Brevet FR2012939A1 — publié le 19700327

Cette invention concerne un dispositif pour commander la direction d'émission d'un faisceau laser, et plus particulièrement, la commande électrique de l'atténuation de différents modes d'une cavité laser dégénérée, commandant ainsi la direction dans laquelle la cavité peut entretenir des oscillations. Dans un dispositif de l'art antérieur, un élément laser actif est contenu dans une cavité résonnante définie par deux miroirs. Un des deux miroirs est un miroir semi-transparent classique. L'autre miroir fait partie d'un système de sélection de mode pour ne permettra qu'à un seul mode résonnant d'osciller dans la direction voulue. Le sélecteur de mode comprend on polarissur, une lame à retard et un cristal électro-optique ayant une couche d'une substance conductrice transparente sur une surface et une coushe continuel d'une substance diélectrique très réfléchissante sur la surface opposée. Un faisceau d'électrons commandé dépose une charge électrique sur des zones sélectionnées de la couche diélectrique. Si toutes les parties du miroir de sélection de mode devaient réfléchir la lumière sans atténuation sensible, le laser agirait comme un laser classique, oscillant à la fois dans tous les modes possibles. Cependant, les caractéristiques de réflexion du miroir de sélection de mode sont affaiblies, c'est-à-dire que la lumière réfléchie est tellement atténuée que trop peu de lumière est réfléchie vers l'élément laser actif pour entretenir les oscillations. L'affaiblissement est réalisé comme suit. Le polariseur intercepte la lumière provenant de l'élément actif et ne laisse passer que la lumière polarisée dans un plan donné. La lumière polarisée dans ce plan passe par une lame à retard qui a un effet biréfringent fixe et est orientée afin de retarder la phase d'une composante de polarisation de la lumière par rapport à l'autre qu'elle transmet. La lumière entre dans le cristal électro-optique et est réfléchie par la couche diélectrique pour ressortir du cristal électro-optique. La lumière émergeante passe de nouveau à travers la lame de retard où le retard est "doublé" et retourne ensuite au polariseur. Cependant, la lumière qui a été retardée deux fois a été soumise à un changement de phase tel qu'elle n'est plus polarisée de la même façon. Ainsi, elle est atténuée en passant par le polariseur et sort trop afaiblie pour stimuler l'oscillation du milieu laser actif. Tous les modes d'oscillation de la cavité ont été affaiblis et il n'y a plus d'oscillation. Les caractéristiques biréfringentes du cristal électro-optique sont utilisées pour renforcer des modes d'oscillation sélectionnés. Quand un champ électro-statique est appliqué au cristal électro-optique, le cristal acquiert des caractéristiques biréfringentes propres. Ces caractéristiques peuvent 08&03 2 2012939 être utilisées pour compenser le déphasage dû à la lame à retard. Ensuite, la lumière provenant des zones biréfringentes du cristal peut passer avec moins d'atténuation à travers le polariseur, gardant ainsi une intensité suffisante pour stimuler le laser à osciller dans au moins un mode. Ainsi, le polariseur et la lame à retard optique ont ainsi agit comme un moyen pour influencer la polarisation de la lumière qu'ils transmettent„ Le cristal électro-optique surmonte cette influence pour renforcer un ou plusieurs des modes d'oscillation. Dans l'art antérieur, le champ électro-statique appliqué au cristal pour renforcer un mode sélectionné est dû à une charge déposée sur la couche diélectrique par le faisceau d'électron commandé. Cette charge crée un champ électro-statique localisé entre la couche diélectrique déposée sur uns surface du cristal et la couche conductrice! transparente (reliée à la masse) déposée sur la surface opposée. Cette charge est choisie pour modifier les caractéristiques de le cavité dans une petite zone pour maintenir (idéalement) un faisceau laser mononvode émis par un miroir vers un point optiquement conjugué à la position de la charge, et ayant une direction dans la résonnateur qui est commandée par le déplacement angulaire de par rapport à l'axe de la cavité optique de la zâne dont les caractéristiques ont été modifiées. Cependant, ce système de l'art antérieur pour déformer une cavité présente un inconvénient. Dès qu'une charga a été appliquée sur la zôns de la couche diélectrique, un certain csfiïps est exigé pour que la charge disparaisse. Ce temps est une fonction de la résistivité du cristal