Brevet FR2086391A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne d'une manière générale des lasers et plus spécialement un nouvel oscillateur avec deux cavités optiques destinées à émettre des faisceaux distincts de rayonnement suivant divers modes d'oscillation. 5 II est souvent avantageux, pour certaines applications des lasers, de fractionner le faisceau émis par un laser,de manière à obtenir deux faisceaux distincts à la même fréquence pour diverses opérations. Par exemple, dans l'holographie puisée par réflexion un premier faisceau ou faisceau-objet est nécessaire pour éclairer 10 l'objet dont on doit former une image à trois dimensions sur une pellicule et on dirige en même temps un faisceau de référence de même fréquence que le faisceau-objet sur le plan de la pellicule recevant la lumière renvoyée par. l'objet. le faisceau-objet réfléchi par l'objet et le faisceau de référence interfèrent de manière ad-15 ditive et soustractive pour engendrer l'hologramme en question. Dans l'exemple particulier ci-dessus de l'holographie, le faisceau de référence oscille de préférence suivant un mode unique ou mode TEMq0, tandis que le faisceau-objet peut osciller suivant plusieurs modes. Par ailleurs, le faisceau-objet transporte 10 à 20 20 fois plus d'énergie que le faisceau de référence. En conformité avec les procédés selon l'invention, l'émission d'un laser, par exemple un oscillateur à rubis à impulsion, est constituée par une oscillation suivant un seul mode dénommé mode ÏEM . Ce mode uni- oo que est obtenu en incorporant une plaque avec une ouverture dans 25 la cavité optique du laser, grâce à laquelle les oscillations rnul-timodes en général présentes ne peuvent être transmises à l'extérieur de l'ensemble, le mode unique étant essentiellement défini par l'ouverture de ladite plaque. On fait ensuite passer ce rayonnement selon un mode unique à travers un séparateur de faisceaux 30 qui est conçu de manière à réfléchir 10 à 5 $ de l'énergie du faisceau, tout en laissant passer 90 à 95 % de cette énergie, le faisceau d'énergie le plus intense ayant traversé le séparateur de faisceaux peut être employé pour éclairer l'objet dont on doit faire un hologramme. On utilise de préférence une plaque diffu-35 santé pour rendre plus uniforme l'éclairage de l'objet. Le faisceau de référence réfléchi par le séparateur de faisceaux est à son tour renvoyé vers le plan de la pellicule sur laquelle on doit former l'hologramme. 71 14855 2 2086391 Il est évident, d'après la description ci-dessus, qu'on perd une grande quantité d'énergie utile dans le laser lui-même, étant donné que le faisceau émis par le laser lui-même a une énergie considérablement diminuée du fait de la présence de la plaque avec ou- 5 verture. Bien qu'on obtienne finalement deux faisceaux distincts passer en faisant/le faisceau émis à travers le séparateur de faisceaux, « l'ensemble a un faible rendement du fait qu'une partie des oscillations multimodes dans la cavité optique du laser est perdue. La présente invention concerne donc un laser dans lequel 10 deux faisceaux émis séparés peuvent être extraits directement du laser lui-même de manière à utiliser avec le rendement maximal l'énergie oscillatoire présente dans l'ensemble. En réalisant deux faisceaux de sortie distincts sous la forme d'un rayonnement oscillant suivant plusieurs modes (multimodes) et un rayonnement oscil-15 lant selon un mode unique TEMoo, cet ensemble convient bien pour 1'holographie. On recueille deux faisceaux laser distincts émis par un matériau laser unique en incorporant deux cavités optiques coopérant avec le même oscillateur laser. Par conséquent, pour l'holographie 20 proprement dite, on incorpore des moyens délimitant une première cavité optique pour le matériau laser, destinée à l'accumulation du rayonnément selon un premier mode d'oscillation qui peut constituer le faisceau-objet multimode ainsi que des moyens délimitant une seconde cavité optique pour le même matériau laser, afin d'ac-25 cumuler