Brevet FR2158017A1 — publié le 19730608

La présente invention concerne un élément à pellicules multiples dont on peut régler les coefficients de transmission et de réflexion de la lumière. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en regard des dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente une coupe d'un élément classique à pellicules multiples utilisé comme un miroir pour un résonateur laser. La figure 2 représente une coupe montrant une structure fondamentale de l'élément à pellicules multiples selon l'invention. La figure 3 représente une coupe d'un mode de réalisation d'un élément à pellicules multiples selon l'invention. La figure 4 illustre graphiquement la relation entre l'épaisseur optique et le coefficient de transmission de l'élément à pellicules multiples selon l'invention. La figure 5 représente une coupe d'un autre mode de réalisation de l'élément à pellicules multiples selon l'invention ; et La figure 6 représente un diagramme en blocs montrant la cons truc- tion d'un stabilisateur de sortie laser utilisant un élément à pellicules multiples selon l'invention. Les miroirs classiques utilisés dans les appareils laser cons constitués d'un élément à pellicules multiples constitué d'un substrat de verre 11 et de couches alternées d'une matière à indice de réfraction élevé 12 et d'une matière à indice de réfraction faible 13 sur la surface du substrat de verre 11, chaque couche ayant une épaisseur égale au quart de la longueur d'onde X des rayons laser de l'appareil laser, comme le montre la figure 1. Ces miroirs, qui ont une structure à pellicules multiples (qu'on appelle ci-après un élément à pellicules multiples) se sont révélés capables de présenter un coefficient de réflexion R élevé supérieur à celui qu'on peut obtenir avec des miroirs métalli- quels lorsqu'on augmente le nombre M des couches pelliculaires. Cependant, le coefficient de réflexion R de ces éléments à pellicules multiples est déterminé de façon fixe par le nombre M des couches multiples, l'indice de réfraction nl de la matière à indice de réfraction élevé et l'indice de réfraction n2 de la matière à indice de réfraction faible. Dans ces éléments, il est impossible de modifier arbitrairement le coefficient de réfle- xion déterminé. Donc, les recherches sur les propriétés des lasers en rapport avec différents coefficients de réflexion nécessitent de préparer des miroirs différents ayant des coefficients de réflexion différents. De plus, il est nécessaire de choisir l'un de ces miroirs en fonction des rayons laser donnés, puis d'ajuster en conséquence. Un réglage du coefficient de réflexion du miroir d'une installation laser par phénomène électrique ou thermique rendrait cet équipement plus uti le. Si l'on pouvait contrôler de façon arbitraire le coefficient de réflexion d'un miroir, on pourrait 1 'utiliser non seulement comme résonateur laser mais également comme modulateur optique. De plus, on pourrait utiliser le miroir pour la commutation Q ou le blocage du mode. La présente invention a pour but d'éliminer les défauts précités des appareils laser et concerne en particulier un élément à pellicules multiples dont on peut contrôler arbitrairement les coefficients de réflexion et de trans-mission de la lumière. Selon l'invention, dans un élément classique à pellicules multiples comportant M couches pelliculaires comme le montre la figure 1, uniquement une des (M-2) couches pelliculaires (qu'on appelle ci-après couches intermédiaires) autre que la couche la plus basse raccordée au substrat de verre 11 et la couche la plus haute, sert de couche de régulation et on peut en régler l'épaisseur optique de façon arbitraire. On ajuste l'épaisseur optique de la couche de régulation en modifiant l'indice de réfraction n de la couche de régulation en ajustant la température ou la tension qu'on lui appliqué, et par conséquent, on peut modifier l'épaisseur optique n x d de la couche de régulation (d représentant l'épaisseur de la couche de régulation avant le changement de son indice de réfraction).Comme le montre la figure 2, un élément à pellicules multiples selon l'invention est constitué d'un substrat en verre 21 de MI couches alternées de matière d'indice de réfraction élevé 22 et de matière d'indice de réfraction faible 23 revêtant le substrat de verre, d'une couche de régulation 24 revêtant les MI couches alternées constituant la couche H1 + 1 couche et M2 couches alternées de matière d'indice de réfraction élevé 22 et de matière d'indice de réfraction faible 23 revêtant la couche régulation, chacune des couches 22 et 23 ayant une épaisseur égale à 1/4 de la longueur d'onde X des rayons laser incidents. Le coefficient de transmission de la lumière de l'élément à pellicules multiples précédemment décrit varie considérablement lorsqu'on