Brevet FR2118975A1 — publié le 19720804

la présente invention concerne un oscillateur à fréquences optiquess comportant un agent ou milieu actif qui produit des oscillations lorsqu:iI est excité par- une source de pompage convenable. 5 les oscillateurs à lasers comprennent en général un mi lieu actif qui produit le gain et une structure de résonateur qui apporte l'effet réactif pour provoquer la création d'oscillations recherchée. La construction du résonateur peut être quelconque. la plus habituelle comprend une paire de miroirs f un 10 à chaque extrémité du milieu actiff qui réfléchissent l'éner-gie optique dans le milieu actif. Les miroirs peuvent être plans ou, comme c'est la plus souvent le cass être concavess en réalisant dans ce cas un effet de concentration. Dans virtuellement tous les cas s l'alignement des miroirs et leur 15 écartement imposent dans une certaine mesure des conditions critiques. En outre, le problème mécanique du maintien de l'alignement et de l'écartement dans les conditions du fonctionnement donne lieu à des agencements compliqués et coûteux. Il est ordinairement désirable aussi que les miroirs imposent un 20 minimum de perte à l'énergie du faisceau lumineux qui les frappe. Cependant, des miroirs à faibles pertes* tels que les miroirs diélectriquess sont non seulement coûteux mais délicats et se détériorent facilement. Dans le cas de lasers d'état solide, le résonateur peut 25 être formé en argentant les extrémités de l'agent actif solide® Cependant, ces extrémités doivent être extrêmement plates et parallèles, ou, dans le cas de miroirs courbes, ils doivent être soigneusement taillés pour avoir les rayons et le poli convenables. 30 Un autre inconvénient de ces constructions de résonateur examinées c i-avant provient du fait que la longueur- du résonateur représente nécessairement plusieurs longueurs d'ondes. Il existe par conséquent plusieurs modes oscillatoires dans le résonateur, ce qui conduit à l'élargissement de la bande spec-35 traie de la lumière qu'il émet. Dans la technique antérieures on pouvait obvier aux difficultés d'alignement en utilisant des prismes tels que des 71 45895 2118975 prismes à toit et des prismes à coin pour former les surfaces réfléchissantes du résonateur. Dans certains cas, ceci conduit à une largeur de bande spectrale très étroite. Mais la fabrication de ces prismes est très difficile lorsqu'on veut leur 5 donner le degré de précision requis et ils sont donc coûteux. la présente invention résout les problèmes prémentionnés en éliminant la cavité du résonateur en soi. En particulier, suivant les principes de l'invention, dans un oscillateur à fréquences optiques, le milieu actif a des perturbations sensi-!C blement constantes dans le temps et périodiques dans 1'espace, de ses caractéristiques de transmission sur sa longueur. Sur les dessins s - La figure 1 est une reprépertat;on schématique des principes de l'invention s 15 - la figure 2 est une forme ce réalisation illustrant l'invention, où l'on fait varier l'ire1.". :-e de réfraction , - les figures 3, 4 et 5 reprv. çr.t âts réalise!ions de l'ir.v-eîîvior. dans lesquelles or» ia: t -"-r:. er le mécanisme àu 2C - les figure? 6 et " bcï.;\ des fermes de réalisation illustrant l'invention, dans lesquelles -n fai-i varier la constante de propagation ; et - la figure 8 illustre les principes de l'invention appliqués à un oscillateur paramétrique. 