WO2000079339A1 - Source monochromatique comprenant un materiau optiquement actif - Google Patents

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Philippe Gravisse
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    • H01S3/168—Solid materials using an organic dye dispersed in a solid matrix

Definitions

  • the present invention relates to the field of monochromatic radiation sources.
  • Monochromatic radiation sources such as lasers or light sources associated with interferential filters are known in the prior art.
  • EP235185 describing a method for converting electromagnetic radiation into coherent, monochromatic electromagnetic radiation, having a predetermined frequency.
  • the electromagnetic radiation is focused up to an average energy density greater than a critical average energy density U.crit.
  • the focused radiation is directed into a cavity having reflective walls and is scattered, diffusely, inside the cavity.
  • the reflectance of the walls of the cavity is calculated so that it establishes, in the cavity, an electromagnetic energy density which is greater than U.crit and which, after an absorber, located inside of the cavity, thermally isolated from the interior walls of the cavity and adapted to the electromagnetic spectrum inside the cavity.
  • European patent EP433109 describes a device making it possible to continuously tune a coherent and linearly polarized light source. It comprises an electro-optical means forming a spectral filter with an electrically modulable transfer function, terminated by a means for reflecting, towards the source, the light emitted by this source, and an electro-optical means for varying the optical length of the cavity. This means of variation is placed in the cavity. Each electro-optical means comprising a solid electro-optical crystal.
  • the object of the invention is to propose a monochromatic source with adjustable power, coherent or non-coherent, of a low cost price and having a high yield.
  • the invention relates to a monochromatic source comprising an optically active material having an input face capable of transmitting electromagnetic radiation and an output zone capable of transmitting monochromatic radiation, the material being formed by a transparent matrix comprising photoluminescent dopants emitting radiation of wavelength ⁇ 2 when they receive excitation radiation of wavelength ⁇ l, characterized in that the entry face of the transparent matrix is coated with a dichroic layer ( 3) having a transmission band for wavelengths comprising ⁇ l and a reflection band for wavelengths comprising ⁇ 2, and in that the surfaces which are not input or output faces are coated with '' a layer reflecting for wavelengths comprising at least ⁇ 2, the monochromatic source further comprising at least one light source emits both a light radiation in the direction of the entry face of the doped matrix and a LiNb03 crystal, in particular of PPLN ("Periodically poled lithium niobate") receiving the radiation emitted by the exit face.
  • PPLN Periodically poled lithium niobate
  • the excitation radiation can be polychromatic or monochromatic.
  • the transparent matrix is of parallelepipedal or cylindrical shape, at least one of the main faces being an entry face, at least part of a lateral face of section smaller than the section of the entry face being one exit face, the other faces being coated with a reflective layer for wavelengths comprising at least ⁇ 2.
  • the excitation light source is a source emitting ultraviolet radiation.
  • the source comprises a plurality of doped materials and a plurality of light sources, as well as a concentrator for collecting the radiation emitted by the exit faces of the doped materials.
  • the source according to the invention comprises an optical fiber, one of the ends of which is optically connected to the outlet face of the doped material and the other end of which is connected to the PPLN crystal.
  • the monochromatic source according to a first embodiment of the invention shown in FIG. 1 comprises a radiation collector (1) formed by a transparent matrix (2) doped with photoluminescent compounds or materials.
  • the matrix is coated on the entry face (3) by a dichroic filter. It has an outlet face (5).
  • the other faces (4) are coated with a reflective layer.
  • the doped matrix is made of polymethylmethacrilate doped with the following compounds: PPO 0.5 moles per liter
  • the outlet face (5) is extended by an optical fiber (6), the other end of which is connected to a crystal of the PPLN type, in particular of lithium niobate.
  • This crystal can be one of the components of an optical waveguide device comprising:
  • a dielectric layer formed on said main surface of said substrate covering the optical waveguide and comprising silicon dioxide and comprising an amorphous silicon dioxide doped with lithium and / or niobium so that the refractive index of the layer of amorphous silicon dioxide doped is less than that of the layer of amorphous silicon dioxide free of the doping elements.
  • an electrode system comprising a plurality of electrodes arranged on the dielectric layer.
  • the device further comprises a plurality of ultraviolet lamps (7 to 9) emitting UV radiation towards the entry surface (3).
  • the absorbed length ⁇ l is advantageously in the band 300 to 400 nanometers, and more particularly 365 nanometers.
  • the re-emission length is in the band ⁇ 2 between 600 to 700 nanometers, more particularly 650 nanometers.
  • An example of a doping masterbatch is formulated as follows:
  • the transmittance of the dichroic layer (3) corresponds to ⁇ 2, that is the band of re-emission of doping materials.
  • FIG. 2 represents an alternative embodiment in which the doped plates (10 to 15) are arranged to form a hexagonal structure surrounded by UV sources (16, 17).
  • the doped plates (10 to 15) in this case have two entry surfaces corresponding to the large faces of the plates.
  • the light is output according to the edge, by waveguides (17 to 22) connecting the exit faces to PPLN crystals (23 to 28) ensuring the coherence of the radiations.
  • FIG. 3 represents an alternative embodiment in which the radiation collector is formed by a matrix coated with a dichroic layer (3) exposed to UV radiation emitted by UV lamps (16).
  • This collector incorporates doped blades (31 to 33).
  • the dichroic coating can also be produced on each of the blades (31 to 33).
  • FIG. 4 represents another variant embodiment in which the light collector has the form of a doped cylindrical bar (40).
  • the outer surface of this bar (40) has a dichroic coating (3) exposed to UV radiation emitted by lamps (16).
  • the bar (40) has an axial cavity (42) inside which an optical fiber (41) penetrates. The degree of insertion of the optical fiber (41) into the cavity (42) determines the power of the light energy transmitted at the output.

