Brevet FR2650127A1 — publié le 19910125

265-0 127 GENFERATEUR D'IMPULSION LASER DE PUISSANCE L'invention concerne un générateur d'impulsion laser de puissance et notamment un générateur fournissant une impulsion à partir de plusieurs impulsions. Les lasers de puissance connus actuellement génèrent des trains d'impulsions de puissance crête encore insuffisante. Par exemple, les impulsions émises par un laser LEL (Laser à Electrons Libres) telles que représentées en figure 1 possèdent typiquement les'caractéristiques suivantes - Microimpulsions de t = 40 is - Puissance crête du micropulse: I = 200 MW c - Distance entre micropulses T = 100 ns - Nombre de micropulses: N = 2.103 - Longueur d'onde proche IR Dans certaines applications on souhaite obtenir une puissance crête plus élevée que celle obtenue à l'aide d'un laser LEL par exemple en générant une impulsion unique mais dont l'intensité crête serait N fois l'intensité d'une impulsion (voir figure 2). N est le nombre de mocroimpulsions contenus dans l'impulsion émise par le LEL (N=103). L'invention concerne un dispositif permettant d'additionner N microimpulsions d'un train d'impulsions pour fournir une impulsion unique de plus grandes impulsions. Les moyens mis en oeuvre pour obtenir cette addition des impulsions sur une impulsion unique est compatibles avec les densités de puissance mises en jeu dans ce type de lasers. En particuller, le dispositif de l'invention exclut l'utilisation de composants qui absorbent une composante de polarisation et permet de s'adapter à des faisceaux de grand diamètre afin de réduire les densités de puissance sur les miroirs et fenêtres optiques. L'invention concerne donc un générateur d'impulsion laser de puissance caractérisé en ce qu'il comporte: - une source laser émettant au moins un train d'impulsions de période t; - une cavité optique en anneau de longueur proportionnelle à la période t du train d'impulsions; - un milieu non linéaire inséré dans l'anneau de la cavité optique recevant le train d'impulsions qui fait office de faisceau de pompe pour le milieu non linéaire, la lumière circulant dans la cavité faisant office de faisceau signal; - des moyens intégrés dans l'anneau de la cavité optique et fonctionnant à des instants déterminés pour extraire une impulsion lumineuse de la cavité optique. Différents objets et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un diagramme de train d'impulsions émises par un laser LEL; - la figure 2, une impulsion unique émise selon le laser de l'invention - la figure 3, un exemple de réalisation du laser selon l'invention; - les figures 4 et 5, des modes de fonctionnement du dispositif de la figure 3; - la figure 6, un exemple de diagramme d'amplification du dispositif de l'invention; - les figures 7 et 8, des variantes de réalisation du dispositif de l'invention. Le dispositif faisant l'objet de l'invention est présenté sur la figure 3. Il utilise les principaux composants suivants - une source lumineuse 1 émettant un train d'impulsions - une cavité en anneau 6; 2650 1 27 - un milieu non linéaire 2 du type cellule à gaz type Raman (non linéarité d'ordre 3); - un commutateur électro-optique 3, 4, de polarisation permettant d'extraire l'impulsion de la cavité. La source lumineuse émet un train d'impulsions de lumière polarisée linéairement. Comme cela est indiqué sur la figure 3, cette polarisation linéaire est orientée selon une direction indiquée par le signe représenté par un cercle contenant un point. Ce train d'impulsions comporte N impulsions de période T et de durée t. La durée totale d'un train d'impulsions est NT. La cavité en anneau 6 a pur longueur de trajet optique une longueur telle qu'une impulsion lumineuse mette un temps T (égal à la période des impulsions du train d'impulsions) pour parcourir l'anneau. A titre d'exemple cette cavité est réalisée à l'aide de miroirs M1, M2, M3. Le milieu non linéaire 2 reçoit