Brevet FR2920257A1 — publié le 20090227

La présente invention concerne les lasers, et plus particulièrement ceux qui mettent en oeuvre une excitation optique à impulsions. Dans un milieu actif de laser optique, dit ci-après milieu-laser, le spectre d'absorption électromagnétique (e-m) est la combinaison des spectres d'absorption d'un constituant actif et d'un matériau-hôte. Les bandes principales de pompage d'un milieu laser correspondent à des maxima du spectre d'absorption e-m du milieu-laser et ces maxima cor- respondent eux-mêmes à des maxima du spectre d'absorption e-m du constituant actif du milieu laser. D'autres maxima du spectre d'absorption e-m du milieu laser peuvent correspondre à des maxima du spectre d'absorption e-m soit du constituant actif, soit du matériau-hôte, soit des deux. Le pompage du milieu laser à des longueurs d'ondes correspondant aux bandes principales de pompage se traduit par l'excitation la plus directe des niveaux d'énergie associés à l'action laser, donnant le rendement de conversion le plus élevé entre l'énergie dissipée lors du pompage du milieu-laser et l'énergie fournie par la sortie laser. Des lasers connus qui mettent en oeuvre une excitation optique à impulsions pour provoquer l'action laser présentent un rendement de conversion faible du fait que la gamme de longueursd'ondesimpliquée par les bandes principales de pompage du milieu laser sont considérablement plus faibles que la gamme de longueurs d'ondes formées par l'excitation optique à impulsions. La gamme de longueurs d'ondes non utilisée par les bandes de pompage principales peuvent engendrer une action laser au moyen d'excitations indirectes, mais généralement l'énergie délivrée à ces longueurs d'ondes est dissipée sous forme de chaleur dans le milieu laser. En outre, certaines de ces longueurs d'ondes peuvent causer des dom-mages au milieu laser par une action de photo-dissociation•. Dans tous les cas, l'énergie fournie par l'excitation optique au milieu-laser non convertie en rayonnement de sortie laser peut conduire à une nouvelle dégradation du rendement de con- 30 35 . version du laser à partir de sa valeur déjà faible. L'objet de la présente invention est par conséquent de fournir une protection au milieu-laser vis-à-vis d'effets de dégradation du pompage optique à impulsions, afin d'obtenir une action laser à partir d'une gamme plus large de longueurs d'ondes de pompage ainsi qu'un rendement de conversion du milieu-laser plus élevé que celui obtenu jusqu'à maintenant, ce qui permet ainsi d'obtenir une sortie à largeur de bande plus large à partir du milieu-laser. Conformément à l'invention, un laser optique à excitation par impulsions comprend un milieu laser composite, celui-ci étant constitué par une pluralité de milieux-laser séparés en série, les milieux séparés étant disposés de telle sorte que chaque milieu traversé par l'excitation transmet les régions du spectre nécessaire à l'excitation des bandes principales de pompage de tous les milieux à la suite,à partir de la source de l'excitation optique. L'ordre dans lequel les milieux sont disposés pour la transmission de l'excitation assure la suppression par les milieux les plus proches de la source des longueurs d'ondes d'excitation susceptibles d'entraîner des dommages aux milieux au-delà de la source d'excitation de base. L'absorption des longueurs d'ondes susceptibles de causer des dommages peut être effectuée par le constituant actif, par le matériau-hôte, ou par les deux, dans le milieu-laser où intervient l'absorption. Les milieux séparés peuvent être constitués à volonté par des milieux-laser sous forme de gaz, liquide, gel ou solide. 30 Un avantage que l'on peut obtenir grâce à la présence de milieux-laser séparés réside dans le fait que la sortie de fluorescence aléatoire d'un milieu peut aider au pompage d'un autre milieu. Un autre avantage provenant de la mise en oeuvre d'ûne 35 pluralité de milieux séparés réside dans le fait que les milieux peuvent être choisis de façon à fournir une sortie laser à partir du milieu-laser composite englobant une large 10 15 20 25 gamme de longueur d'onde qui, si elle est dans la région optique, peut être une sortie "lumière blanche". On obtient encore un autre avantage avec la sortie "lumière blanche" lorsqu'une sortie laser à faible largeur de bande doit être accordée sur une large gamme de longueurs d'ondes. On a déjà utilisé des lasers à milieu coloré unique pour obtenir des lasers accordables