Brevet FR2574224A1 — publié le 19860606

Laser impulsionnel stabilisé en fréquence. La présente invention concerne un laser impulsionnel, com- prenant un premier milieu laser à excitation pulsée dans une cavité résonnante formée entre deux miroirs dont un miroir à conjugaison de phase par mélange à quatre ondes comportant un milieu non linéaire, secondaire, associé à au moins un laser de pompage pour envoyer de deux direc- tions opposées et à la même fréquence deux faisceaux de pompage incidents sur le milieu secondaire. Comme laser impulsionnel on peut considérer un laser dont le milieu gazeux, à une forte pression, au moins de l'or- dre de l'atmosphère, est soumis à une excitation trans- versale pulsée. Un tel laser est appelé laser TEA (trans- versely excited atmospheric). L'excitation transversale pulsée est réalisée par décharge électrique d'un conden- sateur généralement au moyen de deux électrodes, ou arma- tures, longitudinales s'étendant dans le milieu gazeux. L'intérêt des laser TEA est d'émettre des impulsions très brèves avantageusement utilisées en particulier en télé- métrie. C'est ainsi qu'on peut obtenir par exemple des impulsions dont le pic principal a une durée de l'ordre de ns, la forte pression du milieu gazeux permettant d'ob- tenir des impulsions à flanc de montée extrêmement raide, d'une durée de l'ordre de 20 ns. Pour la mesure de distances, les lasers TEA conviennent parfaitement. La mesure du temps s'écoulant entre l'émis- sion d'une impulsion laser TEA et la réception de son écho sur une cible fournit la distance de cette cible. Par contre, la mesure de vitesses avec ces lasers TEA pose un problème, car on ne sait pas mesurer des fréquen- ces voisines de celle de la lumière. Pour résoudre ce pro- blème, on procède alors à une détection hétérodyne, bien connue de l'homme de métier, par battement avec l'émis- sion d'un laser continu à basse pression classique, dont on sait parfaitement stabiliser la fréquence d'émission. L'émission d'un laser TEA s'effectue sur plusieurs modes longitudinaux simultanés correspondant aux diverses fré- quences des photons spontanés stimulant l'avalanche de photons aux fréquences compatibles avec la longueur de la cavité résonnante du laser. Un laser TEA est ainsi un laser multimode à large bande d'amplification. Le battement entre un laser TEA et un laser continu s'ef- fectue sur le mode central du laser TEA, le laser TEA ayant été au préalable, et de façon connue, transformé en laser impulsionnel monomode, afin de ne pas perdre l'é- nergie des autres modes longitudinaux du laser TEA. Comme laser TEA monomode,on connat, par exemple,et d'après l'ar- ticle de Scott et al sur "Stabilization of single mode TEA laser", paru dans Optics Communications vol. 50, n 5, 1.7.1984, les lasers hybrides, les lasers à injec- tion de fréquence ou les lasers à cavité courte. L'inven- tion ne portant pas sur la transformation d'un laser TEA multimode en laser TEA monomode, il est inutile, ici, de s'étendre davantage sur cette technique d'adaptation. Si, comme on l'a déjà rappelé ci-dessus, il est parfai- tement possible de maîtriser la fréquence d'un laser continu, il n'en est absolument pas de mime de la fré- quence du mode central des lasers TEA connus, et plus généralement de la fréquence des lasers impulsionnels, du fait que le milieu gazeux laser est en pleine expansion au moment o l'émission laser apparaît et que la longueur optique de la cavité varie. Et même si on fait varier quelque peu la fréquence du laser continu de sélection d'un laser à injection de fréquence, par exemple, la fréquence d'émission du laser impulsionnel correspondra toujours à la fréquence propre du mode de la cellule im- pulsionnelle le plus proche de la fréquence du laser con- tinu de sélection. On conçoit donc aisément qu'un battement entre un laser continu et un laser impulsionnel à fréquence non stabi- lisée peut donner lieu à un phénomène de glissement (chirp) tout-à-fait préjudiciable et qu'il est donc natu- rel de vouloir éliminer. On connait par ailleurs ce qu'on appelle les miroirs à conjugaison de phase, ou à décalage de frEquence. Il s'agit de milieux à coefficient d'absorption non linéaire, gazeux, solides ou liquides, dont la fonction est de rE- fléchir, par exemple, un front d'onde incident à décalage de phase partiel, c'est-à-dire pourvu d'une distorsion, suivant un front d'onde réfléchi à décalage de phase par- tiel mais inversé, ou renversé, ou conjugué. La fonction de ces miroirs à conjugaison de phase est par- faitement décrite dans l'art antérieur, notamment dans le brevet américain 4 233 571. On connait déjà, notamment et une fois encore par ce bre- vet américain 4 233 