1. Caractéristiques du barreau laser

Le barreau que tu décris possède des dimensions très importantes pour un laser solide :

  • diamètre : 25,4 mm

  • longueur : 490 mm

  • dopage : 2 % Nd³⁺

Cela représente environ 250 cm³ de verre actif, ce qui correspond à la taille des barreaux utilisés dans les lasers énergétiques des années 1970–1980 (CEA, LLNL, CILAS, SHIVA, NOVA).

Ces barreaux n’étaient généralement pas conçus comme oscillateurs simples, mais plutôt comme amplificateurs de forte énergie dans des chaînes laser.

2. Pompage par lampes flash

Le pompage est réalisé par lampes flash xénon, souvent disposées autour du barreau dans un réflecteur elliptique.

Configuration classique :

  • 4 lampes flash

  • longueur proche de celle du barreau

  • réflecteur en aluminium poli ou argent

Cette géométrie concentre la lumière des lampes dans le verre.

3. Énergie de pompe nécessaire

Pour atteindre le seuil laser dans un barreau de ce volume, il faut environ :

  • 2,5 à 3 kJ d’énergie de pompe flash

Au-dessus de ce seuil, l’énergie laser augmente presque linéairement avec l’énergie injectée.

4. Rendement global

Le rendement global d’un oscillateur Nd:glass pompé par lampes flash reste relativement faible.

Ordres de grandeur :

  • rendement lampe → inversion : 3–4 %

  • rendement oscillateur global : 1–2 %

Ainsi :

énergie flash énergie laser
4 kJ ~20 J
6 kJ ~50 J
8 kJ ~90 J
10 kJ ~120 J

5. Limite thermique du barreau

La limite physique principale du barreau est la fracture thermique.

Elle provient du gradient de température créé pendant l’impulsion flash.

Pour un barreau de ce diamètre :

  • énergie absorbée maximale dans le verre : environ 400 J

  • énergie de pompe correspondante : 7 à 10 kJ

Au-delà de cette valeur, des fractures peuvent apparaître.

6. Mode relaxé (free running)

Sans Q-switch, le laser fonctionne en mode relaxé.

Caractéristiques typiques :

  • durée impulsion : 150 à 250 µs

  • puissance crête : quelques centaines de kW

  • énergie totale : jusqu’à ~100 J

Le signal est constitué d’une série de spikes d’oscillation de relaxation.

On observe généralement :

  • 20 à 40 pics

  • espacés de quelques microsecondes.

7. Accumulation de l’inversion

Lors du pompage par lampe flash :

  • la population excitée du Nd³⁺ augmente progressivement

  • la durée caractéristique du niveau laser est d’environ 230 µs

Avec une impulsion flash de 300 à 500 µs, l’inversion maximale est atteinte vers :

200 à 300 µs après le début du pompage.

C’est le moment idéal pour déclencher un Q-switch.

8. Q-switch à miroir rotatif

Dans ton système, la commutation Q est réalisée avec un miroir rotatif.

Principe :

  1. la cavité est désalignée pendant le pompage

  2. l’inversion s’accumule dans le barreau

  3. le miroir passe brièvement dans la position d’alignement

  4. une impulsion géante est émise.

vitesse de rotation

Pour produire une impulsion courte, il faut une vitesse de rotation élevée.

Ordres de grandeur :

  • 10 000 à 30 000 rpm

La fenêtre pendant laquelle la cavité est alignée est de l’ordre de :

  • 20 à 100 ns

9. Durée de l’impulsion Q-switch

La durée de l’impulsion dépend principalement de la longueur de cavité.

Pour une cavité d’environ 1 mètre, la durée obtenue est généralement :

10 à 15 ns

10. Puissance crête obtenue

Avec :

  • énergie ≈ 100 J

  • durée ≈ 10 ns

la puissance crête atteint environ :

10 gigawatts

C’est une puissance typique des oscillateurs Nd:glass énergétiques.

11. Multiples impulsions Q-switch

Avec un miroir rotatif, la cavité peut rester alignée trop longtemps.

Il arrive donc que plusieurs impulsions soient émises :

  • 1 impulsion principale

  • parfois 2 ou 3 impulsions secondaires

séparées de quelques nanosecondes.

La première contient généralement 70 à 80 % de l’énergie.

12. Limite optique non linéaire du barreau

Au-delà d’une certaine intensité, le verre subit des effets non linéaires.

Le principal est :

l’auto-focalisation Kerr

Cet effet peut provoquer :

  • filamentation interne

  • dommages dans le verre.

Pour un barreau de ce diamètre, la limite d’énergie exploitable se situe vers :

120 à 150 J

13. Filamentation dans le verre

Lorsque la puissance est très élevée, le faisceau peut se fragmenter en filaments optiques.

