Brevet FR2661520A1 — publié le 19911031

La présente invention décrit un dispositif Amplificateur de lumière à Pompage optique Sélectif et Colinéaire de forte puissance moyenne dont le milieu est constitué d'une matrice solide dopée par une ou plusieurs classes d'ions actifs. L'originalité de l'amplificateur consiste à ce que la distorsion du front de l'onde amplifiée soit compensable par des optiques passives conventionnelles. Le pompage optique s'effectue de façon sélective par des diodes lasers dont le spectre d'émission correspond en toute ou partie au spectre d'absorption des ions actifs. Dans les dispositifs amplificateurs conventionnels qui utilisent des lampes à éclairs à spectre large, il est souvent fait état d'un pompage optique homogène. La charge thermique Q déposée localement dans le milieu et par unité de volume est constante. L'équation de la chaleur s'écrit alors sous la forme A2T - Q/K = o ou T est la température locale et K la conductivité thermique du milieu. Des considérations liées à la symétrie du pompage et les conditions aux limites permettent couramment une résolution de l'équation différentielle. La charge thermique Q provient des transitions non radiatives associées au cycle de pompage pour réaliser le phénomène d'amplification de la lumière. De façon courante et pour des géométries de milieux amplificateurs simples (barreau cylindrique et plaque parallélépipédique longiformes), la dissipation thermique de la chaleur s'effectue en présence d'un gradient thermique bien identifié. Les variations de température engendrent un champ de contraintes mécaniques au sein du milieu. Le gradient thermique et le champ de contraintes induisent un gradient de l'indice de réfraction du milieu et une biréfringence accidentelle. La distorsion locale du front de l'onde amplifiée et la dépolarisation correspondante du champ électro-magnétique sont caractéristiques de la puissance moyenne dissipée dans le milieu sur le parcours d'un pinceau lumineux constituant le faisceau. Sous la condition stricte d'une charge thermique constante, la distorsion de phase du front d'onde se corrige facilement avec des optiques sphérocylindriques. Généralement, les technologies utilisées pour pratiquer l'amplification de lumière n'assurent pas une parfaite homogénéité du pompage optique. les distorsions de phase sont alors difficilement corrigeables dès lors où les puissances moyennes dissipées engendrent un gradient thermique important. Par nature, le pompage optique sélectif par diodes lasers n'assure pas une charge thermique constante au sein du milieu amplificateur. Le dispositif de l'invention utilise une configuration de pompage qui permet de contourner les effets liés à l'inhomogénéité du pompage optique sélectif. la figure n"l schématise un élément actif de l'Amplificateur de lumière à Pompage optique Sélectif et Colinéaire (APSC). Cet élément est constitué de cinq sous-ensembles. Les sous-ensembles (A) et (E) sont composés d'un édifice émetteur constitué par des diodes-lasers (1), d'une optique (2) et d'un composant optique (3). Ce dernier possède un masque dont la distribution est la transformée de Fourier réciproque de la distribution des sources élémentaires qui constituent l'édifice émetteur. Les sous-ensembles (A) et (E) sont des résonateurs optiques à transformation de Fourier qui émettent un faisceau lumineux dont la distribution du champ électromagnétique est uniforme et uniphase. L'onde émise est limitée par la diffraction et la densité d'énergie propagée est homogène en champ proche.Le composant (3) sert de miroir de sortie à l'énergie lumineuse et chaque source élémentaire de l'édifice émetteur inclue un miroir dont la réflexion à la longueur d'onde d'émission des diodes, est maximum. La mise en phase des sources élémentaires est assurée par le comportement diffractif du rayonnement électromagnétique à l'intérieur des résonateurs. L'optique (2) assure la dualité entre les espaces conjugués au sens de Fourier. Les sous-ensembles (B) et (D) sont des antiretours optiques qui utilisent l'effet FARADAY. Ils sont composés, pour chacun d'entres-eux, d'un polariseur optique (4), d'une lame demi-onde (5) et d'un milieu (6) à effet FARADAY permanent. La direction de polarisation du champ électromagnétique émis par les résonateurs à transformation de Fourier est verticale. Une des lignes neutres de la lame demi-onde est orientée à 22,5 degrés de la direction privilégiée du polariseur de façon à ce qu'avant le milieu à effet FARADAY, la direction de polarisation soit à 45 degrés du plan de la figure n"l et qu'après, elle soit dans le plan horizontal. Ainsi, toute lumière dont la direction de polarisation est horizontale et qui se propage en sens inverse vers les édifices émetteurs est éjectée du circuit de propagation par le polariseur. Les résonateurs à transformation de Fourier sont donc protégés optiquement de tout retour de lumière convenablement polarisée. En particulier, les deux résonateurs utilisés pour pomper le milieu amplificateur (8) ne peuvent pas se coupler optiquement. Le sous-ensemble (C) est composé de deux miroirs (7) dichroïques et d'un milieu amplificateur (8). Le faisceau de lumière à amplifier se propage dans la direction XY, il est colinéaire, dans le milieu amplificateur aux deux faisceaux de pompe issus des résonateurs à transformation de Fourier. Les miroirs dichroïques transmettent la lumière de pompe et réfléchissent totalement la lumière à amplifier. Une