Brevet FR2535072A1 — publié le 19840427

Dispositif optique de déphasage et application à un générateur laser La présente invention concerne un dispositif optique de déphasage et une application de ce dispositif a' un générateur laser. On connait des éléments optiques de déphasage tels que les lames biréfringentes quart d'onde qui permettent de modifier la polarisation d'un faisceau laser par déphasage optique du rayonnement. Ces lames optiques présentent l'inconvénient d'avoir deux dioptres, perpendiculaires au faisceau, qui provoquent des reflets parasites gênants, notamment en télémètrie. De plus, lorsque le faisceau laser est de grande puissance, par exemple dans le cas d'un laser appliqué à l'usinage, la lame peut subir un échauffement important par absorption de puissance optique. I1 existe d'autres dispositifs, à couches multidiéleetriques, pour modifier la polarisation d'un faisceau laser par déphasage optique du rayonnement. Mais ces dispositifs présentent l'inconvénient d'entre difficiles à réaliser et d'entre sensibles aux conditions du milieu ambiant. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients, et de réaliser un dispositif optique de déphasage de réalisation simple et d'utilisation facile. Elle a pour objet un dispositif optique de déphasage comportant au moins un élément optique, caracterise en ce que élément optique comprend - un polariseur à grille formé d'une plaque diélectrique transparente et d'une grille constituée par des fils métalliques conducteurs disposés dans un plan, parallèlement entre eux, à égale distance l'un de l'autre, cette grille étant appliquée sur une face de la plaque diélectrique - et une pellicule métallique plane réfléchissante dont une face est appliquée sur l'autre face de la plaque diélectrique, cet élément étant capable de modifier la phase d'un faisceau de rayonnement monochromatique cohérent dont la longueur d'onde est supérieure à la distance entre les fils de la grille, le déphasage entre le rayonnement sortant de élément et le rayonnement incident étant sensiblement proportionnel à l'épaisseur de la plaque diélectrique. La présente invention a aussi pour objet un générateur laser comportant ledit dispositif optique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, - un autre polariseur à grille disposé parallèlement à l'élément optique, les grilles de l'élément optique et de l'autre polariseur étant en regard l'une de l'autre, de façon à former avec l'élément optique une cavité optique résonnante, - un milieu actif disposé à l'intérieur de la cavité - et des moyens d'excitation du milieu actif, capables de provoquer la formation d'un rayonnement amplifié dans la cavité, une partie de ce rayonnement sortant de la cavité à travers l'autre polariseur à grille de façon à former un faisceau laser, le coefficient de transmission optique de l'autre polariseur à grille étant fonction de l'angle que font entre eux les fils de grille de l'élément optique de déphasage et de l'autre polariseur à grille. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente dans l'espace un mode de réalisation d'un dispositif optique selon l'invention, - la figure 2 représente schématiquement le trajet d'un faisceau lumineux à travers le dispositif optique illustré par la figure 1, - la figure 3 représente dans l'espace un autre mode de réalisation du dispositif optique selon l'invention - et la figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation du générateur laser selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un élément optique 10 comprenant un polariseur à grille formé d'une plaque diélectrique transparente 1 par exemple en germanium et d'une grille 2 appliquée sur une face de la plaque 1. La grille 2 est constituée de fils métalliques conducteurs 3 réalisés par exemple en aluminium. Les fils 3 peuvent avoir comme représenté une section rectangulaire et sont disposés dans un plan, parallèlement entre eux, à égale distance l'un de l'autre. De préférence, une couche antireflet 23 est déposée sur la plaque diélectrique 1 entre ladite face de la plaque 1 et la grille 2. L'élément optique 10 comporte en outre une pellicule métallique plane réfléchissante 4 dont une face est appliquée sur l'autre face de la plaque diélectrique 1. Les polariseurs à grille sont connus dans la technique et leurs propriétés sont décrites dans l'ouvrage américain "Handbook of optics" (WALTER G. DRISCOLL), Editor Mac Graw Hill, 1978 pages 10-72 à 10-77. La pellicule métallique 4 