Brevet FR2079363A1 — publié le 19711112

i 2079363 La présente invention concerne d'une manière générale un procédé et un appareil pour compenser la vergence thermique d'un laser et plus particulièrement la vergence d'un rayonnement engendré par des tiges solides annulaires de la-5 ser à solide. Des gradients thermiques sont créés dans les matériaux laser des types cristallin et vitreux par l'action du pompage optique. Un changement de température d'une tige laser provoque une déformation du faisceau provoquée par une va-10 riation de l'indice de réfraction due à un gradient de température et aux contraintes provoquées par ce dernier. De plus, ces contraintes provoquent un allongement de la tige. Ces phénomènes provoquent une vergence thermique des tiges laser, à savoir que le faisceau émis est en général conver-15 gent tout comme si l'on avait fait passer un faisceau de rayons parallèles à travers une lentille convexe. Dans de nombreuses applications, un système optique est nécessaire pour réduire la vergence du faisceau émis par le laser. La vergence thermique positive produite par une tige 20 solide de laser peut être compensée par réglage de l'intervalle des deux lentilles dudit système optique. Un tel réglage est possible du fait que la vergence thermique d'une tige solide peut être compensée par une lentille sphérique négative, au moins à l'approximation du premier ordre. 25 Cependant, pour certaines applications spéciales, les tiges laser telles que celles qui sont en rubis ont une forme annulaire délimitée par des surfaces intérieure et extérieure sensiblement cylindriques. Dans le cas d'une telle tige annulaire, la vergence thermique observée est équiva-30 lente à la concentration des rayons provoquée par une lentille positive torique, dénommée en général "lentille circulaire positive". Par conséquent, le dispositif optique compensateur doit être une lentille circulaire négative (torique). Une telle lentille circulaire négative comportant des surfa-35 ces asphériques est très difficile à réaliser dans un atelier d* optique. Compte tenu de ce qui précède, la présente invention Concerne un procédé et un appareil pour compenser la vergence thermique de lasers à solide du type annulaire, qui remé-40 die à l'obligation de réaliser des surfaces asphériques. 71 04489 2 2079363 Plus particulièrement, l'invention concerne -une pièce cylindrique ayant des surfaces d'about opposées optiquement planes et polies. Cette pièce comporte un dispositif de chauffage qui lui est couplé thermiquement pour développer un gra-5 dient thermique qui provoque une vergence opposée à la vergence propre au rayonnement du laser. On peut non seulement réaliser ainsi la compensation désirée, mais la lentille circulaire négative thermique elle-même est "réglable thermiquement" de manière à faire varier sa focale en agissant sur la 10 quantité de chaleur qui lui est appliquée. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. 15 Sur ce dessin : La figure 1 représente schématiquement un système laser dans lequel la lentille circulaire négative thermique selon l'invention est utilisée pour éliminer la vergence propre du 20 rayonnement émis par le laser avant qu'il ne traverse un système optique divergent. La figure 2 est une vue de la lentille négative circulaire en coupe, à grande échelle, effectuée dans la direction des flèches 2-2 de la figure 1, et 25 La figure 3 représente la variation de température en fonction de la distance radiale comptée à partir de la partie médiane annulaire de la lentille de la figure 2 en direction de ses surfaces cylindriques extérieure et intérieure. La figure 1 représente une tige laser 10 avec une ou-30 verture centrale délimitant une forme annulaire. De la lumière est pompée dans la tige 10 par une lampe éclair hélicoïdale 11 alimentée par une source 12. Des miroirs d'extrémités appropriés 13 et 14 alignés optiquement avec la tige 10 délimitent la cavité optique du laser. Le pompage, de lumière dans 35 la tige 10 par la lampe éclair 11 donne naissance à une inversion de population entre les divers niveaux des ions laser dans la tige et, au seuil, les ions laser au niveau d'énergie supérieur retombent à un niveau inférieur ce qui provoque une émission stimulée de rayonnement qui est accentuée 40 par la réaction positive qui se produit entre les miroirs 71 04489 3 2079363 d'extrémités 13 et 14. Le miroir d'extrémité 14 peut être partiellement transparent afin de transmettre le faisceau à l'extérieur de la cavité optique. Normalement, la tige 10 annulaire du