Brevet FR2514959A1 — publié le 19830422

Dispositif laser émetteur-récepteur à détection hétérodyne La présente invention concerne un dispositif laser émetteur-récep- teur à détection hétérodyne. On sait qu'il est possible de mesurer la distance d'une cible en envoyant vers elle une impulsion délivrée par un émetteur laser et en mesurant l'intervalle de temps qui s'écoule entre le départ de l'impul- sion et le retour d'un écho de cette impulsion renvoyé par la cible. Dans les appareils à détection hétérodyne, la fréquence d'émission de l'émetteur laser est légèrement décalée par rapport à celle d'un oscillateur local, et l'écho renvoyé par la cible est dirigé vers un récepteur photoélectrique qui reçoit aussi le rayonnement délivré par l'oscillateur local Le récepteur délivre alors des signaux modulés à une fréquence égale à la différence entre la fréquence de l'émetteur et celle de l'oscillateur local Il en résulte une augmentation importante du rapport signal sur bruit à la réception. Pour éviter des difficultés de synchronisation, on utilise souvent un seul laser pour réaliser les fonctions de l'émetteur et de l'oscilla- teur local. Pour cela, l'énergie du faisceau délivré par le laser unique est divisé en deux parties à l'aide d'une lame optique disposée à 45 degrés sur le trajet du faisceau Une première partie passe à travers un système optique qui délivre une impulsion dont la fréquence est légèrement décalée par rapport à celle du laser, cette impulsion étant dirigée vers la cible La deuxième partie de l'énergie du faisceau, délivrée par le laser unique est dirigée vers le récepteur pour être mélangée à l'écho renvoyé par la cible. Mais le dispositif décrit ci-dessus présente un inconvénient En effet le système optique provoque des réflexions parasites du rayon- nement à fréquence décalée Ces réflexions se propagent en sens inverse du faisceau d'émission vers le laser et sont réfléchies par la lame optique sur le récepteur Il en résulte un brouillage à fort niveau qui perturbe les mesures de façon importante. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. Elle a pour objet un dispositif laser émetteur-récepteur à détec- tion hétérodyne, comportant -2 - un émetteur laser continu capable de délivrer un rayonnement de fré- quence 1, un système optique disposé à la sortie de l'émetteur pour recevoir une première partie de l'énergie du rayonnement de fréquence fi et délivrer en réponse une impulsion de rayonnement de fréquence décalée par rapport à f 1 cette impulsion étant transmise suivant un faisceau orienté vers une cible, le système optique comportant au moins une surface dioptrique capable de renvoyer vers l'émetteur des réflexions parasites de l'éner- gie du rayonnement de fréquence décalée, un détecteur photoélectrique disposé à proximité de l'émetteur pour recevoir un écho, de fréquence f 2, de l'écho renvoyé par la cible, des moyens pour diriger vers le détecteur une deuxième partie de l'énergie du rayonnement de fréquence f 1 afin de réaliser une détection hétérodyne, le détecteur étant apte à délivrer, en réponse audit écho de fréquence f 2 et à ladite deuxième partie du rayonnement de fréquence flp un signal électrique modulé à la fréquence f 1-f 2 et un circuit de traitement du signal électrique modulé délivré par le détecteur, caractérisé en ce que l'émetteur laser comporte une cavité optique résonnante comprenant deux miroirs opposés, partiellement transparents, la première partie du rayonnement de l'émetteur sortant d'un premier de ces miroirs, la deuxième partie du rayonnement de l'émetteur sortant du deuxième miroir, la fréquence décalée étant égale à une valeur prédéter- minée différente de kc 2 L L étant la distance entre les premier et deuxième miroirs, c étant la vitesse de la lumière et k étant un nombre pouvant prendre toutes les valeurs entières, l'amplitude desdites réflexions parasites étant diminuée après traversée de la cavité, du premier miroir au deuxième miroir, Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. 