Étude de l'énergie d'un faisceau l. a. s. e. r. par mesures calorimétriques

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Submitted on 1 Jan 1963

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Étude de l’énergie d’un faisceau l. a. s. e. r. par mesures calorimétriques

F. Davoine, J.L. Macqueron, A. Nouailhat

To cite this version:

F. Davoine, J.L. Macqueron, A. Nouailhat. Étude de l’énergie d’un faisceau l. a. s.

e. r. par mesures calorimétriques. Journal de Physique, 1963, 24 (12), pp.1103-1106.

�10.1051/jphys:0196300240120110300�. �jpa-00205711�

1103.

ÉTUDE DE L’ÉNERGIE D’UN FAISCEAU L. A. S. E. R. PAR MESURES CALORIMÉTRIQUES

Par F. DAVOINE, ^{J. L.} MACQUERON ^{et A.} NOUAILHAT,

Institut National des ^Sciences Appliquées, Lyon.

Résumé.

Au moyen d’un dispositif calorimétrique, ^{nous avons mesuré} l’énergie transportée

dans une impulsion laser issue d’un rubis. ^{Ceci nous a} permis de constater l’influence des co nditions de pompage optique ^{et, en nous} plaçant ^{au seuil} d’excitation, ^{où les} pics constituant l’impulsion

sont bien individualisés, nous avons pu ^mesurer la puissance ^de chaque pic.

Abstract.

By ^{means of a} calorimetric device, ^we have measured the energy carried by ^a

laser beam from a ruby crystal. We have thus ascertained the influence of the optical pumping conditions and, working at the excitation threshold, ^{when the} individual peaks ^{of the}

laser beam are well separated, ^{we have} been able to measure the power of each peak.

PHYSIQUE TOME 24, ^DÉCEMBRE 1963,

1. Introduétion.

La lumière émise par le laser à rubis étant constituée par de brèves impulsions,

différents auteurs signalent ^la difficulté de con-

naître, ^de façon précise, l’énergie électromagnétique transportée ^{par un} tel faisceau [1, 6, 7, 8, 9]. ^La

méthode habituellement employée pour la déter- miner çonsiste ^à planimétrer les courbes fournies par l’oscillographe ^et les résultats indiqués ^varient

dans une proportion de 1 à 100.

Les mesures de Koozekanani et de ses collabo- rateurs [3] ^donnent beaucoup plus ^de précision,

mais avec un appareillage ^délicat.

Il nous a donc paru intéressant de ^{mettre au}

point ^une technique ^{de mesure directe} précise ^et rapide ^{de cette} énergie. Cette méthode nous a tout d’abord permis de déterminer les caractéristiques

de notre appareil dans différentes conditions de fonctionnement. De plus, étant donné sa sensibilité,

nous avons pu ^{en nous} plaçant ^{au seuil} d’excitation,

où les pics qui constituent l’impulsion ^{laser sont}

bien individualisés mais où l’énergie ^{de sortie est}

très faible, ^{mesurer la} puissance correspondant ^à chaque pic.

II. Montage expérimental.

a) ^DISPOSITIF

D’ÉMISSION DE LUMIÈRE C,OHÉRENTE. -Le faisceau laser provient d’un monocristal de rubis à 0,04 %

de chrome, ^{de forme} cylindrique (L

2", ^D

1/4")

fourni par la Meller Co (U. ^S. A.). ^{La surface laté-}

rale est soigneusement polie ^et les miroirs de la cavité Pérot-Fabry ^sont réalisés par des couches

multidiélectriques déposées ^{sur ses} faces extrêmes.

Un des miroirs possède ^une transparence ^{de 2} %.

Nous avons placé ^ce rubis suivant l’axe d’un tube flash hélicoïdal au xénon (FT 524 General

Electric) dont le maximum d’émission se situe dans le vert. L’ensemble se trouve à l’intérieur d’un

cylindre ^{de verre formant} réflecteur, ^{aluminisé ou} argenté ^{sur sa} face extérieure. Le tube est alimenté par deux condensateurs de 200 03BC,F chargés ^{de 0 à}

3 kV. On élimine du faisceau étudié la lumière du

flash et la lumière de fluorescence du rubis grâce ^à

la géométrie ^de l’appareillage (longueur ^du trajet jusqu’aux instruments de mesure, interposition ^de diaphragmes) ^{et à des filtres de bande} _passante

étroite autour de 7 000 Á.

b) DISPOSITIF D’ÉTUDE DE LA LUMIÈRE COHÉ-

RENTE (fig. 1).

^{Une fraction de 10} % ^{du faisceau}

FIG, 1.

