FR2693847A1 - Module d'interface pour entrée d'énergie transversale dans des modules de laser à colorant. - Google Patents

Abstract

Module d'interface (10) pour entrée d'énergie transversale dans des modules de laser à colorant créé particulièrement dans le but de délivrer des faisceaux d'énergie transversale (36) sous forme d'une barre d'éclairement (54) à la zone d'activité laser (18) d'un dispositif laser à colorant, en particulier à un amplificateur laser à colorant (12). Le module d'interface préféré (10) comprend un agencement de fibres optiques (30) ayant plusieurs fibres optiques (38) agencées de façon à être dans un même plan, leurs extrémités distales (44) recevant une énergie laser cohérente depuis une source de laser de renforcement (46), et leurs extrémités proximales (42) étant sorties dans une structure de relais (32). L'agencement de faisceaux d'énergie transversale (36) sorti de l'agencement de fibres optiques (30) est rendu conforme par un agencement d'éléments optiques (34) pour produire une barre d'éclairement (54) qui a une section transversale en forme de rectangle allongé sur l'emplacement de la fenêtre d'activité laser 18.

Description

MODULE D'INTERFACE POUR ENTREE D'ENERGIE TRANSVERSALE
DANS DES MODULES DE LASER A COLORANT
La présente invention se situe dans le cadre du contrat numéro W-7405-ENG-48 entre le Département de l'Energie des Etats-Unis et l'Université de Californie pour l'exploitation du Laboratoire National
Lawrence/Livermore.

La présente invention se rapporte d'une manière générale au domaine des lasers, et plus particulièrement à un système pour renforcement de la sortie d'un laser à colorant ou d'un amplificateur laser à colorant en apportant une énergie électromagnétique transversale dans le but d'exciter les molécules d'un courant de colorant s'écoulant à l'intérieur d'une cellule à colorant. L'utilisation courante prédominante de la présente invention se trouve dans des modules d'amplification qui peuvent être utilisés en série pour augmenter la puissance d'une sortie de laser à colorant.

On connaît, sous la dénomination de laser à colorant, une classe de dispositifs à laser qui est particulièrement utile et qui a toute une variété d'applications. Le laser à colorant utilise un courant de matière colorée se déplaçant rapidement (habituellement, des colorants de la classe de la Rhodamine GC, dissoute dans de l'alcool, bien que la nature précise du colorant ne soit pas importante pour la présente invention). Ceux-ci peuvent être, soit des lasers a excitation d'origine, soit des éléments de laser à amplification utilisés en série avec un laser à colorant et d'autres amplificateurs. Dans un amplificateur, une composante de faisceau laser, désigné ici comme faisceau axial est délivré à une chambre à fenêtre à l'intérieur de laquelle le co
lorant s'écoule.Le faisceau axial (qui est aussi désigné dans ce domaine comme le faisceau "semence") éclaire une partie du courant de colorant, la partie éclairée ayant la même forme que celle du faisceau axial, qui est défini par les formes des fenêtres et la mise en oeuvre des optiques. Dans la plupart des modes de réalisation, la zone "d'activité laser" est définie par le chevauchement du courant de colorant et du faisceau axial, cette zone étant globalement de forme rectangulaire allongée.

Un phénomène qui a été observé avec des lasers à colorant est que la performance de séries de lasers à colorant peut etre améliorée en utilisant des amplificateurs pour délivrer une énergie électromagnétique supplémentaire au colorant à l'intérieur de la zone d'activité laser de façon transversale par rapport au faisceau axial.

L'excitation issue du faisceau transversal provoque l'excitation des molécules individuelles et, lors de la désexcitation de l'état excité vers l'état non excité, l'émission d'une énergie électromagnétique supplémentaire de la même fréquence et de la même direction que le faisceau axial. L'activité réelle laser des particules de colorant est provoquée par l'entrée d'énergie transversale. Ceci aboutit à une sortie d'énergie renforcée à partir de là, qui peut être obtenue à partir de l'utilisation d'un laser non aidé, tel que celui utilisé pour produire le faisceau axial d'origine. Sans la présence du faisceau axial, l'énergie émise à partir des molécules de colorant par les faisceaux de renforcement serait dirigée de façon aléatoire. Cependant, le faisceau axial (lumière de semence) provoque l'alignement de cette énergie émise.

L'un des inventeurs, Steve A. Johnson, a été précédemment cité comme co-inventeur du brevet U.S. NO 4 627 068, pour un procédé de renforcement de la sortie pour des oscillateurs de laser à colorant. Le brevet
Johnson décrit en détail certaines mises en oeuvre du laser à colorant et des optiques associées, et est incorporé ici comme référence dans le but de mettre quelque peu en valeur l'arriere-plan de la présente invention, et pour la partie de sa description qui se rapporte à la présente description.

Une particularité, qui est un facteur de limitation du degré de renforcement qui peut être effectivement délivré au courant de colorant, est que la zone qui est à éclairer par le faisceau de renforcement transversal, pour le meilleur effet, doit être la même que la zone de colorant éclairée par le faisceau axial (la "zone d'activité laser"). Pour une efficacité maximale, il est souhaitable que toute l'entrée d'énergie issue du faisceau de renforcement soit essentiellement délivrée à cette zone d'activité laser de telle manière qu'une excitation maximale des molécules de colorant et de l'activité laser consécutive soit obtenue.Etant donné que la section transversale effective de la zone d'activité laser est un rectangle allongé, il est souhaitable de délivrer une répartition d'énergie relativement uniforme a partir du module délivrant l'énergie transversale à la zone d'activité laser dans le but d'obtenir une efficacité maximale. Cet objectif était un but du brevet Johnson antérieur qui est aussi visé par la présente invention.