25 Dans la présente inventiont le structure qui produit les effets de réaction, essentiels aux oscillations* est créée par des perturbations sensiblement périodiques dans Ifespace, constantes dans le temps, des caractéristiques de transmission du milieu sur sa longueur, et qui peuvent prendre la forme de 30 variations de gain, de l'indice de réfraction, de la constante de propagation ou d'un autre paramètre du milieu. Un tel agencement de réaction intégrée, distribuée, est par lui-même mécaniquement stable et en plus, en raison de la nature comparable à un réseau de la structure de réaction, il se produit une 35 action de filtrage qui rétrécit rigoureusement la largeur de bande spectrale par rapport aux agencements de réaction classiques . q/KD ORIGINAL 71 45895 ' 2118975 Dans une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple, le milieu actif du laser est une pellicule de gélatine bichromée déposée sur une base de verre et imprégnée d'un colorant capable de donner lieu à un effet, laser. Il 5 existe un dessin d'interférence dans la couche de gélatine, qui y a été formé par voie holographique, créant ainsi dans le milieu une modulation Dans d'autres formes de réalisation de l'invention, des perturbations sensiblement constantes dans le temps et périodiques dans l'espace, des caractéristiques de transmission du laser, sont produites par des variations périodiques du milieu 15 ou par des déformations périodiques, le tout dans divers milieux actifs. Toutes les formes de réalisation données comme exemples de l'invention ont en commun des caractéristiques de transmission du milieu actif,qui sont sensiblement constantes dans le 20 temps et périodiques dans l'espace. A la figure 1, on a représenté schématiquement une construction 11 de laser à réaction distribuée, et des moyens de pompage convenables 12. la construction 11a une variation périodique dans l'espace de période A qui peut avoir diverses 25 formes, par exemple une variation de l'indice de réfraction n du milieu, ou une variation de la constante de gain a. Ces variations peuvent s'exprimer par n(z) = n + n^ cos Kz (1) et 30 a(z) = a + cos Kz (2) où l'on mesure z le long de l'axe optique j K = 2 7T/À et n.j et sont les amplitudes de la modulation dans l'espace de période A« Une telle construction, lorsque le milieu actif est excité au-dessus du seuil par la source de pompage 12, oscille 35 au voisinage d'une longueur d'onde donnée par *o/2n = A (3) qui est la condition de la dispersion de Bragg vers l'arrière. 71 45895 2118975 Pour exposer les principes de l'invention, on considérera une onde d'entrée tombant sur la construction 11 que montre la figure 1. L'onde, en progressant de gauche à droite sur le dessin, rencontre chaque variation de transmission à son tour, 5 et une partie de l'onde est réfléchie, donnant lieu à urne progression de droite à gauche. Cette onde à son tour subit des réflexions partielles périodiques qui favorisent l'onde originelle. Ainsi, il y a un phénomène d'ondes couplées de la forme 10 E = R(z) e '^gZ + S(z) e f^gZ (4) qui définit deux ondes se contrariant, d'amplitudes complexes, E et S. Comme montré au graphique de la figure 1 (où T désigne l'onde transmise et R l'onde réfléchie, W l'onde d'entrée, VP les variations périodiques), ces ondes croissent en présence 15 du gain et se fournissent mutuellement de l'énergie. Les conditions limites pour les amplitudes d'onde sont données par R(-L/2) - S(L/2) = 0 (5) où L est la longueur de la construction de laser. Dans un oscillateur laser, aux points extrêmes, une onde commence à 20 l'amplitude zéro et croît jusqu'à un maximum atteint à l'autre extrémité. Chaque paire de variations périodiques peut être considérée comme formant un résonateur de longueur A dans lequel les surfaces d'extrémités sont partiellement capables de transmettre et partiellement réfléchissantes. Ainsi, la cons-25 truction de la figure 1 peut être considérée comme constituée de plusieurs résonateurs à la file. Pour de grands facteurs de gain, c'est-à-dire si G = exp (2aL)>> 1 (6) la condition d'oscillation, c'est-à-dire le seuil, est 30 donnée par 2 ■M 4a2/G = PV-J + (7) Si l'indice de réfraction seul est modulé, comme donné par 35 l'équation (1), la condition de seuil devient ^o 1nS 1 1 Vg~ (8) 71 45895 5 2118975 et lorsque le gain seul est modulés elle est donnée par A -1 = -i— (9) j/r La largeur de bande spectrale de la lumière émise par 5 le laser peut être déterminée facilement par l'analyse linéaire de ce qui précède.Par exemple, lorsque le facteur de gain G dépasse la valeur de seuil à la fréquence centrale par un fecteur de 2, le seuil est dépassé sur une largeur de bande spectrale àX' donnée par 10 En fait, les effets non linéaires tendent à rendre la largeur de bande plus étroite encore. Par exemple* soit un dispositif de longueur I = 10 mm ; G = 100 et = 0,63 yUm (fréquence centrale). De l'équation (8),on peut voir que l'oscillation se 15 produit si n- > 10"5 l1 *=■ et de l'équation (10), on peut voir que.la largeur de bande _7 0,1 . 