Brevet FR2027631A1 — publié le 19701002

La présente invention concerne des lasers et, plus particulièrement, un système de détection et d'amplification paramétrique utilisant deux cavités, laser ou plus. Les systèmes de diffraction acoustiques sont utilisés pour diffracter des 5 faisceaux laser à des fins de modulation, comme le montre le brevet américain US 3 297 876 délivré le 10.1.1967 au nom de A.J. Deflaria et à des fins de translation de signaux comme le montre le brevet américain US 3 373 300 déposé le 12 mars 1966 au nom de R. Adler. L'art antérieur ne traite pas les fonctions combinées de détection et 10 d'amplification paramétrique d'un signal par diffraction dans deux cavités laser, ou plus. Un objet de la présente invention consiste à fournir un système de détection et d'amplification d'un signal d'entrée. Le système combine l'avantage relatif au faible bruit de l'amplification paramétrique et l'avantage relatif 15 au gain élevé de l'amplification laser. Le système utilise une cavité laser qui est soumise à une oscillation ou à un changement de fréquence au moyen de la lumière diffractée à partir d'une autre cavité laser. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à 20 titre d'exemple non limitatif, en se reportant au seul dessin qui représente un schéma d'un système de détection et d'amplification utilisant deux cavités laser et une cellule acoustique de Bragg. Comme le montre la figure, les deux cavités laser sont du type Fabry-Perot. La première cavité 10 comprend un premier et un second moyens réfléchis-25 sants tels que les miroirs 12 et 14 qui sont totalement réfléchissants. Un laser actif 16 est placé dans la cavité entre les miroirs et est excité par un moyen de pompage approprié 18. La seconde cavité 20 comprend un premier moyen et un second moyens réfléchissants, tels que les miroirs 22 et 24, un milieu actif 26 et un moyen de pompage 26. Le miroir 22 est totalement réfléchissant et le 30 miroir 24 est partiellement réfléchissant et partiellement transmetteur de la lumière afin de permettre à une partie de celle-ci de sortir de la cavité 20. L'axe 30 de la cavité 10 et l'axe 32 de la cavité 20 se coupent suivant un angle 0. Une cellule acoustique 34, telle qu'une cellule de Bragg est placée dans les cavités au point d'intersection des axes et est connectée à une sour-35 ce de signaux 36. La cellule de Bragg 34 peut être du type isotrope où la lumière se diffracte suivant un angle égal à l'angle auquel la lumière est incidente à la cellule ou du type anisotrope où la lumière émerge en étant perpendiculaire à la surface de la cellule. Lorsqu'il est fait usage d'une cellule anisotrope de Bragg elle est placée perpendiculairement à l'axe 32 ; s'il est 40 fait usage d'une cellule isotrope, elle est orientée suivant l'angle 0. La 69 40273 2 2027631 relation de l'angle incident et diffracte 0 par rapport à la fréquence du X f signal d'onde ultra-courte, est sin 0 = 1_ o , où représente la longueur d'onde de la lumière incidente et vg représente la vitesse de la cellule acoustique de Bragg. 5 Le fonctionnement des dispositifs acoustiques de diffraction de limière comme la cellule de Bragg 34 par exemple, est bien connu. Une cellule de Bragg est une cellule ultra-sonique qui comprend un milieu dans lequel peuvent être propagées les ondes ultrasoniques. La cellule comprend également un transducteur qui peut être électro-mécanique pour engendrer des ondes ultra-soniques 10 dans le milieu en réponse à des signaux électriques provenant d'une source telle que la source de signaux 36. Lorsque la lumière est dirigée dans la cellule suivant un angle avec les fronts d'onde des ondes ultra-soniques, elle est diffractée. Pour une description complète de la diffraction de la cellule isotrope de Bragg. il faut se reporter à l'article paru dans la revue "Journal 15 of the Acoustical Society of America" de G.W. Willard, volume 21, numéro 2, pages 101-108 Mars 1949. Pour la diffraction de la cellule anisotrope de Bragg il faut se reporter à l'article paru dans "Applied Physics Letters" de E.G.H. Lean et al. Vol. 