Brevet FR2011132A1 — publié le 19700227

La présente invention se rapporte à des techniques permet— tant dfobtenir Ses impulsions de lasers et plus particulièrement à des techniques servant à "bloquer en phase simultanément les modes d'oscillation transversaux e-fc longitudinaux d'un laser. 5 On a parfois remarqué que les lasers représentent- une so lution à la rechercher d'un problème. Cependant, on sait qu'un laser présentant des caractéristiques appropriées est capable de résoudre un type particulier de problème. Par exemple, on estime actuellement que les lasers pourraient être utilisés d'une façon 10 extrêmement utile dans les systèmes de communication (par exemple un système à modulation par impulsions codées) lorsqu'on le fait fonctionner d'une manière permettant d'obtenir des impulsions de très faible largeur qui peuvent être imbriquées en grands nombres afin de réduire l'espacement entre les impulsions. 15 Une technique permettant d'obtenir de telles impulsions con siste à moduler d'une façon synchrone les modes d'oscillations longitudinaux à 'un laser, la modulation synchrone peut être soit une modulation de phase soit une modulation de perte, à la fréquence de séparation des modes longitudinaux. Une telle modula-20' tion fait bloquer en phase les modes longitudinaux et fait produire une répartition de l'énergie en fonction du temps et qui ne se limite pas à la dimension transversale à l'intérieur de l'ouverture du laser, mais qui, dans la dimension longitudinale, est ca-raptérisée par une impulsion d'énergie qui rebondit d'un mouvement 25 de va-et-vient entre les réflecteurs du résonateur en produisant-une impulsion, de sortie toutes les- 2L/c secondes- oit a est la vitesse de la lumière et 2L la longueur du trajet aller-et-retour à 11intérieur du résonateur. Une technique permettant de faire émettre des impulsions par 30 un laser consiste à moduler d'une façon synchrone la perte du résonateur avec un modulateur électrooptique, à la fréquence dfespacement des modes longitudinaux, c/2L. L'émission des impulsions à cette fréquencer -comme indiqué précédemment^ fait bloquer en phase les modes longitudinaux du laser et produit un train d'impul— 35 sions dont la fréquence de répétition est e/2L„ La forme précédente de modulation est appelée parfois "modulation de perte*. On connaît également des techniques sans perte ou "réactives" de - mo~ dulation pour faire émettre des-impulsions par un laser. BAD ORIGINAL 69 19583 2 2011132 On a observé récemment que les lasers peuvent émettre des impulsions à la fréquence de séparation des modes longitudinaux en l'absence de toute modulation ou de toute autre perturbation délibérée du laser. Cette émission d*impulsions a été appelée l'é— 5 mission d'auto-impulsions-. La plupart des lasers à auto-impul-sions comportent des résonateurs optiques relativement longs et suivant l'analyse de la Demanderesse^ les résonateurs longs permettent à l'inversion de population du milieu actif d'être récupérée pendant les passages de 1'impulsion. Cependant, les auto-10 impulsions observées des lasers ne sont ni prévisibles ni fiables et elles peuvent se transformer facilement en un régime de fonctionnement dans lequel les modes longitudinaux oscillent librement et où la puissance de sortie est plus ou moins continue. On a observé de plus que, d'une manière analogue au bloca-15 ge des- modes longitudinaux, les modes transversaux d'un laser se bloquent en phase lorsque le laser est modulé en phase ou en perte à la fréquence de séparation des modes transversaux. La répartition d'énergie en fonction du temps ainsi produite s'étend longitudinale ment sur la longueur du résonateur mais elle est limi-20 tée transversalement à une région étroite. Lleffet obtenu est de ce fait celui d'un spot de lumière qui effectue un balayage en travers des réflecteurs du résonateur » Une théorie mise au point récemment montre que, dans un laser à auto-impulsions, les impulsions sont approximativement des 25 "impulsions 1T " dans le milieu actif du laser. Cette terminologie est