Brevet FR2460057A1 — publié le 19810116

I 2460057 La présente invention concerne des étalons à utiliser dans des lasers. Les lasers utilisant des optiques réfléchissantes clas- siques comme cavités émettent en général selon un certain nombre de "modes" axiaux (c'est à dire longitudinaux). Le nombre et l'espacement en fréquence de ces modes est déterminé par la lar- geur de la bande sur laquelle le milieu o se produit l'effet laser présente un gain et par la longueur totale de la cavité, comme le sait l'homme de l'art. Io C'est ainsi qu'un laser hélium-néon de faible puissance n'a que deux ou trois modes; un laser ionique à puissance élevée (à l'argon par exemple) a de IO à I5 modes; et un laser à colo- rant peut avoir plus de IOOO modes. Il est souvent nécessaire de choisir un des modes d'un I5 laser pour que le laser n'émette que sur un mode unique. On obtient ce résultat en insérant des dispositifs sélectifs en fréquence dans la cavité du laser. Ces dispositifs sont conçus de façon à avoir un affaiblissement minimal à la fréquence demandée mais à introduire, sur les autres fréquences, des affaiblissements suffisants pour empêcher l'effet laser de se produire sur d'autres modes que le mode demandé. Dans un laser à colorant à émission continue, comme il y a un grand nombre de modes, il peut falloir plusieurs dispositifs sélectifs en fréquence: par exemple un dispositif faiblement dispersif tel qu'un prisme ou un filtre de Lyot qui réduit l'émission à environ quelque 80 modes (ce qui correspond à une plage de fréquence voisine de 40 GHz) et un ou plusieurs dispositifs optiques plus dispersifs tels que des éta- lons Fabry-Pérot dont les caractéristiques sont telles qu'ils réduisent successivement le nombre des modes sur lesquels l'effet laser peut être entretenu dans la cavité du laser. Les étalons Fabry-Pérot sont bien connus en technologie du laser. Sous sa forme la plus simple l'étalon est constitué par une pièce pleine en verre ou en silice, d'épaisseur O,Imm au moins, dont les faces travaillantes sont, par polissage, rendues planes et parallèles avec une extrême précision. Un revêtement diélectrique peut être ajouté à chaque face pour accroître la réflectivité interne. Un laser à colorant à émission continue, de type courant, demande deux étalons de ce genre pour fonctionner fiablement sur mode unique, et il faudrait modifier l'effet exercé par l'étalon pour accorder la fréquence du mode laser 2 2460057 choisi ou pour choisir un autre mode. On obtient ce résultat en chauffant ou en inclinant l'étalon par un dispositif de commande réglable. La première méthode est utilisée pour les systèmes o il n'est pas nécessaire d'accorder - ou de changer de mode - rapidement, mais elle ne convient pas s'il faut rapidement accor- der(ou changer de mode). L'accord rapide est exigé pour les lasers stabilisés électroniquement, de façon que la largeur de bande du mode d'émission choisi puisse être artificiellement resserrée. Dans les lasers stabilisés électroniquement la bande passante de Io l'étalon est verrouillée sur le mode de la cavité laser du fait que l'étalon est excité par un signal de commande en courant al- ternatif (connu sous le nom de "signal trembleur") d'une fré- quence de l'ordre du kilohertz (procédé bien connu de l'homme de l'art). L'étalon simple bien connu est incliné en vue d'un accord I5 rapide, l'inclinaison étant régulable. Ceci évite les effets de l'inertie thermique mais, si l'étalon-a plus d'un millimètre d'épaisseur environ, des problèmes de pertes par "échappée" (walk-off) peuvent réduire considérablement la puissance de sor- tie du laser (voir par exemple W.R. Leeb, "Losses Introduced by Tilting Intracavity Etalons') (Pertes introduites par le bascule- ment des étalons logés dans la cavité), Applied Physics, 6, 267-72, (I975). - Dans le cas d'un laser à colorant à émission continue, du fait que