvent trop courtes pour permettre un nombre d'allers et retours suffisant du faisceau produit par le colorant et par le fait que les lasers en impulsions sont souvent trop divergents et ne peuvent être focalisés avec un diamètre minimal (waist) suffisamment faible pour s'adapter au diamètre du laser à colorant dans la zone d'excitation. D'autre part, dans l'art antérieur, quand on utilise des lasers accordables excités par des lasers en impulsions, on est fréquemment amené à devoir amplifier le faisceau du laser accordable. Pour cela, on utilise un montage du type de celui représenté en figure 3 dans lequel un laser de pompage LP fournit un faisceau de forte puissance. Des portions successives de l'inten sité de ce faisceau sont prélevées par des séparatrices S1, S2, S3, S4 vers, respectivement, le laser accordable LA, un préamplificateur PA et des amplificateurs successifs Al et A2. Typiquement, 10 % de l'énergie du faisceau incident seront envoyés vers le laser accordable, 10 % vers le préamplificateur et 40 % vers chacun des amplificateurs. Diverses considérations pratiques font que les systèmes à excitation transverse fournissent des faisceaux laser de relativement grande-largeur de bande alors que les structures du type de celles de la figure 2 fournissent par contre des raies lasers mieux définis mais n'ont pu être utilisées de façon satisfaisante avec des lasers en impulsions. Un objet de la présente invention est de prévoir un laser accordable à fonctionnement en impulsions fournissant une raie laser de faible divergence et de faible largeur spectrale. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un laser accordable à fonctionnement en impulsions associé à des systèmes préamplificateurs et amplificateurs. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un laser à colorant du type à faisceau d'excitation quasi coli néaire au faisceau de sortie, dans lequel le faisceau d'excitation est constitué d'une partie, sélectionnée spatialement du faisceau d'un laser de pompage à fonctionnement en impulsions. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le laser de pompage est un laser à vapeur métallique tel qu'un laser à vapeur de cuivre dans lequel un diaphragme central selectionne un diamètre d'ouverture choisi à une valeur comprise entre le dixième et le quart du diamètre du faisceau du laser à vapeur métallique. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront expliqués plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 et 2 représentent des structures de laser à colorant de l'art antérieur la figure 2A représente le faisceau laser de pompage et le faisceau du laser accordable dans la zone d'excitation la figure 3 représente un montage de l'art antérieur d'un laser accordable associé à une channe d'amplificateurs la figure 4 représente un exemple de structure de laser à colorant selon la présente invention. Le dispositif selon la présente invention illustré en figure 4 comprend une cavité laser munie d'un miroir de fermeture 20, d'un miroir de repliement 21 et d'un miroir de sortie 22. Dans cette cavité est projeté un jet d'un colorant 23 et sont éventuellement prévus des moyens de sélection de longueur d'onde tels qu'un filtre de Lyot 24 et un interféromètre de Fabry-Perot 25. L'épaisseur du jet de colorant peut être de quelques dixièmes à quelques millimètres et sa vitesse est suffisante pour assurer un renouvellement du milieu amplificateur entre deux impulsions. Un faisceau laser de pompage 30 est focalisé par un système optique 31 vers un absorbeur 32 à travers la zone utile du jet 23. Selon la présente invention, ce faisceau laser de pompage est obtenu à partie d'un faisceau laser 40 en provenance d'un laser à vapeur métallique tel qu'un laser à vapeur de cuivre dont on sélectionne la partie centrale 41 au moyen d'un diaphragme 42. Le diaphragme est par exemple constitué d'un miroir percé d'une ouverture centrale, le miroir permettant de renvoyer la périphérie du faisceau initial 40 selon un faisceau 43. Des parties de ce faisceau 43 pouvant être renvoyées par des miroirs semi-transparents 44 vers des cellules amplificatrices à super-radiance 45 par l'intermédiaire de lentilles cylindriques 46 pour amplifier le faisceau de sortie 26 du laser à colorant. Au lieu des miroirs semi-transparents 44, on pourra aussi choisir des systèmes à séparation spatiale du type diaphragme, analogues au diaphragme 42. D'autre part, on notera que les cellules preamplificatrices et amplificatrices peuvent ou bien être des cellules au sens propre contenant un liquide identique à celui du laser accordable ou bien être, comme ce laser accordable, des jets. Comme cela a été mentionné précédemment, on peut insérer dans la cavité du laser à colorant un filtre de Lyot ou un filtre constitué d'un interféromètre de Fabry-Perot. On s'est aperçu qu'un simple filtre de Lyot permettait par sa rotation de balayer les fréquences du laser à colorant. Avec un laser selon la présente invention, dans le cas où le laser de pompage était un laser à vapeur de cuivre et le laser à colorant un laser à rhodamine 6G, on a obtenu un rendement pouvant aller jusqu'a 30 %. I1 a été observé que le seuil de pompage était très faible, c'est-à-dire que l'effet laser du laser à colorant se produisait dès des intensités du faisceau de pompage très faible, inférieures à 20 mW. On peut donc prévoir que ce procédé permettra de pomper une très large gamme de milieux amplificateurs et notamment dans le proche infrarouge. Comme l'ont découvert les inventeurs, alors que l'on n'obtient aucun effet laser satisfaisant du laser 9 colorant si l'on envoie tout le faisceau du laser à vapeur de cuivre comme faisceau de pompage vers le jet 23, on obtient une raie laser par ticulierement fine et sélectionnable du laser à colorant si l'on