FR2775134A1 - Laser solide a pompage optique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les lasers solides à pompage optique.Elle consiste à réaliser les moyens de pompage optique d'un tel laser à l'aide d'un matériau pyrotechnique dont la combustion est relativement lente et dégage un flux lumineux permettant de pomper le barreau laser (101). Ces moyens de pompage ont par exemple la forme d'un cylindre creux (104) réalisé avec ce matériau pyrotechnique et venant entourer le barreau laser.Elle permet de réaliser un laser très puissant avec un volume et un poids très réduit.

Description

LASER SOLIDE A POMPAGE OPTIQUE
La présente invention se rapporte aux lasers solides à pompage optique qui permettent de fournir des impulsions lumineuses cohérentes de grande énergie. Elle concerne plus particulièrement les lasers dont le pompage est obtenu à partir de l'énergie lumineuse fournie par une substance portée à l'incandescence par réaction chimique. Elle permet en particulier, de neutraliser à grande distance des systèmes optoélectroniques destinés par exemple à l'observation ou au guidage.

On connaît de la demande de brevet FR nO 97 02439 déposée le 28 février 1997 par la demanderesse une munition éblouissante permettant de lutter contre différents matériels optroniques tels que des matériels de détection ou des matériels de guidage par faisceau laser.

Cette munition fonctionne en émettant un faisceau lumineux intense d'ouverture relativement large qui permet d'éblouir les dispositifs de réception utilisé dans ces matériels optroniques.

L'ouverture du faisceau lumineux utilisée dans ce dispositif est toutefois relativement large, ce qui diminue d'autant son intensité dans une direction déterminée et donc son efficacité pour éblouir un dispositif de réception optique situé dans cette direction.

Pour pouvoir alors obtenir une intensité suffisante permettant d'obtenir un tel éblouissement, on a également imaginé d'utiliser des faisceaux lasers qui sont par nature beaucoup plus directifs et donc beaucoup plus intenses dans la direction d'émission. Ceci nécessite d'utiliser un dispositif de pointage du faisceau lumineux émis par le laser beaucoup plus précis que dans le cas précèdent, mais cet inconvénient peut être surmonté dans l'état actuel de l'art.

Toutefois les systèmes lasers généralement utilisés fonctionnent par pompage d'un matériau adéquat à partir d'une source lumineuse généralement obtenue à l'aide d'une lampe flash alimentée par un système électrique où l'énergie est stockée dans des condensateurs puis violemment déchargée dans un gaz raréfié tel que le Xenon. Celui-ci s'ionise en formant un plasma radiatif permettant d'obtenir une énergie lumineuse de pompage dont le spectre est sensiblement centré dans la gamme de longueur d'onde nécessaire. Un tel dispositif présente l'inconvénient d'être lourd et volumineux, en particulier en ce qui concerne la batterie de condensateurs destinée à emmagasiner l'énergie électrique, et la source d'alimentation destinée à charger ces condensateurs.

On a donc proposé, comme dans le brevet US nO 5 052 011 délivré au nom de Martin S. PILTCH pour l"'United State Department of
Energy" d'utiliser comme source de pompage un plasma radiatif formé à partir d'un volume de gaz ionisé sous l'effet d'une onde de choc provenant de la détonation d'un explosif extrêmement brisant. Un tel laser, utilisé cependant dans un autre but, est également décrit dans la demande de brevet francais nO 97 02 438 déposée le 28 février 1997 au nom de la demanderesse.

Cette méthode de pompage est effectivement très compacte, mais l'utilisation d'une onde de choc, qui par nature se propage extrêmement rapidement et donc ne dure qu'un instant très bref, présente l'inconvénient de mener à une durée de pompage réduite et donc une impulsion laser très brève. Une impulsion aussi brève est difficilement utilisable dans les dispositifs d'éblouissement décrit plus haut. En outre l'explosif très brutal utilisé pour obtenir l'onde de choc entraîne des contraintes mécaniques particulièrement importantes sur le matériel qui contient l'organe explosif utilisé. II faut alors utiliser un appareil extrêmement résistant pour supporter ces contraintes et le gain de poids et d'encombrement obtenu en renonçant à l'excitation électrique est, au moins partiellement, perdu dans le dimensionnement de l'appareil pour supporter les efforts provenant de l'explosion.

Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un laser solide à pompage optique, du type comportant un barreau laser placé entre deux miroirs formant une cavité laser, et des moyens de pompage optique de ce barreau, principalement caractérisé en ce que ces moyens sont formés avec un matériau pyrotechnique.

Selon une autre caractéristique, ce matériau pyrotechnique est du type permettant de réaliser des leurres infra-rouges.

Selon une autre caractéristique, le matériau est du type P/N DLQ-1 52.

Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage ont la forme d'un cylindre creux formé avec ledit matériau pyrotechnique et venant entourer le barreau laser.

Selon une autre caractéristique, les moyens de pompage sont formés d'un ensemble de barreaux pleins réalisés avec ledit matériau pyrotechnique et disposés longitudinalement autour du barreau laser en entourant celui-ci.

