Brevet FR2065712A1 — publié le 19710806

2065712' La présente invention concerne un laser. Selon l'invention ce laser est caractérisé en ce que à l'intérieur du résonnateur optique est réalisé un moyen de compensation dont le retard de trajet aller-retour dépendant de la fréquence compense les différences de temps de transit des radiations laser provoquées 5 par la dispersion de la vitesse de groupe qui à son tour provoque des modification de la fréquence de la porteuse d'impulsions optiques. Pour engendrer des impulsions optiques courtes, il est habituel de coupler certains modes laser d'un oscillateur laser en modulant par une fréquence approximativement égale à l'intervalle de fréquence de deux oscillations natu-10 relies adjacentes, lequel intervalle correspond au temps de trajet aller-retour réciproque.Ce blocage de mode est habituellement obtenu à l'aide d'un absorbeur saturable à l'intérieur du résonnateur optique. Des impulsions optiques considérablement plus courtes qu'une picoseconde -12 C10 secondes) n'ont pas encore été observées. Une des raisons possibles 15 de cette impossibilité d'observation est que le milieu actif d'un laser est dispersif. Cette dépendance de la fréquence de l'indice de réfraction du matériau laser provoque une dispersion de la vitesse de groupe de la radiation laser. De ce fait, des impulsions optiques très courtes ne peuvent pas exister qui soient aussi courtes que celles que l'on peut prévoir à partir -20 de la largeur de bande utilisable. Les impulsions présentent un déplacement monotone essentiellement linéaire de leur fréquence porteuse. Cette propriété a été expliquée mathématiquement par J.A. Amstrong et Eric Courtens dans leur article "n-Pulse Propagation in the Presence of Host Dispersion" dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", volume QE-5, N° 5, de mai 1969, pages 249 25 à 259. Des expériences prouvant la dispersion de la vitesse de groupe dans un laser à verre au néodyme en mode bloqué ont été décrites par E.B. Treacy dans son article "Compression of Picosecond Light Puises" dans Physics Letters, volume 28A, N° 1, du 21 octobre 1968 pages 34 et 35. Dans la technologie du radar il existe un système de radar à modulation 30 linéaire en fréquence [chirp-radar) qui sont caractérisés en ce que les impulsions transmises sont modulées linéairement en fréquence,c'est-à-dire qu'elles présentent une modulation de fréquence linéaire de leur onde porteuse. De manière analogue les impulsions optiques de la radiation laser modulée en fréquence sont également modulées linéairement en fréquence. Le 35 fait que les impulsions soient modulées linéairement en fréquence est la conséquence de la dispersion de la vitesse du groupe,et ceci gêne la formation d'impulsions optiques ayant une durée courte que l'on pourrait prévoir théoriquement. Un interféromètre dispersif par rapport à la phase des ondes lumineuses, 40 qui présente, cependant, une réflectance indépendante de la fréquence et 70 26335 2 20657-12 pratiquement constante par rapport aux amplitudes a été décrit par François Gires et Pierre Tournois dans leur article "Interféromètre utilisable pour la compression d'impulsions lumineuses modulées en fréquence" dans "Comptes rendus", volumes 258 du 22 juin 1964 pages 6112 à 6115. 5 L'objet de l'invention est la réalisation d'un laser tel que la dispersion de la vitesse de groupe de la radiation laser qui est provoquée par les propriétés du matériau laser actif et probablement par d'autres influences dues à la conception du laser soit compensée là même où elle prend naissance. Le moyen de compensation sera compris dans le résonnateur optique. Ainsi, les 10 impulsions modulées linéairement en fréquence à l'origine sont comprimées ce qui fait que le signal de sortie du laser devient une séquence d'impulsions très courtes. Des réalisations de l'invention sont décrites à l'aide des dessins et leurs modes de fonctionnement seront expliqués. 15 La figure 1 représente schématiquement le schéma du laser selon l'invention. La figure 2 sert à expliquer le fonctionnement de 1'interféromètre proposé par Gires et Tournois. La figure 3 représente une réalisation d'un interféromètre à passages multiples utilisé comme miroir terminal. 