des variantes du dispositif consiste à ce qu'un seul des résonateurs à transformation de Fourier soit utilisé pour réaliser un élément actif de l'APSC. Dans ces conditions, le sous-ensemble (B) n'est pas nécessaire. Une autre variante du dispositif consiste à utiliser des miroirs dichroïques qui transmettent la longueur d'onde de la lumière à amplifier et qui réfléchissent la longueur d'onde de la lumière de pompe. La figure n"2 représente un Amplificateur de lumière à Pompage optique Sélectif et Colinéaire (APSC) complet. Chaque élément actif est placé en série sur le faisceau de lumière à amplifier. Les sous-ensembles (A) et (B) d'une part, et (D) et (E) d'autre part sont représentés par les figuratifs (9). Le faisceau de lumière à amplifier se propage dans la direction XZ durant sont passage dans les N éléments actifs de l'APSC. L'APSC peut fonctionner en régime continu ou en régime impulsionnel. Pour un régime de fonctionnement stationnaire, les éléments optiques (10) corrigent la distorsion de phase et la biréfringence induites par le gradient thermique présent dans chaque milieu amplificateur (8). Selon le type de distribution du champ électromagnétique produit par les édifices émetteurs, la distorsion de phase peut être directement corrigée en façonnant optiquement les faces des milieux amplificateurs. La biréfringence est compensée par une lame de quartz cristallin. Les faces des milieux amplificateurs et des éléments optiques de compensation de phase et de biréfringence sont antireflétées à la longueur d'onde du faisceau amplifié ou sont taillées à l'angle de Brewster. En supposant que la fréquence de l'émission des diodes lasers soit F, un APSC peut amplifier, en régime impulsionnel, une impulsion dont la fréquence de récurrence est N*F ou 2*N*F. En effet, les N couples de diodes qui pompent optiquement les N milieux amplificateurs peuvent émettre de façon consécutive à des intervalles de temps égaux à 1/(N*F). De même chacun des couples de diodes peut émettre de façon consécutive à des intervalles de temps égaux à 1/(2*N*F). D'une façon générale chaque édifice de diodes peut émettre durant les périodes de repos de toute ou partie des (2N-1) autres édifices. La fréquence et l'amplitude de l'impulsion amplifiée peuvent ainsi être largement modulées. Lorsque la fréquence de récurrence de l'impulsion amplifiée est égale à F, le niveau d'amplification est maximum. La figure n"3 définit les conditions de dissipation thermique pour deux types de distributions uniphases et uniformes du champ électromagnétique dont l'onde correspondante est limitée par la diffraction. La figure n 3-a correspond à une distribution de symétrie cylindrique. Le milieu amplificateur (8) est placé en contact thermique avec la structure (11) qui peut être la matrice non dopée du milieu amplificateur ou tout autre matériau compatible avec la fonction principale de dissipation thermique. Les modules Peltier (12) assurent le refroidissement de la structure. Les shunts thermiques (13) maintiennent les hublots (14) et assurent l'isolation thermique entre la structure et les hublots. Le volume libre entre le milieu amplificateur et les hublots peut être sous un vide primaire ou peut contenir de l'air exempt d'aérosols. En tout état de cause, l'évacuation de chaleur par convection et par radiation est très faible vis à vis de la dissipation thermique par conduction dans le milieu amplificateur et la structure.Selon la direction x, la charge thermique absorbée par unité de volume suit une loi exponentielle ou une fonction chaînette selon que le milieu est pompé par un ou deux édifices de diodes. Le gradient thermique et le champ de contraintes qui l'accompagne sont sans incidence sur la phase de l'onde amplifiée. Ainsi, les édifices de diodes peuvent émettre des flux différents, cela est sans incidence sur la phase de l'onde et sur la direction de propagation moyenne. Selon la direction radiale r, la charge thermique absorbée par unité de volume est homogène dès lors où la distribution émise par les diodes est uniforme. Le gradient thermique et le champ de contraintes qui l'accompagne créent une variation d'indice dont la fonction en r est de forme parabolique.La phase de l'onde amplifiée est modifiée mais peut être corrigée par des optiques sphériques. La figure n 3-b correspond à une distribution de symétrie rectangulaire. Les milieux amplificateurs (8) sont placés en contact thermique avec la structure (11) qui est composée de deux pièces. Les modules Peltier (12) assurent le refroidissement de la structure. Les shunts thermiques (13) maintiennent les deux hublots (14). Les éléments chauffants (15) dissipent une puissance thermique identique à la puissance moyenne dissipée au sein des milieux amplificateurs. Les pièces (16) sont des éléments de contact qui assurent une bonne conductibilité calorifique entre les milieux amplificateurs et les éléments chauffants.Le volume libre entre les hublots et les milieux amplificateurs a la même fonction que celle évoquée dans la configuration de la figure n 3-a. Selon la direction x, la charge thermique est celle évoquée dans le cas d'une distribution de système cylindrique. Selon les direction y et z, la charge thermique absorbée par unité de volume est constante. Le sens du débit thermique est nécessairement selon l'axe y. Le gradient thermique et le champ de contraintes qui l'accompagne créent une variation d'indice dont la fonction en y est de forme