peut être réalisée par dépôt sous vide d'une couche métallique sur la face arrière de la plaque 1, cette face étant opposée à celle supportant la grille 2. De préférence, l'élément optique 10 est mécaniquement renforcé par un support plan 5 fixé par exemple par collage sur l'autre face de la pellicule métallique. Ce support peut être réalisé en métal. Sur la figure 2, est représenté schématiquement l'élément optique 10, coupé suivant un plan perpendiculaire au plan de la grille 2 et parallèle à la direction des fils 3. Pour clarifier cette figure, la coupe de l'élément optique a été représentée sous forme d'un rectangle dont les grands côtés représentent respectivement la grille 2 et la pellicule 4, la surface intérieure de ce rectangle, exempte de hachures, représentant la plaque diélectrique 1. Un faisceau de rayonnement monochromatique cohérent, dont l'axe 6 est situé dans un plan d'incidence confondu avec le plan de la figure, se propage vers la grille 2. La longueur d'onde du rayonnement qui est par exemple située dans la gamme infrarouge est supérieure à la distance "d" entre les fils de la grille (voir figure 1). La vibration lumineuse du rayonnement comporte une composante 7 parallèle au plan d'incidence et une composante 8 perpendiculaire à ce plan. La composante 7 est réfle > - chie par la grille 2 suivant l'axe 9 avec un déphasage t 1 .La composante 8 est transmise intégralement par la grille, puis est réfractée dans la plaque diélectrique 1, et arrive avec un angle d'incidence "a" sur la pellicule réfléchissante 4 qui la réfléchit avec un dépha sage t 2. La composante 8 réfléchie sur la pellicule 4 traverse une nouvelle fois la plaque 1 et la grille 2 et sort de l'élément optique suivant un faisceau 11 après avoir subi un déphasage t 3 . En définitive, le déphasage total introduit par l'élément optique est égal à La valeur de Y 3 est donnée par l'expression dans laquelle "e" représente l'épaisseur de la plaque diélectrique, "n" représente l'indice de réfraction de la plaque diélectrique et n A n la longueur d'onde du rayonnement. En pratique, dans la grande majorité des cas, la différence t peut être négligée et l'expression 2 donne le déphasage total introduit par l'élément optique. Le déphasage total est donc proportionnel à l'épaisseur de la plaque diélectrique. L'élément optique décrit ci-dessus présente l'avantage de fonctionner sans perte d'énergie optique et de pouvoir fonctionner avec un faisceau à incidence nulle (a = o). La relation 2 montre qu'il est possible de déterminer la valeur de "e", pour # et "a" donnés, de façon obtenir le déphasage désiré. Par exemple, si l'on désire un déphasage quart d'onde, correspondant à une valeur t de t 3, l'angle "a" étant de 45 degrés, l'épaisseur de la couche diélectrique doit être égale à l'une des valeurs suivantes k étant un nombre entier quelconque. Si l'on veut un déphasage demi-onde avec a = 45 degrés, l'épaisseur de la couche diélectrique doit être égale à Le dispositif représenté sur la figure 3 comporte d'une part un élément optique 10 du type de celui illustré par la figure 1 et un moteur électrique 12 dont l'arbre de sortie est fixé sur l'élément 10 de façon à l'entrainer en rotation autour d'un axe 13 parallèle au plan de la grille de l'élément 10 et perpendiculaire à la direction des fils de cette grille. Un faisceau de rayonnement d'axe 15 situé dans un plan d'incidence 14 parallèle aux fils de la grille de l'élément 10 est réfléchi suivant un faisceau d'axe 16. Lorsque le moteur 12 fait tourner ltelé- ment 10 autour de l'axe 13, l'angle d'incidence a du rayonnement sur la pellicule réfléchissante de l'élément varie. En donnant à l'épaisseur "e" de la plaque une valeur suffisamment grande, on obtient alors une variation du déphasage t entre les faisceaux 16 et 15, cette variation étant assez importante pour faire varier la polarisation. En particulier, si, à un instant de la rotation de l'élément 10, l'angle d'incidence "a" satisfait à la relation suivante le déphasage ss t est égal à - + k (en supposant toujours t kaj ) 2 de sorte qu'un faisceau incident polarisé linéairement donne, après ren- voi par le dispositif, un faisceau polarisé cireulairement. De même, si, à un instant de la rotation de l'élément 10, l'angle d'incidence satisfait à la relation suivante le déphasage Q # est égal à It, de sorte qu'un faisceau incident pola- risé linéairement donne, après renvoi par le dispositif, un faisceau à polarisation linéaire croisée. Sur la