Brevet FR2511816A1 — publié le 19830225

Générateur laser La présente invention concerne un générateur laser et plus particulièrement un générateur laser comprenant une cavité optique instable bouclée. On sait qu'un générateur laser de ce type comporte une cavité optique comprenant au moins un miroir plan, un miroir concave et un miroir convexe, ces miroirs étant disposés aux sommets d'un polygone pour réfléchir successivement une onde progressive créée par excitation d'un milieu actif disposé à l'intérieur de la cavité, une partie périphérique de l'onde progressive étant prélevée pour former le faisceau laser. Ces générateurs qui fonctionnent par diffraction périphérique de l'onde progressive sont utilisés pour obtenir un faisceau laser monomode de divergence faible, dans un encombrement relativement faible. Cependant les générateurs de ce type présentent des inconvénients. En effet, l'encombrement de la cavité est encore excessif pour certaines applications. De plus le gain du milieu actif est relativement faible car il est limité par le phénomène parasite d'émission spontanée amplifiée. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet un générateur laser comportant - une cavité optique du type instable bouclée comprenant au moins un miroir plan, un miroir concave et un miroir convexe, ces miroirs étant disposés au sommet d'un polygone, - un milieu actif laser disposé à l'intérieur de la cavité - et des moyens pour exciter le milieu actif afin de créer dans la cavité un faisceau de rayonnement réfléchi sur les miroirs suivant les côtés du polygone, la cavité comportant des moyens pour prélever sur le faisceau de rayonnement une partie tubulaire périphérique, le faisceau de rayonnement constituant une onde progressive se propageant dans la cavité dans un seul sens suivant les côtés successifs du polygone, ladite partie prélevée constituant un faisceau laser monomode sortant de la cavité, caractérisé en ce que la cavité comporte quatre miroirs plans, un premier et un deuxième de ces miroirs plans étant respectivement disposés aux deux extrémités d'un premier côté du polygone, un troisième et un quatrième miroirs plans étant respectivement disposés à proximité du deuxième et du premier miroirs plans aux deux extrémités d'un deuxième côté du polygone sensiblement parallèle au premier côté, au moins une partie du milieu actif étant disposée suivant le deuxième côté, le miroir convexe étant disposé pour renvoyer vers le premier miroir plan suivant un troisième côté le rayonnement qu'il reçoit suivant un quatrième côté en provenance du quatrième miroir plan, le miroir concave étant disposé pour renvoyer vers le troisième miroir plan suivant un cinquième côté le rayonnement qu'il reçoit suivant un sixième côté en provenance du deuxième miroir plan, ledit polygone étant ainsi un hexagone concave. Plusieurs formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure unique représente schématiquement un mode de réalisation du générateur laser selon l'invention. Sur la figure, une cuve cylindrique transparente 1 d'axe 5 est remplie d'un fluide actif laser 2 tel qu'un colorant. Un tube à éclair coaxial 3 est disposé autour de la surface cylindrique de la cuve 1. Les deux bornes d'une source commandable d'énergie électrique 4 sont connectées respectivement aux deux électrodes du tube à éclair 3. La cuve 1 est disposée à l'i'ntérieur d'une cavité optique du type instable bouclée, formée de quatre miroirs plans 8, 9, 10, 11 d'un miroir concave 6 et d'un miroir convexe 7, tous ces miroirs étant disposés respectivement aux sommets d'un hexagone concave. Un côté de cet hexagone coIncide avec l'axe 5 de la cuve 1, les miroirs 10 et 11 étant situés sur l'axe 5 de part et d'autre de la cuve.Un autre côté de cet hexagone est disposé suivant un axe 12 sensiblement parallèle à l'axe 5, les miroirs 8 et 9 étant disposés suivant l''axe 12 respectivement à proximité des miroirs 11 et 10. Comme représenté sur la figure, entre les miroirs 8 et 9 peut être disposée en outre, suivant l'axe 12, une autre cuve cylindrique transparente 13 remplie du même colorant