CA1065458A - Dispositif generateur laser emettant a une longueur d'onde voisine de 1,3 micron - Google Patents
Dispositif generateur laser emettant a une longueur d'onde voisine de 1,3 micronInfo
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Abstract
Dispositif générateur laser émettant à une longueur d'onde voisine de 1,3 microncomportant un oscillateur laser à verre dopé au néodyme, un amplificateur à gaz d'iode disposé à la sortie de l'oscillateur et des moyens pour que l'émission del'oscillateur soit effectuée à une longueur d'onde voisine de 1,3 micron. Application à la production de plasmas.
Description
10~5458 La presente invention concerne les dispositifs générateurs laser émettant à une lnngueur d'onde voisine de 1,3 micron, et plus partlculière-ment lss dispcsit~fs gén~rateurs laser émettarlt des impulsions courtes de forte puissance à une longueur d'onde voisine de 1,3 micron.
On sait qu'il est possiole d'obtenir un impulsiDn iaser puissants à la longueur d'onde de 1,3 micron à l'aide d'un dispositif comportant un oscillateur laser 3 gaz d'iode émsttant une impulsion de courte durée et un amplificateur également 3 iode disposé à la sortie de l'oscillateur.
L'oscilleteur peut être soit du type déclench~ avec découpage temporel de l'impulsion, soit du type "à modes bloqués~ émettant une série d'impulsions successives, ce dernier type d'oscillateur comportant alors un dispositif apte 3 sélectionner une impulsion de cette série. Dans les deux cas, le signal de sortle obtenu 3 la sortle de l'oscillateur a une durée de l'ordre d'une nanoseconde ou d'une fraction de nanoseconde.
LB5 dlsposltlfs générateurs laser décrits ci-dessus présentent l'lnconvénient de délivrer des lmpulsions de sortie limitées en puissance.
Cet inconvénient s'explique d'une part par le fait qu'il est assez dlfflclle d'obtenlr des impulslons très courtes dans un laser à
iode sans augmenter la presslon du gaz actlf d'une façon lmportante.
i 20 D'autre part, l'excltation du niveau supérieur de l'iode s'effectùe par photodissociation.
Ce niveau supérieur comprend deux sous-niveaux, et le niveau inférieur de retombée des électrons excités comprend quatre sous-niveaux, Donc, en principe, l'~mission laser provoquée par l'excit~tion d'un gaz d'iode devrait comporter 8 raies distinctes correspondant chacune aux différentes cDmbinaisons de transitlon entre les deux sous-niveaux supérieurs st les quatre sous-niveaux inférieurs. En fait six rales seulement sont per~lses. Dans 12 dispositif laser selon l'art antérieur dé~rit ci-dessus, on oonstate en pratique que l'cscillateur à iode n'émet que sur une seule lon~ueur d'cnde préférentielle qui correspond à la raie 106545~
d'émission qui procure le plus grand gain. Dans ces conditions, l'amplifi-cation d'énergie dans l'amplificateur n'a lieu que pour cette longueur d'onde préférentielle, ce qui entra~ne une diminution de la puissance de sortie du dispositif.
Il est possible de pallier très partiellement cet inconvénient en augmentant la pression du gaz actif dans l'amplificateur. En effet les temps de relaxation entre le sous-niveau de retombée préférentiel et les sous~niveaux inférieurs sont alors diminués et leurs valeurs tendent à se rapprocher de celle de la durke de l'impulsion. L'amplification d'énergie est alors augmentée. Mais l'augmentation de puissance des impulsions de sortie ainsi obtenuE est faible.
On a donc essayé de faire fonctionner l'oscillateur à iode sur les différentes raies d'émission de l'iode, par exemple en disposant dans la cavité un étalon Fabry-Pérot de mani~re à moduler le gain sur les différentes transitions. Mais toutes les solutions proposées ont l'inconvé-nlent d'etre de mise en oeuvre très délicate.
La présents lnvention a pour but de pallisr les inconvénients des dispositifs décrits ci-dessus, et de réalissr un dispositif générateur laser apte à émsttrs des lmpulsions ds longueur d'onde 1,3 micron de puissance plus élevée que celles obtenues selon l'art antérieur.
La présente invention a pour ob~et un dispositif générateur laser émettant à une longueur d'onde voisine de 1,3 micron, dispositif comportant - un oscillateur lassr apte à émettre un signal lumineux, comprenant . une cavité optique resonnante composés ds deux réflectsurs dont un sst semi-transparent, . un matériau actif, . des moyens d'excitation ds ce matériau actif, . des moyens pour déclencher au moins une impulsion lumineuse dans ladits cavité contenant le mat~riau actif excité,
On sait qu'il est possiole d'obtenir un impulsiDn iaser puissants à la longueur d'onde de 1,3 micron à l'aide d'un dispositif comportant un oscillateur laser 3 gaz d'iode émsttant une impulsion de courte durée et un amplificateur également 3 iode disposé à la sortie de l'oscillateur.
