Brevet FR2083441A1 — publié le 19711217

La présente invention concerne les lasers, et plus particulièrement un amplificateur laser amélioré à réaction. Dans la technique des lasers à gaz il est connu que la puissance maximale est extraite d'un milieu laser très près de l'in 5 tensité de saturation dudit milieu. Il est aussi connu que la qualité spectrale de la radiation laser, y inclus le nombre de fréquences de transition et la stabilité des fréquences de transition, est plus aisément contrôlé dans des oscillateurs de faible puissance que dans lès oscillateurs de haute puissance. Ainsi, pour obtenir 10 une radiation laser de haute puissance avec une haute qualité spectrale, on a proposé de combiner un oscillateur de faible puissance avec un amplificateur de haute puissance. Cependant, dans cet arrangement oscillateur/amplificateur connu dans l'art, l'intensité de la radiation laser au moment ou elle entre dans l'amplificateur 15 n'est pas égale à l'intensité de saturation pour l'amplificateur, et ainsi la puissance maximale n'est pas extraite de l'amplificateur au lieu de cela, l'intensité augmente pendant que la radiation passe par l'amplificateur et devient saturée en un point très proche de la sortie de l'amplificateur. De l'autre côté, si un oscillateur 20 puissant est utilisé, de sorte que l'amplificateur est opéré même à son entrée en pleine saturation, alors il existe des difficultés à créer dans et à accoupler de l'oscillateur une radiation électromagnétique spectralement pure et stable. Le but de la présente invention est de fournir un amplifi-25 cateur complètement saturé poyvant être commandé par un oscillateur faible, stable et spectralement pur. Ce but est obtenu en faisant fonctionner un amplificateur à réaction près de son intensité de saturation en réponse à une entrée d'un oscillateur d'une intensité beaucoup plus faible. Un 30 interfëromètre à onde progressive, dans le chemin optique duquel se trouve arrangé un milieu laser, est commandé dans une seule direction de l'anneau par un oscillateur ayant une puissance de sortie relativement faible comparée à la puissance de saturation du milieu amplificateur. L'amplification est ajustée par rapport aux 35 pertes dans 1'interfëromètre de sorte que l'amplification nette est exactement en-dessous du niveau de seuil requis pour auto-oscillation; ceci fournit substantiellement l'intensité de saturation dans l'amplificateur en réponse à une intensité beaucoup plus petite à l'entrée de l'amplificateur. En outre, un système de ré-40 gulation à circuit fermé pour la -longueur de la cavité optique 71 02029 2 20 83441 est utilise pour maintenir la fréquence de l'amplificateur à réaction substantiellement égale à la fréquence de 1'oscillateur d'attaque. La présente ;invention fournit un ensemble approprié d'un 5 oscillateur et d'un amplificateur pour réaliser un rendement maximum en dérivant une radiation laser utile d'un amplificateur de haute puissance, mais ayant l'avantage'd'un oscillateur hautement stable et de faible puissance. La présente invention est capable d'incorporer un grand 10 nombre de formes et permet une haute puissance et un haut rendement dans le domaine de saturation, ensemble avec.une qualité spectrale et une possibilité de commande comparable à un oscillateur de faible puissance. Puisque la présente invention fonctionne av^ec une amplification en-dessous de l'amplification critique 15 pour auto-oscillation, un rayon d'entrée spectralement pur engendre un rayon de sortie spectralement pur, aucune émission secondaire n'étant produite à l'intérieur du domaine d'amplification (l'amplificateur â réaction à interfëromètre en anneau), ainsi qu'aucune fréquence de transition non désirée. En plus, puisque 20 1'interfëromèttfe fonctionne comme amplificateur, tous les miroirs de 1'interféromètre peuvent être des miroirs plats, et ainsi la surface de la section de la radiation à l'intérieur de l'anneau v sera la même que celle à l'entrée de l'anneau, ceci permettant de déterminer la section du rayon par les paramètres de l'oscilla-25 teur ou de modifier cette section par des moyens optiques connus appropriés. Ainsi la section du rayon à l'intérieur de 1'interfëromètre en anneau peut être choisie de façon qu'elle est optimale à couvrir la section de l'amplificateur et ainsi la totalité du milieu laser excitée peut participer à la production d'une 30 sortie utile. D'autres caractéristiques et avantages-de 1'invention seront mieux compris à .la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: ~ 35 La Figure 1 est un schéma simplifié d'un mode de réalisa tion préféré de la présente invention employant seulement un miroir transmetteur; La Figure 2 est un schéma simplifié d'un autre mode de réalisation de la présente invention employant deux miroirs trans-40 metteurs. 