Brevet FR2147976A1 — publié le 19730311

La présente invention concerne un dispositif permettant de produire un rayonnement laser stabilisé en fréquence dans un laser annulaire à gaz présentant une transition laser élargie de manière non homogène, et au moyen duquel on peut obtenir une stabilité de fréquence supérieure à 10 10 Par suite de variations mécaniques et thermiques dans le résonateur optique, la fréquence du rayonnement d'un laser à l'intérieur de la largeur de raie de la transition à effet laser est soumise à de fortes variations. On connait plusieurs procédés et dispositifs pour produire un rayonnement laser stabilisé en fréquence. Un procédé appliqué industmellement utilise l'effet de chute connu sous le nom de "Lamb dip" pour stabiliser le rayonnement initial de lasers à gaz.La puissance initiale au centre de la transition laser élargie de maniere non homogène présente un minimum de sorte qu'en mesurant la présence de départ et par réajustement automatique de la fréquence de laser, effectué par exemple au moyen d'un organe de réglage électromagnétique cette fréquence peut, au prix d'une faible dépense technique, être maintenue au niveau du minimum de manière à rester constante. D'autres procédés et dispositifs connus utilisent des caractéristiques spéciales de lasers annulaires pour produire un rayonnement laser stabilisé en fréquence. Des mesures spéciales sur le plan de l'appareillage permettent aux amplitudes des ondes circulant en sens opposés d'être rendues égales seulement en un endroit déterminé au voisinage du centre de la raie Doppler de sorte que, dans un procédé connu, une comparaison de ces amplitudes permet d'obtenir de manière simple un signal derQghageenue du réajustement de la longueur optique du résonateur. Un autre procédé connu applicable avec une faible dépense technique en cas d'utilisation d'un laser annulaire à gaz consiste à produire par des effets de concurrence une séparation dampli- tudes des deux sens de circulation et à obtenir à partir de la différence d'intensité ainsi établie un signal qui est utilisé de la matière décrite pour le réajustement de la fréquence. Ce procédé permet, avec une précision plus grande que dans le procédé précité, d'établir une différenciation entre les deux ondes circulantes pour un faible écart de fréquence de façon à assurer une plus grande stabilité de la fréquence. Les procédés cités en premier ne permettent d'obtenir qu'une stabilité de fréquence de 10 6 à 10 9 alors que le procédé cité en dernier donne une précision de 10 9 à 10 10. Des procédés connus permettant d'obtenir une meilleure stabilité utilisent un absorbeur non linéaire associé au laser et présentant une raie d'absorption à l'intérieur de la transition laser. Par suite de l'absorption non linéaire de l'absorbeur, il se produit au centre de la raie d'absorption un accroissement d'intensité de la puissance de sortie de l'ordre de grandeur de 1 /ooàl et,p nivellement suivant cette crête, on peut procéder de manière connue à un réajustement du laser. Cependant, étant donné que l'effet est difficilement mesurable en raison des faibles différences d'intensité, la mise en oeuvre de ces procédés entraîne une forte dépense sur le plan technique. La présente invention crée un dispositif destiné à stabiliser la fréquence d'un laser annulaire à gaz et qui permet d'obi tenir une stabilité de fréquence supérieure à 10 10 moyennant une dépense technique plus faible que par le passé. Elle vise à obtenir, pour des écarts de fréquence meme minimes des deux ondes circulant en sens opposés (inférieurs à 10-10)et avec une faible dépense technique, un signal de-réglage- de forte puissance de façon que le laser annulaire puisse être réajusté à de faibles frais avec des moyens connus. Ce résultat est obtenu suivant la présente invention par le fait que, dans chaque sens de circulation du laser annulaire, il est excité deux modes axiaux situés à peu près symétriquement par rapport au centre de la raie d'-émission, élargie par effet Doppler, du laser et dont la distance est supérieure à \fois la largeur naturelle de la raie laser et qu'un couplage optique des deux sens de circulation est effectué, des gaz isotopiquement purs étant utilisés. Par suite des caractéristiques de l'invention, il se produit dans une gamme de fréquences relativement faible une forte variation d'intensité du rayonnement laser des deux sens de circulation qui peut être utilisée pour stabiliser la fréquence en mesurant les variations d'intensité au moyen d'un ou deux récep teurs photoélectriques et en transformant ces variations en 8i- gnaux électriques qui sont convertis par des moyens connus et sont exploités pour corriger la variation de fréquence. La cor rection de la fréquence laser s'effectue par exemple en permet tant aux signaux électriques transformés par voie électronique de commander un organe électromagnétique faisant varier la longueur du résonateur.Etant donné que le fluide à activité laser présente une transition élargie de manière non homogène, il se manifeste entre les oscillations laser circulant en sens opposés dans le résonateur annulaire des effets de concurrence qui sont particulièrement prononcés lorsque les fréquences des deux modes axiaux du laser sont situées à peu près symétriquement par rapport au centre de la raie d'émission, élargie par effet Doppler, du laser et qui ont pour effet que l'intensité laser dans un sens de circulation dé croit fortement et peut même être rendue nulle alors que celle de l'autre sens de circulation croît considérablement et peut même être bublée. il s'est avéré que ce phénomène ne se produit que si la distance entre les modes axiaux est supérieure2fois la largeur de raie naturelle du fluide à activité laser et Si la pureté