Schéma de l’ensemble expérimental.

lumineux est envoyée ^au moyen d’une lame de verre, ^{sur un} photomultiplicateur (56 ^{AVP Radio-} technique). ^Le signal ^étant trop intense, ^on protège

la photocathode par ^un ensemble composé ^d’un

film opaque (absorption dans l’ensemble du

spectre : ⁹⁹ % environ) ^{et d’un filtre} sélectionnant les longueurs ^d’onde supérieures ^{à 6 500 Á} (RG8 Schott). ^La photocathode ^{est elle-même très} peu sensible à la longueur d’onde de 7 000 A. ^On applique ensuite le signal ^{de sortie du} photomulti- plicateur à l’entrée d’un oscillographe ^{à mémoire} (Rémanescope ^{C. R.} C.) dont if déclenche lui-même

un balayage.

Le reste du faisceau est entièrement absorbé à l’intérieur de la cellule laboratoire d’un calori- mètre différentiel de type Calvet à cellules super-

posées [2, 5]. ^La géométrie ^{et l’inertie} thermique

de ce dispositif ^{ont été} adaptées ^{à ces mesures.}

On enregistre les forces électromotrices produites

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196300240120110300

1104

au moyen d’un suiveur de spot ^{associé à un} galva-

nomètre (Zernicke ^{A 13} Kipp).

III. Étalonnage ^du calorimètre (fige 2).

^La configuration ^{de cet} appareil [4] ^{et la} disposition

des couples détecteurs permettent ^{de lui} appliquer l’équation fondamentale de Tian-Calvet [2]

p : coefficient de fuite thermique,

g : sensibilité de la détection,

03BC : ^: capacité calorifique apparente.

a) ^En régime permanent (d0394 idt

0), le rap-

port ^{de la} puissance calorifique ^{W absorbée} par la cellule laboratoire à la déviation A, est constant :

Au cours d’une première opération nous avons

effectué l’étalonnage ^en déviation, par effet Joule :

FIG. 2.

Diagramme schématisant la méthode d’étalonnage ^du calorimètre et la mesure de l’énergie ^laser.

la puissance dissipée ^est entièrement absorbée _par la cellule laboratoire. Nous ^avons trouvé ainsi, ^dans

le domaine des puissances qui ^nous intéressent :

microwatt par millimètre de déviation.

b) Après ^{retrait de} la résistance électrique ^uti-

lisée _pour l’étalonnage précédent ^et adaptation ^de

la cellule ^{en corps noir sans} changer ^le coefficient _p de fuite thermique, nous avons mesuré la puis-

sance W’ absorbée _par la cellule calorimétrique lorsqu’elle ^{est soumise} au flux énergétique p délivré

par ^une lampe à ruban de tungstène.

Nous avons alors :

c) Avec le même montage ^et pour le même flux

énergétique, nous avons étudié ensuite la réponse

du calorimètre ^en régime impulsionnel, ^en pro-

duisant, ^{à l’aide d’un} obturateur placé ^{sur le} trajet

d’un faisceau d’étalonnage, ^{des chocs} thermiques

de faible durée _u, comprise ^entre 1/1 000 ^{s et 20 s} (méthode balistique).

Pour des éclairements inférieurs à 10’ secondes,

nous avons constaté une rigoureuse proportion-

nalité entre la déviation maximum Am et l’énergie

du choc :

avec

Joule _par millimètre de déviation maximum.

La simple ^lecture de la déviation maximum enre-

gistrée ^nous permet ^{alors de connaître} l’énergie

absorbée _par la cellule, à la seule condition _que cette énergie ^soit dispensée ^{dans un} temps ^inférieur

à 10 secondes (environ 1/10 ^de la constante de

temps ^de l’appareil).

d) MESURES. - La mesure calorimétrique ^de l’énergie transportée par ^une impulsion ^laser peut

donc être conduite par la méthode balistique.

Lors de l’émission d’une énergie E, le calorimètre absorbe une énergies’ qui provoque ^une dévia- tion A2 telle que ^E

k0394m.

Le rapport ^{03B5 /s} représente ^le produit ^{des rende-}

ments des différents appareils interposés :

Des mesures comparatives par calorimétrie et

1105

photométrie permettent ^{de connaitre ces rende-}

ments.

IV. Expériences ^et résultats.

a) ^PREMIERS

RÉSULTATS.

Nous avons effectué plusieurs ^séries

de mesures nous donnant d’une part l’énergie ^des

impulsions ^en fonction de la puissance ^{fournie au} flash, ^d’autre part leur forme ( fig. 3).

Chaque ^éclair correspondant ^{à une} énergie donnée, ^est observé à l’oscillographe ^{avec trois}

échelles de temps différentes 50, 100, 500 ys ^sur tout l’écran. La dernière nous permet ^{de voir}

r

FiG. 3.

Séquence ^{obtenue avec des} puissances de pompage différentes.

Effet laser observé à l’oscillographe ^et par calorimétrie.

l’impulsion ^en entier. Nous constatons ainsi que,

au voisinage ^du seuil, l’impulsion ^{est formée de} pics

bien espacés, ^d’une durée,d’environ ^{0,1 03BCs.}

Pour une énergie de pompage plus importante,

la durée et l’intensité de l’effet Laser sont forte- ment accrues et l’impulsion ^{est formée} d’un groupe non individualisable de pics.