avec la largeur de bande requise, mais uniquement avec la complication du changement de couleur pour celle qui est appropriée à la gamme de ion- gueur d'onde requise. Au moyen de la présente invention, un laser unique peut être accordable sur toutes les longueurs d'ondes comprenant la sortie "lumière blanche". D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite 15 en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure lA représente une vue schématique en coupe d'une forme de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre deux milieux-laser solides dans la cavité du laser ; Les figures 1B et 1C représentent respectivement les 20 spectres d'absorption et de sortie laser des milieux-laser représentés sur la figure lA ; la figure 2A représente une vue schématique en coupe d'une forme de réalisation opérante de l'invention, mettant en oeuvre deux milieux-laser liquides ; 25 la figure 2B représente une vue selon A-A de la figure 2A ; les figures 2C et 2D représentent respectivement les spectres d'absorption et de sortie des milieux-laser représentés sur les figures 2A et 2B ; la figure 3A représente une vue schématique en coupe d'une cavité de laser selon l'invention et mettant en oeuvre trois milieux-laser liquides ; la figure 3B représente une vue selon B-B de la figure 3A-; les figures 3C et 3D représentent respectivement les spectres d'absorption et de sortie des milieux-laser représentés sur les figures 3A et 3B. 30 35 5 10 20 25 30 35 Sur ces dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments. En se référant à la figure 1A, la cavité de laser 10 qui est de forme sensiblement cylindrique avec des extrémités fermées est représentée en coupe. La cavité présente une section transversale circulaire avec une surface intérieure 5 revêtue d'un réflecteur blanc diffus pour diriger la lumière formée par les tubes à éclairs 4 à décharge au xénon en direction du milieu laser composite 11. Les tubes éclairs à décharge au xénon sont disposés de manière équidistante sur un cercle, représenté par le cercle en pointillé 12, autour du centre de la cavité. Le milieu-laser composite comprend deux milieux-laser, le milieu interne étant constitué par un cylindre 1 de verre au néodyme, indiqué ci-après verre/Nd+++, le milieu externe étant constitué par un cylindre creux d'Alexandrite 2, séparé par un vide 3. L'Alexandrite présente la même longueur que la cavité et elle est scellée dans des orifices des extrémités de la cavité (non représentés) par des joints au néoprène (non représentés) pour empêcher une fuite de l'eau de refroidissement 13 en circulation destinée aux lampes au xénon. Les organes de refroidissement et de mise en circulation ne sont pas représentés. Le cylindre verre/Nd+++ est maintenu au centre de l'Alexandrite par trois ressorts ondulés en une matière plastique, dont la partie centrale 14 est représentée. En fonctionnement, l'éclair de décharge provenant des lampes au xénon 4 frappe le milieu-laser d'Alexandrite et une partie est absorbée comme représenté par le spectre d'absorption de l'Alexandrite sur la figure 1B. La gamme de longueurs d'onde transmise par l'Alexandrite est celle nécessaire pour exciter les bandes principales de pompage du milieu verre/Nd+++, ce qui est également représenté sur la figure 1B. Ainsi, aussi bien les milieux Alexandrite et verre/Nd+++ peuvent être pompés par la sortie des lampes à éclairs au xénon. La gamme de longeurs d'onde disponible à la sortie laser à partir du milieu composite Alexandrite et verre/Nd+++ est celle représentée sur la figure 1C. Il y a lieu de noter que la sortie provenant de l'Alexandrite coïncide avec la bande principale de pompage à longueur d'onde la plus courte du milieu verre/Nd+++. On peut estimer que la sortie fluorescente de l'Alexandrite aide au pompage du milieu verre/Nd+++ On a représenté sur les figures 2A et 2B une forme de réalisation opérante de l'invention, la figure 2A étant une coupe horizontale du laser, la figure 2B étant une vue selon A-A de la figure 2A. La cavité de laser 20 est composée de quatre parties 21, 22, 23 et 24 maintenues en place par des plaques termina-les 25 et 26. Ces plaques sont munies d'orifices 27 et 28 pour les tubes à éclairs 4 au xénon et le milieu laser composite 11. La cavité de laser présente une section transversale sen- siblement elliptique, entourant étroitement les tubes à éclairs et le milieu-laser. La surface interne 5 de la cavité est revêtue avec un réflecteur