Brevet FR2562343A1 — publié le 19851004

___C___ E? APT.C:S POUR PORTERf AU ú AXIMUM LA PUISSANCE DE SORTIE D'UN LASER A GAZ La présente invention se rapporte à des procédés et appareils visant à porter au maximum la puissance de sor- tie de lasers à gaz. Cette invention s'applique particulièrement à des lasers à gaz helium-néon. Les lasers à gaz du type concerné par la présente invention possèdent une cavité placée entre deux miroirs terminaux, dont l'un est recouvert de façon à transmettre, en s'en laissant traverser, une partie du faisceau laser. La cavité d'un laser à gaz de ce genre peut être utilisée en divers modes oscillatoires. En fonction, dans une certaine mesure, de la lon- gueur de la cavité, il peut y avoir un certain nombre de modes longitudinaux en oscillation entre les miroirs. Outre les modes longitudinaux d'oscillation, des mo- des transversaux peuvent être simultanément entretenus. Ces modes transversaux sont connus comme modes électriques et magnétiques transversaux (TEMmn), les champs en étant presque perpendiculaires à l'axe de la cavité. Les indices m et n spécifient le nombre entier de lignes nodales trans- versales au travers du rayon émergent. Le mode le plus simple, TEMo0, présente, à travers la section transversale du rayon, une densité de flux qui est approximativement gaussienne; et il n'y a pas de chan- gements de phase à travers le rayon, comme il y en a dans d'autres modes. Pour de nombreuses applications, il est souhaitable de faire fonctionner le laser uniquement en mode TEMo0, tout en évitant la production de modes transversaux d'un ordre supérieur. Le problème de l'élimination des modes au- tres que TEMo0 est souligné par l'accroissement de la lon- gueur du laser. Une façon d'éviter des modes transversaux d'ordre supérieur dans les lasers de conception antérieure a été de restreindre les modes d'ordre supérieur en limitant la di- mension de l'ouverture du trou foré. Ceci a provoqué une perte par diffraction des modes d'ordre supérieur plus forte que dans le mode TEMo0O avec, pour résultat, que l'on a obtenu une sortie en un mode TEMo0 plus pur. Mais ceci a pu réduire aussi la puissance de sortie du laser. Un objet important de la présente invention consis- te à supprimer les modes transversaux d'ordre élevé d'une manière ne dépendant pas de la restriction des modes d'or- dre élevé au moyen d'une perte par diffraction. Un but connexe consiste à supprimer les modes trans- versaux d'ordre élevé en établissant la transmission du miroir de telle façon que chaque mode TEMo0 soit amené à brûler des trous assez grands pour laisser dans la cavité une énergie insuffisante pour émettre continuellement des faisceaux laser à des modes d'ordre supérieur dans l'état d'équilibre de fonctionnement du laser à saturation de gain. Un autre facteur qui peut réduire la sortie de puis- sance d'un laser à gaz est le balayage de mode longitudi- nal. Ce balayage peut provenir de variations de l'écarte- ment des miroirs à la suite d'effets thermiques. Le problème du balayage de mode devient plus aigu si la longueur du laser devient plus petite. Par exemple, avec des lasers aux gaz hélium-néon, d'une longueur de 10 cm ou moins, il se peut qu'il n'y ait qu'un mode qui existe dans la cavité Si ce mode entre en balayage, l'ac- tion laser est créée et le laser produit la puissance de sortie désirée. Si, par contre, le mode sort en balayage de la cavité, il peut y avoir une baisse de puissance de 100 %. Etant donné que la variation de l'écartement des mi- roirs, consécutive aux changements de température, est très difficile à éliminer totalement, une réduction de la puis- sance de sortie, particulièrement avec les lasers à cavité relativement courte, a constitué un problème dans la con- ception antérieure. -3- La présente invention a un objectif important, qui est de réduire le balayage de mode longitudinal dans un laser à gaz en élargissant la courbe de gain pour augmen- ter le nombre de modes pouvant avoir une activité laser dans la cavité, afin de réduire ainsi la baisse de la puissance de sortie provoquée par le balayage de mode (par comparaison avec la baisse de puissance de sortie dans un laser de longueur équivalente mais comportant un plus pe- tit nombre de modes pour une courbe de gain plus étroite). L'élargissement de la courbe de gain par l'emploi d'un mélange d'isotopes de l'un des gaz qui se trouvent dans la cavité est un objet connexe de la présente inven- tion. Un autre facteur qui a contribué à réduire la puis- sance de sortie des lasers à gaz hélium-néon a été la pro- duction indésirable de rayons laser infrarouges. Du fait que la transition de photons rouges de 0,6328 gm partage le même niveau supérieur que la transi- tion de photons infrarouges de 3,39 gm, les deux transi- tions sont en concurrence pour les ressources de la même source commune. Si la super-radiation de la transition in- frarouge n'est pas supprimée, la puissance de sortie de la transition de 0,6328 gm peut se trouver substantiellement réduite. Ce problème est devenu particulièrement délicat avec l'accroissement du gain dans les lasers à hélium-néon. Pour une puissance de sortie d'environ 10 milliwatts ou plus, la transition de 3,39 Nm peut entrer fortement en jeu, de sorte qu'une bonne quantité d'énergie risque d'être ab- sorbée par la transition infrarouge de 3,39 Nm dans les la- sers à hélium-néon conçus pour des puissances de sortie de milliwatts ou plus pour 0,6328 gm. Dans la conception antérieure, on plaçait des ai- mants près du tube amplificateur laser dans le but de sup- primer la transition de 3,39 gm par dédoublement de Zeeman. Le champ magnétique agissait sur le gaz néon et provoquait ce dédoublement en élargissant la transition à 3,39 Nm. -4- L'emploi d'aimants pour supprimer la transition de 3,39 Dm est difficile à appliquer à un laser à structure co-axiale, parce qu'il est difficile de