Brevet FR2085764A1 — publié le 19711231

11259' 1 2085764 L'invention concerne un dispositif pour la stabilisation de fréquence d'un laser à gaz à un ou à deux modes, et notamment un laser à l'hélium-néon court, dans lequel le milieu stimulé est compris entre un miroir fixe et un miroir dé-5 plaçable dans la direction axiale du laser au moyen d'un corps piézo-céramique, et dans lequel le faisceau du laser qui sort du miroir fixe partiellement transparent sert à la production d'un signal de tension continue de réglage qui est proportionnel à la déviation de fréquence du faisceau du laser par rapport à la 10 fréquence moyenne^ de la transition amplificatrice et qui réajuste le résonateur sur la fréquence moyenne^ au moyen du corps piézo-céramique, le circuit de réglage contenant un élément photosensible avec des amplificateurs intercalés à la suite et des dispositifs démodulateurs sensibles à la phase. 15 De tels dispositifs sont déjà connus (cf. par exemple A.D. White et al., in Applied Physics Letters, vol.5 n° 5, 1964, pp. 97-98). Dans ce cas, on met à profit le dichroïs-me du remplissage gazeux du tube d'absorption, produit par le champ magnétique, dichroïsme qui intervient du fait de la subdivi-20 sion par effet Zeeman de la courbe d'absorption en deux courbes séparées dont l'une représente l'absorption d'uneonde à polarisation circulaire à gauche et l'autre l'absorption pour une onde à polarisation circulaire droite. Dès que la fréquence de travail^ du laser ne coïncide plus avec la fréquence^ du maximum 25 de la courbe d'absorption non subdivisée, il se produit, lors du passage à travers le tube d'absorption, un affaiblissement du faisceau du laser qui oscille au rythme de la fréquence du champ magnétique dans ce tube, affaiblissement dont l'amplitude est proportionnelle, jusqu'à une certaine déviation de la fréquence 30 du laser par rapport à la fréquence moyenne^Q, à la grandeur de cette déviation. L'amplitude du courant alternatif que produit un faisceau de laser ainsi modulé dans un élément photosensible, par exemple une photodiode, peut servir de signal de commande pour le déplacement du miroir de laser monté mobile sur un corps 35 piézo-céramique, afin d'accorder le laser sur la fréquence moyenne^. Du fait des cellules d'absorption particulières, ces dispositifs connus exigent beaucoup de place, de sorte que le dispositif laser stabilisé est au total relativement volumi-40 neux. De ce fait, non seulement la construction est plus coûteuse 71 1125? 2 2085764 et plus compliquée, mais de grosses difficultés d'encombrement surgissent dans de nombreuses applications, et notamment en cas d'utilisation dans des interféromètres, La présente invention a donc pour but de fournir 5 un dispositif laser à fréquence stabilisée qui offre la possibilité, pour une dépense nettement moindre, d'une qualité de réglage aussi bonne qu'avec les dispositifs connus à cellules d'absorption. Pour atteindre ce but, il est proposé conformément à l'invention, dans un dispositif laser du type défini dans le préam-10 bule, que le milieu stimulé soit disposé, au moins en partie, dans une bobine magnétique qui produit un champ magnétique alternatif parallèle à l'axe, et qu'une plaquette quart d'onde et un dispositif de polarisation soient interposés entre le miroir fixe partiellement transparent et l'élément photosensible. 15 En cas de faible champ magnétique (de quelques gauss), le faisceau du laser se subdivise en deux oscillations opposées, étroitement couplées. Le sens de rotation des oscillations individuelles dépend du sens du champ magnétique axial dans le tube du laser. Pour une fréquence de laser^ ^ qui s'écarte de 20 la fréquence moyenne^ de la ligne d'amplification du laser, l'intensité, par exemple du rayonnement à polarisation circulaire droite (RZP) des champs magnétiques axiaux positif et négatif, a une grandeur différente. Avec un champ magnétique alternatif, l'intensité de l'onde RZP dépend de la variation dans le temps du 25 champ magnétique. La variation dans le temps de l'intensité de l'onde RZP pour une fréquence de laser^ l^0 pour une fréquence de laser1^ Qdiffère de ©L danff la phase. Le rayonnnement à polarisation circulaire gauche (LZP) présente aussi le même comportement. Cette propriété du rayonnement RZP ou LZP dans le 30 champ magnétique alternatif est utilisée comme critère de réglage pour la stabilisation de fréquence du laser, étant donné que la position de la fréquence de laser est donnée par le degré et la phase de la modulation d'intensité. Pour éviter l'induction d'une tension perturba-35 trice dans le tube de laser par le champ magnétique alternatif de la. bobine, il est proposé, selon une autre caractéristique de l'invention, que la bobine magnétique constitue 1'inductivité d'un circuit oscillant électrique activé par un amplificateur de résonance. 