LASER

L'invention concerne un dispositif et un procédé permettant notamment de caractériser un faisceau laser puisé de haute énergie ou encore un faisceau laser continu. Ainsi, la présente invention est utilisée pour mesurer la puissance instantanée d'un faisceau laser, ou l'énergie totale d'une impulsion laser et/ou la polarisation du faisceau.

Elle s'applique aussi lorsque l'on souhaite mesurer l'aimantation générée au sein d'un milieu actif présentant un effet Cotton-Mouton Inverse.

En général, la puissance des lasers de haute puissance est mesurée par absorption totale ou partielle du faisceau laser. Ceci conduit à consommer l'énergie du laser au niveau de la cible utilisée pour exécuter la mesure. Ceci se traduit par une perte d'énergie du faisceau et présente comme inconvénient de ne pas pouvoir utiliser le faisceau laser, simultanément à la mesure de son énergie ou de sa puissance.

Pour connaître la forme temporelle, il est connu d'extraire une partie du faisceau et de l'envoyer sur un autre appareil basé sur des photodiodes rapides. Pour déterminer la polarisation du faisceau laser il est nécessaire de posséder des polariseurs spécialement conçus pour les hautes puissances et d'effectuer la mesure de l'énergie de l'impulsion en fonction de la polarisation.

La figure 1 présente l'effet Cotton-Mouton inverse ou ICME produit dans un milieu 1 par un faisceau laser se propageant dans le milieu en présence d'un champ magnétique transverse à la direction d'un faisceau lumineux.

La publication de Zon.B.A intitulée « observation of inverse Cotton-Mouton effect in the magnetically ordered crystal (Lu, Bi) ₃ (FE, Ga) ₅ Oi2, publié au JEPT Let. 45(1987)5, pages 272-275 décrit l'effet de Cotton-Mouton inverse. Cette publication décrit la mesure de l'aimantation induite par un faisceau laser puisé dans un film magnétique qui se trouve dans un champ magnétique extérieur statique orienté parallèlement à la direction de propagation du faisceau laser puisé.

La publication de Marmo S.l intitulée « Electric field induced magnetization and inverse Cotton-Mouton effect in atomic gases », publiée dans Physics letters A, 202 (1995), pages 201 -205 divulgue la prédiction de l'effet Cotton-Mouton inverse dans les systèmes atomiques et moléculaires. Définitions des termes utilisés

Dans la suite de la description, l'expression « milieu actif >> désigne un matériau, un cristal, un verre, un gaz, un liquide qui, lorsqu'il est soumis à un champ magnétique, va présenter un effet Cotton-Mouton inverse.

Le terme « caractériser ou caractérisât! on >> d'un faisceau laser sera utilisé pour mentionner une mesure de puissance instantanée du faisceau, une mesure de puissance ou encore la détermination de la polarisation du faisceau.

L'invention concerne un dispositif permettant de mesurer une aimantation générée au sein d'un milieu actif ou caractériser une onde électromagnétique polarisée linéairement lorsque ledit milieu actif présente un effet Cotton-Mouton Inverse, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants :

^■ un milieu actif dans lequel se propage une onde électromagnétique polarisée linéairement,

^■ un moyen de production d'un champ magnétique transverse B _t , par rapport à la direction de propagation de ladite onde électromagnétique,

^■ un dispositif de mesure du signal électrique traduisant l'aimantation générée au sein dudit milieu actif traversé par ladite onde électromagnétique. Dans le cas d'une onde électromagnétique, traversant un milieu actif, le dispositif de mesure permet de caractériser l'onde électromagnétique par au moins un des paramètres suivants : la puissance instantanée de l'onde électromagnétique, la puissance intégrale ou encore la polarisation de l'onde.

Selon un mode de réalisation, l'onde électromagnétique est un faisceau laser puisé et le dispositif de mesure caractérise le faisceau laser puisé par au moins un des paramètres suivants : la puissance instantanée d'une impulsion dudit faisceau laser, la puissance intégrale d'une impulsion dudit faisceau laser, la polarisation dudit faisceau laser.

Selon un autre mode de réalisation, l'onde électromagnétique est un faisceau laser continu et le dispositif de mesure caractérise le faisceau laser par au moins un des paramètres suivants : la puissance instantanée dudit faisceau laser, la puissance intégrale dudit faisceau laser, la polarisation dudit faisceau laser, le champ magnétique étant variable dans le temps.

