Brevet FR2508664A1 — publié le 19821231

L'invention se rapporte aux dispositifs d'éclairage d'objets, notamment aux dispositifs qui permettent d'éclairer efficacement un objet éloigné pendant un temps prolongé en dépit des inhomogénéités d'indice séparant le dispositif d'éclairage de l'objet. Pour éclairer un objet éloigné, il est avantageux d'utiliser un rayon- nement optique cohérent, émis par un laser par exemple Mais la propaga- tion d'un faisceau laser dans l'atmosphère est généralement accompagnée de perturbations importantes de la phase de l'onde optique Ces distorsions sont créées par la présence, dans l'atmosphère de gradients d'indice aléatoires ou par traversée de composants optiques présentant une répartition inhomogene de l'indice de réfraction Dans ces conditions, la présence de perturbations empêche qu'un maximum d'énergie rayonnée atteigne l'objet à éclairer. Pour pallier ces inconvénients, le dispositif d'éclairage selon l'inven- tion met en oeuvre des moyens permettant d'assurer une bonne concentra- tion d'énergie rayonnée sur un objet à éclairer pendant un laps de temps prolongé, à partir d'un éclairement transitoire initial, quelles que soient les turbulences et perturbations de l'atmosphère traversée. Ce résultat est obtenu en utilisant, pour réaliser le dispositif d'éclai- rage, les techniques dites de mélange à quatre ondes Selon ces techniques, en faisant interférer dans un milieu optique photoexcitable à variation d'indice, une onde incidente de front d'onde quelconque avec une onde de pompe, on génère, en temps réel, une onde conjuguée de l'onde incidente, c'est-à-dire une onde qui suit exactement le même trajet, en sens inverse, que ronde incidente et subit donc les mêmes déformations en sens inverse. Suivant linvention, on dispose un tel milieu d'interaction à l'intérieur d'une cavité laser fermée par deux miroirs à réflexion totale On le dispose sur le trajet du rayonnement intra-cavité qui joue le rôle d'onde de pompe. Si l'objet émet vers le dispositif une onde signal transitoire, par exemple s'il est éclairé par une impulsion lumineuse, cette onde signal interfère, dans le volume du milieu photoexcitable avec l'onde de pompe, c'est-à-dire le rayonnement intra-cavité du laser, ce qui a pour effet de générer une onde conjugée de Ponde signal reçue par le milieu. Cette onde conjuguée retourne vers l'objet en suivant le même parcours, et en subissant les mêmes déformations Elle peut alors, se réfléchir sur l'objet et retourner vers le dispositif d'éclairage constituant ainsi une nouvelle onde signal, qui tient compte du nouvel état de l'atmos- phère traversée Elle génère à nouveau une onde conjuguée, et ainsi de suite. A partir d'une onde signal transitoire émanant de l'objet, ce dispositif assure ainsi un éclairage évolutif de cet objet, quelles que soient les perturbations de l'atmosphère et même si l'objet et le dispositif sont en déplacement relatif. L'invention se rapporte précisément à un dispositif d'éclairage évolutif d'un objet par le rayonnement issu d'un laser dont la cavité est fermée par deux miroirs, cet objet étant susceptible d'émettre une onde signal transi- toire, caractérisé en ce que ces deux miroirs sont des miroirs à réflexion totale, et que le rayonnement d'éclairage est émis du laser par l'intermé- diaire d'un milieu d'interaction photoexcitable à variation d'indice disposé à l'intérieur de la cavité laser sur le trajet du rayonnement intra-cavité, ce rayonnement intra-cavité interférant au sein de ce milieu avec l'onde signal transitoire émise par l'objet pour générer une onde complexe conjuguée de Ponde signal, cette onde conjuguée retournant vers l'objet et, s'y réfléchis- sant à nouveau, constituant une nouvelle onde signal. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, illustrée par lès figures annexées dont le contenu est le suivant: la figure 1 est une figure explicative du fonctionnement du milieu photoexcitable à variation d'indice, la figure 2 est un schéma du dispositif d'éclairage selon l'invention. Le dispositif selon l'invention met en oeuvre la restitution d'un front d'onde conjuguée d'un front d'onde incident du morphologie complexe Cette restitution est générée par l'interférence, dans un milieu optique photo- excitable à variation d'indice, d'une onde optique incidente avec une onde de pompe. Cette interférence -se produit dans un milieu à trois dimensions, schématisé en 1 sur la figure 1, et dont les caractéristiques physiques et en particulier lindice de réfraction sont modulés spatialement par un réseau de franges 10 produit par l'interférence de l'onde optique incidente 2 de front d'onde FE quelconque et de l'onde de pompe 3, de fronte d'onde E, plan par exemple Du fait de l'existence de cette modulation spatiale d'illumination qui induit un réseau de strates d'indice 11, une fraction de l'énergie de l'onde de pompe 3, ou onde de référence, est diffractée sous la forme d'une onde émergente 4 ayant des caractéristiques isomorphes de