Brevet FR2798781A1 — publié le 20010323

présente invention concerne une source laser pouvant émettre faisceaux a impulsions multiples programmables, l'intervalle entre impulsions successives pouvant être très court. L'étude des phénomènes rapides transitoires fait de plus en plus appel à des sources laser. Ce choix est dû aux caractéristiques particulières du rayonnement laser. En effet, le rayonnement laser présente les caractéristiques suivantes son intensité lumineuse très élevée ; durée très courte des impulsions lumineuses cohérence temporelle et spatiale qui devient nécessaire si la méthode de visualisation choisie est l'interférométrie ou l'holographie ; - la facilité à adapter la longueur d'onde d'émission pour permettre d'accroître l'efficacité et la sensibilité de la méthode (spectroscopie à la résonance, visualisation par diffusion). particulier, les lasers à solides utilisant différents matériaux actifs profitant ressources de l'optique non linéaire permettent de couvrir spectre d'émission très large avec les caractéristiques mentionnées précédemment. L'application des différentes méthodes de visualisation aux phénomènes transitoires présente un certain nombre de difficultés. Les problèmes posés par la détection photoélectrique des signaux et leur acquisition, à celui du traitement informatique en temps réel, ne sont pas nouveaux. contre, lorsque l'analyse des phénomènes étudiés repose principalement sur l'acquisition et le traitement d'images, la séparation spatiale et temporelle de ces images de même que le choix du support passent au premier plan. élément important dans la chaîne de mesure est la source de lumière laser capable de générer plusieurs impulsions réparties de façon programmables tout au long de la durée du phénomène à analyser. L'état de l'art est le suivant : Lorsque effectue des mesures en lumière transmise sur des objets phase microparticules), on n'a pas besoin de beaucoup d'énergie impulsion sorte que les lasers ioniques à émission continue modulés par cellules acousto-optiques sont tout à fait adaptés. Dans ce cas, l'intervalle temps sépare les impulsions successives est constant, et réglable entre quelques à plusieurs ms. Lorsque la méthode de visualisation fait appel à la diffusion sur des particules (présentes naturellement dans un écoulement ou par ensemencement) ou sur des molécules (diffusion Raman ou Rayleigh). L'énergie laser nécessaire par impulsion est au moins d'un ordre de grandeur plus élevée que celle qui suffit en lumière transmise. Il est préférable d'avoir un nombre limité d'impulsions pendant la durée du phénomène transitoire et de pouvoir ajuster les différents intervalles de temps entre les impulsions successives. Dans les études par PIV, on utilise couramment un système de double source laser permettant d'obtenir deux impulsions décalées dans le temps pour la mesure de vitesse. Par contre, si l'on souhaite suivre l'évolution du champ de vitesse pendant la durée du phénomène, le coût des sources lasers capables de fournir le nombre d'impulsions requises devient très vite prohibitif. Pour cette raison, la demanderesse a étudié et développé une source laser plus spécifique adaptée à l'étude des phénomènes transitoires. Cette source délivre une rafale unique d'impulsions dont les intervalles successifs sont réglables de façon à s'adapter à la dynamique particulière du phénomène à étudier. Le coût du système n'augmente pas de façon très sensible avec l'accroissement du nombre des impulsions générées ; cela à cause de la structure modulaire particulière choisie et de la mise en commun de nombreux éléments du montage. Suivant l'invention, la source laser apte à émettre des faisceaux à impulsions multiples programmables, l'intervalle entre les impulsions successives pouvant être très court, la source laser comportant au moins deux cavités comprenant chacune plusieurs têtes d'émissions de faisceau laser est caractérisée en ce elle comprend des moyens pour déclencher de façon séquentielle l'émission faisceaux lasers des dites têtes, des moyens pour superposer le faisceau emis par l'une des cavités lasers avec le faisceau émis par l'autre cavité et pour rendre ceux-ci colinéaires. L'intervalle minimum réalisable entre impulsions successives est donne par la durée de l'impulsion de pompage optique (150 à 200 ps dans le cas lasers solides dopés néodyme), en supposant que lors du déclenchement de l'impulsion, à la fin du cycle de pompage, toute l'inversion de population a été consommée. L'invention permet d'obtenir des intervalles entre impulsions beaucoup plus courts et proche de la durée des impulsions