Laser à rubis en régime relaxé.

Tête laser utilisant 2 réflecteurs aluminise parabolique , un réflecteur est muni d’un tube flash au xénon de diamètre intérieur de 5 mm et diamètre extérieur 6.7 mm avec une longueur d’arc de 44mm . Le tube est repli avec du xénon à une pression de 800 torr ce qui lui donne une impédence Ko = 11,16 ohm .

Le deuxiéme réflecteur parabolique concentre l’éclair du tube flash sur le rubis. Le rubis à un diamètre de 6.7mm et une longueur active de 44mm. Il est dopé avec 0.05% d’oxyde de chrome. La face de sortie est plane et présente une réflexion de 18% ce qui n’est pas suffisant il faut y ajouté un miroir multi-diélectrique ayant une réflexion entre 40% et 60%. L’autre face est taillée en forme de prisme sur le rubis lui même ce qui à pour effet de réalisé une réflexion interne total de ce fait augment la longueur du barreau de 2 fois donc le gain.

Par les petits tubes on peut rentré de l’air pour refroidir le tube flash.
Le rubis est un système à 3 niveaux il faut pour obtenir le seuil laser que 50% des atomes de chrome soient pompées sur le niveau E 3 et c’est seulement que le seuil laser est atteint. Une énergie pompe de 300 J /cm3 pompe 50% des atomes de chrome.

Ce rubis à un volume actif de 1.6 cm3 donc 480 à 600 J sont nécessaire.
Je vous conseille une batterie de condensateurs électrolytique de 4 mF sous 800 V ce qui permettra d’obtenir une décharge de 500 V 2kA durant 2ms optimum pour ce petit tube flash.ATTENTION DE NE PAS DEPASSE 500J POUR CE TUBE. Une inductance série de 100 micro Henri sera bien. Je vends également des inductance qui font transfo trigger en série.

Avec ce rubis vous pouvez travaillé uniquement en mode relaxé avec des pulses de 2 milliseconde et une énerie maximum de 2 joules .

1. Rappel sur la structure du laser à rubis

Milieu amplificateur : Cr³⁺ dans Al₂O₃ (concentration 0,05 % Cr₂O₃).
Transition laser : entre les niveaux $2E→4A2^2E \to ^4A_2$ de Cr³⁺.
Longueur d’onde d’émission : 694,3 nm (rouge profond).
Pompage : lumière intense du flash au xénon (~550 nm) excitant le niveau $^4T_2$ .
Rubis → laser à trois niveaux, donc seuil d’inversion assez élevé.

2. Pourquoi une extrémité en forme de prisme à 90° ?

C’est un choix optique et pratique, pour éviter l’oscillation parasite sur cette face.

Explication :

Un laser à rubis doit avoir deux miroirs formant une cavité résonante :

un miroir total (100 %) d’un côté,
un miroir partiellement réfléchissant (face de sortie, ~70 % R) de l’autre.

Mais dans certains montages, on ne dépose pas de miroir directement sur le rubis, on utilise des miroirs externes.
Dans ce cas, il faut éviter que les faces du cristal elles-mêmes réfléchissent la lumière par réflexion de Fresnel (~8 %) et forment une cavité parasite interne → ce qui perturberait la résonance principale. Une face prismatique peut renvoyer les rayons parallèles à l’axe sur ce même axe — elle peut donc se comporter comme un miroir interne et non comme un dispositif qui « dévie hors axe ». Voici la description plus précise :

Si l’extrémité du cristal est taillée en prisme droit (face hypotenuse à 45° par rapport à l’axe) et que l’angle d’incidence satisfait la condition de réflexion totale interne (RTI) sur la face inclinée, le faisceau axial réfléchi revient pratiquement colinéaire à l’axe mais dans le sens opposé (effet de rétro-réflexion/renvoi).
Autrement dit, cette face prismatique peut jouer le rôle d’un miroir interne sans dépôt de couche réfléchissante : avantage mécanique et thermique (pas de dépôt fragile), et possibilité de contrôler la polarisation/phase du retour.
Selon la géométrie exacte (angles, polissage, présence/absence de revêtement, indices), la réflexion peut être presque totale (RTI) ou partielle.
Avantages pratiques : robustesse, élimination de dépôts fragiles, possibilité d’ajuster les pertes de sortie / retours et la distribution des modes.
Inconvénients possibles : si la face est parfaitement rétro-réfléchissante elle peut créer une cavité supplémentaire (ou renforcer la cavité principale) — il faut gérer les pertes/réflexions pour éviter des oscillations indésirables en modes transverses ou instabilités.

