Brevet FR2405570A1 — publié le 19790504

La presente invention a pour objet 'n laser à plusieurs longueurs d'onde et à oemmutation rapide. Elle trouve rne application notamment dans le dosage des polluants dans l'atmosphère. Lorsqu'on effectue des mesures d'absorption avec un faisceau laser (par exemple en mesure de la pollution atmosphérique par spectroscopie d'absorption), il est utile et dans certains cas nécessaire, de disposer d'un faisceau de référence pour qu'on puisse distinguer, dans les variations des signaux enregistrés, la part qui provient de l'absorption a mesurer de celle qui est due à des phénomènes parasites tels que l'humidité de l'air, sa teneur en gaz carbonique et en poussières, etc... Il s'est donc avéré utile de disposer de lasers capables d'émettre deux (ou plus de deux) faisceaux de longueurs d'onde distinctes, l'un servant à la mesure proprement dite et l'autre constituant un faisceau de référence. Dans le cas particulier du dbsage des polluants dans l'atmosphère, ces deux faisceaux doivent réunir autant que possible, les oonditions suivantes - leurs trajets doivent etre confondus dans l'espace, de manière à oe qu'ils traversent tous deux la même zone atmosphérique et puissent etre reçus par la meine optique ; - ils doivent présenter une forme (ou distribution spatiale de l'énergie) bien définie, pour qu'ils puissent se preter au calcul (c'est la distribution gaussienne du mode fondamental qui est la seule utilisable) ;; - ils doivent etre émis séquentiellement et à intervalles rappro chés (par exemple toutes les 10 ms), de manière à ce qu'ils traversent des zones atmosphériques présentant le meme état, de manière à s'affranchir des effets de la turbulence. On peut ajouter à ces conditions portant sur les faisceaux émis des conditions portant sur le laser émetteur : ce dernier doit etre robuste, de mmse en oeuvre simple et il ne doit pas exiger de réglages fréquents par du personnel très qualifié. On oonnaSt déjà des lasers fonctionnant sur deux longueurs d'onde distinctes. C'est le cas notamment du laser décrit dans le brevet américain 3 857 109 délivré le 24 décembre 1974 pour "Longitudinallypunped two-wavelength lasers Il s'agit d'un système dans lequel un dispositif polariseur sépare la cavité en deux bras dans lesquels sont placés deux réseaux de diffraction réglés sur des longueurs d'onde différentes, B 6294-3 BS tel tel système présente des inconvénients dans l'applica- tion au dosage des polluants de l'atniosphère : le laser est de mise en oeuvre très délicate, surtout dans l'infrarouge moyen où il existe peu de polariseurs qui conviennent , ensuite, il nécessite des milieux amplificateurs à grand gain car les pertes introduites par le polariseur sont très importantes. On connaît d'autres lasers fonctionnant sur deux longueurs d'onde, tomme celui qui est décrit dans l'article de HAIM WTEM et R.T. LYNCH intitulé "Double-wavelength laser", publié dans la revue "Applied Physics Letters", volume 27, n06, 15 septembre 1975, pages 344-346. Il s'agit d'un dispositif dans lequel m prisme est disposé sur une partie du faisceau lumineux parcourant la cavité, devant un réseau de diffraction. Ce réseau reçoit donc deux faisceaux distincts sous des angles d'incidence différents, Q qui de finit deux longueurs d'onde de fonctionnement. Dans Q cas encore, les inconvénients sont nombreux les deux faisceaux aux longueurs d'onde différentes ; ils ne sont pas confondus dans l'espace ; leur forme est difficile à définir, du fait de l'absence de symétrie de revolution de l'ensemble. Cependant, on connaît des lasers qui émettent deux longueurs d'onde ~différentes de manière séquentielle. C'est le cas notamment du laser décrit dans le Certificat d'utilité français 2 054 627 deposé le 9 juillet 1970. tkie roue tournante est placée dans la cavité d'un laser à hélium et néon ; elle est munie de lames à faces parallèles et dlouvertures, qui se trouvent placées alternativement sur le trajet du faisceau lumineux. Les lames sont orientées à l'incidence de Brewster pour diminuer les pertes. L'interposition périodique des lames modifie la longueur de la cavité et change les conditions d'oscillation, de sorte que la longueur d'onde d'émission du laser passe alternativement d'une valeur à une autre ; ces deux valeurs ne sont pas quelconques, mais impérativement fixées par les caractéristiques du milieu amplificateur. Il s'agit donc essentiellement d'un moyen de modulation de la longueur de la cavité d'un laser, qui n'est applicable qu'aux lasers pouvant osciller sur deux raies distinctes selon la longueur offerte par la cavité. Si le laser à hélium et néon se prete à cette technique, il n'en est généralement pas de aême pour les autres types de lasers. La présente invention a justement pour objet des moyens qui ne présentent pas les inconvénients de Qs systèmes antérieurs, notamment en ce qu'ils permettent d'obtenir plusieurs faisceaux de longueurs d'onde différentes avec des lasers de type quelconque, ces faisceaux étant émis séquentiellement et parcourant les