L'oscilleteur peut être soit du type déclench~ avec découpage temporel de l'impulsion, soit du type "à modes bloqués~ émettant une série d'impulsions successives, ce dernier type d'oscillateur comportant alors un dispositif apte 3 sélectionner une impulsion de cette série. Dans les deux cas, le signal de sortle obtenu 3 la sortle de l'oscillateur a une durée de l'ordre d'une nanoseconde ou d'une fraction de nanoseconde.
LB5 dlsposltlfs générateurs laser décrits ci-dessus présentent l'lnconvénient de délivrer des lmpulsions de sortie limitées en puissance.
Cet inconvénient s'explique d'une part par le fait qu'il est assez dlfflclle d'obtenlr des impulslons très courtes dans un laser à
iode sans augmenter la presslon du gaz actlf d'une façon lmportante.
i 20 D'autre part, l'excltation du niveau supérieur de l'iode s'effectùe par photodissociation.
Ce niveau supérieur comprend deux sous-niveaux, et le niveau inférieur de retombée des électrons excités comprend quatre sous-niveaux, Donc, en principe, l'~mission laser provoquée par l'excit~tion d'un gaz d'iode devrait comporter 8 raies distinctes correspondant chacune aux différentes cDmbinaisons de transitlon entre les deux sous-niveaux supérieurs st les quatre sous-niveaux inférieurs. En fait six rales seulement sont per~lses. Dans 12 dispositif laser selon l'art antérieur dé~rit ci-dessus, on oonstate en pratique que l'cscillateur à iode n'émet que sur une seule lon~ueur d'cnde préférentielle qui correspond à la raie 106545~
d'émission qui procure le plus grand gain. Dans ces conditions, l'amplifi-cation d'énergie dans l'amplificateur n'a lieu que pour cette longueur d'onde préférentielle, ce qui entra~ne une diminution de la puissance de sortie du dispositif.
Il est possible de pallier très partiellement cet inconvénient en augmentant la pression du gaz actif dans l'amplificateur. En effet les temps de relaxation entre le sous-niveau de retombée préférentiel et les sous~niveaux inférieurs sont alors diminués et leurs valeurs tendent à se rapprocher de celle de la durke de l'impulsion. L'amplification d'énergie est alors augmentée. Mais l'augmentation de puissance des impulsions de sortie ainsi obtenuE est faible.
On a donc essayé de faire fonctionner l'oscillateur à iode sur les différentes raies d'émission de l'iode, par exemple en disposant dans la cavité un étalon Fabry-Pérot de mani~re à moduler le gain sur les différentes transitions. Mais toutes les solutions proposées ont l'inconvé-nlent d'etre de mise en oeuvre très délicate.
La présents lnvention a pour but de pallisr les inconvénients des dispositifs décrits ci-dessus, et de réalissr un dispositif générateur laser apte à émsttrs des lmpulsions ds longueur d'onde 1,3 micron de puissance plus élevée que celles obtenues selon l'art antérieur.
La présente invention a pour ob~et un dispositif générateur laser émettant à une longueur d'onde voisine de 1,3 micron, dispositif comportant - un oscillateur lassr apte à émettre un signal lumineux, comprenant . une cavité optique resonnante composés ds deux réflectsurs dont un sst semi-transparent, . un matériau actif, . des moyens d'excitation ds ce matériau actif, . des moyens pour déclencher au moins une impulsion lumineuse dans ladits cavité contenant le mat~riau actif excité,
- 2 -1~6S458 - et au moins un amplificateur disposé à la sortie dudit oscillateur, cet amplificateur comprenant un gaz actif constitué d'un composé d'iode, et des moyens d'excitatiDn de ce gaz actif, caractérisé par le fait que le matériau actif dudit oscillateur est un matériau actif dopé au néodyme et qu'il comporte en outre des moyens s~lectifs pour laisser passer dans ledit amplificatsur le rayonnement dudit slgnal situé dans un intervalle de longueur d'onde couvrant les raies d'émission du néodyme proches de 1,3 micron st les dlfférentes raies d'émission dudit gaz actif, cet intervalle de longueur d'onde excluant les reizs d'émission du néodyme voisines de 1,06 micron et de 0,9 micron.
La présente invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des diagrammes de nlveaux d'énergie lllustrant la description du fonctlonnement du disposltlf représenté sur la figure 1, et la flgure 4 représente schématlquement un autre mode de réallsation du dispositlf selon l'lnvention.