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Abstract

La présente invention concerne une source monochromatique comprenant un matériau optiquement actif présentant une face d'entrée apte à transmettre un rayonnement électromagnétique et une zone de sortie (5) apte à transmettre un rayonnement monochromatique, le matériau étant formé par une matrice transparente (2) comportant des dopants photoluminescents émettant un rayonnement d'une longueur d'onde μ2 lorsqu'ils reçoivent un rayonnement d'excitation de longueur d'onde μ1, caractérisée en ce que la face d'entrée de la matrice transparente (2) est revêtue d'une couche dichroïque (3) présentant une bande de transmission pour des longueurs d'onde comprenant μ1 et une bande de réflexion pour des longueurs d'onde comprenant μ2, et en ce que les surfaces qui ne sont pas des faces d'entrée ou de sortie (5) sont revêtues d'une couche réfléchissante pour les longueurs d'onde comprenant μ2 au moins, la source monochromatique comprenant en outre au moins une source lumineuse (7, 8, 9) émettant un rayonnement lumineux en direction de la face d'entrée de la matrice dopée (2) et un cristal PPLN recevant le rayonnement émis par la face de sortie (5).

Description

SOURCE MONOCHROMATIQUE COMPRENANT UN MATERIAU OPTIQUEMENT ACTIF
La présente invention concerne le domaine des sources de rayonnement monochromatique.
On connaît dans l'état de la technique des sources de rayonnement monochromatique telles que des lasers ou des sources de lumières associés à des filtres interf érentiels .
On connaît également dans l'état de la technique le brevet européen EP235185 décrivant un procédé pour convertir un rayonnement électromagnétique, en un rayonnement électromagnétique cohérent, monochromatique, ayant une fréquence prédéterminable . Le rayonnement électromagnétique est focalisé jusqu'à une densité d'énergie moyenne supérieure à une densité d'énergie moyenne critique U.crit. Le rayonnement focalisé est dirigé dans une cavité présentant des parois réfléchissantes et est dispersé, de façon diffuse, à l'intérieur de la cavité. Le pouvoir de réflexion des parois de la cavité est calculé pour qu'il s'établisse, dans la cavité, une densité d'énergie électromagnétique qui soit supérieure à U.crit et qui, après qu'un absorbeur, situé à l'intérieur de la cavité, isolé thermiquement des parois intérieures de la cavité et adapté au spectre électromagnétique à l'intérieur de la cavité.
Le brevet européen EP433109 décrit un dispositif permettant d'accorder de façon continue une source de lumière cohérente et polarisée rectilignement . Il comprend un moyen électro-optique formant un filtre spectral à fonction de transfert modulable électriquement, terminée par un moyen de réflexion, vers la source, de la lumière émise par cette source, et un moyen électro-optique de variation de la longueur optique de la cavité. Ce moyen de variation est placé dans la cavité. Chaque moyen électro-optique comprenant un cristal électro-optique massif.
L'invention a pour objet de proposer une source monochromatique à puissance réglable, cohérente ou non cohérente, d'un faible prix de revient et présentant un rendement élevé .
À cet effet, l'invention concerne une source monochromatique comprenant un matériau optiquement actif présentant une face d'entrée apte à transmettre un rayonnement électromagnétique et une zone de sortie apte à transmettre un rayonnement monochromatique, le matériau étant formé par une matrice transparente comportant des dopants photoluminescents émettant un rayonnement d'une longueur d'onde λ2 lorsqu'ils reçoivent un rayonnement d'excitation de longueur d'onde λl , caractérisée en ce que la face d'entrée de la matrice transparente est revêtue d'une couche dichroïque (3) présentant une bande de transmission pour des longueurs d'onde comprenant λl et une bande de réflexion pour des longueurs d'onde comprenant λ2 , et en ce que les surfaces qui ne sont pas des faces d'entrée ou de sortie sont revêtue d'une couche réfléchissantes pour les longueurs d'onde comprenant λ2 au moins, la source monochromatique comprenant en outre au moins une source lumineuse émettant un rayonnement lumineux en direction de la face d'entrée de la matrice dopée et un cristal LiNb03 , notamment de PPLN ( "Periodically poled lithium niobate") recevant le rayonnement émis par la face de sortie. Ce cristal permet la mise en cohérence du signal émis par la matrice dopée. Le rayonnement d'excitation peut être polychromatique ou monochromatique. De préférence, la matrice transparente est de forme parallélépipédique ou cylindrique, l'une des faces principales au moins étant une face d'entrée, une partie au moins d'une face latérale de section inférieure à la section de la face d'entrée étant une face de sortie, les autres faces étant revêtue d'une couche réfléchissante pour les longueurs d'onde comprenant λ2 au moins .
