Brevet FR2548777A1 — publié le 19850111

i 2548777 L'invention concerne un procédé et un appareil de commande de mode de laser, et elle a trait, plus particulièrement, à l'établissement d'une commande de mode dans un laser en utilisant un miroir à revêtement à absorption pré5 sentant une surface réfléchissante disposée centralement et de forme particulière. Il est bien connu, dans l'art antérieur, d'utiliser une lampe extérieure à éclats ou une décharge gazeuse pour exciter un milieu laser afin qu'il émette, par effet laser, 10 un faisceau intense de lumière cohérente Il est apparu que ce faisceau de lumière cohérente peut être produit dans plusieurs modes L'existence de plusieurs modes de laser a été établie dans tous les oscillateurs à laser, qu'ils soient de configuration mécanique linéaire ou non linéaire. Une application d'un laser à configuration non linéaire est le gyroscope à laser en anneau dans lequel des faisceaux de lumière tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse se propagent en un circuit fermé, les faisceaux, tournant en sens inverse, pouvant 20 interférer l'un avec l'autre pour produire une fréquence de battement La rotation du gyroscope autour d'un axe perpendiculaire au plan formé par les faisceaux à propagation dans le sens des aig-illes d'une morntre et ln sens inverse entraine une diminution de la fréquence du faisceau se déplaçant dans le sens de la rotation et un 25 accroissement de la fréqence du faisceau se déplaçant dans le sens opposé à celui de la rotation, Par conséquent, on peut détermner le degré de rotation du gyroscope en détectant des variations de la fréquence de battement dues à l'interférence changeante des faisceaux tournant en sens inverse. 3 o En plus du problème posé par les modes laser multiples, on rencontre, dans un gyroscope à laser en anneau, un autre problème qui est le verrouillage ou accrochage de mode dans lequel les deux faisceaux lumineux tournant en sens inverse semblent avoir la même fréquence à de faibles vitesses 35 de rotation angulaire, par suite de la dispersion de la lumiere Une dispersion de la lumière peut se produire à chaque réflexion d'un faisceau leser dans un laser Par conséquent, 2 2548777 un miroir laser, conçu avec soin, conformément à l'invention, peut aider à la réduction de la dispersion de la lumière. Un gyroscope à laser en anneau typique est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 115 004 Ce gyroscope utilise un circuit rectangulaire formé par quatre canaux dans un bloc rectangulaire de quartz ou de toute autre matière convenable A chaque intersection du circuit rectangulaire est monté un miroir réfléchissant qui favorise les rotations dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens 10 inverse des faisceaux laser Le mode laser d'ordre le plus faible se propage généralement suivant l'axe central des canaux, tandis que les modes d'ordre plus élevé se propagent légèrement à l'écart de cet axe. Une technique antérieure pour supprimer les modes 15 d'ordre plus élevé dans les gyroscopes à laser en anneau consiste à réduire le diamètre des canaux dans lesquels se propagent les faisceaux tournant en sens inverse Une autre méthode consiste à réduire le diamètre du canal en un seul point tout en donnant aux autres diamètres du canal de plus 20 grandes dimensions, de façon à former ainsi une ouverture. Cette dernière est façonnée et polie avec soin afin d'éliminer les modes d'ordre supérieur Cependant, l'ouverture est difficile à usiner et il est presque impossible de la répéter d'un laser au suivant L'ouverture augmente également la dis25 persion de la lumière du mode d'ordre le plus bas, qui est l'ordre qu'elle doit améliorer. L'invention élimine l'ouverture du canal du laser en utilisant un miroir réfléchissant qui est dimensionné et configuré de façon à correspondre à la dimension, à la forme 30 et à la position du faisceau formé par le mode laser d'ordre le plus bas Lorsqu'une telle surface rélféchissante est en place, les modes d'ordre plus élevé, légèrement désaxés, ne peuvent être réfléchis le long des canaux du laser Non seulement les modes d'ordre plus élevé sont éliminés, mais la quan35 tité de lumière réfléchie dans le mode d'ordre inférieur souhaité est mieux maîtrisée de façon à réduire la dispersion de cette lumière. 