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La présente in~entlan concerne les têtes laser et les~d~spositifs
génératsurs laser.
Par t8te las&r, on co~pr&nd, dans ce qui su~t, ~n d~sposit~f
comportant ess&ntiell&~&nt un matériau actif et des ~o~ens pour exc~ter ce
matériau actif. ~ne tete laser est a~plificatrire lorsque son ~atériau actif
est traversé par un ~aisceau laser, De plu5, gi on adJoint a une tell& t8te
la~sr une cavité optique résonnanta dans laquelle est disposé l& matériau
actif, on obtient un générateur laser. Enfin lorsqu'on dispose à la sortis
d'un générateur laser une succession d'ampliflcateurs on obtient un dispositif
générateur laser.
On connait une tête laser amplificatrice dans laquell& l& matériau
actif est constitué par un barreau de verre dopé au néodyme et l&s moy&ns
d'excitation comportent des tubes à décharge lumineuse disposés autour de la
surface latérale du barreau. Lorsque l'énergie du faisceau laser qui traverse
le matériau actif est grande, la sectlon du barreau doit être élevée. On
constate alors que l'énergie lumIneuse créée par la décharge dans les tubes
proYoque un éclairem&nt non homogène du barreau. Une zone axiale du barr&au
est ~oins éclairée et l'inversion de population y est plus faible. Il en
r~sulte une déformation du profil transversale d'intensité du faisceau laser
amplifié et une diminution notable de la puissance de C& faisceau.
Pour remédier à C&S inconvéni&nts, on a réalisé des structur&s de
t8tes laser à disques dans l&squell&s l'excition lumineus& est dirigée prin-
cipalem&nt sur l&s faces des disques, mais C&S structures ont un faible ren-
dement d'e~citation et présentent en uutre de grandes difficultés technologiques
de réalisation. On a aussi proposé des structures dites à plaque, dans les-
quell&s l& matériau actif est excité par des tubes à décharg& disposés le long
d'une face de la plaque. Les structures à plaqus permettent, dans certains cas,
d'améliorer l'homogénéité de l'éclairement du matériau actif, mais présentent
l'inconvénient d'être de réalisation délicate, parce qu'il est nécessaire sn
géneral d'effectuer un traitement de la face de la plaque éclairée par les
tubes à décharge, afin d'améliorer la pénétration du rayonnement lumineux dans
la plaque et la réflexion du faisceau laser sur cett& face, ce traitement résiste
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diffic~le~ent à la pu~s~nce du rdypnnement dea tu~es à déc~arge,
La présente inYention a pour but de pallier les inconYéntents des
têtes lasers connues citées ci~dessus et de réaliser une nouvelle structure
de tête laser de grande puissance dans laquelle le matériau actif est
5 sxcité de façon beaucoup plus homogsne.
La présente invention a pour objet une tête laser comportant un
matériau actif en verre dopé au néodyme, et une source lu~ineuse disposée
pour qu'une partie de la lumière émise par cette source éclaire ledit
metériau actif afin de le rendre capable d'amplifier un faisceau laser de
longueur d'onde 1,06 micron traversant ce matériau, une portlon de ce
mat~riau actif étant moins éclairée que l'autre, caractérisée par le fait
qu'elle comporte æn outre des cristaux de rubis disposés chacun 3 l'intérieur
d'une cavité optique résonnante, ces cristaux étant situés à proximité de
ladite source pour recevoir l'autre partie de ladite lumière, n'éclairant pas
ledit matériau actif, de manière à y produlre un rayonnement laser suivant
1~ 3X8 de C8S cavltés.
- et des moyens pour diriger ledit rayonnement laser sur ladite portion
moins éclairée dudit ~atéri~u actlf.
La présente Invention a aussi pour obJet un dlspositif générateur
laser comportant,
- un générateur d'un faisceau laser de longueur d'onde ~,06 micron,
- et au moins un premier et un second amplificateurs composés chacun d'un
matériau actif en verre dopé au néodyme disposé sur le tra~et dudit falsceau
laser,
et d'une source lumineuse disposée pour qu'une partie de la lu~ière émise
par cette source éclaire directement le matériau actif pour amplifier ledit
faisceau laser, une portion de ce matériau actif étant moins éclairée que
l'autre.
caractérisé par le fait que ledit premier amplificateur comporte en outrs des
cristaux de rubis disposés chacun à l'intérieur d'une cavité optique
résonnante, ces cristaux étant situés à proximité de la source lumineuse de
C8 premier amplificateur pour recevoir ladite autre partie de la lumière
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n'écla~rant pa~ directegqn~ le ~até~ia~ a~ti~ de ~e pre~Rr ~pl~f~cqteur~
de ~anière à produlre un r~yQnne~ent lqser su~vant l'axe de Des caY~tés, et
qu'il comporte en out~e des ~oyens pour d~ri~er led~t rayonnement laser sur
la portion moins éclairée du matérlau actif dudit second a~plificateur.