40 Etant donné que les dispositifs selon l'inven 71 11257 3 2085764 tion, aussi bien que ceux qui fonctionnent avec un commutateur de polarisation électro-optique ou une cellule d'absorption ne permettent un réglage que dans la plage où les différences d'intensité des ondes LZP et RZP sont liées manifestement à la déviation 5 de la fréquence du laser par rapport à la position de milieu -ce qui correspond approximativement à l'écart des maximums des deux profils pour le rayonnement à polarisation circulaire gauche et droite - il est possible qu'au moment de la mise en service du laser, le rayonnement qui apparaît se situe en dehors de cette 10 plage de réglage, ci-après appelée plage de maintien, et que, de ce fait, le circuit régulateur ne puisse généralement pas fonctionner. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est donc proposé de prévoir un moteur électrique commandé par un circuit logique, moteur qui applique dans ce cas au corps piézo-céramique, 15 par le moyen d'un potentiomètre, une tension continue variable provenant d'une source additionnelle et qu'il fasse varier cette tension jusqu'à ce que la fréquence du résonateur du laser corresponde approximativement à la fréquence moyenne . Cela peut s'effectuer de préférence par le fait que le circuit logique men-20 tionné contrôle la grandeur de la tension de l'élément photosensible, amplifiée et démodulée en phase correcte, et mettre le moteur en marche lorsqu'une certaine grandeur est dépassée - ce qui signifie que la ligne de laser est très fortement déplacée. Afin que le circuit de réglage normal et le "dispositif de détection" 25 entraîné par le moteur n'aient pas d'influence mutuelle nuisible, un dispositif 30, qui met hors service la boucle normale de réglage à élément photosensible pendant le processus de détection, est actionné en cas de réponse du circuit logique. Ce dispositif de détection a aussi pour fonction 30 de corriger la fréquence du laser lorsque la tension de réglage s'approche de la limite de la plage de maintien, sans que la stabilisation du laser soit interrompue dans ces circonstances. On parvient de la sorte à ce que la fréquence du laser ne puisse pas sortir de la plage de maintien de la boucle de réglage, 35 c'est-à-dire dépasser l'erreur admissible et que la pente de la boucle de réglage puisse de ce fait être fortement augmentéef ce qui rend possible en premier lieu une stabilisation de fréquence plus précise. En cas de fonctionnement ininterrompu du laser 40 pendant très longtemps, si le réglage additionnel commandé par le Il 11259 4 2085764 moteur a abouti à ce que le potentiomètre est passé très près de l'une de ses deux butées, par exemple du fait de fortes variations des paramètres de l'environnement, un second circuit logique assure le retour du potentiomètre dans sa position moyenne. Cette 5 opération, qui interrompt un brefx instant la synchronisation du laser, doit être signalée à l'extérieur, de préférence par un dispositif indicateur commandé par le second circuit logique, par exemple un additionneur ou un indicateur optique. En général toutefois, l'interruption de la synchronisation et la remise en posi-10 tion moyenne du potentiomètre n'ont pas besoin d'intervenir, même en cas de fonctionnement ininterrompu du laser pendant des jours entiers, car la source perturbatrice principale pour de telles fortes déviations est déjà exclue, avec un dispositif laser selon l'invention, par une bonne compensation thermique du laser. Pour 15 empêcher des tensions mutuellement contradictoires sur le corps piézo-céramique, il est prévu des dispositifs commandés par le second circuit logique, qui bloquent à la fois les systèmes automatiques de captage et de maintien pendant une remise en position moyenne du potentiomètre. A la suite de la remise en position 20 moyenne du potentiomètre, le laser est restabilisé automatiquement . Le dispositif régulateur selon l'invention convient encore pour la stabilisation de fréquence d'un laser dans le cas où deux fréquences propres apparaissent pendant le proces-25 sus de détection. Dans ce cas, l'oscillation dont l'intensité est la plus forte est d'abord captée et décalée dans le s«ns de la fréquence de milieu ^ , ce qui a pour effet de décaler également la deuxième forme d'oscillation possible, de sorte qu'elle tombe en dehors du profil de la ligne de laser et, de ce fait, ne peut 30 plus être amplifiée. L'invention va être explicitée plus en détail, avec d'autres caractéristiques, à propos d'exemples d'exécution représentés schématiquement sur les figures du dessin annexé. La figure 1 représente la variation d'intensité 35 pour le rayonnement à polarisation circulaire droite (RZP) et à polarisation circulaire gauche (LZP) d'un laser à gaz en fonction de la fréquence de laser^ L pour les différentes directions du champ magnétique (a, b). La figure 2 représente un simple dispositif 40 laser stabilisé selon l'invention, sans système automatique de 71 1125? 