modifie l'épaisseur optique de la couche régulatrice 24. Par exemple, lorsque l'épaisseur optique de la couche régulatrice 24 est égale à un nombre impair de quarts de longueur d'onde de la lumière incidente, le coefficient de transmission lumineuse de liéliment à pellicules multiples est très faible, comme celui d'un miroir utilisé pour un résonateur laser classique et, par conséquent, le coefficient de réflexion de l'élément à pellicules multiples est très élevé. D'autre part, lorsque l'épaisseur optique de la couche régulatrice 24 est égale à un nombre pair de quarts de longueur d'onde X de la lumière incidente les coefficients de réflexion et de transmission de la lumière de l'élément à pellicules multiples demeurent inchangés. Ce cas est équivalent au cas où il n'y a pas de couche régulatrice 24. Par exemple, un élément à pellicules multiples selon l'invention peut être constitué de couches alternées de deux matières d'indices de réfraction différents Xune matière à indice de réfraction élevé et une matière à indice de réfraction faible). Dans ce cas, les couches adjacentes aux deux faces (surface supérieure et inférieure) de la couche régulatrice 24 de l'élément à pellicules multiples ont le même indice de réfraction et une épaisseur optique deX/4. Donc, les deux couches entre lesquelles la couche régulatrice est intercalée peuvent etre considérées comme une couche pelliculaire ayant une épaisseur op tique d'l/2 \ , lorsque l'épaisseur de la couche régulatrice est égale à un nombre pair de > /4. Pour cette raison, les deux couches n'ont pas d'effet sur la réflexion et la transmission de la lumière ayant une longueur d'onde de Ceci peut s'appliquer aux deux autres couches adjacentes aux surfaces extérieures des deux couches précitées. De façon semblable, ceci s'applique aux deux autres couches adjacentes aux surfaces extérieures de cesdites deux autres couches. Ainsi, on peut considérer finalement que l'élément à pellicules multiples est équivalent à un élément à pellicules multiples comportant MIN2 couches. On voit donc que le coefficient de transmission de ltélément à pellicules multiples peut être augmenté et son coefficient de réflexion diminué. Bien qu'on ait précédemment décrit un élément à pellicules multiples cogne étant constitué de couches alternées de deux matières d'indices de réfraction différents, on peut décrire de façon semblable tous les éléments à pellicules multiples comportant des couches alternées de plus de deux matières différentes d'indices de réfraction élevés et faibles. Comme précédemment indiqué, dans l'élément å pellicules multiples selon l'invention, on peut changer les coefficients de transmission et de réflexion en modifiant l'épaisseur optique de la couche de régulation. Si l'on suppose que dans un élément à pellicules multiples selon l'invention, MI et M2 sont des nombres pairs, que l'indice de réfraction des couches de rang impair comptées à partir du substrat de verre est nl, l'indice de réfraction des couches de rang pair comptées à partir du substrat de verre est n2 et que l'indice de réfraction de la couche régulatrice est n, le coefficient de transmission T de l'élément à pellicules multiples est exprimé par l'équation suivante où no est l'indice de réfraction du substrat de verre #= = 2#(n. d)/# ;et d = l'épaisseur physique de la couche régulatrice. Comme les couches multiples sont réalisées en une matière transparente à une lumière ayant une longueur d'onde de > , il n'y a pas de perte par absorption. Donc, le coefficient de réflexion R de l'élément peut être exprimé par l'équation suivante R 1-T L'équation (1) ci-dessus montre que l'élément à pellicules multiples de l'invention présente les propriétés suivantes (1) Plus le nombre de couches de l'élément, c'est-à-dire (M1 + M2) est impor tant, plus le coefficient de transmission T de l'élément peut être modifié par changement de l'épaisseur optique de la couche régulatrice 24 (2) Plus la couche régulatrice 24 est près du centre de l'élément, ctest-à-dire plus (M1 - M2) est petit, plus on peut modifier de façon importante le coef ficient de transmission T de l'élément en modifiant l'épaisseur optique de la couche régulatrice 24 ; (3) Plus l'épaisseur optique de la couche régulatrice 24 est proche d'un multi ple pair de 1/4 \ , plus on peut modifier de façon importante le coefficient de transmission T de l'élément en modifiant l'épaisseur optique de la cou che régulatrice 24 ; et (4) Lorsqu'on modifie l'épaisseur optique (n . d) de la couche régulatrice 24 pour qu'elle s'approche d'un nombre pair de 1/4 & on augmente le coefficient de transmission T de l'élément. D'autre part, lorsqu'on modifie l'épaisseur optique (n . d) de la couche régulatrice 24 pour qu'elle s'éloigne d'un mul tiple pair de 1/4 on diminue le coefficient