71 02029 3 20 83441 Dans la Figure 1, le numéro de référence 10 désigne un oscillateur laser qui peut être d'un type bien connu dans l'art. Dans l'exemple décrit, il est admis que cet oscillateur laser est un oscillateur au dioxyde de carbone fonctionnant à environ 10,6 5 microns. L'avantage maximum de la présente invention est obtenu quand l'oscillateur est spectralement pur et émet une fréquence commandée très soigneusement. De l'autre côté cependant, la présente invention fonctionnera aussi en réponse à des oscillateurs moins compliqués. L'amplificateur à réaction à interfëromètre en 10 anneau 11, en accord à la présente invention, est formé par une pluralité de miroirs 12-14, le miroir 12 étant partiellement transparent, de sorte à recevoir dans 1'interféromètre la radiation laser émise par l'oscillateur 10. Un milieu amplificateur optique est inclus dans le chemin optique de 1'interfëromètre; par exemple, 15 trois chambres à amplification laser 16-18 différentes peuvent être inclues, tel que montré dans la Figure 1, ou une chambre unique peut être utilisée, telle que la chambre 18. En accord avec la présente invention, l'amplification des chambres à amplification laser 16-18 est ajustée par rapport aux pertes totales dans l'am-20 plificateur 11, de sorte que l'amplification sera exactement en-dessous de la valeur critique requise pour l'auto-oscillation. En pratique, l'amplification est ajustée de façon qu'elle est optimale pour la puissance de sortie maximale réalisant ainsi une amplification maximale. En plus le pouvoir réflecteur des mi-25 roirs est choisi de sorte à maintenir l'amplification nette en-dessous du niveau de seuil requis pour l'auto-oscillation. Ceci"' garantit que l'amplificateur fonctionne très près de l'intensité de saturation du milieu laser.Dans le mode de réalisation montré dans la Figure 1, les pertes sont celles relatives aux miroirs 30 12-14, à l'absorption, à la dispersion, à la diffraction etc., ainsi que la puissance accouplée de l'amplificateur par le miroir 12, indiquée par la flèche 20; avec cet ajustage, une toute petite quantité de radiation d'entrée à partir de l'oscillateur 10 par le miroir 12 causera seulement une radiation dans le sens des ai-35 guilles d'une montre, dans l'amplificateur 11 et avec un espacement des miroirs 12-14 proprement ajusté, tel que décrit plus loin, l'amplificateur sera resonnant et réactif, ét ainsi la petite quantité de radiation d'entrée augmentera substantiellement jusqu' à l'intensité de saturation de l'amplificateur 11. Ainsi un ob-40 jectif majeur de la présente invention est réalisé en ce que la 71 02029 4 20 83441 puissance optique utile est produite avec un rendement maximum en opérant un amplificateur tout près de sa saturation et en faisant entrer dans l'amplificateur un signal d'entrée beaucoup plus faible que l'intensité de saturation de l'amplificateur. 5 Ainsi qu'illustré dans la Figure 1, la résonance de l'ampli ficateur 11 peut être ajustée par l'ajustage de la position du miroir 14 au moyen d'un convertisseur 22 en réponse à un signal d'erreur directionel fourni au convertisseur par un amplificateur 22 après un filtrage approprié éventuel, ledit signal étant 10 produit à la sortie d'un détecteur synchrone 26. A l'entrée de référence 28 du détecteur synchrone 26 est appliquéeune tension alternative par un oscillateur 30. Cet oscillateur fournit aussi une tension alternative au convertisseur 22. A cause de la tension alternative fournie au convertisseur 22 la fréquence de résonance 15 de la cavité est variée d'une façon cyclique. La modulation de l'amplitude du rayon laser de sortie 20 résulte de ce que la fréquence de résonance de l'amplificateur 11 varie autour de la fréquence du milieu de l'oscillateur sur la courbe d'amplification. La variation par modulation d'amplitude dans le rayon de sortie 20 20 est surveillée en mesurant les variations qui en résultent dans 1'impédance de la décharge électrique dans une des chambres d1 amplification 16-18, dans l'exemple décrit la chambre 18. Une paire d'électrodes 32, 34 est reliée par des conducteurs 36, 38 respectivement à un bloc d'alimentation 40 haute tension et courant 25 continu réglé, les électrodes et le bloc d'alimentation étant choisis en considération du milieu laser de