Hypothèses de base (utilisées pour les estimations)

Rubis (Cr:Al₂O₃) — durée de vie de l’état excité (temps de décroissance radiative) typique :
$ms\tau_{\text{sp}} \approx 3\ \text{ms}$ (valeur courante pour le rubis à température ambiante).
Pompage par lampes flash au xénon : profil temporel typique dépend du circuit (condensateur, inductance, résistance) et de la capa utilisée. Les largeurs optiques usuelles vont de quelques $10^{-5}$ s (dizaines à centaines de µs) à quelques ms.
On considère ici un montage flash classique (condensateur → flashlamp) sans refroidissement extrême, et une énergie par coup typique de l’ordre de 10²–10³ J (comme discuté précédemment).

1) Estimation de la durée d’impulsion (ordre de grandeur)

Trois régimes possibles suivant la relation entre durée de pompage $t_p$ et τ_sp :

A) Pompage court $tp≪τspt_p \ll \tau_{\text{sp}}$ (ex. flash très rapide, ~100–300 µs)

La pompe fournit une inversion rapide ; si la cavité est mise en résonance ou si on ouvre un Q-switch après accumulation, l’émission se produit rapidement.
Impulsion laser libre (sans Q-switch) : durée comparable à la durée d’augmentation/décrémentation de l’inversion — typiquement quelques centaines de µs (≈ 0.1–0.5 ms).
Si Q-switché : on peut obtenir une impulsion très courte (ns) en ouvrant la cavité après accumulation d’inversion.

B) Pompage intermédiaire $tp∼τspt_p \sim \tau_{\text{sp}}$ (ex. 0.5–3 ms)

L’inversion s’accumule pendant toute la durée du flash et décroît avec τ_sp. L’émission s’étale sur une portion de la courbe : durée de l’ordre de 0.5–3 ms (souvent ≲ τ_sp).
La forme temporelle peut être asymétrique (montée lente du flash, émission plus abrupte quand le gain dépasse le seuil).

C) Pompage long $tp≫τspt_p \gg \tau_{\text{sp}}$

L’état excité se renouvelle pendant que la population décroit ; le laser peut entrer en régime quasi-continu intermittent, la sortie peut s’étaler sur plusieurs ms ou former plusieurs micro-pulses selon dynamique. Ce n’est pas courant pour un rubis flashtypique.

Conclusion chiffrée (typique pour ton montage flashlamp → rubis 6×90 mm)

Sans Q-switch (free-running) : impulsions ≈ 0.1 ms – 3 ms (100 µs à quelques ms), dépendant fortement de la durée du flashlamp (condensateur) et de la dynamique de gain.
Avec Q-switch (déclenché) : l’énergie stockée peut être libérée en impulsions de l’ordre de 10–100 ns (historique : rubis Q-switché donne typiquement 10–100 ns selon cavité et optique), à condition de synchroniser le Q-switch avec l’accumulation d’inversion.

2) Peut-on “travailler en régime déclenché” ? Q-switch

Oui — oui, mais avec des conditions et limites pratiques.

a) Fonctionnement déclenché / répétitif (tir par tir)

Possible : on peut déclencher répétemment la charge du condensateur + tir du flashlamp, obtenir des impulsions laser séparées.
Limites :
- Taux de répétition (rep rate) limité par dissipation thermique du barreau et de l’ampoule.
  - Pour un montage non refroidi et énergies importantes (→ centaines de J flash), on reste en pratique à ≤ 1–10 Hz.
  - Avec refroidissement actif (circulation d’eau autour du barreau, refroidissement de la lampe), on peut monter à quelques 10 Hz mais souvent en réduisant l’énergie par pulsation.
- Usure de la lampe flash : la lampe a une durée de vie limitée (dépend du courant, de la répétition) — la vie utile diminue fortement à haut rep-rate.
- Fatigue thermique du rubis : cycles thermiques répétés génèrent contraintes — nécessité d’un bon montage mécanique (montage libre ou à point de contact, refroidissement).
Règle pratique : pour un barreau rubis classique et flashlamp de labo, régime déclenché à 0.1–10 Hz est usuel ; au-dessus il faut ingénierie thermique.

