Brevet FR2837324A1 — publié le 20030919

l'intermediaire d'un interrupteur (803) muni d'un voyant lumineux (804). OSCILLATEUR OPTIQUE A PASSAGES MULTIPLES L'invention concerne un oscillateur optique equipe d'un materiau solide actif a forte capacite de stockage, declenche par un interrupteur optique. Les oscillateurs optiques vent couramment constitues d'un s milieu amplificateur? d'une cavite resonnante, d'un interrupteur optique commande ou autonome et d'accessoires tels qu'un diaphragme, une ou plusieurs lames de phase et divers elements optiques. Lorsque la cavite fonctionne en mode d'oscillations libres (regime relaxe), la duree de ['emission lumineuse est a peu pres egale a ia duree de la source de pompage optique a condition que le seuil de fonctionnement soit atteint Celui-ci definit l'equilibre entre le gain et les pertes optiques de la cavite. D'une facon generale, la condition d'oscillation est satisfaite lorsque ['expression e29''.R'R2.T2 est superieure ou egale a1. L est la longueur active du milieu amplificateur, g et a vent respectivement les coefficients lineiques de gain et de perte du milieu amplificateur, R' et R2 vent les coefficients de reflexion efficaces des deux miroirs qui constituent la cavite resonnante et T est la transmission moyenne d'une once amplifiee apres le parcours d'un aller ou d'un retour dans la cavite. Le gain efficace G du milieu amplificateur est egal a (g-or).L et constitue o le gain a falble signal. Une once lumineuse de longueur d'onde comprise dans la raie d'emission spectrale de fluorescence du milieu actif, subit une amplification stimulee au sein du milieu si G est positif. La valeur correspondante du coefficient d3amplification A depend de la valeur du gain G et de la valeur de l'eclairement local de l'onde, integre sur un s intervalle de temps donne et exprime en Joule par metre carre. La condition de faible signal est garantie lorsque l'eclairement de l'onde incidente est faible vis a vis du rapport moyen Eo = hv/o qui caracterise l'une des proprietes de l'ion actif dans la matrice du materiau solide, ou h est la constante de Planck, v est la frequence optique du centre de la raie de fluorescence et 6 la section efficace d'emission de 1'ion. Ce rapport Eo designe l'energie moyenne de saturation de l'ion dans la matrice solide et s'exprime en Joule par metre carre. Si cette condition de faible signal est remplie, le coefficient damplification A est egal a eG. En cas contraire, A est toujours inferieur a eG. Cette derriere situation est couramment mise en ceuvre lorsque la cavite fonctionne en mode o impulsionnel (regime declenche). Des le debut du pompage optique, I'interrupteur optique est ouvert et toute once presente dans la cavite ne peut pas resonner et a fortiori ne peut pas s'amplifier. Durant le temps complet du pompage, I'energie lumineuse Es issue de la source de pompe est stockee dans le milieu amplificateur. Les ions dopants ncernes par cette energie passent a divers niveaux d'excitation et stationnent finalement dans le niveau superieur de la transition radiative. Certains d'entre eux se desexcitent par emission spontanee. La population d'ions excites atteint une valeur optimum a un instant donne. L'interrupteur optique est alors rapidement ferme, une repartition electromagnetique s'etablit dans la cavite par combinaison de deux ondes progressives, directe et opposee (ou contre-propagatives), un regime d'ondes stationnaires s'etablit et l'energie lumineuse est liberee dans une impulsion breve et puissante, qui se propage dans un faisceau directif de section S. La lumiere emise est plus ou moins coherente temporellement et spatialement. Une abondante litterature scientifique decrit tous ces phenomenes sous des formes plus ou moins detaillees. Le livre de W. Koechner dont le titre est Solid-State Laser Engineering (Springer Series in Optical Sciences - Editions: Springer Verlag Berlin) permet dans sa quatrieme edition et avec sa base pedagogique et ses nombreuses references scientifiques, de comprendre et d'interpreter les oscillateurs optiques dans leurs divers regimes de fonctionnement. Le gain a faible signal G d'un milieu amplificateur a solide apres ['action de la pompe optique s'exprime par le produit N*.6.L ou N* est ['inversion de population instantanee par unite de volume et constitue le resultat de la difference entre le nombre d'ions excites par la pompe optique, places dans le niveau superieur de la transition radiative et le o nombre d' ions places dans le niveau inferieur de cette meme transition. II est aise de demontrer que le gain a faible signal G exprime egalement le rapport de l'energie lumineuse Es stockee a un instant donne dans le milieu amplificateur et du produit de l'energie moyenne de saturation Eo par la section transverse S du faisceau tel que G = Es/(Eo.S). Pour une valeur donnee du gain G. le nombre de photons extraits par la lumiere incidente est d'autant plus eleve que le nombre de photons incidents par unite de surface est important. Notamment dans un oscillateur optique, I'extraction