Brevet FR2778277A1 — publié le 19991105

SYSTEME DE COMMANDE D'UN LASER POMPE ET PROCEDE DE COMMANDE L'invention concerne un système de commande d'un laser pompé et notamment un laser impulsionnel, et son procédé de commande. Les utilisateurs de lasers à solides impulsionnels ont, pour des applications spécifiques, le besoin de synchroniser un tir laser sur un événement extérieur aléatoire. Couramment, I'état de l'art consiste à utiliser des lasers monocoups. Dans de telles situations, le banc de condensateurs qui stocke l'énergie électrique nécessaire au pompage optique du milieu amplificateur est préalablement chargé. Au moment opportun, c'est-à-dire au début de l'apparition d'un événement à détecter, I'utilisateur envoie un signal électrique qui initialise, au temps To, le processus de pompage optique. Au temps To + AT, c'est-à- dire après que l'interrupteur optique de la cavité laser se soit ouvert, l'impulsion lumineuse apparaît en sortie de laser. Ainsi, l'impulsion est sensiblement synchrone de l'événement dont la durée totale est supérieure à AT. L'interaction entre l'événement et le laser est acquise avec un minimum d'incertitude. La récurrence de la situation est lente et ne favorise pas des mesures statistiques ou des mesures d'évolution. Lorsque l'on tente d'utiliser des tirs à un rythme plus élevé, la mise en régime thermique des lasers modifie les caractéristiques spatio- temporelles des impulsions lumineuses et les rend inutilisables. Il faut avoir recours à des lasers conçus pour fonctionner en cadence. Traditionnellement, un laser à solide fonctionnant à une fréquence de tir F, est composé comme l'indique la figure 1: - d'une cavité résonante 1 constituée de miroirs 2 et 3, déclenchée par un dispositif de déclenchement tel qu'une cellule de Pockels 4 ou tout autre moyen; - d'une structure de pompage 5 qui maintient le milieu amplificateur et l'élément de pompage optique (lampes ou diodes lasers); - d'un obturateur mécanique intracavité 6 qui ne s'ouvre qu'après une mise en régime thermique; d'une alimentation de puissance 7 pour l'élément de pompage optique; d'une alimentation de la cellule de Pockels 8; - d'éventuels générateurs d'harmoniques 9 placés en sortie de cavité. L'alimentation de puissance dispose d'un circuit de synchronisation qui fonctionne en mode externe ou en mode interne. En mode interne, une horloge de ce circuit commande fixe la valeur de la fréquence de tir F. A chaque période, le circuit de synchronisation active la charge des condensateurs, puis le pompage optique et enfin l'ouverture de la cellule de Pockels. L'obturateur mécanique intracavité n'est activé par cette commande qu'au bout d'un temps fixé par la nature du milieu amplificateur et sa mise en régime thermique. En mode externe, I'utilisateur peut piloter par des signaux électriques, la charge des condensateurs, le pompage optique et l'ouverture de la cellule de Pockels. L'obturateur mécanique intracavité reste en général piloté par le circuit de synchronisation. Cependant, I'émission d'une impulsion sous la commande de l'utilisateur implique une rupture dans le fonctionnement du laser et dans son régime thermique ce qui perturbe les caractéristiques du laser. L'invention fournit une solution qui résout ce problème. L'invention concerne donc un système de commande d'émission d'un laser pompé comprenant un milieu laser et un dispositif de déclenchement situés dans une cavité optique ainsi que des moyens de pompage, des circuits de commande, des moyens de pompage et un circuit d'horloge commandant de façon cyclique les circuits de commande et le dispositif de déclenchement, caractérisé en ce qu'il comporte également un obturateur optique commandable situé en sortie dudit laser pompé ainsi qu'un circuit de commande particulier fournissant sur commande au moins: - un signal de fermeture/ouverture de l'obturateur optique; - un signal d'arrêt/déblocage du circuit d'horloge; - un signal d'initialisation des moyens de pompage; - et un signal de déclenchement du pompage et du dispositif de déclenchement. L'invention concerne également