Différentes limitations se trouvent dans la structure enseignée dans la description Johnson résultant du fait qu'une fibre optique unique est utilisée pour délivrer une énergie transversale à une chambre d'amplificateur qui utilise des éléments optiques pour focaliser l'énergie dans la fenêtre souhaitée. Quoique l'utilisation d'une fibre unique aboutisse à des agencements optiques rectilignes, la quantité d'énergie délivrée à la zone d'activité laser est limitée par la capacité de la fibre et aussi par la limitation sur le laser de renforcement qui délivre l'énergie à la fibre. De plus, réaliser la sortie d'une fibre unique dans une fenêtre rectangulaire allongée, peut aboutir à une non uniformité importante d'apport d'énergie à l'intérieur de cette fenêtre.

Par conséquent, étant donné qu'il est souhaitable d'obtenir un apport d'énergie plus grand sur la zone d'activité laser et aussi d'obtenir une répartition d'énergie plus uniforme à l'intérieur de la fenêtre d'activité laser, il est souhaitable de développer des techniques d'apport d'énergie transversale renforcée pour maximiser la sortie du système de laser à colorant.

En conséquence, c'est un but de la présente invention que de délivrer une plus grande quantité d'énergie électromagnétique transversale à une zone d'activité laser d'un laser à colorant, que cela n'est possible en utilisant des techniques antérieures.

C'est un autre but de la présente invention que de délivrer de l'énergie transversale à la zone d'activité laser d'une composante de laser à colorant sous forme d'un segment d'énergie de lumière focalisée (tridimensionnelle) sous forme d'une barre d'éclairement ayant une uniformité d'intensité importante et qui est positionnée et focalisée pour chevaucher le courant de colorant à l'intérieur de la zone d'activité laser rectangulaire allongée.

C'est un but supplémentaire de la présente invention que d'utiliser des entrées d'énergie optique à fibres multiples sorties conjointement dans un relais d'interface.

C'est encore un autre but de la présente invention que de former optiquement l'entrée de lasers de renforcement multiples en une barre d'éclairement ayant sa concentration maximale en coïncidence avec la zone d'activité laser.

C'est encore un but supplémentaire de la présente invention que de capter pratiquement la totalité de la sortie d'un ensemble de lasers de renforcement et de délivrer une telle sortie à la fenêtre d'activité laser du laser à colorant.

Brièvement, le mode de réalisation préféré de la présente invention est un module d'interface pour entrée d'énergie transversale dans un module de laser à colorant. Le premier mode de réalisation préféré est connu comme une fibre vers un module de relais d'amplificateur (FTAR) pour utilisation au renforcement de la sortie d'énergie d'un amplificateur laser à colorant. L'amplificateur laser à colorant est utilisé pour prendre la sortie du faisceau axial d'un laser précédent et pour amplifier l'énergie dans un faisceau de sortie axial amplifié. L'énergie transversale délivrée à la zone d'activité laser de l'amplificateur par le module d'interface de la présente invention aboutit à une plus grande énergie existant dans le faisceau de sortie.

Le mode de réalisation préféré du module d'interface utilise plusieurs fibres optiques agencées dans un même plan (dans le plan x-y) avec le faisceau axial qui est amplifié par l'amplificateur laser à colorant. Les extrémités proximales des fibres optiques sont maintenues dans une structure de plaques de montage pour pénétrer dans une structure de relais avec les extrémités proximales des fibres dirigées de sorte que leurs axes sont dirigés vers un point commun. Un agencement d'éléments optiques est situé à l'intérieur de la structure de relais pour réaliser les sorties de jonction de toutes les fibres optiques à l'intérieur d'un faisceau de combinaison focalisé et positionné. Un segment tridimensionnel particulier de ce faisceau de combinaison est désigné ici comme barre d'éclairement.

Le segment de barre d'éclairement est relativement uniforme en intensité et forme un volume solide rectangulaire, et, lorsqu'il est correctement focalisé et positionné, a son intensité maximale en coïncidence avec la zone d'activité laser. Le montage et les structures de relais du mode de réalisation préféré sont conçus pour être mis en oeuvre avec un agencement de fibres comprenant jusqu'à dix-huit (18) fibres optiques individuelles dans un même plan, quoique ce nombre est limité seulement par les structures existantes et non par la théorie. De plus, deux modules d'interface peuvent être utilisés avec un amplificateur laser à colorant unique pour délivrer une énergie de rayonnement transversal à la zone d'activité laser simultanément à partir de deux côtés pour un renforcement maximal.

Un avantage de la présente invention est qu'elle concentre de façon efficace la sortie d'un ensemble de lasers de création de faisceaux renforcés à l'intérieur d'une barre d'éclairement unique qui maximise l'amplification fournie par l'amplificateur laser à colorant.

C'est un autre avantage de la présente invention que la barre d'éclairement équipée des éléments optiques est relativement uniforme en forme et en intensité d'éclairement à l'intérieur de la forme de section transversale.

C'est un avantage supplémentaire de la présente invention que l'énergie entrante issue de l'agencement de fibres optiques est dirigée à l'intérieur d'un plan commun vers un point commun de façon à réduire la complexité nécessaire de l'agencement d'éléments optiques.

C'est encore un autre avantage de la présente invention qu'elle aboutit à une sortie de faisceau axial issu de l'amplificateur laser à colorant qui a une énergie de sortie effective maximale pour le niveau d'énergie d'entrée.