5 2085764 détection additionnel. La figure 3 représente schématiquement la structure d'un dispositif laser à stabilisation de fréquence selon l'invention, avec système automatique de détection et remise en posi-5 tion moyenne du potentiomètre. Le tube laser 1, rempli par exemple d'un mélange He-Ne, est disposé entre un miroir fixe 2 partiellement transparent et un miroir 3 qui se trouve sur un corps piézo-céramique 4. Par une plaque quart d'onde 5, les deux ondes du laser à polarisa-10 tion circulaire RZP et LZP sont transformées en ondes modulées en intensité, à polarisation linéaire, perpendiculaires l'une à l'autre. Lors de la suppression de l'une des deux ondes de laser polarisées linéairement,par exemple l'onde LPR avec un polarisa-teur 50, il .apparaît, après la démodulation des ondes polarisées 15 linéairement et modulées en intensité, avec une photo-diode 10, un signal ayant la fréquence du champ magnétique alternatif. Le signal de sortie de la photodiode 10 est amplifié dans un amplificateur sélectif 11, et est dirigé vers un circuit démodulateur sensible à la phase. Dans celui-ci, le signal est comparé en ampli-20 tude et en phase avec le signal de commande de l'oscillateur 9, d'où il résulte une tension continue dépendant de la fréquence du laser. La tension continue se différencie dans sa polarité pour une fréquence de laser»!) et une fréquënce de laserà^>^Q. La tension continue dépendant de la fréquence du laser est dirigée, 25 par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 13 et d'un amplificateur de tension continue 14, vers le corps piézo-céramique 4 dans le résonateur du laser en vue de la correction de la position du miroir, pour stabiliser ainsi la fréquence du laser. La modification ainsi produite de la longueur du résonateur du laser dé-30 place la fréquence du laser dans le sens de la fréquence de milieu^ . Pour la production des ondes RZP et LZP, le tube de laser 1 est disposé dans une bobine 7 qui constitue l'inducti-vité d'un circuit oscillant électrique activé par un amplifica-35 teur de résonance 8. L'amplificateur de résonance 8 est à son tour commandé également par l'oscillateur. On a désigné par 60 une enveloppe qui entoure le dispositif laser proprement dit. La figure 3 représente schématiquement la structure d'un circuit de stabilisation de laser selon l'invention, 40 avec système automatique de détection et remise en position 71 11259 6 2085764 moyenne du potentiomètre. A l'exception de l'amplificateur de tension continue 14 de la figure 2, les éléments qui correspondent à ceux de la figure 2 ont été désignés par les mêmes références. Outre quelques amplificateurs additionnels 15, 16, 17 et 5 18, il est intercalé, entre l'oscillateur et le circuit démodulateur 19 proprement dit, un élément de correction de phase 20 qui compense les déphasages apparaissant dans les amplificateurs. Selon que la fréquence de laser à synchroniser est supérieure ou inférieure à la fréquence de milieu , il se produit, à l'une 10 des deux sorties gauches de l'amplificateur 21, une tension continue positive ou négative qui produit, à la sortie de l'un des amplificateurs 22 et 23, une tension continue positive ou négative pour la commande du corps piézo-céramique 4. Si la valeur absolue de la tension de sortie de l'amplificateur 21 dépasse une cer-15 taine valeur, le circuit logique 24 répond et commande un commutateur de moteur 25 selon la polarité de la tension, de sorte que le moteur 26 se met en marche avant ou arrière et fait tourner dans un sens ou dans l'autre un potentiomètre 27. Dans ces conditions, il apparait à la sortie d'un amplificateur de tension con-20 tinue 28, qui est alimenté par un oscillateur 29, une tension continue plus ou moins grande qui déplace le miroir 3 relié au corps piézo-céramique jusqu'à ce que la fréquence de résonance du résonateur du laser corresponde approximativement à