b) Fonctionnement Q-switché déclenché

Possible et courant en laboratoire historique : on pompe (flash), on attend que l’inversion atteigne un maximum, puis on déclenche le Q-switch (Pockels cell + polariseur, ou un obturateur rapide) → courte impulsion (ns).
Contraintes :
- Synchronisation : il faut déclencher le Q-switch au bon moment — typiquement quelques centaines de µs à quelques ms après le pic du courant de la lampe, selon profil. Pour un flash donnant un maximum d’inversion vers 0.5–2 ms après le déclenchement, le retard de déclenchement du Q-switch est de cet ordre.
- Pertes intra-cavité : rubis est à trois niveaux (seuil élevé) — il faut suffisamment d’inversion accumulée avant ouverture du Q-switch.
- Énergie par impulsion : Q-switch permet d’obtenir pics de puissance très élevés (J/10 ns → GW de crête pour J entiers), mais l’énergie totale extraite est limitée par l’énergie stockée dans le milieu (quelques 0,1–a quelques J dans ton cas).
- Équipements : Pockels cell, driver haute tension, polariseurs résistants à haute énergie, synchroniseur précis.

3) Timings pratiques recommandés (valeurs utilisables immédiatement)

Si ton flashlamp a une décharge courte (profil → pic optique ≈ 200–500 µs) :
- déclencher Q-switch ≈ 100–500 µs après le début du flash (ajuster pour pic d’inversion).
- Résultat attendu : Q-switché → impulsion ns ; free-running → impulsion ≈ 0.1–0.5 ms.
Si profil du flash ≈ 1–3 ms :
- déclencher Q-switch ≈ 0.5–2 ms après le départ du flash (à ajuster expérimentalement pour le pic d’inversion).
- Free-running → impulsion 0.5–2 ms typique.
Dans tous les cas, la meilleure méthode est d’utiliser une photodiode/photomultiplicateur pour surveiller la fluorescence/émission et régler le délai du Q-switch afin d’optimiser énergie par pulsation.

4) Conseils pratiques / pièges à éviter

Ne pas monter le rep-rate tant que le refroidissement n’est pas dimensionné. La fracture thermique du rubis est un vrai risque si on répète des tirs puissants sans dissipation.
Protéger optiquement et électriquement : hautes tensions, rayonnement laser dangereux (694 nm, très pénétrant pour l’œil) — lunettes adaptées, sécurités inter-verrouillées.
Synchronisation : pour Q-switch, besoin d’un synchroniseur précis (sub-µs à µs selon électronique).
Optimiser couplage pompe → barreau : le timing et la géométrie déterminent l’efficacité d’accumulation, donc l’énergie disponible pour l’impulsion Q-switchée.

5) Résumé synthétique

Durée impulsion free-running (ton montage) : ≈ 0.1 ms – 3 ms (100 µs à quelques ms), dépend du profil du flashlamp et de τ_sp ≈ 3 ms.
Durée impulsion Q-switchée : ~10–100 ns (si tu ajoutes un Q-switch et synchronises correctement).
Régime déclenché / répétitif : oui, possible — mais limité par dissipation thermique et durée de vie de la lampe. Rep-rate pratique : 0.1–10 Hz pour fortes énergies ; avec refroidissement on peut monter plus haut à condition de réduire l’énergie par pulse.
Timing de déclenchement Q-switch : typiquement quelques 10⁻⁴ à 10⁻³ s (0.1–2 ms) après le départ du flash suivant le profil.

Quel est la durée minimum d’un pulse en blocage de mode sur le rubis ?