lasers émises, soit de l'ordre de (15 à 20 ns). Dans une version particulière de l'invention, les deux cavités de la source laser émettent deux faisceaux laser parallèles. Sur le trajet de l'un des faisceaux est disposé un réflecteur adapté pour renvoyer orthogonalement le faisceau vers un polariseur situé sur le trajet de l'autre faisceau laser, de façon à superposer colinéairement les deux faisceaux. Le fait que les deux faisceaux soient superposés colinéairement permet d'obtenir un faisceau unique sur lequel les impulsions obtenues par déclenchement séquentiel des têtes sont temporellement plus rapprochées que sur un faisceau émis par les têtes d'une seule cavité. préférence, sur le trajet des deux faisceaux superposés est disposé un genérateur d'harmonique. L'obtention d'un faisceau laser à impulsions très rapprochées rend la source laser selon l'invention particulièrement adaptée à la visualisation de phénomènes rapides transitoires. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs figure 1 est une vue schématique de la source laser conforme à l'invention figure 2 est une vue schématique plus détaillée, des différentes cavités la source laser. figures 1 et 2, illustrent schématiquement une source laser apte à émettre faisceaux à impulsions multiples programmables, l'intervalle entre les impulsions successives pouvant être très court. La source laser comporte plusieurs cavités 1,2,3, .... m comprenant chacune plusieurs têtes 11, 1 2,1 3, ... 1 n d'émission de faisceau laser. Conformément à l'invention, la source laser comprend des moyens pour déclencher de façon séquentielle l'émission des faisceaux lasers, des tetes 11,12,13, .... ln et des moyens pour superposer le faisceau émis par l'une cavités 1 avec le faisceau émis par la ou les autres cavités 2,3, ... m et pour rendre ceux-ci colinéaires. moyens pour déclencher séquentiellement l'émission des faisceaux lasers têtes 11,12,13, .... 1 n de la cavité 1 21,22,23, ... 2n de la cavité 2 31,32,33, ... 3n de la cavité 3 ml,m2, m3, ... mn de la cavité m ne seront pas décrits ici, car sont bien connus des spécialistes du domaine de l'invention. Ces moyens comprennent circuit électronique associé à un logiciel permettant de régler l'intervalle entre les impulsions lasers successives. On voit sur les figures 1 et 2 les cavités 1,2,3 .... m émettent à leur sortie des faisceaux lasers parallèles f2,f3, .... fm. Sur le trajet des faisceaux fl .... frn est disposé un réflecteur r adapté pour renvoyer orthogonalement faisceaux f M2, ... F vers un polariseur P12,P34, ... P78 situé sur le trajet autres faisceaux lasers, de façon à superposer colinéarement les faisceaux fl, ... f7 et les faisceaux f2, ... fm. Sur le trajet des faisceaux superposés fl, ... F et f2, ... frn est disposé un générateur d'harmonique SHG12, SHG34, ... SHG78. Plus précisément, le faisceau laser fl émis par la première cavité 1 est superposé après réflexion orthogonale, au moyen d'un polariseur P12 au faisceau laser f2 émis par la deuxième cavité 2, le faisceau f3 émis de la troisième cavité 3 est superposé de la même façon au faisceau f4 émis de la quatrième cavité 4. Il en est de même pour les paires successives de cavités suivantes. De plus, la source laser, selon l'invention, comporte un réflecteur rl et un polariseur P1234 pour superposer de façon colinéaire les faisceaux lasers colinéairement superposés f2 issus de la première paire de cavités 1,2 avec les faisceaux lasers f4 colinéairement superposés issus de la deuxième paire de cavités 3A et un réflecteur r2 et un polariseur P5678 pour superposer de façon colinéaire les faisceaux lasers colinéairement superposés f6 issus de la troisième paire de cavités 5 avec les faisceaux lasers colinéairement superposés f8 issus de la quatrieme paire de cavités 7,8. La source laser comprend de plus un réflecteur r3 et un polariseur Pl ... 8 pour superposer de façon colinéaire les faisceaux superposés f`4 issus des deux premières paires de cavités 1,2 ; 3,4 avec les faisceaux superposés f'8 issus des troisième et quatrième paires de cavités 5,6 ; 7,8. Il en est de même pour les paires de cavités suivantes. Les polariseurs P12,P34,... P78 polarisent orthogonalement les deux faisceaux qu'ils rencontrent. Comme montré par la figure 2, chaque cavité 1,2,3, ... m comprend entrée E et une sortie S et entre celles-ci successivement : - un miroir d'entrée HR1, HR2, HR3, .... HRm à réflexion maximum - une cellule de Pockel CP1,CP2,CP3, ... CPm - un prisme polariseur Pl,P2,P3, ... Pm, - une lame quart-d'onde //4 ; - les têtes successives 11, 12,13, ... ln etc... une lame quart-d'onde //4 et; un