Brevet FR2008347A1 — publié le 19700123

1224S , 2008347 La présente invention se rapporte à un dispositif permettant de bloquer les modes d'oscillation, transversaux, de bloquer simultanément les modes d'oscillation transversaux et longitudinaux et de faire balayer un faisceau dans les Kasers 5 optiques. L'une des utilisations les plus prometteuses du laser est son utilisation dans le domaine des communications où les grandes largeurs de bande dont on dispose aux fréquences optiques représentent pratiquement des possibilités de transmission d'informa-10 tion qui sont illimitées. L'information peut être imprimée sur un faisceau optique par des techniques tien connues de modulation d'amplitude ou de modulation de fréquence, mais la modulation par impulsion codée du fait de ses avantages évidents constitue un procédé préféré et de ce fait a amené les spécialistes à essa-15 yer de produire un laser à impulsions en ondes entretenues, c'est-à-dire un laser d Il est possible que le succès le plus connu de la réussite du fonctionnement d'un laser par impulsions en ondes entretenues puisse être attribué à L.E. Hargrove qui a découvert que les modes d'oscillation longitudinaux d'un laser bloqué en phase produi-25 saient un train d'impulsions de sortie lorsqu'ils étaient modulés à la fréquence de séparation des modes. L'utilisation faite par Hargrove d'un modulateur acoustique à l'intérieur d'une cavité dans ce but est décrite dans un article intitulé "Locking • of He-Ne Laser Modes Induced by Synchronous Intracavity Modulation" 30 k.E. Hargrove et ses collaborateurs, Applied Physics Letters, 5,4 (1964). Ensuite d'autres chercheurs ont étudié en détail le phé-nomère de blocage de phase en ce qui se rapporte aux modes longitudinaux d'un laser. Voir par exemple "Characteristics of Mode Coupled Lasers" M.H. CroweB, IEEE,J. Quantum Electronics, 35 QE-1, 12 (1965)* On a déterminé que le blocage des modes longitudinaux fait limiter la répartition de l'énergie longitudinale à l'intérieur du résonateur de la cavité à un seul paquet d'énergie ou impulsion qui rebondit d'un mouvement de va-et-vient entre les miroirs du résonateur en produisant une impulsion de sortie chaque fois qu'elle vienifcfrapper l'un des miroirs. C'est- 69 12245 2 2006347 à-dire que la sortie est constituée par un train d'impulsions présentant une fréquence de répétition de c/2L où çî est la vitesse de la lumière et 2L est la longueur du trajet aller et retour. La largeur de l'impulsion est en rapport inverse de la 5 largeur du spectre de la sortie. Bien que l'impulsion à l'intérieur de la cavité soit constituée par un paquet d'énergie limité longitudinalement, elle n'est pas cependant "limitée transversalement à aucune région particulière à l'intérieur de l'ouverture du système, c'est-à-dire que l'énergie de l'impulsion à 10 l'intérieur de la cavité peut être répartie transversalement sur toute l'ouverture du système. Les spécialistes se sont préoccupés du blocage de mode longitudinal comme technique permettant d'obtenir une porteuse pour une modulation par impulsion codée, de sorte qu'on a con-15 sacré peu d'efforts pour étudier la 'possibilité et l'intérêt du blocage de phase des modes transversaux d'un maser optique. De ce fait, un grand nombre des applications du blocage de mode transversal, tel que le balayage d'un faisceau n'ont pas été appréciés à leur valeur par les spécialistes. Le peu de travail 20 qui a été effectué dans -ce but a concerné l'auto-blocage des modes transversaux, c'est-à-dire que le "blocage de phase a été observé s£ En conséquence, le blocage du mode transversal d'un jeu particulier de symétri.s des modes transversaux est obtenu 35 dans un oscillateur laser par une onde progressive à l'intérieur de la cavité d'indice, de réfraction qui se propage transversalement dans le résonateur de la cavité à la fréquence de séparation des modes transversaux. Pfr jeux de symétries, on entend par exemple le jeu des modes Tffl de symétrie rectangulaire, par- bad original 69 12245 3 2008347 exemple TEMq^, TEMq^, TEM^, et ainsi de suite. Les modes indésirables, c'est-à-dire ceux qui n'appartiennent pas au jeu de symétries prédéterminé, peuvent être supprimés en introduisant une ouverture appropriée dans le résonateur de la cavité. L'onde 5 progressive d'indice de réfraction est produite dans un milieu diélectrique transparent qui s'étend en travers du résonateur de la cavité par une onde progressive, soit acoustique, soit électrique, appliquée au milieu à une fréquence égale à la fréquence de séparation des modes transversaux et de préférence avec 10 une longueur d'cnde égale approximativement au double de la distance d'un côté à l'autre qui est parcourue par le faisceau. Si l'onde progressive est électrique, alors le milieu est électrooptique, mais si l'onde progressive est acoustique, le milieu n'a pas besoin d'être cristallin, et par exemple il pourrait être 15 constitué par du verre ou de l'eau. A