A.- Le 14 juin 1993, L._ a été victime d'une chute sur le dos d'une hauteur de dix mètres environ. Il a présenté un traumatisme crânien simple, une fracture de l'omoplate droite, des contusions multiples, ainsi qu'une thrombose veineuse profonde du mollet droit.
Le cas a été pris en charge par la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA). Par décision du 17 novembre 1995, confirmée par décision sur opposition du 19 mars 1996, la CNA a mis un terme au versement de ses prestations dès le 30 novembre 1995, motif pris que les troubles dont souffrait encore l'assuré n'étaient plus dans un rapport de causalité pour le moins probable avec l'accident du 14 juin 1993.
Par jugement du 17 avril 1997, le Tribunal administratif du canton de Neuchâtel a rejeté le recours de l'assuré contre la décision sur opposition. Saisi d'un recours, le Tribunal fédéral des assurances l'a rejeté par arrêt du 31 décembre 1997.
De son côté, par décision du 24 septembre 1996, l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Neuchâtel a alloué à l'intéressé une rente entière d'invalidité pour la période du 1er juin 1994 au 30 septembre 1995, date à partir de laquelle l'invalidité n'était plus suffisante pour ouvrir droit à une rente. Il a toutefois annulé cette décision le 8 octobre suivant et a suspendu la procédure jusqu'à droit connu sur le sort du recours formé contre la décision sur opposition de la CNA.
Le 23 octobre 1998, l'office AI a rendu une nouvelle décision d'octroi d'une rente entière pour la période du 1er juin 1994 au 30 septembre 1995.
Saisi d'un recours contre cette décision, le tribunal administratif a renvoyé la cause à l'office AI pour qu'il mette en oeuvre une expertise médicale aux fins de déterminer avec précision les affections dont l'assuré était alors atteint et leurs conséquences sur sa capacité de travail, ainsi que l'évolution de ces données dans le temps, depuis le dépôt de la demande de prestations (jugement du 18 mars 1999).
B.- A la suite de ce jugement, l'office AI a confié une expertise au docteur A._, médecin à la Clinique X._. Dans un rapport d'expertise du 21 février 2000, fondé en particulier sur un consilium psychiatrique effectué le 18 février précédent par le docteur B._, médecin-chef du service psychosomatique de la clinique précitée, le docteur A._ a indiqué l'apparition d'un état dépressif majeur qui entraînait une incapacité de travail de 50 % à partir du 1er janvier 1998. En revanche, selon ce médecin, l'assuré ne souffrait plus de troubles physiques significatifs.
De son côté, l'assuré a produit un rapport d'expertise du docteur C._, spécialiste en psychiatrie et psychothérapie, du 9 mai 2000. Selon ce praticien, l'intéressé était incapable d'exercer toute activité lucrative en raison de ses troubles psychiques.
Par décision du 24 juillet 2000, l'office AI a accordé à L._ une rente entière fondée sur un taux d'invalidité de 100 % pour la période du 1er juin 1994 au 30 sep- tembre 1995 et une demi-rente fondée sur un degré d'invalidité de 50 % dès le 1er janvier 1998. Il s'est fondé pour cela sur les conclusions de l'expertise pluridisciplinaire des docteurs A._ et B._.
C.- Saisi d'un recours contre cette décision, le tribunal administratif l'a annulée et a renvoyé la cause à l'office AI pour qu'il alloue à l'assuré une rente entière d'invalidité à partir du 1er juin 1994, pour une durée indéterminée. Il a considéré, en résumé, que des motifs sérieux conduisaient à s'écarter des conclusions des docteurs A._ et B._, pour retenir, sur la base de l'expertise du docteur C._, une invalidité de 80 % au moins depuis la date de l'accident.
D.- L'office AI interjette recours de droit administratif contre ce jugement dont il demande l'annulation, en concluant à la confirmation de sa décision du 24 juillet 2000.
L'intimé conclut au rejet du recours, sous suite de dépens. L'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à présenter une détermination.