sorte à établir une décharge électrique dans la chambre d'amplification 18, ceci fournissant l'excitation des niveaux d'énergie supérieurs du milieu laser par les collisions des électrons. Avec un bloc d'alimentation à cou-30 rant constant, toute variation de l'impédance à l'intérieur du plasme entre les électrodes 32, 34 résulte en une variation de la tension entre ces électrodes. Cette variation de tension peut être couplée au moyen d'un condensateur 42 à l'entrée signal 44 du détecteur synchrone 26. Ainsi, parce que la puissance de sortie 20 35 varie comme suite à la modulation de la fréquence de résonance de l'amplificateur, le condensateur 42 couple une variation de tension entre les électrodes 32, 34 y relatif au détecteur synchrone 26. La sortie du détecteur synchrone 26 est une tension d'erreur dont l'amplitude dépend de l'amplitude de la tension à l'entrée 40 signal 44 et dont la polarité dépend de la différence de phase 71 02029 5 20 83441 relative entre l'entrée 44 et l'entrée de référence 28. Ainsi la tension appliquée par l'amplificateur 24 au convertisseur 22 tend à actionner le convertisseur de sortie de sorte qu'il déplace le miroir vers une position dans laquelle la fréquence de résonance 5 de l'amplificateur 11 coïncidera avec la fréquence de sortie de l'oscillateur 10. Il est connu qu'un laser au dioxyde de carbone fonctionnant à une pression quelconque, à l'exception de la plus petite pression, tend à se saturer d'une façon homogène: c'est-à-dire, quand 10 le flux optique dans le milieu laser est près de l'intensité de saturation du milieu, la courbe puissance de sortie/fréquence est relativement aplatie. Ceci est dû au fait que, si l'amplificateur 11 est légèrement désaccordé, la génération de puissance est légèrement diminuée, mais ceci à son tour résulte,en ce qu'une ampli-15 fication plus élevée est permise, puisque l'intensité de saturation n'existe plus, de sorte que les variations de la puissance de sortie sont relativement faibles près de la puissance de sortie de l'oscillateur 10 pour des faibles changements de la longueur de la cavité de l'amplificateur 11. Le résultat net est un élar-20 gissement de la caractéristique amplification/fréquence de l'amplificateur 11. A cause de l'élargissement de la caractéristique amplification/fréquence de l'amplificateur 11, des instabilités mineures de la fréquence de résonance de l'oscillateur auront seulement un faible effet généralement insignificatif sur la puise--25 sance générale et le performance de l'amplificateur 11. En plus, parce que le milieu laser est opéré près de l'intensité de saturation, un élargissement de la caractéristique phase/fréquence de résonance de l'amplificateur 11 a lieu. Ainsi, des changements mineurs de la fréquence de résonance de l'ampli-30 ficateur 11 résultent seulement dans des variations mineures de l'amplitude de la puissance de sortie et des variations mineures de la phase de la puissance de sortie, mais substantiellement sans changement de la fréquence de sortie. Ceci contraste avec les cavités connues stabilisées par une variation cyclique de la frëquen-35 ce dans lesquelles un changement substantiel de la fréquence de sortie résulte de la variation cyclique de la longueur de la cavité de résonance. La raison pour ceci est que la fréquence de sortie de l'amplificateur 11 sera substantiellement égale â la fréquence de la radiation d'entrée'de l'oscillateur 10, les variations mi-40 neures de la fréquence résultant seulement de changements mineurs 71 02029 6 20 83441 de la phase comme suite à un changement de la longueur de la cavité de l'amplificateur 11. La description précédente se référé à un mode de réalisation préféré de la présente invention utilisant seulement un miroir 5 transmetteur, les deux (ou plusieurs) autres miroirs étant complètement réflecteurs. Aussi l'oscillateur d'entrée est accouplé par le même miroir que la sortie de 1'amplificateur. L'autre mode de réalisation de la présente invention peut présenter de nombreuses configurations; une telle configuration 10 est représentée dans la Figure 2, où un amplificateur 48 comprend trois miroirs 14, 50 et 51, les deux miroirs 50, 51 étant partiellement transmetteurs et le miroir 14 étant complètement réflecteur. Dans ce cas, le pouvoir réflecteur des miroirs 14, 50, 51 doit être choisi de façon à prendre en considération les pertes générais les du système, la quantité de puissance de sortie qui doit être extraite de l'amplificateur, la quantité de puissance d'entrée appliquée à l'amplificateur etc. Par