571, des miroirs à conjugaison de phase dits miroirs à conjugaison de phase par mélange à quatre ondes, comprenant un milieu non linéaire et au moins un laser de pompage extérieur, généralement deux, pour émettre, à la même fréquence et dans deux directions opposées, au sens vectoriel, deux fronts d'onde de pompage incidents sur le milieu non linéaire. Un troisième front d'onde incident sur le milieu non linéaire, mais pourvu d'une distorsion de phase, ou de fréquence, est réfléchi, sous l'interaction des trois fronts d'onde incidents, suivant un quatrième front d'onde conjugué en phase. Ainsi, un front d'onde dégénéré ou distordu à fréquence w + &, après avoir subit par exemple au niveau d'un milieu laserune distorsion + S, et incident sur un tel miroir, est réfléchi, comme dans tous autres miroirs à conjugaison de phase, suivant un front d'onde à fréquence C- à. Sur son trajet retour, et après passage dans le milieu laser, le front d'onde réfléchi, qui a, à nouveau, subit la même distorsion + Y, se retrouve donc à la fréquence Cw. La fonction du dispositif à milieu non linéaire associé à deux lasers de pompage du brevet américain 4 233 571 est donc de procurer une correction de front d'onde. Les lasers associés au milieu non linéaire n'assurent qu'une fonction de pompage. Ce dispositif vise à purifier le mode central d'émission d'un laser. On remarquera par conséquent que le problème de la stabi- lisation de fréquence évoqué plus haut n'est absolument pas traité dans ce document américain de l'art antérieur. L'article "A theoretical and Experimental Investigation of the Modes of Optical Resonators with Phase-Conjugate Mir- rors" de Auyeung et al, paru dans la revue IEEE Journal of Quantum electronics, vol. QE-15, n 10, Octobre 1979, enseigne de recopier dans un premier laser impulsionnel la fréquence d'un deuxième laser impulsionnel de pompage d'un miroir à conjugaison de phase. Mais il ne s'agit pas de stabilisation de la fréquence du premier laser impul- sionnel et ce d'autant moins que la fréquence du second laser impulsionnel n'est en soi pas stable. L'article "Demonstration of the longitudinal modes and aberrationcorrection properties of a continuous-wave dye laser with a phaseconjugate mirror" de Lind et al, paru dans la revue Optics letters, Vol. 6, n 11, Novembre 1981, enseigne de stabiliser un laser continu à la fréquence d'un laser continu de pompage d'un miroir à conjugaison de phase. Mais aucun enseignement ne peut être tiré de cet article pour la stabilisation d'un laser impuisionnel. Le problème de la stabilisation en fréquence d'un laser impuisionnel restait donc entier, et c'est ce problème que la demanderesse a résolu. En conséquence, la présente invention concerne un laser impulsionnel, comprenant un premier milieu laserà excita- tion pulsée dans une cavité résonnante formée entre deux miroirs dont un miroir à conjugaison de phase par mé- lange à quatre ondes comportant un milieu non linéaire, secondaire, associé à au moins un laser de pompage pour envoyer de deux directions opposées et à la même fréquence deux faisceaux de pompage incidents sur le milieu secon- daire, laser caractérisé par le fait que le milieu laser non linéaire secondaire est un milieu amplificateur satu- rable et le laser de pompage est un laser continu à fré- quence stable et égale à la fréquence des photons sponta- nés qui doivent déclencher l'émission, à la fréquence à stabiliser, du laser impulsionnel. L'invention est remarquable par le progrès qu'elle apporte, puisque c'est la première fois qu'il est ainsi proposé de véritablement stabiliser en fréquence un laser impulsion- nel. L'invention est également remarquable, car elle-va à l'encontre d'un préjugé. Comme indiqué ci-dessus, on avait déjà proposé de combiner un laser impulsionnel et un mi- roir à conjugaison de phase à laser impulsionnel de pom- page, d'une part, ou un laser continu et un miroir à con- jugaison de phase à laser continu de pompage, d'autre part; mais on n'avait jamais songé à combiner les trois notions d'émission impulsionnelle, d'émission continue et de stabilisation en fréquence de l'émission impulsion- nelle. Le préjugé était d'autant plus ancré dans les esprits que la première théorie élaborée sur le mélange à quatre ondes dans un milieu amplificateur était fausse. Selon cette théorie, seul un laser- de grande puissance, et donc un laser impulsionnel, d'un miroir à conjugaison de phase était susceptible d'asservir, mais non d'ailleurs de sta- biliser, la fréquence d'un laser impulsionnel. Or, la vé- rité a été rétablie dans l'article "Phase Conjugation in Saturable Amplifiers by Degenerate Frequency Mixing", de Reintjes et al paru dans la revue IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-18, No. 11, Novembre 1982, vérité selon laquelle l'onde de pompage était également amplifiée dans le milieu non linéaire tout en donnant naissance à l'effet conjugué. Mais les auteurs de cet article n'en ont pas pour autant conclu qu'il était donc possible de combiner un laser impulsionnel, un miroir à conjugaison de phase et un laser continu de pompage. Le rétablisse- ment de la vérité ne pouvait donc inciter l'homme de mé- tier qu'à utiliser, comme laser de pompage, un laser im- pulsionnel de faible puissance. En définitive, et grâce à l'invention, un laser impul- sionnel peut maintenant être stabilisé en fréquence à l'aide d'un laser continu dont on sait parfaitement sta- biliser la fréquence, sa pureté spectrale n'étant limi- tée que par la durée finie du gain dans son milieu ampli- ficateur. Dans un miroir à conjugaison de phase par mélange à qua- tre ondes,si la fréquence incidente, ou sonde, est wi, la fréquence réfléchie conjuguée GO.c, et les fréquences de pompage CJ1 et W 2' on a la relation: Wc = J1 + 2 - i Si J'i = J2 = 9' CLc = 2w- W i Si la fréquence des photons spontanés du laser impulsion- nel est CJ et que cette fréquence subit un décalage + - dans le milieu laser, alors Si. = X +J WC = 2 CJ- (f+) c= la fréquence des photons réfléchis qui vont déclencher l'avalanche étant aussi (cu - c) +ëf= c. Si la fréquence des photons spontanés est différente de W, alors la fréquence des photons réfléichis,avec une intensité d'ailleurs réduite,ne sera pas la même que celle des photons spontanés et l'avalanche de l'effet laser ne pourra pas se produire. En d'autres termes, seuls les photons spontanés à la fréquence de pompage continu du miroir à conjugaison de phase pourront pro- voquer l'effet laser. On notera que la puissance du laser continu de pompage du miroir pourra être très faible. On notera aussi que le miroir du laser impulsionnel de l'invention se comporte comme un filtre de fréquence ré- fléchissant et que le laser est un laser à mode unique dont la géométrie est identique à celle du laser pompe. Le laser impulsionnel de l'invention comporte un miroir à conjugaison de phase qui peut être pompé par un ou deux lasers continus. Quand un seul laser continu est utilisé, le miroir à conjugaison de phase comporte en outre, et par exemple, un premier miroir semi-transparent et un deuxième miroir, tous deux classiques, ou tout autre moyen diviseur de faisceau optique. Bien entendu, l'invention s'applique tout particulière- ment à un laser impulsionnel à milieu gazeux sous forte pression, de l'ordre de l'atmosphère, et à excitation transversale (laser TEA), le milieu laser comprenant avan- tageusement du C02. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion suivante de deux formes de réalisation du laser im- pulsionnel de l'invention, en référence aux dessins an- nexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement le laser impul- sionnel de l'invention, dans son principe général, et - la figure 2 représente schématiquement la forme de réa- lisation préférée du laser de l'invention. Le laser impulsionnel de la figure I comporte un premier milieu laser amplificateur TEA 1, à pression atmosphé- rique, confiné dans une enveloppe 2, soumis à une excita- tion électrique transversale pulsée, par l'intermédiaire de deux électrodes 3, 4, s'étendant longitudinalement à l'intérieur de l'enveloppe 2, un condensateur 5, dont les armatures sont respectivement reliées aux électrodes 3, 4, à l'aide d'un éclateur 13 qui joue le rôle d'interrupteur, et une source de tension 6, aux bornes du condensateur 5, pour sa décharge d'excitation. Le milieu laser I s'étend dans une cavité résonnante formée entre un premier miroir 7 semi-transparent classique, dit de sortie, et un miroir 8 à conjugaison de phase par mélange à quatre ondes. Le miroir à conjugaison de phase 8 comporte un milieu TEA amplificateur saturable non linéaire 12 dans une cellule secondaire 9, similaire à la cellule principale 1-6 qui vient d'être décrite. Le milieu non linéaire de la cel- lule 9 est pompé par deux lasers continus 10, 11 stabi- lisés en fréquence, envoyant sur ce milieu deux faisceaux lumineux de pompage à la même fréquence et de deux direc- tions vectoriellement opposées. Seuls les photons spontanés du premier milieu TEA I à la fréquence des lasers de pompage 10, 11 provoqueront l'a- valanche de l'effet laser dans la cellule principale. Dans la forme de réalisation préférée du laser de la fi- gure 2, sur laquelle les moyens d'excitation pulsée ne sont pas représentés, la cellule secondaire du miroir à conjugaison de phase est créée dans la cellule principale dont la fréquence