Brevet FR2494513A1 — publié le 19820521

Procédé et dispositif pour doubler la fréquence d'un fais- ceau laser L'invention concerne un laser de fréquence doublée et notam- ment un procédé et un dispositif pour procurer deux faisceaux harmoniques qui sont colinéaires, se recouvrent et sont po- larisés à angle droit l'un par rapport à l'autre. On peut doubler la fréquence d'une sortie de laser en pla- çant un cristal non-linéaire à l'extérieur de la cavité ré- sonante du laser ou à l'intérieur de cette cavité. Du fait que la puissance de la fréquence fondamentale disponible à l'intérieur de la cavité est très supérieure à la puissance à l'extérieur, la configuration intra-cavitaire est beaucoup plus efficace pour engendrer la puissance du second harmoni- que que la disposition extra-cavitaire. Cependant, la configuration intra-cavitaire présente des inconvénients. Les réalisations de cavité classiques utilisent, soit seulement un faisceau harmonique, soit une configuration avec un troisième miroir pour combiner les deux faisceaux har- moniques. La première réalisation a un rendement faible du fait qu'elle n'utilise que la moitié de la puissance harmoni- que disponible. La deuxième réalisation est peu stable du fait des interférences possibles entre les deux faisceaux harmoni- ques combinés. C'est un but principal de la présente invention d'éliminer les inconvénients du système précédent. C'est un autre but de l'invention de procurer un dispositif qui puisse utiliser la deuxième fréquence harmonique du faisceau émis par un laser. Le système comporte un milieu actif de laser, des moyens pour produire la deuxième fréquence harmonique de la fré- quence fondamentale émise par le milieu actif de laser, une lame dichroîque de polarisation angulaire de Brewster pour transmettre la fréquence fondamentale émise par le milieu actif de laser et réfléchir sa deuxième fréquence har- monique, des moyens pour changer la polarisation du faisceau réfléchi par la lame de Brewster dichro!que, un miroir hautement réfléchissant pour la deuxième harmonique et un miroir dichrolque de sortie pour transmettre la deuxième fréquence harmonique et réfléchir la fréquence fondamentale. Un miroir arrière hautement réfléchissant pour la fréquence fondamentale est monté derrière le milieu actif de laser pour compléter la cavité résonnante. Dans l'application de cette invention, on utilise un généra- teur de deuxième harmonique pour doubler la fréquence fonda- mentale de la source laser. Une lame quart d'onde est utili- sée en combinaison avec un miroir à réflexion élevée pour changer la polarisation du faisceau réfléchi par la lame de Brewster dichro!que. Les éléments sont disposés de telle sorte que des faisceaux cofncidants sont émis à travers le miroir de sortie, chacun de ces faisceaux ayant deux fois la fréquence fondamentale. Les faisceaux émis sont polarisés à angle droit l'un par rapport à l'autre de sorte qu'on éli- mine complètement les effets d'interférence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, d'une réalisation préférée, en liaison avec le dessin joint sur lequel la figure unique est un schéma des composants utilisés pour produire des faisceaux harmoniques colncidants polarisés à angle droit. Sur le dessin, on voit les divers faisceaux séparés les uns des autres à des fins de clarté. On notera toutefois que les faisceaux parallèles sont en fait coincidants. Un milieu actif de laser 10 émet un faisceau 12 ayant une fréquence fondamentale désirée. Dans cette réalisation par- ticulière de l'invention, on utilise un laser YAG pour émet- tre un faisceau ayant une longueur d'ondesde 1064 nanomètres Cette longueur d'ondes est dans la bande de l'infrarouge. Le système employé ici procure un faisceau 14 ayant une longueur d'ondes de 532 manomètres. Un générateur de deuxième harmonique 16, qui est un cristal non linéaire, est disposé à l'intérieur de la cavité réson- nante du laser sur le trajet du faisceau 12 en provenance de la source de laser. Le cristal peut, par exemple, être du titanyl phosphate de potassium. Une lame de Brewster dichrol- que 18 est disposée entre la source laser 10 et le cristal 16 pour assurer la polarisation de la fréquence fondamentale. La lame de Brewster dichrotque 18 est conçue pour transmettre pratiquement 100 % du faisceau de longueur d'ondes 1064 nm à polarisation p et pour réfléchir pratiquement 100 % du faisceau de longueur d'ondés532 nm dans une polarisation ar- bitraire, soit p, soit s. Une lame quart d'onde 20 à la deuxième fréquence harmonique est disposée au dessus du miroir diélectrique dichrd!que 18 sur le trajet de la lumière réfléchie par ce miroir. L'axe optique de la lame 20 est orientée à 45' par rapport à la polarisation du faisceau harmonique. Un miroir 22 réfléchit le faisceau 14 passant à travers la lame quart d'onde 20 en le renvoyant à travers cette lame jusqu'à la lame de Brewster 18. On peut en fait superposer le miroir 22 et la lame quart d'onde 20. Un miroir de sortie 24 est disposé à l'extrémité antérieure du dispositif pour transmettre toute la lumière ayant une longueur d'ondes de 532 nm et pour réfléchir tous les fais- ceaux ayant une longueur d'ondes de 1064 nm. Un miroir arrière 26 est monté à l'extrémité opposée du dispositif et est conçu pour réfléchir à 100 % la longueur d'ondes 1064 nm. En fonctionnement, le laser YAG émet un faisceau 12 ayant une longueur d'ondes de 1064 nm. Le faisceau passe à travers la lame de Brewster et une fraction