FR2542104A1 - Method and device for creating short light pulses - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et dispositif de création d'impulsions lumineuses brèves
L'invention concerne l'obtention, à l'aide de lasers, de mono impulsions lumineuses (ce qualificatif devant être pris dans un sens large) de courte durée et elle trouve de nombreuses applications, notamment dans tous les domaines exigeant des générateurs ou amplificateurs d'impulsions brèves et intenses de lumière.Method and device for creating short light pulses
The invention relates to obtaining, with the aid of lasers, single light pulses (this qualifier having to be taken in a broad sense) of short duration and it finds numerous applications, in particular in all fields requiring generators or amplifiers brief, intense pulses of light.
Les méthodes utilisées actuellement pour obtenir des impulsions laser brèves avec un bon rendement en énergie reposent sur un même principe (utilisation d'un milieu laser présentant un gain important et d'une cavité laser ayant une faible surtension). En effet, le temps de montée de l'impulsion laser est directement lié au temps nécessaire pou-r saturer le gain et le temps de descente reflète la durée de vie des photons dans la cavité. En dehors des lasers à modes bloqués, qui émettent des trains d'impulsions dont la durée unitaire est dans le domaine de la picoseconde, les contraintes imposées par la durée du pompage, l'arrivée à la saturation du gain et la durée de vie de la cavité font qu'il existe très peu de lasers susceptibles d'émettre des impulsions uniques dont la durée ne dépasse pas une dizaine de nanosecondes.On peut évidemment raccourcir par décou- page la durée des impulsions fournies par le laser. Mais ce découpage par des éléments électro-optiques (cellule de
Pockels, cellule de Kerr), s'il permet d'obtenir des impulsions de quelques nanosecondes, provoque une perte d'énergie importante. Enfin, on a proposé d'utiliser la diffusion
Raman arrière pour obtenir une compression temporelle mais les dispositifs correspondants sont encombrants et, compte tenu des caractéristiques des lasers utilisés, les résultats ainsi, obtenus sont généralement limités.The methods currently used to obtain short laser pulses with good energy efficiency are based on the same principle (use of a laser medium having a large gain and of a laser cavity having a low overvoltage). Indeed, the rise time of the laser pulse is directly related to the time needed to saturate the gain and the fall time reflects the lifetime of the photons in the cavity. Apart from blocked mode lasers, which emit pulse trains whose unit duration is in the picosecond domain, the constraints imposed by the duration of the pumping, the gain saturation and the lifetime of the cavity means that there are very few lasers capable of emitting single pulses whose duration does not exceed ten nanoseconds. We can obviously shorten by cutting the duration of the pulses supplied by the laser. But this cutting by electro-optical elements (cell of
Pockels, Kerr cell), if it makes it possible to obtain pulses of a few nanoseconds, causes a significant loss of energy. Finally, we proposed to use diffusion
Rear Raman to obtain temporal compression but the corresponding devices are bulky and, taking into account the characteristics of the lasers used, the results thus obtained are generally limited.
L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de création d'impùlsions lumineuses très brèves à partir de l'énergie d'une impulsion laser, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. Elle vise en particulier à l'obtention d'impulsions courtes ne dépassant généralement pas quelques nanosecondes, à par tir de lasers fournissant normalement des impulsions dont la durée est supérieure d 'au moins un ordre de grandeur, et ce avec un excellent rendement énergétique (correspondant à un rendement quantique supérieur à 85%)
Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de création de mono-impulsions de lumière brèves, suivant lequel on introduit, dans une cavité laser, un milieu Raman associé à une cavité dimensionnée de façon à présenter un gain important à la fréquence Stokes et en ce qu'on extrait l'énergie du laser à la fréquence Stokes.The invention aims to provide a method and a device for creating very short light pulses from the energy of a laser pulse, responding better than those previously known to the requirements of practice. It aims in particular to obtain short pulses generally not exceeding a few nanoseconds, by firing lasers normally supplying pulses whose duration is greater by at least an order of magnitude, and this with excellent energy efficiency ( corresponding to a quantum yield greater than 85%)
To this end, the invention proposes in particular a method for creating brief mono-pulses of light, according to which a Raman medium is added to a laser cavity associated with a cavity dimensioned so as to present a significant gain at the Stokes frequency. and in that the energy of the laser is extracted at the Stokes frequency.