électro-optique, qu'on ne peut pas faire varier facilement, UMe méthode pour faire varier cette résistivité, décrite dans le brevet N° 1 506 133 déposé par la demanderesse en France le 20 Décembre 1966, exige des substances électro-optiques spéciales, qui ne sont pas ordinairement disponibles. Ainsi, la persistance d'un point chargé est une valeur fixe, limitant d'une part l'utilisation de vitesses élevées de balayage, st, d'autre part, le maintient d'une déflexion fixe. La présente invention concerne un sélecteur ds mode comprenant un miroir composé de plusieurs petites zonas conductrices, chacune desquelles est reliée à la masse par une résistance particulière telle que la charge déposée sur la zôns par le faisceau d'électrons psut s'écouler à 1s massa par 1'intermédiaire de la résistance parallèle du cristal électro-optique et de la résistance particulière. Le réglage de la valeur de la résistance particulière permet de commander le temps de disparition de la charge. Pour faciliter le réglage ces résistances peuvent être des photo-résistances. Il est évident que si la capaeité entre une petite zone et le plan conducteur transparent est C et la valeur de la combinaison des résistances 08603 3 2012939 en parallèle est R, la constante de temps de la charge sur la petite zône sera RC. Puisque la valeur des résistances individuelles peut être choisie aussi petite que voulue, RC peut être rendu très petit. Si la résistance individuelle est variable, par exemple, une photo-résistance, la constante de temps RC peut être modifiée. On pourrait former une mosaïque de petites zones conductrices pour couvrir la surface entière du cristal électro-optique et connecter une résistance de décharge particulière à chacune de ces zones. Cependant, il serait difficile de faire toutes ces connexions sans interférer avec le libre passage du faisceau d'électrons vers la surface dss zones conductrices. La présente invention, peut être décrite sommairement comme un laser à balayage à deux ensembles de bandes conductrices, déposés chacun sur un cristal électro-optique particulier ou sur une partie particulière d'un cristal unique. Les bandes conductrices sont utilisées pour tracer un trajet dans la cavité. Le système optique et les ensembles de bande sont disposés et orientés d'une telle façon que ehaqus ensemble soit représenté en image ou focalisé sur l'autre ensemble. L'image da chaque bande d'un ensemble passe à travers toutes les bandes de l'autre ensemble de préférence à angle droit. Chacune des bandes a un trajet de décharge résistif à la masse particulier. Ainsi, chaque bande d'un ensemble peut former une cavité résonnante avec chacune des bandes de l'autre ensemble. Seule la zone où une image d'une bande particulière d'un ensemble passe à travers une autre bande particulière de l'autre ensemble fera partie de la cavité résonnante commune aux deux bandes. En employant deux ensembles de bandes, l'une ayant n bandes et l'autre m bandes, on réalisera un ensemble mosaïque n x m. De plus, on n'aura besoin que de n+m résistances connectées à la masse, au lieu de n x m résistances et celles-ci peuvent être connectées au bout des bandes. La figure 1 est une coupe transversale d'un système laser à balayage selon la présente invention. La figure 2 est une vue en plan d'un système de sélection de mode utilisé avec le système laser à balayage de la figure 1. Les figures 3 et 4 sont des vues en plan de sélecteurs de mode qu'on pourraient utiliser avec le système laser à balayage de la figure 1 pour fonctionner avec des coordonnées polaires. La figure 5 est une coupe transversale d'un système laser à balayage à champs replié selon la présente invention. Les figures B et 7 sont des vues en plan et en section transversale d'un système de sélection de mode utilisé avec le système laser à balayage de la figure 5. 