3 2548777 L'invention a donc pour objet un dispositif de commande de mode de laser qui évite d'avoir à réduire le diamètre des canaux du laser ou qui élimine la mise en place d'une ouverture réduite dans ces canaux. L'invention a également pour objet de réduire la dispersion de la lumière à l'intérieur d'un laser sans pièces supplémentaires ni formes complexes. L'invention a pour autre objet une commande de mode pour un laser au moyen d'un procédé et d'un appareil qui peu10 vent être utilisés de façon peu coûteuse pour assurer l'uniformité du produit, d'un laser au suivant. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un laser linéaire classique; la figure 2 est une coupe transversale d'un ensemble à gyroscope à laser en anneau classique; la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne 20 III III de la figure 2 montrant une ouverture réduite de l'art antérieur, situéedans le canal du gyroscope à laser en anneau; la figure 4 est une représentation schématique illustrant la commande de mode de laser selon l'invention qui uti25 lise un miroir-réfléchissant; et la figure 5 est une vue en plan du dessus montrant un masque utilisé pour la production du miroir représenté sur la figure 4. En référence aux dessins, la figure 1 représente un 30 laser linéaire typique 10 qui comprend un barreau laser, tel qu'un barreau 12 de rubis à l'état solide, dont les extrémités sont recouvertes d'une surface partiellement réfléchissante 14 et d'une surface totalement réfléchissante 16 Une alimentation convenable en énergie (non représentée) est connectée 35 à des bornes 18 pour commander une lampe à éclats 20 qui stimule l'émission d'un rayonnement en excitant les atomes situés à l'intérieur du barreau 12 de rubis qui, à son tour, stimule l'émission d'un faisceau lumineux cohérent 22 A titre illus- 4 2548777 tratif, un mode de laser d'ordre le plus bas est représenté en 26 et un mode d'ordre plus élevé, pouvant exister en l'absenced'ouverture ou de miroir de conception particulière, est montré en 28 Le miroir 66 de conception spéciale sera décrit plus en détail ci-après En pratique, en l'absence d'ouverture ou de miroir, plusieurs modes d'ordre supérieur peuvent se propager dans la direction y, comme montré, ou dans la direction x ou dans une combinaison de celles-ci. Alors qu'un laser à l'état solide est montré à la 10 figure 1, un laser à gaz, tel qu'un laser à hélium-néon, est représenté sur la figure 2 Le laser à gaz 30 constitue un exemple de laser pouvant être utilisé dans un gyroscope Il est formé dans un corps 32, par exemple en quartz, une matière connue sous le nom de silicate de titane "U L E ",produite 15 par la firme Corning, ou une matière connue sous le nom de Cervit", produite par la firme Owens Illinois Le corps 32 du laser est réalisé de façon à présenter quatre canaux 34 disposés afin de former un circuit laser rectangulaire Une construction triangulaire peut également être utilisée dans 20 la présente invention Le canal 34 est fermé hermétiquement afin de retenir un mélange gazeux comprenant environ 90 % d'hélium et 10 % de néon, sous un vide d'environ 400 Pa, étant entendu que la pression atmosphérique est d'environ 101 325 Pa. Conformément à la pratique connue du laser, le corps 32 comporte deux cathodes 36 et 38 et deux anodes 40 et 42 qui sont fixées au corps d'une manière également bien connue dans la technique Une décharge de gaz est établie entre la cathode 36 et l'anode 40 dans le canal 34 ainsi qu'entre la 30 cathode 38 et l'anode 42 dans le canal