Brevet FR2186758A1 — publié le 19740111

L'invention concerne un laser polychrome. On. désigne par ces termes les lasers dont le rayonnement est constitué de composantes de fréquences différentes, à chacune desquelles correspond une raie discrète, l'ensemble de ces raies formant le spectre du laser. L'invention concerne plus particulièrement ceux de ces lasers dans lesquels ces fréquences sont celles de radiations lumineuses. De tels lasers sont connus. On sait qu'ils doivent leur caractère polychrome à la propriété de leur plasma d'être excitable simultanément à divers niveaux. C'est le cas en particulier des lasers à argon dans lesquels on observe, au moins au début de la vie de ces lasers, six raies différentes correspondant à six niveaux d'excitation différents. Lorsque l'on opère avec de tels lasers, il peut arriver que l'on désire, dans certaines applications, l'holographie par exemple, utiliser successivement l'une ou l'autre de ces fréquences seule. Une sélection de fréquence s'avère donc nécessaire permettant d'isoler des autres celle de ces fréquences sur laquelle on désire opérer. Cette sélection se fait au moyen d'un sélecteur de fréquence ou sélecteur de raie incorporé au laser. La sélection en question ne va cependant pa-s sans difficultés, dont l'une tient, en particulier, à leextr8me précision avec laquelle doivent titre maintenues, pour un fonctionnement convenable, la direction et la position du faisceau émis par le laser, lorsque l'on passe de l'une à l'autre des fréquence du spectre. l'objet de la présente invention est un laser polychrome à sélecteur de raie dans lequel cette difficulté est pratiquement résolue, contrairement au cas de ceux de l'art antérieur connu. Pour la compréhension de l'invention on se reportera à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent - figures la et lb : une vue schématique d'un laser et une vue schématique du même laser muni d'un sélecteur de raie, respectivement ; - figures 2 et 3 : des schémas explicatifs au fonetionnenent du sélecteur de raie utilisé dans les lasers de l'invention - figure 4 : une vue en coupe montrant l'articulation du sélecteur de raie d'un laser de l'invention. La figure la est une vue schématique d'un laser. On admettra que le laser représente sur cette figure est un laser polychrome bien que rien, sur une telle vue, ne permette de distinguer un laser polychrome d'un laser émettant une radiation monochromatique. Sur cette figure, on distingue en i un tube obturé à ses extrémités par deux lames transparentes 2 et 3, rempli d'un plasma gazeux, non repssrd, ni matérialisé sur la figure et des moyens 4, Felul-c de toute nature, propres à exciteS. Le faisceau lumineux émis par ce plasma sous l'effet de cette excitation est représenté par le trait horizontal central, dirigé suivant l'axe du tube 1. Ce faisceau se propage entre deux miroirs 5 et 6 qu'il frappe sous l'incidence normale et sur lesquels il se réfléchit.Ces deux miroirs forment une cavité résonnante pour le rayonnement émis par le laser. les deux miroirs 5 et 6 ont éte représentés symboliquement sur le schéma de la figure 1 par deux petits rectangles dont l'un des grands cotés porte des hachures figurant la couche réfléchissante. Cette représentation ne préjuge en rien de la forme exacte de ces miroirs qui peuvent être soit des miroirs plans soit des miroirs sphériques concaves, ces derniers, on le sait, étant préférés aux miroirs plans pour diverses raisons. les lames 2 et 3 sont généralement inclinées sur l'axe du tube, comme connu de l'art, de façon à recevoir le faisceau sous l'incidence brewstérienne. Enfin parmi les deux miroirs, l'un, celui de gauche sur la figure, test que partiellement réfléchissant de manière à former une fenêtre de sortie pour le faisceau lumineux émis par le laser s ce faisceau sort du laser dans la direction de la flèche de gauche. La figure lb représente le même laser muni d'un sélecteur de fréquence. On retrouve sur cette figure tous les éléments de la figure la et en outre un prisme 7 interposé sur le trajet du faisceau lumineux entre la lame 3 et le miroir 6. le faisceau lumineux dévié par le prisme 7 suit la ligne brisée entre son entrée dans le prisme et le miroir 6. la présence du prisme 7, par la déviation variable avec leur fréquence qu'elle imprime aux différentes composantes du faisceau, permet la sélection de fréquence recherchée. Un déplacement du miroir 6 est cependant nécessaire si l'on veut conserver au faisceau un trajet invariable dans sa partie située à gauche du prisme sur les figures la et 1b, lorsque l'on passe d'une fréquence à une autre fréquence de fonctionnement. Ce déplacement est précisé ci-dessous à l'aide de la figure 2. Sur cette figure, on a représenté la