le rayonnement selon un second mode d'oscillation qui peut être le faisceau de référence oscillant selon le mode unique IEM . oo Ces premier et second faisceaux émis oscillant sur des modes différents ont la même fréquence. L'essentiel des moyens délimitant les première et seconde ca-30 vités optiques est constitué par une plaque avec une ouverture centrale et un miroir qui l'entoure et dont une surface est 100 % réfléchissante. Cette plaque est placée de manière à recevoir le rayonnement laser provenant d'une extrémité du matériau laser, pour que sa surface réfléchissante renvoie une partie du rayonne-35 ment à travers le matériau laser. Un premier miroir d'extrémité reçoit le rayonnement émis par l'autre extrémité du matJriau laser et renvoie au moins une partie du rayonnement à travers le matériau en direction de la surface réfléchissante de la plaque avec ouverture. La surface réfléchissante de la plaque avec ouverture et le 71 14855 3 2086391 premier miroir d'extrémité,délimitent ainsi une première cavité optique pour le matériau laser. Un second miroir d'extrémité partiellement transparent est placé de manière à recevoir le rayonnement laser traversant l'ouverture et renvoie une partie du rayon-5 nement à travers ladite ouverture en direction d'une extrémité du matériau laser pour provoquer un nouveau renvoi par réflexion à travers le matériau, à partir du premier miroir d'extrémité. Ce second miroir d'extrémité partiellement transparent et le premier miroir d'extrémité délimitent ainsi la seconde cavité optique, le 10 second miroir d'extrémité étant destiné à faire sortir le rayonnement de l'ensemble suivant un second mode d'oscillation» On comprendra mieux l'invention en se référant au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est une vue très schématique représentant un la-15 ser de la technique antérieure émettant deux faisceaux de sortie, destiné à l'holographie. La figure 2 représente schématiquement une première réalisation de laser selon l'invention, destiné à émettre des faisceaux appropriés qui pourraient remplacer l'ensemble de la figure 1 des-20 tiné à l'holographie. La figure 3 est une représentation schématique d'une seconde réalisation de l'invention. La figure 4 est une représentation schématique d'une troisième réalisation de l'invention. 25 La figure 1 représente un ensemble laser typique de la tech nique antérieure pour réaliser des hologrammes. Cet ensemble comporte un oscillateur laser réalisé par exemple sous forme d'une tige 10 de rubis entourée par une lampe-éclair hélicoïdale 11 alimentée par une source 12. Des premier et second miroirs d'extré-30 mité 13 et 14 délimitent une cavité optique pour l'accumulation du rayonnement émis par le cristal >0. Un variateur de Q (coefficient de suramplification) 15 est incorporé afin d'engendrer des impulsions géantes et peut être réalisé sous la forme d'une cellule de Kerr ou de Pockels ou bien être du type passif, utilisant par exem-35 pie un colorant organique. Pour obtenir un faisceau de rayonnement oscillant suivant un mode unique, line plaque avec ouverture 16 est disposée de la manière représentée dans la cavité, de manière que seule une oscillation selon un seul mode puisse la traverser. Le miroir d'extrémité 71 14855 4 2086391 14 est partiellement transparent pour transmettre l'oscillation émise suivant un mode unique par l'ensemble laser. Pour obtenir à la fois un faisceau-objet et un faisceau de référence pour l'holographie à partir de l'ensemble de la figure 5 1, on a incorporé un séparateur de faisceaux 17 qui transmet 90 à 95 $ de l'énergie du faisceau à une plaque diffusante 18 et de là à un objet 19 dont on doit réaliser un hologramme. La lumière éclairant l'objet 19 et réfléchie par lui parvient sur le plan d'une pellicule 20 comme indiqué. '0 La partie réfléchie du faisceau émis par le séparateur de faisceaux 17 parvient à un miroir 21 qui renvoie ce faisceau de référence sur le plan de la pellicule 20 ce qui provoque la formation de