est à stabiliser. La cellule principale à milieu TEA est représentée en 20, dans une enveloppe 22, avec des électrodes 23, 24 et un milieu TEA 21 confiné dans l'enveloppe 22. La cellule 20 est disposée dans une cavité résonnante formée entre un miroir réfléchissant classique 27 et donc une partie 30 de son milieu laser confiné dans l'enveloppe 22. A cette cellule principale est associé un miroir à conju- gaison de phase comprenant un laser continu de pompage 29, stabilisé en fréquence, la partie 30 du milieu TEA de l'enveloppe 22 comme milieu non linéaire, une lentille de focalisation 31 pour délimiter cette partie 30, un isola- teur optique 28, entre le laser continu 29 et la lentil- le 31, elle-même entre l'isolateur 28 et le milieu TEA, et le miroir 27, de l'autre côté du milieu TEA, tous ces moyens étant alignés sur un axe 32. La longueur du milieu non linéaire peut tre optimisée grace à une distance fo- cale appropriée de la lentille 31. Un premier faisceau optique de pompage est émis directe- ment par le laser continu 29, de la gauche vers la droite sur la figure 2. Ce faisceau traverse l'isolateur 28, qui peut tre par exemple un polariseur associé à une lame quart d'onde ou un rotateur de Faraday, la lentille 31, le milieu laser, et est réfléchi sur le miroir 27 pour cons- tituer le deuxième faisceau optique de pompage dans la direction opposée, de la droite vers la gauche sur la figure 2. Une partie du milieu laser amplificateur dont la fréquence est à stabiliser constitue donc, grâce à la lentille 31, le milieu non linéaire du miroir à conjugaison de phase. Les deux milieux, qui n'en font qu'un, des cellules prin- cipale et secondaire sont donc ainsi avantageusement con- finés dans la même enveloppe. Une deuxième cellule indé- pendante, pour le miroir à conjugaison de phase, et un deuxième laser continu de pompage sont donc ainsi élimi- nés. L'émission lumineuse du laser qui vient d'être décrit sort, à une fréquence stabilisée à celle du laser conti- nu 29, par l'isolateur 28, après réflexion suivant une direction 33 distincte de l'axe 32. Le miroir à conjugai- son de phase est donc ici le miroir de sortie de la cavi- té. Si la réflectivité du miroir à conjugaison de phase est supérieure à l'unité, le faisceau laser peut être extrait par le miroir 27 qui sera alors semi-transparent. Pour la réalisation effective de ce laser impulsionnel, la demanderesse a utilisé, comme milieu TEA, et à titre d'exemple, un milieu gazeux, comprenant en l'occurence du CO2, et un laser continu de pompage à C02, d'une très faible puissance, de l'ordre de 4 W, et émettant sur une longueur d'onde d'environ 10 m. Il faut souligner ici que si on a décrit un laser TEA stabilisé en fréquence, l'invention s'applique également à tout autre laser impulsionnel. REVENDICATIONS: 1.- Laser impulsionnel, comprenant un premier milieu laser à excitation pulsée (1; 20) dans une cavité résonnante formée entre deux miroirs (7,B; 27,30) dont un miroir (8;30) à conjugaison de phase par mélange à quatre ondes compor- tant un milieu non linéaire (12; 30), secondaire, associé à au moins un laser de pompage (10, 11; 29) pour envoyer de deux directions opposées et à la même fréquence deux faisceaux de pompage incidents sur le milieu secondaire (12; 30), laser caractérisé par le fait que le milieu laser non linéaire secondaire (12; 30) est un milieu am- plificateur saturable et le laser de pompage (10, 11; 29) est un laser continu à fréquence stable et égale à la fréquence des photons spontanés qui doivent déclencher l'émission, à la fréquence à stabiliser, du laser impul- sionnel. 2.- Laser selon la revendication 1, dans lequel le pre- mier milieu laser est un milieu TEA (transversely excited atmospheric). 3.- Laser selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier milieu laser est un milieu gazeux à C0. 4.- Laser selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le second milieu non linéaire est un milieu TEA. 5.- Laser selon l'une des revendications I à 4, dans lequel le second milieu non linéaire est pompé par deux lasers continus. 6.- Laser selon l'une des revendications I à 4, dans lequel le second milieu non linéaire (30) du miroir à conjugaison de phase (29,31,30,27)est une partie du pre- mier milieu laser (20,21) à stabiliser en fréquence. 7.- Laser selon la revendication 6, dans lequel le miroir conjugaison de phase par mélange à quatre ondes comporte un laser continu (29), une lentille (31) de focalisation, la partie (30) du-premier milieu laser, un miroir réflé- chissant (27). 8.- Laser selon la revendication 7, dans lequel un isola- teur optique (28) est disposé entre le laser continu de pompage (29) et la lentille (31).