Brevet FR2083442A1 — publié le 19711217

8344* _ 1 _ 15 25 10 La présente invention serapporteaux oscillateurs laser, et plus particulièrement à un laser de haute puissance '5 bloqué en phase par rapport à la fréquence centrale d'un oscillateur laser de référence de faible puissance. Dans la technique des lasers de haute puissance il est connu que le rendement maximum et la puissance maximale d'un milieu laser donné est obtenu seulement si le aailieu laser fonc-| tionne avec une intensité de radiation proche de l'intensité de saturation du dit milieu. De l'autre côté, la qualité spectrale et la stabilité de la fréquence de sortie est la meilleure dans les lasers relativement petits et de puissance relativement fai- ! I ble. Pour cela on a suggéré qu'un oscillateur laser de haute puis-| sance soit bloqué en phase avec un oscillateur laser de faible puissance, commandé soigneusement, en injectant le signal de l'oscillateur laser delssse puissance dans 1°oscillateur laser de haute puissance. Les paramètres des deux lasers seraient choisis de façon que les oscillateurs laser soient bloqués par rapport à t | leur phase et, si la réaction de l'oscillateur laser de haute j puissance sur l'oscillateur laser de faible puissance est évitée, 20 | la sortie de l'oscillateur laser de haute puissance gouvernée i par l'oscillateur laser de faible puissance quant aux caractéris- i ! tiques spectrales. Cependant, à cause des instabilités de toute ! [ cavité de laser, et particulièrement à cause des instabilités i dans l'oscillateur laser de haute puissance, il a été jusqu'à ce jour impossible de réaliser une combinaison utile oscillateur/os-ccillateur, telle que proposée plus haut. Dans la technique clés lasers il est connu d'utiliser des servos soumettant la longueur de la cavité cscillatrice à une variation cyclique de sorte à accorder la résonance physique de 30 j la cavité oscillatrice à la fréquence de transition du milieu laser choisi. Cependant, dans les combinaisons oscillateur/oscillateur ceci ne serait pas possible, puisque l'oscillateur de haute ! puissance, qui est commandé en vue de sa résonance, serait simple-| ment commandé vers la fréquence de transition de son propre milieu 35 ! laser, qui, pour diverses raisons, peut être différente de la fré-qaence de l'oscillateur laser de faible puissance. En effet, il est presque impossible d'assurer que la fréquence de transition du milieu laser de l'oscillateur de haute puissance est la même BAD ORIGINAL ' 71 02030 20 83442 - 2 - I que lafréquence d« sortie de 1 * oscillateur &•faible puissance. ! Le but de la présent» invention est â«s fournir un ensemble1 laser oscillateur-oscillateur à blocage de phase ne présentant pas ! les défauts des configurations connues. j Selon la présente invention, un oscillateur de référence ; de faible puissance est couplé ë un oscillateur laser de haute puissance au moyen d'un dispositif isolateur évitant la réaction de l'oscillateur laser de haute puissance sur l'oscillateur laser de référence de faible puissances, les paramètres des oscillateurs étant choisis tels que leurs fréquences dè fonctionnement soient un peu identiques, la résonance physique de l'oscillateur laser de. haute fréquence étant; commandée de façon à égaler la fréquence de i sortie de l'oscillateur laser de référence de faible puissance. En plus, l'amplification de l'oscillateur laser de haute puissance est commandée de façon à fournir une intensité de . radiation infé-j rieure à l'intensité de saturation résultant de l'auto-excitation,) i i l'intensité produite atteignant l'intensité de saturation seule- 1 ment à la fréquence de transition de l'oscillateur de référence j • comme suite au flux additionel injecté par l'oscillateur laser de ! référence dans l'oscillateur laser de hautp puissance. ! La présente invention permet le fonctionnement d'un dis- i positif laser de haute puissance dans le mode oscillatoire, fone- j tionnant à l'intensité de saturation du milieu laser.pour un ren-! i dement maximum, ainsi qu'une puissance de sortie et une amplifica-* tion maximales, tandis que l'avantage de l'oscillateur laser de j faible puissance du point de vue commande de la qualité spectrale ! est maintenu. En outre la présente invention est relativement simple du point de vue assemblage et contrôle et peut être réalisée en de nombreuses configurations pour les applications les plus diverses. La présente invention sera maintenant décrite avec référence au dessin annexé dans lequel est représenté un mode de réali-j sation préféré de la présente invention. Dans le dessin la figure 1 est un diagramme schématique, simplifié d'un mode de réalisation préféré de la présente invention, comprenant un oscillateurde haute puissance en forme d'un interférômètre en anneau; ' - . i la figure 2 est