Brevet FR2321789A1 — publié le 19770318

La présente invention concerne des éléments optiques de sélection de longueurs dtondes et, plus particulièrement, des étalons de Babrg-Perot comprenant un intervalle de gaz et ayant un pouvoir de résolution élevé. Comme cela est bien connu, un étalon est souvent utilisé en relation avec un laser à gaz ionisé, par exemple pour réaliser un fonctionnement en fréquence unique. Cet élément optique est unt sorte de résonateur de Fabry-Perot ayant une longueur de résonateur "l" très inférieure è celle "L" du résonateur laser, et, pour être utilisé en relation avec un laser, est disposé dans le. résonateur laser De façon générale, dans un laser à gaz ionisé, la largeur du galn élargi par effet Doppler du milieu laser en raison de l'ef- fet Doppler s'élève à plusieurs GHz et l'oscillation peut survenir sur une telle largeur de fréquence.En réalité toutefois, en raison de la valeur très élevée du coefficient Q du résonateur laser, il existe plusieurs dizaines de raies spectrales pour un intervalle due une déterminé par c/2L, c représentant la vitesse de lumière et L la distance entre les réflecteurs formant le résonateur. Une telle sortie laser rend ce laser indésirable comme source lumineuse destinée à une utilisation en holographie et dans les techniques de traitement d'information analogues utilisant les interférences lumineuses ou dans les domaines de la spectroscopie où la lumière diffusée considérée présente des modifications de fréquence limitée, comme dans le cas de la diffusion Brillouin. En particulier, dans le cas d'une application d'un laser à lthologra- phie ou analogue, l'information d'interférence produite par un spectre de mode longitudinal peut éventuellement Aetre supprimée par un autre spectre de mode longitudinal et, pour des applications des lasers à la spectroscopie; il est alors impossible de séparer la variation de fréquence due à la lumière diffusée par effet Brillouin de celle due à la lumière diffusée par effet Rayleigh. Pour s'accomoder de cette situation.il est toutefois possible de réaliser un laser à gaz ionisé oscillant sur une fréquence unique en-insérant un étalon dans le résonateur de laser à gaz ionisé oscillant à des fréquences différentes pour former en fait une sorte de résonateur composite. Dans un laser formé de cette façon, l'oscil- lation prend seulement place pour l'une des dizaines de raies spec- trales dans la largeur Doppler, ctest-b-dire pour la raie spectrale qui est la plus proche de la fréquence de l'étalon. Une utilisation d'un étalon en relation avec un laser à gaz ionisé a été décrite ci--dessus, mais il existe de nombreu- ses autres utilisations. Par exemple, dans le cas d'un laser S rubis oscillant en fréquence unique, qui est maintenant utilisé pour de nombreuses mesures d'objets mobiles, un étalon est actuellement utilisé pour fournir un fonctionnement en fréquence unique malgré la largeur te bande de fréquence naturelle du milieu laser qui s'élève à environ 300 GHz.En outre, un étalon est indispensable comme élément optique commode utilisable pour rétrécir la largeur d'oscillation d'un laser à colorant, ce dernier type de laser étant de plus en plus utilisé dans le domaine de la spectroscopie. Des étalons précédemment utilises ont toutefois pris de façon générale la forme d'une lame de quartz ayant des surfaces opposées polies, parallèles l'une à l'autre, un revêtement réflecteur d'un pouvoir réflecteur d'environ 20% étant déposé sur chacune des surfaces polies. Comme cela est bien connu, le quartz est un bon matériau optique présentant des pertes par transmission limitées et en raison de son coefficient limité de dilatation thermique, la fréquence de résonance d'un tel étalon plein qui est déterminée par l'épaisseur de la lame de quartz, présente des variations limitées en fonction de la température qui sont seulement de l'ordre de #125 MHz/ C.Toutefois, de façon récente, des étalons plus stables ont été souhaités pour être utilisés en relation avec des lasers à gaz ionisé. Dans cette