Sur la flgure 1, une cavlté optique reSonnante est délimitée par deux réflecteurs 1 st 2 alignés sur un axe optlque 3, le réflecteur 2 étant semi-transparent. Dans la cavité est disposé un matériau actif laser 4. Des moyens non représentés sont prévus pour exciter le matériau actlf 4, ces moyens comprenant par exemple des tubes à décharge disposés autour du matériau actif 4. A l'intérieur de la cavité sont disposés des moyens pour déclencher au moins une impulsion lumineuse, ces moyens comportant un modulateur électro-optique 5 tel qu'une cellule de Pockels et un polariseur 6 tel qu'une lame optlque à l'lncidence de Prewster. La cavité
; renferme aussi un modulateur acoustique 7 pouvant être composé d'un bloc de quartz 8 centré sur l'axe 3 sur lequel est fixé un transducteur électro-acoustique 90 1~65458 A l'extérieur de la cavlté, du c8té du réflecteur semi transparent - 2, est disposé un dispositif sélecteur d'impulslons centré sur l'axe 3. Ce dlspositif sélecteur peut comporter un modulateur électrooptique 10 tel qu'une cellule de Pockels lntercalée entre deux polarlseurs croisés 11 et 12. Au-delà du dlspositlf sélecteur, un amplificateur laser à lode 13 centr~ sur l'axe 3 est constitué par un tube renfermant un gaz actif formé par exemple par un mélange d'un composé d'lode tel que C3 F7 I et d'argon. Le dlspositif repr~senté sur la figure 1 comporte enfin de préférence des moyens 14 pour régler la pression du gaz actif de l'amplifica-teur 13, cette pression pouvant être de l'ordre de la pression atmosphérique.
Selon une réalisation de l'invention, le matériau actif 4 est un matériau actif dopé au néodyme. Ce matériau est constitué par exemple par du verre dopé au néodyme et ie dlsposltif comporte des moyens sélectifs pour ne lalsser passer dans l'ampllficateur 4 que le rayonnement d'émission de l'osclllateur, comprls dans un intervalle de fréquence qui est préclsé
cl-dessous. CBS moyens sélectifs peuvent comporter, comme représenté, des couches multldiélectrlques 15 et 16 déposées respectlvement sur la surface r~fléchissante des réflscteurs 1 et 2 de la cavlté et un flltre lnterférentiel 17 dlsposé dans la cavlté. Mals cette sélectlon de fréquence peut aussl 8tre réalisée à l'alde de réseaux optlques ou d'étalons de Fabry-Perot, ; disposés dans la cavlté.
La cavité résonnante laser formée des réflecteurs 1 et 2, dans laquelle est disposé le barreau de verre dopé au néodyme 4 muni de moyens d'excitatlon, donne naissance, grace au modulateur acousto-optique 7, à
des impulsions en modes bloqués. Le modulateur électro-optique 5 auqusl est associé le polariseur 6 permet de déclencher une sérle de ces impulsions sortant de la cavité à travers le réflecteur seml-transparent 2. A l'alde ; du modulateur électro-optique 10 disposé entre les polariseurs crolsés 11 et 1Z, on arrête les impulslons de cette série sauf une, représentée par la flèche 1B, qui constitue un signal lumineux entrant aans l'amplificateur 13.
Le signal 1~ a une longueur d'onde voisine de 1,3 micron. Ce résultat est atteint gr3ce à la présence des couches multi-diélsctriques 15 et 16 et du filtrs interférentiel 17, comme il est expliqué cl-dessous.
La figure 2 représente un diagramme des niveaux d'~nergie du verre dopé au néodyme, ces niveaux étant portés en croissant dans le sens de la flèche 20. Sur ce diagramme, le niveau 21 correspond à l'état fondamental occupé par les électrons en l'absence d'excitation. Sous l'influence d'une excitation par exemple de la lumi~re d'un tube à décharge, les électrons peuvent passer du niveau 21 au niveau supérieur 22 d'o~ ils retombent spontanément à un niveau métastable 23, Les électrons occupant le niveau 23 retombent ensuite suivant la flèche 27 au niveau 24 en émettant un rayonnement de longueur d'onde 1,3 micron, ou sulvant la flèche 28 au ni~/eau 25 moins élevé en émettant un rayonnement de longueur d'onde 1,06 micron, ou enfin suivant le flèche 29 au niveau le plus bas 26 sn émettant un rayonnement de longueur d'onde 0,9 micron. Bien entendu, le diagramme de la figure 2 est très schématiqus : en réalité chacun dss niveaux 22, 23, 24, 25 et 26 peut comporter plusieurs sous-niveaux.