une illustration de la puissance de sor- ; 4 BAD originale 71 02030 20 83442 - 3 - tie en fonction de la fréquence d'un laser fonctionnant en accord avec les principes de la présente invention; la figure 3 est une illustration de la puissance de sortie en fonction du pouvoir réflecteurdu miroir de sortie dans un laser 5 fonctionnant suivant les principes de la présente invention; et la figure 4 est un diagramme schématique simplifié d'un arrangement général oscillateur-isolateur-oscillateur selon la présente invention. La figure 1 représente un mode de réalisation préféré de 10 la présente invention comprenant un oscillateur laser de référence de faible puissance lO qui peut être de tout type approprié connu dans l'art. Bans l'exemple décrit, il est admis que l'oscillateur laser est un oscillateur au dioxyde de carbone fonctionnant è environ 10,6 microns. L'avantage maximum de la présente invention 15 est obtenu quand l'oscillateur émet une fréquence unique et est commandé soigneusement du point de vue de la fréquence. De l'autre côté cependant, la présente invention fonctionnera aussi en réponse è des oscillateurs moins perfectionnés. L'oscillateur laser de haute puissance en accord avec la présente invention comprend un 20 interféromètre en anneau 11 formé par une pluralité de miroirs 12, 14, le miroir 12 étant partiellement transparent de sorte è recevoir dans 1'interféromètre la radiation laser sortant de l'oscillateur laser 10. Un ou plusieurs miroirs, tel que lé miroir 13, peuvent être concaves afin d'améliorer l'oscillation, ou tous les 25 trois miroirs peuvent être plats. Le milieu laser est situé dans le chemin optique de 1:interféromètre, par exemple trois chambres d'amplification s effet laser 13-8 différentes peuvent être incluss tel que montré dans la figure 1, ou une seule chambre d'amplification à effet laser, telle que la chambre 13, peut être utilisée 30 si désiré. Une faible partie de la radiation d'entrée de l'oscillateur laser de référence 10 traversant le miroir 12 causera une radiation additionnelle circulant en direction des aiguilles d'une montre dans 1'interféromètre seulement è l'intérieur de l'oscillateur laser 11 et avec ces distances appropriées eïtre les miroirs 35 12-14 (voir plus loin) l'oscillateur laser 11 résonnera ^ la fréquence de sortie ce l'oscillateur laser ce référence lO, et ainsi la faible radiation d'entrée renforcera le flux causé par l'auto-oscillation à l'intérieur de l'oscillateur 11, et ainsi le 71 02030 20 83442 - 4 - flux net sera augmenté jusqu'à l'intensité de saturation. Ainsi un objectif majeur de la présente invention est réalisé en ce que la génération de puissance optique maximale est obtenue en opérant un oscillateur laser de haute puissance dans la bande de saturation en blocage de phase avec un signal de référence d'entrée spectralement pur, d'une intensité plus faible que celle que la sortie de l'oscillateur laser de haute puissance. Dans la figure 1, la résonance de l'oscillateur 11 peut être ajustée en ajustant la position du miroir 14 au moyen d'un convertisseur 12 en réponse à un signal d'erreur directionel fourni au convertissser par un amplificateur 24, qui peut comprendre un filtre approprié, ledit signal d'erreur étant disponible à la sortie d'un détecteur synchrone 2o. Au détecteur synchrone 26 est appliquée une tension alternative à une entrée de référence 28 par un oscillateur 30, l'oscillateur 30 fournissant aussi une tension alternative au convertisseur 22. Comme suite à la tension alternative appliquée au convertisseur 22 la fréquence de résonance de la cavité est variée d'une façon cyclique. La modulation en amplitude du rayon laser de sortie (20) résulte dans une variation de la fréquence de l'oscillateur laser de haute puissance 11 autour de la fréquence du flux d'entrée à partir de l'oscillateur laser de référence lO. La modulation en amplitude du rayon de sortie 20 est surveillée en mesurant "les variations qui en résultent dans l'impédance du plasme delà décharge électrique d'une des chambres d'amplification à effet laser 16rl8, en occurence de la chambre 18. Une paire d'électrodes32, 34 est reliée par des conducteurs respectifs 36, 38 à un bloc d'alimentation courant continu, haute tension 40 à courant réglé. Les électrodes 36, 38 et le bloc d'alimentation 40 sont choisis en considération du mileu laser de sorte qu'une décharge électrique est établie à l'intérieur de la chambre d'amplification 18, excitant les niveaus d'énergie supérieurs dans le milieu laser comme suite aux collisions des électrons. Avec un bloc d'alimentation 40 à courant constant, tout changement de l'impédance du plasme entre les électrodes 32, 34 résulte en un changement de la chute de tension entre eux, ce changement de tension pouvant être couplé au moyen d'un condensateur 