L'lnvention est décrlte ci-dessous, à titre illustratif mais
nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel
- les figures 1a et 1b représentent schématiquement, respectivement en coupe
transversale et longltudinale un mode de réallsatlon d'une tête laser selon
l'invention,
- la figure 2 représente en coupe transversale une variante de réalisatlon
de la tête laser lllustrée par les flgures 1a et 1b,
- les figures 3a et 3b représentent, respectivement en coupe transversale et
longitudinale un autre mode de réalisation d'une tête laser selon l'invention,
- la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une variante de réallsation
de la tête laser ilIustrée par les flgures 3a et 3b,
- et la flgure 5 $11ustre un mode de réalisatlon du dlspositif générateur
laser selon l'invention.
Sur les figures 1a et 1b, est représenté un barreau 1 en verre
dop~ au néodyme. La longueur 2 du barreau 1 est de préférence inférieure à
sa dimension transversale 3. Le barreau 2 peut être par exemple de forme
cylindrique et dans ce cas, la dimension trans~ersale 3 n'est autre que le
diamètre du barreau 1.
Autour de la surface cylindrique du barreau 1 sont disposés côte
~ côte des tubes à décharge lumineuse 4, 5, 6, par exemple dans une direction
parallèle à l'axe du barreau 1. Les électrodes de ces tubes peuvent être
réunies aux bornes d'une source d'énergie électrique non représentée.
Autour de la rangée des tubes à décharge sont disposés côte à côte
des barreaux de rubis 7, 8, 9 orientées aussi parallèlement à l'axe du
barreau 1. Chaqus barreau de rubis est placé à l'intérieur d'une cavité
optique résonnante centrée sur l'axe du barreau. Cette cavité peut être
avantageusement constituée par des couches multidiélectriques déposées sur
les faces planes terminales 1n et 11 de ces barreaux.
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Co~e représenté sUF la f~gurQ 1A le na~;bFe dR barrQau~ de rub~s
peut @tre égal a~ no~bre de tubes, chaque rubis étant a~soc~é a ~n tube
dlsposé dans un plan passant par l'axe du barreau 1,
Un réflecteur 12 peut en outre être disposé autour de la rangée
des barreaux pour renvoyer en sens opposé le rayonnement radial des tubes à
décharge 4. 5, 6 ayant traversé les barreaux de rubls 7, 8, 9, et n'éclairant
pas le barreau de verre 1.
Oes réflecteurs tels que 13 sont placés sur l'axe des cavltés
optlques résonnantes pour renvoyer le rayonnement provenant de ces cavités
vers une zone axlale 14 du barreau de ~erre 1.
Des réflecteurs tels que 15 peuvent être en outre dlsposés sur
le traJet du rayonnement renvoyé par le réflecteur 13 et ayant traversé la
zone axlale 14 afin de réfléchlr de nouveau sur lul même ce rayonnement de
façon à lui faire traverser une nouvelle zone axiale 14.
Le dispositif représenté sur les figures 1a et 1b fonctionne de
la ~an~ère suivante.
Les électFodes~des-tubes à décharges tels que 4, 5, 6 ayant été
reliées aux bornes de la so~rce d'énergie électrique afin de provoquer une
,
d~charge lumineuse, le barreau 1 est traversé suivant son axe par un faisceau
lumlneux 16 de longueur d'onde 1,06 micron provenant d'un générateur
laser non représenté. Une partie de l'énergie de cette décharge lumineuse
' excite directement le barreau de verre 1 afln d'amplifier le faisceau laser 16.
, ~ .
Le faisceau laser 16 est de forte puissance après amplification et
c'est la raison pour laquelle on a choisi un barreau de verre 1 de grande
section et de longueur relativement faible, cette didposition permettant
d'viter les claquages du barreau et l'apparition de phénomènes non linéaires
Mals, par suite de l'adoption de cette disposition l'éclairement
du barreau 1 par la lumière des tubes à décharge n'est pas homogène et une
portion du barreau M constituée par la zone axiale 14 est moins éclairée
que la portion périphérique qui l'entoure.