Ledit milieu actif est, par exemple, soumis à un champ magnétique extérieur statique B _ex t variable ou constant dans le temps.

Le dispositif de mesure du signal comporte, par exemple, au moins une bobine de type pickup.

Le dispositif de mesures du signal peut comporter au moins deux bobines de type pickup placées de part et d'autre du milieu actif, la normale à leur surface, étant orientée sensiblement parallèlement au champ magnétique B _ex t.

Le dispositif de mesure électronique du signal traduisant la valeur d'énergie instantanée de l'onde électromagnétique, ou la valeur de la puissance de ladite onde électromagnétique comporte les éléments suivants :

^■ un sommateur et amplificateur de bas bruit ayant pour fonction d'éliminer le bruit parasite ne correspondant pas au signal associé à l'effet Cotton-Mouton inverse, le signal sommé et amplifié étant transmis à

^■ un filtre passe haut, puis à un intégrateur avant d'être transmis à un dispositif d'affichage et/ou à une mémoire de stockage.

Le dispositif comporte, par exemple, une monture tournante dans lequel sont disposés le milieu actif, les moyens de production du champ magnétique.

Le dispositif peut comporter un système d'adaptation optique. Ledit milieu actif est un cristal de TGG ou Terbium Gallium

Garnet.

L'invention concerne aussi un procédé pour mesurer une aimantation générée au sein d'un milieu actif, lorsque ledit milieu actif présente un effet Cotton-Mouton Inverse, le procédé étant mis en œuvre au sein d'un dispositif présentant l'une des caractéristiques précitées, le procédé comportant au moins les étapes suivantes :

^■ transmettre dans un milieu actif une onde électromagnétique polarisée linéairement,

générer un champ magnétique transverse B _t par rapport à la direction de propagation D| de ladite onde électromagnétique,

^■ mesurer le signal électrique traduisant l'aimantation générée au sein dudit milieu actif par ladite onde électromagnétique.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un ou de plusieurs modes de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatif annexés des figures qui représentent :

^■ la figure 1 , une représentation de l'effet inverse de Cotton-Mouton,

^■ la figure 2A, un exemple de dispositif de mesure selon l'invention, et la figure 2B, un exemple de circuit électronique associé,

^■ les figures 3A et 3B, une variante de réalisation du dispositif de la figure 2A, et ^■ les figures 4A, 4B les résultats obtenus en utilisant un cristal de terbium gallium garnet.

De manière générale, le dispositif selon l'invention permet de mesurer une aimantation générée au sein d'un milieu actif lorsque le milieu actif présente un effet Cotton-Mouton Inverse. Les exemples illustrés sur les figures concernent une application à la caractérisation d'un faisceau laser puisé ou continu, mais peuvent sans sortir du cadre de l'invention s'appliquer dans le cas d'une onde électromagnétique polarisée linéairement.

La figure 2A schématise un exemple de dispositif donné afin d'illustrer les éléments du dispositif 1 selon l'invention dans le cas d'une application à la caractérisation d'un faisceau laser puisé.

Sur cette figure 2A un milieu actif 10, est disposé entre deux aimants permanents 1 1 , 12 qui fournissent un champ magnétique statique transverse B _t orienté perpendiculairement à la direction de propagation D| du faisceau laser 13 à caractériser, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur. Deux bobines pickup 14, 15, par exemple, détectent le signal d'aimantation dû à la propagation du faisceau laser dans le milieu actif et à la présence du champ magnétique B _t . Ce signal d'aimantation est variable en fonction du temps. Les bobines pickup 14, 15 sont, par exemple, placées de part et d'autre du milieu actif 10. La normale à leur surface Au, Ai ₅ , est orientée parallèlement au champ magnétique B _t . Les signaux électriques Su, Sis générés au niveau de chacune des bobines sont transmis à un circuit électronique de mesure dont un exemple de réalisation est donné à la figure 2B.

Dans le cas d'un milieu actif de type ferromagnétique, il n'est pas nécessaire d'utiliser un champ magnétique extérieur B _ex t pour obtenir l'effet inverse de Cotton-Mouton, le champ magnétique B _t est intrinsèque au matériau. Le dispositif peut aussi être utilisé pour caractériser un faisceau laser continu. Dans ce cas, le champ magnétique transverse intrinsèque au matériau B _t , ou le champ magnétique B _ex t utilisé, est un champ magnétique variable dans le temps, dont la loi de variation temporelle est connue. Dans ce cas, il est possible de mesurer la valeur d'une puissance constante ou sensiblement constante du faisceau laser continu.