opposé Des getters 44 et 46 sont prévus aux extrémités opposées du corps 32 afin d'absorber les impuretés se trouvant dans les gaz contenus dans les canaux 34 Des miroirs 48, 50, 52 et 54 sont placés aux quatre angles du circuit optique formé dans les canaux 35 34 du gyroscope 30 à laser en anneau, deux des miroirs, 48 et 54, étant montés sur des dispositifs photo-détecteurs 56 et 58 de sortie, respectivement Les dispositifs photo-détecteurs mesurent la fréquence de battement de l'énergie élec- 2548777 tro-magnétique tournant en sens inverse, constituée par les deux faisceaux lumineux de rotations opposées, afin d'indiquer la rotation du gyroscope 30 à laser en anneau. Comme montré sur la figure 3, le canal 34 est formé 5 d'un premier diamètre par perçage du corps 32 du laser dans des directions opposées, jusqu'à des profondeurs convenables de façon à former un collet 60 Ce dernier est ensuite percé à l'aide d'un foret plus petit de façon à former une ouverture 62 de blocage de mode. Comme montré sur la figure 1, la section typique du mode laser d'ordre le plus bas émis par un laser linéaire est généralement circulaire, alors que la section du faisceau laser émis par un laser non linéaire est généralement de forme elliptique, comme montré sur la figure 4 Dans la forme de réalisation de l'art antérieur montrée sur les figures 2 et 3, il est nécessaire de donner à l'ouverture 62 une forme de section eliptique Dans la fabrication de l 'ouv-erture 62, les toléerances sont mesurées a laids d 2 un microscope. Cependant, la forme de l'ouverture elliptique est difficile O à maintenir, En outre, l'uniforzité entre une ouverture d'un ple micr 9 yroscope 30 à laser en anneau et t 2 ouverture suivante d'un second gyroscope est, au mieix, limitéeo L'inverntion vise b éliminer l'ouverture elliptique 62 par 'utilisation d'un miroir de conception spéciale. Dans un gyroscope typique à laser en anneau, Lde'x des quatre miroirs sont courbés tandis que les deux autres sont plats. En génera', les miroirs 50 et 5 peuvent être courbés afin d' aider la focalisation Oes faisceaux lumineux tournant en 'sens inverse, taîDis que les miroirs 48 et 54 sont plats. 30 Il est prévu, selon ilinvention, de revetir le miroir 48, par exemple, d'une couche 64 absorbant la lurmière, comme montré sur la figure 4 Le miroir 48 conserve une ouverture réfléchissante elliptique 66 formée dans la couche absorbante 64 L'ouverture réfléchissante 66 est dimensionnée de t 35 faison à avoir sensiblement la même dimension et la même forme que le faisceau laser 26 formé par le mode laser 26 d'ordre le plus bas La dimension de l'ouverture 66 doit être assez 6 2548777 grande pour favoriser une propagation du mode d'ordre le plus bas, mais assez petite pour éliminer toute propagation des modes d'ordre plus élevé Dans la forme préférée de réalisation, le grand axe de l'ouverture réfléchissante 66 de forme elliptique est proportionnel au petit axe et le rapport est de 1,2 à 1. Comme illustré sur la figure 4, les modes laser 28 d'ordre supérieur ne sont pas réfléchis par le miroir 48, mais sont éliminés par le revêtement absorbant 64 Cette éli10 mination a lieu car la couche absorbante réduit la réflexion de l'énergie lumineuse au-dessous d'un niveau o une résonance optique peut apparaître La couche absorbante 64 favorise également la réduction du degré de dispersion de la lumière provoquée par le faisceau d'ordre le plus bas dans un laser classique, tel qu'un laser en anneau utilisé dans un gyroscope. Dans un laser linéaire tel que celui montré dans la figure 1, l'ouverture réfléchissante 66 est dimensionnée de façon à avoir approximativement la forme du faisceau laser globalement circulaire 22 Comme montré sur la figure 1, l'ouverture circulaire 66 est formée sur le miroir réfléchissant 16 au moyen d'une couche absorbante 64 I 1 convient de noter que la présence de l'ouverture réfléchissante 66 élimine les