mettre les aimants tout près du trou d'un tel laser. Les aimants doivent être très gros pour être efficaces, s'ils sont montés sur le tube extétieur de ce type de laser. C'est un objectif important de la présente invention que de supprimer la transition de 3,39 gm dans un laser au gaz hélium-néon sans recourir à des aimants. C'est un objectif connexe que de réduire l'amplifi- cation maximale dans la cavité d'une valeur qui supprime fortement la super-radiation de la transition de 3,39 pm et d'utiliser un mélange d'isotopes de gaz néon pour as- surer cette réduction du gain maximum. C'est un autre objectif connexe que d'établir une transmission de miroir ayant une valeur assez basse pour amener le gain de la transition de photons rouges de 0,6328 gm à aider substantiellement à la suppression du gain de la transition de photons infrarouges de 3,39 Fm. Un autre problème, dans l'obtention d'une sortie de puissance régulière de lasers à gaz hélium-néon, est celui de réduire le bruit de battement résultant du décalage de fréquence dû à la dispersion. Un important objectif de la présente invention con- siste à réduire le bruit de battement en augmentant le nom- bre de courbes de gain et à utiliser à cette fin un mélan- ge d'isotopes pour le gaz néon. La présente invention propose des procédés et des appareils pour porter au maximum la puissance de sortie de lasers à gaz, et particulièrement de lasers à gaz hélium- néon. Les modes transversaux d'ordre élevé sont supprimés par l'emploi d'une transmission de miroir amenant chaque mode TEMo0 à brûler des trous assez grands pour laisser dans la cavité une énergie insuffisante pour une émission continue de faisceaux laser de modes d'ordre élevé dans l'état d'équilibre a gain saturé, de fonctionnement du laser. Cette transmission de miroir réduite, en comparai- son de la transmission de miroir de conception antérieure, agit de façon à renforcer artificiellement la puissance de la cavité pour le brûlage des trous par les modes TEM0oo et à supprimer les modes d'ordre élevé sans avoir à recou- rir à l'obstruction, ou à l'écrêtage d'ouverture, de ces derniers. La puissance globale de sortie de la présente invention se trouve accrue, en comparaison de celle des lasers de conception antérieure ayant une longueur compara- ble, qui utilisaient la perte par diffraction au moyen d'un écrêtage d'ouverture pour supprimer les modes transversaux d'ordre élevé. Le balayage de modes longitudinaux et les fluctua- tions de la puissance sont réduits, en comparaison de la conception antérieure, par l'élargissement de la courbe de gain au moyen d'un mélange d'isotopes de l'un des gaz de la cavité. Cet élargissement de la courbe de gain augmente le nombre de modes qui peuvent émettre des faisceaux laser dans la cavité, en comparaison de ceux qui peuvent en émet- tre sans mélange d'isotopes. Ceci est particulièrement avan- tageux quand la longueur du laser décroît. En effet, tan- dis que la longueur de la cavité décroît, un plus petit nombre de modes peut y émettre des faisceaux laser. La pré- sente invention a permis de réaliser un laser à hélium- néon d'une longueur de 10 cm à usage industriel. La présente invention supprime l'activité laser infrarouge indésirable dans un laser à gaz hélium-néon sans avoir besoin d'aimants autour du trou de la cavité Cette invention réalise cela en réduisant le gain maximum dans la cavité d'une quantité qui supprime fortement la super-radiation de la transition infrarouge de 3,39 gm. Cette réduction du gain n.aximïum est obtenue grâce à un m6- lange isotopes du gaz néon, La présente invention recourt également à une trans- mission de miroir inL.rieure (en comparaison des transmis- sions de miroir de!: conception antérieure) qui amène le gir. de la transition de Dphotons rouges de 0,6328 gm à ai- der substantiellement à la suppression du gain de la tran- sition de photons infrarouges de 3,39 "m. La présente invention réduit le bruit de battement résultant du décalage de fréquence dû à de la dispersion dans un laser à gaz hélium-néon en utilisant un mélange d'isotopes pour le néon. Le mélange d'isotopes est effi- cace pour augmenter le nombre de courbes de gain, par rap- port au nombre de courbes de gain produites par un gaz constitué d'un unique isotope de néon, de sorte que le gain composite du mélange d'isotopes produit une amplitu- de réduite efficace pour annuler substantiellement le bruit de battement créé par le gaz néon constitué d'un isotope unique. D'autres buts supplémentaires de la présente inven- tion ressortiront de la description ci-après, et sont il- lustrés dans les dessins joints qui, grâce à l'illustra- tion, montrent des réalisations préférentielles de cette invention et de ses principes, et de ce qui est considéré actuellement comme étant les meilleurs modes envisages pour l'application desdits principes. D'autres réalisations de l'invention incorporant les mêmes principes ou des princi- pes équivalents pourront être utilisées et des changements de structure pourront être faits comme le désireront les personnes qualifiées dans cette technique sans s'écarter de la présente invention. - La figure 1 est une vue en élévation latérale d'un tube coaxial de laser à gaz hélium-néon. Cette figure est partiellement en coupe pour faire apparaître des détails de construction. Le laser à gaz hélium-néon représenté par cette figure est une réalisation de laser à gaz dans la- quelle ont été mis en oeuvre les procédés et appareils de la présente invention; - Za figure 2A est un graphique de l'intensité en fonction de la fréquence pour des modes transversaux à i:in=reur d'une cavité de laser à gaz du type représenté - 7 - à la figure 1; - la figure 23 est une vue agrandie (comme l'indi- quent les flèches allant de la figure 2A à la figure 2B) d'une partie de la figure 2A. La figure 2B montre la re- lation qui existe entre les modes