Brevet FR2079364A1 — publié le 19711112

i 2079364 La présente invention concerne des lasers et plus précisément un procédé et des appareils pour compenser la biréfringence provoquée par des contraintes thermiques dans une tige de matière laser. 5 La biréfringence, ou la séparation d'un faisceau de lu mière en deux composantes qui se propagent à des vitesses différentes, donnant ainsi naissance à deux rayons réfractés en général distincts, apparaît souvent dans les systèmes optiques soumis à des contraintes non uniformes. Les matériaux 10 solides laser tels que des tiges utilisées dans le mode "ondes entretenues" ou "émission continue" doivent dissiper une quantité de chaleur appréciable. Avec les formes cylindriques qui sont utilisées le plus couramment, cette chaleur est éliminée par la surface latérale du cylindre et engendre ainsi 15 un gradient thermique radial. La température variable de la tige laser engendre des contraintes non uniformes qui, à leur tour, provoquent une biréfringence. Il existe un grand nombre de lasers dans lesquels un faisceau polarisé linéairement est nécessaire. Par exemple, 20 les lasers comportant une commutation électro-optique par variation de l'indice de qualité Q, la modulation optique par ondes élastiques ou le doublage de fréquence exigent tous un faisceau polarisé linéairement. La biréfringence diminue considérablement la puissance émise par un tel laser dont le 25 faisceau doit être polarisé linéairement. Selon la présente invention, la biréfringence engendrée par des contraintes thermiques dans un matériau laser est compensée en intercalant une matière compensatrice de propriétés physiques semblables à celles du matériau laser et ali-30 . gnée optiquement avec ce matériau. Cette matière compensatrice est ensuite chauffée artificiellement de manière que la chaleur y provoque des contraintes artificielles dans un sens opposé aux contraintes thermiques engendrées dans le matériau laser. L'intensité du chauffage est modifiée jusqu'à ce que 35 la biréfringence provoquée artificiellement dans la matière compensatrice annule en grande partie la biréfringence provoquée par des contraintes thermiques du matériau laser. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du 40 dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement 71 04490 2 2079364 limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin : La figure 1 représente schématiquement un laser à so-5 lide de la technique antérieure avec lequel on peut utiliser la présente invention. La figure 2 est une vue d'extrémité, dans la direction des flèches 2-2, du matériau laser utilisé dans l'appareil de la figure 1, représentant la biréfringence provoquée dans 10 ce matériau. La figure 3 est une courbe représentant de manière approchée la température à différentes distances radiales dans le matériau laser de la figure 2. La figure 4 est une vue de l'avant, schématique, d'un 15 appareil compensateur de la biréfringence représentée sur les figures 2 et 3. La figure 5 est une coupe transversale effectuée dans le sens des flèches 5-5 de la figure 4. La figure 6 représente les températures à diverses dis-20 tances radiales dans la matière compensatrice des figures 4 et 5, et La figure 7 représente schématiquement le laser de la figure 1 comportant le dispositif compensateur des figures 4 et 5. 25 La figure 1 représente un matériau laser sous la forme d'une tige 10 entourée par une lampe éclair hélicoïdale 11 alimentée par une source jle pompage 12 de lumière. Les miroirs d'extrémités 13 et 14 sont alignés optiquement avec la tige 10 de manière à délimiter une cavité optique pour le laser. 30 Le pompage de la lumière dans la tige 10 par la lampe éclair 11 engendre une inversion de population entre les niveaux des ions laser dans la tige et, au seuil, les ions laser dans le niveau d'énergie supérieur retombent à un niveau inférieur provoquant une émission stimulée de rayonnement, qui est arnpli- 35 fiée par la réaction positive qui se produit entre les miroirs d'extrémités 13 et 14. Le miroir d'extrémité 14 peut être partiellement transparent pour transmettre la lumière à l'extérieur de la cavité optique. Normalement, la tige laser 10 et la lampe éclair héli-40 coïdale 11 sont entourées par une enceinte ou "tête" à travers 71 04490 3 2079364 laquelle on fait circuler un liquide de refroidissement. Le refroidissement de la tige 10 est ainsi réalisé essentiellement à la surface du cylindre et un gradient de température est créé dans la tige de son axe vers la surface latérale. 5 Sur la figure 2, la température de la tige 10 sur son axe est dénommée TQ et est nettement supérieure à la température T_ de cette tige à sa surface. Ce gradient de tempé-rature engendre des contraintes thermiques telles que l'axe de la tige est soumis essentiellement à une compression tan-10 dis que sa surface est soumise à une tension. Un faisceau lumineux incident au point P est décomposé en deux rayons, polarisés respectivement dans les directions radiale et tangentielle. Les indices de réfraction, désignés respectivement par nr et n^. diffèrent dans les deux direc-15 tions correspondantes. Dans le cas d'une tige de laser au grenat d'yttrium et aluminium dopé au néodyme, l'indice de réfraction pour la composante radiale de la lumière polarisée est plus grand que celui pour la composante tangentielle. Cette relation est représentée par l'ellipse des indices sur 20 la figure 2. La figure 3 représente en 15 la variation de température décrite pour le matériau laser 10 de la figure 2. A noter que la température est maximale sur l'axe de la tige et diminue quand le rayon augmente en direction de sa surface la-25 térale. Selon la présente invention, on introduit dans la cavité laser de la figure 1 une matière compensatrice dont les propriétés physiques sont semblables à celles du matériau laser ; par exemple, sa symétrie radiale est identique à celle 30 de la tige laser, mais dans l'exemple particulier représenté, on y fait apparaître un indice" de réfraction pour la composante tangentielle qui est supérieur à celui pour la composante radiale. En alignant une telle matière compensatrice avec la ti-35 ge du laser, selon la présente invention, la biréfringence développée dans la tige du laser est à peu près annulée par la biréfringence provoquée artificiellement dans la matière compensatrice. La figure 4 représente un procédé pratique de réalisa-40 tion de la compensation décrite ci-dessus. Comme indiqué, la 71 04490 4 2079364 matière compensatrice est sous la forme d'un disque 16, de diamètre au moins égal à celui de la tige laser 10 de la figure 2. Ce disque a des propriétés physiques semblables à celles de la tige laser et, par exemple, dans le cas d'un-la-5 ser à grenat Al et Y, le disque 16 lui-même doit de.préférence être réalisé en grenat Al et Y non dopé. On voit sur la figure 4 qu'un anneau métallique 17 entoure la surface latérale du disque et est en contact thermique intime avec celui-ci. Des éléments chauffants, tels celui 10 représenté en 18, sont fixés sur l'anneau 17. La quantité de chaleur appliquée par ces éléments peut être ajustée ou modifiée par un dispositif de réglage approprié, par exemple un régulateur électrique représenté par le rectangle 19, qui fait varier le courant alimentant les éléments chauffants. 15 La figure 5 représente, en coupe transversale, l'agence ment du disque, de l'anneau métallique et des éléments chauffants . Avec l'agencement ci-dessus, le chauffage de ces éléments doit chauffer la bague et par conséquent créer un gradient de 20 température dans la matière du disque 16, tel que la température soit maximale sur la surface extérieure et minimale sur l'axe. Ce type de gradient thermique est représenté en 20 sur la figure 6 sur laquelle on observe que la température augmente radialement de l'axe vers l'extérieur. L'ellipse des 25 indices est représenté sur la figure 4 sur laquelle l'indice tangentiel n^' est maintenant supérieur à l'indice radial nr'. La figure 7 représente le disque compensateur et ses constituants associés dans la cavité du laser de la figure 1, avec les mêmes numéros de référence. 30 Le fonctionnement du dispositif de compensation est évi dent d'après la description ci-dessus. Dans le cas d'une tige particulière d'un laser à solide, le disque compensateur est de préférence réalisé en une matière correspondant à la matière du cristal hôte .du laser. Par exemple, cette matière peut 35 être du verre ou, dans le cas d*une tige en grenat Al-Y, un grenat d'yttrium et aluminium non dopé. Ce disque est placé dans la cavité optique alignée avec la tige du laser comme représenté sur la figure 7 et, ensuite, la bague périphérique 17 est chauffée en agissant sur le courant alimentant les élé-40 ments chauffants 18, par le dispositif de commande 19. 71 04490 5 2079364 Dans l'exemple particulier décrit, le gradient thermique artificiel provoqué dans le disque compensateur va de la surface latérale vers l'axe et son sens est opposé à celui du gradient thermique provoqué dans la tige laser quand on 5 refroidit sa surface latérale. Des contraintes thermiques artificielles sont ainsi créées dans le disque compensateur et provoquent à leur tour une biréfringence de ce disque. Si le disque compensateur est dans la cavité optique, on peut faire varier la quantité de chaleur appliquée au dis-10 que compensateur pendant le fonctionnement du laser de manière à modifier les contraintes thermiques et à provoquer ainsi artificiellement une biréfringence de manière à annuler la biréfringence du matériau laser. Il va de soi que l'énergie émise par de nombreux types 15 différents de tiges laser est déjà constituée par une lumière polarisée linéairement. Dans d'autres ensembles, on placerait une plaque polarisante dans la cavité optique de l'ensemble de la figure 7 de manière à obtenir une lumière polarisée linéairement pour la commutation électro- (g)tique ou 20 d'autres opérations exigeant un faisceau polarisé. En annulant la biréfringence pour cette lumière polarisée linéairement, on peut augmenter la puissance émise par rapport à celle émise en l'absence de matière compensatrice. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus 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 04490 6 2079364 REVENDICATIONS 1°) - Procédé de compensation de la biréfringence provoquée par des contraintes dans un matériau laser, caractérisé par les opérations ci-après : mise en place d'une ma-5 tière compensatrice alignée optiquement avec ledit matériau laser et création dans cette matière de contraintes artificielles de sens opposé aux contraintes subies par ledit matériau laser pour provoquer ainsi dans la matière compensatrice une biréfringence qui annule sensiblement la biréfringence 10 créée dans ledit matériau laser, de manière à augmenter la puissance émise dans ledit matériau laser par rapport à celle émise en l'absence dudit matériau compensateur. 