Brevet FR2010943A1 — publié le 19700220

i 2010943 La présente invention se rapporte en général à un maser à infrarouge et plus particulièrement à un dispositif de couplage perfectionné de sortie d'un maser à infra-rouge. Le procédé classique de couplage de llénergie de sortie d'un 5 maser à gaz consiste, ainsi qu'il est bien connu, à utiliser un élément de couplage formé d'une pellicule semi-transparente à plusieurs coefficients de transparence, constituée par des matières diélectriques déposées par évaporation. Toutefois, le procédé perd de son actualité car le type d'amplification susceptible d'être obtenu par 10 l'emploi d'un maser s'élargit et englobe une gamme de fréquences allant de 1'infra-rouge à des fréquences visibles tandis que par ailleurs la puissance de sortie monte de quelques milliwatts à quelques kilowatts en ondes continues. Un des masers connus qui satisfont à la fois aux exigences d'une 15 gamme de fréquence étendue et d'une puissance de sortie accrue est le laser fonctionnant dans le gaz carbonique. Si on souhaite obtenir une réflexion à 90# par utilisation du laser comportant une pellicule diélectrique à plusieurs couches, il eât nécessaire de former la pellicule avec un total de cinq couches ayant chacune une épaisseur égale 20 au quart de la longueur d'onde du rayonnement sortant du laser, aux dépens de l'augmentation de l'épaisseur résultante de la pelliculeo Ceci se traduit non seulement dans la difficulté qu'on rencontre dans la fabrication d'une telle pellicule, mais encore dans la résistance mécanique de cette pellicule. 25 Pour supprimer de tels inconvénients qui sont inhérents au maser classique, il a été proposé jusqu'à présent deux procédés améliorés dont l'un consiste à prévoir un trou au centre du miroir de couplage de sortie pour permettre au rayonnement de sort-ie du maser de passer à travers celui-ci., l'autre procédé consistant à interposer dans 3.0 l'oscillateur une plaque transparente de manière qu'un rayon lumineux incident arrive suivant un angle qui est quasi l'angle d'incidence de Brewster, de telle sorte que le rayonnement de sortie du maser soit obtenu par réflexion de la lumière par les deux côtés de la plaque. 35 Des problèmes demeurent cependant posés dans ces procédés connus perfectionnés, fîans le premier procédé de couplage de la sortie du maser, la présence d'un trou dans le miroir de couplage de sortie produit habituellement une modification du mode suivant lequel l'oscillation se produit. En d'autres termes, des modes d'ordres 4-0 supérieurs apparaissent parce que l'affaiblissement de modesd'ordres 69 19857 2 2010943 inférieurs dépasse celui des premiers par suite de la présence d'un trou au centre du miroir. Un autre inconvénient résultant de la présence d'un trou dans le miroir de couplage de sortie réside dans la diffraction accrue des faisceaux de sortie. Il est généralement 5 connu des spécialistes que la diminution de la diffraction des rayons laser est attribuée au fait que le faisceau qui va d'un miroir réfléchissant à l'autre est contraint , en convergeant, à se présenter suivant un mode dans lequel la diffraction de la lumière est réduite à „ du un minimum. Par conséquent, si une simple partie /champ électromagnétique 10 suivant un tel mode est couplée à travers le trou percé dans le miroir, cette partie particulière n'assure plus une diffraction réduite au minimum# On doit aussi porter son attention sur le diamètre d'un tel trou de couplage de sortie qui est inférieur à celui du mode de fonction-15 nement en laser parce qu'il apporte une contribution importante à l'accroissement de la diffraction des rayons. Un troisième inconvénient provenant de la présence d'un trou dans le miroir de couplage de sortie est lié à la caractéristique d'alignement de la cavité du systèmequi reste encore stricte, même 20 si une cavité à point commun de focalisation ou hémisphérique, qui facilite normalement l'alignement, doit être utilisée. Le pourcentage du signal de sortie couplé qui varie d'une manière importante en fonction de l'alignement de la cavité doit être pris en considération, c'est à dire ne doit pas être négligé. L'établissement du mode des 25 ondes électromagnétiques à l'intérieur de la cavité dépend généralement à la fois du type de la surface caustique résultant de la courbure du miroir et de la diffraction des rayons provenant du côté • ouvert du miroir. Dans une cavité du type Fe."bry-Perot à surface-plane, dans la-30 quelle