42 è une entrée signal 44 du détecteur synchrone. Ainsi, quand la puissance de sortie 20 varie comme suite à la modulation 71 02030 20 83442 - 5 - de la fréquence de résonance de l'oscillateur laser 11, le condensateur 42 transmet une variation correspondante de la tension entre les électrodes 32, 34 au détecteur synchrone 26. La sortie du détecteur synchrone 26 est une tension d'erreur dont l'ampli-5 tude dépend de la grandeur de la tension à l'entrée signal 44, et la polarité dépend de la différence de la phase relative entre l'entrée signal 44 et l'entrée référence 28. Ainsi la tension appliquée par l'amplificateur 24 au convertisseur 22 tend à exciter le convertisseur de sorte qu'il déplace le miroir vers une lO position dans laquelle la fréquence de résonance de l'oscillateur laser 11 coïncidera avec la fréquence de sortie de l'oscillateur de référence 10. En service, le pouvoir réflecteur du miroir d'accouplement 12 est choisi de sorte qu'il soit infériaur au pouvoir 15 réflecteur requis pour la puissance de sortie maximale,; tel que illustré dans la figure 3. En d'autres mots, le pouvoir de transmission du miroir est choisi de sorte qu'une portion plus grande de flux est accouplée que pour le cas où le pouvoir réflecteur est choisi pour la fréquence de sortie maximale due à 2,'auto-os-20 cillation de l'oscillateur laser de haute puissance 11 fonctionnant seul.Dans la figure 2 est illustrée par une ligne pointillée 50 l'intensité maximale du flux pour auto-oscillation, at ceci contraste avec la puissance de sortie optique en fonction de la fréquence qui serait obtenue avec le pouvoir réflecteur optimal 25 (R opt dans figure 3), tel que illustré par la ligne interrompue 52 dans la figure 2. La sortie optique combinée qui résulte de l'auto-oscillation 50 et du flux injecté dans l'oscillateur 11 par l'oscillateur 10, est illustrée par un trait continu 54 dans la figure 2. Il faut noter qu'ainsi, avec l'oscillateur il fonction-30 nant à une fréquence particulière, il existe une pointe très aiguë dans la caractéristique puissance de sortie/fréquence des oscilla- i teurs combinés 10 et 12, cette pointe étant centrée autour de la fréquence de sortie de l'oscillateur laser de référence lO. Ainsi la présente invention fournit une caractéristique puissance de 35 sortie/fréquence qui est maximisée à la fréquence de sortie de l'oscillateur laser de référence 10, plutôt que d 'être maximisée à la fréquence de transition préférée du milieu laser de l'oscillateur laser de haute puissance 11. Ceci rend possible de mesurer 71 02030 20 83442 - 6 - la puissance totale et d'ajuster la résonance physique d'un oscillateur laser de haute puissance pour une puissance de sortie maximale, tout en assurant que la résonance physique de l'oscillateur à haute puissance est ajustée à la fréquence de sortie 5 de l'oscillateur d'attaque 10. Une caractéristique particulière de la présente invention est, que, à cause de la pointe très aiguë, dont la caractéristique de la puissance de sortie s'étend sur une bande de f réquence plus large que la bande des fréquences auxquelles 10 l'oscillateur laser de haute puissance est bloqué en phase avec l'oscillateur d'attaque, la présente invention demande seulement que le système servo maintient la résonance physique de l'oscillateur laser à haute puissance quelque part s l'intérieur de la bande de fréquence de la puissance de sortie, c'est-à-dire à l'in-15 térieur de la pointe de la courbe 54 de la figure 2, de sorte que l'oscillateur laser de haute puissance sera bloquée en phase avec l'oscillateur d'attaque, même si sa résonance est quelque peu déplacée par rapport à la fréquence exacte de l'oscillateur de référence. Si tel est le cas, il importe peu Bien que dans la présente invention une radiation soit injectée dans un interféromètre en anneau dans une direction unique par l'oscillateur de référence, réalisant ainsi v.n» isoia-30 tion de la réaction de l'oscillateur de puissance élevée sur l'oscillateur d'attaque, il faut noter cependant, tel que montré dans la figure 4, que tout oscillateur de référence 10a isolé optiquement d'une manière apprppriée (50) d'un oscillateur de haute puissance lia peut employer la présente invention en accord avec l'art 35 connu. Le seul critère de la présente invention est de fournir une caractéristique puissance totale/fréquence des oscillateurs combinés qui présentent une pointe relativement aiguë à la fréquence de sortie de l'oscillateur de référence, ensemble avec un système 71 02030 - 7 - 20 83442 servo pour déplacer la résonance physique d'un oscillateur laser de haute puissance dans le spectre de la pointe relativement aigûe décrite où le blocage de la phase des deux oscillateurs a lieu. Aussi la description précédente se réfère a un mode 5 de réalisation préféré