Brevet FR2897725A1 — publié le 20070824

- 1 " Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par lampes à éclairs." La présente invention se rapporte à un dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs et conçu pour une maintenance aisée. L'amplification d'une lumière cohérente s'est épanouie dès les premières expériences de Maiman en juillet 1960 qui réussit avec un barreau de rubis lo dopé par l'ion chrome à créer le premier faisceau laser. Depuis, le laser à matrice solide dopée par différents ions issus des terres rares, est sorti progressivement des laboratoires pour s'industrialiser et s'affirmer comme un outil compétitif dans différents processus de soudure, de marquage et de découpe. Ce type de laser, couramment nommé laser à solide, a trouvé une 15 application spécifique dans le domaine des interactions entre le champ électromagnétique et la matière. C'est au début des années mille neuf cent soixante dix que les physiciens se sont intéressés au phénomène de fusion nucléaire par laser. On cherche par cette méthode à comprimer et à chauffer très rapidement une cible de combustible en l'irradiant à l'aide d'un ou de 20 plusieurs faisceaux lasers impulsionnels de haute énergie et de forte puissance. Pour parvenir à amorcer une réaction thermonucléaire par cette méthode, on imagine à l'heure actuelle dans divers laboratoires internationaux, des faisceaux multiples destinés à tirer sur une micro-cible constituée d'un mélange de deutérium-tritium. De grandes installations sont 25 en cours de test tant en France (Laser Méga-Joule du CEA installé au Cesta en Aquitaine), qu'à l'étranger ; notamment au Lawrence Livermore Laboratory (Etats-Unis). Pour engendrer le mécanisme de fusion, la physique des plasmas est étudiée sous différentes formes et le laser à solide est un instrument largement utilisé dans le monde scientifique pour expérimenter 30 des confinements entre un champ électromagnétique intense et la matière. Le laser à solide est apprécié des physiciens des plasmas pour différentes raisons. Le milieu amplificateur stocke l'énergie lurnineuse (Esto en J) pendant un temps suffisamment long. D'une part, cette accumulation d'énergie se traduit par l'apparition d'un gain G = Esto/Es.S où Es est 35 l'énergie de saturation du milieu (en J/cm2) et S est la section (en cm2) du - 2 - faisceau se propageant dans le milieu amplificateur. Ce gain, désigné par gain à faible signal (sans unité), peut atteindre dans une rnatrice dopée par l'ion néodyme des valeurs comprises entre 1 et 3. L'amplification A = eG hors saturation est comprise entre 2 et 30 et peut amplifier, selon des techniques d'étirement et de compression, des impulsions brèves de quelques dizaines de femtosecondes et selon des techniques plus conventionnelles, des impulsions de quelques dizaines de nanosecondes. D'autre part, certaines matrices solides peuvent être fabriquées dans de grands volumes. Les impulsions amplifiées peuvent ainsi véhiculer de fortes énergies lumineuses io dans des temps brefs. La puissance instantanée disponible est considérable et les faisceaux focalisés engagent des intensités (en W; cm2) particulièrement intéressantes pour les interactions champ-matière. L'invention a pour objet un dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide de symétrie cylindrique. Les différents objets et 15 caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et dans la figure annexée. Selon la figure 1, le dispositif est représenté schématiquement en vue éclatée en trois dimensions. Le milieu amplificateur 1 est constitué d'au moins un barreau cylindrique. Le matériau constitutif est couramment une matrice de 20 verre silicate ou de verre phosphate dopée par des ions néodyme. La série de lampes à éclairs 2, qui entourent le milieu amplificateur 1, assure le pompage optique des ions actifs. Il s'agit de lampes linéaires constituées par deux électrodes (anode et cathode) plongées dans un gaz, par exemple du xénon sous basse pression. Le confinement de la lumière issue des lampes à éclairs 25 est assuré par au moins un couple de demi-coquilles diffusantes 3. Dans l'exemple proposé dans la figure, le barreau est unique et son diamètre est de 45 millimètres pour une longueur de 220 millimètres. La série de lampes est composée de douze lampes linéaires à éclairs qui délivrent une quantité de lumière voisine de 6000 joules. Chacune des lampes est reliée à un banc 3o de condensateurs qui délivre 1000 joules électriques sous 2 kilovolts dans une décharge électrique négative amortie de 760 microsecondes de durée pour un courant crête de 1800 ampères. Chaque décharge est précédée d'une pré-impulsion de tension de 20 kilovolts qui assure l'ionisation du gaz xénon placé dans les lampes. Sous l'action de la pré-impulsion, l'impédance 35 électrique des lampes diminue considérablement et l'énergie électrique 2897725 - 3 -stockée dans les condensateurs s'écoule dans la lampe et provoque un plasma brillant dont le spectre démarre dans le proche ultra-violet et se termine dans l'infra-rouge. Les lampes à éclairs et le barreau sont entourés d'un couple de deux demi-coquilles 3. Ces demi-coquilles sont réalisées dans 5 un matériau diffusant d'albédo voisin de l'unité qui peut absorber le rayonnement laser pour limiter les pertes de gain. Le matériau des deux demi-coquilles peut avantageusement être une céramique particulière