Brevet FR2504321A1 — publié le 19821022

La présente invention concerne les lasers à modulation du facteur de qualité et plus précisément un tel laser dont le signal de sortie a une grande stabi- lité. Dans les lasers connus à modulation du facteur de qualité, la différence entre la modulation du faisceau exercée par différents signaux décroissants à haute fréquence contribue à l'instabilité d'une certaine partie du signal de sortie du laser, et l'amplitude de cette instabilité est fonction de la fréquence de répétition du déclenchement L'instabilité est aussi provoquée par la variation de la puissance d'entrée, de l'alignement de la cavité ou d'autres facteurs qui modulent le temps de montée de l'impulsion du laser. L' invention concerne essentiellement un laser à modula- tion du facteur de qualité qui a une grande stabilité, grâce à la synchronisation des impulsions de déclenchement du laser sur la phase du signal à haute fréquence. Grâce à cette caractéristique, l'invention sup- prime l'instabilité du signal de sortie du laser, carac- térisant les lasers connus à modulation du facteur de qua- lité. L'invention concerne aussi un tel laser, réalisé de manière que, lorsque la fréquence de répétition de dé- clenchement varie de manière que les impulsions de sortie produites par le laser à modulation du facteur de qualité aient des fréquences différentes, le signal de sortie ob- tenu soit reproductible. L'invention concerne aussi un procédé donnant une grande stabilité au signal de sortie des lasers à mo- dulation du facteur de qualité. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma, en partie sous forme de diagramme synoptique, illustrant la réalisation d'un laser à modulation du facteur de qualité ayant un signal de sortie de grande stabilité selon l'invention; la figure 2 est un diagramme des temps repré- sentant la variation de formes d'ondes électriques cor- respondant à différents signaux et au signal de sortie du laser, pendant le fonctionnement d'un laser acousto- optique classique à modulation du facteur de qualité; la figure 3 est un graphique représentant la variation de plusieurs formes d'ondes, et notamment de l'une de celles de la figure 2, à plus grande échelle, montrant comment le signal est synchronisé selon l'in- vention; et la figure 4 est un diagramme synoptique partiel d'une variante de la figure 1, correspondant à une variante de formation d'un signal de sortie très stable d'un laser à modulation du facteur de qualité, selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement la struc- ture générale d'un laser acousto-optique classique à modu- lation du facteur de qualité Ainsi, un barreau allongé de grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme Nd:YAG est monté sur un échangeur de chaleur 12 dans lequel cir- cule un liquide de refroidissement, sous la commande d'une pompe 14 et de tuyauteries 16 et 18 de raccordement Un second échangeur de chaleur 20 entoure une partie de la tuyauterie amont 18 afin que le liquide soit refroidi avant son retour dans l'échangeur 12 Le second échangeur 20 assure le refroidissement par exemple à l'aide d'eau du robinet. Les extrémités du barreau 10 sont exposées de manière que son axe longitudinal soit continu sans obstacle entre des miroirs 22 et 24 disposés à l'extérieur des ex- trémités externes du barreau. Le laser a aussi une source de lumièrede pompage continu Dans le cas du barreau représenté de Nd:YAG, la source lumineuse est une lampe 26 à arc dans le krypton reliée à une source 28 de courant continu. Un modulateur acousto-optique 30 du facteur de qualité est représenté entre le miroir 24 et l'extrémité en regard du barreau 10 Ce modulateur est déclenché à une fréquence prédéterminée de répétition par des impul- sions de déclenchement produites par un oscillateur 32 créant un signal à fréquence de répétition, parvenant à une porte 34 qui reçoit aussi un signal G provenant d'une source 36 Les impulsions P de déclenchement sont norma- lement appliquées à une porte 38 à haute fréquence qui reçoit aussi un signal à haute fréquence provenant d'un oscillateur 40 à haute fréquence Les impulsions P de dé- clenchement interrompent le signal à haute fréquence trans- mis à l'amplificateur 42 et en conséquence au modulateur Pendant ce temps d'interruption, l'impulsion L de sor- tie du laser monte et elle est émise par le laser. Selon l'invention, le signal de sortie d'un laser à modulation du facteur de qualité est rendu extrêmement stable par synchronisation électrique du signal de dé- clenchement du modulateur du facteur de qualité et de la phase du signal à haute fréquence qui pilote ce modulateur. Le verrouillage du signal de déclenchement sur une phase particulière du signal à haute fréquence permet la produc- tion d'impulsions de sortie du modulateur qui sont plus stables, car l'enveloppe décroissante du signal à haute fréquence, lorsque celui-ci cesse d'être transmis sous la commande du signal de déclenchement, module le début de l'accumulation d'énergie du laser dans la cavité C'est la différence entre la modulation du faisceau laser par