Ce but et d'autres buts et avantages de la présente invention vont devenir apparents aux hommes de l'art à la vue de la description des meilleurs mode actuellement connus pour réaliser l'invention, et de l'applicabilité industrielle du mode de réalisation préféré comme décrit ici et comme représenté dans les différentes figures des dessins.

La figure 1 est une vue de dessus en plan partiellement coupée d'un mode de réalisation préféré de la présente invention, représentant deux des modules d'interface de la présente invention montés sur un amplificateur laser à colorant unique
la figure 2 est une vue en coupe transversale selon les axes Y-Z d'un autre mode de réalisation de la présente invention, qui est une version simplifiée du mode de réalisation représenté à la figure 1
la figure 3 est une vue imaginaire en coupe transversale selon le plan X-Y de la structure de relais de la figure 2
la figure 4 est une vue en coupe transversale selon le plan 1-Z du mode de réalisation préféré d'une structure de relais unique, comme représenté à la figure 1 ; et
la figure 5 est une vue en coupe transversale selon le plan X-Y de la structure de relais préférée représentée à la figure 4.

Le meilleur mode actuellement connu pour réaliser l'invention est un module d'interface pour une entrée d'énergie transversale sur des modules de laser à colorants. Un mode de réalisation préféré de l'invention est un module d'interface de dispositif de relais d'amplificateur à fibres (FTAR) représenté en vue de dessus en coupe partielle à la figure 1, qui est désigné par le repère général 10. A la figure 1, deux modules d'interface pratiquement identiques 10 sont représentés montés sur un amplificateur laser à colorant unique 12. La représentation de la figure 1 représente les axes X et Y de la structure comme étant dans le plan du papier tandis que l'axe des Z est perpendiculaire aux axes X et Y. L'orientation de la figure 1 est contraire à l'intuition en ce que l'axe X apparaît dans la direction verticale à la représentation tandis que l'axe Y est horizontal.Cet orientation tournée est utilisée pour représenter la structure de l'invention et aussi pour correspondre au terme "transversal" communément utilisé pour désigner l'énergie délivrée à l'amplificateur laser à colorant 12 depuis le module d'interface 10.

Bien qu'il soit d'une structure classique qui ne constitue pas directement une partie de l'invention, l'amplificateur laser à colorant 12 représente la composante courant avec lequel le module d'interface 10 de la présente invention est conçu pour être utilisé.

L'amplificateur laser à colorant 12, représenté à la figure 1, utilise un courant coloré 14, qui est amené à s'écouler sous haute pression le long d'un chemin correspondant à l'axe Z à travers une chambre d'écoulement 16 à l'intérieur de l'amplificateur 12.

Une zone d'activité laser 18 est située à l'intérieur de la chambre d'écoulement 16 et est limitée sur chaque extrémité, le long de l'axe X, par une fenêtre d'extrémité 20 et sur chaque côté, dans la direction Y, par une fenêtre transversale 22. L'intégrité des structures de l'amplificateur laser à colorant 12 et le positionnement des fenêtres d'extrémité 20 et des fenêtres transversales 22 sont maintenus par un boîtier d'amplificateur 24 (qui est beaucoup plus massif et complexe à utiliser que celui représenté à la figure 1).

La mise en oeuvre de l'amplificateur laser à colorant 12 s'effectue dans le but d'une mise en oeuvre sur un faisceau axial initial 26 pour créer un faisceau axial amplifié 28. Le faisceau axial initial 26, délivré le long de l'axe X est un faisceau laser cohérent. Le faisceau axial initial 26 est, de façon courante, la sortie d'un laser à colorant agencé en série d'une combinaison laser à colorant-amplificateur laser à colorant. Par liaison d'interface, entre le faisceau axial initial 26 avec le courant coloré 14 à l'intérieur de la zone d'activité laser 18, la sortie représentée par le faisceau axial amplifié 28 est modifiée de sorte que le faisceau axial amplifié 28 a une énergie plus élevée que le faisceau axial initial 26.Une variété de facteurs affecte le gain du faisceau axial initial 26 au faisceau amplifié 28, mais un des facteurs importants est la puissance de l'énergie transversale délivrée au courant coloré 14 à l'intérieur de la zone d'activité laser 18 par le module d'interface 10 de la présente invention. Bien que la relation entre la puissance de l'énergie transversale et le gain n'est pas strictement linéaire, une relation clairement dépendante existe.

Les deux modules d'interface 10 représentés à la figure 1 sont sensiblement identiques en structure et sont globalement symétriques de façon latérale autour de l'axe Y, comme représenté. Chaque module d'interface 10 comprend un agencement de fibres 30, une structure de relais 32, et un agencement d'éléments optiques 34 (représentés aux figures 2 à 5), l'ensemble ayant pour but de créer et de réaliser un agencement de faisceaux d'énergie transversale 36 (également représenté aux figures 2 à 5). Le but du module d'interface 10 est de délivrer l'agencement de faisceaux d'énergie transversale 36 sous une forme concentrée à la zone d'activité laser 18 de sorte que l'excitation des molécules à l'intérieur du courant coloré 14 est maximisée et que le gain observé dans le faisceau axial amplifié 28, comparé au faisceau axial initial 26, est optimisé.

Le sous-assemblage du module d'interface 10 qui est mieux représenté à la figure 1 est l'agencement de fibres 30. Dans cette représentation, on peut voir que la rangée de fibres 30 est faite d'un ensemble de fibres optiques individuelles 38 qui sont maintenues dans un agencement convergent entre une paire de plaques de montage 40. Dans la représentation de la figure 1, seulement la plaque de montage du bas 40 est représentée, avec la plaque de montage du sommet retirée dans le but de montrer le tracé convergent des fibres optiques 38.