Selon une autre caractéristique, le laser comprend des moyens d'allumage du matériau pyrotechnique disposés sur la surface de ce matériau située en regard du barreau laser.

Selon une autre caractéristique, il comprend des moyens de ventilation permettant d'évacuer les fumées provenant de la combustion du matériau pyrotechnique pour empêcher l'absorption de l'émission lumineuse de ce matériau par ces fumées.

Selon une autre caractéristique, il comprend un tube coaxial à l'émission laser et dans lequel sont placés le barreau laser et les deux miroirs et comprend des moyens permettant d'injecter dans le tube par l'arrière de celui-ci les moyens de pompage formés avec le matériau pyrotechnique.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif au regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1, une vue en perspective cavalière d'un premier mode de réalisation d'un laser selon l'invention;
- la figure 2, une vue en perspective cavalière d'un second mode de réalisation d'un tel laser; et
- la figure 3, une vue en coupe schématique d'un laser selon l'invention pouvant fonctionner par répétition.

Les lasers solides sont formés d'un barreau d'un matériau adéquat, tel que par exemple un grenat d'ytrium et d'aluminium dit YAG dopé au chrome et en néodium. L'inversion de population des ions chrome et néodium s'effectue par pompage optique à partir d'une source lumineuse délivrant des éclairs plus au moins longs. Le passage à l'état de repos de ces ions entraîne une émission photonique stimulée dont l'effet se renforce par réflexion sur les deux miroirs d'un interféromètre de type Perrot-Fabry dans lequel est placé le barreau sensible. La source lumineuse de pompage est couramment formée par un tube de flash électronique enroulé en hélice autour du barreau. Selon les caractéristiques de ce tube et de la source d'alimentation électrique auquel il est connecté, on peut avoir une impulsion de pompage relativement longue. Pendant ce pompage on peut alors obtenir une série d'impulsions laser relativement courtes en contrôlant électroniquement la transmittance de l'un des miroirs de l'interféromètre, utilisé comme miroir de sortie. L'intensité du faisceau laser dépendra bien entendu du nombre et de la durée de ces impulsions puisque l'énergie totale est constante et dépend essentiellement de l'énergie de pompage initiale.

Cette énergie de pompage initiale est elle-même reliée à l'énergie pouvant être stockée dans les condensateurs des moyens d'alimentation du tube flash, qui est couramment de l'ordre de 100 joules par litre. L'énergie finalement obtenue dans le faisceau laser est alors relativement faible en regard des besoins d'éblouissement souhaités, tout au moins si on se limite à des moyens d'alimentation électrique de dimensions raisonnables. En outre la puissance pouvant être appliquée au tube flash de pompage est limitée par la résistance physique de celui-ci, en particulier la résistance au choc thermique qu'il recoit alors.

II serait éventuellement possible de remplacer ce tube flash électronique par un tube contenant par exemple des fibres de zirconium réparties dans une atmosphère d'oxygène, à la manière des anciennes lampes flashs non électroniques utilisées en photographie. On obtiendrait ainsi une densité d'énergie sensiblement plus forte que dans le cas d'un flash électronique, mais qui n'atteindrait pas quand même les valeurs souhaitées. En outre un tel dispositif serait très coûteux, et par ailleurs une telle composition explosive serait du type primaire, donc très sensible aux différentes sources d'inflammation accidentelle telles que la triboélectricité, I'électricité statique, la pression et la température.

L'invention propose donc, pour obtenir aussi bien les performances souhaitées que pour assurer une excellente sécurité ainsi qu'un coût faible, d'utiliser comme matériau inflammable dégageant une énergie lumineuse de pompage adéquate tout en présentant les caractéristiques de sécurité d'un explosif secondaire, une composition pyrotechnique du type de celles utilisées par exemple dans les leurres infrarouges destinés notamment à brouiller les autodirecteurs des missiles à guidage par infrarouge.

A titre d'exemple particulier, on utilisera le matériau pyrotechnique infrarouge de type P/N DLQ-152 produit et distribué par la société THIOKOL CORPORATION. Ce matériau est notamment décrit dans la demande de brevet européen nO 90 31 2 21 3 déposée le 8 novembre 1990 par cette société et publiée le 5 juin i 991 sous le n0430464.

Dans un premier exemple de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 1, le laser est formé d'un barreau de matériau adéquat 101 placé entre un miroir à réflexion totale 102 et un miroir de sortie à réflexion partielle 103.

Selon l'invention, la source de pompage de ce barreau 101 est formée d'un cylindre creux 104 entourant ce barreau, fabriqué dans un matériau pyrotechnique tel que celui décrit plus haut. L'allumage de ce cylindre 104 s'effectue par la face intérieure à l'aide par exemple d'un fil résistif bobiné sur cette face intérieure et alimenté par une source d'énergie électrique qui le porte à l'incandescence. De cette manière,
I'essentiel de la puissance lumineuse dégagée par la combustion du cylindre pyrotechnique est dirigée vers le barreau pour le soumettre à un pompage optique.