aucune surface caustique n'est formée, le mode des ondes électromagnétiques à l'intérieur de la cavité provient uniquement de le diffraction, ce qui aboutit à un accroissement de l'affaiblissement de diffraction. Dans une cavité à point commun de focalisation ou hémisphérique, par ailleurs, seule la formation de la surface causti-35 que contribue à la formation des modes des ondes électromagnétiques qui sont concentrées en majeure partie autour de l'axe optique déterminé par le rayon qui est incident à angle droit sur les deux miroirs. Ceci signifie que les intensités des ondes électromagnétiques sur les circonférences ou périphéries des miroirs sont réduites à des 40 valeurs négligeables et il en est de même de l'affaiblissement ré 69 19857 3 2010943 sultant de la diffraction des rayons. Si en outre, les miroirs sont notablement inclinés l'un par rapport à l'autre, il se produit un léger déplacement de l'axe optique et, ainsi, un autre axe optique devient disponible . Si on suppose que le déplacement de l'axe 5 optique est un infiniment petit du premier ordre, la variation de la distance entre les deux miroirs est un infiniment petit du second ordre, de sorte que la nécessité de la configuration à point com- • mun de focalisation est aussi satisfaite. Ainsi, la légère inclinai-son des miroirs n1aboutit pas nécessairement à une augmentation de 10 l'affaiblissement de l'énergie de sortie en raison des effets immanents par lesquels le déplacement de l'axe optique est un infiniment petit et que l'intensité des ondes électromagnétiques au bord du miroir est si petite qu'elle est négligeable. Lorsqu'au contraire, ion trou pour le couplage de l'énergie de 15 sortie existe dans le miroir de couplage de sortie, l'intensité des ondes électromagnétiques arrivant au trou lui-même n'est pas négligeable en pratique et, en conséquence, le déplacement de l'axe optique, bien qu'il puisse être léger, se reflète directement par la variation de la fraction extraite de sortie du signal en fonction 20 de l'angle suivant lequel le miroir est incliné, car la position de la cavité du type considéré dévie par rapport aux positions des miroirs. Le diamètre du trou est habituellement déterminé de telle manière que le miroir réfléchissant fonctionne dans des conditions optimum quand le centre du trou se situe sur l'axe optique qui est 25 déterminé ainsi qu'il a été expliqué précédemment, par les rayons incidents tombant perpendiculairement sur les deux miroirs. En conséquence, il est essentiel d'aligner exectement le trou sur ledit axe optique. La variation de l'énergie de sortie en fonction de l'inclinaison du miroir, dans ce cas, est approximativement égale 30 à celle qui se produit dans la cavité du type Fabry-Pérot à surface plane au lieu d'être approximativement celle qui se présente dans la cavité à point commun de focalisation ou hémisphérique. Les caractéristiques d'alignement de la cavité en présence d'un trou dans le miroir réfléchissant sont ainsi très strictes. 35 Par ailleurs l'autre procédé de couplage de la sortie d'un ma ser au moyen d'un réflecteur incliné suivant un angle correspondant quasi à celui de Brevster pose aussi certains problèmes, bien qu'il présente certains avantages qui sont d'ailleurs appréciables, le plus important de ces problèmes, tel qu'il sera discuté ci-après d'une 4-0 manière plus détaillée, résidant dans le fait que la sortie du maser 69 19857 4 2010943 s'effectue dans deux directions opposées à partir d'une plaque transparente sur laquelle arrive la lumière d'entrée. Il est certain qu'il est difficile d'obtenir ainsi la grande puissance de sortie qui est exigée des lasers à grande puissance actuels. Pour résoudre ce pro-5 blême, il est courant, dans la technique connue, de provoquer une réflexion d'une composante de l'onde de sortie dans la direction de l'autre au moyen d'un miroir réfléchissant supplémentaire qui est prévu à cet effet. Etant donné que, dans ce cas, on souhaite que les deux composantes de sortie se superposent correctement, le miroir 10 réfléchissant supplémentaire doit être aligné exactement, au point de vueoptique, sur le reste du système optique, ce qui exige un système optique d'une construction extrêmement méticuleuse. L'invention a donc pour objet un élément perfectionné de l'énergie de sortie d'un maser à infra-rouge, cet élément étant exempt des 15 inconvénients sus-mentionnés, inhérents aux éléments correspondants de l'art antérieur. L'élément de