de transmission T. Si le nombre de couches de l'élément à pellicules multiples est important, cet élément peut présenter les propriétés précitées que M1 et 2 pairs ou non. Dans un élément à pellicules multiples dont une partie est constituée par les couches multiples précitées, on peut également régler les coefficients de transmission et de réflexion de l'élément en modifiant l'épaisseur optique de la couche régulatrice. La figure 2 représente la structure fondamentale de l'élément à pellicules multiples selon l'invention. On peut modifier cette structure fondamentale de diverses façons. Par exemple, si la somme de l'épaisseur optique de la M ième couche en comptant au-dessus de la couche régulatrice et l'épaisseur op 3 tique de la M3iime couche en comptant en dessous de la couche régulatrice, est égale à un multiple entier de 1/2 X, les deux couches n'ont pas besoin d'être d'épaisseur égale. L'équation (1) ci-dessus montre qu'on peut modifier le coefficient de transmission T de l'élément en faisant varier l'épaisseur optique la couche régulatrice, que le signe de M1 et de M2 soit + ou -. Il est nécessaire d'interchanger les positions des couches d'indice de réfraction élevé et des couches d'indice de réfraction faible de l'élément à pellicules multiples en correspondance avec le changement de signe de M1 et de M2. Le coefficient de transmission T d'un élément à pellicules multiples dans lequel les couches d'indice de réfraction élevé et les couches d'indice de réfraction faible existant entre le substrat de verre et la couche témoin sont interchangées, peut être exprimé par une équation identique à l'équation (1) ci-dessus, si ce n'est que le signe de M1 est changé. Ceci peut s'appliquer à M2.Comme précédemment indiqué, dans un élément à pellicules multiples où dans la structure illustrée par la figure 2, la matière d'indice de réfraction élevé et la matière d'indice de réfraction faible des deux ou de l'une des couches entre le substrat de verre et la couche régulatrice et les couches au-dessus de la couche régulatrice sont interchan gées, on peut régler les coefficients de transmission et de réflexion de l'élément en modifiant l'épaisseur optique de la couche régulatrice. Des modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits Exemple 1- La figure 3 représente une coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un élément à pellicules multiples selon l'invention utilisé pour réaliser un laser à Ar de 4.880 A. On voit sur la figure 3 un substrat de verre au quartz 31. Ce substrat 31 peut être réalisé en verre optique. Les couches 32 en ZnS ont une épaisseur de 1.220 A. L'épaisseur des couches de ZnS peut être égale à un multiple impair o o O de 1.220 A, par exemple 3.660 A ou 6.100 A. Ces couches 32 peuvent être réali sées par évaporation ou depôt d'une autre matière d'indice de réfraction élevé telle que CeO2 ou TiO2. Les couches 33 en MgF2 ont une épaisseur égale à celle des couches 32. Ces couches 33 peuvent être réalisées en une autre matière de faible indice de réfraction telle que SiO2 ou Na3AlF6.La couche 34 en Sr0,25 Ba 0,75Nb206 a une épaisseur optique de 4.880 A (égale à deux fois la moitié de la longueur d'onde des rayons laser oscillants). L'épaisseur optique de la couche 34 peut être de 7.320 . Un dispositif de chauffage 35 chauffe la couche régulatrice 34 à une température préalablement déterminée, et l'appareil comporte un support 36 du dispositif de chauffage, un détecteur de température 37, un potentiomètre 38, un dispositif d'ajustage de température 39 et un régulateur de température 40. Lors du fonctionnement, la couche régulatrice 34 de l'élément à pel licules multiples est chauffée à une température préalablement déterminée pour qu'elle prenne une épaisseur optique désirée (donc, un indice de réfraction désiré) par l'intermédiaire du dispositif de chauffage 35 réglé par le- dispositif d'ajustage de température 39 et le régulateur 40. Dans ce mode de réalisation, l'élément optique est chauffé dans sa totalité. Cependant, la température de l'élément chauffé n'est pas très élevée et par conséquent, le changement de l'indice de réfraction des couches autres que la couche régulatrice est négligeable.Le changement de la température de l'élément chauffé est indiqué par une différence de potentiel apparaissant dans le potentiomètre 38 qui compare un signal électrique indiquant la température réelle de l'élément, fourni par le détecteur de température 37 avec un signal électrique indiquant la température désirée. Le régulateur 40 est commandé par la différence de potentiel et maintient constante la température de l'élément. Pour changer la température d'ajustage, on règle de façon appropriée le dispositif 39 d'ajustage de la température. Comme le coefficient de température de l'indice de réfraction