Brevet FR2083440A1 — publié le 19711217

• - 1 - La présente invention concerne les lasers à gaz, et plus particulièrement la stabilisation ce la fréquence de ces lasers. Les lasers à fréquence stabilisée trouvent de nombreuses applications dans le radar optique, des systèmes oscillateurs-5 amplificateurs, et beaucoup d'autres essais optiques. La puissance de sortie d'un laser est en général une fonction de résonance sym métrique de la fréquence désignée caractéristique d'amplification. La fréquence de milieu dépend du gaz utilisé et les détails de la forme et de la largeur de la caractéristique d'amplification dé-10 pendent de nombreux paramètres du laser, tel que: la sorte du gaz, la pression, la température du gaz etc. Il est connu que les transitions optiques d'un laser à gaz, type moléculaire, consistent en une multitude de lignes dues à la répartition rationelle des niveaux d'énergie. Cependant, en incor-15 porant une dispersion optique dans la cavité du laser, telle que des grilles, des prismes ou autres dispositifs, le laser peut osciller sur un seul mode de transition. Ainsi, parce que le laser peut être réglé de façon à fournir une transition unique, donc une sortie optique d'une seule fréquence, il est devenu avantageux 20 de commander la fréquence de la transition unique très soigneusement pour éviter ainsi de grandes variations dans la fréquence de sortie comme suite à des variations mineures de la longueur du chemin optique de la cavité. Un système connu dâns l'art pour commander soigneusement la 25 longueur de la cavité optique du laser et ainsi la fréquence du laser, emploie un dispositif servo qui soumet la position d'un des miroirs de la cavité à un mouvement oscillatoire. Ceci est réalisé en fixant le miroir à un cristal piézoélectrique ou toute autre transformateur, auquel est appliqué une tension alternativ.e 30 afin de fournir des variations mineures cycliques de la longueur de la cavité, et l'effet des oscillations de la longueur de la cavité optique est mesuré et comparé avec le signal d'attaque oscillatoire dans un détecteur synchrone. Le détecteur synchrone fournit alors un signal d'erreur directionel dont l'amplitude est pro-35 portionelle è la différence entre la longueur réelle de la cavité et la longueur désirée de la cavité et dont la polarité indique si la longueur est trop grande ou trop petite. Ainsi le système servo peut déplacer le miroir dans une direction tendant à maintenir 71 02028 20 83440 : ; : - 2 - r__ constant la longueur moyenne de la cavité du laser. Dans les systèmes de ce genre, le détecteur synchrone comprend un séparateur de rayon lumineux qui dévie une petite portion du rayon de sortie et la renvoie sur un détecteur optique, le détecteur op-5 tique fournissant une tension oscillante qui est équivalente à l'effet du mouvement oscillatoire du miroir sur le rayon de sortie. Cependant, le séparateur de rayon demande un système optique relativement compliqué qui est sensible aux chocs et aux variations de température et qui, de cette façon, n'est pas approprié 10 pour des dispositifs volants ou pour d'autres applications dans un entourage rude. En plus, les détecteurs optiques requis pour un tel système sont chers, rendent nécessaire des circuits d'alimentation compliqués, le refroidissement cryogénique et d'autres appareils auxiliaires. D'autres méthodes similaires pour 2a sta-15 bilisation de la fréquence de lasers sont connues. Cependant toutes les méthodes connues de stabilisation de la fréquence d'un laser à gaz emploient la détection de la perturbation résultante du rayon de sortie du laser; ainsi tous les systèmes demandent l'usage d'un système détecteur fragile et cher. 20 Le but de la présente invention est de fournir une stabi lisation améliorée et simplifiée pour la longueur de la cavité optique d'un laser à gaz, donc de la fréquence dudit laser. Conformément à la présente* invention le signal de réaction pour le détecteur synchrone d'un système à circuit fermé d'ajus-25 tage de la longueur de la cavité de résonance d'un laser est dérivée des variations de l'impédance du plasme de la décharge électrique du laser. Ainsi la chute à tension à un plasme d'une décharge électrique à courant stabilisé d'un laser à gaz est utilisés pour fournir le signal d'entrée du système de stabilisation. 30 La présente invention évite toute nécessité de surveiller la sortie optique d'un laser à gaz afin de contrôler la longueur de la cavité de résonance de celui-ci. L'invention est relativement peu coûteuse dans l'emploi et peut être réalisée d'une façon stable, compacte et durable. 