franges par interférence avec le faisceau-objet réfléchi par l'objet de manière à réaliser l'hologramme. Les faisceaux-objet 15 et de référence provenant du séparateur de faisceaux 17 sont désignés par respectivement 22 et 23 et normalement le faisceau-objet 22 contient 10 à 20 fois autant d'énergie que le faisceau de référence 23. Etant donné la quantité relativement faible d'énergie conte-20 nue dans le faisceau originel recueilli à la sortie du laser,du fait de l'emploi de la plaque avec ouverture, des amplificateurs de faisceau laser (non représentés) devraient normalement être incorporés avant de faire passer ledit faisceau à travers la plaque diffusante pour éclairer l'objet. Par exemple, dans l'agencement 25 type de la figure 1, le faisceau-objet 22 peut avoir avant amplification, une énergie de l'ordre de 50 mJ. Si l'amplificateur pour laser employé a un gain maximal de 4, l'énergie maximale provenant dudit amplificateur ne dépasse pas 0,2 J. La figure 2 représente une première réalisation de l'inven-30 tion pour l'obtention de faisceaux-objet et de référence à partir d'un seul matériau laser, qui pourrait remplacer l'ensemble de la figure -1 de manière à supprimer le séparateur 17 de faisceaux à l'extérieur de l'ensemble laser. Par conséquent, cette réalisation contient une tête laser représentée par le rectangle 24 qui con-35 tient le matériau laser et une lampe éclair hélicoïdale, représentée sur la figure 1. Des premier et second miroirs d'extrémité 25 et 26 délimitent une cavité optique de manière semblable à celle représentée sur la figure 1 et un variateur de Q est incorporé pour permettre l'émission d'impulsions laser géantes. 71 14855 2086391 La première réalisation de la figure 2 comporte, selon l'invention, une plaque 27 avec ouverture comportant une surface 28 réfléchissante à 100 fo entourant l'ouverture centrale. Cette plaque avec ouverture est placée entre le matériau laser de la 5 tête 24 et le second miroir d'extrémité 26 et est inclinée de 45°. Un troisième miroir 29 qui est partiellement transparent est nlacé de manière à recevoir le rayonnement renvoyé par la surface réfléchissante 28 sur la plaque 27 avec ouverture et renvoie ce rayonnement sur la surface réfléchissante 28 et de là, à travers la 10 tête laser 24, en direction du premier miroir d'extrémité 25. On définit ainsi, pour le rayonnement multimode renvoyé par la surface réfléchissante 28 de l'ouverture, une première cavité optique en forme de"L" entre les miroirs 25 et 29. Un faisceau oscillant selon un premier mode, qui dans l'exemple choisi est un faisceau multi-15 mode est transmis à l'extérieur de l'ensemble par le troisième miroir 29, comme l'indique la flèche 30. La répartition de l'énergie pour ce premier faisceau est représentée par la forme d'onde proche de la flèche 30. Une seconde cavité optique .pour le matériau laser de la tête 20 24 est délimitée entre les premier et second miroirs d'extrémité 25 et 26 et réalise une accumulation d'énergie selon un second mode d'oscillation qui, dans l'exemple choisi, est une oscillation suivant le mode unique Ce mode est obtenu en faisant passer un rayonnement à travers l'ouverture centrale de la plaque 27, 25 rayonnement qui est finalement transmis à l'extérieur par le second miroir d'extrémité 26 comme l'indique la flèche 31. Le mode unique caractéristique de ce rayonnement est représenté par la forme d'onde proche de la flèche 3'. Avec la disposition ci-dessus, on peut réaliser des miroirs 30 appropriés réfléchissant 100 fo de la lumière, pour renvoyer les premier et second faisceaux émis 30 et 31, respectivement, sur un objet et le plan d'une pellicule pour réaliser un hologramme de la manière représentée sur la figure 1. A noter cependant que la quasi-totalité de l'énergie engendrée dans la tête laser est employée 35 pour émettre ces premier et second faisceaux. Ceci est la conséquence directe de la mise en place de deux cavités associées avec le matériau laser unique. 