Brevet FR2026751A1 — publié le 19700918

L'invention concerne tin procédé de modulation d'un laser à gaz, par exemple pour moduler l'intensité d'un laBer infra-rouge et un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Jusqu'à maintenant, la modulation de l'intensité d'un laser à 5 gaz par la commande de la puissance de sortie de l'appareil d'alimentation du réseau n'était possible que dans certaines limites. De même, on pouvait faire varier par des dispositifs absorbant la lumière l'intensité du laser à gaz après que le rayon ait quitté le laser» Sans ce but, on utilisait par exemple des appareils électro-10 optiques tels que des dispositifs à cellules de Kerr ou de Faraday. Un autre procédé connu prévoyait de moduler l'intensité de sortie d'un rayon laser en déplaçant un miroir résonateur. Toutes ces réalisations et ces procédés connus présentent l'inconvénient d'une fréquence limite relativement basse» En particulier dans la zone 15 infrarouge, il n'a pas été jusqu'à maintenant possible de réaliser une modulation d'intensité. L'objet de l'invention est de procurer un procédé et un dispositif pour sa mise en oeuvre permettant, surtout dans la zone infrarouge, la transmission d'une information à travers l'atmosphère 20 sur de grandes distances au moyen d'un laser. Le procédé conforme à l'invention consiste en ce que le rayon d'un laser infrarouge fonctionnant sur une fréquence déterminée est modulé par la variation des propriétés optiques d'un cristal en faisant varier tin champ électrique ou magnétique à des tempéra-25 tures et à des pressions déterminées (azote liquide ou hélium liquide de 1° K jusqu'à 100°E) dans un modulateur en utilisant les arêtes d'absorption du cristal, ainsi que les interférences d'amplitude dans le système résonateur. Ce procédé permet des fréquences de modulation sensiblement plus 30 élevées que celles que l'on pouvait obtenir jusqu'à maintenant . C'est pourquoi il est maintenant possible d'utiliser un laser infrarouge pour la transmission d'informations dans l'atmosphère sur de grandes distances. Selon un développement du procédé conforme à l'invention, on pro-35 pose que le rayon du laser infrarouge soit modulé en faisant varier les propriétés optiques de liquides ou de gaz dans un champ magnétique eu électrique, à des températures et à des pressions déterminées. Ce procédé permet en outre d'échanger facilement le système à moduler, car dans ce cas les substances utilisées sont faciles à 40 remplacer ou à échanger pendant le fonctionnement. 69 44419 -2- 2026751 Pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention, on propose d'associer à un laser infrarouge, de préférence à un laser dont la longueur d'ondes est située dans un des minima d'absorption, par exemple 8 à 11 ja. , de l'atmosphère terrestre, un cris-5 tal, par exemple de sulfate d'holmium éthyle ou de titanate de strontium, placé dans une bobine magnétique et dans Tin bain sous pression à une certaine température* On propose, en outre, pour diviser le rayon laser en un rayon auxiliaire de modulation qui passe dans le modulateur et en un 10 rayon porteur de placer sur la trajectoire des rayons un diviseur de rayon laser» Ces mesures permettent de ne solliciter que très peu le système de refroidissement du modulateur. Si. toutefois on doit obtenir des fréquences de modulation plus élevées, l'invention prévoit de placer le modulateur directement 15 sur la trajectoire du rayon laser. TJne autre variante de l'invention prévoit que le modulateur soit composé d'un cristal entre deux plaques de condensateur et dans un bain.sous pression à une certaine température» En outre, on propose, dans un exemple de réalisation, de placer le modulateur direc-20 tement sur la trajectoire du rayon. Une autre réalisation de l'invention prévoit de procurer un dispositif de modulation d'un rayon laser qui permet d'obtenir des fréquences de modulation élevées (environ 100 G-iga-Hertz) sans dépenses supplémentaires importantes. 