tirée d'une analogie avec la technique - de la résonance magnétique,; ou l'on sait déjà qu'une impulsion d'un? champ magnétique oscillant d*uns certaine intensité et d'une certaine durée agit de manière à faire sauter les dipôles de résonance magné.ti-50 que dans une matière d'exactement 180°. Une telle impulsion est appelée uaa "impulsionL'impulsion analogue du laser, en un passage à travers la milieu du lasers supprime du milieu toute l'énergie disponibles, en laissant un excès d'atomes au niveau d'énergie inférieur suivant la mêae quantité que l'excès d'atones 35 qui. existait initialement dans le niveau d'énergie supérieur. L*ex— ces du niveau supérieur initial.est alors rétabli par le processus clé pœapage norisal mr&^: le- passage suiront de. l'impulsion à travail lailieu*. _ . §A£j ORIGINAL 69 19583 3 20U132 D*autres types de lasers à impulsions ont été mis au point, lesquels émettent des impulsions à des> fréquences. /teeès inférieures à la fréquence d' "espacement d'eô modes longitu.dimTix;.._i!es techniques peuvent être' caractérisées d'une--façon.générale, com-5 me utilisant une cellule d'absorption à décoloration. Les. plus courantes utilisent comme cellules d'absorption,à,décolqratiop. des cellules comportant un colorant organique.. Récemment, on a obtenu des impulsions semblables dans une cellule d'absorption présentant des niveaux d'énergie distincts séparés p&r l'énergie 10 des photons du rayonnement du laser. Un tel agencement, utilisant un laser à injection à arséniure de gallium et une cellule d'absorption à arséniure de gallium-est décrit par Yu. A. Drozhbia et ses collaborateurso "Génération of Ultraviolet Light Puises with a Gaas Semiconductor Laser" Soviet Physics. JETP Letters 15 Volume 5, page 143, 1"5 Mars 1-967. Pour - un-grand nombre d'applications, la fréquence d'impulsions inférieure ainsi obtenue est insuffisante. La présente invention a pour but de bloquer en phase simultanément à la fois les modes longitudinaux et les modes trans-20 versaux d'oscillation d'un laser, d'une manière fiable et sans aucun signal de modulation extérieur ni à la fréquence .d'espacement des modes transversaux-ni à la fréquence d'espacement des modes longitudinaux. Là répartition d.'énergie résultante,en fonction du temps est limitée-à la -fois-'aux dimension^ .transversales 25. et longitudinales à une- impulsion d'énergie qui se ,déplace en zigzag d'un mouvëment dé 'va-et-vient. entre..le.^ réflecteurs, du résonateur eh produisant-une" impulsion, de sortie chaque, fois, qu'elle vient frapper' l^uh'des: réflecte-ur.S;.^i-est rendu., partiellement transmissif. De plus"-,-'"' l' impulsion;;-de-- g.orti%.e-fferctue^ un, balayage 30 en travers du réflecteur et de... ce fait elle .peut, être, utilisée pour adresser une matrice de mémoire optique. , Le blocage des modes longitudinaux est effectué, en utilisant une cellule d'absorption saturable d'une manière telle que peu d'énergie est perdue du résonateur à la cellule d'absorption* 35 Plus particulièrement, les impulsions du laser,, .qui.peuvent être des impulsions îr pour le miliéu actif du.laser, doivent paraître semblables à des impulsions ÎT ou à des impulsions 2 ..TT au milieu de la cellule d'absorption saturable. Par.analogie avec la définition précédente d'une impulsion ir, une impulsion. 2, ir est une ;AD ORIGIHAL 69 19583 4 2011132 .,y X V ; impulsion qui fait sauter deux fois les populations relatives . , de deux niveaux d'énergie et qui râ,mèhè--la cellule.. :d',.absorption à son état initial à la fin-de-tout- passâg.e.,:simpl^-:iàjtr;a^ers elle . De plus, pour obtenir un blocage de phase simultané.