20 Lé laser afin d'être réalisé avec le moyen de compensation devra déjà fournir en lui-même des impulsions lumineuses aussi courtes que possibles c'est-à-dire sans la compensation de la dispersion de la vitesse de groupe. De ce fait il est pratique d'utiliser un laser à mode bloqué qui utilise par exemple comme matériau actif des ions d'un métal de transition compris dans un accepteur 25 tel qu'un réseau cristallin ou un verre. Mais tout autre sorte de laser est utilisable comme par exemple un laser à liquide ou un laser à gaz. Dans la figure 1 est représenté schématiquement un amplificateur optique 1 comprenant par exemple un barreau de verre avec des fenêtres à angle de Brewster qui contient du néodyme comme ion actif. Les moyens fournissant 30 l'énergie de pompage ne sont pas montrés dans la représentation schématique dans un but de clarté. Pour un fonctionnement en mode bloqué, le laser est déclenché passivement par un colorant organique saturable contenu dans la cellule 2 sur la trajectoire du rayon à l'intérieur du résonnateur optique. Le résonnateur optique se termine par les réflecteurs 3 et 4 disposés perpen-35 diculairement à l'axe de la trajectoire du rayon. Le miroir de sortie partiellement réfléchissant 4 est utilisé pour faire sortir la radiation laser hors du résonnateur de Fabry-Perot {Indiquée par une flèche en pointillé]. Une surface partiellement réfléchissante 6 d'un corps de verre 7 est adjacente au miroir terminal hautement réfléchissant 3 et placé à une dis-40 tance donnée de celui-ci par un intervalle d'air réglage 5. Ce dispositif 70 26335 3 2065712 assemblé avec le miroir terminal réalise un interféromètre du type proposé par Gires et Tournois qui est dispersif par rapport à la phase si il est dimensionné de manière appropriée. Cet ensemble est utilisé comme moyen de compensation pour démoduler les impulsions laser. 5 L'idée de base est la compensation de dispersion du temps de groupe de trajet aller-retour du résonnateur qui dépend de la fréquence du matériau laser (ou de tout autre influence dispersive à l'intérieur du résonnateur) par une dispersion agissant en sens inverse du temps de parcours du.groupe dB 1'interféromètre qui dépend également de la fréquence. 10 On sait que dans un milieu optique, la vitesse de phase de l'onde lumineuse est v , - c/n. Dans cette formule c représente la vitesse de la lumière dans ph le vide et n l'indice de réfraction du milieu. On peut exprimer cela différemment en disant que l'indice de réfraction est le rapport entre la vitesse de propagation de la lumière dans le vide et la vitesse de propagation de 15 la lumière à l'intérieur du milieu Cn ■ c/v , ). On parle de dispersion ph optique lorsque cet indice de réfraction n'est pas constant et dépend de la fréquence ou lorsqu'il dépend de la longueur d'onde ce qui est physiquement la même,chose. La propagation de l'énergie lumineuse n'intervient plus avec sa vitesse de phase, mais c'est l'enveloppe d'un train d'onde qui se propage à 20 travers le milieu avec sa vitesse de groupe v . Par exemple, moyennant quelques simplifications, on peut décrire l'indice de réfraction du matériau laser sous la forme d'une série limitée des puissances de la longueur d'onde dans le vide X^ de la manière suivante : x " xo / 2 V 25 n U3 = n0 " n1 + n2 X ~ X0 C1) ° : U i On peut voir que : dans le cas où n^" n^ = 0, le matériau est non dispersif. L'indice de réfraction est constant n = nQj et la vitesse de groupe est égale 30 à la vitesse de phase de l'onde monochromatique Cv = v , ). Dans le cas où gr ph l'indice de réfraction dépend linéairement de la fréquence, c'est-à-dire, n. / 0 n = 0, la vitesse de groupe est constante. Cependant, elle n'est pas 1 i fa pour autant égale à la vitesse de phase Cv = constante, v ï v , ). C'est gr gr ph seulement dans le cas où l'indice de réfraction dépend quadratiquement de la 35 fréquence Cn„ ï 0) que la vitesse de groupe devient également dépendante j£ de la fréquence v » v (tu), et que l'on peut parler de dispersion de la Sr g '1 vitesse de groupe. On peut définir la vitesse de groupe d'une onde comme la dérivée de la fréquence où de la frâciuetico anguiairs» respectivement, par rapport au 40 vecteur propagation, nu au numbrp d'onde v«rr--' dw/dK. Le vecteur propagation 