de la présente invention utilisant seulement un miroir transmetteur, les deux autres (ou plusieurs) miroirs, étant complètement réflecteurs. Aussi le signal d'entrée à partir de l'oscillateur de référence est accouplé au moyen du même miroir que la sortie de l'oscillateur laser de haute puissan-10 ce. d 'autres modes de réalisation de la présente invention peuvent comprendre un grand nombre de configurations; une telle configuration est illustrée dans la figure 2 de la demande de brevet US No. 21.320 en date du 20 mars 1970. Dnas cette demande de brevet un amplificateur comprend trois miroirs, dont deux sont partielle-15 ment transmetteurs, l'autre étant complètement réflecteur. Ainsi qu'il est connu, les rôles peuvent être renversés et 1'interféromètre à onde progressive peut être utilisé comme oscillateur de référence et un oscillateur Fabray-Pérot ou tout autre oscillateur peut être utilisé comme oscillateur de haute puissance. Il faut 20 cependant noter que le mode de réalisation de la figure 1 utilise trois chambres dàmplification, bien que seulement une ou deux chambres d'amplification peuvent être utilisées si désiré. Similai-rement, bien que le mode de réalisation de la figure 1 soit illustré en terme d'un interféromètre en anneau à trois miroirs, il 25 faut noter que tout autre nombre de miroir peut être utilisé de sorte qu'un polygone approprié pour une application donnée de la présente invention a été décrite en connection avec un laser au dioxyde de carbone, puisque ce laser s'adapte lui-même bien aux fonctionnements à haute puissance et est un type préféré de la 30 technologie courante des lasers. En plus, tel qu'il est connu dans l'art, au lieu d'utiliser des miroirs totalement réflecteurs, un arrangement approprié de prisme et/ou de grilles peut être utilisé pour réaliser un chemin optique fermé sur lui-même, procurant ainsi un interféromètre en anneau, un miroir partiellement transmet-35 teur étant utilisé pour accoupler la puissance d'entrée et la puissance de sortie de l'oscillateur à haute puissance 11. De l'autre côté, plutôt que d'utiliser des miroirs partiellement transmetteurs, un accouplement par diffraction ou d'un autre type bien connu dans 71 02030 20 83442 - 8 - l'art, peut être utilisé pour réaliser l'accouplement du signal d'entrée et du signal de sortie de l'amplificateur. 71 02030 9 20 83442 REVENDICATIONS 1. Un appareil laser, caractérisé par un oscillateur laser de référence de faible puissance, un oscillateur laser de haute puissance comprenant un moyen d'accouplement pour accoupler la sortie de l'oscillateur laser de référence de faible puissance à 5 l'oscillateur laser de haute puissance incluant des moyens pour éviter la réaction de 1'oscillateur laser de haute puissance sur l'oscillateur laser de faible puissance, ce moyen d'accouplement réalisant aussi l'accouplement de la sortie du laser à haute puissance avec un pouvoir transmetteur supérieur à celui requis pour 10 l'accouplement de la puissance de sortie maximale lors de l'auto-oscillation de l'oscillateur laser de haute puissance, et un dispositif répondant à l'amplitude de la puissance de sortie accouplée dudit oscillateur laser de haute puissance pour ajuster la résonance physique de l'oscillateur laser à hauts puissance de 15 sorte qu'elle se trouve à l'intérieur de la bande de fréquence auquel vin blocage de phase entre les deux oscillateurs peut exister. 2. L'appareil laser selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pouvoir transmetteur dudit moyen d'accouplement est suffisant pour transmettre le flux résultant de l'auto-oscillation 20 de l'oscillateur laser de haute puissance augmente du flux injecté dans l'oscillateur laser de haute puissance par l'oscillateur laser de référence de faible puissance. 3. L'appareil laser selon la revendication, caractérisé en ce que l'oscillateur laser de haute puissance comprend un inter-25 féromètre à onde progressive. 4. L'appareil laser selon la revendication 3, caractérise en ce que ledit interféromètre à onde progressive comprend un miroir partiellement transmetteur pour l'accouplement entrée et sortie orienté sous 45° par rapport au flux d'entrée et des moyens pour 30 définir le chemin optique du flux faisant que le flus: de sortie passe à travers le miroir d'accouplement entrée et sortie dans une direction perpendiculaire au flux d'entrée. 5. L'appareil laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que des moyens pour définir le chemin du flux optique comprend 35 une paire de miroirs orientés par rapport aux mirois d'accouplement d'entrée et sortie de sorte à créer -un chemin du flux optique ayant la forme d'un triangle êquilatëral à angle droit, ledit mi- 40 71 02030 loï 20 83442 roir d'accoupléiaent entrée et sortie étant disposé è l'angle droit du triangle.