à_la fois 5 des modes longitudinaux et des modes transversaux, le résonateur à cavité est de' préférence conçu de telle" .sorte .que. la fréquence de séparation dés modes longitudinaux est un multiple entier de la fréquence de séparation des modes transversaux. Par exemple, la cellule d'absorption à gaz peut utiliser le même gaz que le 10 gaz constituant le milieu actif du laser. Par exemple, pour un laser à l'hélium-néon, fonctionnant à 6328 unités Angstroms, la cellule d'absorption-peut utiliser du néon pur à une pression d'environ.3 Torr. Dans un agencement de la présente invention utilisant un 15 fonctionnement par impulsions 2 ir, on utilise (1) un résonateur à cavité conçu de telle sorte que ^f^ — où^f^ etZ^f^, sont relativement les fréquences de séparation des modes longitudinaux et transversaux et M un nombre entier, et (2)-une adaptation mutuelle de la cellule d'absorption et des autres composants 20 du laser pour avoir l'intensité de champ électrique nécessaire permettant d'obtenir une impulsion 2 1T dans la cellule d'absorption. Pour un milieu d'absorption présentant un moment de dipôle électrique, ou une intensité' d'oscillateur, différente de celle du .milieu actif, le champ électrique nécessaire pour un fonction— 25 nement par impulsions' 2 TT dépend inversement du. moment du dipôle . électrique du milieu d'absorption et il est réglé en conséquence» . De ce fait, la "cellule d*absorption laisse passer une impulsion -2 iT telle que définie plus haut." L1 impulsion 2 HT fait passer Sîbrusqueiaent"la céllule d£un état d'absorption 'à un, état de po-30 pulation inversée, et la cellule "ressaute" et renvoie.1'énergie absorbée d'une manière-cohérente à l'impulsion avant qu'elle .ne quitte la cellule. De ce fait, la cellule revient à son état d'absorption initial à la fin de tout passage simple de l'impulsion à travers elle. Le fonctionnement de la cellule dans cet. agencement 35 est caractérisé' par' une' temporisation type- de là .transparence au-to-induite, comme décrit par S. L. McÛalï- et E. L.- :Haïax,:.."Self Induced Transpareney by. Pulsed Coherent Light", Physical Reviey Lettersy pages 908-911, 22.Mai Î967.. 'L'intensité appropriée du champ électrique dans la cellule d8absorption est obtenue par une ©AO ORIGINAL 69- 19583 5 2011132 mise en forme appropriée du faisceau, par exemple par focalisa^-tion. L'emplacement de la cellule d'absorption active à l'intérieur du résonateur optique du laser, dans ce mode de réalisation, nra pas d'importance critique. De ce fait, cet agencement peut 5 prendre facultativement la forme d'un laseï* en couronne. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé qui donne à titre explicatif, mais nullement limitatif, deux formes de réalisation con-10 formes à l'invention. Sur ce dessin, La figure 1 est un schéma d'un résonateur à cavité représentant un trajet type en zig-zag d'une impulsion d'énergie dans un laser dans lequel les modes longitudinaux et les modes transver— 15 saux sont simultanément bloqués en phase. La figure 2 est une vue constituant en partie une illustration et en partie un schéma synoptique d'un agencement selon la présente invention ; et 20 tion et en partie un schéma synoptique d'une variante du sodé de réalisation de la figure 2, lequel utilise des lentilles. Avant de décrire, en détail l'invention, il est utile de décrire la conception du résonateur à cavité utilisé suivant les principes de l'invention afin d'obtenir un blocage.simultané des 25 modes transversaux et longitudinaux d'oscillation. Lfexigence de base est que le résonateur, qu'on voit sur la figure t, soit conçu de telle sorte que la fréquence de séparation des modes longitudinaux ^\f^ soit un multiple entier H de la fréquence de séparation Dana un résonateur formé par deux miroirs concaves de rayons et E.2 qui sont, séparés par une distance L, l'équation (1) est satis-> 35 faite avec un degré poussé d'approximation si La figure 3 est une vue constituant en partie une illustra- 30 Z\fL = M Zs>fT . en ^fm = /\f (2) BAD ORIGINAL 69 19583 s 2011132 ®2 ~ 1 ™ l2 '* Dans un/réso.nateur, -un milieu d'absorption non linéaire, comme décrit plus complètement plus loins produit une répartition d»é— 5 nergie en fonction du temps qui est caractérisée par une impul— •sion d'énergie parcourant un trajet en zig-zag suivant un mouvement de va-et-vient entre les réflecteurs® L'impulsion d'énergie produit par suite une impulsion de sortie chaque fois qu'elle tombe sur un réflecteur