situation, des matériaux de verre cristallin présentant des coefficients de dilatation thermique encore plus faiblestels que "Neoceram-Zero", marque déposée, fabriqué par Nippon Electric Glass K.K. Japon, et "Cervit", marque déposée, fabriqué par B.T.R. Optics Inc. U.S.A. sont maintenant commercialement disponibles et ont été utilisés pour former des étalons plus stables en fonction des variations de température. Toutefois, cri fait,un matériau de verre cristallin quelconque ne peut être utilisé sous la même forme que la lame de quartz décrite précédemment en raison des pertes optiques plus élevées impliquées et est utilisé pour former un moyen d'espacement cylindri que creux dont les surfaces terminales opposées sont polies parallè- lement l'une à l'autre. Un tel moyen d'espacement sera appelé ciaprès cale. Des miroirs partiellement réflecteurs sont liés aux surfaces d'extrémité polies respectives de la cale pour achever un étalon de Fabry-Perot à intervalle de gaz.Un tel Fabry-Perot à intervalle de gaz sera appelé ci-après et dans les revendications suivants s simplement "é talon -de Fabry- Perot" alors qu'un étalon de Fabry-Perot constitué d'une lame à surfaces polies et traitées sera appelé "étalon de Fabry-Perot plein" selon la pratique usuelle. Avec un tel type de Fabry-Perot utilisant comme matériau de cale: le verre dit "Neoceram-Zero", dont le coefficient de dilatation thermique est sensiblement nul, la variation de température de la fréquence de résonance stest avérée être réduite à #17MHz/ C ou à environ un septième de celle du type classique d'étalon plein utilisant une lame de quartz. L'utilisation d'une telle cale cylindrique creuse a toute- fois présenté certains inconvénients. D'abord, au cours de l'étape de polissage des surfaces extrêmes opposées d'une telle cale on peut difficilement s'assurer qu'il n'y a pas d'application de forces non directement axiales le long de l'axe de la cale en raison de sa forme creuse, contrairement au cas de la forme pleine de la lame quartz. I1 est en conséquence très difficile d'obtenir un étalon de Fabry-Perot présentant un parallélisme requis de 2 secondes ou moins et cela entraîne évidemment un rendement faible de l'opération de polissage et un coût de fabrication élevé. En conséquence, un objet de la présente invention est de prévoir un étalon de Fabry-Perot d'un type perfectionné comprenant une cale cylindrique creuse et un miroir partiellement réflecteur sur chacune des surfaces extrêmes opposées de la cale dans lequel cette cale est construite et disposée de sorte qu'un degré élevé de parallélisme puisse facilement être obtenu, quand on le souhaite, entre les surfaces extrêmes opposée de la cale sans nécessiter d'usinage à haute précision des surfaces extrêmes. Selon la présente invention, la cale cylindrique creuse munie sur chacune de ses surfaces extrêmes opposées d'un miroir partiellement réflecteur comprend deux éléments de cale, cylindriques, creux disposés pour buter l'un contre l'autre selon une relation d'alignement bout à bout. La cale de l'étalon de Fabry-Perot de la présente invention peut avoir ses extrêmes opposées exactement parallèles l'une à L'autre, avec une particulière facilité en raison de sa structure composite, consistant en des éléments dc longueurs axiales égales ou presque égales butant étroitement l'un contre l'autre en relation d'alignement bout à bout.En d'autres termes, la forme composite de la cale peut fournir un parallélisme de deux secondes ou moins entre ses surfaces extrêmes opposées en réglant les éléments de cale 1 en butée angulairement l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de la cale même Si les éléments de cale individuels ont leurs surfaces extrAemes opposées polies -de façon non strictement parallèles l'une à l'autre. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de moues de réalisation particuliers, faite en relation avec les dessins joints dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe axiale dune forme typique d'étalon de Fabry-Perot du type à cylindre creux classique; Les figures 2A,2B et 2C sont des schémas illustrant le procédé selon la présente invention; La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1, représentant un mode de réalisation préféré de la présente inven tion; et Ta figure 4 est une représentation graphique de la relation entre l'angle de rotation relative des éléments de cale et la sortie laser, telle qu'elle est obtenue avec un étalon de Fabry-Perot selon la présente invention inséré dans un résonateur laser à argon i ionisé. La figure 1 représente un type classique d'étalon de Fabry-Perot La référence numérique 1 désigne une cale cylindrique creuse en une seule pièce et la référence 4 désigne deux miroirs partiellement réflecteurs disposés au contact des surfaces extrêmes respectives de cale 1, Comme cela a été exposé précédemment, avec un tel type classique d'étalon de Fabry-Perot, il est très difficile de polir les surfaces extrêmes opposées de cale 1, avec un degré ae parallélisme aussi élevé que 2 secondes ou moins. Le procédé de la présente invention va maintenant être exposé en relation avec les schémas des figures 2A, 2B et 2C. En figure 2A, la référence numérique 11 désigne un cylindre circulaire droit ayant des surfaces extrêmes opposées 12a et 12b, qui sont exactement parallèles l'une à l'autre. On va supposer que le cylindre circulaire 11 est coupé selon sa longueur en deux segments égaux 11a et 11b selon un plan vertical par rap port au plan du dessin et incliné par rapport aux surfaces extra, mes 12a et 12b d'un angle Q . L'un des deux segments ilb est ensuite tourné par rapport à ltautre segment lia qui est fixe, d'un angle de 900 autour de l'axe de ce dernier, comme cela est représenté dans la figure 2B.Dans cette position, le petit axe de l'el- lipse défini par la surface d'extrémité coupée du segment llb coin- cide avec le grand axe de l'ellipse de la surface d'extrémité ad Jacente du segment lla et une ligne diamétrale d de la surface d'ex- trémité 12b, qui est parallèle au petit axe, est inclinée par rapport à la surface d'extrémité opposée 12a d'un angle 0. Ensuite, quand le segment llb est tourné encore de 900, la surface d'extré- mité 12b est placée dans une position inclinée d'un angle 2 Q par rapport à la surface d'extrémité opposée 12a comme cela est représenté en figure SC. Il est clair en conséquence, que 11angle d1incli- naison d'une surface 12a par rapport à l'autre surface 12b varie de O à 2 Q quand l'un des deux segments lia et llb est tourné par rapport à l'autre segment de 1800, Pour conclure, les surfaces extrêmes op posées du cylindre circulaire divisé en sections peuvent être rendues parallèles ou inclinées l'une par rapport à l'autre comme cela est souhaité par un mouvement de rotation relative des segments cylindriques. Il est clair que l'inclinaison relative des surfaces extrêmes est variable en direction ainsi qu'en quantité. On va maintenant supposer que la surface extrême de butée de l'un des segments cylindriques, par exemple lia, est inclinée d1 un angle 91 par rapport à un plan normal à 1 axe central du segment cylindrique lia tandis que celle de l'autre segment cylindrique 11b est inclinéed d'un angle #2 par rapport à un plan normal à l'axe du segment 11b.Les surfaces extrêmes opposées 12a et 12b des segments cylindriques respectifs lia et llb, sont toutes deux sup- posées être normales à l'axe du segment cylindrique associé lia ou ilb. Alors la quantité du parallélisme des surfaces extrêmes opposées 12a et 12b des segments respectifs lia et llbqui est as- surée par -un engagement en butée de l'un des segments avec l'autre varie par suite dlun mouvement de rotation relatif des segments dans une gamme allant de (Q1 - Q2) à (#1 + Q2). Ceci signifie que la quantité de parallélisme peut être réglée avec une précision de L(Q1 + #2) - (|#1 - #2|)]/180 par quantité de rotation angulaire relative. Selon le procédé décrit précédemment, l'étalon de Fabry Perot selon la présente invention comprend une cale cylindrique creuse qui est constitué