blanc diffus. Les plaques d'extrémité forment des emplacements pour le montage et le scellement des milieux-laser au moyen de joints en matière plastique 29 et pour le scellement de fenêtres 30 à chaque plaque d'extrémité au moyen d'anneaux de fixation 31. Le milieu-laser composite comprend une cellule colorée interne 32 et une cellule colorée externe 33 séparées et maintenues par des tubes de verre cylindriques 34 et 35 respectivement. L'ensemble est disposé à l'intérieur d'un résonateur plan parallèle comprenant des miroirs M1 et M2, ce dernier miroir M2 étant partiellement réflecteur pour former un couplage de sortie. On utilise une pompe laser à couleur "phase-R Corporation", à 0,4 bar (non représentée) pour faire circuler le colorant en milieu solvant dans la cellule externe par l'intermédiaire des connecteurs 36 de la plaque d'extrémité. On utilise en outre une pompe "Chemicon Model 150" à diaphragme de polytétrafluoroéthylène (non représentée) pour faire circuler le colorant en milieu solvant dans la cellule interne par l'intermédiaire du connecteur 37 de la plaque d'extrémité. Dans l'ensemble du dispositif, on fait passer les colorants dans le même sens, avec une température d'entrée de 20 + 0,05 C contrôlée par un échangeur de chaleur refroidi à l'eau (non représenté). Le sens d'écoulement parallèle des colorants et le contrôle de température sont nécessaires afin de réduire la turbulence formée thermiquement dans les cellules à colo- rant. On ajuste les débits de colorant de façon qu'ils soient remplacés entre les excitations. Les dimensions du laser sont les suivantes, en utili- sant les références portées sur les figures 2A et 2B. D : longueur de cellule à colorant : 300 mm M : distance entre miroirs : 900 mm F : distance tube à éclairs centre des cellules 35 mm C1C2 : dimensions transversales de la cavité 25mmx85mm Cellule interne, diamètre interne 10 mm cellule externe, diamètre interne 18 mm épaisseur de la paroi de tube 1,5 mm Caractéristiques de fonctionnement . Colorant de la cellule interne : sulforhodamine B, 1 x 10-4 molaire dans le méthanol . colorant de la cellule externe : coumarine 102, 5 x 10-4 molaire dans le méthanol . Energie du tube à éclairs : 400 J au total Caractéristiques de sortie . Colorant de la cellule interne, la cellule externe étant 25 remplie avec du méthanol pour éliminer l'effet de focalisation sur la sortie relative : 250 mJ (moyenne) . Colorant de la cellule interne, avec la cellule externe remplie de colorant, cellule externe neutralisée pour empêcher l'effet laser : sortie augmentée due au pompage 30 en fluorescence par le colorant de la cellule externe (voir ci-dessous) : 280 mJ (moyenne) . Sortie laser avec cellule interne et cellule externe combinées : 380 mJ (moyenne) . Divergence du faisceau : 10 m rad (angle total) 35 . Cycle de déclenchement : coup unique 1 Hz pendant 10 secondes au maximum selon le mode à éclate-ment à la meilleure énergie de sortie. Vitesse de répétition et durée limitées par la puissance d'alimentation. 5 10 15 20 30 35 . Durée de vie du colorant : la sulforhodamine B opère pendant 5 000 coups sur une période de 4 mois tout en restant encore à 90 % de la meilleure énergie de sortie. La comparaison entre les figures 2C et 2D fait ressortir les critères de sélection des colorants utilisés et. l'ordre dans lequel ils sont disposés en alternance à l'excitation. Il y a lieu de noter que, conformément au concept de l'invention, le colorant externe coumarine 102 absorbe à une longueur d'onde plus courte que le colorant interne sulforhodamine-B, protégeant ainsi le colorant interne des effets nuisibles de l'exposition au rayonnement à ces longueurs d'ondes. Il existe un léger chevauchement des courbes d'absorption des colorants de sorte que les longueurs d'ondes d'excitation e-m transmises par le colorant externe retiennent les longueurs d'ondes appropriées pour exciter le colorant interne et le spectre d'émission de la coumarine 102 recouvre le spectre d'absorption de la sulforhodamine B, ce qui conduit au pompage du colorant sulforhodamine B par la sortie fluorescente aléatoire de la coumarine 102. Finalement, les spectres d'émission des colorants ne présentent aucun recouvrement conduisant à une sortie "multicolorée" du laser. On a représenté sur les figures 3A et 3B une eoviLé cuboïde de laser 20 sensiblement du même agencement que celle des figures 2A et 2B. La cavité présente une section transversale sensiblement elliptique, la