Considérant en droit :
1.- Par la décision litigieuse du 24 juillet 2000, l'office recourant a accordé rétroactivement une rente entière d'invalidité limitée dans le temps. Le bien-fondé de cette décision doit dès lors être examiné à la lumière des conditions de révision du droit à la rente (ATF 125 V 418 consid. 2d et les références).
Selon la jurisprudence, tout changement important des circonstances, propre à influencer le degré d'invalidité, donc le droit à la rente, peut donner lieu à une révision de celle-ci. Le point de savoir si un tel changement s'est produit doit être tranché en comparant les faits tels qu'ils se présentaient au moment de la décision initiale de rente et les circonstances régnant à l'époque de la décision litigieuse (ATF 125 V 369 consid. 2 et la référence; voir également ATF 112 V 372 consid. 2b et 390 consid. 1b).
2.- En l'espèce, il s'agit d'examiner si l'invalidité de l'intimé s'est modifiée entre le 1er juin 1994, date du début du droit à une rente entière, et le 30 septembre 1995, date de la suppression de cette prestation.
L'intimé a bénéficié d'une rente entière à partir du 1er juin 1994, en raison de troubles somatiques partiellement en relation avec l'accident du 14 juin 1993 : à savoir un status après fracture de l'épine de l'omoplate droite, des contusions au dos et au membre inférieur droit, suivies d'une thrombose veineuse profonde, des lombalgies, des cervicalgies sur arthrose cervicale basse débutante et une surcharge pondérale (rapports des docteurs D._ du 8 juillet 1994 et E._ du 25 septembre 1995).
Sur le vu du rapport d'expertise du docteur E._ précité, les troubles somatiques dont souffrait encore l'intéressé au mois de septembre 1995 n'étaient plus de nature à entraîner une diminution significative de sa capacité de travail. Selon ce praticien, cette capacité n'était réduite que de 25 % dans la profession habituelle d'étancheur et était même entière dans toute activité ne nécessitant pas le port de lourdes charges sur de longues distances. Cet avis médical a été confirmé par le docteur A._ dans son rapport d'expertise du 21 février 2000.
Il n'y a pas de raison de mettre en doute ces conclusions médicales, lesquelles, au demeurant, ne sont pas contestées par les parties dans la présente procédure. On est ainsi fondé à admettre que l'état de santé physique de l'intimé s'est amélioré de manière à influencer son droit à une rente d'invalidité entre le 1er juin 1994 et le mois de septembre 1995.
3.- Il faut encore examiner si, durant la période déterminante, l'invalidité de l'intimé est toutefois restée inchangée en raison de l'apparition de troubles distincts de l'atteinte à la santé originaire, justifiant le maintien du droit à la rente entière au-delà du 30 septembre 1995 (cf. ATF 126 V 162 consid. 5).
a) Dans son consilium psychiatrique du 18 février 2000, le docteur B._ a indiqué l'apparition progressive de troubles psychiques - sous la forme d'un état dépressif majeur - entraînant une incapacité de travail de 50 % dès le 1er janvier 1998. Se fondant sur ces conclusions médicales, conjuguées à l'avis du docteur A._ au sujet de l'amélioration de l'état de santé physique durant la période déterminante, l'office AI a considéré que l'invalidité de l'assuré n'était plus suffisante pour ouvrir droit à une rente après le 30 septembre 1995. En revanche, l'intéressé pouvait prétendre à une demi-rente à partir du 1er janvier 1998.
De son côté, le docteur C._ a attesté que l'assuré était resté entièrement incapable de travailler en raison de l'apparition, peu après l'accident, de troubles psychiques sous la forme d'un syndrome somatoforme douloureux.
Se référant à cet avis médical plutôt qu'à celui des docteurs A._ et B._, les premiers juges ont considéré que l'invalidité de l'assuré ne s'était pas modifiée de manière à justifier la suppression de la rente entière.
b) Selon une jurisprudence constante, l'administration est tenue, au stade de la procédure administrative, de confier une expertise à un médecin indépendant, si une telle mesure se révèle nécessaire. Lorsque de telles expertises sont établies par des spécialistes reconnus, sur la base d'observations approfondies et d'investigations complètes, ainsi qu'en pleine connaissance du dossier, et que les experts aboutissent à des résultats convaincants, le juge ne saurait les écarter aussi longtemps qu'aucun indice concret ne permet de douter de leur bien-fondé (ATF 125 V 353 consid. 3b/bb, 122 V 161 consid. 1c et les références).