Le rayonnement correspondant à le fl~che 2a, de longueur d'onde 1,06 micron est celul qui procure 1B plus grand gain, et de ce fait cette longueur d'onde d'émission est celle qui est généralement utilisée dans les lasers à verre dopé au néodyme. L'oscillateur laser représenté sur la figure 1 émet par contre à la longueur d'onde de 1,3 micron, selon la flèche 27 de la figure 2, grâce aux cavités multidiélæctriques 15 et 16 qui refléchissent la lumière dans un faible intervalle de longueur d'onde comprenant les raies d'émisslon du verre dopé au néodyme voisines de 1,3 microns et excluant les raies voislnes de 1,06 micron et de 0,9 micron, ces couches absorbant la lumière en dehors de cet intervalle. Le filtre interférentiel 17 qul a exactemænt la même fonction que les couches 15 et 16 est utilisé lorsqu'il est nécessaire de diminuer l'étendue de l'intervalle de longueur d'onde défini par les couches multidiélectriques 15 et 16.
Sur la figure 3 a été repr~senté le dlagra~me des niveaux d'énergie de l'Iode. Lorsqu'on excite le gaz actlf d'un laser à iode les électrons passent de l'état fondamsntal 30 à un état supérieur suivant la flèche 31, cet état supérieur comprenant deux sous-niveaux 3~ et 33. Le niveau de retombée des électrons comprend 4 sous-niveaux 34, 35, 36 et 37. L'émission laser peut donc s'effsctuer suivant ~ raies ldont 6 sont en fait permises) c~rrespondant aux combinaisons dss 2 sous-niveaux supérieurs avec les 4 sous-niveaux inf~rieurs. L'écart de longueur d'onde entre les dlfférentes raies d'émission de l'iode est très faible de l'ordrs ds 10 micron, la longueur d'onde moyenne étant de 1,315 mlcron.
Les raies d'émisslon du verre vo$sins de 1, 3 micron couvrent largement les différentes raies de l'iode. Il en résulte que le spectre du rayonnement du slgnal 18 tvoir figure 1) entrant dans l'amplificateur 13 recouvre toutes les longueurs d'onde d'émission de l'iode. Dans ces conditions, le signal 18 traversant l'amplificateur 13 est amplifié sur lss fréquences des différentes raies d'~mission de l'iode et la puissance de l'impulsion obtenue à la sortie de l'amplificateur 13 est beaucoup plus importante que dans le dlspositlf selon l'art antérieur, dans lequel la longueur d'onde du rayonnement du slgnal sortant de l'osclllateur à
lode ne correspond qu'à une seule raie d'émission.
Dans le cas où le dispositlf laser émettant à 1,3 micron est utilisé pour la production de plasmas, il est souvant nécessaire de réaliser une impulsion dont la durée est de l'ordre de 0,1 nanDsecDnde. Le dlspositif représenté sur la figure 1 présente alors l'avantage de fournir des impulsions plus courtes que celles des dispositifs selon l'art antérieur~
En effet, il est beaucoup plus facile d'obtenir des impulsions courtes en modes blDqués dans un laser à verre que dans un laser à iode. Alors qu'un oscillateur laser à iode permet d'obtenir des impulsions de durée 0,5 nanoseconde environ, un oscillateur à verre peut émettre d~s signaux dont la durée est de l'ordre de 10 à 50 picosecondes. Dans le dispositif represent~ sur la fi~ure 1, la durée de l'impulsion est portée 3 une valeur supérieure, qui peut être voislne de 0,1 nanoseconds, apr~s passage à travers l'amplificateur 13. Cetts augmentation de durée d'impulsion résulte du fait que la largeur spectrale du signal entrant dans l'amplifica-teur est plus grande que la bande passante de l'amplificateur.
Il y a lieu de noter enfin qu'il est possible de régler la durée de l'impulsion de sortie en falsant varler la pression des gaz de l'amplificateur 13 par action sur le diCpositif 14.
Un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, représenté sur la figure 4, diffère de celui représenté sur la figure 1 sssentiellement par le fait que l'oscillateur laser ne fonctionne pas en modes ~loqu~s. Sur la flgure 4, une cavité optique résonnante formée de deux réflecteurs 41 et 42 centrés sur un axs 43 renferme un barreau de verre dopé au néodyme 44 muni de moyens d'excitatlon non représentés et un dispositif de déclenchement d'une lmpulsion comportant une cellule de Pockels 45 et un polariseur 46, L'impulsion lumlneuse sortant de la cavit~, d'une durée d~ l'ordre de 30 nanosecondes, pass~ à travers un organe de découpage comportant un modulateur électro-optique tel qu'une csllule de Pockels 50 disposée entre deux polariseurs croisés 51 et 52.