des impulsions du train d'impulsion. Ces impulsions tiennent lieu d'onde de pompe pour le milieu non linéaire 2. Une onde signal circulant dans la cavité, arrivant en coïincidence avec une onde pompe dans le milieu non linéaire, bénéficiera d'un transfert d'énergie de l'onde pompe vers l'onde signal. Le commutateur électro-optique comporte un dispositif électro-optique commutateur de polarisation 3 ayant pour rôle de faire tourner la direction de polarisation de la lumière qu'il reçoit de 90 . Le commutateur électro-optique 3 est par exemple à base de KTiP04 (appelé KTP) ou de KH2 PO4 (appelé KDP) ou de LiNbO3. A ce commutateur électro-optique 3 est associé un dispositif biréfringent. Celui-ci transmet, selon le trajet de l'anneau 6, la lumière polarisée telle qu'elle est transmise par le milieu non linéaire 2 et il réfléchit vers une direction 7, la lumière polarisée à 90 . 2650 1 27 Le dispositif de l'invention fonctionne comme cela est représenté en figure 4. Une première impulsion P1 pénètre dans la cavité en anneau 6 par l'intermédiaire du milieu non linéaire 2. Par exemple, au démarrage du dispositif l'impulsion P1, tenant lieu d'onde pompe, permet d'amplifier un signal bruit SO préexistant dans la cavité optique. On a alors un mélange à deux ondes et une amplification par effet Raman. L'impulsion résultante R1i a pour amplitude sensiblement l'amplitude Ic de l'impulsion P1 si on considère c que l'amplitude du signal bruit SO est faible. Cette impulsion parcourt l'anneau 6 de la cavité par réflexions successives sur les miroirs M2, M3, Mi. Le retard apporté par la cavité ou temps de parcours de l'anneau 6 par l'impulsion R1i est égal à T. Ainsi, comme cela est représenté en figure 5, l'impulsion R1I atteint le milieu non linéaire 2 au moment o une autre impulsion P2 atteint également ce même milieu. Par effet RAMAN, il y a transfert d'énergie de l'impulsion P2 (onde de pompe) vers l'impulsion R1 (onde signal). L'impulsion résultante R2 a sensiblement pour amplitude une valeur 2I. Le processus ainsi décrit peut se reproduire plusieurs fois et l'impulsion résultante, à la sortie du milieu non linéaire 2, est amplifiée à chaque coïncidence d'une impulsion du type R1i et d'une impulsion du type P2, de la valeur d'une impulsion telle que P2. La largeur de l'impulsion circulant dans la cavité en anneau 6 reste inchangée (par exemple t = 4 ps). Par contre, la puissance crête de l'impulsion résultante se trouve multipliée par N à la énième impulsion PN. On obtient ainsi une impulsion unique dont la puissance crête est NI et dont la largeur est celle d'une c impulsion initiale. L'extraction de cette impulsion intracavité peut être effectuée par l'intermédiaire d'un dispositif électrooptique 2650 1 27 commutateur de polarisation suivi d'un élément biréfringent (ou miroir diéleetrique dont le coefficient de réflexion dépend de l'azimuth de polarisation de l'onde incidente par exemple R O pour E// et R = Rmax pur E). Selon les schémas des figures 2 à 4, le faisceau issu du LEL (polarisation perpendiculaire) est incident sur le milieu non linéaire 2 utilisé dans la configuration pompe-sonde. Le dispositif électrooptique commutateur de polarisation 3 fonctionne sous la commande d'un dispositif de commande CC à des temps déterminés permettant l'extraction d'une impulsion telle que R2. Par exemple si on désire une impulsion de puissance crête multipliée par N on commandera le dispositif électrooptique 3 à intervalles NT. La direction de polarisation de l'impulsion à extraire subira alors une rotation de 90 . Elle sera donc ensuite réfléchie par le dispositif biréfringent 4 vers la direction 7. En ce qui concerne le milieu non linéaire 2 il convient de préciser que les interactions Raman dans les gaz sont les mécanismes non linéaires les mieux adaptés à l'amplification et au transfert d'énergie d'impulsions courtes (ps) par mélange deux ondes pompe-sonde. Les caractéristiques d'une cellule amplificatrice Raman sont typiquement les suivantes: milieu non linéaire: CH4 - seuil de non linéarié Raman = 1 cm Jcm pression de gaz: 50 bras - coefficient de gain X x 1012 m W 1 -temps de réponse 10 ps -1 -décalage en fréquence: 3000 cm Le résonateur en anneau constitué de 3 miroirs à réflexion maximale à la longueur d'onde émise par le milieu non linéaire 2. Le commutateur de polarisation 3 peut être de type KDP ou de KTP ou LiNb03 dont le temps de réponse est inférieur à la durée d'une impulsion. 