10, numéro 2, page 48, Janvier 1967. Le fonctionnement des cavités laser, telles que les cavités 10 et 20, est 20 également bien connu. L'énergie dépassant un seuil donné est introduite dans le milieu actif de la cavité. Les ondes lumineuses commencent par se propager le long de l'axe de la cavité entre les miroirs et sont réfléchies d'avant en arrière par les miroirs et traversent le milieu actif qui amplifie les ondes jusqu'à ce que soit atteint un état d'oscillation stable. La cavité peut fonc-25 tionner à une seule fréquence d'oscillation, fonctionnement à mode unique, ou peut osciller à différentes fréquences, fonctionnement à mode multiple. Le fonctionnement d'une cavité laser est totalement traité dans le livre "The laser" de M.V. Smith et P.P. Sorokin, publié en 1966 par McGRAW HILL Inc. , Library of Congress, catalogue numéro 65-27984 58483. 30 Sur le dessin, les miroirs 12 et 14 de la cavité 10 sont séparés d'une distance L et la cavité va alors avoir des oscillations aux fréquences de mode ne axial V- = yr- ou c represente la vitesse de la lumière et n, un nombre entier 1 détermine par l'espacement des modes dans la cavité 10. Les miroirs 22 et 24 sont séparés d'une distance L_ et la cavité 20 peut alors être soumise à des me 35 fréquences d'oscillation de v = —— où m représente un nombre entier déterminé 2 par l'intervalle des modes dans la cavité 20. Une valeur de fréquence sélectionnée pour et v2 peut être obtenue en espaçant les miroirs de la cavité aux valeurs appropriées de L^ et L^. 40 Dans le premier type de fonctionnement utilisant une cellule anisotrope 40273 3 2027631 de Bragg. la fréquence acoustique f est choisie de manière à satisfaire la X f relation tg 6 * o où v est la vitesse acoustique dans la cellule de Bragg n v s e s 34, X la longueur d'onde optique de la lumière laser dans le vide» et n , o e l'indice de réfraction des ondes extraordinaires de la cellule de Bragg 34, la 5 cellule de Bragg étant un cristal optiquement uniaxial. Cette relation fournit une intensité de diffraction maximale. Ainsi, lorsque le signal a la fréquence f beaucoup plus de lumière est diffractée lorsqu'elle est appliquée, de préférence, à l'angle 6. En outreUsignal d'entrée à>une fréquence autre que la fréquence f, établit une condition d'intensité de diffraction maximale pour un 10 angle autre que 0. Dans la présente invention, la fréquence f du signal d'entrée comprend les fréquences dans la gamme des ondes ultra-courtes et légèrement au-dessous, par exemple, de 10 mégahertz à 10 gigahertz. La cavité 10 fonctionne au-dessus du seuil établi et la cavité 20 au-dessous. Un signal d'entrée à la fréquence f est appliqué à la cellule de Bragg 34 15 à partir d'une source 36 et est converti en un son se propageant dans la cellule de Bragg. Une partie de la lumière laser de la cavité 10 se diffracte dans la cavité 20. La fréquence de la lumière dlffractée est décalée par suite de l'effet Doppler et devient v1 +f. En sélectionnant la longueur L^ de la cavité 20 dp manière à satisfaire 20 la condition de fréquence : n hic ne , « » - » v2 " V1 f 2L lL~ f ( 5 2 1 ou v » v - f x nc -f r 21 2 1 T 2L2 2L1 t IZJ 25 la cavité 20 va alors fonctionner au-dessus du seuil par suite de l'énergie luÉl neuse diffractée dans cette cavité à partir de la cavité 10 et les deux cavités devront fonctionner suivant le même mode étant donné que la condition de fréquen ce se trouve satisfaite. La lumière provenant de la cavité 20 passe en partie à travers le miroir 30 24 et peut être appliquée à un détecteur 38 qui peut être un photo-détecteur indiquant la présence d'un signal d'entrée à la fréquence f. Etant donné que la cavité laser a un coefficient Q élevé, elle est très sélective et seuls les signaux d'ondes ultra-courtes à la fréquence f vont être amplifiés et détectés. Les signaux d'entrée aux fréquences autres que la fréquence f ne vont pas 35 diffracter la lumière d'intensité maximale pour l'angle 6 et, en conséquence, la lumière diffractée est insuffisante pour permettre l'oscillation de la cavité 20. La cavité 10 a un gain relativement