de l'energie stockee dans le milieu amplificateur a solide est une fonction croissante du gain et de l'eclairement instantane qui resulte o de la presence des ondes progressives dans le milieu amplificateur. La loi d'extraction met en cauvre le gain G et l'eclairement instantane reduit f; present dans le milieu et defini par le rapport de l'eclairement instantane et de ltenergie moyenne de saturation du milieu. Le coeffiicient d'amplification A et la part relative AE de l'energie prelevee sur l'energie stockee Es et retrocedee aux ondes incidentes au prorate de leurs iuminations incidentes (en Joule par metre carre), satisfait au formalisme decrit par Frantz et Nodvik (J. Appl. Phys. 34, 2346 (1963)) tel que: A=[Log{(e6-1)e +1}1/ 6; AE/Es=(A-1). /G La figure 1 presente le resultat d'une simulation qui fournit, en fonction des va leu rs d'ecla irement red u it (; en a bscisses et des valeurs de gain G en ordonnees, les differentes valeurs relatives s d'extraction. L'homme de l'art constate experimentalement ce que montre la simulation de la figure 1. L'extraction de 65% a 70% de l'energie stockee exige un eclairement proche de l'energie moyenne de saturation pour des gains inferieurs a 0,5 et proche de la moitie de cette meme energie pour des gains compris entre 2 et 3. Or les faibles gains o vent couramment obtenus avec des milieux amplificateurs a forte energie moyenne de saturation (quelques Joules par cm2) qui exigent de gros eclairements pour ['extraction de l'energie stockee. Inversement, un milieu de faible energie moyenne de saturation (inferieure au Joule par cm2) restitue aisement l'energie stockee sous des eclairements raisonnables. L'invention a pour but d'augmenter l'eclairement instantane dans les milieux amplificateurs a forte energie moyenne de saturation de facon a favoriser ['extraction de l'energie lumineuse d'un oscillateur en regime declenche. Pour augmenter de fagon significative cet eclairement o instantane, il s'agit d'augmenter le nombre de passages des ondes progressives dans le meme volume amplificateur. L'impulsion lumineuse resultante se construit avec une dynamique plus rapide; en effet, le gain a faible signal apparent augmente lineairement avec le nombre de passages. L'impulsion presente finalement une duree a mi-hauteur plus course que celle issue du meme oscillateur dans lequel le milieu amplificateur est configure en simple passage. L'invention concerne un oscillateur optique caracterise en ce qu'il comporte un ou plusieurs milieux actifs a forte energie moyenne de saturation places dans une cavite resonnante equipee d'un interrupteur optique, d'accessoires et pourvu de composants optiques specifiques apses a assurer des passages multiples aux ondes progressives dans le ou les memes vol umes de m i l ieux am plificateu rs. L' i nvention possede une reelle efficacite lorsque le faible gain est lie a la propension du milieu a restituer difficilement l'energie stockee (forte energie moyenne de saturation)., Les differents objets et caracteristiques de ['invention appara^'tront plus clairement dans la description qui va suivre faite a titre d'exemple non limitatif et dans les figures annexees qui representent: figure 2, un oscillateur conventionnel equipe d'un milieu o amplificateur 1, d'un interrupteur optique 2, de deux miroirs 3 & 4 constituent la cavite resonnante; - les figures 3a et 3b, un oscillateur selon ['invention, equipe des principaux composants de la figure 2, mais dont les configurations geometriques a double passage, permettent aux ondes lumineuses repliees dans la cavite, de passer simultanement deux fois dans le milieu amplificateur; - figure 4, un oscillateur seJon ['invention equipe des principaux composants de 3a figure 2, mais dont la configuration geometrique a triple passage, permet aux ondes lumineuses repliees o dans la cavite, de passer simultanement trots fois dans le milieu amplificateur; - figure 5, une variante de la configuration a double passage qui utilise d'une des faces de milieu amplificateur comme miroir de reflexion maximale; s - figure 6, une variante de la configuration a double passage qui utilise deux milieux amplificateurs separes. Selon la figure 2, mais ceci est egalement retenu pour les figures suivantes, I' interrupteur optique 2 est compose d' une cellule de Pockels 2.1, d'un polariseur dielectrique 2.2 et d'une lame quart d'onde s 2.3. Cela ne constituerait pas un changement significatif de ['invention si l'interrupteur optique 2 etait un absorbent saturable, un modulateur ou tout autre dispositif commande ou autonome. Les miroirs 3 et 4 constituent les composants minimum diune cavite optique qui filtre un ou plusieurs modes transverses de propagation. Le miroir de sortie 4 represente notamment un miroir a reflectivite variable pour ['emission d'un faisceau limite par la diffraction. Le milieu amplificateur 1 est pompe optiquement de facon transverse ou longitudinale par un dispositif qui peut etre un faisceau laser, un equi,cage de diodes de puissance ou des o lampes a eclairs. Selon