En outre, il convient de relever qu'une expertise présentée par une partie n'a pas la même valeur que des expertises mises en oeuvre par un tribunal ou par l'administration conformément aux règles de procédure applicables.
En vertu des principes énoncés par la jurisprudence concernant l'appréciation des preuves, le juge est toutefois tenu d'examiner si elle est propre à mettre en doute, sur les points litigieux importants, l'opinion et les conclusions de l'expert mandaté par le tribunal ou par l'administration (ATF 125 V 354 consid. 3c).
D'une manière générale, en présence d'avis médicaux contradictoires, le juge doit apprécier l'ensemble des preuves à disposition et indiquer les motifs pour lesquels il se fonde sur une appréciation plutôt que sur une autre.
A cet égard, l'élément décisif pour apprécier la valeur probante d'une pièce médicale n'est en principe ni son origine, ni sa désignation sous la forme d'un rapport ou d'une expertise, mais bel et bien son contenu. Il importe, pour conférer pleine valeur probante à un rapport médical, que les points litigieux importants aient fait l'objet d'une étude circonstanciée, que le rapport se fonde sur des examens complets, qu'il prenne également en considération les plaintes exprimées par la personne examinée, qu'il ait été établi en pleine connaissance de l'anamnèse, que la description du contexte médical et l'appréciation de la situation médicale soient claires et enfin que les conclusions de l'expert soient dûment motivées (ATF 125 V 352 consid. 3a et les références; VSI 2001 p. 108 consid. 3a).
c) En l'occurrence, les premiers juges ont accordé la préférence à l'appréciation du docteur C._. Ils ont considéré notamment que le rapport du docteur B._ était bref dans sa motivation et ses conclusions, alors que l'avis du docteur C._ était plus complet et plus détaillé. En outre, ils reprochent au docteur B._ de n'avoir pas motivé de manière satisfaisante le degré d'incapacité de travail de 50 %, ainsi que le début de cette incapacité, le docteur C._ ayant, quant à lui, motivé ses conclusions de manière convaincante.
Comme le relève pertinemment l'office recourant, les différences relevées par la juridiction cantonale sont de nature essentiellement formelle et ne constituent pas en soi des indices suffisants pour douter du bien-fondé des résultats de l'expertise mise en oeuvre par l'administration.
4.- Il n'en demeure pas moins qu'il faut examiner, conformément à la jurisprudence ci-dessus exposée, si l'expertise du docteur C._ est propre à mettre en doute, sur les points litigieux importants, les conclusions des experts mandatés par l'office AI.
a) En ce qui concerne le diagnostic, les expertises médicales en cause concluent toutes deux à l'existence d'un état dépressif majeur (F 32.2) et d'un syndrome somatoforme douloureux (F 45.4). Elles divergent en revanche quant à la présence d'un état de stress post-traumatique (F 43.1), lequel est dûment constaté par le docteur C._, mais catégoriquement nié par le docteur B._. Cette divergence n'est toutefois pas déterminante, dès lors que le docteur C._ ne rattache pas à ce diagnostic un effet à proprement parler invalidant.
Les expertises sont surtout contradictoires en ce qui concerne le degré d'incapacité de travail et les causes de cette incapacité (partant, le moment de sa survenance) :
alors que le docteur B._ est d'avis que l'incapacité (de 50 %) est due essentiellement à l'état dépressif apparu au mois de janvier 1998, le docteur C._ considère qu'une incapacité entière résulte du syndrome douloureux somatoforme survenu peu après l'accident. Le point litigieux est dès lors celui de savoir si les troubles somatoformes douloureux, dont l'existence est attestée par chacun des experts prénommés, ont ou non un caractère invalidant.
