Brevet FR2525405A1 — publié le 19831021

Laser à guide d'ondes à alésage carré et à fonction- nement déclenché passivement. Le domaine de l'invention est celui d'un laser à guide d'ondes modulé. Dans des cas o l'on doit avoir recours à des lasers légers de petites dimensions, une configu- ration souhaitable est un laser à guide d'ondes Si la cavité optique du laser est délimitée par des mi- roirs situés à l'intérieur du guide d'ondes, le laser sera très simple, mais également très limité en ce qui concerne la façon dont la sortie peut être modulée en vue d'une utilisation dans les télémètres ou les ra- dars à laser Un problème auquel on est confronté de- puis longtemps consiste à adjoindre un modulateur intracavitaire à un laser à guide d'ondes avec des per- tes tolérables. Il est généralement admis, dans la technique, qu'une cavité de guide d'ondes puisse être prolongée légèrement en déplaçant un miroir par rapport à une extrémité du guide d'ondes; toutefois, un tel déplace- ment ne peut être envisagé que sur une distance équiva- lant à une ou deux longueurs transversales caractéris- tiques (dimension transversale ou diamètre du guide d'ondes) sans encourir une perte de puissance impor- tante par diffraction due au mode d'excitation du guide d'ondes dès qu'a lieu une propagation en dehors de la structure de guidage. Selon les enseignements de la technique anté- rieure (Degnan et Hall dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", volume QE-9, N O 9), les lasers à guide d'ondes peuvent comporter une seule cavité qui se pro- longe largement au-delà de la zone guidée afin de ren- fermer un élément de modulation intracavitaire, ces lasers présentant une perte optique acceptable lorsque le miroir déplacé refocalise le mode de propagation en espace libre dans le guide d'ondes Ce prolongement de longueur de cavité avec faible perte peut être réalisé uniquement pour une gamme limitée de combinai- sons rayon de miroir/diamètre de guide Par exemple, un article publié par Lyszyk et al dans "Optics Communications", février 1981, pages 327 et suivantes montre que, pour une combinaison d'un miroir d'un rayon de courbure de 26 cm et d'un guide d'ondes d'un diamètre de-1,5 mm, une séparation de 26 cm entre le miroir et le guide d'ondes permet, au laser, de fonc- tionner à une puissance maximum, puissance qui diminue cependant d'un facteur de 2 pour une distance de sépa- ration de 24 cm ou de 28 cm Si l'on utilise un mi- roir ayant un rayon de courbure de 22 cm, la puissance maximum est égale à la moitié de la valeur de référence pour toutes les positions du miroir. Si la section-transversale du guide d'ondes augmente, la distance de séparation entre ce dernier et le miroir pour une puissance maximum augmente éga- lement, mais le caractère critique de la distance de séparation subsiste Par exemple, un guide d'ondes d'un diamètre de 2 à 3 mm pourrait nécessiter une dis- tance de séparation d'au moins 50 cm entre le guide et le miroir Un accroissement de longueur aussi impor-_ tant pourrait exercer un effet très préjudiciable sur la stabilité mécanique de la cavité et, partant, sur la stabilité optique du laser. Un article publié dans "Optics Communications" (volume 4, No 4, page 283 ( 1971)) par Bjorkholm et al. décrit l'utilisation de deux cavités couplées par espa- ce libre avec des miroirs plans, une de ces cavités contenant un milieu d'-amplification,tandis que l'autre est uninterféromètrede Fabry-Pérot assurant un contrôle de fréquence au moyen d'un réticule Compte tenu des ex- périences précitées et de l'état de la technique, l'hom- 25254 ô 5 me de métier spécialisé dans la technique des lasers pourrait penser qu'une combinaison d'un milieu d'ampli- fication de guide d'ondes et de miroirs plans (ou d'un réticule) n'est envisageable que si la distance compri- se entre le guide et le réticule ne dépasse pas quel- ques diamètres de guide d'ondes Toutefois, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 241 319 accordé le décembre 1980 au nom de Aristotle Papayoanou, il est suggéré qu'un laser à guide d'ondes peut être utilisé avec un interféromètre de Fabry-Pérot suffisamment long pour recevoir une cellule de Stark utilisée pour accorder et/ou moduler le laser Dans ce brevet, il est indiqué que les pertes par diffraction peuvent poser un problè- mie, mais il n'y est pas fait mention d'une comparaison entre