251 4959 -3- Sur cette figure, un émetteur laser 1 de type continu comporte un tube laser 2 dont les faces extrêmes sont obturées respectivement par deux miroirs opposés 3 et 4 centrés sur un axe 6 et formant une cavité optique résonnante Selon une disposition de l'invention, les deux miroirs 3 et 4 sont partiellement transparents Le tube 2 contient un gaz actif laser qui peut être excité par des moyens connus représentés schématiquement en 5. La face d'entrée d'un cristal cylindrique 7 de germanium est dis- posé sur l'axe 6, de façon à recevoir le rayonnement laser sortant de la cavité par le miroir 4 Le cristal 7 est muni de deux transducteurs électro-acoustiques 8 et 9 reliés à un circuit électrique d'alimen- tation 10 Un diaphragme 11 est disposé de façon à laisser passer par son ouverture 12 le rayonnement sortant de l'autre face du cristal 7 Ce rayonnement traverse ensuite un système optique afocal d'émission, composé d'une lentille divergente 13 et d'une lentille convergente 14 centrées sur un axe 15 parallèle à l'axe 6. Un système optique afocal de réception est disposé suivant un axe 16 parallèle à l'axe 15 à proximité du système optique afocal d'émission Le système de réception comporte aussi une lentille diver- gente 17 est une lentille convergente 18. Une lame optique 19 est inclinée à 450 sur l'axe 16 de façon à renvoyer le rayonnement de réception vers un détecteur photoélec- trique 20, à travers une lentille de concentration 21. Un miroir de renvoi 22 est incliné à 450 sur l'axe 6 de façon à renvoyer vers la lentille 21 et le détecteur 20, à travers la lame opti- que 19, le rayonnement laser sortant de la cavité par le miroir 3. La sortie électrique du détecteur 20 est reliée à un circuit de traitement 23 à travers un filtre 24. Le dispositif décrit ci-dessus et illustré par la figure fonc- tionne de la manière suivante. Le rayonnement laser continu la fréquence f 1 émis par l'émetteur 1 comporte deux faisceaux 25 et 26 sortant respectivement à travers les deux miroirs partiellement transparents 4 et 3 de la cavité optique résonnante. Le circuit 10 envoie une suite d'impulsions électriques succes- -4- sives à l'entrée des deux tranducteurs 8 et 9 de façon à créer une onde acoustique qui se propage dans le cristal 7 Lorsque les transducteurs 8 et 9 sont alimentés, l'interaction de l'onde acoustique et du fais- ceau 25 pénétrant par la face d'entrée du cristal inclinée sur l'axe 6 crée un décalage de la fréquence du faisceau Les transducteurs 8 et 9 sont disposés de façon que le faisceau 27 sortant du cristal 7 soit constamment parallèle au faisceau 25 Le faisceau 27 traverse l'ouver- ture 12 du diaphragme 1. Lorsque les transducteurs 8 et 9 ne sont pas alimentés, c'est-à- dire dans les intervalles de temps séparant les impulsions délivrées par le circuit 10, le faisceau 25 traverse le cristal 7 suivant un trajet illustré en trait mixte sur la figure, pour être absorbé par la partie pleine du diaphragme 11 Le faisceau 27 est donc constitué par une suite d'impulsions successives de rayonnement laser de fréquence f D décalée par rapport à fi Le faisceau 27 traverse ensuite le système afocal 13- 14 qui délivre un faisceau 29 moins divergent et de plus grande section. Le faisceau 29 est ensuite orienté vers une cible par des moyens connus non représentés. La cible renvoie une partie de l'énergie des impulsions laser sous forme d'un faisceau 30 reçu sur la lentille 18 du système afocal de réception Le faisceau 31, de fréquence f 2 sortant de la lentille 17 est réfléchi par la lame optique 19 puis est concentré par la lentille 21 sur la surface sensible du détecteur 20. Le faisceau 26 de fréquence f 1 sortant du miroir 3 de la cavité laser est renvoyé par le miroir 22 suivant un faisceau 32 qui traverse la lame optique 19 pour être également concentré par la lentille 21 sur la surface sensible du détecteur photoélectrique 20 Ce détecteur, qui est du type quadratique, délivre à sa sortie un signal électrique modulé à la fréquence f 2-f 1 Le filtre 24 est du type passe-bande et permet d'extraire la modulation. Le dispositif représenté sur la figure est destiné à mesurer la vitesse radiale d'une cible Dans ce cas, le circuit 23 permet de déter- miner cette vitesse en fonction des variations de la fréquence f 2-f 1 détectée, ces variations résultant