71 14855 2086391 La figure 3 représente une variante, ou seconde réalisation, de l'ensemble laser à deux cavités. Cette réalisation comporte également une tête laser 32 avec un premier miroir d'extrémité 33 et un second miroir d'extrémité 34 placés de manière à recevoir 5 une partie du rayonnement réfléchi par un séparateur de faisceaux 35 intercalé entre la tête laser 32 et un troisième miroir 3b. Une plaque 37 avec ouverture est également intercalée entre le second miroir 34 et le séparateur de faisceaux 35. Cette plaque avec ouverture comporte une surface 38 réfléchissante à 100 % entourant 10 son ouverture centrale de manière qu'une fraction du rayonnement réfléchi par le séparateur de faisceaux 35 soit renvoyée à nouveau par la surface 38 du miroir et le séparateur de faisceaux 35 à travers la tête laser 32 sur le premier miroir d'extrémité 33. Une partie de ce rayonnement multimode traversant le séparateur de 15 faisceaux 35 est renvoyée par le miroir 36 en direction du premier miroir d'extrémité 33. Un miroir 39,100 % réfléchissant,est placé sur le côté du séparateur de faisceaux 35 qui est en face de la plaque 37 avec ouverture pour renvoyer le rayonnement provenant du séparateur de faisceaux 35 sur ce séparateur de faisceaux, comne 20 représenté. La fraction du rayonnement renvoyée par le séparateur de faisceaux 35,; qui traverse l'ouverture centrale est renvoyée en partie par le second miroir d'extrémité 34, à travers 1'ouverture, au séparateur de faisceaux 35 et de là, à travers la tête laser 32 25 sur le premier miroir d'extrémité 33. La seconde cavité optique de l'ensemble de la figure 3 a par conséquent la forme d'un "L". Dans cet ensemble, un premier faisceau de rayonnement multimode émis est extrait dudit ensemble par le troisième miroir 36 comme indiqué en 40 et le second rayonnement oscillant suivant un mode uni-30 que est extrait de l'ensemble par le second miroir d'extrémité 34, dans la direction 41. La quasi-totalité de l'énergie du rayonnement engendré dans le laser est utilisée dans les deux faisceaux émis. La figure 4 représente une réalisation un peu simplifiée par 35 rapport à celles des figures 2 et 3. Cette réalisation comporte également une tête laser 42 avec un premier et un second miroir d'extrémité 43 et 44 associés à un variateur de Q 15. Une plaque avec ouverture 45 est placée de manière à recevoir le rayonnement provenant d'une extrémité de la tête laser 42 et comporte une 71 14855 7 2086391 surface 100 % réfléchissante 46 entourant l'ouverture centrale. La première cavité optique du laser est délimitée par la surface 46,100 °/o réfléchissante de la plaque à ouverture 45 et le premier miroir d'extrémité 43. La seconde cavité optique pour le second 5 faisceau oscillant suivant un mode unique est délimitée par les premier et second miroirs d'extrémité 43 et 44, cette fraction du rayonnement passant par l'ouverture centrale de la plaque 45. Le premier faisceau oscillant multimode est extrait de l'ensemble par le premier miroir d'extrémité 43, comme l'indique la flèche 47 et 10 le second faisceau émis, constituant l'oscillation suivant un mode unique, est extrait par le second miroir d'extrémité 44, comme indiqué en 48, ces premier et second miroirs d'extrémité étant tous deux partiellement transparents. On peut incorporer dans les deux réalisations des figures 3 15 et 4, des miroirs additionnels extérieurs, à coefficient de réflexion 100 $, pour renvoyer les divers faisceaux émis dans les directions appropriées pour l'holographie. On peut également incorporer des amplificateurs, non représentés, à l'extérieur du laser pour augmenter l'énergie émise. 