Selon un mode de réalisation particulier, la source lumineuse d'excitation est une source émettant un rayonnement ultraviolet.
Selon une variante, la source comprend une pluralité de matériaux dopés et une pluralité de sources lumineuses, ainsi qu'un concentrateur pour collecter le rayonnement émis par les faces de sortie des matériaux dopés . Selon un mode de réalisation particulier, la source selon l'invention comprend une fibre optique dont l'une des extrémités est reliée optiquement à la face de sortie du matériau dopé et l'autre extrémité est reliée au cristal PPLN. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés relatifs à des exemples de réalisation non limitatifs où : la figure 1 représente une vue schématique d'un premier exemple de réalisation ; la figure 2 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un deuxième exemple de réalisation ; la figure 3 représente une vue schématique d'un troisième exemple de réalisation ; la figure 4 représente une vue schématique d'un autre exemple de réalisation.
La source monochromatique selon un premier mode de réalisation de l'invention représentée en figure 1 comprend un collecteur de rayonnement (1) formé par une matrice transparente (2) dopée avec des composés ou des matériaux photoluminescents .
La matrice est revêtue sur la face d'entrée (3) par filtre dichroïque. Elle présente une face de sortie (5) . Les autres faces (4) sont revêtues par une couche réfléchissante.
À titre d'exemple, la matrice dopée est en polyméthylméthacrilate dopée avec les composés suivants: PPO 0,5 moles par litre
OB 0,1 moles par litre GE 0,04 moles par litre PPO, OB et GE étant les dénominations commerciales usuelles de molécules cycliques aromatiques.
La face de sortie (5) est prolongée par une fibre optique (6) dont l'autre extrémité est reliée à un cristal de type PPLN, notamment de niobate de lithium.
Ce cristal peut être l'un des composant d'un dispositif de guide d'ondes optique comprenant :
- un substrat comprenant du niobate de lithium ;
- un guide d'ondes optique formé dans une surface principale du substrat;
- une couche diélectrique formée sur ladite surface principale dudit substrat recouvrant le guide d'ondes optique et comprenant du dioxyde de silicium et comprenant un dioxyde de silicium amorphe dope avec du lithium et/ou du niobium de telle sorte que l'indice de réfraction de la couche en dioxyde de silicium amorphe dope soit inférieur à celui de la couche en dioxyde de silicium amorphe exempt des éléments de dopage.
- un système d'électrodes comprenant une pluralité d'électrodes agencées sur la couche diélectrique.
Le dispositif comprend en outre une pluralité de lampes ultraviolet (7 à 9) émettant un rayonnement UV en direction de la surface d'entrée (3).
La longueur absorbée λl est avantageusement dans la bande 300 à 400 nanomètres, et plus particulièrement 365 nanomètres . La longueur de réémission est dans la bande λ2 comprise entre 600 à 700 nanomètres, plus particulièrement 650 nanomètres. Un exemple de mélange-maître dopant est formulé comme suit :
Pour une quantité de PMMA de 400 grammes : PPO : 0,4 grammes OB : 0,2 grammes 5G : 0 , 12 grammes
- LUMOGENE ROUGE : 0,048 grammes Ou
Pour une quantité de PMMA de 500 grammes : - PPO : 0,2 grammes
OB : 0,1 grammes 5G : 0,06 grammes
- LUMOGENE ROUGE : 0,02 grammes
Les termes ci-dessus correspondant aux désignations commerciales.
La transmittance de la couche dichroïque (3) correspond à λ2 , soit la bande de réémission des matières dopantes .
La figure 2 représente une variante de réalisation dans laquelle les lames dopées (10 à 15) sont disposées pour former une structure hexagonale entourée par des sources UV (16, 17). Les lames dopées (10 à 15) présentent dans ce cas deux surfaces d'entrée correspondant aux grandes faces des lames. La sortie de la lumière se fait selon la tranche, par des guides d'ondes (17 à 22) reliant les faces de sorties à des cristaux PPLN (23 à 28) assurant la cohérence des rayonnements .
La figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle le collecteur de rayonnement est formé par une matrice revêtue par une couche dichroïque (3) exposé à un rayonnement UV émis par des lampes UV (16) . Ce collecteur incorpore des lames (31 à 33) dopées. Le revêtement dichroïque peut également être réalisé sur chacune des lames (31 à 33) .