Des moyens non représentés, tels par exemple qu'un système de ventilation, permettent d'évacuer les fumées produites par la combustion du cylindre 104 de manière à ce que l'énergie lumineuse ne soit pas absorbée par ces fumées et parviennent bien sur le barreau laser 101.

De même, des moyens, non représentés mais connus dans l'art, permettent de refroidir le barreau de manière à éviter à ce que celuici ne se brise sous l'effet des contraintes thermiques apportées par l'énergie lumineuse. Ces moyens de refroidissement permettent également de protéger l'ensemble du dispositif de la chaleur dégagée par la combustion du cylindre 104.

Le barreau 101 ainsi pompé permet alors, en association avec la cavité résonnante formée par les miroirs 102 et 103, L'émission d'un faisceau laser intense 105 qui émerge du miroir de sortie 103.

L'énergie massive d'une telle composition pyrotechnique étant de l'ordre de 1 million de joules par litre, on peut avec un cylindre en forme de cartouche d'environ 150 mm de long sur 70 mm de diamètre obtenir une combustion qui durera de l'ordre de 1 seconde. Ceci permet, en utilisant au niveau du miroir 103 un système connu de déclenchement du laser, d'obtenir pendant cette durée un nombre relativement important d'impulsions de durée par exemple 10 ms délivrant chacune 1000 joules, ce qui correspond bien aux caractéristiques souhaitées pour ce genre de matériel.

Dans un deuxième mode de réalisation, représenté sur la figure 2, la source de pompage pyrotechnique se présente sous la forme d'un ensemble de 4 barreaux parallélépipédique 114 à 144 qui entourent le barreau laser 101 situé en position central par rapport à ces barreaux.

Dans la version représentée sur la figure, ce barreau laser est lui-même parallélipipédique, ce qui ne correspond qu'à une variante de réalisation.

Dans ce mode de réalisation, le couplage optique entre les barreaux pyrotechniques et le barreau laser est moins efficace que dans le premier mode de réalisation, mais la mise en place de ces barreaux s'effectue de manière plus facile. Ce nombre de 4 barreaux n'est d'ailleurs qu'un exemple de réalisation et on pourrait utiliser un nombre plus grand de barreaux pour augmenter le remplissage de l'espace autour du barreau laser, ou éventuellement un nombre plus faible pour faciliter la mise en place. La section de ces barreaux n'est elle-même pas critique et on pourrait avoir des barreaux hexagonaux ou cylindriques.

L'invention permet également d'obtenir des émissions lasers se succédant suffisamment rapidement en rendant possible l'automatisation du remplacement de la source pyrotechnique de pompage, par exemple de la manière représentée sur la figure 3.

Sur cette figure, le cylindre pyrotechnique 104 creux vient se placer autour du barreau laser 101 en effectuant un mouvement de translation depuis l'arrière du miroir 102, et en venant s'ajuster dans un tube 106 qui contient l'ensemble du dispositif. Celui-ci a en quelque sorte la forme d'un canon coaxial à la direction du faisceau laser 105 qui sort par l'extrémité avant du tube 106. Le matériau pyrotechnique formant le cylindre 104 brûlant sans laisser de cendres. en quantité gênante, un mécanisme automatique non représenté permet, lorsque le cylindre en place dans le tube 106 a brûlé, d'injecter dans ce tube un autre cylindre qui vient prendre la place du premier pour pouvoir effectuer un autre tir laser, et ainsi de suite...

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 - Laser solide à pompage optique, du type comportant un barreau laser (101) placé entre deux miroirs (102,103) formant une cavité laser, et des moyens de pompage optique de ce barreau, caractérisé en ce que ces moyens sont formés avec un matériau pyrotechnique.

2 - Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce matériau pyrotechnique est du type permettant de réaliser des leurres infra-rouges.

3 - Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau est du type P/N DLQ-152.

4 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de pompage ont la forme d'un cylindre creux (i04) formé avec ledit matériau pyrotechnique et venant entourer le barreau laser.

5 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de pompage sont formés d'un ensemble de barreaux pleins < i 14-144) réalisés avec ledit matériau pyrotechnique et disposés longitudinalement autour du barreau laser en entourant celuici.

6 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'allumage du matériau pyrotechnique disposés sur la surface de ce matériau située en regard du barreau laser (101).

7 - Laser selon l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de ventilation permettant d'évacuer les fumées provenant de la combustion du matériau pyrotechnique pour empêcher l'absorption de l'émission lumineuse de ce matériau par ces fumées.

8 - Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un tube (106) coaxial à l'émission laser et dans lequel sont placés le barreau laser (101) et les deux miroirs (102- 02103) et en ce qu'il comprend des moyens permettant d'injecter dans le tube par l'arrière de celui-ci les moyens de pompage (104) 04) formés avec le matériau pyrotechnique.