les modes adjacents sont relativement rapprochés (comparativement aux autres formes de laser) on ne peut arriver à sélectionner correctement un mode individuel qu'en prenant un étalon relativement épais (de l'ordre de 8 à Io mm) et les pertes d'énergie par échappée créent une grave difficulté. On trouve dans le commerce actuellement, au Royaume- Uni, deux formes de lasers à colorant à émission continue électro- niquement stabilisés. et, pour éviter les difficultés dues aux pertes par échappée de l'étalon simple, mentionnées plus haut, les étalons qui y sont utilisés se composent de trois composants essentiels. Ces étalons sont représentés schématiquement, respec- tivement, sur les Fig. I et 2 du dessin annexé. L'étalon de la Fig. I utilise deux lames IO et II, for- mant des coins d'un degré d'angle, montées aux extrémités opposées d'un tube piézo-électrique I2. Des signaux électriques tels que des signaux trembleurs peuvent être appliqués au tube piézoélec- trique pour en provoquer la dilation ou la contraction axiales 3 2460057 (de l'ordre du micron), ce qui permet de faire varier la sélec- tivité en fréquence de l'étalon. Les faces parallèles des lames IO et II peuvent être proximales ou distales, mais les lames sont séparées par un espace d'air I3 et les faces formant coin des lames IO, II sont recouvertes de revêtements antikéflexion. Il est difficile de réaliser des revêtements antiréflexion fia- bles. Donc, bien que les pertes d'énergie par échappement soient réduites par rapport à celles d'un étalon simple de la même épaisseur, convenablement incliné, car l'étalon est constamment IO placé de façon que son axe longitudinal I4 soit sensiblement aligné sur l'axe optique I5 du laser, les pertes par échappe- ment créent encore des difficultés parce que des étalons à lame d'air de ce type provoquent inévitablement des pertes plus gran- des que celles d'un étalon plein équivalent, comme l'a montré I5 Leeb (voir publication précédente). L'étalon de la Fig. 2 est une version modifiée de celui de la Fig. I en ce que l'angle du coin est substantiel et suffit à disposer les faces inclinées, qui sont proximales, à l'incidence brewstérienne sur l'axe optique I5 du laser. Les faces extérieures des lames IO, II sont parallèles. Comme les faces inclinées des lames IO, II sont à l'incidence brewstérienne, elles n'exigent pas de revêtement antiréflexion, et comme la lame d'air I3 est très mince (de l'ordre du millimètre) les pertes d'énergie par échappement restent dans des limites tolérables. Cependant cet étalon présente un inconvénient: dans la lame d'air I3 l'axe optique du laser fait un angle substantiel avec l'axe longitudinal de l'étalon, et la longueur de cette portion de l'axe optique varie en fonction de l'écartement des lames IO, Il, ce qui fait varier la longueur effective de la cavité du laser considéré dans son ensemble, et entraîne une variation de la fréquence des différents modes du laser. Bien qu'en termes absolus cette variation de fréquence soit extrêment faible, elle est significative lorsqu'il s'agit de lasers à colorant à émission continue, pour lesquels la séparation en fréquence de modes ad- jacents est également faible, ce qui fait qu'au mieux le signal sortant du laser subit une modulation de fréquence non désirée et qu'au pire le signal sortant saute irrégulièrement d'un mode à l'autre. Dans une proposition visant à surmonter cette diffi- culté tout en conservant l'avantage de réduire à un minimum les pertes par échappement (voir Brevet français 77.I69I9 publié le décembre I977), les lames en coin sont montées individuelle- ment sur des tubes piézoélectriques dont les extrémités éloi- gnées sont montées sur des supports fixes, les tubes étant in- clinés sur l'axe optique du laser à des angles tels que leur dilatation ou leur contraction, tout en modifiant le rôle joué par l'étalon composite n'altère