que la cuve 1. Un tube à éclair coaxial 14 entoure la surface cylindrique de la cuve 13. Les électrodes du tube 14 sont connectées respectivement aux deux bornes d'une autre source commandable d'énergie électrique 15. Les miroirs convexe et concave 7 et 6 sont disposés en regard respectivement d'une part des miroirs 8 et 11 et d'autre part des miroirs 9 et 10. Un "écorceur" 16 formé d'un miroir plan muni d'une ouverture 17 est disposé entre les miroirs 11 et 7 de façon que l'ouverture 17 soit traversée par le côté de l'hexagone reliant les miroirs 11 et 7. Le dispositif représenté sur la figure fonctionne de la manière suivante. On commande la source 4 pour obtenir un éclair lumineux délivré par le tube 3 ; cet éclair excite le milieu actif 2 de façon à créer un faisceau de rayonnement 18 suivant l'axe 5. Le miroir 11 renvoie le faisceau 18 vers le miroir 7 suivant un faisceau 19. L'écorceur 16 est incliné sur le côté 7-11 de l'hexagone de façon à réfléchir une partie tubulaire périphérique 20 du faisceau 19 dans une direction sensiblement parallèle aux axes 5 et 12. La partie axiale du faisceau 19 traverse l'ouverture 17 suivant un faisceau 21 qui est réfléchi par le miroir concave 7 suivant un faisceau divergent 22. Le miroir 8 réfléchit le faisceau 22 vers le miroir 9 suivant un faisceau 23. Le miroir 9 réfléchit le faisceau 23 vers le miroir 6 suivant un faisceau 24 qui est renvoyé par le miroir 6 vers le miroir 10 suivant un faisceau 25.Enfin le miroir 10 réfléchit le faisceau 25, suivant un faisceau 26 superposé au faisceau 18. Le faisceau 26 est donc de nouveau amplifié par le milieu actif excité contenu dans la cuve 1. Les faisceaux 18, 19 et 21 à 26 forment une onde progressive se propageant dans un seul sens suivant les côtés successifs de l'hexagone, le faisceau 20 prélevé par l'écorceur 16 constituant un faisceau laser de sortie monomode. Dans le mode de réalisation illustré par la figure, le milieu actif disposé dans la cuve supplémentaire 13 est excité par une décharge du tube à éclair 14 obtenue par commande de la source 15, cette commande pouvant être synchronisée avec celle de la source 4 par un dispositif non représenté. Le générateur laser décrit ci-dessus présente une structure relativement compacte et autorise l'utilisation d'un milieu amplificateur à grand gain, car la forte inclinaison des miroirs 10 et 11 sur l'axe 5 du milieu amplificateur permet d'éviter les phénomènes perturbateurs d'émission stimulée amplifiée. Le gain laser dans la cavité peut encore être augmenté par l'adjonction d'une cuve supplémentaire 13 de milieu actif. De plus, le générateur laser représenté sur la figure présente les avantages suivants - la longueur totale de la cavité est grande, ce qui entraine une excellente sélection des modes transverses et une divergence plus faible, - il est possible de régler la convergence du faisceau laser émis, par déplacement du miroir concave 6 le long de son axe optique, parallèlement à lui-même, comme indiqué par les flèches 27. On évite ainsi l'emploi d'un système optique supplémentaire à focale variable. De préférence, les miroirs courbes 6 et 7 sont des miroirs sphériques, beaucoup plus faciles à réaliser et moins onéreux que les miroirs paraboliques utilisés généralement pour la réalisation de cavités instables. Pour éviter les aberrations qui pourraient résulter de l'emploi de miroirs sphériques, la position mutuelle des miroirs de la cavité est déterminée pour que les angles d'incidence tels que 28 des rayons du faisceau 24 sur le miroir 6 et du faisceau 21 sur le miroir 7 soient tous inférieurs à dix degrés. Cela implique que l'écartement entre les miroirs 9 et 10, compté parallèlement à l'axe 5, est faible par rapport à la distance du miroir 6 aux miroirs 9 et 10. De meme, l'écartement entre les miroirs 8 et 11, compté parallèlement à l'axe 5 est faible par rapport à la distance du miroir 7 aux miroirs 8 et 11. De plus, les rayons de courbure des miroirs sphériques 6 et 7 sont grands par rapport aux diamètres extérieurs- respectifs de ces miroirs. L'alignement de la cavité optique s'effectue