transversaux électriques et magnétiques (TEMmn) et le mode TEMoO correspondant d'une fréquence donnée; - la figure 3 est une vue isométrique illustrant la distribution gaussienne de l'intensité lumineuse sur la section transversale du faisceau, pour un laser oscillant en mode TEMo0; - la figure 4A est une vue en plan par le plan XY représenté à la figure 3, montrant l'empreinte horizontale de la lumière émise par le mode TEMoo de la figure 3, et montrant la relation existant entre le diamètre intérieur du tube foré du laser et cette empreinte horizontale; - les figures 4B à 4E sont des vues semblables à celle de la figure 4A, mais représentant la projection ho- rizontale de l'intensité lumineuse des sections transver- sales du faisceau, pour un laser oscillant dans les modes TEM indiqués dans chacune de ces figures. Les figures 4C à 4E, en particulier, illustrent comment l'ouverture formée par le diamètre intérieur du trou a été utilisée, dans la conception antérieure, pour supprimer les modes d'ordre élevé par perte par diffraction; - la figure 5 est une vue fragmentaire de la partie du tube foré du laser qui est représentée dans la figure 1. Dans la figure 5, ce tube a été montré coupé en deux dans le sens longitudinal pour illustrer l'effet d'ouverture produit par le diamètre intérieur du tube; - la figure 6 est un graphique montrant la relation des modes TFMo0 et TEMo1 en fonction des deux gains, non saturé et saturn', dans un laser à gaz fonctionnant avec oscillation de ces deux modes transversaux; - la figure 7 est une vue semblable à la figure 6, mais montrant comment une puissance supérieure de la cavi- -8- té résonante sature suffisamment le gain pour que les mo- des TEMo1 et d'ordre supérieur soient complètement suppri- més dans un laser construit et mis en oeuvre conformément à la présente invention. Dans cette réalisation de la pré- sente invention, la transmission de miroir est adaptée à une valeur qui provoque le brûlage, par chaque mode TEMoo, de trous assez grands pour laisser dans la cavité une éner- gie ne suffisant pas pour émettre de façon continue des faisceaux laser de modes d'un ordre supérieur; - les figures 8 à 12 concernent la transition in- frarouge dans un laser à gas hélium-néon et la suppression de cette transition. - la figure 8 est un graphique des niveaux d'éner- gie montrant comment la transition des photons infrarouges de 3,39 Mm partagent le même niveau supérieur que celle des photons rouges de 0,6328 Mm, de sorte que ces deux transitions sont en coucurrence pour les ressources de la même source commune. Cette concurrence peut causer des fluctuations de puissance, le laser à hélium-néon étant construit pour produire des sorties de puissance supéri- eure, et il est nécessaire de supprimer la transition de 3,39 Fm pour un fonctionnement régulier de 0,6328 Dm; - La figure 9 montre une technique de conception antérieure dans laquelle des aimants sont places très près du tube de gain pour supprimer la transition de 3,39 Mm au moyen du dédoublement de Zeeman; - la figure 10 est un graphique illustrant que, pour un isotope unique Ne 20, la largeur Doppler de la transition de 3,39 fm est d'environ 250 MHz; - la figure 11 est un graphique illustrant comment, pour Ne, un champ magnétique provoque le dédoublement de Zeeman et élargit la transition à 3,39 Dm dans la techni- que à aimants de conception antérieure; - la figure 12 est un graphique illustrant comment dans une réalisation de la présente invention, un mélange des isotopes 20 et Ne22 produit un gain composite qui des isotopes Ne et Ne produit un gain composite qui élargit de façon effi ace la transition et réduit la con- currence de la transition de 3,39 hm. Ainsi que le montre la figure 12, le centre de la courbe de gain pour l'isoto- pe Ne22 est décalé assez loin (70 MHz environ) du centre de la courbe de gain de l'isotope Ne20 afin de réduire le gain maximum du gain composite d'une valeur qui supprime fortement la super-radiation de la transition infrarouge; - les figures 13 à 20 concernent le balayage de mo- de longitudinal ainsi que le procédé et l'appareil pour élargir la courbe de gain conformément à la présente inven- tion, afin de réduire la variation de puissance causée par le balayage de mode longitudinal; - la figure 13 est un graphique qui montre comment l'isotope Ne20 a sa largeur Doppler de 1,5 GHz proche de la transition de 6338 A; - la figure 14 montre, avec la figure 13, comment la puissance peut flucturer jusqu'à 100 % (selon que le laser se dilate ou se contracte sous l'effet des change- ments thermiques ambiants), si le laser est un laser court et s'il présente un intervalle, entre un mode et l'autre, supérieur à la largeur Doppler de 1,5 GHz indiquée sur la f igure 13; la figure 15 est un graphique semblable, dans l'ensemble, à la figure 13, mais pour un laser d'une plus grande longueur que celui de la figure 13. La figure 15 montre qu'il y a davantage de modes axiaux émettant des faisceaux laser si la longueur du laser est augmentée (cinq modes sont illustrés dans la figure 15, alors qu'il n'y en a qu'un seul dans la figure 13) - la figure 16 montre qu'un changement de longueur de la cavité du laser de plus grande longueur qui est il- lustré sur la figure 15 ne produit qu'un faible changement proportionnel de la puissance de sortie et n'est donc pas aussi critique qu'un changement de longueur de la cavité du laser de faible longueur qui est illustré à la figure 13 (o le changement de.ongueur de la cavité peut engendrer une variation de puissance de 100 %); - la figure 17 est un graphique semblable à celui de la figure 13 pour le même laser court qui est illustré aux figures 13 et 14. Mais la figure 17 montre comment un 22 mélange égal des isotopes Ne et Ne22, utilisé conformé- ment à la présente invention, produit des modes axiaux sup- plémentaires d'émission de faisceaux laser; - la figure 