pas la longueur de la portion de l'axe optique qui se trouve dans la lame d'air séparant les faces inclinées à l'incidence brewstérienne des lames en coin. Cette proposition présente un inconvénient: l'étalon composite Io est très compliqué à construire. La présente invention vise à fournir un étalon épais, à utiliser dans un laser, qui produise en fonctionnant des pertes minimales par échappement, une varia- tion minimale de là longueur effective de la cavité du laser, et qui soit cependant simple à construire. I5 Selon la présente invention, on prévoit, pour l'utili- ser dans un laser, un étalon composé d'une paire de lames res- pectivement montées aux extrémités d'un tube, les faces distales des lames étant parallèles, la chambre limitée par le tube et les plaques étant pratiquement remplie par un fluide dont l'in- -dice de réfraction est adapté à celui des lames, et des moyens propres à provoquer l'allongement ou le raccourcissement de l'espacement axial des lames. De préférence, les lames forment des coins d'angle fai- ble, les faces obliques étant proximales et l'angle des coins étant inférieur à 5 . Les faces distales des lames de l'étalon sont polies optiquement, elles peuvent porter, ou ne pas porter, des revêtements réfléchissants, tandis que les faces proximales n'ont pas besoin d'être polies au même degré que les faces dis- tales, et ne portent pas de revêtements antiréfléxion. Le tube peut être fait d'un matériau piézoélectrique; dans le cas o le fluide d'adaptation est incompressible, la chambre contenant le liquide étant scellée, un très petit espace rempli d'air est prévu pour permettre l'allongement ou le raccourcissement de l'étalon, tout en laissant le liquide remplir son rôle d'adap- tation. Le moyen provoquant l'allongement ou le raccourcissement de l'espacement axial des lames est un signal électrique "trembleur" appliqué au tube piézoélectrique. Dans le cas o ledit liquide est compressible, il n'est pas nécessaire que la chambre présente un espace rempli d'air. Dans une autre solution, le tube peut être fait d'un matériau inélastique tel que l'acier 2460057 ou l'aluminium, les lames étant montées aux extrémités du tube par l'intermédiaire d'un matériau élastomère, le moyen provoquant l'allongement ou le raccourcissement de l'espacement des lames étant une pompe qui communique avec la chambre par un conduit étanche au liquide, et à laquelle on peut appliquer le signal "trembleur". On remarquera que l'ampleur de l'allongement ou du raccourcissement nécessaire est de l'ordre du micron. Un mode de réalisation de l'invention va être décrit à Io titre d'exemple, en se référant au dessin joint o: Les Fig. I et 2 représentent les étalons connus, décrits plus haut; La Fig. 3 représente un étalon selon la présente inven- tion; I5 La Fig. 4 représente une forme pratique de l'étalon de la Fig. 5; Les Fig. 5 et 6 représentent des modifications de dé- tails de l'étalon de la Fig. 3. Sur la Fig. 3 du dessin l'étalon comporte des lames IO, II formant des coins de petit angle et disposées de façon que leurs faces parallèles IOA, IIA soient distales, les faces obli- ques IOB, IIB étant proximales et fixées aux extrémités d'un tube piézoélectrique I2. La chambre qui est formée par le tube et les lames IO, II est pratiquement remplie d'un liquide d'adaptation des indices, 20et il ne subsiste qu'un très petit espace d'air 2I servant à loger le liquide 20 lorsque le tube I2 est contracté. L'angle de coin des lames IO, II est voisin d'un degré, les lames IO, II sont en silice fondue (indice de réfraction I, 46), le liquide 20 est une paraffine liquide (indice de réfraction I, 45). Les faces parallèles IOA, IIA des lames IO, II sont polies opti- quement mais les faces obliques IOB, IIB ne le sont pas, et les lames IO, II ne portent pas de revêtements antiréfléxion. Le coefficient de Fresnel, R, donnant les pertes par réflexion à chaque interface entre le liquide 20 et les lames IO, II est donné par la formule: R = I 22 nI + n2 o nI est l'indice de réfraction de la lame et n2 l'indice de réfraction du liquide. 