Brevet FR2333265A1 — publié le 19770624

La présente invention, due aux travaux de Monsieur Jean-Claude FARCY des laboratoires de ,-ARCOUSSIS, a pour objet un obturateur à ouverture commandable optiquement. Elle trouve une application en optique et notamment dans l'extraction de l'énergie lumineuse contenue dans un oscillateur laser à modes bloqués. On connaît de nombreux obturateurs utilisables en optique et notamment des obturateurs électro--optiques constitués par des cellules de Xerr ou de Pockels. Ces obturateurs nécessitent pour ieur commande des tensions de valeur généralement élevée, ce qui rend leur mise en oeuvre délicate. De plus, lorsque de tels obturateurs sont utilisés dans des installations où sont mises en 7eu des impulsions lumineuses de forte intensité, ils risquent d'être détruits par llimpul- sion qui les traverse. La présente invention a pour objet un obturateur qui ne présente pas ces inconvénients, notamment en ce qu'il est commandable optiquement et non électriquement, ce qui évite l'utilisation de tensions de commande élevées, et en ce que les risques de destruction par l'impulsion lumineuse qui-le traverse sont considérablement réduits. De façon précise, l'invention a pour objet un obtura teur -à ouverture commandable optiquement, qui est caractérisé en ce qu'il comprend - un interféromètre à deux miroirs réglés pour qu'à une lon gueur d'onde déterminée il soit transparent, - un corps présentant de l'absorption saturable à ladite longueur d'onde, disposé entre les deux miroirs, - des moyens optique s délivrant à un instant choisi une impulsion lumineuse dirigée dans ledit corps et apte à saturer son absorption, ledit obturateur étant alors transparent à ladite longueur d'onde lorsque l'absorption du corps est saturée pendant la durée de l'impulsion lumineuse et réfléchissant lorsque l'absorption du corps n'est pas saturée, en dehors de la durée de ladite impulsion lumineuse. Selon un mode de réalisation avantageux, l'interféro- mètre est du type Pérot-Fabry et il est constitué par deux miroirs plans parallèles ; mais d'autres variantes sont possibles dans lesquelles l'interféromètre est constitué, par exemple, par des miroirs sphériques ou plan et sphérique, dans des configurations quelconques et notamment confocales ou hémisphériques, De préférence, les moyens optiques qui délivrent l'impulsion lumineuse dirigée dans l'absorbant saturable sont constitués par un oscillateur laser. On connaît dézà des dispositifs optiques constitués par un interféromètre, notamment de type Pérot-Fabry, à l'intérieur duquel se trouve disposé un corps absorbant. On pourra consulter à ce sujet, par exemple, le brevet américain 3 725 814 délivré le 3 Avril 1973. Dans de tels dispositifs, le corps disposé dans l'interféromètre n'est pas à absorption saturable. C'est un absorbant ordinaire pour une certaine partie du spectre lumineux, et qui est transparent pour les autres parties du spectre. Un tel dispositif est donc un sélecteur de longueur d'onde ; il est utilisable, notamment, pour bloquer la fréquence d'oscillation d'un laser sur la raie d'absorption du corps utilisé. Le dispositif de la présente invention se distingue par de nombreuses caractéristiques, du dispositif connu auquel il vient d'être fait allusion ; en particulier le corps absorbant disposé dans l'interféromètre selon l'invention, est à absorption saturable, ce qui permet de modifier son absorption, et par conséquent les propriétés de l'interféromètre, et cela dans la plage de longueur d'onde pour laquelle le corps est absorbant. I1 en résulte que le dispositif de l'invention peut être rendu soit transparent soit réfléchissant, pour la longueur d'onde de travail, ce qui n'est pas le cas du dispositif du brevet cité qui est toujours réfléchissant pour la longueur d'onde de travail. Enfin, le dispositif de l'invention se distingue en outre par la présence des moyens optiques destinés à saturer l'absorbant. L'obturateur de l'invention trouve de nombreuses applications en optique où il peut remplacer les cellules électrooptiques de Kerr ou de Pockels. Mais il trouve une application particulièrement avantageuse dans l'extraction de l'impulsion lumineuse se propageant dans ie resonateur d'un laser. Dans cette application l'interféromètre de l'obturateur est utilisé pour constituer l'un des miroirs du résonateur du laser l'impulsion lumineuse de commande de l'ouverture de l'obtura- teur est émise lorsque l'impulsion que l'on veut extraire du résonateur atteint l'interféromètre.Cette application est particulièrement intéressante lorsque le laser d'où l'on veut extraire une impulsion lumineuse est un laser à modes bloqués Cette application de l'obturateur de l'invention couvre tous les types de lasers et spécialement les lasers à anhydride carbonique émettant dans l'infrarouge aux alentours de 10 p ; dans ce cas particulier, l'absorbant saturable peut être, par exemple, de l'hexafluorure de soufre gazeux. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente le schéma de principe de l'obturateur de l'invention - la figure 2 est un diagramme explicatif montrant les variations du coefficient de réflexion présenté par l'obturateur selon que l'absorption du corps est saturée ou non ; - la figure 3 illustre une variante de réalisation simplifiée de l'interféromètre - la figure 4 illustre une application de l'obturateur de l'invention à l'extraction d'une impulsion lumineuse du résonateur d'un laser à modes bloqués. La figure 1 représente l'obturateur de 1 invention. I1 est constitué par un interféromètre à deux miroirs semitransparents 2 et 4 solidaires de moyens de réglage 6 ; entre les miroirs 2 et 4 se trouve un corps 8 présentant de l'absorption saturable à la longueur d'onde de travail. Des moyens optiques 10 peuvent délivrer, à un instant choisi, une impulsion lumineuse 12 dirigée dans le corps 8 ; cette impulsion, par son intensité et sa longueur d'onde, est apte à saturer l'absorption du corps 8. Ces moyens 10 peuvent être constitués, par exemple, par un laser 14 commandé par des moyens électriques 16. Le fonctionnement d'un tel dispositif sera mieux compris en se référant à la figure 2, qui représente les variations du coefficient de réflexion R, porté en ordonnées, présenté par l'interféromètre, en fonction de la longueur d'onde X du rayonnement incident, portée en abscisses.Ainsi qu'il est connu, un interféromètre constitué par deux miroirs possède un coefficient de réflexion qui présente, lorsque la longueur d'onde du rayonnement incident varie-, une succession de minima et de maxima, dont la position et la largeur dépendent de l'écartement entre miroirs et des coefficients de réflexion desdits miroirs, selon des lois bien connues de l'homme de l'art Si l'interféromètre de la figure 1 n'était constitué que par les deux miroirs 2 et 4, selon la structure classique, il présenterait un coefficient de réflexion dont les variations seraient conformes à la courbe 18 avec un minimum accentué notamment au voisinage d'une longueur d'onde A0, pour laquelle le coefficient de réflexion est égal à une valeur minimale Rein. Pour les longueurs d'onde éloignées de X0, et entre deux minima le coefficient de réflexion prendrait une valeur proche d'une valeur maximale R La présence du corps absorbant saturable 8 modifie complètement le comportement de l'interféromètre car, lorsque le corps 8 est absorbant pour le rayonnement incident, celui-ci ne peut plus se propager librement eentre les faces réfléchissantes des miroirs 2 et 4, de sorte que le phénomène d'interférences multiples, qui est à l'origine des propriétés particulières de l'interféromètre, disparait en grande partie. Tout se passe donc pour le rayonnement incident, comme si un seul des miroirs existait, par exemple, le miroir 2 si le rayonnement incident se propage de la gauche vers la droite sur la figure 1. Le coefficient de réflexion présenté par l'interféromètre est alors slm- plement celui du miroir 2 ; les variations de ce coefficient de réflexion en fonction de la longueur d'onde sont faibles et correspondent à une courbe 20 sensiblement plate sur le graphique de la figure 2. Lorsque les moyens 10 sont mis en action pour provoquer, par le Jeu de l'impulsion lumineuse 12, a saturation de l'absorbant 8, celui-ci devient transparent et le phénomène d'interférences multiples est rétabli. Le coefficient de reflexion de l'interféromètre reprend alors la valeur qu'il aurait si l'absorbant n'existait pas, ce qui correspond à nouveau à la courbe 18. En particulier, à la longueur d'onde A0 1 'obturateur devient quasiment transparent (aux pertes près). Mais il devient réfléchissant à cette même longueur d'onde lorsque le corps est absorbant, en l'absence du rayonnement provenant des moyens optiques de commande. Un tel dispositif est donc fondamentalement différent des cellules qui ne contiennent qu'un absorbant saturable car, si de telles cellules sont bien transparentes quand l'absorbant est saturé elles ne sont pas réfléchissantes lorsque l'absorbant n'est pas saturé. Les miroirs de l'interféromètre peuvent être constitués par tout moyen approprié et notamment par des couches multidiélectriques déposées sur des