de deux éléments de cale en butée l'un avec l'autre, en relation d'alignement bout à bout et dont les surfaces extrêmes opposées peuvent avoir un fort degré de parallélisme souhaité entre elles même si les éléments de cale individuels manquent du degré élevé correspondant de parallèlisme entre leurs surfaces extrêmes opposées, tandis que les éléments de cale sont angulairement réglables l'un par rapport à l'autre de sorte que leurs imprécisions s'annulent mutuellement. La présente invention sera maintenant décrite en plus grand détail en relation avec la figure 3 qui représente un mode de réalisation particulier de la présente invention. En figure 3, les références numériques 1a et 1b désignent respectivement des éléments de cale cylindriques creux formés d'un matériau de verre de "Neoceram-Zero" et ayant chacun une longueur axiale correspondant à la moitié de la distance entre miroirs souhaitée "l" de l'étalon. Chacun des éléments de cale peut avoir ses surfaces extrêmes opposées polies non complètement parallèles l'une à l'autre. Comme cela est représenté, les deux éléments de cale sont disposés en relation de butée, proches l'un par rapport à l'autre selon l'axe 3 de l'étalon pour former une cale composée. Sur chacune des faces extrêmes opposées 2a et 2b de la cale composée la -1b, se trouve un miroir partiellement réflecteur 4 qui est formé d'un matériau de verre optique et d'un revêtement réflecteur 5 déposé sur la surface du substrat adjacente à l'élément de cale voisin 1a ou 1b et d'un revêtement anti-reflets ou de réduction de réflexion 6 déposé en phase vapeur sur la surface opposée du substrat. La référence numérique 7 désigne un boîtier de forme généralement cylindrique qui est muni à une extrémité d'une partie de support s'étendant radialement vers l'interieur ou flasque annulaire, comme cela est représenté, dans lequel les éléments de cale la et 1b et les miroirs partiellement réflecteurs 4 sont insérés de façon serrée par l'intermédiaire de l'autre extrémité ouverte du boîtier selon l'ordre suivant: l'un des miroirs partiellement réflecteur 4, les éléments de cale 1a et 1b, et l'autre miroir partiellement réflecteur 4. La référence numérique 8 désigne un ressort de compression hélicoidal disposé dans le boîtier 7 axialement vers ltextérieur des composants la, 1b et 4 de l'étalon, c'est-à-dire à l'extérieur du miroir partiel liement réflecteur mentionné en second.La référence o désigne un moyen de blocage annulaire fixé dans cette extrémité du bottier. te ressort hélicoidal 8 est comprimé entre le miroir adjacent 4 et le moyen de blocage annulaire 9 tandis que ce dernier est vissé dans l'extrémité du boîtier et, de cette façon, les composants 1a, lb, et 4 de l'étalon sont fermement maintenus- deux à deux et, dans leur ensemble, contre le flasque support annulaire du boîtier dans un état monté. La positon angulaire relative des éléments de cale 1a et 1b ainsi assemblés selon l'axe 3 peut être rendue facilement réglable en position angulaire relative comme cela est souhaité simplement en desserrant le moyen de blocage annulaire 9.Le réglage angulaire des moyens de cale autour de l'axe 3 peut également être effectué facilement, tandis qu'ils sont maintenus en engagement de butée étroit l'un avec l'autre, en utilisant des moyens de réglage appropriés comprenant par exemple un élément de montage approprié et un mécanisme pour le faire tour ner. Le diagramme de la figure 4 représente schématiquement l'effet du réglage angulaire des éléments de cale. Dans ce schéma, les abscisses représentent l'angle de rotation relative # en degré des éléments de cale 1a et 1b tel qu'il est mesuré à partir d'une positon 0 arbitraire et les ordonnées représentent la sortie P en fréquence unique, en milliwatts, pour un laser à argon ionisé de 700 mW obtenue à partir d'une raie spectrale à 5145 , l'étalon de Farby-Perot décrit précédemment étant inséré dans un résonateur laser.Comme on peut l'observer à partir du schéma, une sortie maximale a été obtenue pour un angle de rotation relative