La compression temporelle obtenue permet d'augmenter notablement l'intensité lumineuse de l'impulsion. The temporal compression obtained makes it possible to notably increase the light intensity of the pulse.
Il faut noter que l'invention peut être mise en oeuvre dans un dispositif a.mplificateur aussi bien que générateur de lumière ou encore dans une chaîne complète constituée d'un oscillateur et de plusieurs amplificateurs. It should be noted that the invention can be implemented in an a.mplifier device as well as a light generator or in a complete chain consisting of an oscillator and several amplifiers.
L'invention propose également un dispositif de création de mono-impulsions de lumière de courte durée, comprenant une cavité laser, caractérisé en ce que, dans la cavité laser, est placé un milieu Raman-également inséré dans une cavité Stokes à faible surtension, capable de convertir l'énergie à la fréquence laser en énergie à la fréquence
Stokes. Ceci permet notamment de réaliser de nouvelles sources infrarouges. La cavité laser est avantageusement surtendue au maximum.The invention also provides a device for creating short-duration mono-pulses of light, comprising a laser cavity, characterized in that, in the laser cavity, a Raman medium is also placed in a Stokes cavity with low overvoltage, able to convert energy at laser frequency into energy at frequency
Stokes. This makes it possible in particular to produce new infrared sources. The laser cavity is advantageously over-stretched to the maximum.
Dans le cas de fonctionnement en amplificateur, il est possible d'amplifier une on-de Stokes spectralement pure en équipant le dispositif de moyens de compression spectrale du genre décrit dans les brevets FR 80 11064 et US 4 348 599. In the case of operation as an amplifier, it is possible to amplify a spectrally pure Stokes-on by equipping the device with spectral compression means of the kind described in patents FR 80 11064 and US 4 348 599.
Les moyens d'extraction de l'impulsion à la fréquence
Stokes peuvent être constitues par un miroir semi-transparent à cette fréquence, constituant l'une des parois formant la cavité Stokes, ayan-t u-n facteur de réflexion ne dépassant pas quelques pour cént pour là fréquence Raman afin que la surtension soit faible. La zone commune aux cavités laser et
Stokes peut être délimitée par des séparateurs transparents pour la fréquence laser ou Raman, réflecteurs pour l'autre.Means for extracting a pulse at frequency
Stokes can be constituted by a semi-transparent mirror at this frequency, constituting one of the walls forming the Stokes cavity, ayan-t a reflectance not exceeding a few for cént for the Raman frequency so that the overvoltage is low. The area common to the laser cavities and
Stokes can be delimited by transparent separators for the laser or Raman frequency, reflectors for the other.
Plusieurs cavités Raman peuvent être placées en succession en les imbriquant de façon à obtenir des transferts d'énergie en cascade : un tel montage permet notamment d'effectuer des déplFcements de fréquence successifs vers l'infrarouge. Par ailleurs, on peut utiliser des milieux lasers accordables en fréquence placés dans des cavités dispersives ou injectés par une source extérieure et donc créer des impulsions de rayonnement accordables, to-ujours d-e du-rée plus co-urte que l'impulsion laser initiale. Avec un laser à modes coupléspar adaptation des longueurs de cavité7 on peut arriver à des durées de l'ordre de la picoseconde,toute l'énergie se retrouvant dans une seule impulsion.Enfin9 llinvention peut être utilisée pour améliorer les performances des lasers à faible gain (Alexandrite par exemple) et celles des lasers à faible durée de vie (laser à excimère -par exemple). Several Raman cavities can be placed in succession by nesting them so as to obtain cascade energy transfers: such an assembly makes it possible in particular to carry out successive frequency displacements to the infrared. Furthermore, one can use frequency-tunable laser media placed in dispersive cavities or injected by an external source and therefore create tunable radiation pulses, always more cost-effective than the initial laser pulse. With a laser in coupled modes by adapting the cavity lengths 7 one can arrive at durations of the order of a picosecond, all the energy being found in a single pulse. Finally, the invention can be used to improve the performance of low gain lasers (Alexandrite for example) and those of lasers with a short lifespan (excimer laser - for example).
