Brevet FR2105117A1 — publié le 19720428

La présente invention, due aux travaux de MM. Jacques MOUCHART et Serge CHALOT de la Compagnie Générale d'rectricitc4, a pour objet un dispositif polariseur de lumière particulièrement bien adapté à la polarisation des faisceaux lasers de grande brillance. On sait qu'il est possible de réaliser des polariseurs de lumière en utilisant des matériaux biréfringents. Un prisme de Glan en calcite est couramment utilisé lorsque le diamètre du faisceau lumineux est inférieur à 30 mm . Lorsque le diamètre du faisceau est supérieur, on utilise habituellement un empilage de lames minces inclinées à l'incidence de Brewster (de l'ordre de 600). On sait également qu'il est possible de réaliser des polariseurs de lumière en déposant sur une lame de verre au moins une couche mince de matériau diélectrique. Lorsqu'une telle lame est disposée sur le trajet d'un faisceau lumineux monochromatique sous incidence oblique, ses facteurs de transmission et de réflexion pour des vibrations lumineuses, situées dans des plans parallèles et perpendiculaires au plan d'incidence, peuvent être calculés en fonction des paramètres suivants: angle d'incidence, épaisseurs et indices de la lame et des différentes couches minces. Ainsi on sait réaliser des lames traitées par un déport de couches minces capables de transformer par transmission un faisceau lumineux monochromatique non polarisé en un faisceau polarisé avec un taux d'extinction de l'ordre de 10-2 à 10-3 (on définit ici par taux d'extinction le rapport du coefficient de transmission, relatif à une vibration située dans un plan perpendiculaire au plan d'incidence, au coefficient de transmission relatif à une vibration située dans un plan parallèle au plan d'incidence). On réalise par exemple des systèmes polariseurs constitués par une lame de verre à faces parallèles munie d'un dépit de couches minces alternées de sulfure de zinc et de fluorure de magnésium.Afin d'obtenir le taux d'extinction désiré, il est nécessaire de disposer la lame dans le faisceau à polariser avec un angle d'incidence très grand, de l'ordre par exemple de 70 à 800. Le taux d'extinction est d'autant meilleur que le nombre de couches est plus élevé et l'on constate alors que l'angle d'incidence doit être d'autant plus grand. Un polariseur de ce type est peu pratique à mettre en oeuvre, en particulier sur le trajet du faisceau lumineux sc propageant entre deux têtes lasers d'une channe amplificatrice. En effet, la mise en place de la lame traitée implique un réglage précis de l'angle d'incidence du faisceau, difficile a vérifier rapidement en cours d'expérience et nécessitant un appareillage optique annexe à la lunette d'alignement de la channe amplificatrice. De plus, la lame traitée peut dévier le faisceau incident de plusieurs dizaines de degrés.Ceci présente des inconvénients car, dans le cas ot la lame est insérée entre deux têtes amplificatrices lasers, il est nécessaire de couder la channe laser; dans le cas où le polariseur est disposé après la dernière tête de la chaine, une déviation du faisceau peut être gênante dans de nombreuses applications pratiques où il est obligatoire de confondre l'axe mécanique du banc laser avec l'axe du faisceau lumineux. La présente invention propose un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce que la direction de propagation du faisceau lumineux n'est pas modifiée et en ce qu'il est particulièrement bien adapté à la polarisation des faisceaux lasers de grande puissance. A cette fin, l'invention propose un polariseur de lumière caractérisé en ce qu'il est composé de deux pièces optiques pleines et transparentes au rayonnement à polariser, les deux dites pièces ayant deux faces planes parallèles en regard et séparées par un intervalle et deux autres faces planes parallèles constituant l'entrée et la sortie dudit polariseur, et d'au moins-une couche mince transparente déposée sur au moins l'une des deux dites faces en regard. Suivant une variante de réalisation avantageuse de l'invention, les deux dites pièces optiques sont des prismes identiques ayant leurs arêtes parallèles. Les deux dites faces en regard peuvent être munies d'empilements de couches minces pouvant être identiques. L'em pilement peut également être constitué par une alternance de couches de faible indice optique et de haut indice optique. Chaque couche mince peut avantageusement présenter une épaisseur optique égale au quart de la longueur d'onde du faisceau lumineux à polariser. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple explicatif et non limitatif. La description se réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel la figure unique représente un mode de réalisation avantageux de l'invention. Selon ce mode de réalisation, le polariseur comprend deux pièces optiques identiques constituées des deux prismes 1 et 2 ayant méme indice optique et réalisés en un matériau transparent au faisceau lumineux que l'on désire polariser, du verre par exemple. Les deux prismes 1 et 2 ont leurs arêtes parallèles et sont placés de telle sorte qu t ils aient deux faces planes en regard, parallèles (faces 3 et 4) et séparées par un intervalle 5. Ce dernier est une couche d'air dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure unique, ce qui donne une bonne tenue du polariseur à des faisceaux lasers de grande puissance. Il