Brevet FR2449347A1 — publié le 19800912

@q présenta inyantion, dus aux trayaux de Massieurs Albert LE FLUCH et Roger LE NAOUR, a pour objet un résonateur optique séléctif er anneau et dea dispositifs le mattant en oeuvre. Elle tro@vs une application en optique, notamment dans la réalisation de lasers monofréquence et/ou stahilisés en fréquence, On sait qu'un résonateur en anneau est constitué par du moins trois miroirs orientés de tuile manire q qu'un rayon lumineux puisse se réfléchir sur ces miroirs et parcourir un trajet fermé, En général, deux ondes progressives s'établissent dans un tel résonateur, avec des sens de propagetion opposés. Dans la technique des lasers, la structure en anneau présente sur le résonateur type Fabry-Perot, l'avantage de propager une onde qui sature de manière homogene le milieu amplifica- teur. Dans la description qui suit, on supposera que l'anneau comprend trois sommets, autrement dit, que le résonateur est formé par trois miroirs, mais il va de soi que l'anneau pourrat être plus complexe et comprendre par exemple quatre som mets repartis aux quatre coins d'un rectangle On connaît de nombreux moyens pour rendre sélectif un résonateur optique, qu'il soit ou non en anneau. On peut employer un prisme, un réseau de diffraction, un étalon Perot-Fa@ry, etc...De tels résonateurs sélectifs entrent dans la catégorie des filtres" optiques, en ce sens favorisent une longueur d'onde particulibre au détfiment des autras. Cetts fenction de filtrage se manifests avec acuité lorsque le dispositif est utilisé pour constituer le résonav teur même d'un laser, car, dans ce cas. seul le cayonnement ayant la longueur d'onde privilégiés est suscefti@le d'osciller. à l'exclusion des autres. La présente invention a pour objet un "filtre" de ce type, mais qui possède, sur les apparell@ @éjà connus, un certain nombre d'avantages, notamment are pous grande finesse (sa largeur de bande sat inférieure à@, 01 ) et uns plus grande facilité d'amploi, notamment dans la technique de la stabilisation en fréquence des lasens en anneau, Ce but est atteint par l'utilisation d'une substarce optique active associée à deux lame demi-onde. De fanon précise, la présente Invention n pour objet un résonateur optique en anneau3 rendu sélectif, du genre de ceux qui comprennent au moins trois miroirs et un moyen sélectif disposé entre deux de ces miroirs r ce réso- nateur est caractérisé en ce que ce moyen sélectif est constitué par - un moyen de polarisation rectiligne au moins partielle de la lumière selon une direction P, - une première lame demi-onde ayant deux lignes neutres dont l'une est parallèle à la direction P, - une substance optiquement active présentant de la biréfrin gence circulaire avec dispersion et faisant tourner la direc tion de polarisation de la lumière d'un angle e qui dépend de la longueur d'onde X de la lumière, - une seconde lame demi-onde ayant deux lignes neutres dont l'une fait un angle a2 = 0/2 avec la direction P, ledit résonateur étant alors sélectif pour ladite longueur d'onde At Dans la définition précédents, la biréfringence pré sentée par la substance peut être une biréfringence circulaire (conduisant à un pouvoir rotatoire) ou une biréfringence liée à une rotation FARADAY, notamment au voisinage d'une raie de résonance De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisatinn donnés à titre explicatif et nullement limitatif.Cette description se réfère à des des- sins sur lesquels - la figure 3 illustre, sous forme schématique, les moyens. utilisés dans le résonateur en anneau de l'invention w - la figure 2 représente un dispositif simplifié permettant de comprendre le fonctionnement du dispositif de l'invention i b la figure 3 est un diagramme de fréquence permettant de comparer les deux régimes de fonctionnement du dis- positif de la figure précédente la figure 4 illustre schématiquement l'application du résonateur de l'invention à àla stabilisation en fréquence d'un laser - la figure 5 illustre la structure d'un laser mono-fréquence en anneau mettant en oeuvre le résonateur de l'inventionw Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend trois miroirs 2, 3 et 4, définissant un résonateur en anneau. Entre les deux miroirs 2 et 4 sont disposés successivement un polariseur partiel 6, qui, dans l'exemple illustré est une -lame transparente inclinée, ce polariseur étant apte à favoriser une polarisation rectiligne selon une direction