les niveaux de puissance obtenus avec ce laser et avec un laser dépourvu de cavité prolongée. Pour un dispositif devant être utilisé sur place et qui est dès lors soumis à des limitations de poids et de puissance, ainsi qu'à des conditions de stabilité rigoureuses, une modulation active du type illustré dans le brevet précité des Etats-Unis d'Améri- que 4 241 319 n'est pas intéressante. L'invention consiste en un laser à guide d'ondes perfectionné à alésage carré et à fonctionne- ment déclenché passivement comportant deux cavités cou- plées dont une est une cavité de guidage d'ondes cou- vrant le milieu d'amplification et l'autre, une cavité définissant un espace libre qui entoure le modulateur. Dans les dessins annexés: la figure 1 illustre un laser à guide d'ondes de la technique antérieure; la figure 2 illustre un laser à guide d'ondes comportant un interféromètre de Fabry-Pérot à longueur variable; et la figure 3 illustre une forme de réalisation de l'invention comportant un interféromètre de Fabry- Pérot pratiquement fixe. La figure 1 illustre un laser à guide d'ondes de la technique antérieure dans lequel un milieu d'am- plification tel que le Co,, est enfermé dans un guide d'ondes rectangulaire 101 qui, à titre d'exemple, mesu- re 2,26 mm x 2,26 mm en section transversale Cet alésage de guide d'ondes est enfermé dans un guide d'ondes 102 qui, à une extrémité, est délimité par un miroir partiellement réfléchissant 104 ayant une haute réflectance et, à l'autre extrémité, par un miroir 110 ayant essentiellement une réflectance de 100 % La dis- tance comprise entre les surfaces réfléchissantes de ces deux miroirs, spécifiquement 35 cm, est indiquée en 150 dans le dessin et elle représente la longueur de la cavité On a constaté qu'un laser ayant cette configu- ration engendrait, au travers du miroir 104, une puis- sance de sortie de 16 watts servant de référence de li- gne de base Malheureusement, un tel laser n'est pas modulé et il ne se prête pas à des applications nécessi- tant des impulsions de radiation. Des expériences ont démontré que le prolonge- ment (de 17 cm) de la longueur de cavité 150 pour lui permettre de recevoir un modulateur diminuait la puis- sance d'un facteur de deux comparativement à la ligne de base, tandis que la substitution d'un réticule plan à un miroir courbe avait pour conséquence de réduire la puissance d'un second facteur de quatre ou plus. Une adaptation pure et simple du laser décrit dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique 4 241 319 en vue d'utiliser une cavité résonnante passive pourrait aboutir à la configuration illustrée en figure 2 dans laquelle le miroir 106 a une réflectance telle qu'une énergie suffisante pénètre dans la cavité de modulation pour saturer le SF 6 contenu dans la cellule 120 Cette caractéristique contraste avec le brevet des Etats- Unis d'Amérique 4 241 319 dans lequel la réflectance est telle que la cellule de Stark ne se sature pas. La longueur 154 de la cavité de modulation doit être aussi courte que possible afin de réduire les pertes par diffraction associées à l'utilisation du réticule plan. Toutefois, un laser dont le miroir 106 a une réflectance de 30 % et dont la longueur 154 est de 8,5 cm, présente l'inconvénient d'émettre des impul- sions sporadiques Ce laser pourrait émettre des im- pulsions déclenchées d'une largeur de 200 ns dans la gamme de fréquences de répétition désirée de 50 k Hz à k Hz, mais la puissance moyenne du laser pourrait itérer entre l'état complètement hors circuit et l'état complètement en circuit à un rythme d'environ une seconde. Si la réflectance du miroir 106 est portée à environ 85 % en vue de rendre la cellule 120 moins sensible aux problèmes thermiques, on pourrait s'at- tendre à ce que la pression de SF 6 soit également modifiée Toutefois, on a constaté que l'intervalle de pressions du SF 6 gazeux (moins de 0,1 torr de SF 6 et plusieurs torrs de He) était anormalement critique. Si l'intervalle de pressions est trop faible, la cavi- té résonnante n'est pas à même de mettre le laser hors circuit et, s'il est trop élevé, l'impulsion émise par le laser est éteinte en raison d'un couplage de sortie au départ du miroir 104, tandis que la perte de 15 % au miroir 106 est trop importante et que le laser reste en dessous de la valeur seuil Si la longueur de la cellule 120 est accrue de telle sorte que