élevé de sorte qu'un signal acoustique relativement faible à la fréquence f puisse diffracter suffisamment de lumière dans la cavité 20 afin de permettre à cette dernière d'osciller. La sortie 69 40273 4 2:027 63 î de la cavité 20 est fortement amplifiée par le milieu actif 16 j en conséquence, le système fonctionne en tant que système de détection et d'amplification paramétrique d'un signal de fréquence acoustique sélectionnée. En outre, l'intensité de sortie de la cavité 20 est proportionnelle à la 5 lumière diffractée à partir de la cavité 10 par le signal acoustique qui, à son tour, est proportionnelle à l'amplitude du signal d'onde ultra-courte. Ainsi, si le niveau du moyen de pompage est maintenu constant, l'intensité de sortie de la lumière provenant de la cavité 20 représente l'amplitude du signal d'onde ultra-courte d'entrée. 10 Dans le mode de fonctionnement décrit ci-dessus, la présence d'un signal d'entrée de fréquence f a été indiquée par la mise en action de la cavité 20. Toute la lumière émergeant de la cavité 20 est détectée et l'intensité de la lumière donne une représentation de l'amplitude du signal d'onde ultra-courte, □ans un second type de fonctionnement, la cavité 20 fonctionne de préfé-15 rence au-dessus d'un seuil donné. La caractéristique différente du second type de fonctionnement réside dans le fait que les deux cavités fonctionnent initialement de façon indépendante. Le signal d'entrée appliqué à la cellule de Bragg 34 diffracte la lumière provenant de la cavité 10 dans la cavité 20 et permet aux cavités de se coupler et de fonctionner effectivement en tant que 20 cavité unique à trajets multiples. Dans le second type de fonctionnement, la fréquence des ondes acoustiques Q est f » a -=7j—t—t—, où "a" représente un nombre entier. Cette expression 1 1 2 . précise les fréquences résonnantes des deux cavités couplées 10 et 20, qui correspondent à deux fréquences résonnantes de chaque cavité. Ainsi» la cavi- 25 té 10 et la cavité 20 sont toutes deux en mode multiple etlorsqu'un signal d'ondes ultra-courtes de fréquence f est appliqué à la cellule de Bragg 34, la lunière se diffracte de la cavité 10 dans la cavité 20 et les cavités fonctionnent uniquement avec les fréquences qui ont été capables- d'être produites par chaque cavité fonctionnant indépendamment. 30 Lorsque la sortie provenant de la cavité 20 passant par le miroir 24 est couplé à la cavité 10, une fréquence de battement donnée est engendrée qui n'est pas présente lorsque la cavité 20 fonctionne indépendamment de façon non couplée. Pour des fréquences de signal d'entrée autres que f, il y a insuffisamment de lumière diffractée de la cavité 10 dans la cavité 20 pour permettre 35 aux cavités de se coupler, et la fréquence de battement à la sortie de la cavité 20 n'est pas présente. Un détecteur de sortie photo-sensible 36 comprenant alors un" filtre sélectif accordé à la fréquence de battement fournit une indication sur la présence d'un signal d'onde ultra-courte de fréquence f. Comme dans le premier mode de fonctionnement, l'intensité de la sortie de 40273 5 2027631 lumière de la cavité 20 est proportionnelle à la lumière, diffractée de la cavité 10 et, en conséquence, représente une mesure de l'amplitude du signal d'onde ultra-courte. Etant donné que le détecteur 38 est conçu de manière à répondre à une fréquence de battement connue, il s'ensuit qu'une mesure d'am-5 plitude plus sélective peut être obtenue étant donné que le détecteur n'est pas influencé par la lumière ambiante ou les photons produits par la décharge des gaz. Les cavités laser couplées peuvent être agencées de manière à fonctionner à une seule fréquence de battement pourvu que la différence des longueurs de tra- 10 jet entre L^ et L^ et l'angle 6 soient réglés de sorte que L^ - — où Avd représente la largeur de ligne agrandie par suite de l'effet Doppler du milieu actif. Une valeur minimale de L^ - L^ est alors définie ; par exemple, si la largeur de ligne Av^ du milieu actif est de 1500 MHz la distance L„ - L„ doit être inférieure à 10 cm. 15 1 2 Dans la