substrats transparents comme le verre ou le quartz, lorsque la longueur d'onde de travail se situe dans le visible, le proche ultraviolet ou le proche infrarouge et lorsque la longueur d'onde de travail se situe dans l'infrarouge lointain, notamment vers 10 microns, par des couches semi-réfléchissantes disposées sur des substrats en sel, comme le chlorure de sodium, ou en germanium. L'absorbant peut être constitué par tout corps connu présentant de l'absorption saturable à la longueur d'onde de travail, et notamment par des colorants, dans le visible ou par de l'hexafluorure de soufre gazeux dans l'infrarouge, autour de 10 microns, ou encore par des verres convenablement dopés. I1 va de soi que l'interféromètre de la figure 1 peut prendre plusieurs formes de réalisation différentes sans que l'on sorte du cadre de l'invention : la variante utilisant un Pérot-Fabry, qui suppose un couple de miroirs plans, n'est pas la seule possible car, dans certains cas, il peut être plus avantageux d'utiliser des miroirs sphériques, qui conduisent à des configurations généralement plus stables. ce qui est notamment le cas de la configuration confocale. Un mode particulièrement simple de réalisation de l'interféromètre de i'invention consiste, selon la figure 3, à utiliser un bloc 30 d'un matériau présentant de l'absorption saturable, par exemple un verre dopé, dont les faces planes et parallèles sont convenablement taillées et polies pour recevoir des couches semi-réfléchissantes 32 et 34. Si le corps à absorption saturable est un gaz ou un liquide contenu dans une cuve aux faces transparentes, il est toujours possible de disposer sur ces faces les couches semiréfléchissantes appropriées. Une application privilégiée de l'obturateur de l'invention est illustrée par la figure 4. I1 s'agit de l'extraction de l'impulsion lumineuse se propageant dans le résonateur d'un laser, notamment à modes bloqués. Selon cette application, on utilise l'interféromètre de l'obturateur de l'invention pour constituer l'un des demiroirs du résonateur. Sur la figure 4, le laser d'où l'on veut extraire l'impulsion lumineuse est constitué classiquement par un miroir 40, à fort coefficient de réflexion, par un milieu amplificateur 42 convenablement excité et par un second miroir 44. Ce second miroir est, selon l'invention, l'interféromètre de l'obturateur de l'invention. Des moyens 46 sont disposés dans le résonateur du laser pour obtenir le blocage des modes du laser. On sait que cette technique consiste à établir une relation de phase entre les différents modes longitudinaux sur lesquels l'oscillation laser peut s'établir, de telle sorte que tous ces modes se verrouillent les uns les autres pour donner naissance à une impulsion extrêmement brève et très intense. Les moyens 46 qui sont connus de l'homme de l'art, peuvent être de nature quelconque. I1 peuvent notamment être constitués par un absorbant saturable ou par des moyens de modulation interne. Ils peuvent même, dans certains cas, être absents lorsque le laser est susceptible de s'autoverrouiller. Au sujet de cette technique de blocage des modes d'un laser, on pourra consulter, par exemple, l'article de L.W. Smith, intitulé "Mode locking of lasers" publié dans la revue "Proceedings of the IEEE", volume 58, nO 9, page 1342, Septembre 1970. Le fonctionnement du dispositif illustré sur la figure 4 est le suivant. L'impulsion lumineuse 48 caractéristique du laser à modes bloqués, va et vient entre le miroir 40 et le miroir 44 formé par l'interféromètre de l'obturateur, tant que celui-ci est réfléchissant pour la longueur d'onde de l'oscillation laser. Lorsque l'on désire extraire l'impulsion 48 du résonateur, les moyens de commande 50 sont mis en oeuvre pour saturer l'absorbant situé dans l'interféromètre 44, de telle sorte que cet interféromètre devienne transparent (aux pertes près) pour la longueur d'onde de l'impulsion 48. Celle-ci s'échappe alors du résonateur, sous la forme d'une impulsion 52. I1 va de soi que si l'on veut obtenir une seule impulsion 52 en dehors du laser, l'ouverture de l'obturateur doit être effectuée pendant une durée suffisamment brève, et inférieure au temps mis par l'impulsion 48 pour effectuer un aller et retour dans le résonateur du laser à modes bloqués. Si ce temps d'aller et retour est, par exemple de 10 nanosecondes, le temps d'ouverture de l'obturateur correspondant sensiblement a la durée de l'impulsion lumineuse de commande émise par les moyens 50, doit etre elle aussi de l'ordre de 10 nanosecondes. Mais cette condition n'est pas impérative car si la durée de l'impulsion