la fréquence A Q. Pendant ce processus, les amplificateurs de tension continue 25 22 et 23 sont bloqués par l'amplificateur 30 qui est activé également par l'oscillateur 29 et qui est commandé de son côté par une porte OU 35 répondant aux tensions des bascules 31, 32, 33 et 34. le circuit de détection du moteur fonctionne jusqu'à ce que la fréquence du laser se soit rapprochée de la fréquence de milieu 30 A dans une mesure suffisante pour que la tension de sortie de l'amplificateur 21 soit retombée au-dessous de la tension de rupture des bascules 31 et 34 du circuit logique 24. Le second circuit logique 36, connecté au contact glissant et à l'une des prises d'extrémité du potentiomètre 27, sert à ramener le contact 35 glissant dans sa position moyenne lorsqu'il s'approche de l'une des butées. Lorsque ce second circuit logique 36 réagit, cela est d'une part signalé à l'extérieur par un dispositif indicateur commandé par une bascule 37 (par exemple un additionneur ou une lampe), et d'autre part l'amplificateur de tension de l'élément 40 photo-sensible 11 est bloqué par une porte OU 38 avec un inter- 71 11259 7 2085764 rupteur à transistor 39 monté à la suite. Etant donné que le retour du potentiomètre dans sa position moyenne s'effectue également à l'aide du premier circuit logique 24, par les lignes 40 et 41, l'amplificateur 30 est additionnellement bloqué de 5 nouveau. L'invention ne se limite pas à l'exemple d'exé cution représenté ; en particulier, il est facilement possible à l'homme de l'art, sans intervention inventive, de concevoir des montages différents pour l'opération de détection et l'opéra 10 tion de retour du potentiomètre en position moyenne. 71 1125? 8 2035764 revendications 1. Dispositif pour la stabilisation de fréquence d'un laser à gaz à un ou à plusieurs modes, et notamment un laser à l'hélium-néon court, dans lequel le milieu stimulé est 5 disposé entre un miroir fixe et uq miroir déplaçable dans la direction axiale du laser au moyen d'un corps piézo-céramique, et dans lequel le faisceau du laser qui sort du miroir fixe partiellement transparent sert à la production d'un signal de tension continue de réglage qui est proportionnel à la déviation de 10 fréquence du faisceau du laser par rapport à la fréquence de milieu de la transition amplificatrice et qui réajuste le résonateur sur la fréquence de milieu au moyen du corps piézo-céramique, le circuit de réglage contenant un élément photosensible avec des amplificateurs intercalés à la suite et des dispo- 15 sitifs démodulateurs sensibles à la phase, caractérisé par le fait que le milieu stimulé est disposé, au moins en partie, dans une bobine magnétique (7) qui produit un champ magnétique alternatif parallèle à l'axe, et qu'une plaquette quart d'onde (5) et un dispositif de polarisation (50) sont interposés entre le 20 miroir fixe partiellement transparent (2) et l'élément photosensible (10). 2. Dispositif laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bobine magnétique (7) constitue l'inductivité d'un circuit oscillant électrique activé par un 25 amplificateur de résonance (8). 3. Dispositif laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par un potentiomètre entraîné par un moteur électrique, potentiomètre qui, commandé par un circuit logique, applique au corps piézo-céramique une tension continue additionnel- 30 le (processus de détection) lorsque la fréquence du laser n'est pas située dans la plage de réglage (plage de maintien) du circuit de commande à élément photosensible. 4. Dispositif laser selon la revendications 3, caractérisé par le fait que le circuit logique (24) contrôle la 35 grandeur de la tension de l'élément photosensible, amplifiée et démodulée en phase correcte. 5. Dispositif laser selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par un dispositif (30) qui met hors service la boucle de réglage à élément photosensible pendant le processus 40 de détection. 71 1125? 9 2085764 6. Dispositif laser selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé par un second circuit logique (36) qui ramène le potentiomètre (27) dans sa position moyenne avant qu'il n'atteigne une butée du potentiomètre. 5 7. Dispositif laser selon la revendication 6, caractérisé par le fait que, pendant le retour du potentiomètre en position moyenne, le second circuit logique (36) met hors service le premier circuit logique (24) et le dispositif (30) avec blocage du système automatique de captage et de maintien, ainsi que 10 l'amplificateur (11) de tension de l'élément photosensible par un circuit (38, 39).