10 mm. Une telle largeur de bande est plus petite d'un ordre de grandeur que celle d'un laser à matière colorante or-20 dinaire. La figure 2 montre un exemple de forme de réalisation de l'invention ,dans lequel l'élément laser est une pellicule de gélatine bichromée 21 déposée sur une base de verre 22 par exemple. Dans la pellicule 21 sont formés plusieurs plans d'in-25 terférence 23 où l'indice de réfraction change, espacés d'une distance A. Les plans 23 peuvent être produits dans la gélatine par interférence entre deux faisceaux ultraviolets cohérents venant par exemple d'un laser He -Cd, après quoi on développe la gélatine. C'est là une technique holographique bien 30 connue des spécialistes, et elle produit dans la gélatine des changements périodiques dans l'espace, et constants dans le temps, de l'indice de réfraction. La gélatine est imprégaée d:u: milieu actif de laser, tel qu'une matière colorante de laser, par exemple la Rhodamine 6G. Des moyens de pompage convenables 35 tels que par exemple le rayonnement ultraviolet provenant d'un laser à azote,servent à amorcer le laser. Dans un tel laser 71 45895 2118975 d'une longueur de 10 mm et d'une largeur de 0,1 mm, avec un espace entre franges de A = 093 /sm, des densités de pompage 6 2 dépassant 10 W/em produisent des oscillations de laser dans la construction à environ 0,63 avec une largeur de bande 5 dans l'espace inférieure à 0,5 . 10~^inm. Un laser semblable» sans variations périodiques de l'indice de réfraction de la forme de réalisation de la figure 2 «produit des oscillations centrées sur environ 0,59 jum et ayant une largeur de bande d'environ 50 . 10~^mm. Ainsi, or* peut voir que la présente in-K vention, telle qu'elle est réalisée dans le dispositif de la figure 2, produit un rétrécissement de ligne caractérisé par un facteur de 100. A la figure 3* on montre une autre forme de réalisation de la présente invention dans laquelle un milieu de laser d'é-: tat solide 31 tel que par exemple de néodyme -YAG possède, induit en lui, un dessin d'interférence sensiblement constant dans le temps et sensiblement périodique danr l'espace, produit par l'interférence entre des lujr-f-èr?? de pomparr dirigées suivant des angles, -provenant d'une première et d'une seconde 20 source de pompage de lumière cohérente 32 et 33. produisent ainsi .une variation périodique du gein, Les deux sources de pompage montrées doivent symboliser de nombreux arrangements, "-'ne manière exoéditive pour obtenir les relations de phaees et lie fréquences voulues des deux faisceaux consiste à utiliser 2~ une pompe unique dont la sortie est divisée en cteux faisceaux, avec un agencement à miroirs pour diriger les faiseeaux au milieu sous certains angles voulus. Un choix convenable de la longueur d'onde de pompage et de la direction angulaire des faisceaux produit l'espacement désiré A -La sortie du laser,LL5 3> peut être utilisée de toute manière convenable, par exemple dans un appareil d'utilisation 34. L'agencement de la figure 3 a l'avantage supplémentaire d'être accordable puisque des variations de l'angle Q produisent des changements de A» changeant ainsi la longueur d'onde du laser. 