Rayonnement panoramique d'un train d'impulsions brkves par un laser a Rhodamine 6G dont le resonateur est ferme en geometrie cylindrique

P. GALARNEAU, G. BEDARD ET S. L. CHIN Luboratoire de Recherche en Optique et Lusrr, Uniuersitt Laual,

Qutbec (Que.), Crrnuda G l K 7P4

Recu le 16 avril, 1981

Nous presentons un dispositif laser panoramique de type "halo" dont le rayonnement est caracterise par un faisceau plan plutBt que par un faisceau unidirectionnel. Un train d'impulsions picoseconde issu d'un laser Nd:verre, a mode verrouille et double en frequence, constitue la source de pompage d'une solution de Rhodamine 6G remplissant un resonateur ferme en geometrie cylindrique. Le rayonnement laser, emis sous la forme d'un train d'impulsions breves, s'ltale uniformement sur 360" dans un plan et avec une divergence de quelques mrad transversalement au plan de propagation.

A "halo" type laser system is presented whose radiation is characterized by a propagation planar beam rather than a unidirectional beam. A doubled Nd:glass laser mode-locked picosecond pulse train is used to pump a Rhodamine 6G dye solution filling a cylindrical closed resonator. The laser short pulse train propagates in a plane across 360", with mrad divergence transversely to the propagation plane.

Can. J. Phys., 59, lWO(1981)

Introduction tion du faisceau de pompage peut &tre soit le long de ~ e ~ ~ ~ ~ ~ ~ t , ~~~~~~h et al. (1, 2) realise le l'axe du resonateur cylindrique, soit selon un dia-

premier laser B colorant pulse dont le rayonnement metre, tel qu'Observe par HOrvath et (2)- s'etale sur 360" dans un plan. Le laser "halo", selon l'appellation proposee par Horvath et a l . , se Dispositif expirimental distingue du laser conventionnel dont le rayonne- Le schema du montage experimental est illustre ment est unidirectionnel. en ce que la divergence par la Fig. Un train d~impulsions = ,06 pm) du faisceau est de 27t dans le plan d'emission et de d,un laser a Nd:verre fonctionnant en modes qelques mrad dans la direction perpendiculaire ace verrouilles (Eastman 9740), traverse un cristal plan. KDP doubleur de frequence (h = 530 nm), avant Les travaux de Horvath et al. ont porte sur d,ktre devie verticalement par un prisme a reflec- l'etude du laser "halo" soumis soit a une impulsion tion totale et focalis& sur d3une cuvette (ns Ou ps) unique de pompage a un long train cylindrique contenant de la Rhodamine 6G en (ys) d'impulsions picosecondes. Nous presentons solution dans lyethanol. ici des resultats experimentaux complementaires La cellule a colorant (Fig. 2) est constituee d3un dans le cas d'un court train (ns) d'impulsions tube de quartz de mm de diametre interieur et de picosecondes et proposons un nouveau dispositif 11 mm de diamktre exterieur. La face exterieure, laser permettant le choix du plan d'emission du recouverte d.un dep6t sous vide d.aluminium, agit rayonnement laser. comme un resonateur ferme en geometrie cylin-

Principe drique. On introduit, par la base de la cellule et La distinction entre le laser "halo" et le laser coaxialement, un tube de diamktre exterieur de

conventionnel reside dans le choix du resonateur. 7 mm et de diamktre interieur de 5 mm, termine par Le resonateur d'un laser conventionnel est dit une lentille de 5 mm de distance focale. La possi- ouvert par ce que constitue de deux miroirs places bilite de circulation du colorant dans la cellule laser perpendiculairement a un axe definissant la direc- est prevue. tion de propagation unidirectionnelle du faisceau Le design du dispositif laser permet la selection laser. Le laser "halo" est un laser a resonateur du plan d'emission du rayonnement laser par ferme en geometrie cylindrique dans lequel le simple glissement du tube coulissant portant la rayonnement se propage radialement sur 360" dans lentille. L'avantage de ce design reside dans la un plan perpendiculaire a l'axe de symetrie du possibilite de rechercher le plan dans lequel la resonateur cylindrique. La direction de propaga- cellule presente des pertes minimales, selon le

0008-4204/81/121940-04$0 1 .MI0 01981 National Research Council of CanadalConseil national de recherches du Canada

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C U V E T T E A COLORANT

LASER Nd VERRE KDP

- - FREQUENCE

FIG. 1. Schema du dispositif experimental de pompage du laser panoramique.

pulsions de pornpage (A-J) et la sequence corres- pondante (a-j) de trains d'impulsions du laser panoramique 360". La detection des trains d'impul- sions de pompage a ete effectuk a l'aide d'une photodiode TRG-105-C (S-1) et celle des trains d'impulsions du laser a Rhodarnine 6G a l'aide d'une photodiode ITL (S-20).