surface intérieure 5 étant revêtue d'un réflecteur blanc diffus pour diriger la lumière formée par les tubes à éclairs 4 à décharge à xénon en direction du milieu laser composite 11. Le milieu laser composite comprend trois milieux laser à colorant comportant les constituants actifs coumarine 102, 301, sur les couches les plus externes, coumarine 153, 302 sur les couches intermédiaires et rhodamine 6G, 303, sur la couche la plus interne. Les couches de colorant sont de section transversale sensiblement rectangulaire, avec des séparateurs plats en verre 304, les colorants étant mis en circulation pour franchir la cavité transversalement à la sortie du laser, toutes les couches de colorant s'écoulant dans le même sens. Le débit transversal est utilisé pour réduire la turbulence induite de circulation qui peut exister avec l'écoulement longitudinal de la forme de réalisation précédente. La circulation de colorant est fournie par une pompe 305 et le contrôle de tempéra- ture par un échangeur de chaleur 306 pour chaque colorant utilisé (dont un seul est représenté). Les tubes de connexion 307 et les répartiteurs de débit 308 sont disposés de façon à présenter la même surface en section transversale que la cellule à colorant. Le milieu composite est placé dans un résonateur plan parallèle formé par les miroirs 309, 310, le miroir 309 étant partiellement réfléchissant pour former un couplage de sortie. En fonctionnement, l'éclair de décharge des lampes à xénon 4 frappe le milieu-laser composite. L'absorption de lumière par les séparateurs de verre successifs peut être négligée en comparaison avec l'absorption de lumière par les milieux laser. Les couches de coumarine 102 absorbent la lumière provenant des lampes à xénon plus fortement dans la région du spectre optique représenté sur la figure 3C, mon- trant les bandes principales de pompage pour la coumarine 102. La lumière transmise retient les longueurs d'ondes appropriées au pompage des bandes principales de pompage des couches de coumarine 153 et de la couche de rhodamine 6G. Après avoir traversé les couches de coumarine 153, la lumière ne retient que les longueurs d'ondes pour le pompage des bandes principales de pompage de la couche de rhodamine 6G. Chaque couche est pompée à des longueurs d'onde correspondant aux bandes principales de pompage de la couche, donnant le rendement de conversion le plus élevé possible dans chaque couche. La gamme de longueurs d'ondes disponible à la sortie laser pour le milieu composite à trois couches est représentée sur la figure 3D. On peut voir d'après les figures 3C et 3D que ce milieu laser composite à trois couches particulier présente un spectre d'absorption réparti sur une large gammê de longueurs d'ondes optiqueset que la sortie laser intervient sur une large gamme de longueurs d'ondes optique donnant lieu à une sortie "lumière blanche". La protection apportée aux milieux-laser à colorant les plus internes peut être utilisée de façon que la circulation du colorant ne soit plus nécessaire. Il en résulte qu'une couche de gel de rhodamine 6G peut être utilisée, con- duisant ainsi à une réduction des équipements auxiliaires. Il y a lieu de noter que, dans toutes les formes de réalisation ci-dessus, en comparaison avec les milieux-laser uniques connus, la section transversale du milieu-laser composite selon l'invention est importante par rapport à sa longueur. Afin d'assurer que la sortie fluorescente de chaque couche est réfléchie par l'intermédiaire de cette couche pour induire l'émission stimulée et l'action laser, on utilise un résonateur plan parallèle (Fabry-Perot) avec un miroir semiréfléchissant pour fournir le couplage de sortie. On peut uti- liser des miroirs à conjugaison de phase à la place des miroirs standard. Les critères utilisés pour le choix des milieux-laser appliqués dans les formes de réalisation ci-dessus peuvent servir à d'autres milieux composites, par exemple, un laser gaz-vapeur donnant une sortie infrarouge à bande large peut mettre une oeuvre les milieux et les organes de structure des séparateurs tels que figurant sur le tableau 1 ci-après. Le spécialiste du domaine de l'étude des lasers sait que les formes de réalisation décrites ci-dessus peuvent être réalisées à partir de composants bien connus, à l'exception du milieu composite. Le choix et l'agencement des milieux-laser peuvent également être réalisés en référence à des tableaux bien connus de spectres électromagnétiques d'absorption et d'émission. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toutes modifications utiles, notamment dans le domaine des équivalences techniques, sans sortir de son cadre. 2920257 -4o TABLEAU 1 AGENCEMENT DU MILIEU-LASER COMPOSITE POUR LASER A GAZ Sens de l'excitation traversant le milieu composite Séparateur r Milieu Longueur d'onde de sortie Verre / Iode 1,3 um / Oxyde de carbone 3,8 - 5,3 jim Oxyde de carbone 10,6 }gym V Cyanure d'hydrogène 200 }am Méthanol environ 1000 }lm Verre Germanium Germanium "Perspex" V REVENDICATIONS 1. Laser à excitation optique par impulsions, du type comportant un milieu laser composite, caractérisé par le fait que le milieu laser comprend une pluralité de milieux-laser séparés en série, les milieux séparés étant disposés de telle sorte que chacun d'eux,traversé par l'excitation, transmet les régions requises du spectre d'excitation pour l'excitation des bandes principales de pompage de tous les autres milieux à partir de la source d'excitation optique. 2. Milieu-laser composite, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de milieux-laser séparés, lesdits milieux-laser séparés étant disposés de telle sorte que l'excitation destinée à l'action laser traverse les milieux en série, les milieux-laser séparés étant choisis de façon que chaque milieu traversé par l'excitation transmet l'excitation de tous les autres milieux à partir de la source d'excitation. 3. Milieu-laser composite selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'excitation est fournie par un rayonnement électromagnétique. 4. Milieu-laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'excitation est un rayonnement électromagnétique fourni par une lampe ou des lampes à décharge à gaz inerte à impulsions. 5. Milieu-laser composite selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés sont gazeux, liquides, en gel ou solides, ou bien que le milieu composite est formé par une combinaison de milieux gazeux, liquides, en gel ou solides, les milieux gazeux et liquides étant contenus dans une cellule. 6. Milieu-laser composite selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés gazeux ou liquides sont mis en circulation dans la cellule et s'écoulent parallèlement à l'axe de la sortie du laser. 7. Milieu-laser composite selon la revendication 5,' caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés gazeux ou liquides sont mis en circulation dans la cellule et s'écoulent transversalement par rapport à l'axe de la sortie du laser. 8. Milieu-laser composite selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés sont disposés concentriquement autour de l'axe de la sortie du laser. 9. Milieu-laser composite selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés sont de forme cuboïde allongée, le grand axe de chaque cuboïde étant disposé parallèlement à l'axe de la sortie du laser. 10. Milieu-laser composite, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de milieux-laser séparés, lesdits milieux-laser séparés étant choisis de telle sorte qu'en fonctionnement, pendant la traversée en série des milieux-laser séparés par l'excitation pour produire l'action laser, chaque milieu transmet l'excitation de tous les autres milieux à par- tir de la source d'excitation. 11. Milieu-laser composite selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés sont en outre choisis de façon qu'en fonctionnement la sortie fluorescente aléatoire de chacun des milieux séparés peut produire l'excitation d'un autre ou de plusieurs autres des milieux-laser séparés. 12. Milieu-laser composite selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés sont en outre choisis de façon telle qu'en fonctionnement les composantes de l'excitation susceptibles d'affecter de façon nuisible les autres milieux-laser séparés à partir de la source d'excitation sont absorbées par les milieux-laser séparés les plus proches de la source d'excitation. 13. Milieu-laser composite selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les milieux-laser séparés sont en outre choisis de telle sorte qu'en fonctionnement les spectres d'émission aléatoires en fluorescence ne se chevauchent pas, rendant ainsi maximale la gamme de longueurs d'ondes disponible à la sortie du laser. 14. Milieu-laser composite selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé par le fait que l'excitation destinée à produire une action laser est fournie par une lampe ou des lampes à décharge à gaz inerte et à impulsions.