La partis de l'énergie lumineuse des tubes 3 décharge, qui
n'éclaire pas le barreau 1 est ~eçue par les barrea"x de rubis tels que 7, 8, 9. - 4 -
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Cette éne~g~e lu~neuse exc~te les Fu~is, et ~a part~e non
a~sor~e de cette ener~ie ~eut ~etre de n~uYeau renYo~ée ~ers ies barreaux
de rubis grâce au miroir ~2.
Il en résulte l'émission d'un rayonnement laser de longueur d'onde
0,6943 micron constitué notamment par le faisceau 17 sortant de la cavité
10-11. Après réflexion sur le miroir 13, le faisceau 17 traverse la zone
axiale 14 et provoque une excitation additionnelle du verre dopé au néodyme
dans cette zons 14. En effet, on sait q4e le rayonnement de longueur d'onde
de 0,6943 micron est absorbé par le Uflancn de l'une dss raies d'absorption
de l'ion néodyms Nd3.
Cette excltation additionnelle permet donc de compenser la
diminution d'éclairement dans la zone axiale 14 du barreau 1.
Comme un passage unique dans la zone axiale ~4 du faisceau 17
renvoyé par le ~iroir 13 n'épuise pas en général l'énergie d'excitation de
ce faisceau, il est so w ent utlle de renvoyer le faisceau à l'aide du
~iroir 15, c~mme montré sur les figures 1a et 1b, afln de lul faire traverser
une now elle fois cette zone axiale.
On concoit qu'tl est possible, en dosant l'éner~ie additionnelle
sn fonction de l'éner~ie apportés directement par les tubes à décharge, d'ob-
tenir à l'intérieur du barreau 1 une inversion de population homcgène et
d'augmenter ainsi de façon importants l'homogénéité et la puissance de
sortie du faisceau 16 pour une section donnée du barreau 1.
L'expérience monte qu'en général dans les têtes lasers connues,
la partie da l'énergie luminsuse des tubes à déchar~e qui n'éclalre pas
directement le barreau de verre ne contribue à l'excitation du barreau que
pour une faible mesure, même si elle est.renvoyee vers le barreau par un
réflecteur. La disposition montrée sur les figures 1a et 1b présente
l'avantage d'utiliser de façon efficace cette partie d'énergie.
Etant donné par exemple un barreau de verre dopé au n~odyme de
diamètre ~1 centimètres et de longueur 6 centimètres, on peut disposer 25
tubes à décharge da diamètre 1 centimetre autour de la surface latérale du
barrea~ et 25 barrsaux de ruh~s de dia~ètre 0,5 centi~ètre, d'une manière
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analo~ue à celle représentée sur 1A ~i u~e 1a. L'éner~ie hl~neuse totaie
déllvrée par les tubes étant de Z0 kiloJoulesi l'éner~ie ~aser a ia long~eur
d'onde de 1,06 ~icron procurée par le rayonnement des tubes est de i'ordre
de 230 Joules, cette énergie étant répartie transversalement dans le barrsau
de verrs suivant une loi sensibiement parabolique. Chaque baPrea~ de rubis
émet une énergle de 4 Joules a la iongueur d'onde de 0,6g43 ~icron~ L'énergie
totale du rayonnement émis par les rubis et renvoyé vers la zone axiale du
barreau est alors de 100 Joules, l'excitation additionnelle q~i en résulte
dans le barreau de verre étant de 70 Joules environ, ~r3ce à cette excitation
additionnelle l'energie de sortie du faisceau 16 est donc augmentée de près
d'un tiers et la répartition de l'énergie disponible dans le barreau de verre
est sensiblement homogène. Dans l'exemple donné ci-dessus, la section efficace
d'absorption est optimale et assure à la fois une grandé profondeur de péné-
tration et une absorption totale dans le verre dopé au néodyme.
Sur la figure 2 est représenté une variante de la d~sposition
lllustrée par des figures 1a et 1b. Dans cette variante des lasers à rubis
18, 19 st dss tubes 3 déchar~e 20 et 21 sont disposés alternativement
autour de la surface cylindrique d'un barreau de verre 1 de manière à former
une seule couronne. Chaque laser à rubls tel que 1g est disposé entre deux
tubes 20 et 21 de manière à être excité principalement par le rayonnement
tangentiel des tubes, le rayonnement radial de ces tubes qui n'éclaire pas
le barreau 1 étant réfléchi en sens inverse par un réflecteur 22. 8ien
entendu le rayonnement laser des rubis est renvoyé à l'a~de de réflæcteurs
non représentés vers une zone axiale du barreau de ~erre 1, d'une manière
identique à celle représentée sur la figure 1b.