25 Ceci est atteint, conformément à l'invention, en ce que l'on amène sur la trajectoire du rayon d'un laser infrarouge des cristaux optiquement actifs, par exemple en tellure, en composés de tellure eu en arséniure de gallium, qui peuvent être dopés ou non dopés, et qui sont soumis à un champ électrique et/ou magnétique. 30 L'avantage de cette mesure conforme à l'invention consiste en ce que l'intensité du rayon laser n'est plus modulée par les arêtes d'absorption, mais par l'intermédiaire d'un cristal optiquement non linéaire qui fait tourner le sens de polarisation de la lumière» Ces mesures permettent, sans grandes dépenses, d'atteindre des 35 fréquences de modulation très élevées. On propose par ailleurs d'utiliser un cristal qui devient bi-réfringent dans un champ électrique et/ou magnétique. Dans ce cas également, la modulation d'amplitude du rayon principal est possible. ; I { 69 44419 -3- 2026751 Par ailleurs, il est également possible, conformément à l'invention, de fournir un dispositif pour la modulation de phase dans lequel il ne se produit aucune perte d'énergie. Ceci est atteint en ee que, à un laser Infrarouge, est associé, pour diviser le rayon 5 de sortie, un diviseur de rayons après lequel est placé un cristal optiquement non linéaire sur la trajectoire du rayon partiel, de préférence en tellure dopé ou non dopé, ou en composés de tellure dopé eu non dopé, par l'intermédiaire duquel est créé un champ électrique et/ou ma&nétique pouvant varier grâce à un modulateur 10 sur un conducteur haute fréquence , et en ee qu'un étage mélangeur est prévu pour recevoir le rayon partiel qui est alors modulé en phase et le rayon partiel qui n'est pas modulé. Cette réalisai ion conforme à l'invention présente le grand avantage qu'il ne se produit en aucun endroit de perte d'énergie par 15 dissipation et qu'on peut ainsi utiliser toute la puissance de sortie pour la transmission de l'information, tandis que, dans les eas de modulation de polarisation déjà proposés, une partie de l'énergie est absorbée dans le polariseur et dans l'analyseur» Une réalisation particulière de l'invention permet d'obtenir des 20 densités de flux d'informations encore plus élevées sur un rayon laser. Conformément à l'invention, on prévoit, sur le trajet d'un rayon laser infrarouge, un cristal de tellure doublant la fréquence,qui peut être dopé eu non dopé, ou qui peut être également un composé 25 de tellure dopé ou non dopé, suivi d'un filtre absorbant, d'un résonateur paramétrique constitué parades miroirs sélectifs et par un autre cristal de tellure placé dans un champ électrique et/ou magnétique qui peut également être dopé ou non dopé eu bien qui peut être un composé de tellure dopé ou non dopé, ainsi qu'éven-30 tuellement un deuxième filtre absorbant. Cette réalisation conforme à l'invention présente le grand avantage de permettre une densité de flux d'informations très importante sur un rayon laser sans être obligé d'accepter des pertes d'énergie importantes. 35 l'invention est décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation qui font apparaître d'autres avantages» Sur le dessin :- la fig.l montre le schéma de montage d'un dispositif conforme à l'invention ; 69 44419 -4- 2026751 la. fig. 2 montre un autre exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, en représentation schématique} la fig. 3 montre encore un exemple de réalisation d'un dispositif peur la mise en oeuvre du procédé selon l'invention , 5 la fig. 4 montre tua autre exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention; et la fig. 5 montre encore un autre exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. Un laser (fig.l), de préférence un laser à gaz infrarouge 10, en 10 fonctionnement à courant permanent, émet des rayons de lumière 14 cohérents monochromatiques. Un appareil d'alimentation 11 fournit au laser 10 de l'énergie de pompage. Conformément