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particul-iers donnés à titre de simples exemples. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel
- la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispo sitif oscillateur utilisant un laser déclenché et un seul milieu Raman;
- les Figures 2 et 3, similaires à la Figure 1, montrent des dispositifs à deux milieux Raman, comportant une cavité laser et deux cavités Stokes imbriquées.The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments given by way of simple examples. The description refers to the accompanying drawing, in which
- Figure 1 is a block diagram of an oscillator device using a triggered laser and a single Raman medium;
- Figures 2 and 3, similar to Figure 1, show devices with two Raman media, comprising a laser cavity and two nested Stokes cavities.
Le dispositif montré en Figure 1 comporte une cavité laser délimitée par deux miroirs 10a et lOb travaillant en incidence normale, ayant un coefficient de réflexion par tiquement égal à1 pour la fréquence à laquelle le milieu laser 11 présente un gain. Dans la cavité est placé un milieu Raman 12 encadré par deux miroirs 13a et 13b délimitant une cavité Stokes. Le miroir 13a est totalement réfléchissant à la fréquence Stokes tandis que l'autre, 13b, est faiblement réfléchissant (coefficient de réflexion typiquement de quelques pour cent) à cette fréquence. The device shown in FIG. 1 comprises a laser cavity delimited by two mirrors 10a and 10b working at normal incidence, having a reflection coefficient by tick equal to 1 for the frequency at which the laser medium 11 has a gain. In the cavity is placed a Raman medium 12 framed by two mirrors 13a and 13b delimiting a Stokes cavity. The mirror 13a is completely reflecting at the Stokes frequency while the other, 13b, is weakly reflecting (coefficient of reflection typically of a few percent) at this frequency.
Les deux cavités doivent être découplées : pour cela, le milieu Raman est encadre par deux séparateurs, constitués par deux miroirs obliques 14 et 15 (à 45" du trajet optique sur la Figure 1). Ces miroirs réfléchissent totalement la fréquence laser sous l'incidence choisie alors qu'ils transmettent la lumière à la fréquence Stokes avec une très faible réflexion. La cavité laser contient un déclencheur 16, au moins lorsque le laser est tel que les états excités du milieu laser ont une grande durée de vie.La cavité laser ainsi constituée a de très faibles pertes à la fréquence laser ; elle peut être utilise de deux façons
- dans le cas d'un milieu laser à faible gain, elle permet au rayonnement laser d'effe-ctuer le nombre d'aller et retour nécessaire pour saturer le gain du milieu laser1 c'est-à-dire pour extraire la plus grande partie de l'énergie stockée dans dans les états excités;
- dans le cas d'un milieu laser pour lequel les états excités ont de faibles durées de vie, elle permet de stocker l'énergie sous forme de rayonnement.The two cavities must be decoupled: for this, the Raman medium is surrounded by two separators, constituted by two oblique mirrors 14 and 15 (at 45 "from the optical path in Figure 1). These mirrors totally reflect the laser frequency under the chosen incidence while they transmit light at the Stokes frequency with very low reflection. The laser cavity contains a trigger 16, at least when the laser is such that the excited states of the laser medium have a long lifespan. laser thus formed has very low losses at the laser frequency; it can be used in two ways
- in the case of a laser medium with low gain, it allows the laser radiation to effe-ctuer the number of round trips necessary to saturate the gain of the laser medium1 that is to say to extract the greatest part of the energy stored in in excited states;
- in the case of a laser medium for which the excited states have short lifetimes, it allows energy to be stored in the form of radiation.