Cet organe ne laisse passer qu'une fraction de l'energie lumlneuss de l'impulsion, cette fraction étant comprise dans un intervalle de temps qui peut être de l'ordre ds une nanoseconde. Cstte fraction d'énergie lumlneuse constitue un slgnal 58 qui est ensuite amplifié par passage dans un amplificateur à gaz d'iode 53 éventuellement muni de moyens 54 pour faire varier la pression du gaz.
~e dispositif représenté sur la figura 4 comporte des moyens sélectifs pour laisser passer dans l'amplificateur 53 le rayonnement du signal sa situé dans un intervalle de longueur d'onde couvrant les raies d'émission du verre dopé au néodyme proches de 1,3 micron, cet intervalle excluant les rales d'emission du verrs dopé au néadyme volslnes de 1,06 micron et de 0,9 micron. Ces moyens sélectifs comprennent des couches multidiélectriques 55 et 56 déposées respectivement sur la surface des réflecteurs 41 et 42 et un filtre lnterférentlel 57.
Le fonctionnement du dispositif représenté sur la flgure 4 est analogue à cslui représenté sur la figure 1. Ce dispositif permet aussl d'obtenir des impulsions de sortle plu5 pulssantes que celles des dlspositlfs selon l'art antérleur. Cependant, le dispositlf illustré par la figure 4 est molns bien adapté à la production d'impulsions de sortie de durée de l'ordre de 0,1 nanoseconde : en effet la durée du signal 58 sortant de l'oscillateur est limitée inférieurement par les possibilités du système de découpage c'est-à-dire à une durée de une nanoseconde environ.
- Le dispositif selon la présente lnvention peut etre appllqué
lorsqu'on déslre obtenir des impulsions lumineuses courtes et de forte pulssance, et notamment pour étudler des plasmas denses st chauds.
~ien entendu, l'invention n'est nullement llmltée aux modes de réallsation décrlts et représentés qui n'ont été donnés qu'à tltre d'exemple.
Ainsi, le modulateur lumineux, apte à falre fonctionner l'osclllateur en modes bloqués pzut btre aussl un modulateur électro-optique ou un absorbant saturable et que plusieurs amplificateurs tels que l'amplificateur 13 peuvent être disposés en sérle à la sortle de l'oscillateur. De plus l'oscillateur laser émettant à la longueUr d'onde de 1,3 micron avec une largeur spectrale suffisante pour couvrir les raies de l'iode, peut atre non seulement un oscillateur à verre dopé au néodyme, mais aussi un oscillateur à cristal ou ~ llquide dopé au néodyme~
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La présente invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des diagrammes de nlveaux d'énergie lllustrant la description du fonctlonnement du disposltlf représenté sur la figure 1, et la flgure 4 représente schématlquement un autre mode de réallsation du dispositlf selon l'lnvention.
Sur la flgure 1, une cavlté optique reSonnante est délimitée par deux réflecteurs 1 st 2 alignés sur un axe optlque 3, le réflecteur 2 étant semi-transparent. Dans la cavité est disposé un matériau actif laser 4. Des moyens non représentés sont prévus pour exciter le matériau actlf 4, ces moyens comprenant par exemple des tubes à décharge disposés autour du matériau actif 4. A l'intérieur de la cavité sont disposés des moyens pour déclencher au moins une impulsion lumineuse, ces moyens comportant un modulateur électro-optique 5 tel qu'une cellule de Pockels et un polariseur 6 tel qu'une lame optlque à l'lncidence de Prewster. La cavité
; renferme aussi un modulateur acoustique 7 pouvant être composé d'un bloc de quartz 8 centré sur l'axe 3 sur lequel est fixé un transducteur électro-acoustique 90 1~65458 A l'extérieur de la cavlté, du c8té du réflecteur semi transparent - 2, est disposé un dispositif sélecteur d'impulslons centré sur l'axe 3. Ce dlspositif sélecteur peut comporter un modulateur électrooptique 10 tel qu'une cellule de Pockels lntercalée entre deux polarlseurs croisés 11 et 12. Au-delà du dlspositlf sélecteur, un amplificateur laser à lode 13 centr~ sur l'axe 3 est constitué par un tube renfermant un gaz actif formé par exemple par un mélange d'un composé d'lode tel que C3 F7 I et d'argon. Le dlspositif repr~senté sur la figure 1 comporte enfin de préférence des moyens 14 pour régler la pression du gaz actif de l'amplifica-teur 13, cette pression pouvant être de l'ordre de la pression atmosphérique.