celles de l'onde incidente. Une autre fraction de l'onde de pompe 3 traverse le milieu 1 et sort selon le faisceau 5 En interposant sur son trajet et normalement à celui-ci un miroir réfléchissant 6, on renvoit cette onde 5 dans le milieu 1, et elle constitue une onde de lecture du réseau de diffraction inscrit Une partie de son énergie est diffractée par le réseau de strates 11 sous la forme d'une onde émergente de front d'onde complexe E *, conjuguée de l'onde ES E; a des caractéristiques isomorphes de celles de E 0, mais suit sa trajectoire en sens inverse, elle y subit en sens inverse les mêmes déformations. La restitution de cette onde E* s'effectue en temps réel, au temps o d'établissement du réseau de strates près Selon les matériaux constituant le milieu 1, cette constante de temps varie de 10-3 à 10-12 secondes. Il est à noter également que l'énergie de l'onde conjuguée restituée Ee prélevée par le réseau de strates sur l'onde de pompe, ou onde de lecture peut être non négligeable par rapport à Pénergie de l'onde incidente E 0, arrivant dans le milieu 1, elle peut être éventuellement supérieure. De nombreux milieux optiques sont connus pour présenter de telles propriétés On peut citer, par exemple comme milieu gazeux, la vapeur de sodium et en général tout gaz o se produit une absorption saturée du rayonnement On peut également envisager d'utiliser des milieux liquides tels que le sulfure de carbone Comme milieux solides, on peut citer les matériaux photoréfractifs tels que B S O et Ba Ti O 3 mais les matériaux semiconducteurs sont également appropriés (In Sb' Hg Cd Te). Le dispositif -d'éclairage selon l'invention met en oeuvre un tel milieu. Il est schématisé sur la figure 2. Un tel dispositif réalise en deux phases un éclairement efficace d'un objet Dans une phase initiale, un rayonnement de courte durée est émis par une source et dirigé vers Pobjet à éclairer de telle façon qu'il renvoie vers cette source un front d'onde dont la forme dépend de la structure réfléchis- sante de l'objet et de la traversée des milieus atmosphériques inhomogènes qui séparent l'objet de celle-ci Ce prééclairage peu efficace va donner naissance dans une phase ultérieure à de nouvelles émissions de rayonnement qui tiennent compte de la distorsion de front d'onde rencontrée lors du premier retour d'énergie Ainsi le post éclairement sera efficacement concentré sur l'objet qui sera de mieux en mieux éclairé La source illustrée sur la figure 2 permet de réaliser l'éclairage évolutif qui vient d'être décrit. Dans une cavité laser comprenant un matériau laser proprement dit 21, et fermée par deux miroirs 22 et 23, on dispose un milieu d'interac- tion photoexcitable tel qu'il vient d'être décrit Ce milieu est disposé de telle sorte qu'il soit traversé par le rayonnement laser intra-cavité qui se propage entre les deux miroirs 22 et 23. Les deux miroirs 22 et 23 sont deux miroirs à coefficient de réflexion élevé, le plus voisin possible, technologiquement parlant, de la réflexion totale, de façon à ce que, contrairement au fonctionnement d'un laser classique, aucun rayonnement ne sorte de la cavité par transmission partielle à travers l'un des miroirs. Pour éviter les réflexions parasites du rayonnement laser intra-cavité sur les faces du milieu d'interaction 1, il est avantageux de le disposer de telle sorte que le rayonnement intra-cavité l'aborde selon l'incidence de Brewster, ce qui conduit, par exemple, à une disposition telle que celle qui est représentée sur la figure 2 Ce milieu 1 est de plus équipé d'une optique 27 destinée à collecter l'onde signal et renvoyer l'onde conjuguée vers l'objet. C N peut équiper le dispositif selon l'invention de moyens permettant d'obtenir, l'onde signal transitoire émise par l'objet 26 que l'on veut éclairer d'une façon prolongée Ces moyens, représentés sur la figure 2 comprennent un commutateur 24 électro-optique ou acousto-optique, et un miroir 25. Le commutateur 24 est disposé sur le trajet du rayonnement intra- cavité,par exemple entre le miroir 22 et le milieu 1 En fonctionnement normal, il laisse passer le rayonnement intra-cavité vers le milieu d'inter- action 1 Mais il est prévu pour envoyer, pendant un court instant, le rayonnement laser sur le miroir 25 qui le réfléchit vers l'objet 26. Le fonctionnement de ce dispositif d'éclairage est le suivant: initia- lement, le commutateur 24 envoie une impulsion lumineuse vers le miroir 25 pour éclairer transitoirement l'objet 26 Cet objet renvoit vers le dispositif une partie du rayonnement reçu, ce qui constitue l'onde signal transitoire qui initie le processus d'éclairage prolongé de l'objet Le commutateur 24 est alors remis dans sont état normal qui laisse passer le rayonnement intra- cavité vers le milieu 1 et le miroir 23. L'onde signal transitoire émanant de l'objet 26 et collectée par Poptique 27 interfère, dans le volume du milieu d'interaction 1, avec le rayonnement intra-cavité, créant ainsi un réseau de franges d'interférence. Ce réseau