Au contraire, la cavité à la fréquence Stokes formée par les miroirs est faiblement surtendue
Le fonctionnemen-t du disposit-if- ainsi constitué est le suivant. L'énergie stockée dans la cavité laser, importante puisque la cavet est à faible pertes induit dans le milieu Raman un gain qui est ajusté à une valeur telle que -le gain dans la cavitE Stokes atteigne une valeur suffisante pour convertir avec un bon rendement l'énergie à la fréque,nce laser en -énergie a la fréquence Stokes.Cet ajustement peut, s'effectuer pa-r réglage de la pre-ssion du milieu Raman (mélange gazeux d'hydrogène et d'argon par exemple) o.u de la longueur du milieu Raman. tors-du déclenchement du laser 11, la-cavité laser est vidée de son énergie en un temps égal ou inférieur au temps que me la lumière pour effectuer un aller et retour entre les miroirs 10a et 10b. La cavité
Stokes étant peu surtendue, la, durée de vie des photons y est courte,et la durée de l'impulsion créée à la fréquence
Stokes sera en conséquence égale à la duré-e d'extraction de l'énergie de la cavité laser.On the contrary, the cavity at the Stokes frequency formed by the mirrors is slightly overvoltage
The functioning of the disposit-if- thus constituted is as follows. The energy stored in the laser cavity, important since the cavet has low losses, induces in the Raman medium a gain which is adjusted to a value such that the gain in the Stokes cavity reaches a value sufficient to convert with good efficiency l energy at the frequency, nce laser in -energy at the Stokes frequency. This adjustment can be made by adjusting the pre-ssion of the Raman medium (gas mixture of hydrogen and argon for example) or the length of the Raman medium. when the laser 11 is triggered, the laser cavity is emptied of its energy in a time equal to or less than the time the light takes me to go back and forth between the mirrors 10a and 10b. The cavity
Stokes being little overvoltage, the lifetime of the photons is short, and the duration of the pulse created at the frequency
Stokes will therefore be equal to the duration of energy extraction from the laser cavity.
En d'autres termes, on voit qu'on a induit, dans le milieu-- Raman 12, placé dans la cavité laser, un gain-,donnant naissance à un faisceau Stokes capable de vider la cavité du -laser de son énergie en convertissant, en quelques nanosecondes et avec un re-ndement élevé, l'énergie électromagnétique à la fréquence laser en énergie électromagnétique à la fréquence Stokes. In other words, we see that we have induced, in the medium - Raman 12, placed in the laser cavity, a gain -, giving rise to a Stokes beam capable of emptying the cavity of the -laser of its energy in converting, in a few nanoseconds and with high output, the electromagnetic energy at the laser frequency into electromagnetic energy at the Stokes frequency.
A titre d'exemple, on peut indiquer qu'à partir d'un laser à rubis qui, en fonctionnement normal déclenché, fournit une impulsion de 30 à 40 ns, selon les conditions expérimentales, on a obtenu, à la sortie du miroir 13b, des impulsions Stokes de 3 à 6ns avec des rendements quantiques de conversion laser Stokes de 70% à 87X.. Le schéma d'un amplificateur est directement dérivé de la Figure 1 en supp-rimant les miroirs 13a et 13b ; l'énergie est alors extraite, à la fréquence Stokes, en un seul passage. As an example, we can indicate that from a ruby laser which, in normal triggered operation, provides a pulse of 30 to 40 ns, depending on the experimental conditions, we obtained, at the exit of the mirror 13b , Stokes pulses from 3 to 6ns with quantum efficiency of Stokes laser conversion of 70% at 87X. The diagram of an amplifier is directly derived from Figure 1 by removing the mirrors 13a and 13b; the energy is then extracted, at the Stokes frequency, in a single pass.
La Figure 2 montre une variante de réalisation utilisant deux cavités Stokes imbriquées de façon à effectuer deux transferts d'énergie en cascade, Sur cette figure, où les éléments correspondant à ceux de la Figure 1 portent le même numéro de référence
- la cavité laser est délimitée par les miroirs 10a et 1Qb, ayant un coefficient de réflexion à la fréquence laser proche de 100%, travaillant en incidence normale ;
- la première cavité Stokes est délimitée par les miroirs 13a et 13b
- la seconde cavité Stokes contenant un milieu Raman 17 placé dans une zone commune avec la première cavité, est délimitée par des miroirs 18a et 18b, le second (qui constitue la fenêtre de sortie) ayant un coefficient de réflexion de quelques pour cent et de très faibles absorptions à la seconde fréquence Stokes.Figure 2 shows an alternative embodiment using two nested Stokes cavities so as to carry out two energy transfers in cascade, In this figure, where the elements corresponding to those of Figure 1 have the same reference number
the laser cavity is delimited by the mirrors 10a and 1Qb, having a reflection coefficient at the laser frequency close to 100%, working at normal incidence;
- the first Stokes cavity is delimited by mirrors 13a and 13b
- the second Stokes cavity containing a Raman medium 17 placed in a common area with the first cavity, is delimited by mirrors 18a and 18b, the second (which constitutes the exit window) having a reflection coefficient of a few percent and of very low absorptions at the second Stokes frequency.