La figure 4 représente une autre variante de réalisation dans laquelle le collecteur de lumière présente la forme d'un barreau cylindrique (40) dopé. La surface extérieure de ce barreau (40) comporte un revêtement dichroïque (3) exposé à des rayonnements UV émis par des lampes (16). Le barreau (40) présente une cavité (42) axiale à l'intérieur de laquelle pénètre une fibre optique (41). Le degré d'enfoncement de la fibre optique (41) dans la cavité (42) détermine la puissance de l'énergie lumineuse transmise en sortie.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Source monochromatique comprenant un matériau optiquement actif présentant une face d'entrée apte à transmettre un rayonnement électromagnétique et une zone de sortie apte à transmettre un rayonnement monochromatique, le matériau étant formé par une matrice transparente (2) comportant des dopants photoluminescents émettant un rayonnement d'une longueur d'onde λ2 lorsqu'ils reçoivent un rayonnement d'excitation de longueur d'onde λl, caractérisée en ce que la face d'entrée de la matrice transparente (2) est revêtue d'une couche dichroïque (3) présentant une bande de transmission pour des longueurs d'onde comprenant λl et une bande de réflexion pour des longueurs d'onde comprenant λ2 , et en ce que les surfaces qui ne sont pas des faces d'entrée ou de sortie (5) sont revêtue d'une couche réfléchissantes pour les longueurs d'onde comprenant λ2 au moins, la source monochromatique comprenant en outre au moins une source lumineuse (7, 8, 9) émettant un rayonnement lumineux en direction de la face d'entrée de la matrice dopée (2) et un cristal PPLN recevant le rayonnement émis par la face de sortie (5) .
2 - Source monochromatique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la matrice transparente (2) est de forme parallélépipédique ou cylindrique, l'une des faces principales au moins étant une face d'entrée, une partie au moins d'une face latérale de section inférieure à la section de la face d'entrée étant une face de sortie (5), les autres faces étant revêtue d'une couche réfléchissantes pour les longueurs d'onde comprenant λ2 au moins.
3 - Source monochromatique selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la source lumineuse (7, 8, 9) est une source émettant un rayonnement ultraviolet. 4 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu ' elle comprend une pluralité de matériaux dopés et une pluralité de sources lumineuses, ainsi qu'un concentrateur pour collecter le rayonnement émis par les faces de sortie (5) des matériaux dopés .
5 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend une fibre optique dont l'une des extrémités est reliée optiquement à la face de sortie (5) du matériau dopé et l'autre extrémité est reliée au cristal PPLN.
6 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend les lames dopées (10 à 15) sont disposées pour former une structure hexagonale entourée par des sources UV (16, 17). Les dames dopées (10 à 15) présentent dans ce cas deux surfaces d'entrée correspondant aux grandes faces des lames, la sortie (5) de la lumière se faisant selon la tranche, par des guides d'ondes (17 à 22) reliant les faces de sortie (5) s à des cristaux LiNb03 , notamment de PPLN (23 à 28) assurant la cohérence des rayonnements .
7 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comprend un collecteur de rayonnement formé par une matrice revêtue par une couche dichroïque (3) exposé à un rayonnement UV émis par des lampes UV (16) .
8 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comprend un collecteur de lumière en forme de barreau cylindrique (40) dopé dont la surface extérieure comporte un revêtement dichroïque (3) exposé à des rayonnements UV émis par des lampes (16), le barreau (40) présentant une cavité (42) axiale à l'intérieur de laquelle pénètre une fibre optique (41) .
9 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend un fibre optique coopérant avec une cavité de sortie (5) avec un degré de pénétration ajustable, le degré d'enfoncement de la fibre optique (41) dans la cavité (42) déterminant la puissance de l'énergie lumineuse transmise en sortie (5).
10 - Source monochromatique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que la longueur absorbée λl est dans la bande 300 à 400 nanomètres, et plus particulièrement 365 nanomètres. Et la longueur de réémission est dans la bande λ2 comprise entre 600 à 700 nanomètres, plus particulièrement 650 nanomètres.
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