section droite du prisme 7 dans un plan contenant le faisceau émergeant suivant la flèche D de la lame 3 (figure lob). le faisceau pénétrant dans le prisme en A, sa composante de fréquence f suit le trajet LBm vers le miroir M supposé sphérique et de sommet m, qu'elle aborde sous une incidence normale ; le centre de ce miroir est alors situé sur la droite mB. la composante du faisceau de fréquence fedf suit le trajet représenté par la ligne en trait interrompu AB1m distincte du précédent par suite de l'inégalité des déviations imprimées par le prisme à ces deux composantes Pour conserver la condition d'incidence normale mentionnée plus haut il est alors nécessaire que le miroir sphérique E vienne occuper la position M1, le sommet du miroir passant de m à m1, et la droite portant le centre du miroir dans Sa nouvelle position de mB à m On voit sur cette figure que le déplacement du miroir M doit alors consister en une rotation autour-de l'axe perpendiculaire au plan de la figure au point 0, intersection des droites Bm et B1m1. Ce point n'est autre que le point de convergence virtuel des deux faisceaux déviée sur les fréquences f et f+df (en pointillé dans leur partie virtuelle). Tout déplacement du miroir sphérique M autre que cette rotation entrainerait l'inconvénient de déplacer le faisceau réfléchi par rapport à l'axe du tube laser c'est-à-dire par rapport à la droite portant la flèche D précédente. Par exemple, la rotation du miroir M d'un angle égal à celui dea rayons m3 et m131 autour de l'axe se projetant en m sur le plan de la figure, amenant le centre de ce miroir sur la droite mB2, donnerait pour la composante du faisceau incident de fréquence f+df un faisceau réfléchi se propageant sensiblement suivant la ligne brisée en trait mixte mu2 4 déportée par rapport à la ligne m1B1A1 espar conséquent, un faisceau réfléchi déporté par rapport à l'axe du tube à plasma du laser représenté sur les figures la et lb. Le calcul montre que le point 0, défini plus haut comme l'intersection des deux faisceaux émergeant du prisme correspondant aux deux fréquences f et f+df, est en première approximation, pour une direction du faisceau incident D donnée, commun à tous les faisceaux émergents dans une certaine plage de fréquence df à partir de la fréquence f. Ce calcul montre qu'il est par conséquent possible de réaliser la -condition d'incidence normale pour toutes les fréquences de cette plage par la seule rotation du miroir sphérique M autour de l'axe perpendiculaire en O au plan de section droite du prisme. En réalisant cette condition, on assure l'invariance du trajet suivi par le faisceau dans le laser à gauche du point d'incidence A, et on évite l'inconvénient mentionné ci-dessue. L'amplitude de cette rotation varie évidemment avec la fréquence de la raie considérée. Ajoutons enfin que la rotation autour de l'axe perpendiculaire en m au plan des figures 2 et 3 considéré à titre d'exemple asu- rerait cette invariance dans le cas d'un miroir M plan. Il est connu toutefois que l'emploi de tels miroirs présente de nombreux inconvénients. Clest pourquoi lton n'a envisagé dans ce qui précède que le cas de miroirs M sphériques. Mais il va sans dire que l'invention, valable pour des miroirs sphériques, s'applique aussi au cas de miroirs M plans. la plage de fréquences dans laquelle cette approximation est valable couvre en particulier celle des lasers à argon dont il a été question plus haut. la figure 3 a pour objet de préciser la position du point 0 sur la portion virtuelle en pointillé du faisceau rdfractd MM. Sur cette figure on a reporté les différents angles caractérisant le trajet du faisceau à l'intériear du prisme, dont la représentation a été limitée à ses deux faces latérales, pour deux radiations de fréquence f et f+df. N, N1 et N2 désignent des normales à ces faces. Ces angles sont désignés sur cette figure par les lettres a b c d pour la composante de fréquence f et par a+da, b+db, c+dc, d+dd pour la composante de fréquence f+df. Avec ces notations la distance r du point O au point B est donnée par la formule dans laquelle n désigne l'indice de réfraction du matériau constitutif du prisme 7 pour la fréquence f, et L la longueur A3. On voit bien sur cette formule que r est indépendant en première approximation de la variation d'indice dn du matériau du prisme correspondant à la variation de fréquence df. En toute rigueur les faisceaux réfractés correspondant aux différentes fréquences ne convergent pas vers un point mais enveloppent une surface connue sous le nom de caustique. Bans les limites spectrales des lasers auxquels se rapporte l'invention, llassimilation de cette caustique b un point, le point O précédent, s'avère légitime, comme l'ont montré les