Brevet FR2544561A1 — publié le 19841019

i -1 Dispositif laser à gaz capable d'émettre des impulsions d'un rayonnement ayant une fréquence unique La présente invention concerne un dispositif laser à gaz capable d'émettre des impulsions d'un rayonnement ayant une fréquence unique. Ce dispositif laser est d'un type connu, comportant un générateur laser à gaz comprenant deux réflecteurs disposés pour former une cavité optique réson- nante suivant un premier axe, un de ces réflecteurs étant partiel- lement transparent, des moyens pour disposer un gaz laser actif dans la cavité, des moyens de déclenchement d'une décharge électrique dans le gaz, ces moyens étant capables de créer un rayonnement à fréquences multiples oscillant dans la cavité, celle-ci comportant des moyens pour polariser ce rayonnement linéairement dans un premier plan- et des moyens pour déplacer un des deux réflecteurs le long du premier axe de manière à modifier, par variation de la longueur de la cavité, les fréquences du rayonnement oscillant, dans des gammes prédéterminées} un émetteur laser apte à délivrer un rayonnement continu à fréquence stabilisée, cette fréquence étant comprise, dans lesdites gammes prédé- terminées, un polariseur disposé à la sortie de l'émetteur pour polariser linéairement le rayonnement continu suivant un deuxième plans des moyens d'injection dans la cavité du rayonnement continu polarisé, ces moyens recevant ce rayonnement suivant un deuxième axe et renvoyant le rayonnement parallèlement au premier axe vers le réflecteur partiellement transparent, de manière que le deuxième plan soit perpendiculaire au premier plan, une partie de ce rayonnement polarisé sortant de la cavité, un récepteur photoélectrique disposé pour recevoir au moins une partie dudit rayonnement continu polarisé sortant de la cavité et un circuit de détection connecté à la sortie électrique du récepteur et auxdits moyens de déclenchement, ce circuit étant capable de délivrer un signal à l'entrée des moyens de déclenchement lorsque l'énergie laser reçue par le récepteur passe par une valeur extrême, -2 une des fréquences de rayonnement capable d'osciller dans la cavité étant alors égale à la fréquence stabilisée du rayonnement continu injecté, ce signal commandant le déclenchement de la décharge électrique, une partie de l'énergie du rayonnement oscillant dans la cavité traversant le réflecteur partiellement transparent pour créer une impulsion de rayonnement laser dont la fréquence unique est égale à celle du rayonnement continu délivré par l'émetteur. Un tel dispositif laser présente un inconvénient En effet, le récepteur photoélectrique reçoit non seulement le rayonnement continu injecté dans la cavité laser, mais aussi une partie du rayonnement par impulsions, de puissance beaucoup plus forte, émis par le générateur laser Comme ce récepteur est nécessairement très sensible, il peut être détérioré par le rayonnement par impulsions qu'il reçoit. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. Elle a pour objet un dispositif laser à gaz capable d'émettre des impulsions d'un rayonnement ayant une fréquence unique, du type spécifié ci-dessus, caractérisé en ce que ladite partie du rayonnement continu polarisé reçue par le récepteur sort de la cavité suivant le deuxième axe après renvoi en sens inverse par le réflecteur partiellement transparent et qu'il comporte une lame optique disposée entre l'émetteur et le polariseur et orientée de façon à diriger vers le récepteur le rayon- nement sorti de la cavité suivant le deuxième axe et ayant traversé le polariseur en sens inverse du rayonnement émis par l'émetteur, ladite valeur extrême de l'énergie laser reçue par le récepteur, pour laquelle le circuit de détection délivre ledit signal, étant une valeur minimale. Un dispositif connu et une forme particulière de l'objet de la présente invention sont décrits ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un dispositif connu et la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif laser selon l'invention. Sur