2°) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la biréfringence est provoquée par une contrainte ther-15 mique, ladite matière compensatrice ayant des propriétés physiques semblables à celles dudit matériau laser, ladite contrainte artificielle étant engendrée par chauffage artificiel de ladite matière compensatrice de manière à y provoquer une contrainte thermique artificielle de sens opposé à la contrainte thermique engendrée dans ledit matériau laser et à modifier l'intensité du chauffage de ladite matière compensatrice jusqu'à-ce que la biréfringence provoquée artificiellement par ladite contrainte artificielle annule sensiblement la biréfringence provoquée par les contraintes thermi-ques subies par ledit matériau laser. 3°) - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une matière compensatrice de propriétés physiques semblables à celles dudit matériau laser, un dispositif de chauffage de ladite matière compensatrice en des points choisis de manière à créer dans cette matière des gradients thermiques dans des directions choisies afin de provoquer des contraintes artificielles de sens opposé aux contraintes thermiques développées dans ledit matériau laser et un système pour faire va-35 rier la quantité de chaleur fournie par ledit dispositif de . chauffage jusqu'à ce que la biréfringence provoquée artificiellement par lesdites contraintes thermiques artificielles annule la biréfringence provoquée par les contraintes thermiques subies par ledit matériau laser, ladite matière com-40 pensatrice étant placée dans.une cavité optique contenant 71 04490 7 2079364 ledit matériau laser et étant alignée optiquement sur ce dernier, de manière à augmenter la puissance émise par ledit matériau laser par rapport à celle émise en l'absence de ladite matière compensatrice. 5 4°) - Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite matière compensatrice est sous la forme d'un disque, ledit système de chauffage comportant une bague métallique conduisant la chaleur en contact intime de conduction de la chaleur avec la surface latérale dudit disque, et 10 des éléments de chauffage électrique montés sur ladite bague pour chauffer cette dernière de manière à créer ainsi un gradient thermique radial dirigé vers l'intérieur et en ce que ledit système comprend un dispositif de commande électrique relié auxdits éléments de chauffage électrique de manière 15 à faire varier le courant qui les alimente afin de modifier la quantité de chaleur appliquée. 5°) - Ensemble laser pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, comportant un matériau laser, un dispositif de pompage de la lumière pour provoquer une inver-20 sion de population entre les niveaux des ions laser dans ledit matériau et un premier et un second miroirs d'extrémités alignés optiquement sur ledit matériau pour délimiter une cavité optique, ledit ensemble étant caractérisé en ce qu'il comprend une matière compensatrice ayant des propriétés phy-25 siques semblables à celles dudit matériau laser et placée dans ladite cavité optique dans l'alignement optique du matériau laser, un système de chauffage artificiel lié à ladite matière compensatrice en des emplacements choisis de manière à créer dans cette matière des gradients thermiques dans des 30 directions choisies afin de provoquer une contrainte thermique artificielle de sens opposé à la contrainte thermique créée dans ledit matériau laser par ledit dispositif de pompage de la lumière et un dispositif de réglage étant relié audit système de chauffage pour modifier la quantité de chaleur fournie 35 et par conséquent la biréfringence provoquée par ladite contrainte thermique artificielle dans ladite matière compensatrice jusqu'à ce qu'elle annule sensiblement la biréfringence induite par la chaleur dans ledit matériau laser. 6°) - Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en 40 ce que ledit maté-riau laser est constitué par une tige solide 71 04490 8 2079364 de diamètre donné, ladite matière compensatrice étant sous la forme d'un disque de diamètre au moins égal audit diamètre donné, en ce que ledit système"de chauffage comprend une bague métallique conductrice de la chaleur en contact intime 5 de conduction thermique avec la surface latérale dudit disque et des éléments de chauffage électrique étant fixés à ladite bague pour chauffer celle-ci de manière à orienter radialement vers l'intérieur ledit gradient thermique, ledit dispositif de commande comprenant des composants électriques reliés auxdits 10 éléments chauffants électriques pour faire varier le courant qui les alimente. 7°) - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière dudit disque est du verre. 8°) - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en 15 ce que ladite tige est constituée par un cristal hôte de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé avec du néodyme et en ce que ledit disque est en grenat d'yttrium-aluminium non dopé.