b) Dans un arrêt publié dans la pratique VSI 2000 p. 152, le Tribunal fédéral des assurances a défini, en se fondant principalement sur une étude de Mosimann (Somatoforme Störungen : Gerichte und [psychiatrische] Gutachten, in RSAS 1999, p. 1 ss et 105 ss), la tâche du médecin ou de l'expert, lorsque celui-ci doit se prononcer sur le caractère invalidant de tels troubles. Selon cette jurisprudence, l'expert doit, sur le plan psychiatrique, poser un diagnostic dans le cadre d'une classification reconnue et se prononcer sur le degré de gravité de l'affection. Il doit évaluer le caractère exigible de la reprise par l'assuré d'une activité lucrative. Ce pronostic tiendra compte de divers critères, tels une structure de la personnalité présentant des traits prémorbides, une comorbidité psychiatrique, des affections corporelles chroniques, une perte d'intégration sociale, un éventuel profit tiré de la maladie, le caractère chronique de celle-ci sans rémission durable, une durée de plusieurs années de la maladie avec des symptômes stables ou en évolution, l'échec de traitements conformes aux règles de l'art. Le cumul des critères précités fonde un pronostic défavorable. Enfin, l'expert doit s'exprimer sur le cadre psycho-social de la personne examinée. Au demeurant, la recommandation de refus d'une rente doit également reposer sur différents critères. Au nombre de ceux-ci figurent la divergence entre les douleurs décrites et le comportement observé, l'allégation d'intenses douleurs dont les caractéristiques demeurent vagues, l'absence de demande de soins, les grandes divergences entre les informations fournies par le patient et celles ressortant de l'anamnèse, le fait que des plaintes très démonstratives laissent insensible l'expert, ainsi que l'allégation de lourds handicaps malgré un environnement psycho-social intact (VSI 2000 p. 155 consid. 2c).
c) En l'espèce, le docteur C._ a posé un diagnostic dans le cadre d'une classification reconnue (F 45.4; selon la Classification internationale des maladies [CIM] de l'Organisation mondiale de la santé). En outre, il a expliqué en détail pourquoi l'on ne pouvait exiger de l'assuré la reprise d'une activité lucrative. Ce pronostic repose sur l'existence d'une personnalité dépendante (F 60.7) et la présence d'une comorbidité psychiatrique sous la forme d'une dépression sévère. Par ailleurs, l'expert a souligné la perte d'intégration sociale en ce qui concerne le milieu professionnel dans lequel l'assuré était, avant son accident, très apprécié pour ses qualités personnelles. Il a également relevé le caractère chronique et stationnaire de l'affection. Enfin, il a nié la possibilité d'améliorer la situation à l'aide d'un traitement.
Alors que le cumul de ces éléments est de nature à fonder le pronostic défavorable indiqué par le docteur C._, le docteur B._, de son côté, exclut le caractère invalidant des troubles somatoformes douloureux sans aucunement motiver ce refus à l'aide des critères développés à cet effet par la jurisprudence précitée.
Il s'ensuit qu'en ce qui concerne le degré et la cause de l'incapacité de travail, l'expertise du docteur C._ produite par l'assuré est de nature à mettre en doute l'opinion et les conclusions de l'expert mandaté par l'office AI. Cela étant, force est de considérer qu'en raison de l'apparition de troubles somatoformes douloureux peu après l'accident, l'invalidité de l'assuré ne s'est pas modifiée entre le 1er juin 1994 et le 30 septembre 1995 de manière à justifier la suppression du droit à la rente entière.
Le jugement entrepris n'est dès lors pas critiquable dans son résultat et le recours se révèle mal fondé.
5.- L'intimé, qui obtient gain de cause, est représenté par un avocat. Il a droit à une indemnité de dépens pour la procédure fédérale (art. 159 al. 1 OJ).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral des assurances
prononce :
I. Le recours est rejeté.
II. Il n'est pas perçu de frais de justice.
III. L'office recourant versera à l'intimé la somme de 2500 fr. (y compris la taxe sur la valeur ajoutée) à titre de dépens pour l'instance fédérale.
IV. Le présent arrêt sera communiqué aux parties, au Tribunal administratif du canton de Neuchâtel et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 9 avril 2002
Au nom du
Tribunal fédéral des assurances
La Présidente de la IVe Chambre :
Le Greffier :