Selon une réalisation de l'invention, le matériau actif 4 est un matériau actif dopé au néodyme. Ce matériau est constitué par exemple par du verre dopé au néodyme et ie dlsposltif comporte des moyens sélectifs pour ne lalsser passer dans l'ampllficateur 4 que le rayonnement d'émission de l'osclllateur, comprls dans un intervalle de fréquence qui est préclsé
cl-dessous. CBS moyens sélectifs peuvent comporter, comme représenté, des couches multldiélectrlques 15 et 16 déposées respectlvement sur la surface r~fléchissante des réflscteurs 1 et 2 de la cavlté et un flltre lnterférentiel 17 dlsposé dans la cavlté. Mals cette sélectlon de fréquence peut aussl 8tre réalisée à l'alde de réseaux optlques ou d'étalons de Fabry-Perot, ; disposés dans la cavlté.
La cavité résonnante laser formée des réflecteurs 1 et 2, dans laquelle est disposé le barreau de verre dopé au néodyme 4 muni de moyens d'excitatlon, donne naissance, grace au modulateur acousto-optique 7, à
des impulsions en modes bloqués. Le modulateur électro-optique 5 auqusl est associé le polariseur 6 permet de déclencher une sérle de ces impulsions sortant de la cavité à travers le réflecteur seml-transparent 2. A l'alde ; du modulateur électro-optique 10 disposé entre les polariseurs crolsés 11 et 1Z, on arrête les impulslons de cette série sauf une, représentée par la flèche 1B, qui constitue un signal lumineux entrant aans l'amplificateur 13.
Le signal 1~ a une longueur d'onde voisine de 1,3 micron. Ce résultat est atteint gr3ce à la présence des couches multi-diélsctriques 15 et 16 et du filtrs interférentiel 17, comme il est expliqué cl-dessous.
La figure 2 représente un diagramme des niveaux d'~nergie du verre dopé au néodyme, ces niveaux étant portés en croissant dans le sens de la flèche 20. Sur ce diagramme, le niveau 21 correspond à l'état fondamental occupé par les électrons en l'absence d'excitation. Sous l'influence d'une excitation par exemple de la lumi~re d'un tube à décharge, les électrons peuvent passer du niveau 21 au niveau supérieur 22 d'o~ ils retombent spontanément à un niveau métastable 23, Les électrons occupant le niveau 23 retombent ensuite suivant la flèche 27 au niveau 24 en émettant un rayonnement de longueur d'onde 1,3 micron, ou sulvant la flèche 28 au ni~/eau 25 moins élevé en émettant un rayonnement de longueur d'onde 1,06 micron, ou enfin suivant le flèche 29 au niveau le plus bas 26 sn émettant un rayonnement de longueur d'onde 0,9 micron. Bien entendu, le diagramme de la figure 2 est très schématiqus : en réalité chacun dss niveaux 22, 23, 24, 25 et 26 peut comporter plusieurs sous-niveaux.
Le rayonnement correspondant à le fl~che 2a, de longueur d'onde 1,06 micron est celul qui procure 1B plus grand gain, et de ce fait cette longueur d'onde d'émission est celle qui est généralement utilisée dans les lasers à verre dopé au néodyme. L'oscillateur laser représenté sur la figure 1 émet par contre à la longueur d'onde de 1,3 micron, selon la flèche 27 de la figure 2, grâce aux cavités multidiélæctriques 15 et 16 qui refléchissent la lumière dans un faible intervalle de longueur d'onde comprenant les raies d'émisslon du verre dopé au néodyme voisines de 1,3 microns et excluant les raies voislnes de 1,06 micron et de 0,9 micron, ces couches absorbant la lumière en dehors de cet intervalle. Le filtre interférentiel 17 qul a exactemænt la même fonction que les couches 15 et 16 est utilisé lorsqu'il est nécessaire de diminuer l'étendue de l'intervalle de longueur d'onde défini par les couches multidiélectriques 15 et 16.
Sur la figure 3 a été repr~senté le dlagra~me des niveaux d'énergie de l'Iode. Lorsqu'on excite le gaz actlf d'un laser à iode les électrons passent de l'état fondamsntal 30 à un état supérieur suivant la flèche 31, cet état supérieur comprenant deux sous-niveaux 3~ et 33. Le niveau de retombée des électrons comprend 4 sous-niveaux 34, 35, 36 et 37. L'émission laser peut donc s'effsctuer suivant ~ raies ldont 6 sont en fait permises) c~rrespondant aux combinaisons dss 2 sous-niveaux supérieurs avec les 4 sous-niveaux inf~rieurs. L'écart de longueur d'onde entre les dlfférentes raies d'émission de l'iode est très faible de l'ordrs ds 10 micron, la longueur d'onde moyenne étant de 1,315 mlcron.