Les figures 3a et 3b représentent une tête laser comportant un
matériau actif en verre dopé au néodyme en forme d'un pri~me 23 à section
triangulaire. Le long de la facs 24 ~u prism~, opposée à l'arête 25 sont
disposés côte à côte des tubes à déchar~e tels que 26 parallele~ent à
l'arêto 25 de manière à former-une rangée en regard de la ~ace 24~ des
barreaux de rubis tels que 27 placés dans les c3vités résonnantes sont
égale~ent dispoés parallèle~snt à-la face 24 et à l'aræte`25, à pr~ximité
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des tubes 26 de ~ani~re à fo~e~ ~ne ~utFe r~n~ée plu~ é~oi~née ds la face
24 que la rangée de tubes, ~n réflecteur 28 peut ~tre disposé paur ren~oyer
vers la face 24 la partie du rayonnement axial des tubes 26 qui n'éclaire
pas le prisms 23.
Le prisme 23 est traversé deux fois par un faisceau Z9 de longueur
d'onde 1,06 microns qui se réfléchit sur la face 24 du prisme. Lorsqu'on
déclenche une décharge lumineuse dans les tubes 26, le prisme 23 est
~clairé par le rayonnement direct provenant des tubes, provoquant l'excitation
du matériau actif, le prisme 23 étant moins éclairé dans une zone 33 proche
de l'arête 25. Chaque cavlté laser à rubis produit un faisceau laser 30
qui, après réflexion sur des réflecteurs 31 et 32 est renvoyé vers la zone
33 moins éclairée du prisme.
Dans la disposition représentée sur les figures 3a et 3b, le
fa~sceau 29 subit uns réflexlon totale sur la face 24, ce q~i permet
d'é~iter le dépôt sur cette face 24 de couches multidiélectriques réfléchissantes
à la longueur d'onde de ~,06 mlcron, ces couches étant l'élément fragile
dea structures dites 3 plaques.
Sur la figure 4, on volt qu'il est possible de réaliser une
disposition analogue ~ celle de la figure 3a, mals dans laquslle la base du
prisme est un polygone de plus de trois côtés et les tubes à décharges sont
disposés sur plusieurs faces du prisme. Dans la disposition représentée le
polygone qui constitue la section du pris~e 34 comporte une partie convexe
composée de 3 côtés et une partie concave composée de 2 c~tés. Le faisceau
lumineux 35 de longusur d'onde ~,06 ~icron pénètre dans le pris~e 34 par
une face concave du prisme 34 et en ressort par l'autre face concave, après
avoir été réfléchi sur les faces convexes du prisme.
Des tubes ~ décharge tels que 36 et des lasers ~ rubis tels que
37 sont disposés 1B long des trois faces convexes du prisme 34, des réflecteurs
tels que 38, analogues au réflecteur 28 de la figure 3a, étant disposés
pour renvoyer le rayonnement des tubes vers les faces.
Bien entendu les faisceaux laser sortant des lasers ~ rubis 37
sont dirigés, après réflex~on sur des réflecteurs non représentés ~ers la
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zone centrale 3~ du P~ e 34 af~n d'aug~entsr l'~nYe~sion de population
dans cette zons insuff~sa~ment éclairée par le rayannement des tubes
décharge 36~
Le dispositif représenté sur la figure 5 illustre schématiquement
une application de la tête laser selon l'lnvsntion à un dispositif générateur
laser. Un faisceau laser 40 de longueur d'onde 1,06 micron provenant d'un
générateur lassr non représenté, traverse successlvement plusieurs amplifi-
cateurs dont deux 41 et 42 sont visibles sur la figure.
Chaque amplificateur comporte, agencés comme dans le cas des
figures 1a et 1b, un barreau de verre dopé au nédoy~e respectivement 43 et
44, une rangée de tubes 3 décharge 45 et 46, une rangée de lasers à rubis
47 et 48 et un réflecteur 49, S0 entourant les tubes et les rubis.
Mals les faisceaux tels que 51 émis par les rubis 47 de l'ampli-
ficateur 4~ sont réfléchis par des mirolrs 52 vers la zone axlale 53 du
harreau ds verre 44 ds l'amplificateur 42, cette zone 53 étant insuffisamment
sxcitée par le rayonnement des tubes 3 décharge 46.
Dana le ca~ du dispositif générateur laser, la disposition
représentée sur la flgure 5 peut conduire à des réalisations techniques
plus aimples que celles résultant immédiatement de la dlsposition illustrée
par les figures ~a et 1b.
La t8ts laser et le dispositlf générateur laser selon l'invention
peuvent être appliqués 3 l'étude de plasmas denses et chauds créés par
concentration de l'énergie de sortie de dispositifs générateurs laser.