70 26335 4 2065712 K « 2irs/A ■ 2tts. v/v . * s. w/v . a la dimension d'une longueur réciproque. _ pn ph s représente un vecteur unitaire de direction, X la longueur d'onde, v la fréquence, ai = 2ttv la fréquence angulaire. Le nombre d'onde est K. = 2tt /X » 2 irv/vph ' 5 c/n, la valeur du nombre d'onde est K = n . w/c. Lorsqu'il y a dispersion l'indice de réfraction dépend de la fréquence. Dans ce cas le nombre d'onde peut s'écrire : K = m , , . nCu) c Le temps de passage à travers l'amplificateur, c'est-à-dire le temps utilisé pour un passage du train d'onde à travers un milieu dispersif de longueur L 10 devient égal au temps de passage de groupe t. = t x 2L/v . Pour les calculs L gr gr il. est préférable d'utiliser l'inverse. La vitesse de groupe inverse c'est-à-dire le temps de passade de groupe par unité de longueur est la dérivée du nombre d'onde par rapport à la fréquence angulaire 1/v = dK/du. Puisque dans le cas de la dispersion K « — . n(u) ce temps de passage de groupe prend la valeur C ^ = -jj + ^ Cdn). La présence dé dispersion dans un milieu laser signifie qu'il du existe une différence de temps de passage pour différentes parties de la radiation des impulsions laser. De ce fait il doit y avoir un coefficient n2 différent de 0 pour le terme quadratique du développement en série afin que la fréquence dépende de l'indice de réfraction. 20 On peut montrer par des calcul que dans le cas (A-X^ 25 V -f1".' V " 4"2 Ï l2) Q On voit ainsi que l'influence du coefficient quadratique est évidente et qu'elle provoque la dispersion de la vitesse de groupe des ondes de la radiation laser. La différence de temps de passage de groupe du résonnateur At^r pour être compensée sur la largeur de bande opérationnelle Au peut être calculée en 30 utilisant les hypothèses ci-dessus de la manière suivante : ôt 4n„L At - Au —= —— . — C3Î gr ou c a)Q La figure 2 représente schéimatiqusmgnt les parties essentielles de 1'interféromètre proposé par Gires et Tournois» Une radiation incidente à travers 35 l'interface 8 dans un milieu d'épaisseur d et d'indice de réfraction n.^ est réfractés suivant l'angle 0 et est réfléchie par l'autre surface hautement réfléchissants 9. L'interface 8 esc conçu de manière à être partiellement réfléchissant afin de provoquer ainsi des réflexions multiples et une réflexion arrière des faisceaux partiels intentèrent dans l'espace situé au-delà de 70 26335 5 2065712 l'interface 8. Les propriétés de 1'interféromètre dépendent de l'épaisseur d du milieu d'indice de frécation n et du coefficient de réflexion d'amplitude de l'interface semi-réfléchissant 8.Pour plus de détails on peut se référer à l'article cité ci-dessus dans lequel on donne une théorie simplifiée de 5 1'interféromètre. Le temps de passage d'une onde lumineuse pour un passage à travers 1'interféromètre, c'est-à-dire une sorte de constante de temps tQ d'interféromètre définissant le retard de l'onde incidente, est donné par la relation suivante : 10 t'g = 2 d n^ cos 8 /c (4) Pour plusieurs passages dans un arrangement correspondant à celui de la figure 3, cette constante de temps doit être multipliée par le nombre de passages. Si l'on suppose pour simplifier que le coefficient rde réflexion d'amplitude de l'interface semi-réfléchissant 8 est réel et non dispersif 15 par rapport à une onde lumineuse simple incidente, on peut en tirer que le temps de passage de groupe de 1'interféromètre t est une fonction pratique- K ment linéaire de la fréquence pour un certain domaine de fréquence : 4R " 'ro * c 7^7 " "0' (5) 20 (ojp, tRQ) sont les coordonnées du point d'inflexion de la courbé -fcRCtu) tirée d'une famille de courbe ayant le paramètre r. Le coefficient C de la formule approchée liné ire (5) valable à proximité du point d'inflexion dépend également de r . C » C(r). Cependant, à l'intérieur de ce petit domaine de fréquence de la largeur de bande opérationnelle du laser, la différence de 25 temps de passage de groupe de 1'interféromètre peut être considérée comme étant indépendante du coefficient r de réflexion d'amplitude laquelle différence de temps de passage de groupe devrait être du même ordre d'amplitude que la constante de temps de 1'interféromètre. Pour plus de clarté, la figure 2 a été représentée suivant