Dans le cas d'une onde électromagnétique, traversant un milieu actif, le même dispositif s'applique. Le dispositif de mesure permet de caractériser l'onde électromagnétique par au moins un des paramètres suivants : la puissance instantanée de l'onde électromagnétique, la puissance intégrale ou encore la polarisation de l'onde.

La forme et le nombre de spires des bobines sont choisis en fonction par exemple de la variation de flux magnétique. Il est possible d'utiliser des bobines pickup de type planaire. Il serait aussi envisageable d'utiliser des bobines ayant une surface courbe qui suit au mieux les lignes de champ du champ magnétique extérieur.

L'exemple donné mentionne deux bobines, mais sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait effectuer la caractérisation du faisceau laser ou d'une onde électromagnétique en utilisant une seule bobine pickup ou un nombre de bobines supérieur à 2 selon l'application. De même, comme il sera présenté en figure 3A, les bobines pickup peuvent être reliées à des bobines de compensation permettant de limiter, voire annuler des effets parasites.

Le milieu actif 10 est un milieu qui présente un effet Cotton- Mouton inverse lorsqu'il est soumis à un champ magnétique extérieur B _ex t ou bien au champ magnétique intrinsèque B _t dans le cas de milieu ferromagnétique ou d'autres milieux qui n'ont pas besoin de sollicitation extérieure. Il est ainsi possible d'utiliser du cristal ou du verre. Des milieux actifs liquides ou gazeux peuvent aussi être envisagés. Les dimensions et la nature du milieu actif seront choisies en fonction de l'application souhaitée. Par exemple, pour une utilisation dans le cadre des lasers très intenses, il est possible de choisir un milieu actif couplé à système d'adaptation optique de dimensions telles que la densité d'énergie du faisceau reste en dessous du seuil d'endommagement du milieu actif. La nature du milieu actif pourra aussi être choisie en fonction de la longueur d'onde du laser.

La figure 2A montre un système optique d'adaptation 20, représenté par une lentille d'entrée 201 et une lentille de sortie 202. Ce système permet avantageusement d'adapter la taille du faisceau laser puisé ou continu à caractériser aux dimensions de l'appareil. Lorsque le dispositif de caractérisation selon l'invention est positionné dans un système existant, ce système d'adaptation permet notamment d'adapter la taille du faisceau laser à caractériser aux systèmes optiques existants dans le système.

L'ensemble comprenant le milieu actif 1 0, les aimants 1 1 , 1 2 et les bobines 1 4, 1 5 peuvent être positionnés à l'intérieur d'une monture 30 tournante qui permet de tourner par rapport à un axe AR parallèle à la direction de propagation du faisceau laser de façon à régler l'angle δ entre la direction du champ magnétique transverse B _T et la polarisation du laser dont la valeur de l'effet Cotton-Mouton inverse dépend. En mesurant le signal ICME en fonction de l'angle δ, on peut déterminer l'état de polarisation de laser, et en particulier son ellipticité.

La figure 2B représente un exemple de circuit électronique 2 associé au dispositif de caractérisation du faisceau laser puisé.

Dans cet exemple, les deux bobines pickup 1 4, 1 5 de la figure 2A sont reliées à un sommateur et amplificateur 40 de bas bruit ayant pour fonction d'éliminer le bruit parasite ne correspondant pas au signal associé à l'effet Cotton-Mouton inverse. Le signal sommé et amplifié S _t est transmis à un filtre passe haut 41 , puis à un intégrateur 42 avant d'être transmis à un dispositif d'affichage 43 et/ou à une mémoire 44 de stockage.

Ce circuit électronique peut sans sortir du cadre de l'invention être mis en œuvre pour l'application à une mesure d'aimantation générée au sein d'un milieu actif ou encore pour caractériser un faisceau laser continu. Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est, par exemple, le suivant : le dispositif de caractérisation d'un faisceau laser ou d'une onde électromagnétique selon l'invention est positionné sur le trajet optique du faisceau laser ou de l'onde électromagnétique à caractériser (mesure de la puissance instantanée, de la puissance totale et/ou de la polarisation). Le système optique d'adaptation lorsqu'il est présent est optimisé de façon telle que le faisceau laser ou l'onde à caractériser conserve les caractéristiques à son utilisation première souhaitée après passage dans le dispositif, dans le milieu actif. Dans le cas de la mesure d'une aimantation (onde électromagnétique), le système optique d'adaptation sera défini en tenant compte des caractéristiques de cette onde électromagnétique.