partiellement transmissif et du fait de to son mouvement en zig-zag3 elle "balaye transversalement le réflecteur» Dans la description qui va suivre j, on supposera que tous les modes de réalisation utilisent un résonateur qui satisfait à l'équation (1). Sur la figure 2} l'appareil représenté produit des impul-15 sions de laser suivant un premier agencement de l'invention dans lequel le milieu actif d'un laser 11 transmet des impulsions sera-blablegà celles d'tm laser à auto-impulsions tandis qu'une cellule d'absorption active est sensible à des impulsions telles que des impulsions 2 7f • 20 L® milieu de gain actif est, par exemple, un mélange d'hé lium et de néon suivant un rapport de 5si et il est capable d'osciller en laser à 6328- unités Angstroîssa "Il est contenu dans un tube' cylindrique approprié 12 comportant des fenêtres d'extrémité Y'} et 14 faisant un sagle M 'Breveter» Le milieu de gain "actif 25 est excités ou pompé, au moyen d'uES décharge électrique de courant continu entre une catho&e- 17 et une anode 18 qui sont connectées au s bornes d'une source '19 d© tension continue. Le milieu actif du laser est disposé dans un résonateur optique linéaire comprenant des réflecteurs 21 et 22 disposés le long d'un axe qui 30 coïncide avec l'axe du tube- 12» Les courbures respectives des réflecteurs 21 et 22 sont adaptées de telle sorte que le diamètre moyen du faisceau au voisinage du réflecteur 22, c'est-à-dire le ■ diasietre À^s est tel qu'oa obtient des impulsions 2 Xdans la cellule cl-absorption., I«© milieu de gain actif est disposé de tel—-35 le sorts qu'on y trouve le diamètre moyen A|„ Une cellule d*absorption aetlT© 31 comprend un milieu ga-zeus Se néon et elle esi disposés sans xm tuba 32 de façon qu'on y trouve le diamètres. ao-ya» dû faisceau. Le tubs - 32 comporte des fenêtres d-3extrémité 33- 34- faisant- tan angle de Brewster. La BAD ORIGINAL ou g, - 1 - S et tel 69 19583 2011132 cellule 31 comprend également une cathode 37 et une anode 38 ainsi qu'une source 39 de tension continue montée entre les électrodes 37 "et 38. Il convient de. noter que les niveaux supérieur et inférieur assurant l'absorption sont respectivement les mêmes 5 que les niveaux supérieur et inférieur de là transition du laser du milieu actif se trouvant- dans le tube 12» • La pression totale du milieu actif à l'intérieur du tube 12 du laser est par exemple de 1 Torr, la longueur de la décharge est par exemple de 100 cm et"le niveau de la puissance d'excita-10 tion est par exemple de 30 watts. On peut faire varier tous ces paramètres du milieu actif du laser suivant les gammes connues dans la technique des lasers« A titre d'exemple, la pression dans le tube 32 est de 3 Torr. On a obtenu un fonctionnement réussi à cette pression. Sa 15 longueur est par exemple de 30 cm. Sa puissance d'excitation est par exemple de 10 watts. L'espacement entre la fenêtre 34 et le réflecteur 22 n'a pas d'importance critique. Le rayon type de courbure du réflecteur 21 est-de 200 cm, et le réflecteur 22 est par exemple à peu près complètement plati 20 Le réflecteur 21 est partiellement transparent pour permettre d*extraire une partie de l'oscillation du laser. L'espacement entre les réflecteurs 21 et .22 est par exemple un peu inférieur à 200 enu Pendant le fonctionnement de l'agencement de la figure 2, la présence d'une cellule d'absorption active saturàble 31 produit 25 simultanément un blocage de phase à la fois "des modes longitudinaux et des modes transversaux-entretenus par le. résonateur, le milieu actif du laser .11 et Son moyen de pompage. Le moyen de pora-•' page doit fournir, unepuissance suffisante pour permettre à une série de modes transversaux et longitudinaux d'osciller. , 30 Dans l'agencement représenté sur la figure 2, le: blocage simultané des phases est produit à 'une façon fiable par -la coopération des composants normaux d'un laserrà auto-inipulsions» par la conception du résonateur à cavité et par 1* addition de la cellule d'absorption active 31. Les impulsions obtenues peuvent être 35 beaucoup plus courtes que celles qu'on obtient d'un laser à* autoimpulsions. De plus, ces impulsions sont obtenues sans les complications ni les pertes de puissance d'un modulateur à cristal et de son circuit d'excitation. 