une échelle 30 aggrandie. En pratique, l'angle d'incidence approche la verticale et l'épaisseur d de la couche du milieu, composée principalement d'air, est de quelques microns.Par conséquent, les ondes partielles réfléchies qui interfèrent ne s'étalent pas dans l'espace. Par exemple un interface 8 transmettant à 60% a un coefficient de 35 réflexion r «= 0,4. En fonction de cette valeur du paramètre, le coefficient de l'approximation linéaire C5) peut être calculé :| c[= 0,6. A partir de la courbe particulière t (tu) on peut chiffrer le domaine d'utilisation de l'inter- H féromètre à Au ~ 0,6/t^. De ce fait l'amplitude de la différence de temps de passage de groupe de 1'interféromètre est approximativement égale à la 40 constante de temps de l'interféromètre j Atp j - tg. 70 2633S 6 20657 12 La longueur d'impulsion minimum peut être déterminée à partir de la largeur de bande Au. Par exemple» le produit de la largeur de bande par la longueur d'impulsion a la valeur Au .t = 4 par rapport à une impulsion Gaussien-ne. A l'aide des valeurs ci-dessus on peut trouver que la longueur de l'impul-5 sion est t = 6tQ. Ceci montre que la durée de l'impulsion t doit être essentiellement plus longue que la constante de temps t^ de 1'interféromètre définie ci-dessus. De plus la durée de l'impulsion doit être plus langue que la différence de temps de passage de groupe maximum de 1'interféromètre |AtR| par passage qui est du mime ordre de grandeur. 10 La condition que doit remplir le moyen de compensation est la sui vante : At + A tn = 0 (6) gr R Pour la largeur de bande de chaque impulsion, c'est-à-dire pour le domaine de fréquence balayé par une impulsion modulée linéairement en fréquen-15 ce, la différence de temps de passage de groupe du résonnateur provoquée par la dispersion de la vitesse de groupe doit être compensée par la différence de temps de passage de groupe de 1'interféromètre qui doit être égale et opposée et qui doit dépendre linéairement de la fréquence d'une manière identique. 20 On donne dans es qui suit quelques valeurs essentielles calculées pour un laser comprenant un moyen de compensation de la dispersion de la vitesse de groupe. Supposons un laser à verre dopé au néodyme à mode bloqué. Pour le verre dispersif servant d'hSte au laser le coefficient du terme quadratique de la série de puissance est n„ = 0,02. La radiation laser s'étend 15 25 dans le domaine des ultra-rouges et sa fréquence angulaire est u = 2. 10 hertz. 12 La largeur de bande de l'amplificateur optique est Au = 8. 10 hertz, du produit de la largeur de bande par la longueur d'impulsion pour les impulsions -13 Gaussiennes Au.x = 4 on peut prévoir une durée d'impulsion t = 5. 10 sec. comme durée d'impulsion minimum. A l'aide de l'équation (3) et des valeurs 30 citées ci-dessus, on peut calculer une différence de temps de passage de -13 groupe du résonnateur At = 0,8. 10 secondes pour une certaine longueur gr de résonnateur. Pour compenser ces différences le temps jde passage de groupe -13 de 1'interféromètre doit être Atn = -0^8 . 10 secondes pour la même largeur de bande.Rour une incidence verticale de la radiation comme dans la réalisation 35 de la figure 1 et pour un indice de réfraction n » 1 de l'intervalle rempli d'air servant de milieu, l'espacement de 1'interféromètre peut être calculé comme devant être d'environ d = 12 microns. Il doit être possible de régler très précisément l'épaisseur de le couche d'air afin que 1'interféromètre puisse fonctionner le son domains le plus favorable de sa courbe de dispersion. 40 De ce fait il est commode de réaliser un support de miroir piezo-électrique 70 26335 7 2065712 pour le réflecteur terminal 3. La face d'entrée de la radiation laser dans le corps en verre 7 de 1interféromètre au côté faisant face à l'espace inférieur du résonnateur optique est conçue de manière appropriée pour que l'incidence de la radiation se fasse suivant l'angle de Brewster. 