modes 28 d'ordre supérieur du faisceau 22 montré sur la figure 1. La figure 5 représente un masque 68 utilisé pour former le miroir 48 Le masque est constitué d'une matière mince qui peut être gravée chimiquement afin d'avoir la configuration représentée La matière forme une collerette circulaire 70 comportant des doigts 72 qui rayonnent vers l'intérieur et qui supportent un masque central elliptique 74. Grâce à l'utilisation du masque 68, l'ouverture réfléchissante 66 du miroir 48 peut être formée La première étape d'un tel procédé consiste à appliquer une couche réfléchissante sur la surface polie d'un substrat Après que des couches successives de revêtement réfléchissant ont été appliquées sur le substrat pour permettre à la surface de devenir convenablement réfléchissante, le masque 68 est placé sur la surface réfléchissante Ensuite, un revêtement absorbant 64 7 2548777 est appliqué sur la surface du miroir 48 et sur le masque 68. Après que le nombre approprié de couches absorbantes a été appliqué, le masque 68 est retiré, laissant l'ouverture elliptique 66 qui met à découvert la surface réfléchissante du miroir sous-jacent 48 Dans la forme préférée de réalisation, les doigts 72 du masque 68 laissent également des rayons réfléchissants orientés vers l'extérieur sur le miroir 48. Cependant, il est apparu que ces rayons ne gênent pas la commande de mode établie par le miroir selon l'invention. Dans la forme préférée de réalisation, on a procédé, sur un miroir type, à des mesures des pertes des modes 00, 01, 10, avant et après l'application du revêtement absorbant sur la surface réfléchissante du miroir 48 Dans la nomenclature précitée, le terme 00 désigne le mode laser d'ordre le 15 plus bas Le terme 01 désigne le mode laser immédiatement supérieur, décalé dans le plan y, tandis que le terme 10 désigne le mode d'ordre immédiatement supérieur, replacé dans le plan x On peut comprendre à présent que le mode d'ordre supérieur montré sur les figures 1 et 3, est un mode 01 Les 20 pertes par réflexion des modes 00, 01, 10, avant et après l'application du revêtement absorbant, sont indiquées cidessous: Pertes (PPM) 00 01 10 Avant 617 617 617 Après 704 1949 1949 Dans ce cas, l'ouverture ajoute environ 87 parties par million au mode 00 Les pertes dans les modes 01 et 10 sont meilleures (plus élevées) que celles dues à un étrangle30 ment placé dans le-canal 34. L'ouverture réfléchissante 66, de forme elliptique, selon l'invention, peut être utilisée dans diverses configurations de laser non linéaire afin d'améliorer la commande de mode du laser et de réduire sa dispersion De façon simi35 laire, une ouverture globalement circulaire peut être utilisée dans un laser linéaire Il va de soi, que de nombreuses modifications peuvent être apportées au laser décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 8 2548777; REVENDICATIONS 1 Ensemble à gyroscope à laser en anneau conçu pour une commande de mode améliorée, caractérisé en ce qu'il comporte un corps ( 32) de laser enfermant plusieurs canaux 5 ( 34) qui se coupent, un milieu laser enfermé hermétiquement dans les canaux, des moyens ( 36, 38, 40, 42) montés sur le corps du laser, afin d'exciter le milieu laser pour qu'il produise un effet laser en plusieurs modes comprenant un mode dont l'ordre est le plus bas et des modes d'ordre supérieur, 10 plusieurs miroirs ( 48, 50, 52, 54) montés aux intersections des canaux, l'un ( 48) des miroirs présentant une surface réfléchissante ( 66) relativement petite, montée à l'intérieur dun canal afin de réfléchir le mode laser d'ordre le plus bas et de ne pas réfléchir les autres modes laser d'ordre supérieur. 15 2 Ensemble à gyroscope à laser en anneau, selon la revendication 1, caractérisé en que ladite surface réfléchissante, relativement petite, du miroir présente une dimension et une forme correspondant approximativement à celles du mode laser d'ordre le plus bas. 3 Ensemble à gyroscope à laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface réfléchissante relativement petite du miroir est de forme elliptique. 