sans difficultés, en utilisant un générateur laser auxiliaire, par exemple un générateur laser hélium-néon dont le faisceau d'émission est dirigé vers l'écorceur 16 en sens inverse du faisceau 20. L'alignement est réalisé de proche en proche sur les miroirs disposés successivement le long du polygone en sens inverse de l'onde progressive du laser principal. A titre indicatif, il est possible de réaliser un générateur laser du type de celui représenté sur la figure, comportant une cavité optique de longueur totale 3,90 mètres et un milieu actif constitué par un colorant dilué dans de l'eau additionnée de 4% de dispersant, la concentration du colorant étant de 10 4 mole/litre. Ce colorant est contenu dans une cuve cylindrique de diamètre 15 mm et de longueur 25 cm. Les miroirs convexe et concave sont des miroirs sphériques ayant respectivement des rayons de courbure de 1,80 mètre et de 5,40 mètres. L'écorceur est un disque de diamètre extérieur 15 mm, son ouverture ayant un diamètre de 5 mm. Un tel générateur laser peut délivrer des impulsions de un Joule environ, dont la durée est de l'ordre de une microseconde, avec une excellente stabilité énergétique. Le générateur laser selon la présente invention peut être appliqué à la réalisation de dispositifs de guidage d'engins ou d'alignement. REVENDICATIONS 1/ Générateur laser, comportant - une cavité optique du type instable bouclée, comprenant au moins un miroir plan, un miroir concave et un miroir convexe, ces miroirs étant disposés au sommet d'un polygone, - un milieu actif laser disposé à l'intérieur de la cavité - et des moyens pour exciter le milieu actif afin de créer dans la cavité un faisceau de rayonnement réfléchi sur les miroirs suivant les cotés du polygone, la cavité comportant des moyens pour prélever sur le faisceau de rayonnement une partie tubulaire périphérique, le faisceau de rayonnement constituant une onde progressive se propageant dans la cavité dans un seul sens suivant les côtés successifs du polygone, ladite partie prélevée constituant un faisceau laser monomode sortant de la cavité, caractérisé en ce que la cavité comporte quatre miroirs plans, un premier (8) et un deuxième (9) de ces miroirs plans étant respectivement disposés aux deux extrémités d'un premier côté du polygone, un troisième (10) et un quatrième (11) miroirs plans étant respectivement disposés à proximité du deuxième et du premier miroirs plans aux deux extrémités d'un deuxième côté du polygone sensiblement parallèle au premier côté, au moins une partie du milieu actif (2) étant disposée suivant le deuxième côté, le miroir convexe (7) étant disposé pour renvoyer vers le premier miroir plan (8) suivant un troisième côté le rayonnement (21) qu'il reçoit suivant un quatrième côté en provenance du quatrième miroir plan (11), le miroir concave (6) étant disposé pour renvoyer vers le troisième miroir plan (10) suivant un cinquième côté le rayonnement (24) qu'il reçoit suivant un sixième côté en provenance du deuxième miroir plan (9), ledit polygone étant ainsi un hexagone concave. 2/ Générateur laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs concave et convexe (6, 7) sont des miroirs sphériques, les miroirs de la cavité (6 à 11) étant disposés de façon que les angles d'incidence (28) des rayons du faisceau de rayonnement sur les miroirs sphériques soient tous inférieurs à dix degrés. 3/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour prélever sur le faisceau de rayonnement une partie tubulaire périphérique comportent un cinquième miroir plan (16) incliné sur le quatrième côté du polygone, ce cinquième miroir plan comportant une ouverture centrale (17) traversée par le quatrième côté. 4/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, une partie (2) du milieu actif étant disposée entre les troisième (10) et quatrième (11) miroirs plans, l'autre partie du milieu actif est disposée entre les premier (8) et deuxième (9) miroirs plans. 5/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déplacer le miroir concave (6) parallèlement à lui même dans la direction (27) de son axe optique.