Chacune des fibres optiques 30 comprend une extrémité proximale 42 qui pénètre dans la structure de relais 32 et délivre de l'énergie à l'intérieur de celle-ci, et une extrémité distale 44. Les extrémités distales 44 des fibres optiques 38 ne sont pas représentées réellement sur le dessin mais s'étendent bien au-delà des limites de la figure 1. Chaque extrémité distale 44 est associée avec une source d'énergie laser renforcée 46 (non représentée). Les sources de laser renforcées 46 sont, de façon courante, des dispositifs laser tels que des lasers à vapeur de cuivre qui délivrent leur sortie dans les extrémités distales 44 d'une fibre optique associée 38 pour être délivrée au module d'interface 10. Ceci est réalisé d'une manière telle que représentée dans le brevet
Johnson, brevet U.S. NO 4 627 068.

Comme représenté à la figure 1, les plaques de montage 40 sont de forme trapézoïdale et sont utilisées pour monter les fibres optiques 38 dans un agencement convergent de sorte que les extrémités proximales 42 des fibres optiques 38 sont sorties à la structure de relais 42 en un agencement dans un même plan que les extrémités proximales 42, en paquet serré et avec leurs sorties dirigées en un tracé convergent vers un point commun. Cette sorte de montage peut être mieux réalisée en pratiquant préalablement des rainures à l'intérieur des plaques de montage 40 pour empêcher les fibres 38 de perdre l'alignement.

Dans la représentation de la figure 1, l'agencement de fibres optiques 30 est représenté comme comprenant dix-huit (18) fibres optiques convergentes 38. Il a été déterminé de façon empirique que ceci est un maximum, dans la pratique, pour le nombre de fibres optiques qui peuvent être utilisées, étant donné les matières et les techniques disponibles actuellement. Il n'y a pas de limite théorique même pour un agencement dans un même plan de ce type, mais les limites physiques du présent appareil aboutissent à la rangee préférée 30 représentée. Dans le but d'utiliser l'agencement d'éléments optiques 34 pour un meilleur effet, il est souhaitable que les fibres optiques les plus extérieures 38 soient agencées de manière à former un angle, l'une par rapport à l'autre, qui ne soit pas supérieur à vingt degrés (200).Etant donné cette limitation, et les limitations physiques exigées par le diamètre des fibres optiques 38, l'agencement de dixhuit fibres représenté à la figure 1 représente l'agencement maximal dans un même plan 30 disponible pour les inventeurs, à l'heure actuelle. Cependant, il est compris que des techniques et des matières améliorées peuvent aboutir à faire des agencements de fibres plus concentrés 30. De plus, un amplificateur laser à colorant plus grand que celui représenté au repère 12 pourrait recevoir une structure de relais plus grande et un plus grand nombre de fibres 38.

Evidemment, des agencements de fibres optiques 30 ayant un plus petit nombre de fibres peuvent aussi être utilisés pour ces situations où la concentration maximale d'énergie transversale n'est pas nécessaire ou si le coût intervient.

Un tel agencement de fibres optiques plus simple 30 est représenté aux figures 2 et 3. Les dessins des figures 2 et 3 sont présentés dans le but de montrer la structure de relais 32 et l'agencement d'éléments optiques 34. L'effet de ces composantes sur le faisceau d'énergie transversale 36 dans le plan vertical y-z est particulièrement représenté.

Dans la représentation de la figure 2, particulièrement, on peut voir que l'amplificateur laser à colorant 12 est agencé de sorte que le chemin d'écoulement du courant coloré 14 est le long de l'axe
Z avec la zone d'activité laser 18 située sur les axes
X et Y, comme défini pour les besoins de cette application. Il peut être noté, à partir de cette représentation, que les fenêtres transversales 22 de l'amplificateur laser à colorant 12 sont de nature très épaisse pour résister à la haute pression impliquée, et sont également amincies dans la direction du débit entrant du courant de colorant 14. L'amincissement, ou biseau des fenêtres transversales 22, aboutit à un chemin d'écoulement lisse du courant de colorant 14 à travers la chambre d'écoulement 16.

Par rapport à la rangée de fibres 30 représentée à la figure 2, on peut voir qu'une fibre optique 38 est représentée comme pénétrant à l'intérieur de la structure de relais 32. Etant donné que les fibres individuelles 38 dans l'agencement de fibres 30 sont agencées pour être dans un même plan, dans le plan x-y, la représentation de la figure 2 s'applique de façon équivalente à chaque fibre 38. Aucune fibre particulière n'a été choisie pour cette vue. La structure de relais 32 comprend un boîtier de relais 48 qui renferme l'agencement d'éléments optiques 34. Le boîtier de relais 48 comprend un orifice de fibres 50 associé avec chacune des fibres optiques 38 qui sont sorties dans la structure de relais 32. Les plaques de montage 40 et les orifices de fibres 50 maintiennent les extrémités de fibres proximales 42 en position et en orientation. Le boîtier de relais 48 sert à empêcher la fuite d'énergie de laser à haute puissance vers l'espace ambiant. De plus, le boîtier de relais 48 doit être capable de fournir un support de positionnement pour chacun des éléments de l'agencement d'éléments optiques 34, mais sa structure précise n'est pas, d'autre part, critique pour la mise en oeuvre de l'invention. Par conséquent, il est représenté seulement à la figure 2 et non dans le reste des figures.