20 Lors du fonctionnement de l'ensemble de la figure 2, la tête laser 24 est périodiquement soumise à un pompage optique et, en coopération avec le variateur de Q et les première et seconde cavités optiques délimitées respectivement par les premier et second miroirs d'extrémité et par les premier et troisième miroirs d'ex-25 trémité, provoque une accumulation d'énergie pour les deux modes d'oscillation distincts obtenus à partir du même matériau laser dans la tête laser. Le premier mode d'oscillation correspond, dans l'exemple choisi, à un rayonnement oscillant sur plusieurs modes, engendré entre le premier miroir d'extrémité 25 et le troisième 30 miroir d'extrémité 29 en coopération avec la surface réfléchissante 28 de la plaque 27 avec ouverture délimitant la première cavité optique en forme de "L", Oe rayonnement, comme exposé, est extrait de l'ensemble de la manière indiquée en 30, à travers le troisième miroir d'extrémité 29. Le second faisceau émis, constitué par le 35 rayonnement oscillant sur un mode unique est engendré entre les premier et second miroirs d'extrémité 25 et 26, ce rayonnement étant limité à la fraction qui passe par l'ouverture centrale de la plaque 27. Dans une réalisation effective., la plaque 27 avec, ouverture et la surface réfléchissante 28 ont la forée d'une ellipse 71 14855 8 2086391 inclinée. Si le petit axe mesure 2,5 cm pour laisser passer un faisceau de 2,5 cm de diamètre, le grand axe doit mesurer 2,5 \[2~ ( Dans la réalisation de la figure 3, on utilise l'ensemble 10 d'un séparateur de faisceaux et d'une plaque avec ouverture, le premier faisceau émis provenant du miroir 36 partiellement transparent qui coopère avec le premier miroir d'extrémité 33 pour former une première cavité optique. Le second faisceau de rayonnement oscillant sur un mode unique est limité à la cavité en forme de "L" 15 et est placé entre les premier et second miroirs d'extrémité 33 et 34, comme exposé ci-dessus. En ce qui concerne le fonctionnement de la troisième réalisation de la figure 4, celle-ci comporte seulement deux miroirs d'extrémité 43 et 44, mais chacun est partiellement transparent 20 pour extraire les faisceaux respectifs de l'ensemble laser. A noter que toutes les réalisations comportent la caractéristique essentielle d'une plaque avec ouverture dont une surface a un coefficient de réflexion de 100 ",b, entourant l'ouverture centrale. Celle-ci effectue, par principe, la séparation des modes d'oscil-25 lation distincts qui peuvent être ensuite extraits du laser par les divers ensembles de miroirs réfléchissant la totalité de la lumière incidente, ou en transmettant une partie. Il est évident, d'après la description ci-dessus, que l'invention concerne un laser perfectionné convenant particulièrement 30 bien pour l'holographie et dans lequel le faisceau-objet peut être du type à oscillation multimode tandis que le faisceau de référence doit de préférence osciller selon un mode unique. En réalisant deux cavités coopérant avec un matériau unique pour laser, on peut extraire, avec un rendement maximum, de cet ensemble les oscillations 35 désirées suivant un ou plusieurs modes. Bien que l'invention ait été décrite en se référant particulièrement à l'holographie et avec, à titre d'exemple, un matériau laser constitué par du rubis, il va de soi que le laser à deux cavités peut fonctionner avec d'autres matériaux laser, tels que le 71 14855 s ■ 2086391 verre au néodyme et le grenat yttrium-alumihium associé à un dérivé du néodyme. De plus, on comprend facilement qu'il existe d'autres utilisations que l'holographie pour les faisceaux émis. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-5 dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra y apporter toutes modifications entrant dans son esprit sans sortir de son cadre. 71 14855 io 2086391 .RE YEN PI CA TI OMS 1. Ensemble laser, caractérisé en ce qu'il comprend : un matériau laser unique, des moyens délimitant une première cavité optique pour ledit matériau, provoquant une accumulation de rayon- 5 nement selon un premier mode d'oscillation, et des moyens délimitant une seconde cavité optique pour le même matériau laser, réalisant une accumulation de rayonnement selon un second mode d'oscillation, de manière à émettre des premier et second faisceaux distincts oscillant sur des modes différents et de même fréquence, 10 à partir dudit matériau laser unique. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens délimitant une première cavité optique sont constitués par une plaque avec une ouverture centrale et une surface 100 $ réfléchissante entourant ladite ouverture, ladite plaque 15 étant placée de manière à arrêter le rayonnement laser provenant d'une extrémité dudit matériau laser afin que sa surface réfléchissante renvoie une fraction dudit rayonnement à travers ledit matériau laser, un premier miroir d'extrémité placé de manière à recevoir le rayonnement provenant de l'autre extrémité dudit maté-20 riau laser et à réfléchir au moins une fraction dudit rayonnement à travers ledit matériau en direction de ladite surface réfléchissante de ladite plaque avec ouverture, lesdits moyens délimitant une seconde cavité optique comportant un second miroir d'extrémité partiellement transparent et placé de manière & recevoir le rayon-25 nement laser passant par ladite ouverture et à renvoyer une fraction dudit rayonnement à travers ladite ouverture sur ladite première extrémité dudit matériau laser pour un nouveau renvoi par réflexion à travers ladite matière à partir dudit premier miroir d'extrémité et de là, à nouveau à travers ladite ouverture, en direc-30 tion dudit second miroir d'extrémité, ledit second mode d'oscillation étant extrait dudit ensemble par ledit second miroir d'extrémité. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première cavité optique comporte un troisième miroir d'ex- 35 trémité qui est partiellement transparent et placé de manière à recevoir au moins une partie dudit rayonnement oscillant selon le premier mode, ledit rayonnement étant extrait dudit ensemble en passant par ledit troisième miroir d'extrémité. 71 14855 2086391 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier miroir d'extrémité est 100 jl réfléchissant, ladite plaque avec ouverture est intercalée entre ladite première extrémité dudit matériau laser et ledit second miroir d'extrémité 5 en faisant un angle de 45° par rapport à la direction du rayonnement à travers ledit matériau laser, ledit troisième miroir d'extrémité reçoit et renvoie ledit rayonnement oscillant selon un premier mode provenant de ladite surface réfléchissante de ladite plaque avec ouverture pour délimiter une première cavité optique 10 en forme de "L". 5. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend : un séparateur de faisceaux intercalé entre ladite extrémité dudit matériau laser et ledit troisième miroir d'extrémité et qui forme un angle de 45° par rapport à la direction du I5 rayonnement à travers ledit matériau laser, ladite plaque avec ouverture étant placée de manière à recevoir le rayonnement renvoyé par ledit séparateur de faisceaux et à renvoyer ledit rayonnement oscillant selon ledit premier mode, ledit second miroir d'extrémité renvoyant le rayonnement oscillant selon ledit second mode audit 20 séparateur de faisceaux pour délimiter ladite seconde cavité optique en forme de "L", et un miroir 100 fa réfléchissant placé du côté dudit séparateur de faisceaux opposé à celui de ladite plaque avec ouverture, pour renvoyer le rayonnement audit séparateur de faisceaux. 25 6. Ensemble selon la revendication 2,- caractérisé en ce que ledit premier miroir d'extrémité est partiellement transparent pour extraire ledit rayonnement selon ledit premier mode d'oscillation de ladite première cavité optique. 7. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que 30 ledit rayonnement oscillant selon un premier mode comporte des modes d'oscillation additionnels de manière que le premier faisceau sortant de ladite première cavité optique oscille suivant un premier mode complexe, ledit rayonnement oscillant selon un second mode constituant le second faisceau de sortie de ladite seconde ca- 35 vité optique oscillant uniquement selon le mode ÏEM , oo 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'énergie dudit premier faisceau émis représente environ 10 à 20 fois celle dudit second faisceau émis.