condition qu'un seul mode longitudinal puisse osciller, les modes transversaux à phase bloquée produisent une répartition d'énergie dépendant du temps qui est caractérisée par une région allongée d'énergie qui s'étend entre les réflecteurs du résonateur de la cavité. En section 20 droite, la région allongée n'occupe qu'une petite partie de l'ouverture du laser et forme par suite une tâche ou spot de lumière cohérente sur les réflecteurs. Du fait que la région allongée oscille transversalement dans le résonateur-, en phase avec l'indice de réfraction qui varie transversalement, le spot exécute un 25 balayage en travers des réflecteurs., qui peuvent être réalisés de façon à permettre partiellement une transmission de la lumière de sorte que le spot peut balayer un dispositif d'utilisation approprié tel qu'une matrice de mémoire optique. Deux modulateurs de phase mutuellement perpendiculaires permettraient à deux jeux 30 de symétries perpendiculaires des modes transversaux d'être bloqués On obtiendrait ainsi un balayage bidimensiormel„ De même, on obtient un blocage simultané des modes transversaux et longitudinaux dans un oscillateur laser oscillant suivant une série de modes longitudinaux et transversaux. Si le 35 résonateur laser est conçu de telle sorte que la fréquence de séparation des modes longitudinaux est égale à un multiple entier de la fréquence de séparation des modes transversaux, et si le faisceau à l'intérieur de la caVité est modulé en phase , comme décrit plus haut, à la fréquence de séparation des modes trans 69 12245 4 2008347 versaux, alors à la fois les modes longitudinaux et les modes transversaux sont bloqués en phase. La répartition d'énergie qui en résulte est constituée par un paquet ou impulsion d'énergie qui rebondit d'un mouvement de va-et-vient entre les ré-5 flecteurs du résonateur en se propageant suivant un trajet en zig-zag à la fois dans le sens longitudinal et dans le sens transversal, simultanément. D'autres avantages et caractérsitiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détailée qui 10 va suivre, faite en regard du dessin annexé qui donne à titre explicatif, mais nullement limitatif, deux formes de réalisation conformes à 1'invention. Sur ce dessin, Les figures 1, 2, 3 et 4 sont des vues schématiques représentant la répartition de l'énergie pour des conditions 15 sans blocage, à blocage longitudinal, à blocage transversal et à blocage transversal et longitudinal simultanés. La figure 5 est un schéma d'un appareil laser à blocage de mode j La figure ô est un schéma du cristal de la figure 5 re-présentant les diverses ondes progressives correspondantes! et La figure 7 est un schéma d'un modulateur utilisant une excitation acoustique. Avant de décrire la présente invention en détail, il peut être utile d'examiner d'abord la répartition de l'énergie dans 25 le résonateur de la cavité d'un laser pour diverses conditions de blocage et de non-blocage dss modes. Sur la figure 1, on a .. représenté la répartition de 1?énergie ou la forme d'u». faisceau longitudinal pour un laser non bloqué. L'énergie est répartie à la fois dans les dimensions longitudinale et transversale de la JO cavité, cette dernière étant limitée par l'ouverture effective du système. Si les modes d'oscillation longitudinaux du laser sont bloqués en phase, l'énergie serait encore répartie à travers toute la dimension transversale, mais elle serait limitée uniquement à un paquet étroit ou impulsion étroite d'énergie dans le 35 sens longitudinal, comme on le voit sur la figure 2. Ce paquet ou impulsion d'énergie oscille dans le sens longitudinal en rebon dissant d'un mouvement de va-et-vient entre les réflecteurs du résonateur, chaque fois que l'impulsion, vient frapper l'un des 69 12245 2008347 5 miroirs, par exemple le miroir de droite, elle produit une impulsion de sortie, c'est-à-dire une impulsion toutes les 2Lc seconde. Au contraire, si un laser à jeu de symétries des modes 5 transversaux ou un laser à mode longitudinal unique sont bloqués en phase, l'énergie est répartie uniformément dans toute la dimension longitudinale mais est limitée suivant la dimension transversale à une région allongée et étroite, comme on le voit sur la figure ~5, et oscille transversalement à la fréquence 16 -^fg, de séparation des modes transversaux. Si le réflecteur est partiellement transmissif, la sortie est un faisceau de lumière qui exécute un balayage d'un mouvement de va-et-vient en travers du réflecteur de sortie. Dans un laser à modes multiples longitudinaux et à modes 15 multiples transversaux, si les modes longitudinaux et transversaux sont à la fois bloqués en phase simultanément, la répartition de l'énergie, comme on le voit sur la figure 4, est limitée à un paquet ou une impulsion d* énergie qui se propage à la fois longitudinalement et transversalement le long d'un trajet en 20 zig-zag. On va 0© reporter maintenant à la figure 5* qui représente un exemple de mode