de franges induit un réseau de strates d'indice qui diffracte une partie du rayonnement intra-cavité provenant du miroir 23 en une onde conjuguée de l'onde signal En choisissant convenablement les paramètres de fonctionnement du milieu d'interaction 1, la fraction ainsi diffractée du rayonnement intra-cavité est équivalente à la fraction de rayonnement émise par le miroir de sortie usuel d'un laser, qui a un coefficient de réflexion de 95 %. L'onde conjuguée de l Ponde signal retourne vers l'objet 26 et subit en sens inverse les mêmes modifications, elle se trouve donc automatiquement focalisée sur l'objet, quelles que soient les perturbations de latmosphère traversée. L'objet la renvoie vers le dispositif o elle interfère à nouveau avec le rayonnement intra-cavité Une nouvelle onde conjuguée est émise par le milieu, et le processus continue A chaque instant, le réseau de diffraction inscrit dans le milieu correspond exactement à l'onde provenant de l'objet, c'est à dire que ce réseau est modifié en permanence en fonction des perturbations du trajet optique objet-dispositif. Ainsi, sans aucun mouvement mécanique du faisceau,le dispositif assure l'éclairage de lobjet, et la focalisation parfaite du faisceau d'éclai- rage sur cet objet, aussi longtemps que nécessaire, la puissance nominale du laser se trouvant répartie sur la surface d'onde complexe SO Un autre avantage du dispositif est lamplification qu'il est susceptible de produire sur l'onde d'éclairage: si l'interaction illumination-indice dans le milieu photoexcitable est efficace, l'intensité du front d'onde conjugué est supérieure à l'intensité du front d'onde incident, l'énergie supplémentaire étant prélevée sur le rayonnement intra-cavité. Une condition de fonctionnement est évidemment que le temps d'inscription du réseau de diffraction dans le matériau constituant le milieu 1 reste très court devant les fluctuations temporelles de la phase du signal incident introduites par les perturbations du trajet optique de ce signal. Ce dispositif fonctionne dans tout domaine de longueur d'onde,à condition que le milieu 1 soit adapté, en transparence, à la longueur d'onde de la source laser utilisée Il est notamment utilisable dans le domaine infra- rouge, ce qui est avantageux pour les longs parcours dans l'air. Ce dispositif d'illumination peut être intégré dans des sytèmes de détection d'objets, de poursuite d'une cible, de télémétrie. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'éclairage évolutif d'un objet par le rayonnement issu d'un laser dont la cavité est fermée par deux miroirs, cet objet ( 26) étant susceptible d'émettre une onde signal transitoire, caractérisé en ce que ces deux miroirs ( 22 et 23) sont des miroirs à réflexion totale, et que le rayonnement d'éclairage est émis du laser par l'intermédiaire d'un milieu d'interaction ( 1) photoexcitable à variation d'indice, disposé à l'intérieur de la cavité laser sur le trajet du rayonnement intra-cavité, ce rayonnement intra-cavité interférant au sein de ce milieu ( 1) avec l'onde signal transitoire émise par l'objet ( 26), pour générer une onde complexe conjuguée de l'onde signal, cette onde conjuguée retournant vers l'objet ( 26) et s'y réfléchissant à nouveau, constituant une nouvelle onde signal. 2 Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'éclairer transitoirement l'objet pour générer l'onde signal transitoire. 3 Dispositif d'éclairage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens permettant d'éclairer transitoirement l'objet comprennent à l'intérieur de la cavité laser, un déviateur ( 24) et un troisième miroir ( 25), ce déviateur ( 24) prélevant une impulsion lumineuse sur le rayonnement intra- cavité et l'envoyant sur ce troisième miroir ( 25) qui le dirige vers l'objet ( 26). 4 Dispositif d'éclairage selon lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu d'interaction photoexcitable ( 1) est disposé sur le trajet du rayonnement intra-cavité selon l'incidence de Brewster. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu d'interaction photoexcitable ( 1) est un matériau photoréfractif. 6 Dispositif d'éclairage selon lune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu d'interaction photoexcitable ( 1) est un matériau semiconducteur. 7 Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu d'interaction photoexcitable ( 1) est un gaz permettant Yabsorption saturée dudit rayonnement. 8 Dispositif d'éclairage selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit matériau photoréfractif est l'un des matériaux du groupe: B S O, B a Ti 03, sulfure de carbone. 9 Dispositif d'éclairage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau semiconducteur est l'un des matériaux du groupe: Ge, In Sb, Hg Cd Te- Dispositif d'éclairage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit gaz est de la vapeur de sodium. 11 Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications I à , caractérisé en ce que ledit rayonnement est un rayonnement infrarouge.