18 montre une réduction substantielle des variations de puissance pour le mélange d'isotopes de la figure 17 présentant des modes multiples d'émission de faisceaux laser (en comparaison du mode d'émission unique de faisceau représenté à la figure 13), avec des change- ments de longueur du laser; - la figure 19 montre le mélange d'isotopes de la présente invention quand il est utilisé dans le même laser long que celui représenté à la figure 15. La figure 19 montre comment des modes axiaux supplémentaires d'émission de faisceau laser sont obtenus avec le mélange d'isotopes de la présente émission (pour une longueur donnée quelcon- que de laser), parce que le mélange d'isotopes produit un étalement de la courbe de gain; - la figure 20 montre comment la fluctuation résul- tante de puissance est encore réduite (en comparaison de la variation de la courbe de puissance de la figure 16) en utilisant le mélange d'isotopes de la présente invention; - les figures 21 à 26 se rapportent au bruit de bat- tement résultant du décalage de fréquence dû à de la dis- persion ainsi qu'à des procédés et à des appareils de la présente invention qui réduisent le bruit de battement; - la figure 21 montre une courbe de gain pour un isotope Ne20 unique dans un laser à gaz héliumnéon; - la figure 22 illustre comment la dispersion signi- fie un déphasage du mode placé à la fréquence correspon- dante; - la figure 23 montre comment la dispersion provo- que un changement d'intervalle des modes par rapport à la - 11 - valeur à cavité froide; - la figure 24 illustre comment le battement des modes donne un bruit dans la puissance de sortie; - Za figure 25 montre le gain composé pour un mé- lange d'isotopes Ne20 et Ne22 de la présente invention; - la figure 26 montre comment un mélange égal de Ne20 et de Ne22 réduit efficacement l'effet de dispersion (en comparaison de la dispersion de la figure 22, résul- tant d'un isotope unique); - la figure 27 illustre comment le décalage de fré- quence dû à la dispersion (avec le mélange d'isotopes de la présente invention) est inférieur au décalage de fré- quence représenté à la figure 23; - la figure 28 montre comment le bruit est réduit dans la sortie de puissance (en comparaison du bruit de battement indiqué à la figure 24), par le mélange d'isoto- pes de la présente invention. On va maintenant décrire des modes de réalisation préférentiels. Dans la figure 1, un laser à gaz hélium-néon est indiqué par le numéro général de référence 31. Le laser à gaz hélium-néon 31 est une réalisation de laser à gaz dans laquelle les procédés et appareils de la présente invention sont utilisés pour porter au maxi- mum la puissance de sortie du laser à gaz. Les procédés et appareils de la présente invention portent au maximum la puissance de sortie en: 1) supprimant les modes transversaux d'ordre élevé0 2) élargissant la courbe de gain, au moyen d'un mé- lange d'isotopes, de façon à augmenter le nombre de modes pouvant émettre des faisceaux laser dans la cavité et à réduire ainsi la perte de puissance due au balayage de mo- des longitudinaux résultant d'effets thermiques sur la longueur de la cavité, 3) supprimant d'activité laser infrarouge indésira- ble et, - 12 - 4) réduisant le bruit de battement provenant du dé- calage de fréquence dû à la dispersion. La façon dont la présente invention obtient chacun de ces résultats sera décrite plus loin et dans le même ordre que l'énumération ci-dessus. Comme le montre la figure 1, le laser à gaz est un laser coaxial comportant un tube extérieur 33, un tube in- térieur foré 35, une cathode 37, une anode 39, des miroirs terminaux 41 et 43 et une cavité entre ces miroirs. Le miroir 43 est recouvert de façon à transmettre, en s'en laissant traverser, une partie du faisceau laser, comme l'indique la flèche 45. Comme on le voit mieux dans la figure 5, le tube foré 35 comporte un alésage intérieur 47 d'un diamètre in- terne relativement petit, pour limiter le milieu gazeux dans lequel se produit l'activité laser. Dans les lasers de conception antérieure, le diamè- tre intérieur de ce tube foré a aussi été utilisé comme ou- verture optique (ainsi qu'on le décrira de façon plus dé- taillée en se reportant aux figures 4B à 4E suivantes), pour aider à la suppression des modes transversaux d'ordre élevé. Mais les méthodes et appareils de la présente inven- tion réalisent la suppression désirée des modes transver- saux d'ordre élevé sans que l'on ait besoin de recourir à leur limitation au moyen d'une perte par diffraction pro- duite par l'effet d'ouverture du tube foré. Ainsi que le montrent les figures 2A et 2B, un cer- tain nombre de modes transversaux peuvent coexister avec chaque mode axial TEM0oo, si les modes d'ordre élevé ne sont pas restreints ou supprimés. La figure 3 illustre la distribution gaussienne de l'intensité lumineuse sur la section transversale du fais- * ceau, pour un laser qui oscille uniquement en mode TEMo0. La figure 4A est une vue en plan montrant la projection horizontale de cette intensité lumineuse sur le plan XY de la figure 3. La figure 4A montre également, par un contour en pointillé, le diamctre intérieur 47 du tube foré 35 par rapport audit plan XY pour un laser construit conformément à la présente invention. Comme le montre la figure 4A, le procédé et les appareils de cette invention permettent d'obtenir la pleine intensité lumineuse du mode TEMo0 sans aucun écrêtage par le diamètre intérieur 47 du tube foré 35. La suppression des modes transversaux d'ordre éle- vé a été un problème dans la conception antérieure. Il y a rivalité entre les modes d'ordre élevé et le mode TMo 0, dans ce sens que les atomes du mode TEMQ1, par exemple, vont exercer une influence réciproque avec un atome dont la fréquence est proche, de façon à réduire l'énergie dis- ponible pour la production du mode TEM0oo. Il en résulte que, si les modes d'ordre élevé