l'on puisse utiliser le même nombre de molécules de SF 6 (pour l'ab- sorption), mais à une pression plus basse (si bien qu'une désactivation par collision au cours de l'impul- sion ne constituera pas un problème), un fonctionne- ment du laser à une fréquence de répétition d'impul- sions fixe ne peut être maintenu Le dispositif pose un problème commun au laser du brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 241 319, à savoir qu'il fonctionne dans 1 ' "encoche de réflectance" de l'interféromètre de FabryPérot du fait que cette encoche est la seule zone dans laquelle un accord de longueur ( 154) de ca- vités couplées contrôle le décalage de phase effectif de l'interféromètre Toutefois, dans la zone de l'en- coche, la phase et la réflectance sont des fonctions à ce point sensibles de la longueur 154 que l'on ne peut obtenir ni une fréquence de répétition d'impul- sions fixe, ni un fonctionnement à puissance moyenne stable; en conséquence, la sortie du transmetteur ain- si obtenu est à ce point instable que ce dernier ne constitue pas un instrument pratique à utiliser sur place. Un laser permettant de remédier aux difficul- tés de la technique antérieure est illustré en figu- re 3 dans laquelle la longueur 154 est d'environ 15-20 cm, la pression du SF 6 contenu dans la cellule 114 est inférieure à 0,5 torr et la longueur de la cellule ac- tive est de 12 cm La longueur de cavité 153 est d'en- viron 44 cm et la réflectance du miroir 106 se situe dans l'intervalle de 60 à 85 %. La valeur de réflectance optimum pourrait dé- pendre de la fréquence de répétition désirée du trans- metteur et de la longueur d'amplification du milieu ac- tif de C 02 D'une manière générale, un flux de photons suffisant doit passer de la cavité à travers le miroir 106 pour contraindre le SF 6 à se saturer; toutefois, la pression du SF 6 et du gaz tampon doit être suffisam- ment élevée pour qu'une désactivation à l'intérieur des impulsions ait lieu sans permettre une prédominance des effets entre impulsions La longueur 153 est ensuite contrôlée à l'aide d'un transducteur piézoélectrique adapté sur le miroir 104 afin de régler la fréquence du laser et de maintenir la fréquence de répétition d'impulsions fixe désirée. Un laser pulsé réalisé conformément aux en- seignements de la présente invention offre des amélio- rations de rendement comparativement aux lasers de la technique antérieure en général et, en particulier, à celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4.241 319 Par exemple, pour des lasers qui doivent être modulés par des mécanismes ne présentant pas des phénomènes de saturation (par exemple, un modulateur -de phase électro-optique au Cd Te), on peut choisir, pour le miroir 106, une réflectance nettement infé- rieure, par exemple, de 30 %, de telle sorte qu'un con- trôle de fréquence pratiquement complet du laser puis- se être effectué par l'élément optique 112, réduisant ainsi considérablement les complications mécaniques résultant d'une mise en service par flexion d'une inter- face à vide comme cela est nécessaire lorsque le trans- ducteur piézo-électrique doit être localisé à l'emplace- ment du miroir 104 ou 106. Dans des cas o l'on désire assurer unique- ment une fonction de modulation à l'état complètement hors circuit ou en circuit sur une transition sélec- tionnée de réticule particulière, la réflectance du mi- roir 106 et la l Qngueur de cavité 154 peuvent être choi- sies pour imposer un fonctionnement du laser sur le mode transversal unique à perte minimum du système résonateur composite Dans le cas particulier o un format de modu- lation d'ondes carrées à basse fréquence est souhaita- ble, cette modulation peut être assurée par un disque rotatif mince dans lequel sont-définies alternativement des zones d'absorption à 100 % et des zones de transmis- sion à 100 % Dans ce cas, on pourrait choisir une réflectance aussi élevée que possible pour le miroir 106, ainsi qu'une longueur 154 aussi courte que pos- sible, de telle sorte que la réflectance du miroir 106 et la réaction au réticule soient réglées pour permettre uniquement l'oscillation de la transition contrôlée par réticule. Un problème demandant beaucoup d'attention est celui de la suppression des modes inopportuns qui comportent des paramètres proches de ceux du mode sou- haité Un procédé en vue de résoudre ce problème con- siste à utiliser la