Dans cette représentation, on peut voir que le but du relais 32 est de former et de diriger l'agencement de faisceaux d'énergie transversale 36 pour un résultat maximal. La sortie, pour chacune des fibres optiques 38, peut être représentée comme un ensemble de rayons électromagnétiques formant exemple 52. Quelques rayons électromagnétiques formant exemple 52 choisis sont représentés à la figure 2 pour montrer la manière par laquelle les rayons formant exemple individuels 52 sont modifiés par l'agencement d'éléments optiques 34. Pour les besoins de la représentation, seuls les rayons formant exemple importants et les plus extérieurs 52 et les rayons centraux sont représentés pour chaque fibre 38 représentée sur le dessin.Dans cette représentation, on peut voir que chacun de ces rayons formant exemple 52 est formé par l r agencement d'éléments optiques 34, à l'intérieur du plan Y-Z pour former une barre d'éclairement concentrée et focalisée 54, qui est un segment en trois dimensions du faisceau d'énergie ayant un éclairement relativement uniforme dans une zone formée d'un solide rectangulaire. Lorsqu'elle est positionnée et focalisée correctement, la barre d'éclairement 54 a sa concentration maximale qui coïncide avec l'emplacement de la zone d'activité laser 18. La barre d'éclairement 54 a une largeur (dans la direction z) qui est équivalente à la largeur de la zone d'activité laser 18, l'intensité relative du faisceau d'énergie transversale 36 étant approximativement égale tout le long.

L'agencement d'éléments optiques 34 représentés à la figure 2 comprend une variété d'éléments optiques spécifiques utilisés dans le but de former la barre d'éclairement 54. Les composantes et les écartements des divers éléments optiques sont déterminés par des techniques optiques classiques, et les hommes de l'art sont facilement capables de modifier la configuration particulière représentée dans le but de faire face à des circonstances spéciales.

La sortie de chaque fibre optique 38, bien que relativement cohérente, est soumise à une certaine dispersion. Les rayons formant exemple 52, représentés à la figure 2, représentent les limites effectives de la dispersion et celles-ci sont ainsi utilisées pour représenter la mise en oeuvre des différents éléments optiques.

L'agencement optique particulier 34 représenté à la figure 2 comprend une première lentille cylindrique plan-convexe 56, une seconde lentille cylindrique planconvexe 58, une troisième lentille cylindrique planconvexe 60, une quatrième lentille cylindrique planconvexe 62 et un dispositif d'arrêt 64. Les première, seconde et quatrième lentilles cylindriques planconvexes 58, 60 et 62 sont de structure sensiblement identique dans le mode de réalisation préféré représenté à la figure 2, et sont choisies pour avoir une focale effective (EFL) de 50 millimètre. La troisième lentille cylindrique plan-convexe 60 est une version plus épaisse et est choisie pour avoir une focale EFL de 40 millimètres. Les fenêtres transversales 22 de l'amplificateur laser à colorant 12 sont supposées être optiquement transparentes et ne constituent pas une partie de la rangée d'éléments optiques.Cependant, l'épaisseur de la fenêtre transversale 22 le long de l'axe Y doit être prise en compte dans la détermination des caractéristiques de réfraction des différents éléments optiques, étant donné que la proximité physique de l'agencement optique 34 à la zone d'activité laser 18 est limitée par ce moyen.

Dans l'agencement optique 34 à la figure 2, les première et seconde lentilles cylindriques planconvexes 56 et 58 sont agencées avec leurs côtés plans dirigés vers les extrémités proximales 42 de la fibre optique 38. Les troisième et quatrième lentilles cylindriques plan-convexes 60 et 62 sont agencées avec leurs faces convexes dirigées vers la fibre optique 38.

Le dispositif d'arrêt rectangulaire 64 est placé entre la seconde lentille cylindrique plan-convexe 58 et la troisième lentille cylindrique plan-convexe 60 et ne sert pas dans un but de formation d'un faisceau spécifique sauf pour contrôler une aberration sphérique. N'importe qu'elle aberration sphérique excessive dans l'agencement de faisceau d'énergie transversale 36 pourrait endommager les composantes à l'intérieur du système. En particulier, dans le mode de réalisation préféré, des dispositifs d'étanchéité souples utilisés dans les récipients de confinement de pression sont soumis à dégradation s'ils sont frappés par l'énergie de laser directe. Pour cette raison, le dispositif d'arrêt rectangulaire 64 est utilisé pour empêcher l'énergie de fuite de frapper ces éléments.

La représentation de la figure 3, représentant les mêmes agencements que ceux représentés à la figure 2, représente le raisonnement pour le choix des éléments de lentilles cylindriques 56, 58, 60 et 62.

C'est-à-dire, quoique les éléments de lentilles cylindriques soient mis en oeuvre pour former l'agencement de faisceau d'énergie transversale 36 dans la dimension verticale (Z), comme représenté à la figure 2, ils sont complètement plans par rapport à la dimension X (comme représenté à la figure 3) de sorte qu'aucune forme horizontale n'est produite.

L'agencement de faisceau d'énergie transversale 36 peut être dispersé dans le plan x-y de manière à obtenir une barre d'éclairement 54 qui a une largeur horizontale (axe X) équivalente à la longueur (axe X) de la zone d'activité laser 18. Les dimensions de la zone d'activité laser 18 varient en fonction de la taille et des capacités de manipulation de la puissance de l'amplificateur laser à colorant. Dans le mode de réalisation préféré, la barre d'éclairement 54 et la zone d'activité laser 18 ont une dimension selon l'axe
X d'approximativement 20 millimètres tandis que chacun a une hauteur selon l'axe Z d'environ 1,0 millimètre.