directement de celles de la fréquence f 2 par effet Doppler. -5- Il est difficile d'éviter que des réflexions parasites ne se pro- duisent, soit sur la face de sortie 33 du cristal 7 soit sur une surface dioptrique de système afocal d'émission 13,14 Ces réflexions ont pour effet de renvoyer une fraction de l'énergie du rayonnement de fréquence décalée, en sens inverse de celui de l'émission, c'est-à-dire vers l'émetteur 1, sur la face de sortie 34 du miroir 4. Pour éviter que ces réflexions ne traversent la cavité 3-4 pour aller se mélanger au faisceau 26 et impressionner la surface sensible du détecteur 20, le décalage de fréquence est déterminé de façon que le faisceau de fréquence décalée f D puisse être atténué par la cavité laser. Il suffit pour cela que f D soit différent de k c 2 L c étant la vitesse de la lumière, L étant la distance entre les miroirs et k étant un nombre pouvant prendre toutes les valeurs entières. De préférence, le décalage de fréquence est choisi de façon que f D soit sensiblement égal à ( 2 k + 1) c 4 L Dans ces conditions, les impulsions parasites sont fortement atté- nuées et leur niveau après traversée de la cavité est suffisamment faible pour ne pas perturber les mesures. La présente invention peut être utilisée à la réalisation d'un appareil de mesure de vitesse d'une cible; cet appareil peut également comporter des moyens supplémentaires connus pour mesurer la distance de la cible. 6 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif laser émetteur-récepteur à détection hétérodyne, compor- tant un émetteur laser continu capable de délivrer un rayonnement de fré- quence f 1, un système optique disposé à la sortie de l'émetteur pour recevoir une première partie de l'énergie du rayonnement de fréquence f 1 et délivrer en réponse une impulsion de rayonnement de fréquence décalée par rapport à f 1 cette impulsion étant transmise suivant un faisceau orienté vers une cible, le système optique comportant au moins une surface dioptrique capable de renvoyer vers l'émetteur des réflexions parasites de l'éner- gie du rayonnement de fréquence décalée, un détecteur photoélectrique disposé à proximité de l'émetteur pour recevoir un écho, de fréquence f 2, de l'écho renvoyé par la cible, des moyens pour diriger vers le détecteur une deuxième partie de l'énergie du rayonnement de fréquence f 1 afin de réaliser une détection hétérodyne, le détecteur étant apte à délivrer, en réponse audit écho de fréquence f 2 et à ladite deuxième partie du rayonnement de fréquence f 1 ' un signal électrique modulé à la fréquence f-f 2 et un circuit de traitement du signal électrique modulé délivré par le détecteur, caractérisé en ce que l'émetteur laser ( 1) comporte une cavité optique résonnante comprenant deux miroirs ( 3-4) opposés, partiellement transpa- rents, la première partie ( 25) du rayonnement de l'émetteur sortant d'un premier ( 4) de ces miroirs, la deuxième partie ( 26) du rayonnement de l'émetteur sortant du deuxième miroir ( 3), la fréquence décalée étant égale à une valeur prédéterminée différente de k c 2 L L étant la distance entre les premier et deuxième miroirs, c étant la vitesse de la lumière et k étant un nombre pouvant prendre toutes les valeurs entières, l'amplitude desdites réflexions parasites étant diminuée après traversée de la cavité, du premier miroir ( 4) au deuxième miroir ( 3). 251 4959 -7- 2/ Dispositif laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur prédéterminée est sensiblement égale à ( 2 k + 1) c 4 L 3/ Dispositif laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique comporte un cristal ( 7) traversé par le rayonnement ( 25) de fréquence fl, ce cristal étant muni d'au moins un transducteur acousto-optique ( 8) alimenté par un circuit électrique ( 10) de commande, le rayonnement ( 27) sortant du cristal ayant ladite fréquence décalée. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit système optique comporte en outre un système optique afocal ( 13-14) tra- versé par le rayonnement sortant du cristal ( 7). / Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de traitement comporte un filtre passe-bande ( 24) centré sur la fré- quence f 2-f 1-