peut avoir une épaisseur très réduite. Les angles au sommet des deux prismes 1 et 2 étant égaux puisque les prismes sont identiques, les faces d'entrée 6 et de sortie 7 du polariseur sont parallèles. Les prismes 1 et 2 sont fixés dans une même monture, ce qui assure la rigidité du polariseur. Deux empilages 8 et 9 de couches minces transparentes au rayonnement à polariser sont disposés respectivement sur les faces en regard 3 et 4. En principe, le polariseur peut fonctionner avec une seule couche mince transparente déposée sur l'une des deux faces; cependant son fonctionnement est grandement amélioré par un empilage transparent déposé sur chaque face en regard. Les empilages 8 et 9 peuvent être constitués de couches minces identiques ou d'une alternance de couches minces de hauts et bas indices optiques. L'épaisseur optique de chacune des couches minces peut être avantageusement égale au rapport du quart de la longueur d'onde de la lumière à polariser par le cosinus de l'angle d'incidence du faisceau dans la couche. Pour un empilage 8 ou 9 de couches minces donné, on peut connaitre par le calcul l'angle i d'incidence, dans le verre du prisme 1, d'un rayon lumineux 10 permettant d'obtenir par transmission sa polarisation optimum. Pour ce calcul, on peut se reporter à l'article de F. ABELES paru en 1950 dans "Journal de Physique du Radium", nO 11, page 403. L'angle au sommet du prisme 1 peut être avantageusement choisi égal à l'angle i. Dans le cas où les prismes 1 et 2 ont même indice et où les empilages 8 et 9 sont identiques, l'angle au sommet du prisme 2 peut être également choisi égal à 1. Un polariseur selon l'invention fonctionne de la façon suivante: un faisceau lumineux 10 non polarisé pénètre dans le prisme 1 par la face d'entrée 6 sous une incidence normale et dans l'empilement 8 sous un angle i égal à l'angle au sommet du prisme 1; il émerge dans l'intervalle d'air 5 avec un taux de polarisation d'autant meilleur que le nombre de couches de l'empilage est plus grand, et il effectue un trajet symétrique à travers l'empilage 9 et le prisme 2. I1 émerge de la face de sortie 7 avec une direction parallèle à la direction du faisceau incident 10. A titre d'exemple, chaque prisme peut avoir un angle au sommet de 41030' et un indice optique de 1,50. Chaque empilage peut être constitué par des couches minces d'épaisseur optique égale au quart de la longueur d'onde du rayonnement à polariser et d'indices alternés égaux respectivement à 2,55 et 1,38. Le taux d'extinction théorique est alors de 10 6 et pratiquement il a été mesuré égal à 10 4; la transmission dans la bonne direction de polarisation étant alors de 0,9. Un polariseur conforme à l'invention présente de nombreux avantages: il absorbe très peu de lumière, il présente un bon taux d'extinction, il ne dévie pas le faisceau incident et peut être ainsi facilement inséré et réglé dans une chaine amplificatrice laser. De plus, contra rement aux prismes en calcite habituels de dimensions nécessairement petites, ses dimensions peuvent être importantes car on sait réaliser des prismes de verre de grandes dimensions et on sait déposer des couches minces sur de grandes surfaces. Par sa structure même, il offre également une bonne résistance à un faisceau laser de grande puissance. I1 va sans dire que la présente invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple explicatif et non limitatif. En particulier, les valeurs de l'angle i et des indices optiques des prismes et des couches ne sont données qu'à titre d'exemple, Les pièces optiques 1 et 2 peuvent ne pas être des prismes. REVENDICATIONS 10/ Polariseur- de lumière caractérisé en ce qu'il est composé de deux pièces optiques pleines et transparentes au rayonnement à polariser1 les deux dites pièces ayant deux faces planes parallèles en regard et séparées par un intervalle et deux autres faces planes parallèles constituant l'entrée et la sortie dudit polariseur, et d'au moins une couche mince transparente déposée sur au moins l'une des deux dites faces en regard. 20/ Polariseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux dites pièces optiques sont identiques. 30/ Polariseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux dites pièces optiques sont deux prismes ayant leurs arêtes parallèles. 40/ Polariseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites facesen regard est munie d'un empilement de couches minces. 50/ Polariseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites couches minces sont identiques. 60/ Polariseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit empilement est une alternance de couches minces de faible indice optique et de grand indice optique. 70/ Polariseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche mince a une épaisseur optique égale au rapport du quart de la longueur d'onde du rayonnement à polariser par la valeur du cosinus de l'angle d'incidence du faisceau dans la couche. 80/ Polariseur suivant les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que l'angle au sommet des deux dits prismes est egal à l'angle optimum d'incidence d'un rayon lumineux sur ladite couche mince, ce qui permet d'obtenir, par transmission dudit rayon lumineux à travers ladite couche, la meilleure polarisation dudit rayon lumineux. 90/ Polariseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit intervalle est une couche d'air.