LASERS CHIMIQUES
Le laser au fluorure de deutérium produit une sortie mi-IR
Roland Roux
Des lasers à hydrogène et à halogénure de deutérium (HCl, DF, HBr) basés sur une réaction chimique exothermique initiée soit par décharge, soit par mélange rapide des gaz réactifs émis dans la région de longueur d’onde de 3 à 5 µm. Diverses longueurs d’onde dans cette gamme spectrale sont bien adaptées à la propagation de faisceaux à longue portée dans l’atmosphère car elles coïncident avec des fenêtres atmosphériques.
Il y a plusieurs années, CILAS (Marcoussis, France) a développé un laser HF-DF capable de produire une puissance moyenne de 600 W aux longueurs d’onde HF et de 250 W pour le DF.1 Le fonctionnement à long terme d’un tel laser nécessite cependant une régénération continue des gaz en cours de mélange. Une autre approche pour les expériences qui ne nécessitent qu’une faible puissance moyenne est le pompage optique des molécules d’hydrogène et d’halogénure de deutérium. Les gaz utilisés et la source pum¥ sélectionnée permettent de couvrir diverses régions spectrales comprises entre 3 et 5 µm. Cette approche évite les inconvénients de la dissociation et de la régénération des gaz.
Plus récemment, des chercheurs du CILAS – soutenus par la DRET (Direction des Recherches, Etudes, et Techniques, Paris, France) – ont expérimenté un nouveau laser au fluorure de deutérium de faible puissance moyenne.2,3 Dans ce dispositif, une courte impulsion laser stimule les molécules d’hydrogène ou d’halogénure de deutérium contenues dans une cellule à gaz, créant une inversion de population en cascade. La principale difficulté est de trouver une source laser capable de tamponner¥ les lignes discrètes et étroites des différentes transitions.
Laser de forstérite
Dans la plage de pression typiquement utilisée pour laser les molécules d’hydrogène ou d’halogénure de deutérium, les raies d’absorption sont très étroites (moins de 1 GHz). Ainsi, une source pum¥ efficace doit avoir des propriétés spectrales étroites similaires et être réglée précisément sur une raie d’absorption. Un laser à forstérite utilisant une série de prismes et deux dispositifs de Fabry-Perot est capable de répondre à ces exigences (voir figure p. 29).
Le laser forstérite dopé au chrome (Cr4 +: Mg2SiO4) est basé sur un cristal de 23 mm de long avec une section transversale de 4 ¥ 6 mm2 et coupé à l’angle de Brewster. Un laser Nd: YAG à commutation de Q pompe longitudinalement le cristal de forstérite à 1,064 nm. Le laser Nd: YAG délivre des énergies d’impulsions u¥ à 130 mJ avec une durée d’impulsion de 10 ns et une fréquence de répétition d’impulsions de 10 Hz.
La longueur d’onde de sortie requise est obtenue en faisant passer le faisceau à travers trois prismes dispersifs et en faisant tourner le miroir totalement réfléchissant. Pour réduire la bande passante spectrale de l’émission laser, deux dispositifs Fabry-Perot sont placés dans la cavité. Le laser de forstérite est accordable en douceur de 1,16 à 1,33 µm et le pic de plage d’accord est centré à 1,25 µm. Sans les dispositifs Fabry-Perot, le laser à forstérite délivre une énergie maximale de 13 mJ par impulsion à 1,25 µm avec l’énergie pum¥ de 130 mJ (voir figure en médaillon, p. 29) ; l’efficacité de conversion optique est donc de 10%. Avec les dispositifs Fabry-Perot, à 1,268 µm (la ligne HF), l’énergie d’impulsion est de 6 mJ, et à 1,193 µm (la ligne DF), elle est de 3 mJ. La longueur d’impulsion est comprise entre 50 et 70 ns (FWHM) avec une largeur de ligne de 0,06 Å.
La sortie à ligne étroite du laser à forstérite est introduite dans la cellule à gaz à travers un miroir à cavité dichroïque incurvé qui est hautement transmissif à la longueur d’onde pum ¥ et hautement réfléchissant aux longueurs d’onde laser HF et DF. Des cellules en acier inoxydable équipées de fenêtres Brewster au fluorure de calcium sont utilisées; les longueurs des cellules sont de 15 cm pour HF et de 50 cm pour DF.
Avec ce setu¥ pompant la cellule HF, les chercheurs ont obtenu une énergie de superfluorescence de 250 µJ (mesurée sans miroirs) sur la transition autour de 2,8 µm. La pression des cellules HF était de 30 Torr et l’énergie du laser pum ¥ de forstérite était de 6 mJ à 1,268 µm avec une longueur d’impulsion de 50 ns. Lors du pompage de la cellule DF, une émission laser en cascade a été observée et des raies laser comprises entre 3,64 et 3,85 µm ont été émises simultanément avec environ 10 µJ d’énergie. Dans ce cas, la pression de la cellule DF était de 3 à 6 Torr; l’énergie laser pum ¥ était de 3 mJ à 1,193 µm.