miroir de sortie PR1,PR2,PR3, ... PRm. principaux avantages de la source laser que l'on vient de décrire sont les suivants : - l'écart entre les impulsions émises par chaque cavité peut être réduit' à une valeur de l'ordre de 15 à 20 ns, de sorte que le faisceau unique émis a sortie peut présenter une succession d'impulsions très rapprochées les unes des autres ; - l'écart entre les impulsions peut être réglé et programmé en commandant d'une manière appropriée les moyens de déclenchement associés aux têtes. La réalisation de la source laser est relativement peu coûteuse du fait de l'utilisation de dispositifs peu complexes qui sont mis en commun dans le montage. Le pompage optique faisceaux lasers peut être effectué aussi bien par des lampes à décharge que des diodes lasers. La longueur d'onde fixe du faisceau émis peut être aussi bien dans l'infrarouge que dans le visible. La longueur d'onde des différents faisceaux peut être modifiée à l'aide de composants non linéaires. On donne ci-après, à titre d'exemple non limitatif les caractéristiques d'une source laser selon l'invention : - matériau laser: Nd GSGG, 1,062 pm n m 2 - intervalle entre impulsion réglable entre 0, 1 ps et 100 ms. - energie par impulsion : 20 mJ à 532 nm - durée d'impulsion : ris - cristal doubleur de frequence : KTP, type Il. REVENDICATIONS ) Source laser apte à émettre des faisceaux à impulsions multiples programmables, l'intervalle entre les impulsions successives pouvant être très court, la source laser comportant au moins deux cavités (1,2) comprenant chacune plusieurs têtes d'émission (11,12 ; 21,22) de faisceaux lasers caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour déclencher de façon séquentielle l'émission des faisceaux lasers (fl,f2) des dites têtes, des moyens pour superposer le faisceau émis (fl) par l'une des cavités (1) avec le faisceau (f2) émis par l'autre cavité (2) et pour rendre ceux-ci colinéaires. Source laser conforme à la revendication 1, dans laquelle les deux cavités (1,2) émettent à leur sortie deux faisceaux lasers parallèles (fl,f2), caractérisée ce que sur le trajet de l'un des faisceaux (fl) est disposé un réflecteur (r) adapté pour renvoyer orthogonalement ledit faisceau (f 1) sur un polariseur (Pl 2) situé sur le trajet de l'autre faisceau laser (f2), de façon à superposer colinéairement les deux faisceaux (fl,f2). Source laser conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que sur le trajet des deux faisceaux superposés (fl,f2) est disposé un générateur d'harmonique (SHG12). Source laser conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce lelle comporte plus de deux cavités (1,2,3, ... m) Source laser conforme à la revendication 4, caractérisée en ce que faisceau laser (fl) émis par la première cavité (1) est superposé après réflexion orthogonale, au moyen d'un polariseur (Pl2) au faisceau laser (f2) émis par deuxième cavité (2), en ce que le faisceau (f3) émis par la troisième cavité superposé de la même façon au faisceau (f4) émis par la quatrième cavite (4) et en ce qu'il en est de même pour les paires successives de cavités suivantes. 6) Source laser conforme à la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour superposer de façon colinéaire, les faisceaux lasers colinéairement superposés issus de la première paire de cavités (1,2), avec faisceaux lasers colinéairement superposés issus de la deuxième paire cavités (3,4), des moyens pour superposer de façon colinéaire, les faisceaux lasers colinéairement superposés issus de la troisième paire de cavités (5,6), avec les faisceaux lasers colinéairement superposés issus de la quatrième paire de cavités (7,8) et des moyens pour superposer de façon colinéaire les faisceaux superposés issus des deux premières paires de cavités (1,2 ; 3,4), avec les faisceaux superposés issus des troisième et quatrième paires cavités et de même pour les paires de cavités suivantes. 7) Source laser conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en qu'elle comprend plusieurs cavités (1,2,3, ... m) comportant chacune plusieurs têtes (l 1, 1 2,1 3, ... m) associées à des moyens pour les déclencher de façon séquentielle, chaque cavité comportant une entrée (E) et une sortie (S) et entre cette entrée (E) et cette sortie (S) successivement un miroir d'entrée à réflexion maximum (HR1), une cellule de Pockel (CP1), un prisme polariseur (Pl), une lame quart-d'onde (//4), les têtes successives (l 1, 12,13... lm), une lame quart- d'onde (//4) et miroir de sortie (PR1). 8) Application la source laser conforme à l'une des revendications 1 à 7 à l'étude des phenomènes rapides transitoires.