Le dispositif de la Figure 2 doit évidemment comporter lui aussi des séparateurs permettant de dimensionner les cavités laser et Stokes indépendamment les unes des autres. The device of FIG. 2 must obviously also include separators making it possible to size the laser and Stokes cavities independently of each other.
Dans le mode de réalisation montré en Figure 2, ces séparateurs comprennent un premier miroir 19 présentant un coefficient de réflexion proche de 100% à la fréquence laser et un coefficient de transmission dépassant 95% à la fréquence Stokes de la première cavité. Le miroir 20, destiné à découpler les deux fréquences Stokes, a un coefficient de réflexion proche de 100% à la première fréquence Stokes et un coefficient de transmission supérieur à 95% à la seconde fréquence Stokes. Les miroirs 19 et 20 peuvent par exemple être constitués par des miroirs à traitement mu-lti diélectrique.Le troisième élément séparateur 21 reçoit la lumière aux trois fréquences qui interviennent dans le dispositif : dans le cas illustré, il doit savoir un coefficient de réflexion proche de 100% pour la fréquence Stokes dans la première cavité, et un coefficient de transmission dépassant 95% pour la fréquence laser et la fréquence Stokes de la second? cavité.In the embodiment shown in Figure 2, these separators include a first mirror 19 having a reflection coefficient close to 100% at the laser frequency and a transmission coefficient exceeding 95% at the Stokes frequency of the first cavity. The mirror 20, intended to decouple the two Stokes frequencies, has a reflection coefficient close to 100% at the first Stokes frequency and a transmission coefficient greater than 95% at the second Stokes frequency. The mirrors 19 and 20 can for example be constituted by mirrors with dielectric mu-lti treatment. The third separating element 21 receives light at the three frequencies which intervene in the device: in the illustrated case, it must know a coefficient of reflection close 100% for the Stokes frequency in the first cavity, and a transmission coefficient exceeding 95% for the laser frequency and the Stokes frequency of the second? cavity.
Le mode de réalisation montré en figure 3 se différencie du précédent essentiellement en ce que la seconde cavité Stokes est munie d'une optique concentrique destinée à y augmenter le gain Raman. On retrouve sur cette figure le milieu laser 11, le premier milieu Raman 12 et le second milieu Raman 17. La cavité laser est délimitée par le miroir 10a et la face plane lOb, traitée pour présenter une réflexion proche de 100wu à la fréquence laser et une transmission dépassant 95% à la première fréquence Stokes, d'une lentille à plan convexe 22. La première cavité Raman est délimitée par un miroir plan 13a et un miroir concave, désigné par les deux références 13b et 18a car il délimite aussi la seconde cavité Raman. Ce miroir concave est traité de façon à avoir un coefficient de réflexion proche de 100% aux deux fréquences Stokes.Le milieu laser n'en est pas moins traversé par des faisceaux parallèles, la convergence provoquée par le miroir 13b étant compensée par la lentille plan convexe 22, dont la face convexe est traitée pour éviter les reflets à la première fréquence
Stokes.The embodiment shown in FIG. 3 differs from the previous one essentially in that the second Stokes cavity is provided with a concentric optic intended to increase the Raman gain therein. This figure shows the laser medium 11, the first Raman medium 12 and the second Raman medium 17. The laser cavity is delimited by the mirror 10a and the flat face lOb, treated to present a reflection close to 100wu at the laser frequency and a transmission exceeding 95% at the first Stokes frequency, of a lens with a convex plane 22. The first Raman cavity is delimited by a plane mirror 13a and a concave mirror, designated by the two references 13b and 18a because it also delimits the second Raman cavity. This concave mirror is treated so as to have a reflection coefficient close to 100% at the two Stokes frequencies. The laser medium is nonetheless crossed by parallel beams, the convergence caused by the mirror 13b being compensated for by the flat lens. convex 22, the convex side of which is treated to avoid reflections at the first frequency
Stokes.