69 08603 4 2012939 La figure 1 est une coupe transversale d'un mode de réalisation laser à balayage numérique commandé par un faisceau d'électrons. Un élément laser actif 1, pouvant être une décharge dans le mercure, est situé symétriquement entre les deux lentilles 2 et 3. A l'élément actif sont associées les sources 5 de pompage conventionnelles, qui sont nécessaires pour le fonctionnement propre. Celles-ci sont bien connues et ne sont pas représentées. Des polari-seurs 4 et 5, situés symétriquement par rapport à un côté des lentilles transmettent la lumière ayant, par exemple, un axe de polarisation à 45° de la verticale, vu de la direction de l'élément actif. Des systèmes à tube à rayons 10 cathodiques 8 et 7 sont situés symétriquement par rapport à un côté des pola-riseurs 4 et 5. Le tube à rayons cathodiques a une plaque frontale biréfringente en quartz 15 quisert comme fenêtre donnant sur le front du tube à rayons cathodiques, et introduit un retard de phase entre les composantes horizontale 15 et verticale de la polarisation de la lumière qui passe à travers la plaque frontale. Monté dans le tube à rayons cathodiques 6, derrière la plaque frontale 15 se trouve un cristal électro-optique 17, qui peut être un cristal de KDP, (KH^PO^). Les axes principaux biréfringents induits électriquement dans le cristal sont orientés horizontalement et verticalement pour compenser 20 les effets biréfringents de la plaque frontale 15. Une couche conductrice transparente 18, qui peut être du SnO ou du CdO, peut être placée sur la surface du cristal électro-optique la plus proche de la plaque frontale. Un ensemble de bandes conductrices et réfléchissantes 19 est placé sur la surface arrière du cristal électro-optique 17. La cathode 21 du tube à rayons 25 cathodiques 6 produit un faisceau d'électrons 22 qui est dévié par une bobine de déviation 23. pour être incident sur une zône sélectionnée de l'ensemble conducteur 19. L'ensemble conduceur 19 sera mieux décrit dans la figure 2. La charge déposée par le faisceau d'électron 22 sur l'ensemble conducteur 19 produit 30 un champ électro-statique entre l'ensemble 19 et la couche conductrice reliée à la masse 18, ou entre l'ensemble 19 et une masse "virtuelle", connue par l'homme de l'art, et qui peut être normalement définie par les bornes du système. x A part l'orientation de l'ensemble conducteur 39, les composantes du 35 tube à rayons cathodiques 7 sont tout à fait symétriques avec celles du tube à rayons cathodiques G. Les lentilles 2 et 3 sont respectivement situées à une distance F de la ligne de symétrie 50 du système. Les distances F correspondent aux distances focales des lentilles identiques 2 et 3, Les ensembles de bandes conductrices 19 et 39 sont respectivement situées' à une dis-40 tance F des lentilles 2 et 3. Ainsi, il "est clair que la lumière venant de 69 08603 5 2012939 l'ensemble 19 donne une image sur l'ensemble 39, qui est le plan image de l'ensemble 19. Du fait que le dispositif est symétrique, l'ensemble 39 est aussi focalisé sur le plan défini par l'ensemble 19. Comme on le verra en rapport à l'exposé des figures qui suivent, un faisceau laser 51 est engen-5 dré dans une cavité résonnante définie par le point 52 sur l'ensemble conducteur 19 et le point 53 sur l'ensemble conducteur 39. Les points 52 et 53 sont des points où l'image d'une bande conductrice chargée d'un ensemble et l'image d'une bande conductrice chargée d'un autre ensemble se croisent. La figure 2 est une vue en plan du cristal 17 et l'ensemble de bandes 10 conductrices 18 employés dans le tube à rayons cathodiques 6. L'ensemble illustré dans la figure 2 peut aussi être utilisé pour les éléments 37 et 39 dans le tube à rayons cathodiques 7. Bien que l'ensemble de bandes illustré dans la figure 2 puisse être employé dans les deux tubes à rayons cathodiques une des ensembles doit cependant être tourné de 90° afin de superposer 15 chacune des bandes conductrices d'un ensemble sur les bandes conductrices de l'autre ensemble. Plusieurs bandes conductrices et réfléchissantes, 60-69, pouvant être, par exemple, de l'argent, sont déposées sur le cristal électro-optique 17. Des résistances 70-79, reliées à la masse, sont connectées respectivement 20 aux bandes 60-69 pour servir de trajets de décharge commandés. Ces résistances peuvent être photoconductrices pour faciliter le réglage des constantes de temps de décharge RC. Les bandes conductrices 60-69 peuvent être disposées en éventail sur une région périphérique 55, pour former une cible plus grande pour le faisceau d'électrons. Dans la figure 2, les bandes 60-63 sont illus-25 trées comme étant respectivement en éventail pour former une région élargie 80-83. Si les résistances sont des photorêsistances, une source de lumière 138, comprenant une lampe à éclair 138A, commandée par une source d'impulsion 138B, peut être prévue. Le faisceau laser 51 peut sortir de la Cavité par plusieurs moyenspar exemple, une plaque en verre 139 située dans le résona-30 teur. Naturellement, il n'est pas nécessaire que les bandes soient parallèles. Les figures 3 et 4 montrent deux types d'ensemble utilisés dans la figure 1 pour commander le déplacement angulaire du faisceau laser dans un système de coordonnées polaires. Une série de bandes concentriques telle que repré-35 senté dans la figure 3 et une série de bandes radiales telle que représentée dans la figure 4, dont les images respectives sont formées à l'emplacement respectif des objets peuvent commander le fonctionnement de la cavité résonnante selon un système de coordonnées polaires. La figure 5 est une coupe transversale d'unmode de réalisation à champ 40 replié du laser à balayage numérique commandé par un faisceau d'électrons. 