dn/dt de Sr0,25Ba0,75Nb206 constituant la couche régulatrice est d'environ 1,30 x 104, l'indice de réfraction de la couche régulatrice peut vitre modifié de 1,3 x 10 pour un changement de température de 10 C entre 30 C et 400C. L'épaisseur optique n.d (où d représente l'épais saur de la couche régulatrice) de la couche régulatrice est modifiée par le changement de l'indice de réfraction. Par suite, les coefficients de transmission et de réflexion de la lumière de l'élément optique pour les rayons laser o de 4.880 A sont modifiés.Le changement du coefficient de transmission lumineuse de l'élément optique en fonction du changement de l'indice de réfraction de la couche régulatrice 34 est représentée graphiquement par la figure 4. La couche régulatrice 34 peut être réalisée en BatiO3 (dn/dt = -110 x 10-6) ou en LiTa03 (dn/dt = 50 x 10-6) dont le coefficient de température de l'indice de réfraction est plus important au lieu du Sr0,25Ba0,75Nb2O6. Exemple 2 La figure 5 représente une coupe longitudinale illustrant un autre mode de réalisation de l'invention. Cet élément à pellicules multiples comporte une couche régulatrice. On peut modifier les coefficients de réflexion et de transmission de l'élément pour rayons laser de He-Ne (6.328 A) en appliquant un champ électrique à la couche régulatrice de façon à modifier l'épaisseur optique de la couche régulatrice. Le substrat de verre 52 peut hêtre en verre de quartz ou en verre optique. Les couches 52 peuvent être réalisées en une matière transparente ayant un indice de réfraction élevé telle que ZnS ou Ce02. L'épaisseur optique de la couche 52 peut être de 1.582 A ou égale à un multiple pair de 1.582 .Les couches 53 peuvent être en une matière transparente ayant un faible indice de réfraction telle que MgF2 ou CaF3 et peuvent avoir une épaisseur optique égale à celle des couches 52. Les couches 54 peuvent être réa lisées en une matière conductrice transparente telle que SnO, ou In 0 et peu niatière conductrice transparente telle que SnO2 ou In2O3 et vent avoir une épaisseur optique de 3.164 A ou d'un multiple impair de 3.164 A. La couche régulatrice 55 est intercalée entre les couches conductrices transpa rentes 54 et réalisée en une matière présentant un effet électro optique. L'épaisseur optique de la couche régulatrice 55 peut être de 1.582 A ou très voisine de cette valeur. Des exemples de matières utiles pour réaliser la couche régulatrice dont on peut modifier l'indice de réfraction par phénomène électrooptique par application d'un champ électrique sont le phosphate monopotassique, le phosphate monopotassique deutérié, LiTaQ3 et le zirconate-titanate de lanthane plombeux. Les conducteurs 56 sont raccordés aux couches conductrices transparentes 54 pour appliquer un champ électrique à la couche régulatrice 55. Les autres extrémités des conducteurs 56 sont raccordées à une alimentation en énergie 57. En considérant que la couche régulatrice 55 est réalisée en LiNbO3 et que l'axe Z du LiNb03 est normal au plan de l'élément à pellicules multiples, le changement n de l'indice de réfraction de l'élément pelliculaire provoqué par un champ électrique E appliqué à travers la couche régulatrice 55 ou une tension V appliquée à travers la couche régulatrice 55 peut etre exprimé par l'équation suivante : n = (-)1/2 Comme pour le LiNbO3, la valeur &gamma; 13 est de 8,6 x 10 12 m, et la valeur de no est de 2,176 et que > est égal à 0,633 l'équation ci-dessus se réduit à l'équation suivante # n = (-) 1,53 x 10 V Lorsque les couches à indice de réfraction élevé 52 sont réalisées en ZnS, les couches d'indice de réfraction faible 53 sont réalisées en MgF2 et MI = H2 = 10, l'application d'une tension de 10 V provoque un changement du coefficient de trannission de l'élément d'environ 80 %. Comme on le voit, dans un élément à pellicules multiples de l'invention, l'épaisseur optique de la couche régulatrice peut être réglée par phénomène électrique et le coefficient de réflexion de l'élément peut être modifié rapidement. De plus, on peut facilement manipuler l'élément à pellicules multiples de l'invention et il convient à de nombreuses utilisations. Par exemple, on peut utiliser l'élément de l'invention dans les cas suivants (a) Commutation Q On a à ce jour réalisé la commutation Q par une variation à pente ra pide du Q d'un résonateur laser. Pour cela, le résonateur laser comporte un modulateur ou une solution colorée saturable ou un prisme tournant ou un mi roir tournant comme miroir réfléchissant.Dans un résonateur laser utilisant un élément à pellicules multiples selon l'invention, on peut réaliser la canrmutation Q par variation en pente brusque du coefficient de réflexion de l'élément à pellicules multiples d'une valeur basse à une valeur élevée. Donc, selon l'invention, la commutation Q ne