à un exemple de réalisation de l'invention, le rayai laser 14 sortant par une fenêtre à miroir 13 du laser 10 tombe sur 15 un diviseur de rayons 30 qui dévie une partie de ce rayon dans le modulateur 20 sous forme de rayon auxiliaire de modulation 15. Le modulateur 20 est constitué par un cristal approprié 21 d'une substance , - par exemple de sulfate d'helmlum éthyle.eu de titama-te de strontium -, qui se trouve à une température déterminée (par 20 exemple 4*K), et à «ne pression déterminée, par exemple 1 atmosphère Le cristal 21 est placé dans un champ magnétique eu électrique de valeur appropriée, par exemple 50 kg, ou 10^7/ cm ; qui est produit par une bobine 22 ou des plaques de condensateur 24. Su faisant varier la valeur du champ, on fait varier les propriétés optiques,en 25 particulier la position des arêtes d'absorption du cristal 21. La variation de la valeur du champ est provoquée par la variation de la tension et du courant (bobine 22 ou condensateur 24).Cette mesure permet d'introduire la position de fréquence des arêtes d'absorption par la fréquence propre du laser* Ainsi, on peut faire va-30 rier les propriétés optiques du cristal 21 dans le sens de l'absorption en ee qui concerne la transmittance de la fréquence de laser choisie. En raison de la grande longueur de cohérence de la lumière laser (l'ordre de grandeur est en kilomètres), le modulateur 20 doit être considéré comme partie du système de résonateur 10 du 35 laser. Bu fait de la variation du rayon auxiliaire de modulation 15 par la variation des propriétés d'absorption du cristal 21, la qualité du résonateur 10 du laser est influencée, ce qui fait à son. tour varier l'intensité de sortie. L'action du modulateur 20 sur 1* résonateur de laser 10 se propage avec la vitesse de phase de 40 la lumière dans le résonateur, ce qui permet d'obtenir des fréquen 69 44419 -5- 2026751 ces de modulation très élevées. Un autre exemple de réalisation de l'invention (fig.2) prévoit que toute l'intensité du rayon du laser, -donc le rayon principal 14-, est, soit absorbée , soit passée par un cristal approprié 21 5 d'une substance, par exemple du titanate de strontium, en faisant varier les propriétés optiques de la substance par l'application de champs électriques ou magnétiques de façon que la position de fréquence des arêtes d'absorption du cristal 21 soit introduite par la fréquence propre du laser. Dans ce cas, on propose pour les 10 deux exemples de réalisation (selon les fig. 1 et 2) les procédés de modulation suivants connus faisant partie de l'électronique classique : modulation d'amplitude, de phase, modulation d'impulsions en amplitude, modulation d'impulsions en phase ou modulation en impulsions codées. 15 Par ailleurs, il est possible pour les transmissions dans l'atmosphère d'utiliser, afin d'éviter les perturbations d'amplitude, le procédé par sous-porteuse dans lequel une sous-porteuse est modulée en fréquence seulement lors du signal, et dans lequel le rayon de lumière est modulé en amplitude avec cette sous-porteu-20 se. Bu cêté de la réception, le signal apparaît alors d'abord comme seus-porteuse modulée qui est ensuite démodulée de façon connue. Afin de procurer un dispositif ne nécessitant pas de grand frais avec lequel on peut obtenir des fréquences de modulation élevées, par exemple de 100 G-iga-Hertz, étant donné qu'un tel dispositif 25 fonctionne pratiquement sans inertie, l'invention propose comme le montre la figure 3 , de placer sur la trajectoire 114 d'un rayon laser infrarouge UO alimenté par un appareil d'alimentation 111 un cristal 121 optiquement nen linéaire, de préférence de tellure, d'un composé de tellure ou d'araéniure de gallium, se trouvant 30 dans un champ électrique et/ou magnétique pouvant varier 120. Ce champ 120 a pour effet de faire varier l'activité optique du eris-tal 121 et de faire tourner le sens de polarisation. la variation du sens de polarisation peut