2650 1 27 Une évaluation du gain en puissance crête d'une impulsion résultante en tenant compte des pertes de réflexion et de diffraction sur chaque miroir de la cavité, que nous avons fixé à 1 % environ par miroir a été faite. Le milieu Raman est du gaz CH4 sous pression. Si la longueur d'onde du train d'impulsions est de 1 nm, la longueur d'onde de l'impulsion stockée dans la cavité est alors de 1.5 !Jn. Le transfert d'énergie du train d'impulsions s'effectue en régime de saturation, et est donc très efficace de l'ordre de 80 %. La figure G6 représente un diagramme donnant l'énergie stockée dans la cavité en fonction du nombre d'impulsions du train d'impulsions reçues. On s'aperçoit que cette énergie sature à partir d'un nombre d'impulsions supérieur à 100. Dans ce cas, le rendement global de transfert d'énergie est d'environ 25 %. La puissance crête de l'impulsion géante ainsi créé est 25 fois celle de la microimpulsion d'entrée (200 MW), soit 5 GW. On obtient ainsi une puissance crête notablement amplifiée. Selon une variante de l'invention, afin d'éviter l'emploi, dans la cavité optique 6 de commutateurs de polarisation électrooptiques et de composants biréfringents, il peut être souhaitable d'extraire l'énergie de la cavité par une interaction non linéaire à 2 ondes représentées sur la figure 7. Selon ce système, la dernière microimpulsion PN est dirigée par commutation de polarisation dans la direction angulaire symétrique par rapport à l'onde pompe circulant dans la cavité. Cette onde est translatée en fréquence et après interaction 2 ondes l'énergie circulant intracavité est transférée dans la nouvelle direction 10 de l'onde pompe. Sur la figure 7, on trouve donc un dispositif de commutation de polarisation 8 disposé sur le trajet des impulsions issues de la source 1. Un dispositif biréfringent 9 permet de transmettre les impulsions de la source i soit directement au milieu non linéaire 2 comme cela a été décrit précédemment. Lorsque l'on veut extraire une impulsion de la 2650 1 27 cavité 6, le circuit de comrmande CC commande la rotation de 90 de la direction de polarisation d'au moins une impulsion PN. Le dispositif biréfringent 9 réfléchit cette impulsion PN, par l'intermédiaire d'un miroir M4, sous un angle tel par rapport à la direction, dans le milieu 2, du trajet des impulsions intracavités que cette impulsion PN tient lieu d'onde signal. Une impulsion Rn arrivant en coïncidence dans le milieu 2 tient lieu alors d'onde de pompe et un transfert d'énergie se produit de l'impulsion Rn vers l'impulsion PN. On peut donc extraire, selon une direction 10 située dans le prolongement de la direction de l'impulsion PN, une impulsion A amplifiée. De façon équivalente l'énergie peut être extraite de la cavité comme cela est représenté en figure 8 par - l'intermédiaire d'une autre source laser 11 émettant une impulsion unique de faible énergie. Le milieu non linéaire transfert l'énergie intracavité dans la direction de ce faisceau sonde. L'incidence et la fréquence de ce laser sont choisis pour optimiser le gain de l'interaction à 2 ondes. Les sources 1 et 11 sont commandées par un circuit de commande CC de façon que les impulsions de la source 1 permettent l'amplification d'une impulsion Intracavité et que les impulsions de la source 11 permettent, comme cela est représenté en figure 8 et comme cela a été dit précédemment, d'extraire