mêmes trajets à l'extérieur du laser. Le laser de l'invention est essentiellement basé sur l'utilisation, dans la cavité, d'-un élément réflecteur dispersif, qui est en soi connu, en combinaison avec mn moyen pour modifier séquentiellement l'incidence du faisceau lumineux sur ledit réflec teur. De cette tanière, la longueur d'onde du faisceau au lumineux qui est réfléchi sur lui-meme par ledit élément réflecteur, se trouve modifiée en concomitance avec son incidence. De façon plus précise, la présente invention a pour cbjet un laser à plusieurs longueurs d'onde, à commutation rapide, du genre de ceux qui comprennent un milieu amplificateur disposé entre un premier réflecteur et un second réflecteur dispersif, Q dernier étant du genre de ceux qui renvoient sur lui-meme tn faisceau de lumière ayant une certaine incidence seulement pour une longueur d'onde déterminée qui dépend de ladite incidence, caractérisé en oe qu'il comprend en outre, intercalé entre ledit milieu amplificateur et ledit second réflecteur dispersif, un moyen pour modifier séquentiellement l'incidence de la totalité du faisceau lumineux provenant du milieu amplificateur et pour donner à omette incidence autant de valeurs différentes que de longueurs d'onde souhaitées. De préférence, le moyen pour faire varier l'incidence du faisceau lumineux est constitué par une roue tournante portant au moins un élément optique déflecteur placé périodiquement sur le trajet du faisceau lumineux et défléchissant ledit faisceau. De préférence encore, l'un au moins des éléments optiques est une portion de lentille ayant un axe optique qui coïncide avec l'axe de rotation de la roue, ladite portion occupant sur la roue une position excentrée. Pour obtenir des angles de déflexion différents avec de telles lentilles, on utilise avantageusement des lentilles qui ont des distances focales différentes. Dans une variante de réalisation privilégiée, la roue comprend un premier élément constitué par une portion de lentille ayant une oertaine distance focale et un second élément oonstitué par tne lame a' faces parallèles, dont on peut considérer qulil s'agit d'une lentille à distance focale infinie. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaStront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés a' titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure I est un schéma général du laser de 1' inven- tion ; (2b) - la figure 2 représente, en coup et en vue de coté (2a), une roue tournante munie d'une portion de lentille et d'une lame à faces parallèles. Bien que divers systèmes réflecteurs dispersifs puissent être utilisés dans le laser objet de la présente invention, la description qui suit se réfère, à titre purement explicatif, à un réflecteur qui est constitué par un réseau de diffraction fonctionnant en réflexion. axais on pourrait aisément le remplacer par des systèmes équivalents somme des ensembles à prismes et à miroirs par exemple. Le laser illustré sur la figure l comprend un milieu amplificateur 2 convenablement excité par des moyens 4 non représentés en détail ; le milieu amplificateur est disposé entre un premier réflecteur 6 et un second réflecteur dispersif qui est, dans le cas illustré, un réseau de diffraction 8 fonctionnant en réflexion.Le dispositif comprend en outre un moyen 10 permettant de modifier l'incidence du faisceau lumineux provenant du milieu amplificateur 2 par rapport à la normale au plan du réseau de diffraction 8. on sait qu'un tel réseau (qui est par exemple du type en échelette) renvoie sur eux-memes les rayons lumineux d'angle d' incidence O et de longueur d'onde A, si la relation suivante est satisfaite :: 2a sin O = où a est le pas du réseau, et k un nombre entier déterminé par l'ordre utilisé, Pour deux angles d'incidence 01 et 02, on obtient donc deux longueurs d'onde A1 et A2 pour lesquelles les rayons lumineux sont réfléchis sur eux-mimes. Selon l'invention, le moyen 10 permet de modifier séquentiellement l'incidence du faisceau lumineux et par exemple, dans le cas illustré, de faire passer cette incidence alternativement de la valeur 01 à la valeur 02. Dans ces conditions, le faisceau lumineux-12 extrait du laser par exemple à travers le miroir 6, présente soit la longueur d'onde A1 soit la longueur d'onde On observera que le moyen 10 est interposé sur la totalité du faisceau lumineux provenant du milieu amplificateur et non sur une partie de oe faisceau comme dans l'art antérieur exposé plus haut. La figure 2 représente un mode privilégié de réalisation du moyen 10 permettant de modifier l'angle d'incidence du faisceau lumineux. Ce moyen est oonstitué par une roue tournante 14 solidaire d'un axe 16 entraîné en rotation par un moteur 18. Sur cette roue, sont disposés deux éléments optiques 20 et 22 diamétralement opposés. L'élément 20 est rne portion de lentille dont l'axe optique coïncide avec l'axe de rotation de la roue. Le deuxième élément optique 22 est oonstitué par-une lame à faces parallèles. Cette roue tournante est disposée dans la cavité du laser de