réalisations de la demanderesse qui ont révélé un excellent accord entre les résultats obtenus et la formule ci-dessus. Lorsque le prisme 7 est orienté par rapport au faisceau laser de façon à titre au minimum de déviation pour la fréquence f, et à recevoir le faisceau sous l'incidence brewstérienne à cette fréquence1 on a par suite de la première de ces conditions b = c et par suite de la deuxième c = d = a, tous ces angles étant alors égaux au demi-angle au sommet S du prisme, la formule donnant devient dans ces conditions t =1 La figure 4 est une vue en coupe partielle montrant l'articu lation du sélecteur de raie d'un laser de l'invention.Cette coupe est celle d1un plan perpendiculaire à l'axe de rotation O précédent que l'on retrouve sur cette figure avec le prisme 7, le miroir M et le trajet DABm du faisceau du laser arrivant suivant la flèche D le miroir M est fixé sur le porte miroir 20 tandis que le prisme est maintenu fixe par rapport au socle 22 par une bride 30. les déplacements du miroir M par rapport au prisme 7 devant 'effec- tuer avec une extrême précision et sans jeu celle-ci est réalisée, dans l'exemple décrit, par déformation. élastique de deux lames d'acier à ressort 21a et 21b, parallèles entre elles, disposées symétriquement par rapport au prisme 7 et dont l'une est visiblesur la figure. Ces lames sont fixées d'une part sur le socle 22, par les pièces 23, et d'autre part sur le porte miroir 20 par les pièces 24 au moyen de vis dont l'une est visible pour chacune de ces pièces, en 25 et 26 respectivement. la rotation du miroir est obtenue par flexion des lames,par action sur une vis sans jeu 27 prenant appui sur la pièce 28 solidaire du socle 22. tes caractéristiques du laser de l'exemple de la figure 4 étaient les suivantes te laser était un laser à argon à pompage optique effectué à partir d'une cathode et d'une anode fournissant un courant de 10 A sous 200 Volts ; le spectre du laser comportait six raies de 4579, 4765, 4880, 4965, 5017 et 5145 A de longueur d'onde, couvrant une plage de 566 A. Le prisme, en silice fondue, d'un angle au sommet de 689 46' et d'indice compris entre 1,465 pour la plus petite de ces longueurs d'onde et de 1,461 pour la plus grande, était orienté au minimum de déviation pour cette dernière longueur d'onde et recevait dans cette position le faisceau sous l'incidence brewstérienne, dans une direction faisant un angle de 340 23' avec la face d'entrée du prisme.Le laser comportait un tube à plasma en glucine d1un diamètre intérieur de 1,2mm et de 20cm de longueur rempli d'argon sous une pression de îmm de Hg disposé entre deux petits miroirs sphériques placés symétriquement par rapport au tube,sur l'axe de celui-ci à une distance de 80cm l'un. de l'autres leur concavité tournée vers le tube à plasma.Ces miroirs consistaient en de petites calottes sphériques en verre de 1cm de diamètre environ, de 2 mètres de rayon ae courbure, recouverte sur leur face concave, suivant la technique connue, d'une succession de couches alternativement en oxyde de titane et en oxyde de silicium formant un revatement réfléchissant à plus de 99% pour le miroir de droite, miroir Z sur la figure, et à environ 98% pour l'autre, qui constituait la entre de sortie du laser. te point O se trouvait dans ces conditions situé à environ 2mm du point B sur le rayon émergeant Bm, dans la partie virtuelle de celui-ci, à l'intérieur du prisme 7, comme le montre la figure 4. la rotation totale nécessaire pour explorer le spectre était d'une fraction de degré. REVENDICADIONS 1. laser polychrome comprenant un tube contenant un plasma et des moyens pour exciter ledit plasma, celui-ci émettent sous 11 effet de cette excitation un rayonnement électromagnétique, sous la forme d1un faisceau de lumière polychrome formé de composantes de fréquences différentes, et, de part et d'autre du tube, sur le trajet du faisceau, deux miroirs au moins partiellement r-éflé- chissants disposés de façon à former une cavité résonnante pour ledit rayonnement, et comprenant en outre un prisme placé entre le tube et l'un des miroirs sur le trajet du faisceau, pour la sélection de l'une de ces composantes par un déplacement approprié de ce dernier miroir, caractérisé en ce que ce déplacement consiste en une rotation autour de l'axe parallèle à l'arête du prisme passant par le point vers lequel convergent les directions dans lesquelles ces composantes émergent du prisme vers ce miroir. 2. Laser polychrome suivant la revendication I caractérisé en ce que, les deux miroirs étant l'un réfléchissant et l'autre, servant de fenêtre de sortie pour le faisceau, partiellement réfléchissant seulement, celui de ces deux miroirs auquel est appliqué la rotation est le miroir réfléchissant.