opère avec une diaphragmation du faisceau du laser à vapeur de cuivre. Ce résultat est vraisemblablement lié au fait que grâce à la diaphragmation du faisceau laser de pompage il est possible d'obtenir au point de focalisation de ce faisceau un diamètre minimal (waist) compatible avec le diamètre du faisceau du laser accordable, qui est fixé par les rayons de courbure et la position des réflecteurs délimitant la cavité, d'où il résulte une augmentation de rendement.D'autre part, cet effet de diaphragmation, notamment dans le cas d'un laser à vapeur de cuivre, est plus important que le seul effet géométrique. En effet, par exemple avec un laser à vapeur de cuivre fournissant un faisceau d'un diamètre de 43 mm avec une puissance de 25 watts, on obtient une raie jaune (578 nm) d'une puissance de l'ordre de 8 watts et une raie verte (511 nm) d'une puissance de l'ordre de 17 watts et l'on a une divergence moyenne de l'ordre de 6 milliradians, la fréquence de répétition pouvant être de l'ordre 6 kHz ;; si l'on place un diaphragme sélectionnant une zone centrale du faisceau d'un diametre de 6 mm, on obtient une puissance de l'ordre 0,5 watts pour l'ensemble des raies et une divergence non supérieure a 3 milliradians ; cette réduction de la divergence s'ajoute à la réduction du diamètre du faisceau par diaphragmation pour permettre d'obtenir un diamètre minimal au point de focalisation. Comme on l'a noté ci-dessus, un laser à vapeur de cuivre utilisable selon la présente invention peut présenter une fréquence de répétition élevée de l'ordre de quelques milliers de Hertz et produire des raies laser à 511 nm et 578 nm. De plus le laser à vapeur de cuivre a une durée d'impulsions de l'ordre de 50 ns, relativement longue par rapport à d'autres lasers de pompe en impulsions. Ceci assure environ 50 allers-retours dans une cavité d'environ 30 cm de longueur et permet d'utiliser des élé- ments peu sélectifs, donc à bon rendement pour affiner la raie spectrale. D'autre part, la qualité du faisceau fourni selon la présente invention a l'avantage de pouvoir fournir deux longueurs d'onde simultanément, par exemple 411 nm et 630 nm avec le même laser à vapeur de cuivre de pompage. La raie verte à 511 nm permet de pomper un colorant tel que la rhodamine à 630 nm et la deuxième raie (jaune) à 568 nm permet de pomper efficacement le colorant dit styryl 9 qui après doublage fournira une impulsion à 411 nm. L'obtention de telles raies laser à ces fréquences présente notamment des avantages dans le domaine medical dans le cadre de l'utilisation de I'hématoporphirine qui est un produit qui se fixe sélectivement sur des cellules cancéreuses. La raie à 411 nm entrain une fluorescence de l'hematoporphirine et permet de visualiser la cellule cancereuse. La raie à 630 nm casse la cellule d'hématoporphirine ce qui produit de l'oxygène A qui tue la cellule cancéreuse. Une autre application du laser selon la présente invention pourrait être dans la séparation isotopique de l'uranium. Une autre application du laser selon la présente invention réside dans les lasers scientiques. En effet, les lasers continus existant à ltheure actuelle sont chers et difficiles à régler et il est mal commode de doubler leur fréquence. Tous ces inconvénients disparaissent avec un laser selon la présente invention. D'autres lasers à vapeur métallique pouvant être utili sés selon la présente invention et par le même procédé de dia phragmation de leur partie centrale sont des lasers à vapeur d'or fournissant une raie laser à 628 nm et à vapeur de baryum fournissant une raie à environ 480 nm. La présente invention n'est pas limitée aux lasers à vapeurs métalliques comme lasers de pompage de laser accordables mais s'applique plus généralement aux lasers de pompage fonctionnant en impulsions, avec des durées d'impulsions suffisantes, et présentant des divergences et des diamètres de faisceau élevés, ce qui est par exemple le cas des lasers à excimares et des lasers à YAG à impulsions longues.... La présente invention est susceptible de nombreuses modifiactions et variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, la sélection spatiale d'une partie du faisceau de pompe pourrait être réalisée par un petit miroir ou par des fibres optiques. REVENDICATIONS 1. Laser accordable à pompage optique du type à faisceau de pompage quasi colinéaire au faisceau de sortie, caractérisé en ce que le faisceau d'excitation (41) est constitué d'une partie, sélectionnée spatialement, du faisceau d'un laser à fonctionnement en impulsions. 2. Laser accordable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser de pompage est un laser à vapeur métallique. 3. Laser accordable selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser à vapeur métallique est choisi dans le groupe comprenant le cuivre, l'or et le baryum. 4. Laser accordable selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser à vapeur métallique est un laser à vapeur de cuivre. 5. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sélection est effectuée par un diaphragme d'ouverture choisie. 6. Laser accordable selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diaphragme est constitue d'un miroir percé d'une ouverture. 7. Laser accordable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie (43) du faisceau du laser d'excitation non sélectionnée est envoyée vers des amplificateurs de sortie à pompage optique (45). 8. Laser accordable selon la revendication 7, caractérisé en ce que les amplificateurs sont du type à excitation quasi longitudinale et en ce que la partie du faisceau envoyée vers ces amplificateurs résulte également d'une sélection spatiale. 9. Laser accordable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un filtre de Lyot (24) est disposé dans la cavité du laser accordable.