un procédé de commande d'émission d'un laser pompé impulsionnel comprenant un milieu laser et un dispositif de déclenchement situés dans une cavité optique ainsi que des moyens de pompage, des circuits de commande, des moyens de pompage et un circuit d'horloge commandant de façon cyclique les circuits de commande et le dispositif de déclenchement, caractérisé en ce qu'il comporte les différentes phases suivantes: a) - blocage, à l'aide d'un obturateur optique, du trajet optique de sortie du laser; b)- blocage de l'émission des signaux du circuit d'horloge et commande de l'initialisation des moyens de pompage; c)- déblocage de la transmission du trajet optique de sortie du laser; d)- commande du pompage du laser et de l'émission d'une impulsion laser; e) - blocage à nouveau, à l'aide de l'obturateur optique, du trajet optique de sortie du laser et déblocage de l'émission des signaux du circuit d'horloge. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un laser pompé et son système de commande connus dans la technique et décrits précédemment; - la figure 2, un exemple de système de commande d'un laser pompé selon l'invention; - la figure 3, un exemple de chronogramme d'un système de commande selon l'invention; - les figures 4a et 4b, I'application de l'invention à plusieurs lasers. Le système de la figure 2 comporte, comme dans la figure 1, un laser comprenant un milieu laser 5 et un dispositif de déclenchement 4 (cellule Pockel par exemple) situées entre les miroirs 2 et 3 qui constituent une cavité optique. L'obturateur mécanique 6 a été représenté bien qu'il n'intervient nécessairement pas dans le cadre de l'invention. L'alimentation de puissance 7 a été détaillée pour expliquer clairement l'objet de l'invention. A titre d'exemple, I'alimentation de puissance 7 comprend un circuit de commande 71, un circuit à condensateur 72 et un circuit d'alimentation de pompage 70. De plus, un circuit d'horloge 73 qui permet de gérer le fonctionnement de l'alimentation de puissance 7 et du circuit d'alimentation 8 du dispositif de déclenchement 4. Le système de l'invention comporte en outre: - un obturateur optique 11 qui est placé sur le trajet du faisceau lumineux émis par le laser. Cet obturateur, lorsqu'il est fermé, bloque la transmission du faisceau lumineux émis par le laser et permet sa transmission lorsqu'il est ouvert; - un circuit de commande particulier 10 qui, sous la commande de signaux extérieurs aux systèmes EXT1 et EXT2, permet de réaliser le fonctionnement du système selon l'invention. Ce signal EXTIl doit être fourni en synchronisation d'un événement aléatoire ou pseudo-aléatoire. En fonctionnement normal, I'obturateur optique 11 est ouvert et laisse passer tout faisceau lumineux émis par le laser 1. Le circuit de commande particulier 10 n'est pas activé. Le circuit d'horloge 73 délivre à intervalles des impulsions d'horloge de commande, par exemple à une fréquence de 20 Hz. Ces impulsions d'horloge commandent le circuit de commande 71 lequel commande la charge des condensateurs du circuit à condensateurs 72 puis du pompage du milieu laser 5 par le circuit 70 à l'aide de l'énergie fournie par le circuit à condensateurs 72. Le circuit 70 peut comporter une diode laser de pompage commandée par les circuits à condensateurs 72. Le circuit d'alimentation 8 est également commandé par le circuit d'horloge et commande le dispositif de déclenchement 4. En se reportant à la figure 3, on va décrire un fonctionnement du système de la figure 2. A un temps Tob, le signal EXT1 est transmis au circuit 10 qui commande la fermeture de l'obturateur 11 à l'aide d'un signal SOb1. Ensuite à un temps Ti, le circuit 10 commande (signal STi) le circuit 71 qui commande la charge des condensateurs du circuit à condensateur 72 et commande l'interruption du circuit d'horloge 73 ou l'inhibition des signaux que ce circuit d'horloge émet (signal Inh). Ensuite, à un temps sensiblement Ti + ATi, le circuit de commande particulier 10 commande l'ouverture de l'obturateur 11 qui redevient alors transparent à tout faisceau optique susceptible