6 2460057 Il en résulte qu'avec les matériaux de l'exemple cité R = (O^ IA 2 =I,2 x IO-5 k2,9I1 Par suite il n'est pas nécessaire que l'égalité des indices n, , n2 soit exactement réalisée pour que l'adaptation se fasse; on peut donner pour n I n2 une valeur-limite de l'or- dre de 0,3. Les valeurs de nI et n2 dépendent dans une large mesure de la provenance des produits considérés et les valeurs données Io le sont à titre d'exemple uniquement. Les tables publiées indi- quent pour nI une plage, fonction de la longueur d'onde, qui va de I,469 à I,456 et une valeur de I,465 pour une longueur d'onde intermédiaire. L'étalon de la Fig. 3 est utilisé sous la même orienta- I5 tion que celui de la Fig. I mais, comme il équivaut optiquement à un étalon plein, les pertes d'énergie par échappement sont très faibles et, comme le faisceau laser a, dans le liquide 20, un trajet axial ou très près de l'être, il n'y a pas de modulation non désirée de la fréquence du signal sortant du laser ni de saut non désiré du laser passant d'un mode à un autre. L'étalon est facile à réaliser car les lames IO, II ne portent pas de revête- ments antiréflexion; seules les faces extérieures IOA, IIA des lames IO, II ont à être polies optiquement à un haut degré de per- fection, l'angle de coin n'est pas critique et n'a même pas à être le même pour les deux lames IO, II. En outre seules les faces distales IOA, IIA de l'étalon ont à être parallèles et il n'est pas formulé d'exigence quant à l'orientation angulaire de l'ensemble de l'étalon dans la cavité du laser, à la différence de l'agencement de la Fig. 2, dans lequel l'angle de Brewster ne joue son rôle que si l'étalon est orienté dans une direction particulière qui dépend de la direc- tion du plan de polarisation de la lumière du laser. De plus, dans le cas des Fig. I et 2, les faces distales et les faces proximales doivent être exactement parallèles deux à deux ce qui signifie que non seulement les lames doivent être réalisées avec précision, mais qu'aussi le tube doit être réalisé avec précision, ainsi que le montage des lames aux extrémités du tube. La majeure partie de ces difficultés sont évitées avec l'agencement de la Fig. 3. En outre, tout en conservant la même épaisseur totale pour l'étalon, on peut en modifier les autres dimensions de façon à pouvoir recevoir des faisceaux laser plus ouverts, avantage qui ne peut être obtenu avec l'étalon de la Fig. 2, o l'épaisseur de l'étalon et l'inclinaison à l'angle de Brewster des faces pro- ximales imposent une limite à l'ouverture. De même, comparative- ment à l'étalon de la Fig. 2 les lames I0, II sont très faciles à fabriquer car, pour l'agencement de la Fig. 2, à cause de l'an- gle de Brewster les lames ressemblent à des prismes à sommet matérialisé qui doivent être u;sinés optiquement. I0 Bien que l'étalon de la Fig. 3 soit prévu pour être utilisé dans des lasers à colorant à émission continue, o ses propriétés sont précieuses, il peut être utilisé dans d'autres formes de laser, à des fins comparables. Comme le montre la Fig. 4 il n'est pas nécessaire que I5 les lames 10, II soient directement fixées aux extrémités du tube I2: elles peuvent être montées à l'aide d'un agent adhésif sur les porte-lames I6, I7 qui sont montés à leur tour sur des porte- tubes I6A, I7A collés par un agent adhésif aux extrémités du tube I2. Des bagues toriques en élastomère se trouvent entre les supports I6 et I6A et entre les supports I7 et I7A, chaque porte- lame étant monté sur le porte-tube qui lui correspond par trois boulons 27-répartis régulièrement sur une circonférence d'axe I5. Il est avantageux que le porte-lame I7 soit rigidement serré contre le porte-tube