la figure 3a, le double passage est assure sous un petit angle or par un prisme 5 (invariant optique dans le plan d'incidence des faisceaux) dont la face d'entree-sortie est soit traitee anti-reflet, soit taillee a ['angle de Brewster. Cela ne constituerait pas un changement s significatif de ['invention si deux miroirs a reflectivite elevee se substituaient au prisme 6. Selon la figure 3b, le double passage est assure sous incidence nulle par un polariseur dielectrique 7, une lame quart d'onde 8 et un miroir 6 a coefficient de reflexion eleve. o Selon la figure 4, le triple passage est assure sous un petit angle oc par deux miroirs a coefficient de reflexion eleve 9.1 et 9.2 et un prisme 5 dont la face d'entree-sortie est soit traitee anti-reflet, soit tail lee a ['angle de Brewster. Selon la figure 5, une variante du double passage utilise une s des faces traitee du milieu amplificateur comme miroir a coefficient de reflexion eleve. Le double passage s'effectue sous u n ang le d' incidence 8 falble ou eleve en fonction des contraintes d'ingenierie du systeme Selon la figure 6, une variante du double passage utilise deux milieux amplificateurs 1.1 et 1.2, les deux doubles passages vent realises sous un petit angle a, grace aux prismes 5.1 et 5.2 et au miroir a reflectivite elevee. Ces oscillateurs a passages multiples utilisent pleinement les ressources des milieux amplificateurs a falble energie moyenne de saturation telle que la matrice Yag (Y3AI5O'2) dopee par l'ion ytterbium et assurent une extraction maximum de l'energie stockee vehiculee par une impulsion lumineuse d'une dizaine de nanosecondes. Les applications o d'une telle invention vent nombreuses dans le domaine scientifique et industrial qui mettent en cauvre des tortes energies par tin REVENDI(:ATIONS 1. Oscillateur optique a passages multiples, caracterise en ce qu'il comporte un ou plusieurs milieux amplificateurs 1 actifs places dans une cavite resonnante constituee de deux miroirs 3 et 4, equipee d'un interrupteur optique 2 et d'accessoires et pourvu de composants optiques specifiques apses a assurer des passages multiples aux ondes progressives dans les mernes volumes des milieux amplificateurs pour: - augmenter l'eclairement instantane local au sein des milieux amplificateurs; favoriser ['extraction de l'energie stockee; - augmenter en consequence le gain a falble signal apparent et la dynamique de construction de l'impulsion; - diminuer en consequence la duree de l'impulsion a mi hauteur. 2. Oscillateur optique a passages multiples, selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il comporte un prisme 5 pour assurer le double passage simultane des ondes lumineuses repliees dans le milieu amplificateur 1. 3. Oscillateur optique a passages multiples, selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il comporte un polariseur o dielectrique 7, une lame quart d'onde 8 et un miroir 6 a coefficient de reflexion eleve pour assurer fe double passage simultane des ondes lumineuses repliees dans le mifieu amplificateur. 4. Oscillateur optique a passages multiples, selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il comporte deux miroirs a coefficient de reflexion eleve 9.1 et 9.2 et un prisme 5 dont la face d'entree-sortie est soit traitee anti-reflet, soit taillee a ['angle de Brewster pour assurer le triple passage simultane des ondes lumineuses repliees dans le milieu amplificateur. 5. Oscillateur optique a passages multiples, selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il utilise une des faces traitee du milieu amplificateur 1 comme miroir a coefficient de reflexion eleve. Le double passage simultane s'effectue sous un angle d' incidence faible ou eleve en fonction des contraintes d'ingenierie du systeme. 6. Oscillateur optique a passages multiples, selon les revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte plusieurs o milieux amplificateurs configures en double ou en triple passage. 7. Oscillateur optique a passages multiples, selon les revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte une cavite declenchee par une cellule de Pockels, ou par un absorbent saturable, un modulateur, ou tout autre dispositif commande ou autonome. 8. Oscillateur optigue a passages multiples, selon les revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte une cavite constituee au moins de deux miroirs 3 et 4 qui filtre un ou plusieurs modes transverses de propagation. 9. Oscillateur optique a passages multiples, selon les o revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte un ou plusieurs milieux amplificateurs 1 pompes optiquement de facon transverse ou longitudinale par un dispositif qui peut etre un faisceau laser, un equipage de diodes de puissance ou des lampes a eclairs. 10. Oscillateur optique a passages multiples, selon les :s revendications precedentes, caracterise en ce qu'il utilise un milieu amplificateur tel que le YAG dope par ltion Ytterbium et plus generalement des materiaux actifs dont l'ion dopant possede une forte energie moyenne de saturation.