La largeur a mi-hauteur du train d'irnpulsion de pornpage est de l'ordre de 20-30 ns. La largeur des impulsions obtenues par verrouillage de mode a l'aide de la solution Eastrnan 9740, lirnitee sur la Fig. 3 par le systerne de detection est cependant inferieur a 25 ps. L'intervalle entre les impulsions est de 3 ns.

Les impulsions des trains de sortie ont la meme regularite que ceux de pompage et sont espaces a 3 ns d'intervalle. La presence d'un seuil de porn- page est responsable du fait que le train d'impulsion de sortie contient rnoins d'impulsions que le train de pornpage correspondant. La largeur a rni- hauteur du train d'irnpulsions du laser panora- rnique est de l'ordre de 10-15 ns soit la moitie de celle du train de pornpage. L'energie d'un train cornplet d'irnpulsions de pornpage est de I'ordre de 0.5 pJ et la conversion en energie est de l'ordre de 6% pour I'energie du train d'irnpulsion laser rne- suree sur une circonference dans le plan d'ernis- sion.

Le plan d'ernission laser se situe dans le voisi- nage irnrnediat de la lentille d'entree, la profondeur de penetration du rayonnernent de pornpage dans le colorant etant de I'ordre de 100prn. La Fig. 4 rnontre une vue deployee de la face laterale de la cuvette cylindrique et met en evidence la pulverisa- tion de la couche mince rkflechissante sous I'action repetee des impulsions du rayonnernent laser ernis. La largeur du trait de 100prn est une rnesure de la dimension laterale du faisceau laser en champ rapproche. Cette observation est en accord avec la valeur de 20rnrad de la divergence laterale du - faisceau laser rnesuree en champ eloigne.

FIG. 2. Design du laser B colorant panoramique avec resona- teur ferme en geometrie cylindrique.

parallelisme de la paroi de la cellule et la qualite de la couche reflechissante deposee.

Resultats exp6rimentaux Sous I'action du train d'irnpulsions picosecondes

de pornpage, le dispositif Crnet un rayonnernent laser sous la forrne d'un train d'irnpulsions sur la bande spectrale caracteristique de la Rhodarnine 6G centree sur h = 590 nrn.

La Fig. 3 presente une sequence de trains d'irn-

Discussion Dans nos travaux, cornrne dans ceux de Hor-

vath, l'identification du rayonnernent cornrne ernis- sion laser proprernent dite ou cornrne emission superradiante (3) doit etre faite avec reserve tenant cornpte du fait que le temps de transit dans le resonateur est d'ordre de 30ps, soit de l'ordre de la duree des impulsions de pornpage qui sont espacees a 3 ns d'intervalle. Une etude plus appro- fondie en ce sens se poursuit.

Les proprietes rnodales des resonateurs ferrnks en geornetrie cylindrique ont ete etudiees par

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3. (A-J) Sequence de trains d'impulsions de pompage; ~t panoramique.

(a-j) sequence correspondante de trains d'impulsions du laser a

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Casperson (4) qui a demontre que les modes de ce type de resonateur bien que relies aux modes de Gauss des resonateurs ouverts en different par leur concentration tres elevee d'energie laser sur l'axe de symetrie du resonateur. En particulier, la den- site moyenne d'energie laser nomalisee du mode fondamental peut s'exprimer en termes des fonc- tions de Bessel J , et J, . Casperson a etudie egalement la forme des modes d'ordre superieurs caracteristiques des resonateurs en geometric cylin- drique. Nos travaux ont mis en evidence la mode fondamental caracterise par une repartition uni- forme de l'energie emise sur les 360" du plan d'emission.

Conclusion Nous avons etudie un laser a colorant de type

panoramique et propose un design permettant la selection du plan d'emission du rayonnement laser. Nos resultats relatifs aux conditions de courts trains d'impulsions picosecondes de pompage sont complementaires a ceux obtenus par Horvath et al. Nos recherches se poursuivent en vue de la realisa- tion d'un laser panoramique cw, tel qu'initialement projete avant d'entreprendre ces travaux.

Remerciement Les auteurs remercient d'une f a ~ o n particulikre

M. Laurent Turgeon pour son assistance technique experte.

1 . Z. GY. HORVATH, A. A. MALYUTIN et A. V. KILPIO. Hungarian Academy of Sciences preprint KFKI-1979017; Laser Focus, 16, 32 (1980).

2. Z. GY. HORVATH, A. V. KILPIO, A. A. MALYUTIN et Ru. N. SERDYUCHENKO. Opt. Commun. 35, 142 (1980).

3. F. P. SCHAFER (Editor). Dye lasers. Springer-Verlag, Berlin. 1973.

4. L. W. CASPERSON. J.Opt. Soc. Am. 63, 25 (1973).

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