P, une première lame demi-onde 8, dont une des deux lignes neutres fait un angle a1 = O avec la direction P de polarisation, une substance 10 optiquement active et présentant de la dispersion rotatoire, la lumière-subissant à sa traversée une rotation de la direction de polarisation d'un angle 0, et enfin une seconde lame demi-onde 12 dont une des deux lignes neutres fait un angle a2 = /2 avec la direction P. Pour la commodité de la description du fonctionnement de ce dispositif, on distinguera entre les miroirs 2 et 4, trois zones respectivement (a), tbB, (c), la première étant comprise entre le miroir 2 et la première lame demionde 6, la seconde entre les deux lames demi-onde et la troisième entre la seconde lame demi-onde 12 et le miroir 4. On décrira tout d'abord l'état optique du système å la résonance, c'est-à-dire à la longueur d'onde de filtrage. Cet état est tel que, partant d'un point quelconque du résonateur, où règne un certain champ électromagnétique, on retrouve le même champ après un tour complet dans le résonateur. Lorsque dans la zone (a, le rayonnement est polarisé rectilignement selon la direction P située dans le plan d'incidence de la lame 6, ce rayonnement atteint la première lame demi-onde 8 avec une polarisation qui est dirigée selon l'une des lignes neutres de cette lame et n'est donc pas modifié dans sa polarisation à la traversée de la lame. Dans la zone tb). le rayonnement voit sa direction de polarisation tourner d'un angle O à la traversée de la substance 10. Comme celle-ci présente de la dispersion rotatoire, l'angle e dépend de la longueur d'onde # du rayonnement lumineux.La seconde lame demi-onde 12 est justement orientée pour que l'une de ses lignes neutres fasse un angle a2 = #/2 par rapport à F, ce qui signifie que cette seconde lame fait tourner la direction de polarisation d'un angle égal à - 2.#/2 = - 0, et donc compense-exactement la rotation imposée par la substance active. Le rayonnement se réf lé- chit ensuite sur le miroir 3 puis sur le miroir 4 et retrouve dans la zone (a) une polarisation rectiligne selon la direction P, qui était celle de départ. I1 s'agit donc la de l'état de résonance ou état propre du système. Cet état particulier du résonateur est obtenu pour le seul rayonnement dont la longueur d'onde # est telle que la rotation O imposée par la substance 10 est égale (à 2k# srès) à l'angle 2a2 entre une ligne neutre de la seconde lame demi-onde S2 et la direction de polarisa tien, P. Four toute longueur d'onde différents, l'angle dont tourne la direction de polarisation à la traversée de la substance 10 n'est plus égala l'angle 2a2 de sorte que la seconde lame demi-onde ne rattrape plus la rotation imposée par la substance active.La vibration à la sortie de cette seconde lame demi-onde n'est donc plus dirigée selon P et, après réflexion sur le miroir 3, la vibration dans la zone (a) n'est plus dirigée selon P. L'état propre du résonateur dans ce cas, n'est donc pas à ces longueurs d'onde, un état à polarisation rectiligne. On peut montrer qu'il existe en réalité deux états propres pour lesquels le rayonnement présente des polarisations circulaires respectivement droite et gauche. Pour le montrer on peut considérer une structure proche de celle de l'invention, mais plus simple, qui est représentée sur la figure 2. il s'agit d'un résonateur optique constitué de trois miroirs 2', 3' et 4', d'une première lame demi-onde 8' et d'une seconde lame demi-onde 10'. Les directions sont repérées par deux axes Ox et Oy, l'axe Ox étant dans le plan de l'anneau qui est ici le plan de la figure. La lame 8' a un axe lent qui fait un angle a1 = O avec Ox et la lame 10' un axe lent qui fait un angle a2 quelconque avec Ox. Les trois zones délimitées par les miroirs et les deux lames quart d'onde sont encore désignées par ta), état, (c). Ce dispositif ne diffère donc de celui qui est illustré sur la figure 1, que par l'absence du polariseur partiel 6 et de la substance optiquement active SGt Pour trouver les états propres stationnaires d'une telle structure en anneau, on doit écrire la condition de résonance pour le champ qui est, qu'en partant d'un point du résonateur et en effectuant un tour complet et en considérant toutes transformations subies par ce champ à chaque traversée d'un élément optique ou réflexion sur un miroir, on doit retrouver le champ initial. On notera que, à la différence d'un résonateur de type Pérot-Fabry, chaque