Résultat principal (court)

Le minimum théorique d’une impulsion mode-lockée limitée par la bande passante de gain du rubis est de l’ordre de 1–2 ps.
En pratique, les expériences historiques rapportent des pulses aussi courts que ≈1.5 ps (mesure TPF) ; des réalisations plus courantes en mode-verrouillage donnent plutôt des durées de quelques dizaines de ps (active/passive mode-locking). Wikipédia+2OSTI+2

Pourquoi ~1–2 ps ? (calcul simple)

Pour un pulse transform-limité la relation temps-bande est (pour un profil gaussien) :

$Δt⋅Δν≈0,44.\Delta t \cdot \Delta \nu \approx 0{,}44.$

On peut estimer $Δν\Delta\nu$ à partir de la largeur spectrale d’émission du rubis. La littérature donne une largeur (FWHM) ≈ 0{,}53 nm autour de 694.3 nm pour la raie du rubis. Wikipédia

Calcul rapide :

$nm\lambda_0 = 694.3\ \text{nm}$ , $nm\Delta\lambda \approx 0.53\ \text{nm}$ .
$Hz\Delta\nu \simeq c\,\Delta\lambda/\lambda_0^2 \approx 3.30\times10^{11}\ \text{Hz}$ .
donc $ps\Delta t_{\min}\approx 0.44/\Delta\nu \approx 1.3\ \text{ps}$ .

Conclusion : ordre de grandeur ~1.3 ps (arrondi, d’où la fourchette 1–2 ps). Wikipédia

Ce que la pratique montre

Expérimentations anciennes / classiques : pulses de 50–100 ps (plus facile), pulses de ~35 ps avec mode-verrouillage actif bien synchronisé, et mesures aussi courtes que ≈1.5 ps rapportées (TPF, 1975). Les limites pratiques viennent de la bande passante, dispersion intra-cavité, non-linéarités et technique de mode-verrouillage.
Résumé pratique : atteindre <10 ps sur rubis est réalisable mais exige un design soigné ; descendre vers ~1–2 ps est proche de la limite imposée par la bande passante et demande compensation de dispersion, profil spectral large et minimale dégradation (et des diagnostics fiables).

Méthodes de mode-verrouillage pertinentes pour rubis

Mode-verrouillage actif (modulateur électro-optique ou acousto-optique) : permet des pulses de l’ordre de dizaines de ps, bon contrôle de synchronisation. Publications AIP
Mode-verrouillage passif (absorbeur saturable) : possible mais le rubis a un gain étroit et longue durée de vie de fluorescence (~3 ms) → la dynamique favorise pulses plus longs qu’avec média à large bande (ex : Ti:Sapphire). Wikipédia
Kerr-lens mode locking (KLM) : efficace pour milieux à large bande (Ti:Sa), beaucoup moins adapté au rubis du fait de sa bande étroite → difficile d’atteindre fs. CERN Document Server

Limitations pratiques à connaître

Bande passante de gain : contrainte première (déjà utilisée pour le calcul).
Dispersion et compensation : pour atteindre la limite transformée il faut compenser dispersion de la cavité (miroirs, éléments, verre).
Mesures : les détecteurs/techniques (autocorrélation, TPF, FROG) doivent être adaptés pour valider ps et sub-ps.
Énergie par impulsion : rubis est un laser à trois niveaux → énergie extraite par impulsion limite la possibilité d’avoir à la fois très courte durée et énergie élevée. Wikipédia+1

Durée minimum théorique (transform-limited) ≈ 1.3 ps (≈1–2 ps). Wikipédia

Durée la plus courte rapportée expérimentalement : ≈1.5 ps (mesure TPF, littérature 1970s). OSTI
Durée pratique courante en mode-locké : quelques dizaines de ps (dépend méthode de verrouillage et optimisation)

Le procédé Verneuil permet de fabriquer des cristaux d’oxyde d’aluminium (Al₂O₃), appelés saphirs synthétiques. En dopant cet oxyde d’aluminium avec différents oxydes métalliques, on obtient différentes couleurs et propriétés :

– Avec de l’oxyde de chrome (Cr₂O₃), on obtient du rubis, qui est un saphir rouge.
– Avec de l’oxyde de nickel (NiO) et de cobalt (CoO), on peut obtenir des saphirs de couleur bleue ou verte, selon la concentration et les proportions des dopants.