figure 4 est représenté un générateur laser dont la cavité optique résonnante est formée par un élément optique 10 du type de celui illustré par la figure 1 et un polariseur à grille 17 formé d'une plaque diélectrique transparente sur une face de laquelle est appliquée une grille constituée par des fils conducteurs équidistants. L'élément 10 et le polariseur 17 sont disposés parallèlement entre eux de façon que leurs grilles soient en regard l'une de l'autre. Les fils des grilles de l'élément et du polariseur font entre eux un angle b. A l'intérieur de la cavité est disposé suivant un axe 18 un milieu actif laser 19. Le générateur comporte en outre des moyens 20 pour exciter le milieu actif 19 afin d'obtenir l'effet laser. Dans la cavité laser ainsi formée, l'élément 10 se comporte comme un miroir totalement réfléchissant et le polariseur 17 comme un miroir partiellement transparent dont le coefficient de réflexion équivalent R est donné par l'expression suivante R = 1 4 (1 - cos 4 b) (1 3 3 étant l'angle du déphasage provoqué par l'élément 10, ce déphasage satisfaisant à ltexpression suivante dans laquelle représente la longueur d'onde du rayonnement laser, + et t 2 étant toujours supposés égaux entre eux. Il est donc possible de choisir l'angle b" de façon à obtenir un faisceau laser 21 sortant de la cavité à travers le polariseur 17. Grâce à des moyens, représentés schématiquement en 22, pour faire tourner le polariseur 17 autour de l'axe 18, il est possible de faire varier le coefficient de réflexion équivalent R de la cavité du gnra- teur laser. REVENDICATIONS 1/ Dispositif optique de déphasage comportant au moins un élément optique, caractérisé en ce que l'élément optique comprend - un polariseur à grille formé d'une plaque diélectrique (1) transparente et d'une grille (2) constituée par des fils métalliques conduc- teurs (3) disposés dans un plan, parallèlement entre eux, à égale distance (d) l'un de l'autre, cette grille étant appliquée sur une face de la plaque diélectrique - et une pellicule métallique plane réfléchissante (4) dont une face est appliquée sur l'autre face de la plaque diélectrique (1) cet élément (10) étant capable de modifier la phase d'un faisceau de rayonnement monochromatique cohérent (6) dont la longueur d'onde est supérieure à la distance (d) entre les fils (3) de la grille (2), la déphasage entre le rayonnement (16) sortant de l'élément et le rayonnement incident (15) étant sensiblement proportionnel à l'épaisseur (e) de la plaque diélectrique (1). 2/ Dispositif selon la revendication 1, oaractérisé en ce que le polariseur à grille comporte en outre une couche antireflet (23) disposée entre la plaque diélectrique (1) et la grille (2). 3/ Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un support plan (5) fixé sur l'autre face de la pellicule métallique (4). 4/ Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (12) pour faire tourner l'élément optique (10) autour d'un axe (13) parallèle au plan de la grille (2) et perpendiculaire à la direction des fils (3) de la grille, la rotation de l'élément optique entraînant une variation du déphasage 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la plaque diélectrique (1) est choisie de façon à obtenir un déphasage demi-onde. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la plaque diélectrique (1) est choisie de façon à obtenir un déphasage quart d'onde. 7/ Générateur laser comportant un dispositif de déphasage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un autre polariseur (17) à grille disposé parallèlement à l'élément optique (10), les grilles de l'élément optique et de l'autre polariseur étant en regard l'une de l'autre, de façon à former avec l'élément optique (10) une cavité optique résonnante, - un milieu actif (19) disposé à l'intérieur de la cavité - et des moyens (20) d'excitation du milieu actif, capables de provoquer la formation d'un rayonnement amplifié dans la cavité, une partie de ce rayonnement sortant de la cavité à travers l'autre polariseur à grille (17) de façon à former un faisceau laser (21), le coefficient de transmission optique de l'autre polariseur à grille étant fonction de l'angle (b) que font entre eux les fils de grille de l'élément optique de déphasage (10) et de l'autre polariseur (17) à grille. 8/ Générateur laser selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (22) pour faire varier ledit angle (b) que font entre eux les fils de grille de l'élément optique et du polariseur.