4 Ensemble à gyroscope à laser en anneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir de forme elliptique possède un grand axe et un petit axe dont le rapport est d'environ 1,2 à 1. Ensemble à gyroscope à laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface réfléchissante relativement petite du miroir est entourée d'une couche 30 absorbante ( 64) destinée à réduire les caractéristiques de dispersion de la lumière du miroir et à réduire la quantité de lumière réfléchie par les autres modes laser d'ordre supérieur 6 Ensemble à gyroscope à laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que les miroirs comprennent des miroirs plats et des miroirs courbes, et en ce que la surface réfléchissante relativement petite est située sur un miroir plat. 9 2548777 7 Ensemble à laser conçu pour une commande de mode laser perfectionnée, caractérisé en ce qu'il comporte un corps ( 32) de laser, des moyens ( 36, 38, 40, 42) destinés à exciter le corps du laser en plusieurs modes laser de lumière cohé5 rente, comprenant un mode dont l'ordre est le plus bas et des modes d'ordre supérieur, des miroirs ( 48,50,52,54) montés de façon à réfléchir la lumière cohérente et presentant une surface réfléchissante, un revêtement absorbant ( 64) recouvrant la surface réfléchissante ( 66), sauf sur une zone ré10 fléchissante relativement petite, les miroirs étant montés de façon à aligner la petite zone réfléchissante avec le mode laser d'ordre le plus bas pour le réfléchir et absorber les modes d'ordre superieur afin de coîmmanderle mode de l'ensemble a laser. 8 Ensermble a laser selon la revendication 7, caracterizs en ce que la petite zone réfléchissante est de forme globaiemert circulaire et en ce que l edit ensemble à laser est un ensemble llnéaire. 9 L Ensemble a laser selon la revendication 7, carac2.0 té-risé en ce que la petite zone rfléchissante est de forme globalement elliptique et en ce que ilensemble à laser est un ensemble non linéaire. 10.o Enseamble b laser, selon la revendication 9, caractérisé ern ce que le laser non linréaire est utilisd dans 2 iun gyiroscope à laser en anneau et en ce que le corps du laser pr sente plusieurs canaux laser,34) qui se coupent et dans lesqueis sont montés les Fmiroirs. 111 Ensemble à laser, selon la revend Aicationi 10, cerartritsr en ce que les caniaux sécants forment un rectangle. 12, Ensemble à laser, selon la revendication 10, car-catérisé en ce nue les canaux sécants forment un triangle. 13 Ensemble à laser, selon la revendication 9, caractúrisé en ce que la zone réfléchissante de forme elliptique pr Ksente un grand axe et un petit axe dont le rapport 35 est de 1,2 à 1. 14 Procédé de fabrication d'un miroir destiné à un ensemble à laser conçu pour une commande perfectionnée de mode et comportant ds moyens ( 36,38, 40,42) destinés à exciter 1 O 2548777 le laser en un mode dont l'ordre est le plus bas et en modes d'ordre supérieur, ces modes étant réfléchis par des miroirs ( 48,50,52,54), le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir un substrat d'une couche réfléchissante, 5 à masquer la zone centrale de cette couche réfléchissante au moyen d'un masque ( 68) comportant une partie centrale de forme elliptique, à revêtir la couche réfléchissante non masquée d'un revêtement absorbant, et à retirer le masque. Procédé selon la revendication 14, carac10 térisé en ce que le masquage de la zone centrale de la couche réfléchissante consiste à réaliser le masque de façon qu'il comporte un centre ( 74) de forme elliptique correspondant à la forme du mode laser d'ordre le plus bas etdont le rapport du grand axe au petit axe est de 1,2 à 1, et à supporter le centre de forme elliptique au moyen de doigts ( 72) rayonnant vers une collerette périphérique ( 70).