ne sont pas restreints ou supprimes, un ou plusieurs de ces modes risquent d'oscil- ler simultanément avec le mode TEMoo, produisant une ou plusieurs des empreintes horizontales représentées aux fi- gures 4B à 4E. La technique antérieure se servait du diamètre in- térieur 47 du tube foré 35 comme ouverture pour créer une perte par diffraction dans les modes d'ordre élevé et pro- duire par conséquent un mode TEMoO0 plus pur. Un inconvé- nient de cette technique antérieure consiste dans le fait qu'un simple mécanisme de perte par diffraction peut aus- si porter préjudice, dans une certaine mesure, au mode TEMo 0. Un autre inconvénient, c'est que le mode TEMoo ne peut être complètement éliminé par une simple perte par diffraction sans obstruer le diamètre interne du trou au point que la puissance de sortie du laser se trouve res- treinte dans une mesure inaceptable. C'est pourquoi, dans la conception antérieure, on tolérait une petite propor- tion de TEMo1 pour obtenir un niveau satisfaisant de puis- sance, quoique l'existence du mode TEMo1 fut indésirable pour maintes applications du laser. La présente intention élimine le mode TEMo1 sans re- __.; =s_ +s. eAd aZIc ar diffractio-. Conformément à la présente invention, la puissance de la cavité est renforcée pour faire en sorte que les modes TEMo0 brûlent des trous assez grands pour laisser, dans la cavité, une énergie insuffisante pour une émission laser continue des modes d'ordre supérieur. Ceci est il- lustré au mieux en comparant la figure 7 à la figure 6. La figure 6 montre le rapport de la courbe du gain saturé à celle du gain non saturé pour une construction de laser de l'ancienne conception. La figure 7 montre le rapport de la courbe du gain saturé à celle du gain non saturé pour un laser construit et mis en oeuvre conformément à la présente invention. Comme on le voit sur la figure 7, chacun des modes TEMoO rabaisse la courbe de gain saturé à un niveau auquel le mode TEMo1 ne peut exister. Cet abaissement'de la cour- be du gain saturé par les modes TEMo0 s'effectue en aug- mentant la puissance de la cavité du laser (voir figure 7). Cette augmentation, comparée à la puissance de la cavité des lasers de conception antérieure (voir figure 6), est réalisée en diminuant la transmission de la fenêtre 43 (voir figure 1) en comparaison de la conception antérieure. En augmentant la puissance de la cavité de laser, chaque mode TEMoo brûleun trou plus gros, plus profond et plus large, de façon à utiliser l'énergie interne des atomes voisins au point o le mode TEMo1 ne peut obtenir suffisam- ment d'énergie pour osciller ou produire un faisceau de laser. Ainsi, en modifiant le revêtement du miroir 43, pour réduire la quantité de lumière transmise à travers le miroir et augmenter par conséquent la puissance dans la cavité, la puissance globale sortie du laser se trouve ac- crue et un mode TEMoQ0 pur est produit en cours de fonction- nement dans l'état d'équilibre de fonctionnement du laser au gain saturé parce que les modes d'ordre élevé sont sup- prisres. - 15 - Dans une réalisation particulière de la présente invention, la transmission du miroir 43 est comprise dans la plage de 0,8 % à 1,5 % pour un laser à gaz hélium-néon de 15 mW, ayant une longueur de 50 cm. Ce pourcentage de transmission est substantiellement inférieur (de moitié environ) à celui de la conception classique. Ainsi qu'il va être décrit plus en détail ci-après, la réduction de la transmission du miroir 43 présente aus- si des avantages en supprimant une activité indésirable de laser infrarouge dans un laser à gaz hélium-néon. Les figures 8 à 12 se rapportent à la transition in- frarouge dans un laser à gaz hélium-néon et à la suppres- sion de cette transition. La figure 8 est un diagramme des niveaux d'énergie montrant comment la transition de photons infrarouges de 3,39 Nm partage le même niveau supérieur que la transition de photons rouges de 0,6328 gm, de sorte que les deux transitions se trouvent en concurrence pour les ressources de la même source commune. Cette concurrence peut provo- quer des fluctuations de puissance, et il est nécessaire de supprimer la transition de 3,39 gm pour avoir un fonc- tionnement régulier de 0,6328 Nm. Cette nécessité de sup- primer la transition infrarouge de 3,39 Nm prend plus d'im- portance du fait que les lasers à hélium-néon sont cons- truits pour produire des puissances de sortie plus élevées. La façon usuelle, de conception antérieure, de ré- duire la transition de 3,39 Nm consistait à utiliser des aimants. Ainsi que le montre la figure 9, il est relativement facile de disposer des aimants près du trou dans un laser à cavité externe. L'emploi des aimants est cependant irréalisable dans un laser à trou coaxial, parce qu'il est impossible de met- tre les aimants près du tube foré intérieur, et parce que les aimants doivent être de grande dimension si on les pla- ce en dehors du tube extérieur 33 dans le laser coaxial à - 16 - gaz du genre illustré dans la figure 1. La figure 10 montre que, pour un unique isotope Ne, la largeur Doppler de la transition de 3,39 gm est de 250 MHz environ. Le champ magnétique produit par les aimants repré- sentés sur la figure 9 provoque un dédoublement de Zeeman et élargit la transition à 3,39 im de la façon représen- tée sur la figure 11. Cette technique de conception anté- rieure supprime la transition de 3,39 Nm en utilisant le dédoublement de Zeeman. La figure 12 illustre comment, dans une application de la présente invention, un mélange d'isotopes Ne20 et Ne 2 produit un gain composé qui élargit de façon effective la transition et réduit la concurrence des 3, 39 gm avec la transition de 0,6328 gm. Comme le montre la figure 12, le centre de la courbe de gain pour l'isotope Ne22 est décalé assez loin (environ 70 MHz) du centre de la courbe de gain pour l'isotope Ne20, afin de réduire la crête maximale du gain