La dimension Y de la zone d'activité laser 18 est d'environ 1,0 millimètre (du fait des formes des fenêtres d'extrémité 20, etc.), tandis que la barre d'éclairement 54 peut avoir une dimension Y plus grande en fonction de l'agencement optique 34. Quoique certains des rayons formant exemple 52 frappent le courant coloré 14 sous des angles obliques, par opposition à la perpendiculaire, il n'a pas été trouvé que ces légères déviations angulaires aboutissent à de quelconques diminutions de performances.

Comme représenté à la figure 3, les trois fibres optiques 38 qui sont choisies pour des besoins de représentation, ont leurs extrémités proximales 42 distantes et orientées de telle manière que la dispersion effective des rayons formant exemple 52, lorsqu'ils traversent le relais 32 et la fenêtre transversale 22, est telle qu'elle aboutit à une largeur d'éclairement effective correspondant à la largeur de la zone d'activité laser 18. Quoique l'agencement à trois fibres 30 représenté ici a les extrémités proximales 42 séparées, la géométrie précise pour un effet optimal peut avoir les extrémités bout à bout. L'espacement représenté l'est pour les besoins de la représentation. De plus, l'espacement est tel qu'un éclairement approximativement uniforme aboutit à travers toute la largeur de la barre d'éclairement 54, de sorte qu'une fourniture d'énergie transversale essentiellement égale est faite pour pénétrer dans la zone d'activité laser 18.

Dans la représentation de la figure 3, seules trois fibres optiques 38 sont utilisées. Ceci est suffisant pour des besoins dans lesquels une quantité de renforcement modérée est souhaitée. Quand ce petit nombre de fibres est utilisé, il n'est pas nécessaire de former horizontalement l'agencement de faisceau d'énergie transversale 36, étant donné que la dispersion qui résulte de la déviation angulaire des fibres optiques 38 aboutit à la barre d'éclairement de largeur appropriée 54 ayant la concentration d'énergie souhaitée.

Cependant, dans le mode de réalisation préféré, comme représenté aux figures 1, 4 et 5, un degré supérieur d'entrée d'énergie transversale est souhaité et il est nécessaire d'utiliser un plus grand nombre de fibres optiques 38. Pour l'agencement à dix-huit fibres 30 représenté à la figure 1, des composantes supplémentaires sont nécessaires dans l'agencement d'éléments optiques 34 dans le but de former, horizontalement aussi bien que verticalement, l'agencement de faisceau d'énergie transversale 36 dans le but d'obtenir une barre d'éclairement utilisable 54.

La figure 4 est une représentation similaire à celle de la figure 2, représentant la manière par laquelle les composantes de l'agencement d'éléments optiques 34 sont situées par rapport à un agencement de fibres optiques à dix-huit fibres 30. Bien que la représentation de la figure 5, correspondant à celle de la figure 3, représente seulement trois des fibres réelles 38, il est compris que ce sont les fibres les plus extérieures 38 (avec la fibre centrale), et que n'importe quelle fibre supplémentaire, se trouvant entre celles-ci, est dirigée de façon similaire.Comme ceci est apparent à partir d'un nouvel examen de la figure 5 , les fibres les plus extérieures représentées sont orientées suivant un degré d'angle plus grand que les fibres les plus extérieures représentées à la figure 3
Les composantes optiques apparaissant à l'extrême gauche des figures 4 et 5 sont des éléments cylindriques très similaires en structure et en but, à ceux représentés aux figures 2 et 3. Cependant, le degré de focalisation dans la direction Z est légèrement différent, de sorte qu'il n'y a pas besoin de la faible épaisseur de la troisième lentille cylindrique plan-convexe 60. Les première, seconde et quatrième lentilles cylindriques plan-convexes 56, 58 et 62 apparaissent approximativement aux mêmes emplacements dans l'agencement des figures 4 et 5, qu'aux figures 2 et 3.

La multiplicité des fibres optiques 38 utilisées dans l'agencement de fibres horizontal 30 représenté à la figure 5 nécessite une formation horizontale aussi bien que verticale de l'agencement du faisceau d'énergie 36. Dans ce but, une composante optique de combinaison supplémentaire, désignée comme télescope sphérique 66, est insérée. Le télescope sphérique 66 est utilisé pour focaliser de façon étroite, et distribuer de façon uniforme, l'énergie transversale dans la dimension horizontale tout en formant à nouveau et en réduisant légèrement l'amplitude de l'énergie transversale dans la dimension verticale. A nouveau, le choix particulier des éléments et l'espacement entre eux sont déterminés par des principes optiques à la disposition des hommes de l'art.

Dans le télescope sphérique particulier 66 représenté aux figures 4 et 5, les composantes utilisées sont cinq éléments de lentilles distincts, chacun d'eux étant radialement symétrique. Les composantes utilisées dans cette structure sont une première lentille sphérique plan-convexe 68, une seconde lentille sphérique plan-convexe 70, une lentille sphérique convexe 72, une troisième lentille sphérique plan-convexe 74 et un ménisque épais 76. Ces composantes optiques du télescope sphérique 66 agissent sur l'agencement de faisceau d'énergie transversale plus complexe 36 créé par le grand nombre de fibres optiques 38 pour aboutir essentiellement à la même barre d'éclairement 54 examinée par rapport aux figures 2 et 3, la seule différence importante dans la barre d'éclairement 54 étant l'intensité finale de l'énergie du fait de l'accroissement de la sortie.En réalité, le résultat de la formation du télescope optique est une ellipse allongée, mais la quantité d'énergie délivrée aux zones au-delà de la zone d'activité laser 18, est suffisamment petite pour être négligée. Comme cela est particulièrement évident à partir de la figure 5, la formation optique du faisceau d'énergie transversale 36, en particulier dans la dimension horizontale, pour former la barre d'éclairement 54, est relativement complexe. Cependant, cela est bien du domaine de la compétence des spécialistes des sciences optiques.