35 De l'équation (3), on peut voir que la longueur d'onde d'oscillation est fonction de l'indice de réfraction n du milieu. Ainsi, par exemple, dans l'arrangement de la figure 3, BAD ORIGINAL 71 45895 7 2118975 pour un A fixé, l'accord peut être fait aussi en faisant varier n lorsque la nature du milieu le permet. Par exemple, dans un laser à colorant où le colorant est de la Bhodamine 6G-, et où le solvant est un mélange de méthane et d'alcool benzylique, 5 l'indice de réfraction peut varier facilement de 1,33 à 1,55 si l'on fait varier les proportions des constituants du solvant. Dans un arrangement tel que celui de la figure 39 pour un angle fixe 0 d'environ 107,6% un changement de n de 0,01 change X -7 0 d'environ 43 . 10 mm pour une concentration du colorant de 10 1 x 10~5 M. Des variations de pompage périodiques semblables à celles de la figure 3 peuvent aussi être réalisées par l'agencement de la figure 4 où le milieu de laser 41 qui peut être de genres divers porte, déposé sur lui ou à proximité, un réseau 15 optique 42 qui produit dans le milieu des variations périodiques d'intensité dans l'énergie de pompage venant de la source de pompage 43. Dans un laser à semi-conducteur, les périodicités des figures 3 et 4 peuvent être obtenues par l'agencement de la 20 figure 5. La forme de réalisation de la figure 5 comprend un laser à semi-conducteur 51 d'une matière convenable déposée ou montée sur une base 52. Sur une face de l'élément 51 se trouve un masque courant 53 qui permet au courant d'excitation ou de pompage d'une électrode d'alimentation 54 de ne passer que par 25 les ouvertures 56 qui sont espacées d'une distance À.1'effet net est de produire une variation périodique du gain dans l'élément de laser à semi-conducteur 51. Les formes de réalisation précédentes de l'invention dépendent des variations de l'indice de réfraction ou du gain, 30 pour obtenir les résultats voulus.Il est possible aussi de produire un oscillateur à laser suivant les principes de l'invention, par des variations périodiques dans l'espace de la constante de propagation p du milieu actif. Un tel agencement est montré à la figure 6. Le dispositif de la figure 6 comprend un 35 agent actif en pellicule 61 ,par exemple de verre à grand indice de réfraction dopé de néodyme, monté ou déposé sur une base convenable 62. Une source d'énergie de pompage 63 sert à exciter 71 45895 2118975 le milieu actif 61. A la surface du milieu 61 se troyvent plusieurs éléments diélectriques 64 »de verre par exemple, qui s'étendent en travers de l'élément 61 et qui sont parallèles l'un à l'autre. Les éléments 64 sont écartés d'une distance A 5 et, par le mécanisme de charge diélectrique, produisent des variations de la constante de propagation p de l'élément pelli-culaire 61, espacées de A. A la figure 7, on a représenté un agencement semblable à celui de la figure 6. Un élément pelliculaire mince 71 de ma-10 tière active convenable est monté ou déposé sur une base convenable 72. Un moyen de pompage 73 fournit de l'énergie au milieu 71. Suivant les principes de l'invention, un élément de surface 71 présente plusieurs variations d'épaisseur 74» de périodicité A. Ces variations produisent à leur tour des varia-15 tions de la constante de propagation p du milieu, de périodicité /!• A la figure 8, on montre un agencement dans lequel les principes de l'invention sont appliqués à un oscillateur paramétrique. Un élément 81 de matière convenable telle que par 20 exemple du niobate de lithium»est pompé en bout par un laser de pompage 82, tel que par exemple un laser à ions de krypton qui émet de la lumière dans la région rouge du spectre. Suivant les principes de la présente invention, on forme dans l'élément 81 un changement constant dans le temps et périodique dans 25 l'espace de l'indice de réfraction» au moyen de l'interférence entre deux faisceaux cohérents venant des lasers 83 et 84, envoyés dans le milieu 81 suivant un angle 9 l'un par rapport à l'autre. Comme dans l'agencement de la figure 3» la paire de sources de faisceaux figurée doit symboliser de nombreux agen-30 cements. En fait, une source unique avec un diviseur de faisceau et un arrangement de ciseaux est peut-être le moyen le plus expéditif d'assurer les relations convenables de phases et de fréquences entre les deux faisceaux .Le dessin d'interférence est créé dans le milieu par le mécanisme de "détérioration* 35 bien connu qui se produit dans le niobate de lithium,par exemple lorsqu'il est soumis à un rayonnement cohérent. Pour les oscillations paramétriques , la période A du 71 45895 2118975 dessin d'interférence peut être telle qu'elle crée une réinjec-tion de l'onde de battement. Ainsi, le ou les lasers auxiliaires 83»84 peuvent être des lasers à ions d'argon, qui produisent de la lumière de la région ultraviolette du spectre. 