composite, d'une valeur qui supprime fortement la super-radiation de la transition infrarouge. En éliminant de cette manière la transition des 3,39 Nm, il est possible de tirer toute la puissance de la transition des photons rouges de 0,6328 Nm. Le mélange d'isotopes de la présente invention sup- prime le gain de la transition infrarouge sans qu'il soit besoin de monter des aimants près du trou de cavité. Ainsi qu'il a été brièvement mentionné plus haut, la présente invention couvre aussi le revêtement et la transmission du miroir 43 pour supprimer la super-radiation infrarouge désirable. En diminuant la transmission du mi- roir par rapport à la conception antérieure, la présente invention augmente la puissance de la cavité. Ceci réhaus- se la compétitivité du photon rouge de 0,6328 Nm vis-à-vis du photon infrarouge de 3,39 gm pour supprimer la transi- tion de 3,39 Nm. Il en résulte que les lasers coaxiaux fa- briqués conformément à la présente invention peuvent pro- 2 6 3 I3 duire des puissances de sortie dépassant 10 mW sans l!em- ploi d'aimants. Un autre problème pour obtenir la puissance de sor- tie désirée d'après l'ancienne conception de lasers à hélium-néon est posé par le balayage de mode longitudinal quand le laser se dilate ou se contracte du fait des va- riations thermiques ambiantes. Ce problème est particu- lièrement aigu si le laser est d'une longueur relativement courte. Ainsi qu'il est illustré aux figures 13 et 14, l'i- sotope Ne20 a une largeur Doppler de 1,5 gigahertz près de la transition de 6328 angstr5ms. Si le laser est d'un mo- dèle court avec un intervalle entre modes supérieur à 1,5 gigahertz, la dilatation ou contraction thermique de sa longueur peut provoquer des fluctuations de puissance at- teignant 100 % (comme le montre la figure 14)3 parce que le mode unique peut être balayé hors de la cavité sans qu'un autre mode y pénètre. Ce problème de balayage de mode longitudinal est -20 moins gênant quand la longueur du laser augmente, parce que, comme on le voit sur la figure 15, les lasers de plus grande longueur ont davantage de modes axiaux en activité que les lasers de plus faible longueur, à supposer que les deux lasers possèdent la même composition de gaz. Tandis que le problème du balayage de mode n'est pas aussi aigu dans les lasers de grande longueur, du fait de l'effet moyen qui se présente dans ces derniers, il peut quand mme produire de grandes fluctuations indésirables de puis- szance de sortie (coiu le montre la figure 16)" Conformément à la présente invention, un mélange d'isotopes est utilisé pour le gaz néon, afin d'allonger la courbe de gain et d'amener davantage de modes axiaux à émettre des faisceau gaz néon. La figure 17 Fontre comment l'emploi de mélange égal es -so.es Ne' e- epermet, en raison de la ezle isotopique des 0,9 gigahertz des 6328 angstr5ms, d'obtenir deux ou trois modes axiaux de laser (selon la longueur de la cavité laser). En élargissant la courbe de gain d'un laser de courte longueur conformément à la présente inven- tion (voir figure 17) , en comparaison de la courbe de gain produite pour un laser court de conception antérieure (voir figure 13), il y a une réduction substantielle de la perte de puissance due au balayage de mode longitudinal (comme on le voit d'après la comparaison entre les figures 18 et 14). Les figures 19 et 20 sont des vues semblables à celles des figures 15 et 16, mais elles montrent les ef- fets de l'élargissement de la courbe du gain en utilisant le mélange de Ne20 et Ne conformément à la présente in- vention, afin d'obtenir davantage de modes axiaux de laser et des réductions conséquentes des variations de puissan- ce par rapport à la conception antérieure. Les figures 21 à 28 concernent le bruit de batte- ment résultant du décalage de fréquence d à la dispersion et les procédés et appareils de la présente invention qui réduisent ce bruit. La figure 21 montre la courbe de gain avec un seul isotope Ne20 et la figure 22 illustre comment dispersion signifie déphasage au mode situé à la fréquence correspon- dante. Les figures 23 et 24 montrent comment la dispersion provoque le changement de l'intervalle de mode à partir de la valeur de cavité froide (figure 23) et comment le bat- tement des modes donne un bruit dans la puissance, qui est approximativement de 1 % et quelques dizaines de kilo- hertz dans la conception antérieure de lasers à gaz hélium- néon à un seul isotope. La figure 25 montre le gain composite pour un mélan- ge d'isotopes Ne20 et Ne22 de la présente invention. _La.-igur r.le iet me un mélange égal d 0 - 19 - et Ne22 réduit de façon efficace l'effet de dispersion (en comparaison de la dispersion de la figure 22 résul- tant d'un unique isotope). La figure 27 illustre comment le décalage de fré- quence dû à de la dispersion (avec le mélange d'isotopes de la présente invention) est inférieur au décalage de fréquence représenté dans la figure 23e La figure 28 mon- tre comment le bruit et la puissance sont réduits (en com- paraison du bruit de battement exposé à la figure 24) par le mélange d'isotopes de la présente invention. Le mélange d'isotopes de la présente invention pro- duit beaucoup d'annulations et l'effet push-pull est ré- duit, de sorte que, à la base, la sortie de puissance est plus silencieuse que celle de conception antérieure utili- sant un seul isotope de néon. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non li- mitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. - 20 - REVENDICATIONS 1.- Procédé de suppression des modes transversaux d'ordre élevé dans un laser à gaz du type à cavité placé entre deux miroirs terminaux, l'un de ces miroirs étant revêtu de façon à transmettre, en s'en laissant traverser, une partie du faisceau laser, caractérisé en ce qu'il com- prend: - l'établissement de la transmission du miroir à valeur qui amène chaque mode TEMo0 à brûler des trous as- sez grands pour qu'il ne reste dans la cavité qu'une éner- gie insuffisante pour crier une activité laser continue de modes d'ordre supérieur dans l'état d'équilibre de fonc- tionnement du laser à saturation de gain, et - la production de l'action laser sans restreindre les modes d'ordre supérieur par une perte par diffraction. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser à gaz est un laser à gaz hélium-néon et la transmission du miroir se trouve dans la plage de 0,8 % à 1,5 %, qui est à peu près la moitié de celle de la con- ception classique de laser à hélium-néon de plus grande puissance (supérieure à 10 mW). 3.- Procédé de réduction de la variation de puissan- ce due au balayage du mode longitudinal dans un laser à gaz du type au balayage du mode longitudinal dans un laser à gaz du type possédant une cavité entre deux miroirs ter- minaux, caractérisé en ce qu'il comprend: - l'élargissement de la courbe de gain pour réduire la variation de la puissance provoquée par le balayage de mode longitudinal, - cet élargissement de la courbe de gain incluant l'utilisation d'un mélange d'isotopes de l'un des gaz qui se trouvent dans la cavité afin d'augmenter le nombre de modes pouvant avoir une activité laser dans la cavité en comparaison du nombre de modes qui peuvent avoir une acti- vité laser sans le mélange d'isotopes dudit gaz. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé -21. en ce que le laser à 3az est un laser à hélium-néon, et le mélange de gaz est un mélange de He et des isotopes 22 Ne20 et Ne22 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la quantité de Ne20 est sensiblement égale à celle de Ne22. 6.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le laser à gaz a une longueur maximale de 10 cm et le mélange d'isotopes est constitué de façon à amener deux modes au moins à entrer en activité laser dans la ca- vité. 7.- Procédé de suppression de l'activité laser in- frarouge indésirable dans un laser à gaz hélium-néon du type possédant une cavité entre deux miroirs terminaux et dans lequel une transition de photons rouges de 0,6328 Dm partage le même niveau supérieur qu'une transition de pho- tons infrarouges de 3,39 gm, de sorte que les deux transi- tions sont en coucurrence pour les ressources de la même source commune, caractérisé en ce qu'il comprend - l'établissement de la transmission de miroir à une valeur qui amène le gain de la transition de photons rouges de 0,6328 gm à supprimer le gain de la transition de photons infrarouges de 3,39 Mm, dans l'état d'équilibre de fonctionnement du laser à saturation de gain. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend la réduction du gain maximum pour sup- primer la super-radiation de la transition infrarouge, cette réduction du gain mazimum incluant l'emploi d'un mé- lange des isotopes Ne et Ne 2 dans une proportion telle que ls décalage substantiel du centre de la courbe de gain pour l'isotope Ne22 par rapport au centre de la courbe de gain pour lisotope N:î20 réduise le gain maximum d'une va- leur qui supprime fondement la super-radiation de la tran- sition infrarouge. 9.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le laser x gaz est un laser à hélium-néon et la úa;mi;sion ae iolr e., incluse dans la plage de J,; e 1,5 % pour la conception de lasers à hélium-néon de puissance supérieure. 10.- Procédé de suppression de l'activité laser in- frarouge indésirable dans un laser à gaz hélium-néon du type possédant une cavité entre deux miroirs terminaux et dans lequel une transition de photons rouges de 0,6328 Dm partage le même niveau supérieur qu'une transition de pho- tons infrarouges de 3,39 gm, de sorte que les deux transi- tions sont en concurrence pour les ressources de la même source commune, caractérisé en ce qu'il comprend: - la réduction du gain maximum dans la cavité d'une quantité qui supprime fortement la super-radiation de la transition de photons infrarouges de 3,39 gm, - cette réduction du gain maximum incluant l'emploi d'un mélange d'isotopes de gaz néon. 11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le laser a une longueur suffisamment grande pour produire une puissance de sortie dépassant 10 mW, le mé- lange d'isotopes étant constitué de façon à supprimer le gain de la transition infrarouge sans que l'on ait besoin d'aimants autour du trou de la cavité. 12.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le mélange d'isotopes du gaz néon comprend des de 20 22 quantités sensiblement égales de Ne20 et de Ne. 13.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend l'établissement de la transmission de miroir à une valeur suffisamment basse pour amener le gain de la transition de photons rouges de 0,6328 Dm à contri- buer substantiellement à la suppression du gain de la transition de photons infrarouges de 3,39 um. 14.- Procédé de réduction du bruit de battement ré- sultant du décalage de fréquence dû à de la dispersion dans un laser à gaz hélium-néon du type possédant une ca- vité entre deux miroirs, caractérisé en ce qu'il comprend: - iutilisaticox ddur zîelange d'isotopes du gaz aon - 23 - en quantités aptes à augmenter le nombre de courbes de gain en comparaison du nombre des courbes de gain produi- tes par un gaz néon composé d'un seul isotope, de telle façon que le gain composite du mélange d'isotopes produit une amplitude de dispersion réduite apte-à annuler subs- tantiellement le bruit de battement produit par un gaz néon composé d'un isotope unique. 15.