description précédente, des formules ont été données pour détecter une fréquence d'entrée f dans les premier et second types de fonctionnement, ces modes de fonctionnement utilisant tous deux deux cavités et une cellule acoustique. Dans l'un ou l'autre des cas, la fréquence f peut être sélectionnée à partir d'une large gamme étant donné que la fréquence est déterminée par la nr\ sélection de la longueur des cavités L^ et L^ et par les nombres entiers m et n qui dépendent de l'intervalle séparant les cavités. La source de signaux 36 peut, en conséquence, représenter une large gamme de sources de signaux d'ondes ultra-courtes comprenant des signaux d'ondes ultra-courtes provenant de l'espace extérieur. Etant donné que les signaux d'ondes ultra-courtes obtenus à OC partir de l'espace extérieur sont relativement faibles, les caractéristiques de détection et d'amplification de la présente invention s'avèrent tout à fait adéquates. Si l'on souhaite que la valeur de la fréquence à détecter change, le système de la figure peut être réglé de manière à détecter la fréquence requise en 30 changeant l'angle 6 entre les cavités ou en changeant la longueur L^ou la longueur L^. La figure représente les cavités 10 et 20 comme étant du type Fabry-Perot. La présente invention ne se limite pas à cette configuration et il peut être utilisé d'autres types de cavités laser tels que des cavités homofocales avec QC des miroirs à extrémités courbes. Sur la figure, le détecteur 38 est représenté, dans un mode préféré, comme étant extérieur à la cavité. Cependant, il est possible dans le premier type de fonctionnement de placer un détecteur photo-sensible à l'intérieur de la cavité 20 pour détecter la présence du faisceau laser et, dans le second type ^ de fonctionnement, un dispositif sensible aux fréquences, tel qu'un détecteur 69 40273 6 2027631 quadratique, peut être placé dans la cavité 20 afin de détecter la présence de la fréquence de battement. Dans l'un ou l'autre des deux cas, le moyen réfléchissant 24 n'est pas nécessairement partiellement transmetteur de lumière. En outre, la présente invention ne se limite pas à l'usage de deux cavités, 5 Dans quelques applications, il peut être souhaité de procéder à une diffraction et à un couplage entre trois cavités, voire plus. Il reste bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre et de la portée de la présente 10 invention. 69 40273 7 2027631 REVENDICATIONS 1. Système de détection d'un signal ayant une fréquence donnée,- caractérisé en ce qu'il comprend : - une première cavité résonnante comprenant un premier et un second moyens réfléchissants placés aux extrémités opposées d'un axe central et un milieu 5 laser actif dans ladite cavité, - une seconde cavité résonnante comprenant un premier et un second moyens réfléchissants placés aux extrémités opposées d'un axe central et un milieu laser actif dans ladite cavité, ladite seconde cavité étant placée par rapport à ladite première cavité d'une façon telle que l'axe central de ladite pre- 10 mière cavité et l'axe central de ladite seconde cavité se coupent suivant un angle donné en un point d'intersection placé dans les dites cavités, • ladite seconde cavité étant au-dessus d'un certain seuil et produisant des oscillations de lumière sous forme d'un faisceau laser qui est réfléchi dans ladite seconde cavité par les dits premier et second moyens réfléchissants 15 de ladite seconde cavité, - des moyens de diffraction acoustique placés dans les dites cavités audit point d'intersection et sensibles aux signaux d'entrée afin de produire des ondes acoustiques, les dits moyens de diffraction acoustique produisant une onde acoustique pour une fréquence de signal d'entrée particulière afin 20 de diffracter au moins une partie du faisceau laser en provenance de ladite seconde cavité dans ladite première cavité pour permettre à ladite première cavité résonnante d'osciller suivant une manière prédéterminée. 