de ce faisceau a sa fré- quence doublée par le cristal non linéaire. Un deuxième fais- ceau à fréquence double est produit le long de l'axe du laser dans la direction opposée par le faisceau à 1064 ni réfléchi par le miroir de sortie. Comme on le notera sur le dessin, une flèche perpendiculaire au faisceau 12 ou au faisceau 14 indique la polarisation du faisceau particulier. Deux faisceaux colncidants 14 sont transmis par le miroir de sortie et sont polarisés à angle droit l'un par rapport à l'autre. Cet effet est obtenu en utilisant la lame de Brewster dichro!que précitée 18, la lame quart d'onde 20 et un miroir 22. Le faisceau à 532 nm de longueur d'ondes, qui est réfléchi par la lame de Brewster dichro!que, traverse dans les deux sens la lame quart d'onde du fait de l'orien- tation de la lame de Brewster 18 et du miroir 22. En con- séquence, on obtient une rotation de 90- de la polarisation Ce faisceau réfléchi à 532 ni de longueur d'ondes ne peut pas interférer avec le faisceau à 532 nm de longueur d'ondes produit par le faisceau à 1064 nm de longueur d'ondes se propageant vers le miroir de sortie, car il est polarisé à 90' par rapport à ce faisceau à 532 nm de longueur d'ondes. De cette manière, on évite des interférences et l'instabili- té en résultant et la perte de puissance à 532 nm. En conséquence, l'invention procure des moyens stables et très efficaces pour doubler la fréquence d'un faisceau laser. on notera qu'on peut utiliser d'autres moyens équivalents pour mettre en pratique l'invention sans s'écarter de son esprit. Bien entendu, la technique décrite ici peut être appliquée au doublement de fréquence de toute autre longueur d'ondes fondamentale. Revendications 1. Dispositif pour doubler la fréquence d'un faisceau laser à l'intérieur d'une cavité résonnante de laser et pour pro- curer une sortie comportant des faisceaux colncidants de polarisation différente, caractérisé en ce qu'il comporte une source laser 10, des moyens 16 pour doubler la fréquence fondamentale d'un faisceau 12 issu de cette source laser de telle sorte que des faisceaux à fréquence double se propagent dans des directions opposées le long de l'axe du laser, des moyens de réflexion 18 disposés entre la source laser et ces moyens de doublement de la fréquence fondamentale capables de réfléchir la deuxième harmonique de la fréquence fonda- mentale et de transmettre cette fréquence fondamentale, des moyens 20 pour faire tourner la polarisation d'un faisceau réfléchi par ces moyens de réflexion d'environ 90, des moyens 22 pour renvoyer le faisceau ayant une polarisation tournée de 90- de façon qu'il se propage le long de l'axe du laser, et un miroir de sortie 24 capable de réfléchir un faisceau de la fréquence fondamentale et de transmettre des faisceaux de la deuxième harmonique de cette fréquence fondamentale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour changer la polarisation sont capables de procurer une rotation de 90- de cette polarisation. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir arrière 26 capable de réfléchir un faisceau de la fréquence fondamentale, ce miroir arrière 26 et le miroir de sortie 24 définissant une cavité résonnante, ce miroir arrière, cette source laser, les moyens de réflexion, les moyens de doublement de la fréquence fondamentale et le miroir de sortie étant positionnés respectivement le long de l'axe du laser. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour renvoyer le faisceau dont la polarisation a tourné comporte un miroir de renvoi 22, une lame quart d'onde étant positionnée entre les moyens de réflexion et ce miroir de renvoi. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour doubler la fréquence fondamentale compor- tent un cristal non linéaire 16. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source laser 12 émet un faisceau ayant une longueur d'ondes d'environ 1064 n.m 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réflexion 18 sont une lame de Brewster dichroique. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir arrière, la source laser étant dis- posée entre les moyens de réflexion et le miroir arrière, ce miroir arrière étant conçu pour réfléchir la fréquence fonda- mentale. 9. Procédé pour procurer deux faisceaux laser co!ncidants à fréquence doublée de polarisation différente provenant d'un faisceau laser d'une fréquence fondamentale donnée, caracté- risé en ce qu'on part d'une source laser, cette source émet- tant un faisceau d'une fréquence fondamentale avec une cavité résonnante, cette cavité étant définie par un miroir de sortie capable de réfléchir la fréquence fondamentale et de transmettre la deuxième fréquence harmonique, et un miroir arrière qui est fortement réfléchi par la fréquence fondamen- tale, on produit la deuxième harmonique de la fréquence fon- damentale de telle sorte que le premier et le deuxième fais- ceau à fréquence doublée se propagent dans des directions opposées le long d'un axe laser à l'intérieur de la cavité résonnante, on fait tourner la polarisation de l'un des fais- ceaux à fréquence doublée d'environ 90 par rapport à l'autre et on fait se propager ce faisceau à fréquence doublée de polarisation tournée et l'autre faisceau de fréquence doublée sur un trajet coïncidant à travers le miroir de sortie. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la polarisation de l'un des faisceaux à fréquence doublée est tournée en le faisant passer deux fois à travers une lame quart d'onde.