Les agencements particuliers des agencements d'éléments optiques 34 représentés ici, ont été trouvés appropriés pour les usages imaginés par les inventeurs. Cependant, il est compris qu'une large variété d'agencements peut aussi aboutir à une formation similaire à celle des agencements de faisceau d'énergie transversale 36 pour obtenir une forme et une uniformité souhaitées d'une barre d'éclairement 54. De plus, le nombre de fibres optiques 38 est ajustable suivant le libre choix de l'utilisateur et, avec une technique améliorée, peut être augmenté au-delà du maximum actuellement disponible.

De plus, bien que les agencements de fibre optique 30 représentés ici ont utilisé des configurations dans un même plan des fibres optiques individuelles 38 ceci n'est pas une exigence pour les besoins fondamentaux de cette invention. Pour certains systèmes de laser, il est imaginé que des agencements circulaires et d'autres agencements symétriques peuvent être créés qui produiront des résultats similaires, bien qu'avec des configurations optiques différentes.

Par exemple, un agencement à double ou triple rangée de fibres optiques 38 serait certainement maniable pour la formation optique dans un type de barre d'éclairement similaire à celui qui est produit par les optiques représentées dans la présente application.

Les modes de réalisation qui précèdent sont seulement certains des exemples de modes de réalisation disponibles de la présente invention. Les hommes de l'art vont observer facilement que de nombreuses modifications et changements peuvent être faits sans sortir de l'esprit ni du champ de l'invention. En conséquence, la description ci-dessus ne se veut pas limitative et les revendications annexées doivent être interprétées comme incluant le champ tout entier de l'invention.

Le module d'interface pour entrée d'énergie transversale dans des modules de laser à colorant 10, selon la présente invention, est destiné à un besoin industriel primordial en ce qui concerne le matériel pour laser, et en particulier les amplificateurs de laser à colorant 12. L'usage primordial prévu est dans le domaine des fibres pour structures de relais d'amplificateur (FTAR), dans lesquelles une énergie de renforcement transversale est délivrée au courant de colorant 14 d'une structure d'amplificateur laser à colorant 12.

Les structures d'amplificateur laser à colorant 12, qui sont renforcées par incorporation de la présente invention, sont prévues pour être utilisées dans une variété de circonstances dans lesquelles des sources d'énergie électromagnétiques cohérentes à puissance élevée sont souhaitées. Ceci est particulièrement important dans les domaines de la physique des particules et de la formation des matériaux. La première utilisation primordiale est dans les applications de la recherche et dans la production d'énergie laser pour utilisation dans le but de la séparation des isotopes.

Du fait des résultats améliorés de la présente invention dans la concentration de l'énergie transversale sur la zone d'activité laser 18 d'un laser à colorant 12, et du fait des avantages obtenus par la délivrance d'un éclairement relativement uniforme à travers la barre d'éclairement 54, il est prévu que des modules d'interface 10, selon la présente invention, démontrent une applicabilité et une utilité qui se situe à la fois dans un large champ d'application et une longue durée de vie.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Module d'interface (10) pour l'introduction d'énergie de faisceau électromagnétique transversal dans un composant laser à colorant, ayant des molécules de colorant excitables situées à l'intérieur d'une zone d'activité laser (18) comprise dans celui-ci, comprenant

plusieurs fibres optiques (38), chacune desdites fibres optiques ayant une source de faisceau d'énergie associée située sur son extrémité distale (44), de sorte que l'énergie produite par celle-ci est délivrée approximativement sous la forme d'un faisceau cohérent à partir de l'extrémité proximale (42) de chacune desdites fibres dans une direction transversale à la zone d'activité laser (18) ; et

plusieurs éléments de formation optique formés dans un agencement d'éléments optiques (34), les éléments de formation optique travaillant en liaison les uns avec les autres pour diriger la sortie de toutes les fibres optiques dans un faisceau large et allongé, une partie du faisceau large formant une barre d'éclairement (54) caractérisée comme étant d'intensité relativement uniforme sur toute une zone en forme de solide rectangulaire, ledit agencement d'éléments optiques (34) étant positionné et réglé de sorte que la barre d'éclairement (54) coïncide avec la zone d'activité laser (18).

2. Module d'interface (10) selon la revendication 1, dans lequel

la zone d'activité laser (18) a une section transversale rectangulaire allongée et lesdites fibres optiques (38) sont agencées de manière à être dans un même plan.

3. Module d'interface (10) selon la revendication 1, dans lequel

les extrémités proximales (42) desdites fibres optiques sont maintenues dans une structure de relais (32) fixée en juxtaposition transversale sur la composante de laser à colorant, la structure de relais (32) fixant et positionnant lesdites fibres de sorte que les extrémités proximales (42) de celles-ci sont dirigées sur un seul point.

4. Module d'interface (10) selon la revendication 3, dans lequel la structure de relais (34) comprend

un boîtier de relais comprenant plusieurs orifices d'entrée de fibre sur le côté opposé au composant laser à colorant, chaque orifice étant conçu pour recevoir une desdites fibres optiques.

5. Module d'interface (10) selon la revendication 4, dans lequel

le boîtier de relais est formé d'une paire de plaques de montage opposées fixées ensemble verticalement, lesdites fibres optiques étant captées entre elles.