convenablement traitée et usinée. La lumière issue des lampes, qui n'est pas directement absorbée par les ions actifs du barreau, est rétro-diffusée par les deux demi-coquilles selon une indicatrice sphérique ou quasi-sphérique. Cela a pour conséquence d'uniformiser la densité de lumière des lampes à éclairs et de favoriser l'homogénéité du pompage optique qui, dans ces conditions, présente une symétrie cylindrique. Le barreau, la série de lampes à éclairs et le couple des deux demi-coquilles sont placés dans la boîte à lumière 4. Le barreau est maintenu par ses extrémités par les deux flasques 5 et 6 équipés de joints toriques d'étanchéité. Ces flasques maintiennent également les queues des lampes à éclairs, le flasque 5 recevant les cathodes et le flasque 6 recevant les anodes. Les deux contre-flasques identiques 7 compriment les joints d'étanchéité placés sur les extrémités du barreau. Chaque lampe à éclairs reçoit sur ses extrémités des embouts collés dissymétriques identifiant les électrodes qui s'introduisent dans les contre-flasques. Des joints toriques assurent le maintien des lampes et l'étanchéité. La boîte à lumière est fermée par le couvercle 8 par l'intermédiaire du joint plat d'étanchéité 9. Le couvercle est fixé sur les deux joues latérales 10 vissées sur la boîte à lumière. La distribution électrique des lampes à éclairs est gérée par le plateau électrique 11 qui reçoit, par le haut, des prises HT reliées aux bancs de condensateurs non représentées sur la figure et qui assurent, par l'intermédiaire de vingt-quatre câbles, l'alimentation électrique de chacune des lampes. A l'extrémité de chaque câble, une cosse est soudée et se positionne sur l'une des électrodes de lampe. Les douze câbles qui se connectent aux anodes des lampes sont canalisés par le flasque 6 et émergent de l'une des extrémités du plateau électrique. Il en est de même des douze câbles qui se connectent aux cathodes des lampes par l'intermédiaire du flasque 5. Le plateau électrique 11 se fixe sur le couvercle 8 par l'intermédiaire d'un joint isolant 12. Les deux cache-flasques 13 et les - 4 quatre plaques latérales 14 sont des éléments de sécurité électrique pour protéger l'utilisateur. Un fluide de refroidissement est nécessaire pour dissiper les calories stockées à chaque tir dans les lampes, la boîte à lumière et dans le barreau amplificateur. Ce fluide, maintenu à température constante par une centrale réfrigérante, entre et ressort de la boîte à lumière par l'intermédiaire de tuyaux souples et d'embouts non représentés sur la figure. L'invention révèle toute son inventivité dans la souplesse du montage de l'amplificateur et dans la rapidité de la maintenance. En effet, la conception de la boîte à lumière et notamment son ouverture latérale supérieure permet d'introduire la première demi-coquille diffusante, de positionner le barreau amplificateur et les lampes à éclairs et d'introduire la seconde demi-coquille diffusante. Le montage précis de l'amplificateur s'effectue en huit opérations successives : la boîte à lumière 4 est positionnée sur un banc optique équipée des joues latérales 10. Cet ensemble constitue la base de l'amplificateur qui demeurera fixe ; - la demi-coquille inférieure 3 est positionnée dans la boîte à lumière ; les flasques 5 et 6 équipés de leurs joints toriques sont vissés sur la boîte à lumière ; le barreau amplificateur est positionné dans la boîte à lumière. En général, les extrémités de ce barreau sont parallèles entre elles, mais elles ne sont pas strictement perpendiculaires à l'axe mécanique du barreau. L'angle qui existe entre le plan de leurs faces et le plan de la section transverse du barreau est de quelques degrés (couramment entre 1 et 6 degrés). L'opérateur oriente le barreau de façon à ce que la lame à faces parallèles qu'il constitue, dévie tout faisceau incident dans le plan horizontal. Les contre-flasques 7 sont alors positionnés et fixent définitivement la position du barreau en assurant l'étanchéité ; Les lampes à éclairs 2 sont montées avec leurs joints d'étanchéité les unes après les autres dans les contre-flasques ; -La demi-coquille supérieure 3 est introduite et après le positionnement du joint plat 9, le couvercle 8 ferme la boîte à lumière ; Le plateau électrique 11 et le joint isolant 12 sont fixés sur le couvercle 8, les câbles d'alimentation électriques sont introduits et - 5 guidés dans les contre-flasques 7 et leurs cosses associées sont connectées aux électrodes des lampes ; les cache-flasques 13 sont positionnés et leurs plaques latérales 14 sont fixées sur ces derniers. L'invention est caractérisée en ce que les éléments constitutifs essentiels, tels que le milieu amplificateur, les demi-coquilles diffusantes et les lampes à éclairs sont amovibles et peuvent être remplacés rapidement sans déplacer la base de l'amplificateur et sans modifier le trajet lumineux du faisceau à amplifier. io En cas de maintenance (changement de lampe à éclairs, nettoyage des céramiques diffusantes, changement de barreau), l'opérateur démonte le plateau électrique et ouvre le couvercle sans déplacer la boîte à lumière. Lors du remontage, le positionnement du barreau dans l'espace sera le même et ne viendra pas perturber le trajet du faisceau à amplifier. 