Une manière de procéder lorsque l'on souhaite connaître la direction de la polarisation d'un faisceau laser puisé ou continu polarisé linéairement est d'utiliser la monture tournante et de maximiser la valeur affichée sur le dispositif. Dans ce cas, on tourne la monture jusqu'à faire apparaître un signal maximum relevé au niveau du dispositif d'affichage. La monture étant graduée, sa position donne la direction de la polarisation du faisceau. Il est aussi possible d'utiliser cette méthode pour connaître la polarisation d'une onde électromagnétique polarisée linéairement.

L'exemple qui suit a été obtenu dans le cas d'un laser puisé, en utilisant comme milieu actif un cristal de TGG ou terbium gallium garnet. La source laser utilisée est un laser Nd :YAG (lambda = 1064 nm) générant des puises de lumière d'une durée de 10ns et une énergie d'environ 0.5 J/pulse. L'exemple est illustré aux figures 3A et 3B.

Des changements dans la magnétisation du cristal ont été mesurés en utilisant un dispositif comprenant une bobine double pickup telle que celle décrite à la figure 2A, mais cette fois-ci constituée d'une bobine de compensation 50 et d'une bobine de mesure 51 . La figure 3A représente une partie du dispositif de mesure constituant la zone de mesure. La bobine signal 51 est mise au contact du cristal 10 à caractériser, alors que la bobine de compensation 50 est disposée à une certaine distance. Les caractéristiques et la forme de cette bobine double (signal et compensation) sont choisies de façon telle que tout signal qui ne résulte pas du cristal soit annulé. La distance entre les centres de chacune des bobines est, par exemple, de 5 mm. Chaque bobine pickup est calibrée en mesurant le signal obtenu dans un champ magnétique modulé connu. Le signal de sortie des bobines est amplifié par un amplificateur rapide faible bruit et filtré au travers d'un filtre passe haut. Deux montages identiques sont utilisés, de part et d'autre du cristal.

Sur la figure 3B, le faisceau laser passe à travers 2 polariseurs 60, 61 . Le second polariseur 61 fixe la polarisation du faisceau alors que le premier polariseur 60 est utilisé pour changer la puissance du laser délivrée au cristal TGG en faisant tourner son axe de rotation par rapport à la direction de polarisation donnée par le premier polariseur. Une lame demi- onde 62 est placée après les polariseurs pour faire tourner la polarisation laser si nécessaire. Des miroirs suiveurs 63 et une lentille permettent de délivrer et de focaliser le faisceau laser quelques centimètres derrière le cristal TGG. La taille du cristal est de 2 ^* 2 ^* 2 mm. Dans cet exemple, la forme du cristal est un cube immergé dans un champ magnétique parallèle à la direction [0, 0, 1 ]. La valeur du champ était comprise dans l'intervalle [0-2,5 T]. Le vecteur k de la lumière dans cette application est parallèle à la direction [0, 0, 1 ] et perpendiculaire au champ magnétique externe, c'est-à- dire parallèle à la direction [0, 1 , 0]. Dans la suite le sigle || indique une quantité mesurée pour une polarisation de la lumière parallèle au champ magnétique et un siglel une quantité mesurée avec une polarisation de lumière perpendiculaire au champ externe.

Dans la figure 4A, sont représentés une impulsion laser typique avec le signal correspondant détecté par un des deux signaux bobine. Les deux signaux sont enregistrés sur un oscilloscope avec 1 GS/s.

Le faisceau laser puisé est contrôlé en extrayant une faible partie du faisceau injecté dans le cristal avec un séparateur de faisceau. Une diode rapide est utilisée pour contrôler l'impulsion laser. La photodiode a été calibrée par rapport à un dispositif mesurant l'énergie puisée atteignant le cristal.