nécessite pas un modulateur ou un autre dispositif provoquant une perte dans un résonateur laser. Aucune partie mobile n'est également nScessaire. Donc, l'invention apporte un dis positif simple, facile à manipuler et dont, par exemple, il est facile de réaliser l'alignement optique. (b) Bocage du mode On a à ce jour réalisé le blocage du mode en agissant sur un modula teur contenu dans un résonateur laser à une fréquence de C/2L ; où L repré sente la distance entre les miroirs formant le résonateur et C est la vi tesse de la lumière. Dans un résonateur laser utilisant un élément à pelli cules multiples selon l'invention, on peut réaliser le blocage du mode en modifiant le coefficient de réflexion du miroir à une fréquence de C/2L. Donc, par conséquent, selon l'invention un modulateur est inutile pour le blocage du mode et on dispose d'un système simple qu'on peut facilement ma nipuler. (c) Modulation : On peut également utiliser un élément à pellicules multiples comme modulateur. Par rapport à des modulateurs classiques utilisant des cristaux électro-optiques, le modulateur de l'invention présente l'avantage d'avoir une taille plus petite, d'être facile à manipuler, par exemple à aligner et de nécessiter une tension moindre pour la modulation. Dans le cas où on utilise un élément à couches multiples selon l'invention comme résonateur laser, on peut réaliser la modulation du laser en modifiant le coefficient de réflexion de l'élément à pellicules multiples. (d) Stabilisation de la sortie laser On peut réaliser la stabilisation de la sortie d'un laser avec un é lément à couches multiples selon l'invention. La structure d'un système à cet effet est schématisée par la figure 6. Un miroir classique 61 et un mi roir 62 utilisant un élément à pellicules multiples selon l'invention sont opposés et forment un résonateur laser. Un tube laser 63 est disposé dans le résonateur laser. Un détecteur 64 reçoit les rayons laser du résonateur. Un amplificateur différentiel 65 reçoit un signal électrique du détecteur 62. La tension de sortie de l'amplificateur 65 est appliquée au miroir 62 dans lequel on utilise un élément à pellicules multiples selon l'invention, comme précédemment indiqué, si bien que le coefficient de réflexion du mi roir 62 peut être réglé de façon à maintenir constante la sortie laser. On utilise une alimentation en énergie 66 pour le tube laser. Cette structure peut s'appliquer à un laser à gaz, un laser à solide et similaires. Comme précEdemment indiqué, l'invention présente les avantages sui vante (1) On peut facilement régler les coefficients de réflexion et de transmission de lrélément à pellicules multiples (2) On peut régler la réflexion et la transmission de ltélément à pellicules multiples en fonction de la température ; et (3) On peut régler la réflexion et la transmission de ltélément à pellicules multiples en appliquant un champ électrique. REVENDICATIONS 1 - Elément à pellicules multiples, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un substrat transparent et de couches alternées de matière d'indice de réfraction élevé et de matière d'indice de réfraction faible déposées sur le substrat, chaque couche ayant une épaisseur constituant un multiple entier d'un quartde la longueur d'onde d'une lumière incidente donnée, une des couches intermédiaires de ces couches constituant une couche de régulation dont on peut contrôler arbitrairement l'épaisseur optique. 2 - Elément à pellicules multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif pour régler l'épaisseur optique de la couche régulatrice comporte un dispositif de régulation de la température de la couche régulatrice. 3 - Elément à pellicules multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche régulatrice est réalisée en une matière présentant un effet électro-optique et en ce qu'un dispositif appliquant un champ électrique est raccordé à la couche régulatrice. 4 - Elément à pellicules multiples selon la revendication 2, caractérisé en ce que les couches d'indice de réfraction élevé sont réalisées en ZnS, les couches d'indice de réfraction faible sont réalisées en une matière choisie parmi MgF2, Si02 et Na3AlF6, et la couche régulatrice est réalisée en une matière choisie parmi SrO,25BaO,75Nb206, Boa 3 et LiTa03. 5 - Elément à pellicules multiples selon la revendication 3, caractérisé en ce que les couches d'indice de réfraction élevé sont réalisées en une matière choisie parmi ZnS et Ion203, les couches d'indice de réfraction faible sont réalisées en une matière choisie parmi MgF2 et CaF3, et la couche régulatrice est réalisée en une matière choisie parmi le phosphate monopotassique, le phosphate monopotassique deutérié, LiTa03, LiNbO3 et le zirconate-titanate de lanthane plombeux. 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