être utilisée, soit directement,soit par l'intermédiaire d'un analyseur qui transforme la modulation du 35 sens de polarisation en une modulation d'amplitude, sous forme de support d'information sur le rayon laser 116 modulé en polarisation ou en amplitude. Comme cristaux optiquement non linéaires,on peut utiliser avant tout ceux qui sont transparents à la longueur d'onde utilisée de 8 à 11 pi , par exemple l'arséniure de gallium, 40 le tellure ou les composés de tellure qui peuvent être dopés ou 69 44419 ~6~ 2026751 non dopés» Un autre exemple de réalisation de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 4. Sur la trajectoire du rayon 214 d'un laser infrarouge 210 est placé un diviseur de rayons 211 qui 5 divise le rayon laser 214 en deux rayons partiels 212, 213. le rayon partiel 212 traverse un cristal 220 optiquement non linéaire, de préférence de tellure ou de composés de tellure, qui peuvent être dopés ou non dopés. Ce cristal 220 se trouve dans un champ électrique et/ou magnétique 221 qui peut varier grâce à un modula-10 teur 222. Su fait de la variation dans le champ électrique et/ou magnétique 221 des propriétés optiques du oristal 220 , -telles que par exemple la rapidité de propagation des ondes électromagnétiques dans le cristal -, le rayon partiel de laser 212 est modulé •n phase dans le cristal 220 par rapport au rayon 213. Le rayon 15 partiel sortant 212 est alors mélangé au deuxième rayon partiel 213 provenant du diviseur de rayon 211 dans un étage mélangeur 230, Grâce à ce mélange, on obtient de façon simple un rayon infrarouge . 215 modulé en amplitude jusqu'à des fréquences élevées, qui porte les informations à transmettre. On peut de cette façon appliquer 20 également les autres techniques de modulation qui sont basées sur une modulation d'amplitude, telle que par exemple la modulation en impulsions codées. L'avantage par rapport à la modulation de polarisation est qu'il ne se produit en aucun endroit de pertes d'énergie par dissipation» 25 de sorte que l'on peut utiliser pour la transmission des informations toute la puissance de sortie du laser infrarouge. La figure 5 montre le montage schématique d'un quatrième exemple de réalisation. Le rayon de sortie 114 d'un laser infrarouge, de préférence d'un 30 laser à gaz infrarouge 110 tombe sur un cristal de tellure 120 doublant la fréquence, qui peut être dopé ou non dopé ou qui peut être un composé de tellure dopé.ou non dopé, se trouvant le cas échéant dans un champ éleetrique et/ou magnétique non représenté. De ce cristal 120 partent alors des rayons 115, 116 ayant non seulement 35 la fréquence du laser , mais également la fréquence double 2 )) et des fréquences plus élevées telles que 3)) , etc.. ; ces rayons arrivent sur un filtre d'absorption 121 qui laisse passer les rayons 115 à la fréquence 2 )) sur le miroir 122 d'un résonateur paramétrique. Ce résonateur paramétrique est constitué par les mi-40 roirs sélectifs 122, 123 et par un cristal de tellure 124 qui peut 69 44419 7 2026751 être dopé ou non dopé ou qui peut être également un composé de tellure dopé ou non dopé se trouvant dans un champ électrique et/ou magnétique 125 qui est modulé à la fréquence de modulation. En faisant un réglage approprié, par exemple par la distance des miroirs, 5 les dimensions des cristaux, la puissance du champ, etc., outre les rayons laser 115 à la fréquence 2 ^ , des rayons laser 117 à la fréquence 2 ^ ± 9 B , quittent le résonateur paramétrique 122, 123, 124, 125 sous forme de fréquence de signaux. Un autre filtre d'absorption 126 sépare les rayons de fréquence 10 2 ^ , et un rayon laser 117 à la fréquence de signaux 2^ + ^ s qui porte l'ensemble des informations se propage. En faisant un réglage approprié du résonateur paramétrique 122, 123, 124, 125, il est également possible d'obtenir comme rayon de sortie 117 un rayon laser à la fréquence ± ^ s . Ceci peut être avantageux si la 15 transparence du milieu, qui est traversé par le rayon laser portant la fréquence de signaux, est meilleure au voisinage de la fréquence ^ qu'à 2 ^ . 