une impulsion amplifiée à un instant déterminé. Dans ce qui précède on a considéré que la source lumineuse 1 émet de la lumière polarisée linéairement. Dans les différentes branches du circuit optique des figures qui viennent d'être décrites la direction de polarisation est indiquée par un petit cercle contenant un point et les différentes directions de polarisation sont parallèles entre-elles. Le dispositif présenté permet donc de générer urie impulsion laser unique à partir d'un train de N micropulses. La puissance crête de l'impulsion est dans ces conditions égale à N fois la puissance crête de l'impulsion élémentaire. L'invention s'applique aux équipements optroniques nécessitant des lasers de très haute puissance crête (lasers types LEL Ou Iasers solides à bloquage de modes: impulsions de 10 à 100 ps séparées de 10 ns). Il est bien évident que la description qui précède a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Les exemples numériques et la nature des matériaux indiqués n'ont été fournis que pour illustrer la description. 2650 1 27 REVENDICATIONS 1. Générateur d'impulsion laser de puissance caractérisé en ce qu'il comporte - une source laser (1) émettant au moins un train d'impulsions (F1) de période t; - une cavité optique en anneau (6) de longueur proportionnelle à la période t du train d'impulsions; - un milieu non linéaire (2) inséré dans l'anneau de la cavité optique (6) recevant le train d'impulsions (FI) qui fait office de faisceau de pompe pour le milieu non linéaire, la lumière circulant dans la cavité faisant office de faisceau signal - des moyens (2, 3, 4, 89, 11) intégrés dans l'anneau de la cavité optique (6) et fonctionnant à des instants déterminés pour extraire une impulsion lumineuse de la cavité optique. 2. Générateur d'impulsions selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (2, 3, 4) intégrés dans l'anneau de la cavité optique (6) comprennent un commutateur optique (3, 4) inséré dans l'anneau de la cavité optique (6). - 3. Générateur d'impulsion selon la revendication 2, caractérisé en ce que le commutateur optique comporte, en série dans la cavité optique (6) un commutateur électro-optique de polarisation (3) commandé par un circuit de commande (CC) et un dispositif biréfringent (4). 4. Générateur d'impulsion selon la revendication 3, caractérisé en ce que le commutateur électro-optique de polarisation est à base de KDP, KTP ou de LiNbO3 5. Générateur d'impulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu non linéaire 2 est une cellule à gaz sous-pression. 2650 1 27 6. Générateur d'impulsion selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz de la cellule sous pression est du CH4' 7. Générateur d'impulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source laser (1) émet des impulsions de lumière polarisée linéairement. 8. Générateur d'impulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens intégrés dans l'anneau de la cavité optique (6) comportent un commutateur optique recevant les impulsions de la source (1) et les retransmettant, sous la commande d'un circuit de commande (CC), au milieu non linéaire (2) sous un angle tel que ces impulsions tiennent lieu de faisceau signal et tandis que des impulsions circulant dans la cavité optique tiennent lieu de faisceau pompe, un transfert d'énergie (6) ayant alors lieu des impulsions de la cavité vers les impulsions de la source. 9. Générateur d'impulsion selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens intégrés dans l'anneau de la cavité optique (6) comportent une source laser supplémentaire (11) émettant des impulsions laser vers le milieu non linéaire sous un angle tel que ces impulsions tiennent lieu de faisceau signal et que les impulsions circulant dans la cavité optique (6) tiennent lieu de faisceau pompe, un circuit de commande (CC) commandant sélectivement la source laser (1) et la source laser supplémentaire (11).