69 08603 6 2012939 Un seul élément laser actif 90 est placé d'un côté du plan de symétrie. Un miroir semi-transparent 91 est placé sur le plan de symétrie pour réfléchir une partie de la lumière incidente et la faire repasser par l'élément laser actif 90. La lentille 92, le polariseur 93 et la plaque frontale 94 ont la 5 même construction et le même objet que ceux illustrés dans la figure 1. La plaque frontale en quartz 94 sst montée sur un tube à rayons cathodiques à deux faisceaux 95, qui contient un cristal électro-optique 96. Ce cristal est pourvu d'une couche transparente conductrice reliée à la masse 97 sur sa surface antérieure et deux ensembles 98 de bandes conductrices et réflec-10 t.riess sur sa surface postérieure. Ces deux ensembles 98 sont mieux décrits en rapport aux figures 6 et 7. Du fait que la réalisation de la figure 5 est repliée, avec un miroir au plan de symétrie, l'image d'un des ensembles dans le plan 98 est réfléchie vers le mène plan et une image est superposée à l'autre ensemble afin de créer un nombre de points d'intersections où l'i-15 mage d'une banda et une bande de l'autre ensemble se croisent. Ainsi, quand les faisceaux d'électrons 99 et 100 respectivement sont incidents sur une des deux bandes ayant des zones d'intersection aux points 101 et 102, ces points 101 et 102 deviennent capables d'entretenir une oscillation entre eux. Les deux points forment une cavité résonnante pour engendrer un fais-20 ceau laser replié 103. Les figures 6 et 7 sont des vues en plan et en section transversale de deux ensembles ds bandes conductrices et réfléchissantes qui peuvent être employées dans la réalisation de la figure 5„ La figure 6 montre un cristal électro-optique ayant une première région 110 et une deuxième région 111. 25 Un premier ensemble de bandes conductrices et réfléchissantes 112-115 est placé sur une première surface, qui est la surface supérieure de la région 110, comme illustré dans la figure 6. Un second ensemble de bandas conductrices et réfléchissantes 120-126 est placée sur une troisième surface, qui est la surface supérieure de la région 111 du cristal. Ces bandes conductri-30 ces sont reliées à la masse par des résistances individuelles, comme déjà décrit en rapport à la réalisation de la figure 2. La figure 7 est une représentation en section transversale du dispositif illustré danp la figure 6. Les surfaces 130 et 131, respectivement la deuxième surface, située sur la région 110 du cristal et la quatrième surface, 35 située sur la région 111 du cristal, peuvent être recouvertes par des électrodes transparentes conductives 135, qui sont reliées à le masse. Une couche antiréflectrice 136 peut être placée sur l'électrode transparente conductive 135„ Les deux couches 135 et 13S peuvent s'étendre sur un membre de support 137. 40 II est évident que l'écartement des bandes réfléchissantes conductrices BAD ORIGINAL 69 08603 7 2012939 appliquées sur les cristaux électro-optiques peut être plus petit et que l'écartement représenté est donné à titre d'illustration. Pratiquement, par exemple, la figure 6 peut représenter un cristal KDP de 5cm sur 5cm dont la surface est recouverte par une série de bandes en argent, d'une largeur de 5 25 microns et écartées de 25 microns. Ainsi, la première surface, dans la région supérieure 110 du cristal, comprendrait 500 bandes longues, et la troisième surface, dans la région inférieure du cristal 111 comprendrait 1000 bandes courtes. Chacune de ces longues bandes conductrices pourrait avoir une capacité d'environ 0,2 picofarads. Si la constante de temps voulue 10 pour ce système était d'environ 200 nanosecondes, les résistances associées pourraient avoir une valeur d'environ 1 mégohm. Si les bandes courtes ont une capacité de 0,1 picofarads, leur résistance associée pourrait avoir une valeur de 2 mégohms. L'électrode comprenant les résistances de fuite, peut être fabriquéeplus économiquement par photolithographie. 