69 44419 -8- 2026751 -BEVESBICATION 3- 1.- Procédé de modulation de l'intensité d'xui laser à gaz, de préférence d'un laser infrarouge caractérisé en ce que le rayon d'un laser infrarouge fonctionnant sur une fréquence déterminée est modulé dans un modulateur par la variation des propriétés op-5 tiques d'un cristal en créant un champ magnétique eu électrique à. des températures et des pressions déterminées (azote liquide ou hélium liquide de 1°K à 100°K), et en utilisant les arêtes d'absorption du cristal ainsi que les interférences d'amplitude dans le système résonateur. 10 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon du laser infrarouge est modulé dans un modulateur en faisant varier les propriétés optiques de liquides ou de gaz dans un champ magnétique ou électrique à des températures et à des pressions déterminées. 15 3.- Dispositif peur la mise en oeuvre du procédé selon les re vendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on introduit sur la trajectoire du rayon d'un laser infrarouge, de préférence d'un laser dont la longueur d'onde est située dans un des minima d'absorption, par exemple de 8 & 11 ji de l'atmosphère terrestre, un 20 cristal, par exemple de sulfate d'holmium éthyle, ou de titaaate de strontium placé dans une bobine magnétique et dans un bain sous pression à une certaine température. 4.- Dispositif selon la revendication 3» caractérisé en ce que, pour diviser le rayon laser en un rayon auxiliaire de modulation 25 et en un rayon porteur, on place un diviseur de rayons sur la trajectoire du rayon laser. 5«- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2 ,caractérisé en ce que le modulateur est composé d'un cristal placé entre deux plaques de condensateur dans un 30 bain à température et pression déterminées. 60- Dispositif selon la revendication 5» caractérisé en ce que le modulateur est placé directement sur la trajectoire du rayon. T.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon leB'revendications 1 et 2f caractérisé en ce que l'on amène sur la trajec-35 telre du rayon d'un laser des cristaux optiquement actifs, de préférence de tellure, combinés de tellure ou arséniure de gallium peuvent être dopés ou non dopés, et qui sont exposés à un champ électrique et/ou magnétique dans lequel les cristaux ont un comportement optique non linéaire. 69 44419 -9- 2026751 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on utilise un cristal qui devient bi-réfringent dans un champ électrique et/ou magnétique. 9«- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les re-5 vendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un diviseur de rayons est associé à un laser pour diviser le rayon de sortie , le diviseur de rayons étant suivi sur le trajet du rayon partiel par un cristal optiquement non linéaire, de préférence de tellure dopé ou non dopé, ou d'un composé de tellure dopé ou non dopé, par 10 l'intermédiaire duquel est créé grâce à un conducteur haute fréquence un champ électrique et/ou magnétique pouvant varier grâce à un modulateur , un étage mélangeur étant prévu pour recevoir le rayon partiel alors modulé en phase et le rayon partiel non modulé. 10.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les re-15 vendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on place sur la trajectoire du rayon d'un laser infrarouge un cristal de tellure doublant la fréquence qui peut être dopé ou non dopé ou d'un composé de tellure dopé ou non dopé suivi d'un filtre absorbant, d'un résonateur paramétrique constitué par des miroirs sélectifs et par 20 un autre cristal de tellure placé dans un champ électrique et/ou magnétique et qui peut être dopé ou non dopé ou qui peut être également un composé de tellure dopé ou non dopé, ainsi qu'éventuellement un deuxième filtre absorbant.