élément ne joue ici son r5le qu'une fois du fait de la boucle formée par le trajet optique. Deux cas se présentent alors Ai a1 = O et a2 = O : le champ qui en a présente une polar, sation rectiligne selon Ox est un vecteur propre : ce champ traverse les différents éléments sans modification, et se retrouve identique à lui-méme après un tour complet. II en est de même d'ailleurs pour le champ à polarisation recti ligne selon Oy, mais on suppose ici que l'onde correspon dante est éteinte par des pertes importantes introduites par une lame inclinée telle que 6, de sorte qu'on ne s'intéres- sera qu'au premier état. 2; a1 = O et a2 quelconque : l'onde à polarisation rectiligne dans la zone a, traverse la lame 8' sans changement, puis subit une rotation de -2a2 à la traversée de la 2ème lame demi-onde 10'. Elle ne peut revenir en a avec la même pola risation qu'au départ. La polarisation rectiligne n'est donc plus vecteur propre. Le calcul et un raisonnement sim ple montrent que cette fois les vecteurs propres sont dans la zone a, deux vibrations circulaires droite et gauche. En effet, si l'on considère la vibration circulaire droite en a, la traversée de la première lame 8' la transforme en une vibration circulaire gauche que la deuxième lame 10' rend à nouveau droite comme au départ. Dans un résonateur en anneau tel que celui de la figure 2, le cas a1 = a2 = O constitue donc un cas singulier où les états propres à polarisation circulaire deviennent dégénérés, tla polarisation de l'ensemble est alors non dé finie). Une petite anIsotropie de pertes favorisant l'axe Ox impose alors une vibration rectiligne selon cet axe, Si l'on place la première lame 8' de telle sorte que &alpha;j = Q, et si l'on tourne la seconde lame 1(1', les vibrations circul aires qui oscillent à des fréquences differentes dépendant de &alpha;;2 disparaissent brutalement si a2 passe par Q pour donner alors une polarisation rectiligne. I1 y a donc hascu- lement des états propres pour cette disposition particulière. C'est ce basculement qui est utilisé dans le filtre de l'in vention. Si l'on revient maintenant au dispositif de la figure 1, on voit que, dans le cas général d'une orientation quelconque des lames demi-ondes 8 et T2, l'élément actif 10 est traversé par des ondes circulaires gauche et droite qui verront des indices n+ et n- différents. Les deux états stationnaires de polarisation droite et gauche correspondent à deux modes de fréquences différentes. Dans le cas particulier où a1 = ces deux fréquences varient respectivement par rapport à la fréquence centrale, comme : # (&alpha;2/# + #/2#)## où # est la rotation due à l'activité optique pour une longue d'onde donnée @ où L représente le demi-périmètre de l'anneau. Ces deux modes sont représentés sur le diagramme supérieur de la figure 3 sous forme de courbes de résonance représentant le fonction d'Airy bien connue. Si l'angle a2 vient à être égal à-#, les formules précédentes indiquent que les deux fréquences se confondent en une seule. Les deux états se fondent alors en un seul qui pourra donner naissance à un rayonnement polarisé rectilignement et qui est alors d'amplitude double. On retrouve alors le cas singulier tel qu'on vient de le rencontrer pour le résonateur dépourvu d'éléments à activité optique. C'est ce qui est représenté schématiquement sur le diagramme inférieur de la figure 3. En résumé, lorsque la longueur d'onde # est telle que la rotation introduite par la substance optiquement active est exactement égale au douhle de l'angle a2 que fait l'une des lignes neutres de la seconde lame demi-onde par rapport à l'une des lignes neutres de la premier, on observe, dans l'ensemble du résonateur en anneau, une onde à polarisation rectiligne. Pour tout autre longueur d'onde, on obtient deux états stationnaires possédant deux fréquences différentes et deux polarisations circulaires droite et gauche.Le rible du moyen de polarisation rectiligne dans la région (a) est alors d'introduire des pertes pour ces rayonnements à polarisations circulaires et par conséquent, de privilégier le rayonnement à polarisation rectiligne qu'il n'affaiblit pas. Le moyen de polarisation en question peut être constitué par une lame inclinée (comme illustré:sur la figure 1), mais de façon plus générale, il peut s'agir de tout moyen apte à entrainer des pertes anisotropes dans un résonateur, ces pertes étant minimales pour un rayonnement polarisé selon la direction P. Dans certaines applica- tions, cependant, le résonateur en anneau de l'invention est utilisé pour filtrer un rayonnement déjà polarisé rectilignement. Le polariseur devient alors~inutile. C'est le cas par exemple, lorsque le dispositif de l'invention est utilisé pour détecter et rattraper les variations de fréquence d'émission d'un laser selon une mise en oeuvre qui est illustrée par la figure 4. Sur cette figure, un laser monomode (monofréquence) 20 émet un rayonnement 22 à travers un polariseur 24 qui délivre un rayonnement 26 polarisé rectilignement selon une direction P. Un résonateur sélectif 28 en anneau, conforme à l'invention, est disposé à la sortie du polariseur 24. I1 est composé de trois miroirs 2, 3 et 4, de deux lames demionde 8 et 12 et d'un milieu optiquement actif 10. Un analyseur 32 est disposé à la sortie du résonateur 28, son orientation étant réglée à O de la direction P. Un détecteur 34 est placé à l'arrière de l'analyseur 32 et réuni par une boucle de réaction 36 au laser 20. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Lorsque le laser émet un rayonnement dont la longueur d'onde correspond à l'état de résonance isotrope du résonateur, le détecteur ne raçoit aucune lumière puisqu' alors le rayonnement 3Q est bloqué par l'analyseur 32, Si le laser monomode 20 voit sa fréquence fluctuer (par exemple sous l'effet d'une modification de la température du milieu ambiant) le rayonnement 30 qui émerge du résonateur 28 va présenter une compo sante qui peut traverser le polariseur 32 et atteinre le détecteur 34. Le signal délivré par le détecteur est mis à profit pour appliquer, par la boucle de réaction 36 un signal apte à ramener la fréquence à sa valeur correcte.On sait qu'une telle boucle peut être constituée par des circuits de mise en forme et d'amplification qui délivrent une tension d'erreur appliquée à l'élément en matériau piézoélectrique servant de support de miroir. Le dispositif de la figure 4 peut également travailler-en dynamique par modulation de l'angle a2, donc par rotation de la lame 12 ou par l'utilisation d'un élément électrooptique du genre cellule de Pockels ou de Kerr. Cette modulation fait apparaître une modulation du signal délivré par le détecteur 34r que des moyens de détection synchrone permettent de mesurer pour en déduire une tension d'erreur apte à ramener la fréquence d'émission du laser à la valeur appropriée. On observera que, dans de tels systèmes, la référence de fréquence est imposée par la substance qui présente le phénomène de dispersion rotatoire à a1 et a2 fixés, et que ce phénomène n'est pas sensible à la position de ladite substance, contrairement aux filtres du genre étalon Fabry-Pérot pour lesquels la fréquence sélectionnée est tributaire des variations de position des éléments. Cette indépendance à l'égard des fluctuations de position est un des avantages de la structure de la présente invention. Sur la figure 5, est représenté un laser mettant directement en oeuvre le résonateur de l'invention. Ce dispositif comprend un milieu amplificateur 40, fermé à ses deux extrémités par deux fenêtres 42 et 44 disposées à l'incidence de Brewster, et un résonateur selon l'invention constitué par trois miroirs 2, 3 et 4 formant un anneau entre lesquels sont disposées une première lame demi-onde 8, dont un axe neutre est dans le plan d'incidence des lames 42 et 44, une substance optiquement active JQ et une secande lame demi-onde 12 dont une ligne neutre fait nn angle a2 par rapport au plan d'incidence, Cet angle &alpha;;2 eat égal au demi-angle O de rotation de la polarisation imposée par la substance 10 pour la longueur d'onde # de fonctionnement du laser. Le rayonnement délivré par le laser est polarisé rectilignement et possède une longueur d'onde #. Si l'on fait tourner la lame demi-onde 12, on modifie l'angle a2 et par conséquent, la longueur d'onde pour laquelle l'angle O de rotation à la traversée du cristal 10 est égal au double de l'angle a2. On obtint alors un laser à fréquence accordahle. Un tel laser en anneau trouve une application dans les lasers à calorant par exemple. A titre explicatif, on peut réaliser un filtre selon l'invention en utilisant comme milieu optiquement actif un cristal de paratellurite (de formule Te02). Pour un tel cristal de longueur 4 cm, l'activité optique est à 4000 A, de 240000 et à 4500 A de 10000 , ce qui représente une dispersion d'environ 28C par Angström. Une variation de 20 de l'activité optique ou, ce qui revient au même, une rotation de 10 de la seconde lame demi-onde suffit à séparer complètement les deux fonctions d'Airy associées aux deux modes de polarisations circulaires (figure 3, ligne du haut). Ceci correspond à un résonateur de finesse 45. Naturellement, dans le cas où le résonateur fait partie intégrante d'un laser, il n'est pas nécessaire de séparer complètement les deux fonctions d'Airy pour éteindre le laser. Une variation de 0,20 suffit dans la plupart des cas. Cet écart angulaire correspond à un fil O O tre de largeur 0,007 A, soit environ 1000 NHz à 4500 A. Comme la dispersion rotatoire augmente lorsqu'on gagne l'ultraviolet, les performances du filtre de l'invention s'améliorent encore dans cette région du spectre, C'est ainsi que vers 1500 A avec un cristal de quartz de 10 cm de longueur, on peut chtenir une largeur de 10-3 pour une dispersion de 200 /A.Le filtre de l'invention est donc plus fin que les filtres habituels @ à titre de comparaison, un filtre de Lyot à trois lames possède une banda passante d'environ 0,3 , Les cristaux ne sont pas les seules substances & BR L'utilisation d'une substance présentant de l'effet Faraday peut se combiner avec l'emploi d'un cristal à activité optique, la première donnant une rotation faible de l'ordre du degré et permettant d'imposer un sens de rotation, le second provoquant une rotation importante déterminant la longueur d'onde Cette combinaison de deux moyens actifs est représentée sur la figure 1 par le cristal 1(1 et la substance 1Q' à effet Faraday En effet, pour un premier sens de rotation autour de l'anneau, l'effet combiné des deux substances 10 et flQ' est la somme de l'activité optique de la substance 10 et de la rotation Faraday de la substance 10', pour l'autre sens de rotation, l'effet combiné sera égal à la différence des deux effets. Si l'angle a2 de la seconde lame demi-onde est calé sur la première rotation, il ne le sera donc pas sur la seconde, Seule l'onde ayant la longueur d'onde correspondante à cette première rotation pourra donc osciller dans l'anneau, pour la seconde onde apparaît alors un basculement de la polarisation rectiligne en polarisations circulaires qui s'éteignent. REVENDICATIONS 3 Résqnaeur optique sélectif en anneau, du genre de caus qui comprennent au moins trois miroirs et un mayen sélect if disposé entre deux miroirs, caractérisé en ce que ce mayen est constitué par - un moyen de polarisation rectiligne au moins partielle de la lumière selon une direction P, une première lame demi-onde ayant deux lignes neutres dont l'une est parallèle à la direction P, - une substance optiquement active présentant de la biréfrin- gence circulaire avec dispersion et faisant tourner la direc tion de polarisation de la lumière d'un angle 0, qui dépend de la longueur d'onde A de la lumière, - une seconde lame demi-onde, ayant deux lignes neutres dont l'une fait un angle a2 = 0/2 avec la direction P, ledit résonateur étant sélectif pour ladite longueur d'onde #. 2. Résonateur selon la revendication la caractérisé en ce que ledit moyen de polarisation est constitué par au moins une lame inclinée de matériau transparent, par exemple à l'incidence de Brewstert 3. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la substance optiquement active est un cristal de paratellurite. 4, Résonateur selon l'une quelconque des revendications a et 2, caractérisé en ce que la substance optiquement active présente de l'effet Faraday. 5. Résonateur selon les revendications 3 et 4, carac tgrisé en ce que la substance optiquement active comprend à la fois un cristal et une substance présentant de l'effet Faraday. 6. Dispositif de détection de la variation de longueur d'onde d'un faisceau de lumière autour d'une valeur #, caractérisé en ce qu'il comprend, sur le trajet dudit faisceau, le résonateur selon l'une quelconque des revendications a à 5, suivi d'un analyseur croisé par rapport a la direction F, et un détecteur disposé derrière le polariseur, #. Laser stabilisé en fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend à sa sortie, le dispositif da la revendication 6, auquel est associé un moyen de correction de la fréquence commande par ledit dispositif. 8. Laser monofréquence, du genre de ceux qui comprennent un milieu amplificateur disposé dans un résonateur optique, caractérisé en ce que ledit résonateur est conforme à celui de la revendication S.