telle manière que les deux éléments optiques 20 et 22 se placent alternativement sur le trajet du faisceau. Celui-ci est donc défléchi lorsqu 1il traverse la lentille mais ne l'est pas lorsqu'il traverse la lame à faces parallèles. On obtient ainsi, après la roue, deux faisceaux de directions différentes qui viendront donc frapper le réseau de diffraction sous deux incidences différentes, Q qui est le but recherché. Ce mode de réalisation du moyen de déflexion du faisceau lumineux est particulièrement avantageux dans cette application car - il introduit dans la cavité des pertes optiques qui sont fai bles, si les faces des éléments optiques sont recouvertes de couches anti- refléchissantes ; mais on pourrait évidemment disposer la roue sous incidence de Brewster - le faisceau lumineux reste gaussien sur tout son trajet dans la cavité, car une lentille fonctionnant en dehors de son axe, mais dans l'approxamation de Gauss, transforme In faisceau gaussien en In autre faisceau gaussien ; - la réalisation d'un tel dispositif optique est simple et ne pose aucun problème pour l'homme de l'art - l'angle de de flexion peut être légèrement nidifié par transla tion de la roue perpendiculairement à son axe ; ce réglage per met d'élargir les tolérances de fabrication de la lentille ;; - par simple échange de roues, on peut modifier le nombre et la valeur des longueurs d'ondes sélectionnées - en augmentant le nombre de lentilles de distances focales diffé rentes, on peut émettre autant de longueurs d'onde différentes - en multipliant le nombre de couples lentille-lame à faces paral lèles disposés sur une inoene roue, on augmente la fréquence de oommutation d'une longueur d'onde à 1' autre Il va de soi que la présente invention n'est pas limitée à ce seul mode de réalisation du moyen 10 permettant de défléchir le faisceau lumineux. D'autres moyens peuvent etre conçus par l'homme de l'art. Cependant, ils ne semblent pas, sauf exception, être aussi avantageux qui icelui qui vient d'etre décrit.C'est ainsi que l'on pourrait songer à utiliser un prisme qui serait introduit par un mouvement alternatif de translation devant le réseau de diffraction ; nais ce système ne permettrait pas une commutation rapide (au maximum quelques Hertz) ; ce plus, il introduirait des vibrations nuisibles au fonctionnement du laser. On pourrait également songer à utiliser un prisme monté sur rne roue tournante. Mais, l'angle d'incidence du faisceau par rapport au réseau varierait au cours de la rotation de la roue car, les faisceaux incident et réfléchi étant dans 'n plan perpendiculaire à l'arête du prisme, le faisceau de fléchi décrirait une portion de cône ayant pour axe l'axe de la roue le laser ne serait donc correctement aligné que pour me position particulière du prisme, c'est-à-dire pendant un temps très court. De plus, la forme du faisceau varierait au cours du fonctionnement. Enfin, on pourrait songer à utiliser une portion de ce montée sur une roue. Le système présenterait alors une symétrie de révolution et les caractéristiques de fonctionnement du laser ne seraient pas modifiées au cours de la rotation de la roue. Cependant, ce système présenterait l'inconvénient de conduire à une forme de faisceau mal appropriée et en particulier non gaussienne de plus, il se heurterait à des difficultés de réalisation lors de la taille de la pièce en forme de tronc de conte. REVENDICATIONS 1. Laser a plusieurs longueurs d'onde, à commutation rapide, du genre de ceux qui comprennent un milieu amplificateur disposé entre un premier reflecteur et un second réflecteur dispersif, ce dernier étant du genre de ceux qui renvoient sur lui-même un faisceau de lumiere avant une certaine incidence seulement pour une longueur d'onde determinée qui dépend de ladite incidence, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une roue tournante portant une pluralite -d'elements optiques deflec- teurs intercalés entre ledit milieu amplificateur et ledit second réflecteur dispersif, places périodiquement sur le trajet du faisceau lumineux et deflechissant ledit faisceau de maniere a modifier sequentiellement l'incidence du faisceau lumineux provenant du milieu amplificateur et a donner a cette incidence autant de valeurs différentes que de longueurs d'onde souhaitées. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments optiques est une portion de lentille ayant un axe optique qui coTncide avec l'axe de rotation de la roue, ladite portion de lentille occupant sur la roue une position excentrée. 3. Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que la roue comprend des portions de lentilles ayant des distances focales différentes. 4. Laser selon la revendication 3, caractérise en ce que la roue comprend au moins un premier élément constitue par une portion de lentille et, diamétralement oppose, un second élément constitué par une lame a faces parallèles. 5. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que le second reflecteur dispersif est constitue par un reseau de diffraction fonctionnant en réflexion.