d'être émis par le laser. L'intervalle de temps ATi correspond au temps de charge des condensateurs et est très largement supérieur à l'intervalle de temps AT lié au processus de pompage optique et à la création d'impulsion. L'obturateur mécanique intracavité 6 est en général ouvert. Quel que soit l'instant o l'activation de la commande électronique particulière s'effectue, l'impulsion issue du cycle de pompage qui précède ou qui est en coïncidence avec l'activation est stoppée par l'obturateur externe tant que celui-ci est fermé. Après le temps Ti + ATi, I'événement aléatoire peut se présenter dans un intervalle de temps ATe dont la valeur ajoutée à la valeur de ATi ne dépendent que de la thermique du milieu amplificateur. Sensiblement au temps To o apparaît l'événement aléatoire ou pseudo-aléatoire, la commande électronique particulière est désactivée par un nouveau signal électrique EXT2 ou bien, cette désactivation peut se faire automatiquement au bout d'un temps déterminé après le temps EXT1 de son activation. Le circuit de commande particulier 71 commande le circuit 70 et l'envoie d'une impulsion de pompage au milieu laser 5. Une impulsion optique synchrone est alors émise par le laser au temps To + ATo. Enfin, au temps To + ATf, l'obturateur optique 11 est à nouveau fermé par un signal SObl' analogue au signal SOb1. De plus, I'horloge 73 repart à la fréquence F sous la commande d'un signal STf. Le système se retrouve dans l'état o il était en début de fonctionnement; il se trouve près pour un nouveau cycle de fonctionnement. Durant l'activation de la commande électronique particulière, le régime thermique stationnaire du milieu amplificateur est légèrement modifié. La valeur de ATe + ATi est choisie de façon à ce que les performances de l'impulsion lumineuse ne s'éloignent pas des performances enregistrées dans le régime des tirs en cadence. Le circuit de commande électronique particulière 10 peut se placer sur un nombre illimité de lasers synchrones, cadencés à la même fréquence, et dont les impulsions recombinées ou pas dans un faisceau, constituent un train d'impulsions dont la durée totale est inférieure à ATi. La figure 4a représente un exemple de système comportant plusieurs lasers. De façon connue, les différents lasers 1.1 à 1.n sont commandés par un circuit d'horloge 20 commun. Si l'on veut que les lasers émettent des impulsions lasers décalées les unes par rapport aux autres comme représenté en figure 4a, les lasers possèdent des circuits de temporisation T1 à Tn réglés à des temps de retard différents. Ces circuits de temporisation reçoivent les impulsions d'horloge et permettent la commande des lasers à des instants répartis dans le temps. Comme mentionné précédemment, la durée d'un train d'impulsion est de préférence inférieur à ATi. Selon l'exemple de la figure 4a, un obturateur optique 11 est commun à tous les lasers, mais on pourrait prévoir un obturateur par laser. Les faisceaux émis par les lasers sont donc combinés en un seul faisceau et I'obturateur est placé sur ce faisceau. Le circuit de commande particulier 10 est commun à tous les lasers. Son fonctionnement est similaire à celui du circuit 10 de la figure 2. A titre d'exemple non limitatif, le laser peut être un laser Nd:YAG doublé en fréquence dont la cadence de tir est de 20 Hz. L'intervalle de temps ATi est de 50 ms, le temps ATe est de 800 ms et le temps ATo est de ps. Le domaine de l'invention est plus particulièrement celui des applications pour la mesure de vitesses dans des fluides. REVENDICATIONS 1. Système de commande d'émission d'un laser pompé comprenant un milieu laser (5) et un dispositif de déclenchement (4) situés dans une cavité optique (2, 3) ainsi que des moyens de pompage (70), des circuits de commande (71), des moyens de pompage et un circuit d'horloge (73) commandant de façon cyclique les circuits de commande (71) et le dispositif de déclenchement, caractérisé en ce qu'il comporte également un obturateur optique commandable (11) situé en sortie dudit laser pompé ainsi qu'un circuit de commande particulier (10) fournissant sur commande au moins: - un signal de fermeture/ouverture de l'obturateur (SOb1, SOb2); - un signal d'arrêt/déblocage du circuit d'horloge (STi, STf); - un signal d'initialisation des moyens de pompage; - et un signal de déclenchement du pompage (STo) et du dispositif de déclenchement (4). 2. Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de pompage comprennent un circuit à condensateur (72) et un circuit d'alimentation de pompage (70). 3. Système de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que sous la commande d'un premier signal extérieur EXT1, le circuit de commande particulier (10) commande successivement: - la fermeture de l'obturateur optique (11) à l'aide d'un premier signal (SOb1); - le blocage des signaux émis par le circuit d'horloge (73) par un deuxième signal (STi) et la commande de la charge des condensateurs du circuit à condensateur (72) durant un temps de charge (ATi) à compter du deuxième signal (STi); - I'ouverture de l'obturateur (11) à l'aide d'un troisième signal (SOb2); - I'alimentation de pompage à l'aide d'un quatrième signal (STo) fournit au circuit d'alimentation de pompage; - la fermeture à nouveau de l'obturateur optique (11) à l'aide d'un signal (SOb1') analogue au premier signal (SOb1) et le déblocage des signaux du circuit d'horloge (73) par un cinquième signal (STf). 4. Système de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que le quatrième signal (STo) est fourni sous la commande d'un deuxième signal extérieur (EXT2). 5. Système de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième signal (STi) est fournit quasiment en même temps mais légèrement après le premier signal (SOb1). 6. Système de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs lasers, et en ce que le circuit de commande particulier (11) commande les différents lasers. 7. Système de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que les faisceaux émis par les différents lasers sont combinés en un faisceau commun, et que l'obturateur optique (11) est placé sur le trajet de ce faisceau et en ce que le circuit de commande particulier (11) commande ledit obturateur. 8. Système de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un obturateur optique associé à chaque laser et en ce que le circuit de commande particulier commande les différents obturateurs. 9. Système de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de commande particulier (10) peut commander plusieurs lasers synchrones qui émettent à la même fréquence de base et dont les impulsions forment un train d'impulsion dont la durée est inférieure à l'intervalle de temps (ATi) qui sépare l'activation du circuit de commande particulier de l'ouverture de l'obturateur optique (11). 10. Procédé de commande d'émission d'un laser pompe impulsionnel comprenant un milieu laser (5) et un dispositif de déclenchement situés dans une cavité optique (2, 3) ainsi que des moyens de pompage (70), des circuits de commande (71), et un circuit d'horloge (73) commandant de façon cyclique les circuits de commande (71) et le dispositif de déclenchement (4), caractérisé en ce qu'il comporte les différentes phases suivantes: a) - blocage à l'aide d'un obturateur optique du trajet optique de sortie du laser; b)- blocage de l'émission des signaux du circuit d'horloge (73) et commande de l'initialisation des moyens de pompage; c)déblocage de la transmission du trajet optique de sortie du laser; d)commande du pompage du laser et de l'émission d'une impulsion laser; e) blocage à nouveau, à l'aide de l'obturateur optique, du trajet optique de sortie du laser et déblocage de l'émission des signaux du circuit d'horloge. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les différentes phases (a) à (e) sont successives et sont initialisées par un premier signal extérieur de commande (EXT1). 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les deux premières étapes (a) et (b) sont initialisées par un premier signal extérieur de commande (EXT1) et que les trois dernières étapes (c) à (e) sont initialisées par un deuxième signal extérieur de commande (EXT2).