la figure 1, est visible un tube à décharge laser 1 d'axe 2, -3contenant un gaz actif tel que du gaz carbonique Au tube 1 est associé un ensemble anode-cathode représenté schématiquement par 3 Le tube 1 est disposé à l'intérieur d'une cavité optique résonnante, d'axe 2, formée par un miroir sphérique partiellement transparent 4 et un réseau de diffraction 5 incliné sur l'axe 2 Le réseau 5, du type fonctionnant en réflexion, est fixé sur un cristal piézoélectrique faisant partie d'un transducteur électromécanique 6 connecté électri- quement à un circuit d'alimentation électrique 7 Suivant un axe 8 coupant l'axe 2 sur la surface réfléchissante du réseau 5, est disposé un miroir de renvoi 9 recevant, après traversée d'un polariseur 11, le rayonnement continu émis par un émetteur laser 10. Une lame optique 12 inclinée à l'incidence de Brewster est placée sur l'axe 2, en dehors de la cavité 4-5, du côté du miroir 4 Un récepteur électro-optique 13 est disposé de façon à recevoir le rayon- nement 14 sortant de la cavité et renvoyé par la lame 12 suivant un axe 15 différent de l'axe 2 La sortie électrique du récepteur 13 est reliée à l'entrée d'un circuit de détection 16 L'ensemble anode-cathode 3 est reliée au circuit 16 à travers un circuit de commande 17. Le dispositif connu illustré par la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Le circuit de commande 17 délivre une suite d'impulsions haute tension, chacune de ces impulsions étant émise lorsque ce circuit reçoit un signal électrique provenant du circuit 16 Ces impulsions haute tension sont appliquées à l'ensemble anode-cathode 3, de manière à créer des décharges électriques dans le gaz actif contenu dans le tube 1 Ces décharges électriques créent un rayonnement laser impulsionnel, polarisé linéairement dans le plan de la figure, perpen- diculairement à la direction des lignes parallèles du réseau 5 Ce rayonnement impulsionnel oscille dans la cavité 4-5, et une partie de son énergie passe à travers le miroir partiellement transparent 4 pour former un faisceau laser impulsionnel En principe la totalité de l'énergie de ce faisceau traverse la lame 12 à l'incidence de Brewster, pour former un faisceau 18. Le circuit 7 délivre à sa sortie une suite de rampes de tensions -4électriques Les tensions correspondantes sont appliquées aux électrodes du tranaducteur piézoélectrique 6 de façon à déplacer le réseau 5 parallèlement à lui même le long de l'axe 2, et à provoquer une variation de la longueur de la cavité 4-5 et ainsi une variation de la fréquence de rayonnement capable d'osciller dans cette cavité Ce rayonnement comporte plusieurs modes longitudinaux Les fréquences de ces divers modes varient donc respectivement dans des gammes de fréquences qui dépendent de l'amplitude du déplacement du réseau 5. L'émetteur laser continu 10 comporte des moyens de stabilisation bien connus qui lui permettent de délivrer un faisceau continu 19 à une seule fréquence stable dans le temps Cette fréquence est choisie dans une des gammes de fréquence d'oscillation des divers modes du rayon- nement impulsionnel. Le faisceau continu 19 traverse le polariseur 11 pour former un faisceau 20 polarisé linéairement perpendiculairement au plan de la figure Après réflexion sur le miroir 9, ce faisceau est dirigé vers le réseau 5 suivant l'axe 8 Cet axe correspond à l'ordre zéro du réseau. Le faisceau continu polarisé linérairement est donc, après réflexion sur le réseau 5, injecté dans la cavité 4-5 parallèlement à l'axe 2 vers le miroir 4 Une partie de l'énergie du faisceau continu injecté traverse le miroir 4. Le rayonnement laser qui se propage du miroir 4 à la lame 12 résulte ainsi de la superposition des deux rayonnements: un rayonnement laser impulsionnel polarisé linéairement dans le plan de la figure et un rayonnement laser continu polarisé linéairement dans un plan perpendiculaire au plan de la figure. Il a été vu plus haut que le rayonnement laser impulsionnel traverse en principe intégralement la lame 12 pour former le faisceau 18 