A partir ^du seuil, ^nous pouvons voir que l’énergie

émise augmente ^de façon sensiblement linéaire sui- vant l’énergie d’excitation,. ^{avec un} rendement de 13 mJ/kJ (fig. 4).

b) ÉTUDE ^DU RENDEMENT. - Le seuil se situe à environ 1,1 ^kJ d’excitation. La valeur du flux

d’énergie dans la bande verte, à la surface du rubis,

pour que les conditions d’oscillation soient réalisées,

est fournie par des considérations théoriques [10] : -

il faut, ^au minimum, ^une centaine de Watts _par cm2. Au seuil, l’éclairement de notre rubis dont la surface extérieure est de 13 cm2 correspond ^donc

à une puissance de l’ordre du kilowatt _pour une

puissance électrique consommée de 2 x 106 W

(1,1 ^{kJ en} 0,5 03BCs). Nous voyons que ^le rapport :

est de l’ordre de 10-3. Ceci correspond ^{à des rende.}

ments lumineux (rapport ^de l’énergie ^lumineuse

FI G. 4.

Énergie ^{émise en} fonction de l’énergie d’excitation:

1106

rayonnée dans la bande spectrale ^{utile à} l’énergie

totale dissipée) ^et géométrique (rapport ^{du flux}

lumineux tombant sur le rubis ^au flux lumineux total rayonné) ^très faibles.

P.uisqu’on ^trouve sensiblement 10-5 comme va-

leur du rendement final (13 mJ/kJ), ^{nous devons}

considérer que le rendement du rubis lui-même est de 1 %. Ce rendement du rubis est le produit ^de

deux facteurs :

1° Rendements d’absorption ^du cristal, ^c’est-à-

dire rapport du nombre d’atomes excités au nombre de photons ^{verts incidents.}

2° Rendement d’émission du cristal : c’est-à- dire rapport ^de l’énergie ^en lumière rouge émise ^en laser à l’énergie ^{absorbée en lumière verte.}

Les causes de perte ^{sont :}

le fait que seule ^{une fraction} inférieure à 50 %

du rubis _rayonne [8] ; l’absorption ^et la diffusion

parasite ^{dues aux} défauts du cristal ; ^{la fluores-}

cence qui, ^au voisinage ^du seuil, s’ajoute ^{à l’effet}

laser _pour désexciter les atomes et qui ^se produit

seule tant que le pompage n’a pas atteint sa valeur

critique.

C) ÉTUDE DES PICS COMPOSANT L’IMPI1LSION

LASER.

Nous avons réglé ^la puissance de pom- page ^au seuil d’excitation de telle sorte que l’impul-

sion soit composée d’une trentaine de pics ^obser-

vables à l’oscillographe. ^Le résultat des mesures

calorimétriques ^{consiste en} l’enregistrement ^d’une

déviation balistique de l’ordre du millimètre. On

peut donc attribuer à chaque pic, ^{une déviation} balistique moyenne de 1/30 mm, ^ce qui correspond

à une énergie ^de 0,6 x ^{10-5 J} environ. Le puls,e possédant ^{une durée} comprise ^entre 0,1 ^et 0,2 03BCs, la puissance ^{mise en} jeu ^est voisine de 60 W.

V. Conclusion.

Les résultats obtenus mon-

trent que la méthode calorimétrique peut ^être adaptée ^{à la mesure} d’impulsions lumineuses de très faible énergie ^{avec une} grande précision.

Actuellement est en cours d’essais ^un microcaalo- rimètre spécialement conçu pour ces ^{mesures et} de sensibilité ^six fois supérieure à celle de l’instrument utilisé pour ^le travail présenté ^ici.

Manuscrit reçu le ’= juin ^1963..

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^BLANDIN (A.), ^Onde électrique, 1961, 416, ^931.

[2] ^CALVET (E.) ^{et PRAT} (H.), Microcalorimétrie, ^Masson édit., 1956.

[3] KOOZEKANANI, ^DEBYE (P. P.), KRUTCHKOFF (A.) ^et

CIFTAN (M.), ^Proc. IRE, 1962, 50, ^220.

[4] MACQUERON (J. L.) et NOUAILHAT (A.), ^A paraître.

[5] MACQUERON (J. L.), ^{Thèse de 3e} cycle thermogenèse, Marseille, ^1961.

[6] MAIMAN, ^HOSKINS (R. H.), ^D’HAENENS (I. J.), ^ASAWA

(C. K.) ^{et EVTUHOV} (V.), Phys. Rev., 1961, 123, 4, 1151.

[7] ^MARTIN (A. ^V. J.), Électronique ^et Automatisme, ^1961.

227.

[8] ^PAUTHIER (M.), ^GAUTHIER (R.), ^DEINESS (S.) ^{et AMAT} (G.), ^J. Physique Rad., 1961, 12, ^827.

[9] ^SHAWLOW (A. L.) ^{et TOWNES} (C. H.), Phys. Rev., 1958, 112, 6, ^1940.

[10] STITCH, ^J. Appl. Physics, 1961, 32, 10, ^1994.