différence de perte par diffraction entre le mode transversal à perte minimum et le mode transversal à perte minimum suivant auquel il est fait appel pour établir une distinction à l'encontre d'un mode de fonctionnement d'un ordre plus élevé L'état de fonctionnement peut être déterminé expérimentalement moyennant un accroissement graduel de la longueur 154 jusqu'à ce que l'on n'observe plus qu'un seul mode de fonctionnement de l'ordre le plus bas En variante, la configuration optique de l'élément optique 112 pour- rait être choisie conjointement avec la perte de propa- gation tributaire de la diffraction sur la distance de déplacement circulaire 154 en vue d'imposer le contrôle de mode désiré de la sortie du laser à travers le mi- roir 104 En règle générale, ce contrôle de mode ne pourrait être effectué par un simple choix de la réflec- tance du miroir 106, étant donné que cette réflectance pourrait ne pas être tributaire du mode. Une version alternative du contrôle de mode consiste à réaliser le miroir 106 sous forme d'une len- tille divergente, c'est-à-dire un miroir 106 dont la surface extérieure est concave La seconde cavité est alors une cavité optique instable qui permet une discri- mination très efficace à l'encontre desmodes inopportuns. REVENDICATIONS 1 Laser à guide d'ondes comprenant une pre- mière cavité optique ayant une première longueur ren- fermant un premier et un second miroir, ainsi qu'un guide d'ondes optique ayant une longueur transversale caractéristique et disposé entre ces miroirs, un mi- lieu d'amplification ayant une longueur d'amplification étant disposé dans ce guide d'ondes; un moyen destiné à exciter cemilieu d'amplifica- tion, de telle sorte que le rayonnement du laser à guidage d'ondes résonne dans cette première cavité op- tique; et une seconde cavité optique définissant un espace libre et couplée à la première cavité optique par le second miroir, cette seconde cavité renfermant un élé- ment de modulation de rayonnement, ainsi qu'un réticu- le disposé sur un côté de l'élément de modulation de rayonnement qui est opposé au second miroir, cette se- conde cavité ayant une longueur de modulation, carac- térisé en ce que: l'élément de modulation de rayonnement est une cavité résonnante passive pouvant être blanchie et con- tenant un gaz à une densité prédéterminée; la longueur de cavité de modulation atteint au moins 50 fois la longueur transversale précitée; et la longueur de la première cavité est contrôlée pour maintenir le laser en un état de fonctionnement stable. 2 Laser à guide d'ondes suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le second miroir et le réticule forment un interféromètre de Fabry-Pérot ayant une réflectance qui est une fonction,variant lentement, de l'écartement entre ce second miroir et ce réticule. 3 Laser à guide d'ondes suivant la revendi- cation 1, dans lequel le guide d'ondes précité suppor- te au moins deux modes transversaux dont un est un mode désiré, caractérisé en ce que, conjointement avec la longueur de cavité de modulation, le réticule a une configuration optique prédéterminée qui réfléchit préférentiellement le rayonnement de ce mode désiré. S 4 Laser à guide d'ondes comprenant une pre- mière cavité optique ayant une première longueur ren- fermant un premier et un second miroir, ainsi qu'un guide d'ondes optique ayant une longueur transversale caractéristique et disposé entre ces miroirs, un mi- lieu d'amplification ayant une longueur d'amplification étant disposé dans ce guide d'ondes; un moyen destiné à exciter ce milieu d'amplifica- tion, de telle sorte que le rayonnement du laser à guidage d'ondes résonne dans cette première cavité op- tique; et une seconde cavité optique définissant un espace libre et couplée à la première cavité optique par le second miroir, cette seconde cavité renfermant un élé- ment de modulation de rayonnement, ainsi qu'un réticu- le disposé sur un côté de l'élément de modulation de rayonnement qui est opposé au second miroir, cette se- conde cavité ayant une longueur de modulation, carac- térisé en ce que: cette seconde cavité est un résonateur optique instable. Laser à guide d'ondes suivant la revendi- cation 4, caractérisé en ce que le second miroir a une surface extérieure située dans la seconde cavité opti- que, cette surface étant concave, de telle sorte que la seconde cavité soit optiquement instable.