des signaux décroissants différents à haute fréquence qui contribue à faire apparaître une certaine partie de l'ins- tabilité du signal de sortie du laser Le verrouillage du signal de déclenchement sur une position arbitraire du signal à haute fréquence, ayant une phase fixe quel- conque, rend semblables les enveloppes décroissantes suc- cessives à haute fréquence si bien que la modulation des impulsions de sortie du laser est uniforme. Dans le schéma de la figure 1, la synchronisa- tion du signal de déclenchement du modulateur et de la phase du signal à haute fréquence est assurée par disposi- tion, entre la porte 34 à la fréquence de répétition et la porte 38 à haute fréquence, d'un circuit 44 de syn- chronisation qui, lorsqu'il fonctionne, transmet le signal de sortie de la porte 34 et de l'oscillateur 40 afin qu'il synchronise les impulsions de déclenchement du laser sur la phase des signaux à haute fréquence. Un exemple particulier de circuit 44 de syn- chronisation est un basculeur D sous forme d'un circuit intégré 7474 Les impulsions P de sortie de la porte 34 sont appliquées à l'entrée D du basculeur 44; le signal de sortie à haute fréquence de l'oscillateur 40 parvient à l'entrée d'horloge du basculeur, et le signal de sortie de ce dernier parvient à l'entrée de la porte 38 à haute fréquence. Comme indiqué sur la figure 3, l'une des impul- sions P, représentée à grande échelle par raison de clarté, est associée à un signal de sortie de l'oscillateur à haute fréquence sous forme d'une onde sinusoïdale Il faut noter que le signal de sortie de l'oscillateur à haute fréquence peut être une onde rectangulaire ou toute autre onde répé- titive de forme voulue Dans tous les cas, ce signal de l'oscillateur parvient à l'entrée d'horloge du basculeur et il assure le déclenchement ou la synchronisation des impulsions P afin que les flancs antérieur et postérieur des impulsions P' apparaissent à un emplacement particulier sur l'onde sinusoïdale représentée. Il faut noter que, lorsque le flanc postérieur de l'impulsion P n'est pas aligné sur le point arbitraire 46 de synchronisation de phase sur l'onde sinusoïdale, le signal suivant d'horloge crée le flanc postérieur de l'impulsion P' Ainsi, les impulsions P et P' peuvent avoir une même durée ou des durées plus courtes ou plus grandes l'une par rapport à l'autre. Cependant, la synchronisation du flanc antérieur des impulsions P est importante puisque c'est ce flanc antérieur qui est relié à l'impulsion L de sortie du laser. L'arrangement de synchronisation décrit précé- demment présente l'avantage que, lorsque la fréquence de répétition de déclenchement varie afin que les impulsions de sortie du laser à modulation du facteur de qualité soient formées avec des fréquences différentes, le signal obtenu est reproductible Cette caractéristique est obtenue car, aux différentes fréquences, les impulsions de sortie ont des temps différents de montée et d'émission par le laser Ainsi, bien que les impulsions du laser, pour dif- férentes fréquences de répétition, soient modulées par différentes parties de l'enveloppe décroissante à haute fréquence, les impulsions suivantes, à chaque fréquence de répétition, sont modulées par des parties analogues de l'enveloppe décroissante à haute fréquence. Lorsqu'aucune synchronisation n'est utilisée, l'amplitude de l'instabilité est une fonction de la fré- quence De oette manière,une instabilité différente est pro- voquée par variation de la puissance d'entrée, de l'ali- gnement de la cavité ou de tout autre facteur qui module le temps de montée de l'impulsion du laser. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, la synchronisation des impulsions de déclen- chement du laser et de la phase des signaux à haute fré- quence est réalisée par synchronisation d'un oscillateur ' à haute fréquence par un signal dérivé du signal P de déclenchement Comme représenté, l'opération est réali- sée par pilotage d'un oscillateur à haute fréquence par les signaux de sortie de l'oscillateur 32 à la fréquence de répétition De cette manière, le signal à haute fré- quence est synchronisé sur la phase des impulsions P de déclenchement du laser Cet arrangement convient surtout dans des conditions dans lesquelles les impulsions de dé- clenchement du laser apparaissent à fréquence fixe. Bien qu'on ait décrit le procédé et l'appareil selon l'invention en référence à un laser acousto-optique à modulation du facteur de qualité, l'invention convient aussi aux lasers électro-optiques à modulation du facteur de qualité, modifiés afin qu'ils aient une excitation à haute fréquence. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. 254432 1 REVENDICATIONS 1 Procédé de stabilisation des impulsions de sortie d'un laser à modulation du facteur de qualité, comprenant une source ( 36) d'impulsions de déclenchement et une source ( 40) de signaux à haute fréquence, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la synchronisation des impulsions (P) de déclenchement du laser et de la phase des signaux à haute fréquence. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synchronisation est réalisée par synchroni- sation des impulsions (P) de déclenchement du laser sur la phase des signaux à haute fréquence. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synchronisation est réalisée par synchroni- sation des signaux à haute fréquence sur la phase des impulsions (P) de déclenchement du laser. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synchronisation est effectuée par application des impulsions (P) de déclenchement du laser à l'entrée d'un basculeur ( 44), par application des signaux à haute fréquence à l'entrée d'horloge du basculeur ( 44), et par transmission du signal de sortie du basculeur ( 44) à l'entrée d'une porte à haute fréquence ( 38) dont le si- gnal de sortie est appliqué au modulateur ( 30) du facteur de qualité. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser à modulation du facteur de qualité est un laser à modulation acoustooptique dans lequel le signal de sortie d'un oscillateur ( 32) à une fréquence de répéti- tion est appliqué à une porte à fréquence de répétition ( 34) et le signal de sortie d'un oscillateur à haute fréquence est appliqué à une porte à haute fréquence ( 38) dont le signal de sortie est lui-même transmis au modulateur du facteur de qualité ( 30), et la synchronisation est effectuée par application du signal de sortie de la porte à fréquence de répétition ( 34) à l'entrée D d'un basculeur D ( 44) sous forme d'un circuit intégré, par application du signal de sortie de l'oscillateur à haute fréquence ( 40) à l'entrée d'horloge du basculeur ( 44), et par application du signal de sortie du basculeur ( 44) à l'entrée de la porte à haute fréquence ( 38). 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synchronisation est effectuée par application d'un signal dérivé des impulsions (P) de déclenchement du laser à une entrée de la source ( 40 ') de signaux à haute fréquence. 7 Laser à modulation du facteur de qualité, du type qui comprend une source ( 36) d'impulsions de déclen- chement du laser et une source ( 40) de signaux à haute fréquence, ledit laser étant caractérisé en ce qu'il com- prend un dispositif de stabilisation des impulsions de sortie du laser qui comporte un dispositif de raccordement de la source ( 36) des impulsions (P) de déclenchement du laser et de la source ( 40) des signaux à haute fréquence afin que les impulsions (P) de déclenchement du laser et la phase des signaux à haute fréquence soient synchro- nisées. 8 Laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source ( 36) des impulsions (P) de déclenchement du laser comprend un oscillateur à fréquence de répétition ( 32), et le dispositif de raccordement relie la sortie de l'oscillateur ( 32) à fréquence de répétition à la source ( 40) de signaux à haute fréquence afin que ces der- niers signaux soient synchronisés sur la phase des impul- sions de déclenchement du laser. 9 Laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de raccordement comporte un dispositif de synchronisation ( 44) qui relie la sortie de la source des impulsions de déclenchement du laser et la sortie de la source des signaux à haute fréquence de manière que les impulsions (P) de déclenchement du laser soient syn- chronisées sur la phase des signaux à haute fréquence. Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de synchronisation ( 44) est un bascu- leur ayant une entrée reliée à la sortie de la source ( 32) d'impulsions de déclenchement du laser, une entrée d'hor- loge reliée à la sortie de la source ( 40) des signaux à haute fréquence, et une sortie reliée à l'entrée d'une porte à haute fréquence ( 38). 11 Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le laser est un laser à modulation acousto-optique dans le quel le signal de sortie d'un oscillateur ( 32) à fréquence de répétition est appliqué à une porte à fré- quence de répétition ( 34), et le signal de sortie d'un oscillateur à haute fréquence ( 40) est appliqué à une porte à haute fréquence ( 38) dont le signal de sortie est appliqué au modulateur ( 30) du facteur de qualité, et le dispositif de synchronisation ( 44) est un basculeur D à circuit inté- gré dont l'entrée D est reliée à la sortie de la porte à fréquence de répétition ( 34), dont l'entrée d'horloge est reliée à la sortie de l'oscillateur à haute fréquence ( 40) et dont la sortie est reliée à la porte à haute fré- quence ( 38). 12 Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le laser est un laser à modulation acousto-optique dans lequel le signal de sortie de l'oscillateur à fré- quence de répétition ( 32) est appliqué à une porte à fré- quence de répétition ( 34) et le signal de sortie d'un os- cillateur à haute fréquence ( 40) est appliqué à une porte à haute fréquence ( 38) dont le signal de sortie est appli- qué au modulateur du facteur de qualité ( 30), et le dis- positif de synchronisation comprend un dispositif reliant la sortie de l'oscillateur à fréquence de répétition ( 32) à l'oscillateur à haute fréquence ( 40) afin que les signaux à haute fréquence soient synchronisés sur la phase des impulsions de déclenchement du laser.