6. Module d'interface (10) selon la revendication 1, dans lequel

lesdites fibres (38) sont agencées de sorte que les fibres les plus extérieures ont leurs extrémités proximales (42) dirigées suivant un angle relatif inférieur à 20 degrés.

7. Module d'interface (10) selon la revendication 1, dans lequel

ledit agencement d'éléments optiques (34) comprend plusieurs éléments optiques cylindriques pour former verticalement la sortie d'énergie desdites fibres tout en ayant sur elle un effet de formation optique horizontale minimal.

8. Module d'interface (10) selon la revendication 1, dans lequel

ledit agencement d'éléments optiques (34) comprend un télescope sphérique pour former la sortie d'énergie desdites fibres, à la fois verticalement et horizontalement, pour former la barre d'éclairement (54).

9. Amélioration d'un dispositif pour délivrer une énergie électromagnétique concentrée sur une zone ayant une section transversale rectangulaire allongée, comprenant

la fourniture de plusieurs fibres optiques (38), les extrémités proximales (42) de celles-ci étant formées dans un agencement globalement dans un même plan, lesdites extrémités proximales étant alignées de manière à être dirigées de façon convergente

la fourniture d'un moyen de source d'énergie (46) pour délivrer une énergie sur une extrémité distale (44) de chacune des fibres optiques de sorte que l'énergie reçue par chaque fibre est délivrée sous forme de faisceau de sortie de forme globalement cohérente à partir desdites extrémités proximales de celle-ci ; et

la fourniture d'un moyen de formation optique pour agir conjointement sur lesdits faisceaux de sortie pour former une barre d'éclairement (54) ayant une forme de section transversale en forme de rectangle allongé, l'intensité d'énergie à l'intérieur dudit rectangle allongé étant approximativement uniforme.

10. Amélioration selon la revendication 9, dans laquelle

lesdites fibres optiques sont agencées dans une zone dans un même plan, dans le plan de l'axe principal de ladite section rectangulaire allongée.

11. Amélioration selon la revendication 9, dans laquelle

les extrémités proximales (42) desdites fibres optiques sont dirigées sur un point commun.

12. Amélioration selon la revendication 9, dans laquelle

lesdits moyens de formation optique comprennent plusieurs composantes formant lentille optique, au moins certaines de ces composantes formant lentille optique sont cylindriques.

13. Amélioration selon la revendication 9, dans laquelle

lesdits moyens de formation optique comprennent un télescope sphérique.

14. Amélioration selon la revendication 9, dans laquelle

lesdites plusieurs fibres optiques (38) sont maintenues en position par une structure de relais (32) en juxtaposition transversale sur la zone.

15. Structure de relais optique à fibres pour utilisation avec un amplificateur laser à colorant (12) ayant des molécules de colorant excitables traversant une zone d'activité laser (18) de celui-ci, la zone d'activité laser étant limitée dans l'espace par une paire de fenêtres d'extrémité optiquement transparentes et une paire de fenêtres transversales, l'amplificateur laser à colorant (12) recevant un faisceau d'entrée axial traversant la zone d'activité laser, l'amplificateur agissant pour produire un faisceau de sortie renforcé continuant dans la direction du faisceau d'entrée, la structure de relais (34) optique à fibres comprenant

un boîtier de relais situé adjacent aux fenêtres transversales ;;

un agencement de fibres optiques comprenant plusieurs fibres optiques ayant l'extrémité proximale (42) de chaque fibre optique fixée à l'intérieur dudit boîtier de relais, et l'extrémité distale (44) de chaque fibre optique étant associée avec une source d'énergie produisant une énergie d'excitation des molécules de colorant qui est dirigée à travers la fibre optique pour sortir à l'extrémité proximale de celle-ci sous forme de faisceau de sortie de fibre

un agencement de formation optique comprenant plusieurs composantes optiques, ledit agencement de formation optique agissant sur les faisceaux de sortie de fibres combinés pour former un faisceau focalisé, un segment de barre d'éclairement de celui-ci ayant une intensité sensiblement uniforme dans un volume à trois dimensions correspondant à la zone d'activité laser (18).

16. Structure de relais optique à fibres selon la revendication 15, dans laquelle

ledit agencement de fibres optiques (30) est situé de sorte que les fibres optiques sont maintenues leurs extrémités proximales (42) dans un même plan, dans le plan correspondant à l'axe principal de la zone d'activité laser, et

les extrémités proximales (42) des fibres optiques sont orientées de façon convergente de manière à être dirigées sur un point commun.

17. Structure de relais de fibres optiques selon la revendication 15, dans laquelle

ledit boîtier de relais comprend une paire de plaques de montage opposées verticalement pour capter entre elles les extrémités proximales (42) des fibres optiques (38).

18. Structure de relais de fibres optiques selon la revendication 15, dans laquelle la zone d'activité laser (18) a une section transversale rectangulaire et

ledit agencement de formation optique comprend des éléments optiques cylindriques conçus pour former la barre d'éclairement (54) pour obtenir une section transversale sensiblement en accord avec celle de la zone d'activité laser sur l'interface entre la barre d'éclairement (54) et la zone d'activité laser (18).

19. Structure de relais de fibres optiques selon la revendication 15, dans laquelle

ledit agencement de fibres optiques (30) est formé de sorte que les fibres les plus extérieures de celui-ci sont dirigées de sorte que les faisceaux de sortie de fibre correspondant à celles-ci sont dirigés sur une position sur une extrémité opposée de la fenêtre d'activité laser (18).

20. Structure de relais de fibres optiques selon la revendication 15, dans laquelle

ledit agencement de formation optique comprend un télescope sphérique.