35 L'invention sera maintenant décrite avec référence s l'unique dessin annexé qui représente un modede réalisation préféré de la présente invention. Le mode de réalisation préféré de l'invention comprend un 71 02028 20 83440 - 3 - laser £■ décharge électrique utilisant comme milieu d'amplification laser 10 un mélange quelconque d'un nombre bien connu de mélanges de gaz. Ces gaz sont le dioxyde de carbone, avec ou sans azote, hélium ou d'autres craz additifs, ou le néon et l'hélium, par ex-5 emple. Pour la présente invention, il est admis qu'un mélange approprié de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium est utilisé comme milieu d'amplification laser. Le milieu d'amplification laser 10 est contenu dans une chambre 12 et une tension courant continu est appliquée entre une 10 paire d'électrodes 14, 16, une anode et une cathode, tel que connu dans l'art. La tension courant continu est fournie par un bloc d'alimentation 18 approprié relié aux électrodes par les conducteurs 20, 22. La tension appliquée entre les électrodes 14, 16 produit une décharge anormale è l'intérieur du gaz de laser et ex-15 ite les électrons des atomes vers les niveaux supérieurs d'énergie tel que connu dans l'art. La chambre 12 peut être fermée s ses extrémités par les fenêtres appropriées, telles que des fenêtres Brewster 24 d'un matériel approprié (pour la longueur d'aide de l'oscillation laser produite) monté sous l'angle Brewster. La cavi-20 té optique comprend en outre une paire de miroirs 26, 28, le miroir 2 6 étant le miroir de sortie et comprenant ainsi ou bien un trou pour l'accouplement ou ayant une caractéristique de transmission partielle pour l'accouplement. Tout ceci est bien connu dans l'art. 2 5 Le miroir 28 est monté de façon appropriée, tel que par une résine époxye, a un convertisseur piézoélectrique 30 d'un type bien connu dans l'art.-Une caractéristique d'un tel convertisseur est qu'il change sa longueur en réponse s une tension appropriée appliquée à ses surfaces, en fonction de la configuration choisie. 30 Une tension appliquée au convertisseur 30 est une tension oscilla-trice dérivée de la sortie d'un oscillateur 32, qui fournit aussi un signal & l'entrée de référence d'un détecteur synchrone 34. L'autre tension appliquée au convertisseur est une tension d'attaque et représente un signal d'erreur courant continu directionel 35 qui peut être amplifié et filtré d'une façon appropriée, p. ex. au moyen d'un amplificateur courant continu 36. Ce signal est dérivé de la sortie 38 d'un détecteur synchrone 34. En service, la sortie de l'oscillateur 32 est connectée au convertisseur 3o cause 71 02028 20 83440 - 4 - moiNCTientoscillatoire axial du miroir 28, ce qui s son tour change la fréquence de la radiation électromagnétique £ l'intérieur de la cavité optique formée par les miroirs 26, 28. Quand la fréquence s'éloigne de la fréquence moyenne, une sortie optique plus faible 5 en résulte. Dans les systèmes connus, la sortie optique est surveillée au moyen d'un détecteur optique, qui fournit un signal £ l'entrée signal 40 du détecteur 34. Le détecteur 34 compare la - phase du signal de référence appliquée par l'oscillateur 32 avec la phase du signal è l'entrée 40, et mesure l'amplitude du signal 10 d'entrée 40 pour fournir un signal d'erreur directionel; l'amplitude est une indication du degré de déviation de la longueur de la cavité de la longueur désirée de celle-ci, et la polarité est une indication du sens de variation (plus courte ou plus longue) -de la longueur de la cavité en comparaison avec la lon-15 gueur désirée de la cavité. Ainsi la sortie 38 du détecteur synchrone 34 fournit un signal courant continu à appliquer au convertisseur 30, qui provoquera que le convertisseur déplace le mi -roir dans la direction correcte vers la longueur désirée de la cavité, ajustantainsi le laser à la fréquence de sortie désirée. La 20 sortie réelle du laser, dans un tel système est légèrement modulée dû au mouvement oscillatoire du' miroir 28 par le convertisseur 30 en réponse à l'oscillateur 32. Cependant, la fréquence moyenne est maintenue très près de la fréquence désirée, et la déviation dans le rayon laser de sortie est très petite. 25 La présente invention concerne particulièrement la dériva tion d'un signal pour l'entrée 40 du détecteur synchrone 34 sans avoir besoin de détecter la puissance ou la fréquence du signal de sortie du laser. En accord avec la présente invention, le signal d'entrée 30 pour le détecteur synchrone est une tension proportionelie à l'impédance du plasme à l'intérieur de la chambre 12. En détail, un condensateur 42, relié au conducteur 22, couple une tension alternative de l'électrode 16 à. l'entrée 40 du détecteur synchrone 34. Au moyen d'un arrangement approprié, tel que la mise è la terre 35 du conducteur 20 et un potentiel commun propoprié dans le détecteur synchrone 34, la tension alternative qui apparaît entre les électrodes 14, 16 est appliquée comme signal d'entrée au détecteur synchrone 34. Ainsi qu'il est connu dans l'art, chaque fois que la 71 