Enfin, la seconde cavité Stokes est délimitée par le miroir 13b, 18a et la face avant 18b d'un ménisque convergent 23. La face interne concave 18b est traitée de façon à présenter une réflectivité faible, typiquement d'environ-4S, à la seconde fréquence Stokes. La face externe convexe du ménisque est traitée contre les reflets à la seconde fréquence Stokes. Le rayon de courbure du miroir 18a et de la face concave 18b est choisi en fonction de leur écartement pour constituer une cavité concentrique. Finally, the second Stokes cavity is delimited by the mirror 13b, 18a and the front face 18b of a converging meniscus 23. The concave internal face 18b is treated so as to have a low reflectivity, typically around -4S, at the second Stokes frequency. The convex external face of the meniscus is treated against reflections at the second Stokes frequency. The radius of curvature of the mirror 18a and of the concave face 18b is chosen according to their spacing to form a concentric cavity.
Le découplage entre les deux cavités Stokes est assuré par un séparateur 24 constitué par un miroir ayant un coefficient de réflexion proche de 100% a la seconde fréquence Stokes et un coefficient de transmission dépassant 95% à la pre mière -fréquence Stokes.The decoupling between the two Stokes cavities is ensured by a separator 24 constituted by a mirror having a reflection coefficient close to 100% at the second Stokes frequency and a transmission coefficient exceeding 95% at the first Stokes frequency.
Tout milieu possédant une section efficace Raman suffisante peut être utilise dans ces dispositifs. Les gaz semblent être les plus avantageux eu égard aux problèmes de diffu-sion Brillouin stimulée. Dans le cas des- cavités
Stokes imbriquées, les milieux Raman peuvent être de nature differente. Any medium having a sufficient Raman cross section can be used in these devices. The gases seem to be the most advantageous with regard to the problems of stimulated Brillouin diffusion. In the case of cavities
Nested stokes, Raman media can be different in nature.
L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes encore. En particulier, on peut imbriquer un nombre de cavites supérieur à trois pour obtenir des faisceaux Stokes successifs à des fréquences différentes, et ainsi réaliser un décalage de fréquence permettant notam- ment de constituer une source infrarouge. L'imbrication des cavités peut être- diffé-rente- de celle mentionnée cidessus. The invention is susceptible of many other variations as well. In particular, it is possible to nest a number of cavities greater than three in order to obtain successive Stokes beams at different frequencies, and thus to achieve a frequency offset making it possible in particular to constitute an infrared source. The nesting of the cavities can be different from that mentioned above.
Claims (8)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8303598A FR2542104B1 (en) | 1983-03-04 | 1983-03-04 | METHOD AND DEVICE FOR CREATING BRIEF LIGHT PULSES |
| FR8315913A FR2553204B2 (en) | 1983-03-04 | 1983-10-06 | METHOD AND DEVICE FOR CREATING BRIEF LIGHT PULSES |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8303598A FR2542104B1 (en) | 1983-03-04 | 1983-03-04 | METHOD AND DEVICE FOR CREATING BRIEF LIGHT PULSES |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2542104A1 true FR2542104A1 (en) | 1984-09-07 |
| FR2542104B1 FR2542104B1 (en) | 1986-04-18 |
Family
ID=9286508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8303598A Expired FR2542104B1 (en) | 1983-03-04 | 1983-03-04 | METHOD AND DEVICE FOR CREATING BRIEF LIGHT PULSES |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2542104B1 (en) |
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- 1983-03-04 FR FR8303598A patent/FR2542104B1/en not_active Expired
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Also Published As
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| FR2542104B1 (en) | 1986-04-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |