Brevet FR2431140A1 — publié le 19800208

La présente invention, aie aux travaux de Messieurs Albert LE LOCH, Ro@er LE NOUR et Guy STEpHAN, a pour objet un résonateur optique sélectif et des dispositifs le mettant en oeuvre. Elle trouve une application en optique, notamment dans la réalisation de lasers monofrequence et/ou stabilisés en fréquence. On nnatt de nombreux résonateurs sélectifs utilisés notamment dans la technique des lasers Ils comprennent sch6- matiquement deux miroirs disposés en regard l'un de l'autre et, disposé entre ces miroirs, un moyen sélectif pour privi- légier une longueur d'onde particuliere. Ce moyen peut être un prisme, un réseau de diffraction, un étalon Perot-Fabry etc... On peut considérer que ces appareils entrent dans la catégorie des "filtres" optiques, en ce sens qu'ils favorisent une lon- gueur d'onde particuliere au détriment des autres. Cette fonction de filtrage est particuliêrement manifeste lorsque le dispositif est utilisé pour constituer le résonateur d'un laser, car, dans ce cas, seul le rayonnement ayant la longueur d'onde privilégiée est susceptible d'osciller à l'exclusion des autres. La présente invention a pour objet un "filtre" de ce type, mais qui possède; sur les appareils déja connus, un certain nombre d'avantages, notamment, une plus grande finesse, a largeur de bande étant inférieure a 0,01 , et une plus grande facilité d'emploi dans la stabilisation en fréquence des lasers. De façon précise, la présente invention a pour objet un résonateur optique sélectif, du genre de ceux qui oom- prennent deux miroirs se faisant face et un moyen sélectif disposé entre les deux miroirs, et qui est caractérisé en ce que ce moyen est constitué par - un moyen de polarisation rectiligne au moins partielle de la lumière selon une direction P, - une première lame quart a'onde ayant deux lignes neutres dont l'une fait un angle al = 0 avec la direction P, - une substance optiquement active présentant de la biréfrin- gence avec dispersion et faisant tourner la direction de polarisation de la lumiere d'un angle o qui dépend de la longueur d'onde # de la lumière, - une seconde lame quart d'onde ayant deux lignes neutres dont l'une fait on angle a2 = 8 avec la direction P, ledit résonateur étant alors sélectif pour ladite longueur d'onde-X. Dans la définition précédente, la biréfringence présentée par la substance peut être une biréfringence circulaire (conduisant à un pouvoir rotatoire) ou une biréfringence li néaire. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, dwexemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins sur lesquels - la figure 1 illustre, sous forme schématique, les moyens utilisés dans le résonateur de l'invention - la figure 2 représente un dispositif de l'art antérieur - la figure 3 est un diagramme de fréquence permettant de comparer les deux régimes de fonctionnement du dispositif de la figure précédente - la figure 4 illustre schématiquement l'application du résonateur de l'invention à la stabilisation en fréquence d'un laser - la figure 5 illustre la structure d'un laser monofréquence mettant en oeuvre le résonateur de l'invention. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend, entre deux miroirs 2 et 4 disposés en regard l'un de l'autre, 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 quart d'onde 8, dont une des deux lignes neutres fait un angle al = 0 avec la direction P de polarisation, une substance 10 optiquement active et présentant de la dispersion rotatoire, la lumière subissant une rotation de sa direction de polarisation d'un angle O à la traversée de cette substance, et enfin une seconde lame quart d'onde 12 dont une des deux lignes neutres fait un angle a2 = O avec la direction P. Pour la commodité de la description du fonctionnement de ce dispositif, on distinguera, dans celui-ci, trois zones respectivement (a), (b.), (c), la première étant comprise entre le miroir 2 et la première lame quart d'onde 8, la seconde entre les deux lames quart d'onde et la troisième entre la seconde lame quart d'onde 12 et le ircir 4. On décrira tout d'abord l'état optique du système à la résonance, c'est-a-dire à la longueur a onde de filtrage. Cet état est tel que, partant d'un point quelconque ai résonateur, ol règne un certain champ électromagnétique, on retrouve le même champ après un aller et retour dans le résonateur. I1 est aisé de voir que l'état suivant répond à cette condition : la zone (a) est le siège d'un rayonnement polarisé rectilignement selon la direction P qui est dans le plan d'incidence de la lame 6. Ce rayonnement lumineux atteint la première lame quart d'onde 8 avec une polarisation 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 (b), 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 O dépend de la longueur d'onde X du rayonnement lumineux. La seconde lame quart d'onde 12 est justement orientée pour que l'une de ses lignes neutres fasse un. angle a2 - O par rapport à P, ce qui signifie que cette ligne est parallèle à la direction de polarisation ai rayonnement incident. Cette seconde lame n' affecte donc pas la polarisation qui reste rectiligne dans la zone (c) et dirigée selon une direction P'. Le rayonnement se réfléchit ensuite sur le miroir 4. Au retour, le rayonnement traverse la seconde lame quart d'onde 12 sans subir de rotation, puis la substance optiquement active lu où il subit une rotation inverse d'angle O. La première lame quart d'onde 8 est.atteinte avec une polarisation parallèle à la même ligne neutre qu'au départ, ce qui redonne dans la zone (a) un rayonnement polarisé rectilignement selon la direction P. Cet état particulier du résonateur est ohtenu pour le seul rayonnement dont la longueur d'onde A est telle que la rotation O imposée par la substance 1Q est égale Cà 2Ks près) à l'angle a2 entre une ligne neutre de la seconde lame quart d'onde 12 et la direction de polarisation P. Pour une longueur d'onde différente de 3r, l'angle dont tourne la direction de polarisation å la traversée de la substance 20 n'est plus égal à l'angle a2 de sorte que la seconde lame quart d'onde 12 reçoit un rayonnement lumineux dont la polarisation n'est plus dirigée parfaitement selon l'une de ses lignes neutres.La vibration à la sortie ae la seconde lame quart d'onde n'est donc plus dirigée selon P' et la vibration dans la zone (a) n'est plus dirigée selon P. Les états propres du résonateur sont, dans ce cas, deux hélices stationnaires entre les deux lames quart d'onde, et deux polarisations rectilignes + 450 dans la région (a) et a2 + 459 dans la région (c). Le rayonnement est alors atténué par le polariseur partiel 6. Pour mieux préciser le fonctionnement du dispositif de l'invention, on peut le comparer avec une structure proche déjà connue et qui est représentee sur la figure 2. Cette structure est un résonateur optique constitué de deux miroirs 2' et 4', d'une première lame quart d'onde 8' et dwune seconde lame quart d'onde 10'. Dans le plan perpendiculaire à l'axe du résonateur les directions sont repérées par deux axes Ox et Oy, l'axe Ox étant dans le plan de la figure. La lame 8' a un axe lent qui fait un angle a1 = 0 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 désignées par (a), (b), (c).Ce dispositif ne diffère donc de celui qui est illustré sur la figure 1, que par l'absence du polariseur partiel et par l'absence de substance optiquement active. La structure de la figure 2 a déjà été étudiée en liaison avec le fonctionnement des lasers. On pourra se reporter, à cet égard, à l'article publié par EVTUHOV et SIEGMAN dans la revue "APPLIED OPTICS", volume 4, nO 142, 1965 et à la note aus Comptes-Rendus à l'Académie des Sciences de Paris, de A. KASTLER, tome 271, B, 999 (1970) et à la note aux Comptes- Rendus à l'Académie des Sciences, de A. LE ZLOCH et G. STEPHAN, 277, B, 265 (1973). Sans entrer dans le détail des oensidérations théoriques qui permettent d'expliquer le fonctionnement d'une telle structure (considérations que l'on trouvera dans les articles mentionnés plus haut), on peut dire, ae façon simpliiée, qu'un tel système présente deux états stationnaires. Dans le premier, la axone (a) est le siège d'une polarisation rectiligne dont la direction P1 fait un angle de + 450 avec l'axe Ox.Le rayonnement qui tombe sur la lame quart d'onde 8' présente donc une polarisation qui est orientée à 450 d'une ligne neutre ; on choient alors, dans la zone (b), un rayonnement de polarisation circulaire noté 1. Ce rayonnement redonne une polarisation rectiligne dans la zone (c) après traversée de la seconde lame quart d'onde.La direction de polarisation P'1 dans la zone (c) dépend de l'angle a2 d'orientation de l'axe lent de la seconde lame quart d'onde 10', Au retour, la vibration linéaire dans (c) donne naissance, après traversée de la lame quart d'onde 10', à un rayonnement polarisé circulairement noté 1, qui s'inscrit sur la même "spirale" que le rayonnement circulaire + On obtient alors une hélice stationnaire" entre les deux lames quart d'onde. Après traversée de la première lame quart d'onde 8' on retrouve la polarisation rectiligne dont la direction fait un angle de 450 par rapport à l'axe Ox. Le second état stationnaire ne diffère du premier que par le fait que, dans la zone (a), la direction de polarisation P2 est à 900 de lapremière, c'est-à-dire à -450 de l'axe Ox, et par le fait que la direction de polarisation P2, dans la zone (c) est elle aussi décalée de 900 par rapport à P2, Entre les lames on retrouve deux polarisations circulaires 2 e t a2, qui se superposent pour donner une autre hélice stationnaire, d'orientation inverse par rapport à la première. Ces deux états stationnaires correspondent à deux modes de fréquences différentes, qui sont données par les formules suivantes formules dans lesquelles N est un nombre entier, L est la longueur da résonateur, c la vitesse de la lumière, a2 -l'an- gle que fait l'axe lent sse la première lame 8' par rapport à Ox et a2 l'angle que fait l'axe lent de la seconde lame par rapport au même axe Oxt Dans le cas particulier ot al = O, les deux fréquences des deux etats stationnaires ont respectivement pour valeur Ces deux modes sont représentés sur le diagramme supérieur de la figure 3 sous forme de tourbes de résonance représen- tant la fonction d'Airy bien connue.A la fréquence vl correspond une polarisation rectiligne P1 orientée à + 450 par rapport à l'axe Ox et a la fréquence v2 une polarisation P2 également rectiligne mais orientée à -450 par rapport à Ox. Si l'angle a2 vient à être nul, les formules précé dentes indiquent que les deux fréquences 91 et v2 ' > 2 se oenfon- dent. Les inventeurs ont montré alors que les deux états stationnaire s ne sont plus discernables et se fondent en un seul état, ce qui n'avait pas été aperçu par les auteurs cités plus haut (Cf. l'article de V. EVTUHOV et A.E. SIEGMAN).Le résonateur est alors parfaitement isotrope et les deux hélices stationnaires disparaissent, ce qui pourra donner naissance à un rayonnement polarisé rectilignement et qui est alors d'amplitude double. C'est ce qui est représenté schématiquement sur le diagramme inférieur de la figure 3. Le rapprochement entre cette structure et celle de l'invention permet alors de préciser le fonctionnement de cette dernière. Lorsque la longueur d'onde X est telle que l'angle de rotation introduit par la substance optiquement active est exactement égal à l'angle a2 que fait l'une des lignes neutres de la seconde lame quart d'onde par rapport à l'une des lignes neutres de la première, on ohserve, dans l'ensemble du résonateur, une structure à polarisation rectiligne. C'est ce qui correspond au cas ou vl = 92 dans la structure de l'art antérieur. Pour toute autre longueur d'on de, on obtient deux états stationnaires possédant deux fréquences différentes et deux polarisations de directions dif férentes dans la zone (a).C'est ce qui correspond au cas ofl 91 # V2 dans la structure de l'art antérieur. L'existence d'un moyen de polarisation rectiligne dans la région (a) fait apparaître nécessairement des pertes pour les rayonnements correspondant à ces deux états stationnaires distincts. Dans la description qui précède, le dispositif de l'invention comprend un polariseur partiel car la lumière reçue par le filtre est a priori dans un état de polarisation quelconque. Ce polariseur peut être constitué par une lame inclinée (comme illustré), mais de façon plus générale, il peut être constitué par tout moyen entrainant des pertes anisotropes dans le résonateur, les pertes étant minimales pour le rayonnement polarisé selon la direction P. Dans certaines applications, le résonateur est utilisé avec un laser qui émet un rayonnement déjà polarisé rectilignement. I1 va de soi que le polariseur partiel devient alors inutile. C'est le cas notamment lorsqu'on utilise le dispositif de l'invention pour détecter 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 Cmonofréquence) 20 emet un rayonnement 22 qui traverse un polariseur 24 et donne naissance à un rayonnement 26 polarisé rectilignement selon une direction P. Un résonateur sélectif 28, conforme à l'invention, est disposé à la sortie du polariseur 24. I1 est composé de deux miroirs 2 et 4, de préférence en configuration confocale, de deux lames quart a'onde 8 et 12 et d'un milieu optiquement actif 10. Si la longueur d'onde d'émission du laser 20 correspond exactement à l'état de résonance isotrope du résonateur 28, on obtient à la sortie de celui-ci, un rayonnement 30 qui est polarisé rectilignement selon une direction P'.Un analyseur 32 est disposé à la sortie du résonateur 28, son orientation étant réglée à 90" de la direction P'. Uh détecteur 34 est placé à l'arrière de l'analyseur 32 et il est reuni 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 reçoit aucune lumière puisque celle-ci est bloquée par l'analyseur 32. Si le laser monomode 20 soit sa fréquence fluctuer (par exemple sous l'effet dJune mDdification de la température du milieu ambiant) le rayonnenent 30 qui émerge du résonateur 28 va présenter une composante qui peut traverser le polariseur 32 et atteindre le détecteur 34. te signal délivré par le détecteur est mis à profit pour appliquer, par la boucle de réaction 3E un signal apte à ramener la fréquence à sa valeur correcte-, On sait qu'une telle boucle peut entre constituée par des circuits de mise en forme et d'amplification et par un support de miroir en matériau piézoélectrique. Le dispositif de la figure 4 peut également travailler en dynamique par modulation de l'angle a2 ou par l'utili sation d'un-élément électrooptique du genre cellule de Pockels ou de.Kerr placée dans les régions (a) ou (c) du résonateur. Cette modulation fait apparaître une modulation du signal délivré par le détecteur, que des moyens de détection synchrone permettent de mesurer pour ramener encore 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 al 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 dispositif optique qui est un laser monofréquence mettant en oeuvre le résonateur de 1' invention Ce dispositif comprend un milieu ampli- ficateur 40, ferme à ses deux extrémités par deux fenêtres 42 et 44 taillées à l'incidence de Brews-ter, et un résonateur selon l'invention constitué par deux miroirs 2 et 4 entre lesquels sont disposes une première lame quart d'onde 8, dont un axe neutre est dans le plan d'incidence des lames 42 et 44, un cristal optiquement actif 10 et une seconde lame quart d'onde 12 dont une ligne neutre fait un angle a2 par rapport au plan d'incidence. Cet angle a2 est égal à l'angle O de TO- tation de la polarisation Imposée par le cristal 10 pour la longueur d'onde X de fonctionnement du laser.Le xayonnement délivré par le laser est polarisé rectilignement et possède une longueur d'onde A. La distance entre les miroirs 2 et 4 est choisie suffisamment courte pour qu'un seul mode de résonance soit possible dans la plage de fréquences correspondant au profil d'amplification du milieu 40. Si lton fait tourner la lame quart d'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 à cet angle a2. On obtient alors un laser à fréquence accordable. A titre explicatif, on peut réaliser un filtre selon l'invention en utilisant comme milieu optiquement actif un cristal de paratellurite de formule TeO2. Pour un tel cristal et avec une-longueur de 4aa, l'activité optique- est tres o grande à a 4000 A elle est de 240000 et à 4500 A elle tombe à 100000, ce qui représente une dispersion d'environ 280 par Angstrdm, Une variation de 20 de 1' activité optique ou, ce qui revient au même, une rotation de 20 de la. seconde lame quart d'onde, suffit à séparer complètement les deux fonctions d'Airy associées aux deux modes à hélices (figure 3, ligne du haut) . Ceci correspond à un résonateur de finesse 45.Naturellement, dans le cas od le résonateur fait partie intégrante d'un laser, il n'est pas nécessaire de séparer complètement les deux fonctions d'airs pour éteindre le laser. Une variation de 0,20 suffit dans la plupart des cas. Cet écart angulaire correspond à un filtre de largeur 0,007 A, soit environ 1000 MHz à 4500 . Comme la dispersion rotatoire augmente lorsqu'on gagne l'ultraviolet, les performances du filtre de l'invention s' améliorent encore dans cette zone. Le filtre de l'invention est donc plus fin que les filtres hahituels (d titre de comparaison, un filtre de Lyot à trois lames possède une bande passante d'environ 0,3 A) Dans la description qui précède, la substance optiquement active agit sur une vibration circulaire et, de ce fait, elle est placée dans la zone (h) entre les deux lames quart d'onde. Mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant une substance présentant de la biréfrin5ence en x et y avec dispersion (en a'autres termes, une biréfringence linéaire et non plus circulaire) cette substance devant alors être placée dans les zones (a) ou (b). -FEYENDICATIONS 1. Résonateur optique sélectif, du genre de ceux qui comprennent deux miroirs se faisant face et un moyen sélectif disposé entre les deux miroirs, caractérisé en ce que oe moyen est constitue par : - un moyen de polarisation rectiligne au moins partielle de la lumière selon une direction P, - une. première lame quart d'onde ayant deux lignes neutres dont l'une fait un angle a1 = 0 avec la direction P, - une substance optiquement active présentant de la biréfrin- gence avec dispersion et faisant tourner la direction de polarisation de la lumière d'un angle O, qui dépend de la longueur d'onde X de la lumière, - une seconde lame quart d'onde, ayant deux lignes neutres dont l'une fait un angle a2 = O avec la direction P, ledit résonateur étant alors sélectif pour ladite longueur d'onde A. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de polarisation est constitue par ai moins une lame inclinée de matériau transparent, par exemple à l'incidence de Brewster. 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. Dispositif de détection de la variation de longueur d'onde d'un faisceau de lumière autour d'une valeur A, caractérisé en ce qu'il comprend, sur le trajet dudit faisceau, le résonateur selon la revendication 1, suivi d'un analyseur croisé par rapport à la direction de polarisation du faisceau émergeant du résonateur lorsque la longueur d'onde est égale à A, et un détecteur disposé derriere le polariseur. 5. Laser stabilisé en fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend, à sa sortie, le dispositif de la revendication 4, auquel est associé un moyen de correction de la fréquence qui est commandé par ledit detecteur. 6. Laser monofrequence, du genre de ceux qui .coro- prennent un milieu amplificateur disposé dans un résonateur optique, caractérise en ce que ledit résonateur est conforme à celui de la revendication 1.