Une partie importante de l'énergie du rayonnement laser continu est réfléchie vers le récepteur 13 par la lame 12 à l'incidence de Brewster L'autre partie de ce rayonnement continu tra- verse la lame 12 pour venir se superposer au faisceau 18. Comme le rayonnement continu traversant la cavité se propage dans le sens d'émission du rayonnement impulsionnel, on sait que -5 - l'amplitude du rayonnement continu passe par un maximum lorsqu'une des fréquenoes des divers modes de la eavité est égale à la fréquence fixe du rayonnement continue L'injection du rayonnement continu dans la cavité provoque alors un "accrochage" de l'oseillation laser sur la fréquenee fixe du rayonnement injeoté, de sorte que les autres modes longitudinaux du rayonnement impulsionnel disparaissento L'énergie du rayonnement regu par le récepteur 13 passe donc par un maximume A cet instant, le circuit de détection 16, qui peut eolporter par exompll un circuit de dérivation, délivre un signal électrique à front verticalq ce signal étant transmis au circuit 17 afin de deceleneher ld imnpulsion laser au moment o la fréquene d Qaeoord de ila eavi" esat égale à celle du rayonnement eontinu injeotéo Le rayonnemat impulsionnel 18 émis pa P le dispositif comporte don Une seule fréquene fixe o Co 2 mie il a été vu plus haut, à ee rayonnement est superpos tune petite partie de lénergie du Prayon Ene t continu, de puissanee très faible par rapport à celle du rayonnement impulsionn Ilo En principe O comme il a té -vu plus haut, le récepteur 13 ne devrait recevoi'P qu 1 e 'aonnemet -ontinuo sais en pratique, le 1 rayonneent mplsioiel déliv Pé par la cavité laser 145 comporte tou- jours, dans une faible proportion de l'ordre de un pour cent, une eomposante polarisée linéairement, perpendiculairement au plan de la figure Etant donné que le rayonnement impulsionnel est de forte pulse sance, cette composantea ap Près réflexion sur la lame 129 est cependant suffisamment pulssante pour endoager dans certains cas le récepteur 13 o En effet, notamment dans le cas o le dispositif émet à la longueur d'onde de 10,6 microns, ce récepteur 13 est d'un type refroidi, très sensible aux surcharges O Le dispositif représenté sur la figure 2 comporte des éléments identiques ou analogues à ceux du dispositif illustré par la figure 1, ces éléments étant désignés par les memes référenees O C'est ainsi que, sur la figure 2, une cavité optique résonnante d'axe 2 est formée par un miroir sphérique partiellement transparent 4 et un réseau 5 ineliné sur l'axe A l'intérieur de la cavité, est disposé un tube à décharge laser 1 muni d'un ensemble anode-cathode 3. -6 - Suivant un axe 8 qui correspond à l'ordre zéro du réseau 5, est injecté le rayonnement laser continu provenant d'un émetteur laser 10 à fréquence stabilisée, après traversée d'un polariseur 11 et réflexion sur un miroir de renvoi 9 disposé sur l'axe 8 Le réseau 5 est fixé sur le cristal pizoélectrique d'un transducteur électromécanique 6 relié à un circuit dlimenantation 7 ? Entre lémteur t laser 10 et le pol Pari- seur 119 est disposé une lame optique de prélèvement partiellemwnt réflécehissante 21 capable de renvoye P sur un récepteur photoélectrique 13 une partie de liénergie qu'elle resoit en provenance du polari- seur 1 o La sortie électrique du récepteur 13 est reliée à un îcircuit de déteotlio 16 L'ensemble anode=eathode 3 est relié au circuit de détection t 16 à travers un circuit de comande 17. Le dispositif deécir ci=desss et repprésenté sur la figure 2 fonetionne de I anilre suivanteo Le circuit de o Qmimande 17 délivre une suite d'impulsions haute tension chaeune de ces impulsions étant 3 ise lorsque le circuit 17 regoit un signal électrique provenant du circuit 16 o C Os impulsions haute tension sont appliquées aux éietrodes 3 de manière à créee P des décharges éleotriques dans le gaz laser aetif contenu dans le tube 1. Ces déchargs créent un rayonnement i Epulsionnel polarisé linéai- remen't, perpendiculairemaent à la direetion des lignes parallèles du réseau 5, eoest-à-dire