l'invention qui est compatible avec les réalisations simplifiées des masers classiques à gaz et qui permet d'obtenir avantageusement les caractéristiques voulues d'alignement sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des expédients comple-20 xes et coûteux, comporte un miroir réflecteur de couplage de sortie dont la surface, déposée par évaporation a une résistance mécanique accrue. L'invention concerne en particulier un oscillateur à maser de grande puissance dont l'alignement de la cavité est amélioré et dont les miroirs ont une résistance mécanique accrue, ce maser étant 25 par exemple à gaz carbonique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard àes dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention : 30 Sur ces figures : - la figure 1 est une vue en élévation latérale schématique d'un exemple de tube 'de laser connu comportant un réflecteur fixe à angle d'incidence qui est quasi celui de Brewster ; - la figure 2 illustre les positions relatives générales des 35 miroirs réfléchissants disposés dans une cavité usuelle ; - les figures 3A à 3C sont trois vues en plan de modes de réalisation préférés différents du miroir selon l'invention destinés à être utilisés- dans un maser à infra-rouge de construction connue. Bien qu'uïi des problèmes essentiels posés dans le maser clas-40 sique à réflecteur à angle d'incidence voisin de l'angle d'inci- 69 19857 5 2010943 denee de Brewster ait été signalé brièvement, il sera utile pour comprendre les caractéristiques du maser selon l'invention, de revoir d'une manière plus approfondie le problème. Ainsi qu'il est représenté sur la figure 1, le maser de ce type 5 connu comprend essentiellement deux miroirs et Mg constituant la cavité du système et une plaque transparente sur laquelle les rayons incidents arrivent suivant un angle voisin de l'angle de Brewster, de façon à réduire au minimum la réflexion de lumière par celle-ci. Cette structure est préférée à cause de la diffraction ré-]_0 duite au minimum du rayon de sortie et de la résistance mécanique accrue des miroirs utilisés. Une caractéristique rédhibitoire de ce type de laser réside dans' le fait que l'énergie de sortie est mise dans deux directions opposées parce que la réflexion a lieu sur les deux côtés de la plaque transparente M^. Ceci peut, en fait, être 3_5 accepté comme étant préférable d'un point de vue ou d'un autre, mais si la structure de ce type est destinée à être utilisée dans un maser de grande puissance fournissant une grande puissance de sortie elle s'avère plutôt inutile pour toutes les applications pratiques» Une pratique courante pour éviter un tel inconvénient consiste à 20 laisser passer une composante de sortie réfléchie dans la même direction que l'autre or.ne ccx-vo^ante au mo~en d'un miroir réfléchissant supplémentaire qui est prévu pour ce but particulier en vue de projeter l'onde sortante dans une seule et même direction. Pour que les deuxjondes composantes se superposent correctement, le mi-25 roir réfléchissant supplémentaire doit être réglé optiquement avec une précision suffisante en conformité stricte avec le reste du système optique. Ainsi, le positionnement correct d'éléments différents, dont le nombre total est égal à quatre, les uns par rapport aux autres, exige un réglage extrêmement méticuleux avant ou après 50 usage. Si, en outre, les axes optiques des miroirs réfléchissants doivent être alignés corectement, 1'oscillâteur maser ainsi réalisé est un montage simplement analogue à l'oscillateur mixte sélecteur de mode inventé par Fox, ce qui exige davantage de soins apportés à sa réalisation en vue de l'obtention d'un fonctionnement satisfai-yj sant. On comprendra maintenant que les problèmes posés par ce type de laser résultent tous de la présence d'un troisième élément M^, et que le principe de l'invention réside dans la suppression d'un tel élément supplémentaire pour coupler l'énergie de sortie avec un rendement satisfaisant. 