2. Système de détection selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première cavité résonnante est initialement au-dessous d'un certain seuil 25 et ne produit pas d'oscillations de lumière, et dans lequel au moins une partie dudit faisceau laser diffracté à partir de ladite seconde cavité dans ladite première cavité fournit de l'énergie dans ladite première cavité afin de produire des oscillations de lumière dans ladite première cavité. 3. Système de détection selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite 30 première cavité résonnante est initialement au-dessus d'un certain seuil et contient des oscillations de lumière entre les dits premier et second moyens réfléchissants, et dans lequel ladite partie du faisceau laser diffracté à partir de ladite seconde cavité dans ladite première cavité permet aux dites première et seconde cavités d'osciller suivant un mode couplé au moins à une 35 fréquence pouvant être engendrée indépendamment par les dites première et seconde cavités. 69 40273 8 2027631 4. Système de détection selon l'une des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen détecteur associé à ladite première cavité afin de produire un signal de sortie en réponse à ladite première cavité oscillant de ladite manière prédéterminée. 5 5. Système de détection selon l'une des revendications 1,2 ou 3 caractérisé en ce qu'un des dits premier et second moyens réfléchissants de ladite première cavité est partiellement transmetteur de la lumière et dans lequel ledit sys-tftme comprend en outre un moyen détecteur placé hors de ladite cavité près du-dit moyen réfléchissant partiellement transmetteur de la lumière afin de pro-10 duire un signal de sortie en réponse à la lumière transmise à partir de ladite première cavité par ledit moyen réfléchissant transmetteur de lumière. 6. Système de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits premier et second moyens réfléchissants de ladite première cavité sont séparés d'une distance axiale et les dits premier et second moyens réflé-15 chissants de ladite seconde cavité sont séparés d'une distance axiale L^, - dans -lequel ladite première cavité peut être soumise à des oscillations ne de lumière à des fréquences de mode axial v., égales h ■=r~ où c représente la 1 vitesse de la lumière et n» un nombre entier et dans lequel ladite seconde cavité peut être soumise à une oscillation de lumière aux fréquences de mode 20 axial v„ égales à me , où m est un nombre entier, 2L2 - et dans lequel ladite fréquence de signal d'entrée particulière est f et satisfait la relation : mn ne ^ . 25 7. Système de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les-dits premier et second moyens réfléchissants de ladite première cavité sont séparés d'une' distance axiale et les dits premier et second moyens réfléchissants de ladite seconde cavité sont séparés 4rttne ' distance axiale L^, - dans lequel ladite première cavité peut être soumise à des oscillations 30 de lumière à des fréquences de mode axial v égales à ne où p représente la 2L1 vitesse de la lumière et n est un nombre entier et dans lequel ladite seconde cavité peut être soumise à une oscillation de lumière à des fréquences de mode axial v égales à me , où m est un nombre entier, 2L2 35 et dans lequel ladite fréquence du signal d'entrée particulière est f et satisfait la relation : 69 40273 9 2027631 c f = 9 2(L - L ) 1 2 où a est un nombre entier. 8. Système de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins une partie dudit faisceau laser diffracté à partir de ladite seconde 5 cavité dans ladite première cavité permet aux dites première et seconde cavités d'osciller à plusieurs fréquences d'oscillation de lumière suivant un mode couplé, chacune des dites fréquences étant capable d'être produite par les premières et seconde cavités oscillant indépendamment entre elles, et dans lequel ladite pluralité de fréquences d'oscillation de lumière produit au 10 moins une fréquence de battement. 9. Système selon la revendication 10, comprenant en outre un moyen détecteur de fréquences associé à ladite première cavité et accordé à ladite fréquence de battement afin de produire un signal de sortie en réponse à ladite fréquence de battement.