5 Lorsqu'on utilise des barreaux de verre plus longs il peut être quelques fois difficile de compenser complètement la modification de la fréquence porteuse de la radiation laser avec un passage unique à travers 1'interféromètre. Pour multiplier l'efficacité de 1'interféromètre, on peut utiliser plusieurs passages selon la réalisation représentée dans la figure 3. Pro-1D venant de l'intérieur du résonnateur optique, la radiation laser frappe une face d'entrée disposée suivant l'angle de Brewster par rapport à la direction du faisceau et entre dans le corps de verre 11. Avec une incidence oblique, la radiation passe de l'interface semi-réfléchissant 12 au petit intervalle d'air 13, et elle sera réfléchie par la surface hautement réflé-15 chissante 15 pour un deuxième passage à travers 1'interféromètre. De la même manière un troisième passage a lieu et se termine à la surface hautement réfléchissante 16. Mais puisque la dernière surface est disposée perpendiculairement à la direction du faisceau, elle agit comme un réflecteur terminal pour le résonnateur optique. La direction du faisceau est inversé, 20 et trois autres passages se produisent à travers 1'interféromètre dans la direction inverse. Finalement la radiation compensée indiquée par une flèche en pointillés sort par la face 10 et revient dans le résonnateur optique. Dans le dessin, l'intervalle d'air 13 est représenté de manière agrandie. En réalité son épaisseur est de l'ordre de quelques microns. De ce fait 25 le pouvoir séparateur des ondes partielles interférant se situe en dessous de la précision du dessin. Dans ce but les flèches représentent seulement la direction de radiation moyenne. Il est essentiel que 1'interféromètre utilisé comme moyen de compensation soit dispersif par rapport au front des ondes lumineuses, cependant, 30 il pourrait présenter une réflexion qui pourrait être uniforme sur tout le domaine de fréquence en ce qui concerne les amplitudes. La réalisation décrite était un interféromètre du type Gires-Tournois. D'autres types d'in-terféromètres peuvent également être utilisés qui sont réalisés avec au moins une surface hautement réfléchissante comme par exemple 1'interféromètre de 35 Michelson. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins, les caractéristiques principales de l'invention, appliquées à un mode de réalisation préférés de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cscrc ds ladite -invention. 70 26335 8 2065712 REVENDICATIONS 1. Laser caractérisé en ce qu'il est prévu à l'intérieur du résonnateur optique un moyen de compensation pour lequel le temps de passage de groupe qui dépend de la fréquence, compense les différences de temps de passage de la radiation laser due à la dispersion de la vitesse de groupe qui a son tour 5 provoquerait une modification de la fréquence de la porteuse optique des impulsions laser. 2. Laser selon la revendication 1 caractérisé en Ge que entre les deux réflecteurs définissant le résonnateur optique d'un laser à mode bloqué, il est prévu comme moyen de compensation un interféromètre qui est dispersif 10 quant à la phase et non dispersif quant à l'amplitude. 3. Laser selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit interféromètre est adjacent à un des réflecteurs terminaux dudit résonnateur optique. 4. Laser selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit interféromètre comprend deux corps de verre munis de deux surfaces réfléchissantes dont 15 au moins une est hautement réfléchissante. 5. Laser selon la revendication 4 caractérisé en ce que entre les dites surfaces réfléchissantes se trouve un espace rempli d'air. 6. Laser selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite surface hautement réfléchissante dudit interféromètre constitue également un des dits 20 réflecteurs terminaux dudit résonnateur optique. 7. Laser selon la revendication 6 caractérisé en ce que un montage piézoélectrique est prévu pour l'une des surfaces réfléchissantes de 1'interféromètre de manière à permettre un réglage de l'écartement de l'espace d'air. 8. Laser selon la revendication 5 caractérisé en ce que du côté de l'inter-25 féromstre situé vers l'intérieur du résonnateur la face d'entrée de la radiation laser dans le corps de verre de .1 °interféromètre fait avec celle-ci un angle égal à l'angle de Brewster« S. Laser selon l'une quelconque dss revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un barreau de verre dopé au néodyme. 70 26335 a 2065712 10. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le résonnateur optique est du type Fabry-Perot.