Brevet FR2128199A1 — publié le 19721020

La présente invention a pour objet l'accroissement de la directivité des lasers par amélioration de leur optique de collimation. Il est connu que, lorsqu'une onde sphérique converge en un point, la tache de diffraction, dite tache d'AIRY, a un diamètre proportionnel à la distance R entre la surface de l'onde et la tache, à la longueur d'onde bau du rayonnement, et inversement proportionnel au diamètre d de la calotte sphérique de l'onde incidente. Si la densité d'énergie est uniforme sur la surface d'onde, le diamètre de la tache d'AIRY a pour valeur a = 1,22 R (fig.l) Comice le diamètre des sources laser est limité, on a eu l'idée, pour accroitre la directivité du faisceau, de disposer à la suite du laser une optique de collimation, généralement du type lunette astronomique retournée (figure 2). Dans ce qui va suivre, la terminologie employée est celle de la lunette astronomique supposée normalement pointée sur le point éloigné à riser. La face de sortie L du laser est placée du côté de l'oculaire 02 au voisinage de l'image de objectif 1 à travers l'oculaire O2 On choisit d'ordinaire les éléments optiques du système de telle sorte que l'image de la face de sortie du laser à travers l'oculaire ait même diamètre que l'objectif Oît qui peut être beaucoup plus grand. On.a donc un gain de directivité important. Mais on a toujours une ouverture du faisceau plus grande que celle donnée par la loi d'AIRY, et le désaccord peut être notable: les divergences des faisceaux peuvent être dix fois plus fortes que les divergences calculées par la loi d'AIRY. Les causes de cette divergence exagérée peuvent se ramener à deux types - la densité d'énergie sur la face de sortie du laser n'est pas uniforme, mais plus forte au centre qu'aux bords. - l'onde sortant de l'optique de collimation n'est pas une onde sphérique ayant pour centre le point visé,(ou une onde plane s'il est à l'infini). Le premier type de cause ntentratne qu'un faible élargissement du faisceau , comte le fait l'apodisatida des images. Les optiques de collimation peuvent Outre focalisées sur le point à viser, néanmoins l'effet de cette mesure est insuffisant. La présente invention vise à réduire cette divergence excessive des faisceaux collimatés , et å la rapprocher de la divergence d'AIRY. L'invention a pour objet une optique de collimation pour laser , du type lunette astrnomiqle retournée, comportant un oculaire situé au voisinage du laser, un système optique équivalent à une lentille de champ et un objectif ca ractérisé en ce que le dit système optique équivalent à la lentille de champ a une convergence égale à la somme de la convregence dudit oculaire et dudit objectif ,et que de plus ce dit système est placé de telle sorte qu'il donne didit objectif une image confondue avec le plan principal objet dudit oculaire. Le système optique équivalent à une lentille de champ peut outre compo- né d'au moins deux lentilles , dont aucune ne se trouve au foyer objet dudit oculai re. L'invention a également pour objet une optique de colliaation,caracté risée plus particulièrement en ce que la longueur du trajet optique entre ledit objectif et ledit oculaire peut Autre modifiée pour focaliser le faisceau laser sur un point à distance finie t et en ce que la position dudit système optique équiva lent à une lentille de champ est liée à ladite variation de longueur de façon à ce que l'image dudit objectif à travers ledit système reste confondue avec le plan principal objet dudit oculaire. L'optique de collimation conforme à l'invention peut titre caractérisée en outre en ce qu'elle comporte , entre ladite optique et ladite face de sortie du laser , une lentille compensatrice rendant plane la surfais d'onde sortant du laser, Si ladite surface d'onde n'est pas plane à la sortie du laser. L'invention a aussi pour objet une optique de collimation telle que ci-dessus , caractérisée plus particulièrement en ce que l'objectif peut comporter indifféremment des leati1Ies , des miroirs , ou une combinaison des deux0 L'invention a enfin pour objet une optique de collimation telle que décrite ci-dessus , caractérisée en outre par le fait que le grossissesent de cette optique est égal au grossissement habituel ( quotient du diamètre de l'objectif par celui du laser ) divisé palan coefficient d'apodisation. Les moyens nouveaux mis en oeuvre sont basés sur l'étude des surfaces d'égale phaae de, l'onde l'umineuse. On démontre que , dans le cas d'une onde sphérique convergente s'ap puant sur un contour circulaire ( cas général en optique instrumentale ), et si la densité d'énergie transportée par cette onde , sans centre forcément uniforme , a une symétrie de révolution autour de l'axe du système , la surface d'égale phase de la tache d'AIRY est une petite portion de sphère , dont la concavité est tournée vers la lumière incidente , et ayant même courbure que l'onde incidente (Fig.3 ). Ce résultat n'est pas absolument original mais est très peu connus. On y trouss cependant une allusion dans la Revue d'Optique théorique et instrumentale de Janvier 1967 , assez vague pour n'entre compréhensible que si l'on est au courant de la question. aLU contraire , le calcul de la repartition de énergie dans la tache d'AIRY est bien conhnz , et utilise la fonction J1 de LESSEL. L'invention utilise cette propriété de la surface d'égale phase (qui , par définition , est une surface d'onde) au voisinage de la tache dtA]lEY , pour améliorer une optique de collimation du type lunette astronomique retournée. Si l'onde de sortie du laser est plane , l'invention consiste à transformer la surface d'onde sphérique , de concavité tournée vers l'oculaire et de rayon égal à la distance focale f de l'oculaire , en une surface d'onde sphérique , pas - sant par le z8me foyer de 11 oculaire , de concavité tournée vers l'objectif , et de rayon égal à la distance focale F de l'objectif. Ceci est réalisable par une lentille de champ , ou collectrice r répondant aux deux conditions t - avoir une convergence égale à la sonne des convergences de l'objectif et de 1' oculaire , ce ui définit une distance focale F' telle que I I + I . F' f F entre placée de telle sorte que l'image de l'objectif se forme dans le plan de l'oculaire. Aucune de ces deux conditions n'est réalisée dans les lunettes astronomiques normales , car elles empêcheraient leur emploi visuel , en plaçant leur cercle oculaire dans une position inaccessible å l' l'oeil. Mais , au forer de l'oculaire * il se formera une tache d'AIRY de tres faible diamètre , et où sera concentrée énergie sortant du laser 2 si la lentille de champ y est placée , elle y sera vite détruite. Aussi la lentille de champ doit-elle être remplacée par syst'eme comportant au moins deux lentilles , toates deux écartées du foyer de l'oculaire ,et constituant un syst'eme optique composé ayant les mêmes propriétés optiques que la lentille définie ci-dessus. Au cas où l'optique de collimation possède un système permettant de focaliser le faisceau laser sur un point nettement plus rapproché que l'infini (ana- logue au système classique de mise au point d'une lunette astronomique ordinaire) t le système ontique qui tient lieu de lentille de champ doit avoir un mouvement , couplé au premier ,qui maintienne l'image de l'objectif dans le plan principal objet de 11 oculaire. Cette condition n'est pas non plus remplie dans les lunettes astrono noues classiques r où la lentille de champ est liée à loculaire et en fait souvent partie. Si l'onde de sortie du laser n'est pas plane , une lentille compensa- trice rendant cette onde plane doit être intercalée entre la face de sortie du laser et le dit oculaire.lle peut être incorporée à l'oculaire. En effet , certains lasers ont des faces de sortie sphériques , le centre de chaque sphère étant sur l'autre sphère (laser dit confocal) ; d'autre part la face de sortie du laser peut nitre pas tout à fait une surface d'onde. La lunette astronomique peut avoir soit un objectif composé de lentilles (objectif dioptrique , ou réfracteur) ou un objectif à miroir ( objectif catoptri que , ou réflecteur) ou une combinaison des deux par exemple miroir de MANGIN ou miroir à lame correctrice de SORMITT ou de OV. Les valeurs classiques des éléments de l'optique de collimation sont s - diamètre de l'oculaire supérieur à celui du cristal laser. - grossissement de la lunette égal au quotient du diamètre de 11 objectif par celui du cristal laser. L'invention conserve la première condition, mais pas la seconde. En effet , considérons une tache d'AIRY normale. Son diamètre " a n a été donné plus haut. Si on n apodise " la tache , en plaçant sur optique un filtre spécial , de transparence déercissante du centre au bord , les anneaux entourent la tache ont disparu (apodisaticn) , mais le diamètre de la tache a augmenté dans un rapport K > 1 . Or, la tache d'AIRY formé par l'oculaire et reprise par le système équivalent à une lentille de champ a un éclairement décroissant du centre au bord. Soient f la distance focale de l'oculaire , F celle de 11 objectif , G le grossissement , d le diamètre du cristal laser , on a t fG=F a = 1,22 # f a Si O est le diamètre de l'objectif , on doit avoir: ) 1,22 K F # = K g F F = K G d K G d a f Dans l'invEntion , le grossissement de la lunette astronomique est régal au grossissement habituel divise par le coefficient K d'apodisation. L'invention a pour intérêt de réduire 2 à diamètre égal de l'objectif de l'optique de collination , le diamètre de la tache éclairant le point visé. Elle est applicable à totit laser dont on veut accroître soit la précision de pointage soit la densité d'énergie reçue par le point visé soit la portée d'uti lisation. REVENDICATIONS 1 - Optique de collimation pour laser , du type lunette astronomiqué retournée, confortant un oculaire situé au voisinage du laser , un système optique équivalent une lentille de champ et un objectif , caractérisé en ce que le dit sursème opti que équivalent à la lentille de champ a une convergence égale à la somme de la con vergence dudit oculaire et dudit objectif , et que de plus ce dit système est pla- ce de telle sorte qu'il dornié dudit objectf une image confondue avec le plan princi- Pal objet dudit oculaire. 2 - Optique de collimation conforme à la revendication 1 , caractérisée en ce que le systène optique équivalent à une lentille de champ est composé d'au moins deux lentilles , dont aucune ne se trouve au foyer - objet dudit oculaire. 3 - Optique de collimation conforme à la revendication 1 , caractérisée en ce que la longueur du trajet optique entre ledit objectif et le dit oculaire peut être modifiée pour focaliser le faisceau laser sur un point à distance finie , et que de plus la position dudit système optique équivalent à une lentille de champ est liée à la dite variation de longueur de façon à ce que l'image dudit objectif à travers ledit système reste confondue avec le plan principal objet dudit oculaire. 4 - Optique de collimation conforme à la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle conforte , entre ladite optique et ladite face de sortie du laser 2 une lentille compensatrice rendent plane la surface d'onde sortent du laser , la dite surface d'onde n'est pas plane à la sortie du laser. 5 - Optique de collimation conforme à la revendication 1 , caractérisée en ce que l'objectif peut comporter indifféremment des lentilles , des miroirs , ou une combinaison des deux. 6 - Optique de collimation conforme à l'une des revendications 1 à 5 ,caractéri sée en ce que le grossissement de cette optique est égal au grossissement habituel (quotient du diamètre de l'objectif par celui du laser ) divisé par un coefficient d' apodisation.