15 Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représente sur les des sins, les caractéristiques essentielles de l'invention, appliquées à des modes de réalisations préférés de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art pourrait y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 69 08603 8 2(Sî2939 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de commande de la direction d'un faisceau laser comprenant un élément actif engendrant un faisceau de lumière cohérente selon plusieurs chemins orientés différemment dans le milieu actif et une cavité résonnante 5 pour commander le chemin selon lequel sera engendré ladite lumière cohérente et pour commander par là la direction dudit faisceau laser, la dite cavité comprenant au moins des premiers et des deuxièmes moyens de rfflexion caractérisés en ce que les premiers moyens de réflexion comprennent un premier cristal électro-optique comportant uns première et une deuxième surfaces, 10 un premier ensemble de bandas réfléchissantes et conductrices appliquées sur ladite première surface et une première électrode transparente appliquée sur ladite deuxième surface, les seconds moyens de réflexion comprennent un second cristal électro-optiqus comportant une troisième et uns quatrième surfaces, un second ensemble de bandas réfléchissantes et conductrices appli-15 quées sur ladite troisième surface et une seconda électrode transparente appliqués sur ladite quatrième surface, des moyens pour déposer une charge électrique sur une bande sélectionnée de chacun desdits premier et second ensembles de bandes pour créer un champ électrostatique entre chaque bande sélectionnée et l'électrode transparente associée, des moyens de polarisa-20 tion pissés entre ledit élément actif et chacun dss dits premiers et seconds moyens de réflexion pour atténuer la quantité de lumière réfléchie à travers ledit élément actif par chacune des dites bandes réfléchissantes autre que les bandes sélectionnées qui sont chargées électriquement, grâce è quoi la lumière réfléchie par les dites bandes électriquement chargées â travers 25 l'élément actif en quantité suffisant® engendre un faisceau de lumière cohérent© selon au moins un des différents chemins possible, celui-ci correspondant au chemin de la lumière non atténuée et des moyens pour faire sortir au moins un des faisceaux de lumière cohérente de la cavité. 2.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les moyens de dépôt 30 d'une charge électrique comprennent des moyens pour engendrer un premier et un second faisceaux d'électrons, des moyens tendant à faire déposer une charge sur ladite bande sélectionnée du premier ensemble de bandes par ledit premier faisceau d'électrons et des moyens tendant à faire déposer une charge sur ladite banda sélectionnée du second ensemble de bandes par ledit second 35 faisceau d'électrons. 3.- Dispositif selon la revendication 2 dans lequel chaque bande desdits premier et second ensembles de bandes est connectée par une résistance séparée 69 08603 g 201293$ à un point de potentiel commun et lesdites première et seconde électrodes transparentes sont reliées directement au mime point du potentiel commun. 4.- Dispositif selon la revendication 2 dans lequel chaque bande desdits premier et second ensembles de bandes comprend dans sa région terminale une 5 zône plus large pour recevoir les électrons venant du faisceau d'électrons associé. 5.- Dispositif selon la revendication 3 dans lequel chacune des résistances séparées est une photorêsistarsce et dans lequel ledit dispositif comprend en outre une source de lumière pour corr,mander la résistivité desdites photo-10 résistances. 6.- Dispositif selon la revendication 4 comprenant en outre des troisièmes moyens de réflexion pour replier sur elle-même ladite cavité optique, les dits premiers et deuxièmes moyens de réflexion étant placés l'un à côté de l'autre du côté du milieu actif qui est opposé à celui faisant face au troi- 15 sième moyens de réflexion, grâce à quoi le faisceau de lumière cohérente engendré entre lesdits premiers et deuxièmes moyens de réflexion est replié par lesdits troisième moyens de réflexion et traverse ledit milieu actif suivant deux modes. 7.- Dispositif selon la revendication 5 dans lequel les troisièmes moyens 20 de réflexion comportent un miroir semi-transparent grâce à quoi les faisceaux de lumière cohérente frappant ces troisièmes moyens de réflexion sont partiellement transmis.