15 D'une façon plus générale, la boîte à lumière du dispositif possède deux compartiments aptes à recevoir deux couples de demi-coquilles diffusantes et deux barreaux amplificateurs de mêmes dimensions mais de matrices solides différentes, pompées par une seule série de lampes à éclairs. Ainsi, lors de l'amplification d'impulsions à large spectre, le dispositif amplificateur peut 20 accueillir un barreau à matrice en verre silicate dopé par l'ion néodyme et un barreau à matrice en verre phosphate dopé par l'ion néodyme. Compte tenu des courbes de fluorescence légèrement décalées des deux matrices, le dispositif assure un gain sur un spectre large apte à l'amplification d'impulsions femtosecondes étirées. 25 L'architecture du dispositif revendiqué dans l'invention permet de réaliser des amplificateurs de lumière utilisant des barreaux de différents diamètres équipés du nombre ad-hoc de lampes à éclairs. Ainsi, un dispositif amplificateur qui reçoit un ou deux barreaux de 90 millimètres de diamètre utilise vingt-quatre lampes à éclairs ; pour un ou cieux barreaux de 16 30 millimètres de diamètre il suffit d'utiliser six lampes. Pour les amplificateurs de petit diamètre (de 3 à 10 millimètres), le nombre de lampes est compris entre un et quatre. Une variante au dispositif consiste à ce que les flasques 5 et 6 reçoivent alternativement l'anode d'une lampe puis la cathode de la lampe voisine de - 6 façon à ce que les forces de Laplace soient approximativement compensées pour chaque couple de lampes. La nature du milieu amplificateur s'adapte à l'application visée et est, soit une matrice yag ("yttrium - aluminium garnet") dopée par divers ions actifs, soit une matrice de rubis (corindon dopé par l'ion chrome), ou soit d'autres types de matrices solides. L'invention est utilisée pour fabriquer des chaînes amplificatrices constituées de nombreux amplificateurs cylindriques de diamètres différents pour des applications courantes en instrumentation scientifique, notamment io pour la physique des plasmas, ou industrielle, et plus précisément pour les opérations de durcissement de surface.. REVENDICATIONS 1. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs caractérisé en ce qu'il comporte : - un milieu amplificateur (1) constitué d'au moins un barreau cylindrique ; -une série de lampes à éclairs (2) ; au moins un couple de deux demi-coquilles diffusantes (3) - une boîte à lumière (4) ; io - deux flasques (5 et 6) recevant respectivement les cathodes et les anodes des lampes à éclairs ; deux contre-flasques identiques (7) ; - un couvercle (8) ; - un joint plat d'étanchéité (9) ; 15 - deux joues latérales (10) ; - un plateau électrique (11) ; - un joint isolant (12) ; deux cache-flasques (13) ; - quatre joues latérales (14). 20 2. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boîte à lumière possède une ouverture latérale supérieure qui permet d'introduire la première demi-coquille diffusante, de positionner le barreau amplificateur et les lampes à éclairs et 25 d'introduire la seconde demi-coquille diffusante. 3. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le milieu amplificateur, les demi-coquilles diffusantes et les lampes à éclairs sont amovibles de sorte qu'ils 3o peuvent être remplacés sans déplacer la base de l'amplificateur et sans modifier le trajet lumineux du faisceau à amplifier. 4. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, la boîte à lumière possède deux compartiments 35 aptes à recevoir deux couples de demi-coquilles diffusantes et deux - 8 barreaux amplificateurs de mêmes dimensions mais de matrices solides différentes pompées par une seule série de lampes à éclairs. 5. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'architecture du dispositif permet de réaliser des amplificateurs de lumière utilisant des barreaux de différents diamètres équipés du nombre ad-hoc de lampes à éclairs. 6. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les demi-coquilles diffusantes sont fabriquées dans un matériau d'albedo voisin de l'unité qui absorbe le rayonnement laser amplifié. 7. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon les revendications 1, 4 et 6, caractérisé en ce que le matériau des demi-coquilles comprend de la céramique. 8. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce que le matériau amplificateur solide est une matrice en verre silicate ou en verre phosphate dopée par des ions néodyme. 9. Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les flasques reçoivent alternativement l'anode d'une lampe et la cathode de la lampe voisine. 1O.Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nature du milieu amplificateur est une matrice solide. 3o 11.Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon la revendication 10, caractérisé en ce que la nature du milieu amplificateur est une matrice yag ("ytterbium - aluminium garnet") dopée par divers ions actifs. 12.Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide 35 pompée par des lampes à éclairs selon la revendication 10, caractérisé- 9 en ce que la nature du milieu amplificateur est une matrice de rubis (corindon dopé par des ions chrome). 13.Dispositif amplificateur d'impulsions lumineuses à matrice solide pompée par des lampes à éclairs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour fabriquer des chaînes amplificatrices constituées de nombreux amplificateurs cylindriques de diamètres différents pour des applications courantes en instrumentation scientifique ou industrielle.