5 d'autre part, A peut être choisie pour réinjecter l'onde de signal, et dans certains cas, A peut être telle qu'il y ait réinjection de l'onde de signal et de l'onde de battement. 10 71 45895 2118975 REVENDICATIONS 1.- Oscillateur à fréquences optiques comprenant un milieu actif qui produit des oscillations lorsqu'il est excité par une source de pompage convenable, caractérisé en ce que le 5 milieu actif présente , sur sa longueur, des perturbations sensiblement périodiques dans l'espace et constantes dans le temps, de sa caractéristique de transmission. 2.- Oscillateur à fréquences optiques suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la périodicité des perturbai 1C tions est définie par \/2n =A o où A est 1s période et \ la longueur d'onde des oscillations et n l'indice de réfraction du milieu actif. 3.- Oscillateur à fréquences optiques suivant la re-15 vendicatior 2, caractérisé en ce que les perturbations sont de la forme n(z) = n + n- cos ¥,z , où z est la distance mesurée le long de l'axe optique de l'oscillateur» l'amplitude de la modulation dans l'espace variations dans l'espace péri odicv.f r de la période A et I •: .">rr 20 & .- Oscillateur à fréquences optiques suivant l'une quelconque fss revendications 2 et ?f caractérisé en ce que les perturbations sont de la fcrae a(z) ~ a + a, cos Kz où a est le gain du milieu actif, z la distance mesuré? le long ?S- d* l'axe optique de l'oscillateur, a, le gain xaximal du milieu actif et K = 2ÎT/A . 5.- Oscillateur à fréquences optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les perturbations sensiblement constantes dans le temps et périodiques dans l'espace sont ame- 30 nées à se produire dans le milieu actif lorsqu'on fait entrer de l'énergie de pompage dans le mili 6.- Oscillateur à fréquences optiques suivant la revend!-35 cation 5» caractérisé en ce que l'énergie de pompage que l'on fait entrer dans le milieu actif suivant un angle avec la direction de l'énergie de pompage provenant de ladite source de BAD ORIGINAL 71 45895 11 2118975 pompage, provient de deux faisceaux envoyés dans le milieu en faisant un angle l'un avec l'autre. 7.- Oscillateur à fréquences optiques suivant la revendi-cation 5> caractérisé en ce que les perturbations constantes 5 dans le temps et sensiblement périodiques dans l'espace sont amenées à se produire dans le milieu actif,lorsqu'on fait entrer l'énergie de pompage dans le milieu actif en des points espacés de aa longueur. 8.- Oscillateur à fréquences optiques suivant l'une 10 quelconque des revendications 5 et 7, caractérisé en ce qu'un réseau de diffraction est placé près du milieu actif et s'étend suivant sa longueur. 9.~ Oscillateur à fréquences optiques suivant l'une quelconque des revendications 5 et 7, caractérisé en ce qu'un 15 masque à ouvertures est placé de manière à s'étendre le long du milieu actif, sur sa longueur. 10.- Oscillateur à fréquences optiques suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les perturbations périodiques dans l'espace affectent la constante de propagation du 20 milieu actif, sur sa longueur. 11.- Oscillateur à fréquences optiques, suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les perturbations périodiques de la constante de propagation sont produites par plusieurs éléments diélectriques répartis sur la longueur du 25 milieu actif pour charger périodiquement, diélectriquement, ce milieu.