- Laser à gaz du type comportant une cavité (35) et des miroirs réfléchissants (41, 43) à chaque extrémité de la cavité, l'un (43) des miroirs transmettant, en s'en laissant traverser, une partie du faisceau laser, ledit laser étant construit de façon à supprimer les modes trans- versaux d'ordre élevé sans restriction de ces modes par perte par diffraction, caractérisé en ce qu'il présente: - un trou (47) d'un diamètre assez grand pour em- pêcher la restriction de modes d'ordre élevé par perte par diffraction, et - une transmission de miroir adaptée à la valeur de transmission qui entraîne chaque mode TEMo0 à brûler des trous assez grands pour laisser dans la cavité une éner- gie insuffisante pour créer une activité laser de modes d'ordre supérieur dans l'état d'équilibre de fonctionne- ment du laser à saturation de gain. - 16.- Laser à gaz selon la revendication 15, carac- téris$ en ce qu'il est un laser à gaz hélium-néon et la transmission de miroir est comprise dans la plage de 0,8 % à 1,5 %. 17.- Laser à gaz caractérisé en ce qu'il comprend: - une cavité (35), - des miroirs réfléchissants (41, 43) à chaque ex- trémité de la cavité, et - des moyens pour réduire la perte de puissance due au balayage de mode longitudinal en cours de fonctionnement du laser par élargissement de la courbe de gain, - ces moyens incluant un mélange d'isotopes d'un des gaz de la cavité, dont la composition est apte à ac- - 24 - croitre le nombre de modes susceptibles de créer une ac- tivité laser dans la cavité en comparaison du nombre de modes pouvant créer une activité laser sans mélange d'iso- topes dudit gaz. 18.- Laser à gaz selon la revendication 17, carac- térisé en ce qu'il est un laser à hélium-néon, le mélange de gaz étant un mélange de Ne et des isotopes Ne20 et Ne 19.- Laser à gaz selon la revendication 18, carac- térisé en ce que la quantité de Ne20 est sensiblement éga- le à celle de Ne. 20.- Laser à gaz selon la revendication 18, carac- térisé en ce qu'il a une longueur maximale de 10 cm et le mélange d'isotopes est constitué de façon à provoquer l'ac- tivité laser de deux modes au moins dans la cavité. 21.- Laser à gaz hélium-néon du type dans lequel une transition de photons rouges de 0,6328 Dm partage le même niveau supérieur qu'une transition de photons infra- rouges de 3,39 Am, de sorte que les deux transitions sont en concurrence pour les ressources d'une même source com- mune, ledit laser étant construit de manière à supprimer l'activité laser infrarouge indésirable, caractérisé en ce qu'il comprend: - une cavité (35) remplie d'un mélange de gaz héli- um-néon, - des miroirs réfléchissants (41, 43) à chaque ex- trémité de la cavité, l'un (43) des miroirs étant revêtu de façon à transmettre, en s'en laissant-traverser, une partie du faisceau laser, - la transmission du miroir étant adaptée à la va- leur de transmission qui amène le gain de la transition de photons rouges de 0,6328 gm à supprimer le gain de la transition de photons infrarouges de 3,39 Dm dans l'état d'équilibre de fonctionnement du laser à saturation de gain. 22.- Laser à gaz selon la revendication 21, carac- térisé en ce que le gaz néon est un mélange des isotopes - 25 - Ne20 et e dans un pourcentage tel que le décalage assez iéloigné du centre de la courbe de gain de l'isotope Ne22 par rapport au centre de la courbe de gain de l'isotope Ne20 réduit le gain maximum d'une quantité qui supprime fortement la super-radiation de la transition infrarougeo 23.- Laser à gaz selon la revendication 21, carac- térisé en ce qu'il est un laser à gaz hélium-néon et la transmission du miroir est incluse dans la gamme de 0,8 % à 1,5 %. 24.- Laser à gaz hélium-néon du type dans lequel une transition de photons rouges de 0,6328 Dm partage le même niveau supérieur qu'une transition de photons infra- rouges de 3,39 gm, de sorte que les deux transitions sont en concurrence pour les ressources de la même source com- mune, ledit laser étant constitué de façon à supprimer l'activité laser infrarouge indésirable et étant earacté- risé en ce qu'il comprend: - une cavité (35) remplie d'un mélange de gaz hé- lium-néon, - des miroirs réfléchissants (41, 43) à chaque ex- trémité de la cavité, l'un de ces miroirs étant revêtu de façon à transmettre, en s'en laissant traverser, une par- tie du faisceau laser - des moyens de réduction, dans la cavité, du gain maximum d'une valeur qui supprime fortement la super-radia- tion de la transition de photons infrarouges de 3,39 Nm, - ces moyens incluant un mélange d'isotopes de gaz néon. 25.- Laser à gaz selon la revendication 24, caracté- risé en ce qu'il est suffisamment long pour produire une puissance de sortie qui dépasse 10 mW, et le mélange d'iso- topes est constitué de façon à supprimer le gain de la transition infrarouge sans besoin d'aimants autour du trou de la cavité. 26.- Laser à gaz selon la revendication 24, earac- térisé en ce que le malange d'isotopes de gaz néon comprend Z aes quancitëé sens3ibement egaies de Ne et Ne". 27.- Laser à gaz selon la revendication 24, carac- teisj en ce que la transmission du miroir est établie de façon qu'elle ait une valeur suffisamment basse pour ame- ner le gain de la transition de photons rouges de 0,6328 pm à contribuer substantiellement à la suppression du gain de la transition de photons infrarouges de 3,39 Dm. 28.- Laser à gaz hélium-néon du type soumis au bruit de battement résultant du décalage de fréquence dû à la dispersion, caractérisé en ce qu'il comprend: - une cavité (35) remplie d'un mélange de gaz hé- lium-néon, - des miroirs réfléchissants (41,43) à chaque ex- trémité de la cavité1 l'un (43) des miroirs étant revêtu de façon à transmettre, en s'en laissant traverser, une partie du faisceau laser, - des moyens pour la réduction du bruit de batte- ment résultant du décalage de fréquence dû à de la disper- sion, - ces moyens comprenant un mélange d'isotopes de gaz néon, selon des valeurs aptes à accroître le nombre de courbes de gain en comparaison du nombre de courbes de gain produites par un gaz néon composé d'un seul isotope de néon, de telle façon que le gain composite du mélange d'isotopes produise une amplitude de dispersion réduite apte à réduire substantiellement le bruit de battement pro- duit par un gaz néon composé d'un seul isotope.