I7A par ses boulons 27, le réglage optique précis de la lame I0 se faisant par positionnement sélectif du porte-lame I6 par rapport au porte-tube 16A à l'aide de ses boulons 27. Les bagues toriques en élastomère empêchent le li- quide à indice adapté de sortir de la chambre I3. La Fig. 4 montre également les liaison électriques parvenant au tube piézoélectrique I2, les électrodes ayant la forme de revêtement 30, 3I, disposés respectivement sur les faces intérieure et extérieure de la paroi du tube et étant reliées à des organes de commande 25, électriques en l'espèce. La Fig. 5 représente une variante concernant les élec- trodes du tube I2 qui a ici la forme de deux bagues piézoélec- triques 32, 33 séparées par une bague de cuivre et encadrées par deux bagues d'aluminium 35, 36. Les électrodes sont des revête- ments 28 portés par les faces terminales des bagues 32, 33. Cet agencement à l'avantage de diminuer la longueur axiale de maté- riau piézoélectrique entrant dans la constitution du tube I2. La Fig. 6 montre un tube I2 en trois pièces, les deux pièces extérieures 37, 38 étant en métal, et inélastiques, tandis que la pièce centrale39 est faite d'un matériau élastomère. La chambre I3 communique par un tube 22 pour fluide avec l'organe de commande 25 qui comprend ici une pompe 26. REVENDICATIONS I. Etalon à utiliser dans un laser, caractérisé par une paire de lames IO, II montées respectivement aux extrémités d'un tube I2, les faces distales IOA, IIA des lames étant paral- lèles, la chambre I2 limitée par le tube et les lames IO et Il étant pratiquement complètement remplie par un fluide 20 dont l'indice de réfraction est adapté à celui des lames IO, II et par des moyens 25 destinés à provoquer l'augmentation ou la diminution IO de l'espacement axial des lames IO, II. 2. Etalon selon la revendication I, caractérisé en ce que les lames IO, II sont des coins d'angle faible, les faces inclinées IOB, IIB étant proximales et l'angle du coin étant infé- rieur à 50. I5 3. Etalon selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que les faces distales IOA, IIA des lames IO, II de l'étalon sont polies optiquement et en ce que les faces proximales IOB, IIB ne portent pas de revêtement antiréflexion. 4. Etalon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube I2 est fait d'un maté- riau piézoélectrique, que la chambre I3 est étanche, et que les moyens 25 servant à provoquer l'augmentation ou la diminution de l'espacement axial des lames fournissent un signal électrique trembleur appliqué au tube piézoélectrique. 5. Etalon selcn la reve-ndicat ion 4, caractérisé en ce que le liquide 20 est incompressible et que la chambre I3 contient le liquide 20 et un très petit espace d'air 2I pour permettre à l'étalon de se dilater ou de se contracter tout en bénéficiant de l'effet d'adaptation des indices dû au liquide 20. 6. Etalon selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liquide 20 est compressible et que la chambre I3 ne contient pas d'air. 7. Etalon selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que le tube I2 est fait en partie d'un ma- tériau inélastique 37, 38 et en partie d'un matériau élastomère 39, les moyens 25 servant à provoquer l'augmentation ou la dimi- nution de l'espacement axial des lames IO et II étant une pompe 26 liée par une communication étanche au liquide à la chambre I3, et à laquelle on peut appliquer un signal trembleur. 8. Etalon selon l'une quelconque des revendications Io précédentes, caractérisé en ce que les lames Io, Il sont indirec- tement montées aux extrémités du tube I2 au moyen de supports ré- glables I6, I7, permettant d'effectuer un alignement optique précis des faces distales IOA, IIA des lames IO, II. 9. Laser à colorant, à émission continue, comportant un étalon selon l'une quelconque des revendications précédentes, aligné sur l'axe optique du laser. Io