40 La- figure 2 illustre la cavité selon l'invention qui compose 69 19857 6 2010943 simplement de même que les systèmes classiques connus, un miroir réfléchissant plan ou sphérique M^q et un miroir de couplage de sortie M qui sont maintenus l'un en face de l'autre» Le miroir M9n 20 , 'v• est constitue par une plaque de base en une natière électriquement 5- conductrice, transparente aux rayons laser, tel qu'un composé de gallium ou de germanium, et par une pellicule de matière réfléchissant les rayons laser, telle que l'argent ou l'or, appliquée sur la surface intérieure de la plaque formant substrat. Dans ce cas, il est nécessaire que la surface intérieure de la plaque formant q substrat ait un fini spéculaire avant d'appliquer sur celle-ci, la pellicule réfléchissant les rayons du laser. La surface intérieure de la plaque formant substrat peut être pratiquement plane mais, pour réduire au minimum l'affaiblissement par diffraction résultant de la formation d'une surface caustique du flux de rayons 15 dans la cavité, il est plus avantageux de donner à cette surface une courbure appropriée. Conformément à l'invention, la pellicule réfléchissant les rayons du laser est déposée par évaporation, sur la surface intérieure de la plaque formant substrat, de telle manière que la pel-20 licule résultante ait une configuration correspondant à un dessin approprié conçortant une série de zones non recouvertes, ainsi qu'il est représenté sur les figures 3A à 30. Ainsi qu'il est représenté, la pellicule peut comporter un dessin de raies, comme par exemple dans le cas de la figure 3(A) ou, si on le souhaite, un dessin en 25 forme de grille ou de trame, ainsi qu'il est indiqué respectivement par les figures 3(B) et 3(0). Lorsque la pellicule doit être disposée suivant un dessin en forme de grille ou de trame, elle peut 1*6 S "C&xiX 0 S être formée par une série de points en relief, les zones/du substrat non recouvertes par le revêtement, formant un quadrillage tel que 30 représenté sur la figure 3(B), ou bien la grille est en relief, les zones restantes non recouvertes, formant -une série de points en creux tels qu'illustrés sur la figure 3(0). Les zones non recouvertes, transparentes aux rayons du laser, qu'elles forment un dessin en raies ou en grille, peuvent être ré-35 parties de façon à assurer le meilleur rendement de couplage de sortie. Lorsque la disposition du dessin est suffisamment clairsemée, il en résulte une variation du mode de la cavité et si, dans cet exemple, la miroir réfléchissant est incliné par rapport au miroir de couplage de sortie opposé, il se produit une variation des con-40 ditions de couplage de.sortie. L'exactitude de l'alignement des 69 19857 7 2010943 éléments de la cavité en est considérablement réduite, comme c'est le cas avec le système représenté sur la figure.1. Lorsque par contre, le dessin est suffisemment fin, la réflexion par le miroir varie avec la longueur d'onde d'une manière correspondant à la grille 5 de diffraction, de sorte que la cavité est utilisable comme cavité de sélection de mode. On comprendra, d'après la description précédente, que la cavité ou plus particulièrement l'élément de couplage de sortie selon l'invention, peuvent être utilisés avantageusement dans un maser à infra-rouge à grande puissance tel qu'un maser à gaz carbonique, dont l'alignement est facilité et dont le miroir de couplage de sortie a une résistance mécanique accrue grâce à l'utilisation d'un tube maserclassique simplifié. Il va de soi que l'invention a été décrite ci-dessus à titre 15 explicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir de son cadre. 69 19857 8 20i0943 REVENDICATIONS 1- Tube maser à infra-rouge, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir réfléchissant et un miroir de couplage de sortie disposés en face l'un de l'autre, et le miroir de couplage de sortie est cons-5 - titué par une plaque formant substrat en une matière électriquement conductrice, transparente au rayon laser, et une pellicule de matière réfléchissant les rayons lasen,déposée par évaporation sur la surface intérieure de- la plaque formant substrat,cette pellicule formant un dessin dont des zones.occupant une surface importante sont iaisséas sans revêtement. „ ... , 10 2- Tube maser suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule est disposée suivant une série de raies en relief. 3- Tube maser suivant la revendication 1,, caractérisé en ce que la pellicule est disposée suivant une série de points en relief. 4- Tube maser selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 la pellicule est disposée sous forme d'une grille ou quadrillage en relief. 5- Tube maser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces intérieures des miroirs réfléchissant et de couplage de sortie sont sensiblement planes. 20 6- Tube maser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces intérieures des miroirs réfléchissant et de couplage de sortie présentent une certaine courbure.