laser et la lampe 5 éclair hélicoïdale 11 sont entourées par une enceinte ou "tête" à travers laquelle on fait circuler un liquide de refroidissement. Le refroidissement de la tige est réalisé par les surfaces cylindriques intérieure et extérieure ce qui provoque un gradient de température, laquelle diminue à partir de 10 la partie médiane annulaire de la tige du laser dans le sens radial en direction des surfaces cylindriques intérieure et extérieure. Cette variation de température provoque, comme indiqué ci-dessus, une déformation-du faisceau laser provoquée par la variation de l'indice de réfraction résultant des 15 contraintes thermiques .ainsi que des autres contraintes provoquant un allongement de la tige. Par conséquent, le faisceau laser annulaire émis manifeste une vergence positive, comme indiqué en B1 sur la figure 1. Selon la présente invention, une lentille 15 circulaire 20 négative thermique est mise en place en étant alignée optiquement avec le faisceau Bl annulaire émis. Une régulation du chauffage de la lentille circulaire 15 compensatrice est réalisée par un dispositif de régulation haute fréquence 16 de manière à provoquer une vergence négative de la lentille 25 circulaire 15 annulant de cette manière la vergence positive afin d'obtenir un faisceau B2 compensé à l'émission. On peut ensuite faire passer ce faisceau à travers un système optique classique 17 étalant le faisceau ou réduisant la divergence du faisceau émis par l'ensemble. 30 La figure 2 représente les détails du mode d'exécution préféré de la lentille 15 circulaire négative de la figure 1. Comme indiqué, cette lentille compensatrice est constituée par une pièce cylindrique 18 ayant des surfaces terminales 19 et 20 optiquement planes et polies et une ouverture centrale 35 destinée à définir une pièce annulaire. Les dimensions de cette pièce sont choisies de manière à ccuper le faisceau annulaire Bl du laser quand ce dispositif est employé avec le laser de la figure 1. Les surfaces cylindriques extérieure et intérieure sont 40 recouvertes d'enduits métalliques, par exemple d'or, 21 et 22. 71 04489 4 2079363 Une matière isolante 23 entoure le" revêtement extérieur 21 comme représenté. Ce revêtement isolant 23 supporte plusieurs bobines H.F. 24 alimentées en énergie haute fréquence par le dispositif de réglage haute fréquence 16 de la figure 1. 5 La figure 3 représente en 25 le gradient de températu re engendré dans la pièce 18 de la figure 2 quand les surfaces cylindriques sont chauffées. Comme représenté, la température est minimale dans la partie médiane annulaire de la pièce et augmente radialement vers l'extérieur en direction 10 des surfaces cylindriques extérieure et intérieure. En fonctionnement, la lentille circulaire négative 15 thermique est placée' de manière à être alignée optiquement avec le rayonnement émis (voir figure l). L'énergie haute fréquence est ensuite appliquée aux enroulements 24 pour créer 15 un champ haute fréquence couplé électromagnétiquement aux revêtements isolants. Ces revêtements eux-mêmes engendrent de la chaleur au contact des surfaces cylindriques de la pièce à cause des pertes diélectriques dans lesdits revêtements. A ce point de vue, l'épaisseur du revêtement extérieur 21 est 20 ajustée de manière à permettre au champ haute fréquence de pénétrer dans le revêtement intérieur 22. La chaleur engendrée dans les deux revêtements métalliques doit provoquer une vergence thermique dans la pièce 18, dfc fait du gradient thermique représenté sur la figure 3. Ce 25 gradient thernique modifie la longueur du chemin optique conformément à l'équation ci-après : AP=dAn+(n-l)Ad 30 dans laquelle d est l'épaisseur du disque et n l'indice de réfraction. Le second membre de 1'équation ci-dessus tient compte de l'allongement thermique du disque. Le symbole a n représente la variation totale de l'indice de réfraction. Cette variation de l'indice de réfraction 35 a pour origine deux phénomènes différents : le premier est une variation de l'indice de réfraction en fonction de la température et le second est une variation de l'indice de réfraction en fonction de la contrainte. Avec un disque de diamètre extérieur 1,3 cm et de diamètre intérieur égal au 63/100 40 du diamètre extérieur et de 5 ■ de longueur, on peut provo 71 04489 5 2079363 quer une différence de température de 100°C entre les surfaces cylindriques extérieure et intérieure. Dans ces conditions, on obtient une distance focale négative d'environ -4 m (vergence a -0,25 dioptrie). Cette vergence négative peut être 5 utilisée pour compenser la vergence positive thermique de la tige du laser de la figure 1. En ajustant l'intensité du chauffage et par conséquent le gradient de température, on peut faire varier la distance focale de la lentille compensatrice circulaire pour compenser 10 des vergences positives différentes pour diverses tiges laser. Quand on utilise la lentille négative thermique, on peut ensuite utiliser un système optique classique pour étaler le faisceau. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessu 15 à titre purement indicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir de son cadre. 71 04489 6 2079363 REVENDICATIONS 1°) - Procédé de compensation de la vergence thermique d'un ensemble laser, caractérisé par les opérations ci-après : passage du rayonnement laser émis par ledit ensemble à tra-5 vers une lentille et chauffage de ladite lentille pour y créer un gradient thermique qui engendre une vergence de signe opposé à la vergence caractérisant ledit rayonnement laser . 2°) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 10 ce qu'on fait varier l'intensité du chauffage appliqué à ladite lentille de manière à faire varier la focale équivalent à la vergence ainsi créée afin de la régler pour compenser les variations de la vergence caractérisant ledit rayonnement laser. 15 3°) - Lentille thermique pour la mise en oeuvre du pro cédé selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une pièce cylindrique ayant des surfaces d'extrémité opposées planes et un système de chauffage couplé thermiquement à ladite pièce pour engendrer un gradient thermique qui crée 20 une vergence opposée à la vergence inhérente audit rayonnement laser. 4°) - Lentille thermique selon la revendication 3> caractérisée en ce que ledit système de chauffage comprend au moins un revêtement métallique sur les surfaces latérales de 25 ladite pièce et plusieurs bobines haute fréquence couplées électromagnétiquement audit revêtement, de manière que lesdites bobines haute fréquence échauffent ledit revêtement. 5°) - Lentille thermique selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments de réglage de. 30 l'intensité du champ H.P. "engendré par lesdites bobines de manière à régler ainsi l'intensité du chauffage dudit revêtement afin de faire varier la vergence thermique engendrée dans ladite pièce pour faire varier la focale effective de la lentille thermique. 35 6°) - Ensemble laser destiné à la mise en oeuvre du pro cédé selon la revendication 2, comprenant une tige solide de matériau laser de forme annulaire délimitée par des surfaces cylindriques intérieure et extérieure, un dispositif de pompage de la lumière de ladite tige et des miroirs d'extrémités 40 délimitant une cavité optique de manière à provoquer une 71 04489 7 2079363 émission stimulée de rayonnement, ledit rayonnement étant sous la forme d'un faisceau annulaire ayant une vergence positive à la suite du chauffage de ladite tige par ledit dispositif de pompage de la lumière, ledit ensemble étant caractérisé en 5 ce qu'il comprend une lentille circulaire négative thermique alignée optiquement sur ledit faisceau annulaire, ladite lentille circulaire étant constituée par une pièce cylindrique ayant des surfaces d'extrémité planes et une ouverture centrale, de manière qu'elle constitue une pièce annulaire de di-10 mensions déterminées afin de couper ledit faisceau annulaire, les surfaces extérieure et intérieure de ladite pièce comportant chacune un revêtement métallique et un revêtement extérieur cylindrique de matière isolante recouvrant le revêtement de la surface cylindrique extérieure, plusieurs bobines 15 haute fréquence entourant ladite matière isolante et un générateur haute fréquence étant raccordé auxdites bobines pour créer un champ haute fréquence couplé électromagnétiquement auxdits revêtements pour chauffer ceux-ci de manière à créer un gradient thermique dans ladite pièce dans une direction 20 choisie, afin de créer des contraintes provoquant une vergence négative et d'annuler à peu près complètement ladite vergence positive dudit faisceau annulaire. 7°) - Ensemble laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gradient de température de ladite tige la-25 ser annulaire part de sa partie médiane annulaire en étant dirigé radialement vers ses surfaces cylindriques intérieure et extérieure et en ce que le gradient de température créé dans ladite lentille circulaire négative thermique a pour origine ses surfaces cylindriques intérieure et extérieure en 30 direction de sa partie médiane annulaire.