dans le plan de la figureo Ce rayonnement escille dans la cavité 4-5 et une partie de son énergie traverse le miroir partiellement transparent 4 pour former un faisceau laser impulsionnel 22. Le circuit 7 délivre une suite de rapes de tensions éectri- ques Ces tensions sont appliquées aux électrodes du transducteur 6 de façon à déplacer le réseau 5 parallèlement à lui-m Sme le long de l'axe 2 Ce déplacement entraîne une variation de la longueur de la cavité 4-5, cette variation provoquant une variation de la fréquence du rayonnement laser capable dtosciller dans la cavité Ce rayonnement comporte plusieurs modes longitudinaux Les fréquences de ces divers modes varient donc respectivement dans des gammes de fréquence prédé- terminées. La fréquence stabilisée du faisceau laser continu 19 délivré par -7- l'émetteur 10 est contenue dans une de ces gammes de fréquences Ce faisceau 19 traverse la lame 21, puis le polariseur 11, pour former un rayonnement laser 23 polarisé linéairement perpendiculairement au plan de la figure Après réflexion sur le miroir 9, ce faisceau est dirigé vers le réseau 5 suivant l'axe 8 Après réflexion sur le réseau, ce faisceau est injecté dans la cavité 4-5 parallèlement à l'axe 2, vers le miroir 4 La plus grande partie de l'énergie du faisceau continu injecté est renvoyée en sens inverse par le miroir 4 vers le réseau 5. Une petite partie de l'énergie ainsi renvoyée sort de la cavité suivant l'axe 8, puis est réfléchie par le miroir 9 vers le polariseur 11. Cette énergie laser continue traverse librement le polariseur 11 puisqu'elle est toujours polarisée linéairement, perpendiculairement au plan de la figure, puis est partiellement réfléchie par la lame 21 vers le récepteur 13. Il y a lieu de remarquer que l'énergie laser impulsionnelle qui oscille dans la cavité et qui est polarisée dans le plan de la figure peut aussi, dans une faible proportion, sortir de la cavité suivant l'axe 8, mais elle est bloquée par le polariseur 11 et ne peut donc détériorer le récepteur 13 Si ce rayonnement impulsionnel comporte, comme dans le cas du dispositif illustré par la figure 1, une faible composante polarisée perpendiculairement au plan de la figure, cette composante peut sortir aussi de la cavité suivant l'axe 8, mais elle est fortement atténuée par réflexion sur le réseau 5 L'énergie rési- duelle correspondante, qui vient impressionner le récepteur 13 après traversée du polariseur 11 et réflexion par la lame 21, est trop faible pour provoquer une détérioration du récepteur 13-. Etant donné que le rayonnement laser continu injecté dans la cavité et capté par le récepteur 13 est réfléchi par le miroir 4 en sens inverse de la direction d'émission du rayonnement impulsionnel, l'énergie laser reçue par le récepteur 13 passe par un minimum lorsque, par suite de la variation de fréquence provoquée par le trans- ducteur 6, la fréquence du rayonnement impulsionnel est égale à la fréquence stabilisée du rayonnement continu injecté dans la cavité 4- 5. A l'instant o ce minimum est atteint, le circuit de détection 16 -8délivre un signal vers le circuit 17 qui provoque une décharge électrique dans le gaz contenu dans le tube 1. A cet instant, l'injection du rayonnement continu dans la cavité provoque un "accrochage" de l'oscillation laser sur la fréquence fixe du rayonnement injecté, de sorte que les autres modes longitudinaux du rayonnement impulsionnel disparaissent. Le rayonnement impulsionnel 22 comporte donc une fréquence unique, le récepteur 13 étant préservé contre toute surcharge susceptible de le détériorer. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté sur la figure 2, qui n'a été donné qu'à titre d'exemple En particulier, on peut sans sortir du cadre de l'invention remplacer certains moyens techniques par des moyens équi- valents. C'est ainsi que l'injection de l'énergie laser continue, à fréquence stabilisée, dans la cavité du laser impulsionnel peut être réalisée par d'autres moyens qu'un réseau Elle peut être notamment réalisée soit à l'aide d'une lame de BREWSTER dans la cavité ou à l'extérieur de la cavité, soit à travers un orifice ménagé dans un miroir o à travers un miroir partiellement transparent limitant la cavité. Le dispositif laser selon la présente invention peut être appliqué à la télémétrie hétérodyne. -9- REVENDICATIONS 1/ Dispositif laser à gaz capable d'émettre des impulsions d'un rayon- nement ayant une fréquence unique, comportant un générateur laser à gaz comprenant deux réflecteurs disposés pour former une cavité optique réson- nante suivant un premier axe, un de ces réflecteurs étant partiel- lement transparent, des moyens pour disposer un gaz laser actif dans la cavité, des moyens de déclenchement d'une décharge électrique dans le gaz, ces moyens étant capables de créer un rayonnement à fréquences multiples oscillant dans la cavité, celle-ci comportant des moyens pour polariser ce rayonnement linéairement dans un premier plan et des moyens pour déplacer un des deux réflecteurs le long du premier axe de manière à modifier par variation de la longueur de la cavité, les fréquences du rayonnement oscillant, dans des gammes prédéterminées, un émetteur laser apte à délivrer un rayonnement continu à fréquence stabilisée, cette fréquence étant comprise dans lesdites gammes prédé- terminées, un Polariseur disposé à la sortie de l'émetteur pour polariser linéairement le rayonnement continu suivant un deuxième plans des moyens d'injection dans la cavité du rayonnement continu polarisé, ces moyens recevant ce rayonnement suivant un deuxième axe et renvoyant le rayonnement parallèlement au premier axe vers le réflecteur partiellement transparent, de manière que le deuxième plan soit perpendiculaire au premier plan, une partie de ce rayonnement polarisé sortant de la cavité, un récepteur photoélectrique disposé pour recevoir au moins une partie dudit rayonnement continu polarisé sortant de la cavité et un circuit de détection connecté à la sortie électrique du récepteur et auxdits moyens de déclenchement, ce circuit étant capable de délivrer un signal à l'entrée des moyens de déclenchement lorsque l'énergie laser reçue par le récepteur passe par une valeur extrême, une des fréquences de rayonnement capable d'osciller dans la cavité étant alors égale à la fréquence stabilisée du rayonnement continu - injecté, ce signal commandant le déclenchement de la décharge élec- trique, une partie de l'énergie du rayonnement oscillant dans la cavité traversant le réflecteur partiellement transparent pour créer une impulsion de rayonnement laser dont la fréquence unique est égale à eelle du rayonnement continu délivré par l'émetteur, caractérisé en ce que ladite partie du rayonnement continu polarisé reçue par le récepteur ( 13) sort de la cavité ( 4-5) suivant le deuxième axe ( 8) après renvoi en sens inverse par le réflecteur partiellement transparent ( 4) et qu'il comporte une lame optique ( 21) disposée entre l'émetteur ( 10) et le polariseur ( 11) et orientée de façon à diriger vers le récepteur ( 13) le rayonnement sorti de la cavité ( 4-5) suivant le deuxième axe ( 8) et ayant traversé le polariseur ( 11) en sens inverse du rayonnement ( 19) émis par l'émetteur ( 10), ladite valeur extrême de l'énergie laser reçue par le récepteur ( 13), pour laquelle le circuit de détection ( 16) délivre ledit signal, étant une valeur minimale. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caraetérisé en ce que l'autre réflecteur de la cavité est constitué par un réseau ( 5) incliné sur le premier axe ( 2), lesdits moyens pour polariser linéairement dans un premier plan le rayonnement oscillant dans la cavité étant constitués par les lignes parallèles du réseau ( 5), lesdits moyens d'injection comportant le réseau ( 5), le deuxième axe ( 8) étant l'axe d'ordre zéro du réseau ( 5). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour déplacer un des deux réflecteurs le long du premier axe sont constitués par un transdueteur électro-mécanique ( 6) comportant un cristal piézoélectique fixé sur le corps du réseau ( 5).