La magnétisation ICME dans un cristal TGG peut être définie comme suit :

où CICM désigne la constante de l'effet Cotton Mouton Inverse propre au milieu actif, Pd la densité de puissance du faisceau lumineux et B _ex t le champ magnétique externe. La relation reste valable pour un champ magnétique intrinsèque au matériau.

Cette magnétisation peut être mesurée à l'aide d'une bobine pick up si elle varie dans le temps. En effet, la variation de la magnétisation M(t) induit une différence de potentiel V(t) aux bornes de la bobine de mesure suivant la r lation

où g est le gain de l'amplificateur de la bobine de mesure. A _e = 1 0 mm ² est la zone effectivement calibrée de la bobine signal et B _p est la densité du flux magnétique au travers de la surface de la bobine de mesure produite par l'aimantation M du cristal.

On remarque alors que la variation temporelle de B _p (t) peut être réalisée de deux manières (voir relation (1 )) :

- a) en faisant varier la densité de puissance Pd du faisceau (laser puisé ou modulé),

- b) en faisant varier le champ magnétique externe.

Dans le cas a), la variation de B _p (t) s'écrit :

dB _p (t)/dt = bBext (3)

dt et le signal ICME V(t) s'écrit alors :

où P _d est la densité du faisceau laser, B _ex t est le champ magnétique statique transverse et b est un facteur de proportionnalité caractérisant la valeur ICME. Ce facteur dépend des propriétés du milieu qui est illuminé par le faisceau laser et ainsi magnétisé.

Ainsi, le signal ICME est proportionnel à la dérivée temporelle de l'intensité du laser puisé comme il est représenté à la figure 4A montrant dans un diagramme d'axe temporel la valeur du signal ICME et la valeur de l'intensité laser.

La figure 4B représente la densité de flux magnétique pour une valeur de champ magnétique 2.5 T modifiant la valeur de l'énergie de puise de 0 à 0.250 J. les données ont été obtenues dans deux configurations de la polarisation laser : l'une parallèle au champ magnétique correspondant à la densité de flux magnétique mesuré Bp||, l'autre perpendiculaire au champ magnétique correspondant à Bpl. Le diamètre du spot laser dans le cristal était de 1 .2 mm, correspondant à une densité d'énergie laser Pd comprise dans la gamme 0 - 2.2 x 10 ¹³ W/m ² . La figure 4B montre que la densité de flux magnétique dépend linéairement de la densité de puissance laser.

Pour une magnétisation M de 1 A/m, il a été trouvé une densité de champ magnétique d'environ 4x10 ^"8 T. En utilisant un facteur de conversion f entre la valeur de la densité du flux Bp et la magnétisation M du cristal d'environ 2.5 x 10 ⁷ (A/m)T ¹ .

Dans le cas b), en faisant varier le champ magnétique externe la variation de B _p (t) s'écrit :

dB .

dB (t)/dt = bxP . x— ^

P ^w cl dt

Le signal ICME V(t) s'écrit alors : dB .

V(t) = -gxA xbx P . x— ^* ¹

w ^a e d dt

Cette fois le faisceau est continu et c'est le champ magnétique qui est puisé.

L'invention offre notamment les avantages suivants :

• mesurer à la fois la puissance instantanée d'un faisceau laser puisé de haute puissance avec une réponse temporelle inférieure à la nanoseconde, l'énergie totale de l'impulsion laser et la polarisation du faisceau ;

• mesurer la puissance d'un laser continu si on applique un champ magnétique variable ;

• réaliser une mesure d'aimantation au sein d'un matériau qui présente un effet Cotton-Mouton Inverse.

Le dispositif selon l'invention peut combiner trois fonctionnalités qui, dans les appareils de l'art antérieur connus du Demandeur sont en général séparées.

Un autre avantage procuré par le dispositif et le procédé selon l'invention est de pouvoir effectuer les mesures décrites précédemment, sans avoir besoin d'extraire ou d'atténuer une partie du faisceau. Le dispositif présenté peut être inséré dans un circuit optique existant sans le modifier. Il permet donc de visualiser l'impulsion laser et de mesurer ses caractéristiques pendant l'utilisation même du faisceau.

Selon un exemple d'utilisation, l'ensemble champ magnétique et bobine pickup peut être disposé autour d'un cristal laser, afin de mesurer évolution temporelle de la puissance dans le cristal. Une autre possibilité est d'intégrer le système dans un isolateur Faraday devenant à la fois un isolateur standard et un appareil de mesures de puissance.