02028 20 83440 - 5 - puissance optique extraite du plasme d'une décharge électrique d'un laser à gaz est variée, l'impédance du plasme varie. Quand le courant dans le plasme est maintenu constant, tel que par un bloc d'alimentation è courant constant, alors le potentiel ou la 5 chute de tension au plasme varie. En soumettant le miroir 28 è un mouvement oscillatoire, la longueur de la cavité est similai-rement variée; ceci change.la fréquence de résonance de la cavité donc la puissance extraite du laser. Ainsi l'impédance du plasme entre les deux électrodes 14, 16 varie d'une façon cyclique en 10 fonction du mouvement oscillatoire du miroir 28. Puisque le courant est constant, la tension entre les électrodes 14, 16 varie de façon correspondante; cette tension est recueillie par le condensateur 42 et est utilisée comme signal d'entrée pour le détecteur synchrone 34. Ainsi, au lieu de surveiller la sortie optique 15 du laser, la présente invention fournit à l'aide de la surveillance simple de la tension entre les électrodes, le courant étant maintenu constant, vin signal de réaction pour le système de commande de la longueur de cavité en circuit fermé. Bien que le condensateur 42 soit ici connecté directement au conducteur 22, il 20 est évident que l'entrée 40 du détecteur synchrone 34 peut être capacitivement couplée en de nombreux points à l'intérieur du bloc d'alimentation 18, ceci dépendant du bloc choisi. Ainsi il peut être avantageux d'obtenir un signal d'un amplificateur d'une tension d'erreur faible dans le bloc d'alimentation. Dans ce cas 25 le bloc d'alimentation s courant constant est facultatif pour mesurer les variations de l'impédance du plasme en accord avec la présente invention. 71 02028 20 83440 - 6 - ' ' ' REVENDICATIONS 1. Un laser à gaz à décharge électrique incorporant un détec teur synchrone recevant un signal de référence proportionel à un mouvement oscillatoire d'un miroir de la cavité optique du laser 5 et produisant un signal de sortie qui est un signal d'erreur di-rectionel, pour l'ajustage de la position moyenne du miroir, caractérisée par un moyen pour dériver une tension proportionelle à l'impédance du plasme de la décharge électrique et pour appliquer cette tension comme signal de réaction au détecteur synchrone. 10 2. Un laser à gaz à décharge électrique, caractérisée par une cavité optique comprennant une paire de miroirs et un milieu gazeux à amplification laser disposé entre les deux miroirs, un moyen pour établir une décharge électrique dans ledit milieu, un convertisseur électro-mécàrtique fixé à l'un des miroirs, un détec-15 teur synchrone ayant une entrée pour un signal de référence et une entrée pour un autre signal et produisant un signal de sortie dont l'amplitude est une fonction de l'amplitude de l'autre signal et la polarité est une fonction de la phase entre le signal de référence et l'autre signal, un moyen pour appliquer une tension 20 alternative au convertisseur électro-mécanique et à l'entrée de référence du détecteur synchrone, un moyen pour appliquer le signal de sortie du détecteur synchrone au convertisseur électromécanique pour déterminer la position moyenne dudit miroir, la position instantanée de ce miroir étant déterminée en outre par 25 la tension alternative, et des moyens de réaction pour développer une tensionpzDportionelle à l'impédance du plasme de la décharge électrique et pour appliquer cette tension à l'entrée pour l'autre signal du détecteur synchrone, commandant ainsi la longueur moyenne de la cavité optique en fonction de l'impédance du plasme 30 de la décharge électrique. 3. Le laser à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de réaction répond à la chute de tension lelong du plasme. 4. Le laser à gaz selon la revendication 2, caractérisé en 35 ce que le moyen pour établir la décharge électrique comprend une paire d'électrodes et un bloc d'alimentation courant continu à haute tension et courant constant connecté aux électrodes, et en ce que le moyen de réaction comprend un moyen pour coupler la 71 02028 20 83440 - 7 - tension entre ces électrodes s l'entre pour l'autre signal du détecteur synchrone. 5. Méthode pour stabiliser la fréquence d'un laser à gaz à décharge électrique comprenant une paire de miroirs formant une 5 cavité optique, caractérisée par: soumettre la position d'un des miroirs à un mouvement oscillatoire pour changer ainsi la longueur de la cavité optique du laser, prévoir un signal de réaction proportionel à l'impédance du plasme de la décharge électrique du laser, fournir un signal d'attaque dont l'amplitude 10 est proportionelle à l'amplitude du signal de référence et la polarité est une fonction de la différence de phase entre le mouvement oscillatoire du miroir et le signal de réaction, et ajuster la position du miroir en réponse au signal d'attaque.