69 19583 8 2011132 La cellule d'absorption 31 présente au faisceau du laser une absorption temporaire (perte ou gain négatif) qui peut être beaucoup plus faible que le gain fourni par le milieu actif du laser 11 0 Le gain négatif est fourni par une pcjmlàtion initiale 5 dsatos.3s plus importante dans le niveau infériéur que dans le niveau supérieur „ Ceci est assuré par une décharge dans du néon à peu près complètement pur0 Plus particulièrement, le fonctionnement de l'agencement de la figure 2 tire profit de la mise en,forme du faisceau par les 10 réflecteurs 21 et 22 pour obtenir un certain rapport des diamètres (par exemple 2;1) entre la partie du faisceau qui se trouve dans le milieu actif du laser et la partie de ce dernier qui se trouve dans le milieu de la cellule d'absorption active, respectivement . Ce rapport est tel que l'impulsion dans la cavité est 15 une impulsion 2 dans la cellule d'absorption 31 et que la cavité n'absorbe que très peu de puissance. Une impulsion 2 TTex-cite d'abord puis ensuite désexcite les atomes d'absorption, et les laisse au niveau inférieur. L'impulsion 2 *rr passe avec peu d'affaiblissement mais avec un certain retard caractéristique, 20 elle vient frapper le réflecteur 22, elle est renvoyée et elle passe à nouveau sans affaiblissement important« Dans la cellule dsabsorption 31» le nombre d'atomes à l'état inférieur (atomes d'absorption) est déterminé par le courant de décharge, du fait que lorsqu'il n'y a pas de décharge, le ni— 25 veau inférieur du laser,, ainsi que son niveau supérieur, sont peuplés d'une manière négligeable. Cette caractéristique d'un milieu de laser à trois niveaux utilisé comme absorbeur saturable doit permettre une souplesse considérable dans les paramètres de con— cepGion,, Il ne se produit que peu de pei-te du rayonnement du la— 30 ser dans la cellule dsabsorption 31 du fait que sa durée de vie de déphasage homogène est très supérieure à la largeur de l'impial™ sioa» Il est prévu que cette relation puisse être obtenue facile— .ment dans des gaz et dans diautres milieux-d'absorption présentant des raies d Absorption élargies d'une manière non homogène. Un é— 35 largissemant non homogène est un élargissement de la courbe de gain ou de la courbe de perte par absorption, dans ce cas, tel que l'affaiblissement du gain à une première fréquence n'affaiblit pas considérablement l'absorption dont on dispose aux autres fréquences qui sont séparées d'ans manière relativement large de la première BAD ORIGNAL 69 19583 9 2011132 fréquence, à l'intérieur de la courbe élargie. Cependant, la présente invention ne se limite pas à des milieux d'absorption élargis d'une manière non homogène On peut obtenir exactement le même mode de fonctionnement 5 dans un résonateur optique'comportant des réflecteurs 41 et 42 qui sont tous les deux à peu près complètement plats, comme on le voit dans la variante d'agencement de la figure 3. Sur la figure 3, le rapport des diamètres relatifs du faisceau dans le laser 11 et dans la cellule d'absorption 31 peut être obtenu à 10 l'aide de lentilles 61 et 62 disposées à l'intérieur du résonateur optique, le long de son axe. Les lentilles 61 et 62 sont représentées comme étant disposées entre le laser 1î et la cellule d'absorption active 31 et elles fournissent des-faisceaux essentiellement parallèles à la fois à travers le laser 11 et à travers 15 la cellule d'absorption 31. Une seule lentille à-une "position appropriée quelconque dans le résonateur optique suffit si on désire permettre à un faisceau plus divergent de se trouver dans au moins l'un dçs deux tubes 12 et 32. Il va de soi..que la présente invention n'a été décrite et 20 représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre• BAD 69 19583 10 2011132 BEYEMICATIOm . t. Appareil optique comprenant s un milieu de gain actif (dans un