de commande dépasse ce temps d'aller et retour, la première impulsion extraite sera suivie d'autres impulsions dont l'intensité sera cependant très inférieure à celle de la première, car le miroir 44 du laser étant devenu transparent, les conditions d'oscillation sont beaucoup moins favorables, de sorte que ces impulsions secondaires peuvent ne pas être gênantes. Les avantages du dispositif illustré par la figure 4, par rapport aux dispositifs antérieurs constitués par des cellules électro-optiques, sont les suivants . En dehors de la période d'extraction pendant laquelle 1 'obturateur est transparent, les paquets de photons qui circulent à l'intérieur du résonateur de l'oscillateur laser sont réfléchis avec un très fort coefficient de réflexion par l'obturateur, ce qui n'est pas le cas avec les dispositifs de l'art antérieur. De plus, avec la disposition proposée par l'invention, on peut utiliser une section du faisceau laser beaucoup plus grande qu'avec les dispositifs antérieurs, par exemple de diamètre 20 cm, ce qui permet d'augmenter l'énergie de l'impulsion extraite sans qu'on soit limité par l'existence de seuils a partir desquels des risques de destruction apparaissent. A titre explicatif, le dispositif de la figure 4 peut être constitué par un oscillateur laser a anhydride carbonique C02 et è excitation transverse émettant, dans le régime a modes bloqués, des impulsions dont l'énergie est de l'ordre de quelques dizaines de Joules en 100 nanosecondes. L'absorbant saturable peut être de l'hexafluorure de soufre à une pression de quelques torr. L'interféromètre Fabry-Pérot peut être constitué par des miroirs ayant chacun un coefficient de réflexion compris entre 0,6 et 0,9. Le coefficient de réflexion de l'obturateur prend une valeur de l'ordre de 90 * lorsque l'hexafluorure de soufre n'est pas saturé et tombe â une valeur de l'ordre de 10 % sous l'effet de l'impulsion lumineuse de commande.Les moyens optiques de commande de l'ouverture de l'obturateur sont constitués par un second laser à anhydride carbonique. I1 va de soi qu'on ne sortirait pas du cadre de l'invention si les moyens optiques destinés a saturer l'absorption du corps disposé dans l'interféromètre étaient constitués par le laser d'où l'on veut extraire une impulsion. Cette application correspond au cas où l'intensité de l'impulsion lumineuse circulant dans le résonateur du laser est suffisamment grande pour que la partie de cette impulsion transmise à travers le premier miroir soit d'intensité suffisante pour saturer l'absorbant et provoquer l'ouverture de l'obturateur. En d'autres termes, l'impulsion lumineuse de commande de l'ouverture peut fort bien être transmise a travers l'un des miroirs de l'interféromètre. REVENDICATIONS 1. Obturateur a ouverture commandable optiquement, caractérisé en ce qu'il comprend - un interféromètre a deux miroirs réglés pour qu'a une longueur d'onde déterminée il soit transparent, - un corps présentant de l'absorption saturable a ladite longueur d'onde, disposé entre les deux miroirs, - des moyens optiques délivrant a un instant choisi une impulsion lumineuse dirigée dans ledit corps et apte a saturer son absorption, ledit obturateur étant alors transparent a ladite longueur d'onde lorsque l'absorption du corps est saturée pendant la durée de l'impulsion lumineuse et réfléchissant lorsque l'absorption du corps n'est pas saturée, en dehors de la durée de ladite impulsion lumineuse. 2. Obturateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interféromètre est du type Pérot-Fabry et est constitué par deux miroirs pl-ans parallèles. 3. Obturateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques sont constitués par un oscillateur laser. 4. Application de l'obturateur de la revendication 1 a l'extraction de l'impulsion lumineuse se propageant dans le résonateur d'un laser, caractérisée en ce qu'elle consiste à utiliser l'interféromètre dudit obturateur pour constituer l'un des deux miroirs dudit résonateur, l'impulsion lumineuse de commande de l'ouverture de l'obturateur étant émise lorsque l'impulsion que l'on veut extraire du résonateur atteint le miroir constitué par ledit interféromètre. 5. Application selon la revendication 4, caractérisée en ce que le laser est un laser a anhydride carbonique, émettant dans l'infrarouge. 6. Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que le corps présentant de l'absorption saturable est de l'hexafluorure de soufre gazeux. 7. Application selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le laser dont on veut extraire l'impulsion est un laser a modes bloqués.