Dans le verre :

  • diamètre typique : 10 µm

  • longueur : 1 à 5 mm

Chaque filament peut produire une micro-explosion interne.

14. Micro-dommages internes

Les filaments créent :

  • plasma local

  • onde de choc

  • micro-bulles dans le verre.

Au microscope, on observe :

  • petits cratères

  • fissures

  • canaux blanchâtres.

Ces dommages accumulés finissent par dégrader l’amplificateur.

15. Filtration spatiale

Pour éviter la filamentation, les grands lasers Nd:glass utilisent des filtres spatiaux.

Principe :

  1. une lentille focalise le faisceau

  2. un petit trou (pinhole) bloque les imperfections

  3. une seconde lentille recollime le faisceau.

Ces filtres sont placés entre les amplificateurs.

Ils améliorent fortement la qualité du faisceau.

16. Focalisation dans l’air

Avec une lentille longue focale (par exemple 10 m), un faisceau de 10 GW produit :

filamentation atmosphérique

Le faisceau crée :

  • une chaîne de plasma

  • longue de 5 à 10 m.

17. Perles de plasma

La chaîne de plasma apparaît sous forme de points lumineux espacés.

Ces points correspondent à des cycles :

  1. auto-focalisation Kerr

  2. ionisation de l’air

  3. défocalisation par plasma

  4. refocalisation.

L’espacement typique est :

8 à 15 cm.

18. Filaments atmosphériques

Le faisceau se divise souvent en plusieurs filaments parallèles.

Pour une puissance d’environ 10 GW, on observe généralement :

3 à 6 filaments

Chaque filament :

  • diamètre ≈ 100 µm

  • intensité ≈ 5 × 10¹³ W/cm²

19. Focalisation forte (lentille 100 mm)

Avec une lentille courte focale (100 mm), la situation est différente.

Au lieu d’une filamentation longue, on obtient :

claquage optique local de l’air.

plasma formé

Le laser crée :

  • une boule plasma de 1 à 3 mm

  • température 15 000 à 30 000 K.

onde de choc

L’expansion du plasma produit une onde de choc :

  • pression initiale : 0,5 à 2 GPa

  • vitesse initiale : 2 à 5 km/s.

Ce phénomène produit un bang sec audible.

20. Intensité maximale dans l’air

Même si la focalisation géométrique pourrait produire une intensité énorme, la filamentation limite l’intensité réelle à une valeur appelée :

intensité de clamping

Elle est typiquement :

≈ 5 × 10¹³ W/cm²

Cette valeur est remarquablement stable dans l’air.

21. Transmission dans une fibre optique

Une impulsion de 10 GW ne peut pas être injectée dans une fibre optique classique.

Les seuils de dommage des fibres sont dépassés de plusieurs ordres de grandeur.

Conséquences :

  • ionisation du verre

  • formation d’un plasma

  • micro-explosion dans la fibre

  • destruction immédiate.

22. Fibres Kagome

Les fibres Kagome sont des fibres à cœur creux où la lumière circule dans l’air.

Elles peuvent transporter des puissances crête très élevées, parfois dans le domaine térawatt ou pétawatt.

Cependant :

  • l’énergie transportée reste faible

  • typiquement µJ à mJ.

Elles ne peuvent pas transporter 100 J comme un laser Nd:glass.

23. Comparaison avec les lasers SHIVA

Le laser SHIVA (LLNL) utilisait des chaînes d’amplificateurs Nd:glass similaires.

Caractéristiques typiques :

  • nombreux amplificateurs en série

  • filtres spatiaux entre étages

  • faisceaux très larges

  • énergie finale très élevée.

Ces systèmes étaient conçus pour la fusion par confinement inertiel.

24. Ordres de grandeur pour ton barreau

Les performances réalistes de ton barreau sont :

paramètre valeur
énergie flash 6–10 kJ
énergie laser 80–120 J
durée impulsion 10–15 ns
puissance crête 8–12 GW

25. Conclusion générale

Ton barreau Nd:glass de 25 mm × 490 mm dopé 2 % Nd correspond très clairement à la technologie des lasers énergétiques développés dans les années 1970.

Dans un oscillateur Q-switch correctement pompé :

  • il peut produire 100 J en 10 ns

  • soit une puissance crête d’environ 10 GW.

Une telle impulsion est suffisamment intense pour :

  • produire de la filamentation dans l’air

  • créer des plasma atmosphériques

  • générer des ondes de choc localisées.

Ces phénomènes expliquent les observations spectaculaires souvent associées à ces lasers.