parabolique. La phase de l'onde amplifiée est modifiée mais peut être corrigée par des optiques cylindriques. Une des variantes de l'APSC consiste à utiliser, dans un élément actif plusieurs milieux amplificateurs de même forme montés en série vis à vis de l'onde à amplifier. Les volumes libres entre les hublots et les milieux amplificateurs peuvent être utilisés pour refroidir latéralement les milieux amplificateurs. Dans ces conditions, un gaz sous pression circule dans les volumes libres et les structures sont alors des isolants thermiques ou bien des shunts thermiques sont placés entre les structures et les milieux amplificateurs. L'Amplification à Pompage optique Sélectif et Colinéaire trouve ses applications dans la réalisation d'oscillateurs optiques et de chaînes amplificatrices qui produisent une puissance optique moyenne importante. REVENDICATIONS 1 Dispositif amplificateur de lumière de forte puissance moyenne caractérisé en ce que la lumière de pompe issue de diodes lasers soit colinéaire avec la lumière à amplifier. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les édifices émetteurs à diodes lasers, l'optique intra-cavité et l'optique de sortie constituent des résonateurs à transformation de Fourier qui fournissent une distribution du champ électromagnétique uniforme et uniphase pour une onde émise limitée par la diffraction. L'optique de sortie possède un masque dont la distribution est la transformée de Fourier réciproque de la distribution des sources élémentaires de l'édifice émetteur. L'optique intra-cavité assure la dualité entre les espaces conjugués de Fourier. En champ proche, la densité d'énergie de l'onde émise est uniforme. 3 Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux résonateurs à transformation de Fourier qui pompent optiquement le même milieu amplificateur sont isolés et protégés contre des retours de lumière par des isolateurs à effet FARADAY composés d'un polariseur, d'une lame demi-onde et d'un milieu à effet FARADAY permanent. 4 Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les milieux amplificateurs sont placés en série vis à vis de l'onde à amplifier. Cette association est réalisée avec l'aide de miroirs dichroïques qui transmettent la lumière de pompe et réfléchissent la lumière à amplifier. Ils peuvent également réfléchir la lumière de pompe et transmettre la lumière à amplifier. Dans cette association, le dispositif amplificateur est composé de N éléments actifs. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le régime de fonctionnement est continu ou impulsionnel. Dans ce dernier cas, l'impulsion lumineuse à amplifier peut avoir une fréquence de récurrence égale à N*F ou 2*N*F où F est la fréquence d'émission des édifices de diodes. Dans ces conditions l'impulsion est amplifiée à chaque tir dans l'un des N milieux amplificateurs. Chaque couple d'édifices de diodes ou chaque édifice de diodes émet de façon consécutive à des intervalles de temps égaux respectivement à 1/(N*F) ou 1/(2*N*F). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque édifice de diode émet durant les périodes de repos de toute ou partie des (2N-1) autres édifices. Lorsque l'émission des édifices est synchrone, la fréquence de récurrence de l'impulsion est F et son niveau d'amplification est maximum. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le régime thermique stationnaire établit dans les milieux amplificateurs induit une distorsion de phase et une biréfringence accidentelle sur l'onde amplifiée qui sont corrigeables par les éléments optiques. La distorsion de phase peut se corriger en façonnant optiquement les faces des milieux amplificateurs. La biréfringence est compensée par une lame de quartz. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distribution du champ électromagnétique de pompe est uniphase et uniforme, de symétrie circulaire ou de symétrie rectangulaire. Dans ces deux exemples, les milieux amplificateurs sont placés en contact thermique avec la structure qui est refroidie par les modules Peltier. Les shunts thermiques isolent thermiquement les hublots de la structure. Les volumes libres entre les hublots et les milieux amplificateurs évitent l'évacuation de chaleur par convection. Ainsi la dissipation thermique s'effectue quasi-totalement par conduction radiale dans la symétrie cylindrique et par conduction unidirectionnelle dans ia symétrie rectangulaire.Pour cette dernière, des éléments chauffants dissipent une puissance calorifique égale à la puissance moyenne dissipée au sein des milieux amplificateurs. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans toutes les distributions de pompage, le gradient thermique et le champ de contraintes qui l'accompagne créés par l'absorption sélective des lumières de pompe sont sans effet sur l'onde amplifiée pour leurs composantes colinéaires à la direction de propagation et induisent une variation d'indice de forme parabolique pour leurs composantes perpendiculaires à la direction de propagation. La phase de l'onde amplifiée est modifiée mais est corrigeable par des optiques cylindrosphériques. 10 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que un milieu amplificateur peut être constitué de plusieurs éléments. Les volumes libres entre chaque élément et entre les hublots assurent la circulation d'un gaz sous pression pour refroidir latéralement chaque élément. Les milieux amplificateurs sont alors isolés thermiquement des structures qui les maintiennent.