Les raies d'émisslon du verre vo$sins de 1, 3 micron couvrent largement les différentes raies de l'iode. Il en résulte que le spectre du rayonnement du slgnal 18 tvoir figure 1) entrant dans l'amplificateur 13 recouvre toutes les longueurs d'onde d'émission de l'iode. Dans ces conditions, le signal 18 traversant l'amplificateur 13 est amplifié sur lss fréquences des différentes raies d'~mission de l'iode et la puissance de l'impulsion obtenue à la sortie de l'amplificateur 13 est beaucoup plus importante que dans le dlspositlf selon l'art antérieur, dans lequel la longueur d'onde du rayonnement du slgnal sortant de l'osclllateur à
lode ne correspond qu'à une seule raie d'émission.
Dans le cas où le dispositlf laser émettant à 1,3 micron est utilisé pour la production de plasmas, il est souvant nécessaire de réaliser une impulsion dont la durée est de l'ordre de 0,1 nanDsecDnde. Le dlspositif représenté sur la figure 1 présente alors l'avantage de fournir des impulsions plus courtes que celles des dispositifs selon l'art antérieur~
En effet, il est beaucoup plus facile d'obtenir des impulsions courtes en modes blDqués dans un laser à verre que dans un laser à iode. Alors qu'un oscillateur laser à iode permet d'obtenir des impulsions de durée 0,5 nanoseconde environ, un oscillateur à verre peut émettre d~s signaux dont la durée est de l'ordre de 10 à 50 picosecondes. Dans le dispositif represent~ sur la fi~ure 1, la durée de l'impulsion est portée 3 une valeur supérieure, qui peut être voislne de 0,1 nanoseconds, apr~s passage à travers l'amplificateur 13. Cetts augmentation de durée d'impulsion résulte du fait que la largeur spectrale du signal entrant dans l'amplifica-teur est plus grande que la bande passante de l'amplificateur.
Il y a lieu de noter enfin qu'il est possible de régler la durée de l'impulsion de sortie en falsant varler la pression des gaz de l'amplificateur 13 par action sur le diCpositif 14.
Un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, représenté sur la figure 4, diffère de celui représenté sur la figure 1 sssentiellement par le fait que l'oscillateur laser ne fonctionne pas en modes ~loqu~s. Sur la flgure 4, une cavité optique résonnante formée de deux réflecteurs 41 et 42 centrés sur un axs 43 renferme un barreau de verre dopé au néodyme 44 muni de moyens d'excitatlon non représentés et un dispositif de déclenchement d'une lmpulsion comportant une cellule de Pockels 45 et un polariseur 46, L'impulsion lumlneuse sortant de la cavit~, d'une durée d~ l'ordre de 30 nanosecondes, pass~ à travers un organe de découpage comportant un modulateur électro-optique tel qu'une csllule de Pockels 50 disposée entre deux polariseurs croisés 51 et 52.
Cet organe ne laisse passer qu'une fraction de l'energie lumlneuss de l'impulsion, cette fraction étant comprise dans un intervalle de temps qui peut être de l'ordre ds une nanoseconde. Cstte fraction d'énergie lumlneuse constitue un slgnal 58 qui est ensuite amplifié par passage dans un amplificateur à gaz d'iode 53 éventuellement muni de moyens 54 pour faire varier la pression du gaz.
~e dispositif représenté sur la figura 4 comporte des moyens sélectifs pour laisser passer dans l'amplificateur 53 le rayonnement du signal sa situé dans un intervalle de longueur d'onde couvrant les raies d'émission du verre dopé au néodyme proches de 1,3 micron, cet intervalle excluant les rales d'emission du verrs dopé au néadyme volslnes de 1,06 micron et de 0,9 micron. Ces moyens sélectifs comprennent des couches multidiélectriques 55 et 56 déposées respectivement sur la surface des réflecteurs 41 et 42 et un filtre lnterférentlel 57.
Le fonctionnement du dispositif représenté sur la flgure 4 est analogue à cslui représenté sur la figure 1. Ce dispositif permet aussl d'obtenir des impulsions de sortle plu5 pulssantes que celles des dlspositlfs selon l'art antérleur. Cependant, le dispositlf illustré par la figure 4 est molns bien adapté à la production d'impulsions de sortie de durée de l'ordre de 0,1 nanoseconde : en effet la durée du signal 58 sortant de l'oscillateur est limitée inférieurement par les possibilités du système de découpage c'est-à-dire à une durée de une nanoseconde environ.