exemple, pour une valeur donnée de l'amplification, le pourcentage du pouvoir-réflecteur des miroirs 50, 51 est choisi de sorte que, indépendamment de la puissan-20 ce d'entrée, la puissance d'entrée réfléchie par le miroir 50 interfère d'une manière destructive avec et est annulé par une quantité égale de^puissance couplée.au miroir 50 par le miroir 14. Ainsi toute la radiation se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre, la quantité appropriée d'énergie étant accouplée à la 25 sortie par le miroir 51. Il faut noter que le mode de réalisation de la Figure 2 utilise seulement une chambre d'amplification laser, bien que deux ou trois chambres peuvent être utilisées, tel que dans la Figure 1. Similairement, bien que la Figure 2 soit simplifiée, le système de stabilisation de la fréquence de résonance de 30 la Figure 1 peut être appliqué entre la chambre d'amplification 18 et le miroir 14. Bien que les modes de réalisation des Figures 1 et 2 soient illustrés en terme d'un interfëromètre en anneau à trois miroirs, il faut noter que tout nombre de miroirs peut être utilisé 35 de façon à fournir un polygone approprie pour une utilisation donnée de la présente invention. De façon similaire, l'invention a été décrite en connexion avec un laser au dioxyde de carbone, puisque ce laser s'adapte aisément au fonctionnement à haute puissance et est un type préféré de la technologie courante des 40 lasers. Cependant, pourvu que la pression dans le milieu soit 71 02029 7 20 83441 choisie d'une manière propre par rapport à la nature du milieu du laser de sorte à fournir une caractéristique fréquence/amplifica-tion convenablement aplatie, d'autres milieux d'amplification laser appropriés à une application donnée de la présente invention 5 peuvent être utilisés en accord avec les règles de l'art. En plus, tel qu'il est connu dans l'art, on peut utiliser au lieu de miroirs complètement réflecteurs, un arrangement approprié de prismes ou de grilles faisant que le chemin optique soit fermé sur lui-même, fournissant ainsi un interfëromètre en anneau, mais un 10 miroir partiellement transmetteur étant utilisé pour accoupler la puissance d'entrée dans l'amplificateur et extraire la puissance de sortie de l'amplificateur. De l'autre côté, plutôt que d'utiliser des miroirs partiellement transparents, des accouplements par diffraction ou d'autres modes d'accouplement peuvent 15 être utilisés pour fournir l'accouplement de l'entrée et de la sortie à l'amplificateur en accord avec les techniques de l'art. En plus, d'autres types de servos d'ajustage de la résonance peuvent être utilisés, par exemple, ceux surveillant le flux optique de sortie. 71 02029 8 20 83441 REVENDICATIONS 1. Une combinaison laser oscillateur/amplificateur, caractérisée par un amplificateur laser à réaction présentant une relation amplification-perte telle que l'amplification nette est 5 justement en-dessous du niveau de seuil pour auto-oscillation et comprenant un moyen pour accoupler un flux laser dans et hors de l'amplificateur et un oscillateur laser fournissant un flux laser de sortie d'une intensité de sortie substantiellement moindre que l'intensité de saturation dudit amplificateur laser à réaction, 10 mais suffisamment grande pour actionner ledit amplificateur à réaction proche de l'intensité de saturation, ledit oscillateur dirigeant son flux laser de sortie sur le moyen d'accouplement du flux laser. 2. La combinaison laser oscillateur/amplificateur selon la 15 revendication 1, caractérisée en ce que l'amplificateur laser à réaction comprend un interfëromètre en anneau comprenant un chemin optique dans lequel est arrangé un milieu d'amplification optique, ledit moyen d'accouplement du flux laser injectant à partir de l'oscillateur un flux dans ledit interfëromètre dans une direction 20 seulement. 3. La combinaison laser oscillateur/amplificateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit interfëromètre en anneau comprend un miroir partiellement transmetteur orienté sous 45° par rapport au flux laser de sortie dudit oscillateur et des 25 moyens de définition du chemin optique pour faire passer le flux laser de sortie de l'amplificateur par ledit miroir perpendiculairement au flux laser dudit oscillateur. 4. La combinaison laser oscillateur/amplificateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit amplificateur à réac- 30 tion comprend un moyen pour ajuster la résonance de celui-ci de sorte que la fréquence de sortie de l'amplificateur soit égale à la fréquence de sortie de l'oscillateur. 35