tube 12} capable d'une émission, stimulée d'un rayonnement caliérent» un moyen. (1?s 18 et 19) pour pomper ce milieu ac— 5 tif, un résonateur à cavité (formé par des réflecteurs 21 et 22) contenant ce milieu, le moyen de pompage et le résonateur étant adaptés mutuellement à permettre à une série de modes transversaux et à une série de modes longitudinaux d'osciller,;appareil caractérisé en ce que le résonateur est conçu de telle sorte que la 10 fréquence de séparation des modes longitudinaux est un multiple entier de la fréquence de séparation des modes transversaux, une cellule d'absorption (31) étant disposée à l'intérieur du résonateur, cette cellule comprenant un milieu d'absorption (dans un tube 32) présentant des niveaux d'énergie dont au moins deux d1entre. 15 eux sont séparés approximative ment par l'énergie des photons du rayonnement cohérent du milieu de gain actif. 2„ Appareil optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur comprend des réflecteurs concaves de rayons et R2 satisfont à la relation : 20 P- t = eos" V ëiê? u g| = t - h/Rj et gg s 1 - Z/Rgc ou 3e Appareil optique suivant la revendication 1,- caractéri-sé en ce que le moyen de pompage fournit dans lé milieu absorbant une population du plus faible dés deux niveaux, qui est supérieure à la population du niveau supérieur des deux niveaux' d'une quanti— 30 té permettant encore au laser d'osciller, la cellule étant disposée et étant mutuellement adapté® par rapport aux autres' composants du laser de façon à absorber 11 énergie d'une impulsion de ce rayonnement et de renvoyer l'énergie à cette impulsion au moins une fois pour deux passages de 1'ispulsioa à travers la cellulei 35 4« Appareil optique suivant la revendication 1, caractéri sé en ce que les intensités des champs électriques'et les moments des dip&les électriques dans le milieu d'absorption sont réglés Mutuellement pour fcnetioamer pcax- €@s impulsions «. SAP ORIGINAL 69 19583 n 2011132 5o Appareil optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'adaptation mutuelle de la cellule d'absorption et des autres composants du laser comporte un milieu d? absorption gazeux, ce milieu d'absorption présentant une pression égale ou 5 inférieure à une valeur assurant une durée de vie de déphasage homogène supérieure à la largeur de l1 impulsion» 6. Appareil optique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'adaptation mutuelle de la cellule et des autres composants du laser comporte un moyen disposé à l'intérieur du 10 laser assurant une intensité du champ électrique du rayonnement dans le milieu de la cellule d'absorption active qui est réglée par rapport à l'intensité du champ du rayonnement dans le milieu actif du laser et par rapport au moment des dipôles électriques de ces milieux pour un fonctionnement par•'impulsion 2 7T, de sor— 15 te que la cellule d'absorption absorbe de 1'énergie du rayonnement et renvoie ensuite l'énergie absorbée au rayonnement pendant chaque passage simple du rayonnement à travers la eellule d'absorption* 7. Appareil optique suivant la revendication 6, caractéri-20 sé en ce que le moyen fournissant l'intensité du champ électrique comprend au moins une lentille disposée entre le milieu de gain actif du laser et le milieu actif de la cellule d'absorption afin de focaliser le rayonnement dans le milieu actif de/la cellule d'absorption à un diamètre en section droite suffisant pour ob-25 tenir un fonctionnement par impulsions 2 7t B- 8. Appareil optique suivant la revendication- 6, caractérisé en ce que le moyen fournissant l'intensité du champ électrique comporte une adaptation du moyen résonnant dans laquelle des réflecteurs de focalisation produisent un faisceau de ce rayonnement 30 présentant un premier diamètre à un premier emplacement et un se-. cond diamètre à. un second emplacement, lè moyen- fournissant l'in^ • tensité du champ électrique comprenant de plus un- milieu de gain actif du laser disposé au premier emplacement et un milieu actif d'une cellule d'absorption disposé au'second emplacement. 35 '