d'environ 280 , ce qui indique que l'étalon ob tenu avec les éléments de cale réglés à une telle position angulaire relative est pratiquement parfait, présentant un degré complet de parallélisme souhaité. Comme cela a té décrit précédemment, dans as cas d'une cale classique formé en une seule pièce, il était très difficile de polir les surfaces d'extrémité opposées selon un degré de parallélisme souhaité de 2 secondes ou moins et il n'y avait pas de garantie de qualité pour les produits obtenus. Au contraire, l'étalon de Fabry-Perot selon la présente invention, comprenant une cale composéede deux parties peut avoir des qualités pratiquement parfaites, les éléments de cale étant réglés angulas- rement l'un par rapport à l'autre. En outre, en utilisant un matérieu de cale ayant un coefficient extrêmement faible de dilatation thermique, on peut obtenir un étalon de Fabry-Perot très stable en fonction des variations de température utilisant pleinement les avantages des caractéristiques thermiques du matériau de cale. On notera que selon la pré-rente invention, Un étalon de Fabry-Perot pouvant avantageusement être utilisé en relation avec un laser à gaz ionise'. otl à colorant peut être obtenu facilement et a un coût de production réduit. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS I - Etalon de Fabry-Perot du type comprenant une cale cylindrique creuse et des miroirs partiellement réflecteurs prévus sur chacune de. se surfaces opposées, caractérisé en ce que cette cale est constituée de deux éléments de cale cylindriques creux dis poses en contact intime l'un avec l'autre en relation dtalign- ment bout à bout. 2- Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de cale sont formés d'un matériau de verre cristallin ayant un coefficient de dilatation thermique réduit. 3- Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 2, carctérisé en ce que chacun des éléments d'espacement a ses surfaces opposées polies sensiblement normalement à son axe. 4- Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 1, carctérisé en ce que les miroirs partiellement réflecteurs prévus à chacune des surfaces d'extrémité opposées de cale cylindrique creuseent leurs surfaces d'extrémité opposées polies parallèlement l'une à l'autre. 5- Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 4, caractérisé en ce que les miroirs partiellement réflecteurs ont sur leurs surfaces en contact avec la cale cylindrique creuse un revêtement réflecteur d'un pouvoir réflecteur de l'ordre de 20% pour une longueur d'onde prédéterminée et sur l'autre surface un revêtement anti-reflets. 6 - étalon de Fabry-Perot selon la revendication 5, carctérisé en ce que les substrats des miroirs partiellement réflecteurs sont en quartz. 7 - Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour loger et main tenir les deux éléments de cale cylindriques creux et les miroirs partiellement réflecteurs prévus à chacune des surfaces extrêmes opposées de la cale dans un état assemblé. 8- Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un boîtier de forme cylindrique mani à l'une de ses extrémités d'une partie de support s'étendant radialement vers l'intérieur et ouvert à son autre extrémité pour recevoir l'un des miroirs partiellement ré flecteurs, les deux éléments de cale cylindriques creux, et l'autre miroir partiellement réflecteur dans cet ordre ; un ressort compresseur étant disposé dans le boîtier axialement vers l'extérieur de l'autre miroir partiellement réflecteur ; un moyen de verrouillage annulaire étant disposé de façon réglable dans le boîtier à son autre extrémité pour verrouiller les composants de l'étalon reçus dans le boîtier l'un contre l'utre et contre la partie de support du boîtier par l'intermédiaire d ressort de compression. 9- Etalon de Fabry-Perot selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réglage pour permettre à l'un deux moyens de cale cylindriques creux de tourner autour de l'axe de la cale tout en étant maintenu en rclation de butée intime avec l'autre moyen d'espacement.