- Le dispositif selon la présente lnvention peut etre appllqué
lorsqu'on déslre obtenir des impulsions lumineuses courtes et de forte pulssance, et notamment pour étudler des plasmas denses st chauds.
~ien entendu, l'invention n'est nullement llmltée aux modes de réallsation décrlts et représentés qui n'ont été donnés qu'à tltre d'exemple.
Ainsi, le modulateur lumineux, apte à falre fonctionner l'osclllateur en modes bloqués pzut btre aussl un modulateur électro-optique ou un absorbant saturable et que plusieurs amplificateurs tels que l'amplificateur 13 peuvent être disposés en sérle à la sortle de l'oscillateur. De plus l'oscillateur laser émettant à la longueUr d'onde de 1,3 micron avec une largeur spectrale suffisante pour couvrir les raies de l'iode, peut atre non seulement un oscillateur à verre dopé au néodyme, mais aussi un oscillateur à cristal ou ~ llquide dopé au néodyme~
_ ~ _
Claims (13)
1/ Dispositif générateur laser émettant à une longueur d'onde voisine de
1,3 micron, dispositif comportant - un oscillateur laser apte à émettre un signal lumineux, comprenant . une cavité optique résonnante composée de deux réflecteurs dont un est semi-transparent, . un matériau actif, . des moyens d'excitation de ce matériau actif, , des moyens pour déclencher au moins une impulsion lumineuse dans ladite cavité contenant le matériau actif excité, - et au moins un amplificateur disposé à la sortie dudit oscillateur, cet amplificateur comprenant un gaz actif constitué d'un composé d'iode et des moyens d'excitation de ce gaz actif, caractérisé par le fait que le matériau actif (4) dudit oscillateur est un matériau actif dopé au néodyme et qu'il comporte en outre des moyens sélectifs (15, 16, 17) pour laisser passer dans ledit amplificateur (13) le rayonnement dudit signal situé dans un intervalle de longueur d'onde couvrant les raies d'émission du néodyme proches de 1,3 micron et les différentes raies d'émission dudit gaz actif, cet intervalle de longueur d'onde excluant les raies d'émission du néodyme voisines de 1,06 micron et de 0,9 micron.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit oscillateur comporte un organe de découpage (50, 51, 52) de ladite impulsion, cet organe ne laissant passer qu'une fraction de l'énergie lumineuse de cette impulsion, cette fraction étant comprise dans un court intervalle de temps, ledit signal (58) étant constitué par cette fraction d'énergie lumineuse.
3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit oscillateur comporte un modulateur lumineux (7) disposé dans ladite cavité de manière que cet oscillateur émette une série d'impulsions en modes bloqués et des moyens (10, 11, 12) disposés à la sortie de ladite cavité pour ne laisser dans ledit amplificateur (13) qu'une de ces impulsions et arrêter les autres, ledit signal (18) étant constitué par l'impulsion de cette série qui passe dans l'amplificateur (13).
4/ Dispositif selon la revendication 1, caracterisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de réglage (14) de la pression du gaz actif dudit amplificateur (13).
5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens sélectifs (15, 16, 17) pour laisser passer dans ledit amplificateur le rayonnement dudit signal situé dans un intervalle de longueur d'onde couvrant la raie d'émission du néodyme proche de 1, 3 micron et les différentes raies d'émission dudit gaz actif comportent un élément choisi dans le groupe constitué par les filtres interférentiels (17), les réseaux et les étalons Fabry-Pérot.
6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens sélectifs (15, 16, 17) pour laisser passer dans ledit amplificateur le rayonnement dudit signal situé dans un intervalle de longueur d'onde couvrant la raie d'émission du néodyme proche de 1,3 micron et les différentes raies d'émission dudit gaz actif comportent des moyens de traitement (15, 16) de la surface réfléchissante des réflecteurs (1, 2) de la cavité optique dudit oscillateur.
7/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit organe de découpage (50, 51, 52) comporte un modulateur électro-optique (50).
8/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens (10, 11, 12) disposés à la sortie de ladite cavité pour ne laisser passer dans l'amplificateur (13) qu'une impulsion de ladite succession comportent un modulateur électro-optique (10) intercalé entre deux polariseurs croisés (11, 12).
9/ Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ledit modulateur lumineux (7) est compris dans le groupe constitué par les modulateurs acousto-optiques (8, 9) les modulateurs électro-optiques et les absorbants saturables.
10/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens (5,6) pour déclencher au moins uns impulsion lumineuse dans ladite cavité comportent un modulateur électro-optique (5) et un polariseur (6) disposés dans cette cavité.
11/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau actif est du verre dopé au néodyme.
12/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau actif est un cristal dopé au néodyme.
13/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau actif est un liquide dopé au néodyme.
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