Laser à azote limite de diffraction
muni d’un oscillateur et de 3 amplificateurs.
Ce laser est une version MOPALITE avec 3 étages d’amplification qui devrais me permettre d’obtenir un faisceau limite de diffraction d’un mégawatt durant 500 ps de quoi obtenir le claquage diélectrique de l’air (une première mondial pour un laser à azote! )
Ce laser est une version plus puissante des lasers MOPALITE que j’ai développé en 1983 pour le CERN à Genève pour Carlo Rubbia prix Nobel avec la découverte du boson intermédiaire W° voir sous: http://www.swissrocketman.fr/020-tea-n2-osc-2-ampli-mopa1000,fr,3,119.cfm
Le laser se compose d’une ligne de « Blumlein » ce qui permet de réaliser plus facilement les réglage des électrodes de décharge et de pouvoir filmer la décharge.
Après réglage le laser sera équipé d’une 2ème ligne de « Blumlein » ce qui permettra d’augmenter l’énergie de sortie.
L’oscillateur produit un faisceau qui est sélectionné en divergence au moyen d’un iris de diamètre 800 microns puis le rayon passe à travers un télescope de 6X permettant d’obtenir une divergence limite de diffraction grâce à des électrodes d’amplification ayant une forme bien particulière permettant de créer une zone de décharge petite ayant un fort gain.
Le faisceau sortant du télescope est limite de diffraction et à une énergie de l’ordre de 1 microjoule et il va être amplifier dans les 3 amplificateurs.
La première difficulté consiste à synchronisé le timing du pulse entrant dans le premier amplificateur sachant que la durée du pulse est de 300 picoseconde et que le premier amplificateur dois être près de l’inversion de population maximum sans que celui-ci parte en ASE (Amplified Spontaneous Emission)
La deuxième difficulté est d’injecté le faisceau présentant une énergie de 150 microjoules dans le deuxième et troisième amplificateur aussi en état maximum d’inversion de population sans que ceux-ci partent en émission ASE (présentant une très forte divergence) sachant que l’onde électrique dans le diélectrique (Epoxy bord) se propage 2.5 fois moins vite que la vitesse de la lumière! Toutes les photos sont avec 1 ligne de Blumlein alors pour visualiser la décharge et vérifier sont homogénéité. Le laser opérationnel fonctionne avec 2 lignes de Blumlein.
C’est exactement une architecture MO3PA (Master Oscillator 3 Power Amplifier).
Le principe est :
- L’oscillateur produit une impulsion UV très propre.
- Le télescope adapte le diamètre et la divergence.
- Les trois amplificateurs augmentent l’énergie sans dégrader excessivement la qualité du front d’onde.
- Le faisceau de sortie reste proche de la limite de diffraction.
Pourquoi utiliser 3 amplificateurs ?
Le laser N₂ possède un gain énorme :
- typiquement un facteur 2 tous les quelques centimètres de décharge,
- durée de vie de l’état laser de seulement 1 à 2 ns à pression atmosphérique,
- largeur d’impulsion souvent comprise entre 500 ps et quelques ns.
Le problème est que l’émission spontanée amplifiée (ASE) apparaît très rapidement.
L’idée consiste donc à :
- produire un petit faisceau très propre,
- l’injecter dans des amplificateurs synchronisés à quelques centaines de picosecondes près,
- empêcher les amplificateurs de partir en super-radiance autonome.
C’est exactement ce qui semble être recherché sur votre montage.
Concernant le terme « limite de diffraction »
C’est probablement le point le plus intéressant.
La plupart des TEA N₂ artisanaux donnent :
- 2 à 10 mrad de divergence,
- un faisceau assez irrégulier.
Un système oscillateur + amplificateurs peut descendre à :
- quelques centaines de µrad,
- parfois proche de la divergence théorique :
θ≈1.22λD\theta \approx \frac{1.22 \lambda}{D}
Pour 337 nm et un faisceau de 5 mm :
θ=1.22λD\theta=\frac{1.22\lambda}{D}
on obtient environ :
- 80 µrad de divergence limite de diffraction.
C’était exceptionnel pour un laser N₂.
Le problème de synchronisation que vous mentionnez
Votre commentaire attire immédiatement mon attention :
« la synchronisation n’est pas obtenue car l’impédance de la ligne de « Blumlein » n’est pas adaptée »
C’est très plausible.
Dans un système à plusieurs amplificateurs :
- quelques centaines de ps d’erreur suffisent,
- 1 ns d’erreur devient catastrophique.
Or le délai d’une ligne de « Blumlein » dépend :
- de son impédance caractéristique,
- de sa longueur,
- de sa constante diélectrique,
- des capacités parasites des électrodes,
- du comportement dynamique de l’éclateur.
Une mauvaise adaptation provoque :
- réflexions,
- double impulsion,
- jitter temporel,
- déclenchement non simultané des amplificateurs.
L’énergie reste alors faible malgré un gain théorique élevé.
Cela me rappelle quelque chose…
En effectuant une recherche, je suis tombé sur une discussion extrêmement proche de votre montage :
- oscillateur TEA N₂,
- trois amplificateurs,
- objectif d’environ 1 MW crête,
- faisceau limité par diffraction.
Je ne sais pas si c’est votre système ou non, mais la description est étonnamment similaire.