de réalisation d'un dispositif de balayage de faisceau suivant la présente invention, lequel comprend un milieu laser actif enfermé dans une enveloppe 10 25 disposer dans m résonateur de cavité formé par deux réflecteurs concaves espacés 12 et î4, ce dernier étant partiellement transmissif pour permettre à l'énergie de sortir de la cavité. Un modulateur de phase 15 est disposé à l'intérieur du résonateur le modulateur étant constitué par un cristal électrooptique 30 allongé 16, tel qu'un oristal de phosphate nûacpotassique orienté transversalement, une série d'électrodes étant disposées sur les faces opposées du cristal de façon à produire un champ électrique perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux 17. Dans un phosphate monopotassique, par 35 exemple, le champ serait parallèle à l'axe cristallographique £, la propagation du faisceau s'effectuerait le long de l'axe y' et la lumière serait polarisée le long de l'axe x1. D'une manière générale, le champ est appliqué le long de l'axe approprié du cristal électroptique de façon à y produire des 12245 6 2008347 variations d'indice de réfraction, et la lumière est polarisée le long d'un axe optique principal produit dans le cristal. Comme on le voit sur la figure 6, une onde électrique progressive est produite dans le cristal en connectant les paires d'électrodes opposées périodiquement à des points d'une ligne de transmission 18 qui est excitée par une source de signaux 20. La ligne 18 peut bien entendu être un câble coaxial ouvert, ou tout autre moyen approprié servant à produire une onde électrique progressive. L'onde électrique progressive produit une onde progressive d'indice de réfraction qui se propage dans le cristal et qui module en phase le faisceau de lumière qui le traverse. De ce fait, les parties différentes du faisceau (représentées initialement sur la figure 1) subissent des déphasages ou des variations de fréquence différents. Seule la partie du faisceau qui est en phase avec une région de variation de fréquence nulle (c'est-à-dire la région d'indice maximal ou d'indice minimal de réfraction) peut exister. Toutes les autres parties du faisceau subissent une variation de fréquence finie quelconque chaque fois qu'elles passent par une région de variation de fréquence différente de zéro du modulateur. Ces parties sont de ce fait modifiées d'une façon continue en fréquence jusqu'à l'extérieur de la largeur de bande du laser, auquel point elles ne bénéfi- . cient d'aucun gain et de ce fait ne peuvent plus exister. Pour que cette technique produise vm blocage de phase des modes transversaux avec la répartition d'énergie "allongée" correspondante qu'on voit sur la figure ~5, il est souhaitable que la fréquence de modulation de la source 20 soit égale à la fréquence de séparation des modes transversaux et de préférence que la xongueur d'onde de la modulation dans le cristal soit égale au double de la distance d'un côté à l'autre parcourue par le faisceau. Dans ces conditions, le rendement de la modulation est rendu optimal. Cependant, du fait que la vitesse de propagation de la ligne de transmission est constante, tandis que la vitesse du mouvement transversal du faisceau est presque un harmonique simple, il est difficile de synchroniser ces deux vitesses. Cet effet peut être réduit en chargeant périodiquement la ligne 18 à l'aide de selfs 26, comme on le voit sur la figure 5, afin de régler la vitesse de la ligne. Une autre technique qu'on peut utiliser pour produire un 69 12245 7 2008347 blocage des modes transversaux par modulation de phase consiste à produire une onde stationnaire dans le cristal 16, par exemple en fermant ion commutateur 22 sur la source de signaux 24 qui produit également un champ à la fréquence de sépai-ation des modes 5 transversaux. Les champs qui se propagent en opposition à la même fréquence produisent l'onde stationnaire, mais en fait le faisceau, pendant qu'il se propage dans un premier sens, agit avec le champ qui se déplace dans le même sens* tandis que lorsque le faisceau se propage pendant son oscillation de retour en 10 sens opposé, il agit avec l'autre onde progressive,de la manière décrite précédemment pour une seule onde progressive. . L'invention, telle qu'elle est décrite en se reportant à la figure 5* peut également être utilisée pour bloquer en phase simultanément à la fois les modes longitudinaux et les modes transversaux d'un oscillateur laser à condition que le réso-^ nateur de la cavité formé par les réflecteurs 12 et 14 soit conçu de telle sorte que la fréquence de séparation ^f^ des modes longitudinaux soit un multiple entier de la fréquence de séparation des modes transversaux fT, c'est-à-dire que N et à condition que le cristal éleecrooptique 16 soit excité à la fréquence de séparation des modes transversaux. Ds une manière gêné ---PO raie, le résonateur de la cavité est conçu de manière à satisfaire approximativement la relation suivante ; 1 - cos 33 N où R est le rayon de courbure des réflecteurs, L est la distance 25 séparant les réflecteurs et N = La face d'entrée du cristal 16 peut être revêtue de revêtements anti-réflexion pour réduire les pertes par réflexion et la modulation peut être acoustique simplement en transformant le champ électrique appliqué en une onde acoustique (comme on le voit sur la figure 7) en utilisant un transducteur 21 (par exem-** pie un cristal piézoélectrique tel que du CdS) monté à l'une des extrémités du cristal 16. Il va de soi que la présente invention n!a été décrite et représentée qu1à titre explicatif mais nullement limitatif,et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 55 Légende des dessine Figure Repère 6 A Onde électrique progressive B Onde progressive d'indice 4e réfraction. 12245 8 2008347 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de-'balayage par faisceau optique comprenant un oscillateur laser comportant un résonateur à cavité dans lequel les oscillations de la lumière cohérente se produisant suivant une série de modes transversaux, les résonances des modes étant séparés uniformément en fréquence, un moyen servant à moduler en phase les modes transversaux, dispositif de balayage caractérisé en ce qu'un moyen sert à produire dans le résonateur au moins une onde progressive d'indice de réfraction se propageant à l'intérieur de celui-ci transversalement à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de séparation uniforme des modes transversaux dè façon à bloquer ces derniers en phase. 2 - Dispositif de balayage de faisceau optique de la revendication \s caractérisé en ce que le moyen servant à produire au moins une onde progressive comprend : un cristal électrooptique s'étendant transversalement dans le résonateur et disposé à l'intérieur de celui-ci de manière à intercepter les oscillations de la lumière, une ligne de transmission reliée au cristal et servant à y produire un champ électrique suivant une direction produisant des variations d'indice de'réfraction dans le cristal, et un moyen servant à appliquer à une extrémité de la ligne de transmission un signal électrique dont la fréquence est égale à la fréquence de séparation des modes transversaux. 3 - Dispositif de balayage de faisceau optique selon la revendication 2., caractérisé en ce qu'une onde stationnaire est produite dans le cristal en appliquant à l'autre extrémité de la. ligne de transmission un signal électrique d'une fréquence égale à la fréquence de séparation des modes transversaux. 4 - Dispositif de balayage de faisceau optique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le blocage des modes produit une répartition d'énergie dépendant du temps comportant une composante transversale de propagation dans le résonateur et que le dispositif, en combinaison avec un moyen servant à réduire la différence entre la vitesse de 1'onde progressive et 1a. vitesse de la composante transversale de propagation de la répartition d'énergie, comprend un moyen servant à charger la ligne de transmission. 5 - Dispositif de balayage de faisceau optique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les oscillations de la 12245 9 2008347 lumière sont polarisées le long d'un-axe optique principal produit dans le cristal. - 6 - Dispositif de balayage de faisceau optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cristal est constitué par du phosphate monopotassique., les oscillations de la lumière étant polarisées le long de l'un ou l'autre axe cristallographi-que x' ou y' et le vecteur du champ étant dirigé le long de l'axe cristallographique £, ce dernier étant perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière; 7 - Dispositif de balayage de faisceau optique -suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur laser est contraint à osciller principalement suivant un jeu de symétries prédéterminé des modes transversaux. 8 - Dispositif de balayage de faisceau optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen servant à produire une onde progressive d'indice de réfraction comprend un milieu diélectrique transparent disposé transversalement dans le résonateur, un transducteur acoustique relié au milieu, et un moyen servant à appliquer au transducteur un champ électrique d'une fréquence égale à la fréquence de séparation des modes transversaux. 9 - dispositif de balayage de faisceau optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur laser comprend un résonateur à cavité dans lequel l'oscillation de la lumière cohérente se produit suivant une série de modes transversaux qui sont tous séparés d'une manière uniforme par une fréquence, 10 - Dispositif de balayage de faisceau optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le résonateur comprend deux réflecteurs espacés conçus de manière à satisfaire approximativement à la relation : R = , - L- fr 1 - COS '■* N • ' où R est le rayon de courbure des réflecteurs et L la distance qui les sépare.