isotopique des atomes à activité laser est assurée. Pour un degré de pureté isotopique inférieur à 99 *, le mode d'action décrit n'est plus assuré. Pour un laser hélium-néon, la pureté isotopique du néon doit, par exemple, être supérieure à 99,9 %. lorsque, à présent, par suite d'une variation mécanique ou thermique de la longueur du résonateur, la fréquence laser quitte la position symétrique par rapport au centre de la raie, les effets de concurrence se trouvent réduits et les intensités laser dans les deux sens de circulation se rapprochent l'une de l'autre. A l'aide de moyens connus en soi, cette variation d'intensité est exploitée par voie électronique pour réajuster la fréquence laser, ce qui peut s'effectuer par exemple au moyen d'un organe électromagnétique par rétablissement de la longueur initiale du résonateur. le fait de maintenir constante la fréquence du laser peut s'effectuer par exemple au niveau de la différence d'intensité maximale entre les deux ondes circulant en sens opposés. Pour éviter d'éventuels défauts de stabilité qui se manifestent par le fait que la diminution ou l'accroissement d'in tensité dû à la concurrence se produit alternativement dans les deux sens de circulation puisqu'aucun de ces sens n'est excellent, on réalise un couplage optique des deux sens de circulation afin d'améliorer encore la différenciation des deux ondes circulantes. Cela s'effectue en permettant à une partie de la puissance de laser retirée dans un sens de circulation d'entre remise en jeu dans l'autre sens. Ainsi, ce dernier sens de circulation est rendu préférentiel et l'on obtient dans celui-ci toujours un accroissement d'intensité dû à la concurrence.Le couplage optique est effectué de manière avantageuse en disposant un miroir partiellement transparent dans le résonateur annulaire et, perpendiculairement à un rayon mis hors d'action, un autre miroir qui permet à ce rayon mis hors d'action dans l'un des sens de circulation d'être remis en jeu dans l'autre sens de circulation. Entre les deux miroirs, on peut encore disposer sur le trajet de rayonnement un atténuateur qui est traversé par ledit rayon mis hors d'action. La stabilité de fréquence pouvant être obtenue dépend essentiellement de la largeur de la gamme de fréquences dans laquelle les effets de concurrence entre les deux sens de circulation se manifestent. Dans un exemple de réalisation spécial utilisant un laser hélium-néon avec une longueur d'onde de 632,8/in, on a obtenu une largeur inférieure à 1 MHz. Ceci permet dévaluer que le dispositif suivant l'invention permet d'obtenir une stabilité de fréquence relative de 10 10 à 10-11. Comparé à des dispositifs connus offrant le même degré de stabilité, le dispositif suivant l'invention peut être réalisé avec une dépense technique relativement faible. L'invention est expliquée plus en détailei-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation illustré au dessin annexé. la figure représente une forme de réalisation du dispositif suivant l'invention pour produire un rayonnement laser stabilisé en fréquence dans un laser annulaire à gaz. Il est utilisé un résonateur annulaire dont la cavité résonnante est formée par les miroirs partiellement transparents 1, 2 et le miroir hautement réfléchissant 3. Dans cavité résonnante, il se trouve un fluide à activité laser 4 présentant une transition élargie de manière non homogène et caractérisé en ce qu'il existe un rapport déterminé entre sa largeur de raie naturelle et la distance entre les deux modes axiaux = la distance entre les modes axiaux,et = la largeur de raie homogne de la transition laser les oscillations laser circulant en sens opposés dans la cavité résonnante se concurrencent par interaction avec le fluide à activité laser.Ce comportement est favorisé par le couplage optique des deux sens de circulation qui est obtenu en l'occur- rence par le fait que l'oscillation laser circulant vers la droite et mise hors d'action par le miroir partiellement transparent 1 est réinjectée, par l'intermédiaire de l'atténuateur 6, dans le résonateur annulaire, -à savoir dans l'oscillation laser circulant vers la gauche. Les rayons partiels mis hors d'action au niveau du miroir de résonateur 2 sont envoyés sur le ré ce teur photoélectrique 7. les seaux électriques obtenus dans ce dernier arrivent à un composant électrique 8 connu en soi dans lv quel ils sont transformés en impulsions de réglage et permettent, par l'intermédiaire d'un organe électromécanique 9, de réajuster la fréquence du laser à la valeur nominale. REYENDICATI00IS 1 - Dispositif pour produire un rayonnement laser stabilisé en fréquence dans un laser annulaire à gaz présentant une transition laser élargie de manière non homogène, caractérisé en ce que dans chaque sens de circulation du laser annulaire il est excité deux modes axiaux qui sont situés à peu près symétriquement par rapport au centre de la raie d'émission, élargie par effet Doppler, du laser et dont la distance réciproque est supérieure à2 fois la largeur naturelle de la raie laser, en ce qutil est réalisé un couplage optique des deux sens de circulation et en ce que des gaz isotopiquement purs sont utilisés. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise en tant que fluide à activité laser 4 un mélange d'hélium et de néon et en ce que la pureté isotopique du néon est supérieure à 99,9 %. 3 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le couplage optique des deux sens de circulation est réalisé en disposant dans le résonateur annulaire un miroir partiellement transparent 1 et en prévoyant, perpendiculairement à un rayon mis hors d'action, un autre miroir 5, un atténuateur 6 pouvant être disposé sur le trajet du rayon entre le miroir partiellement transparent I et le miroir 5.