Brevet FR2634953A1 — publié le 19900202

LASER EN ANNEAU A MILIEU AMPLIFICATEUR DE TRES FAIBLE SECTION La présente invention concerne le domaine des lasers, plus particulièrement des lasers en anneau, et plus particulièrement des lasers en anneau dans lesquels le milieu amplificateur présente une section active de valeur très faible dans le plan perpendiculaire à l'axe de propagation. En effet, dans ce cas, il se pose un problème particulier du fait que, inévitablement, d'après les lois de la diffraction, le faisceau laser présente une divergence élevée. Par exemple, si le milieu amplificateur est constitué d'une diode électroluminescente 9 semiconducteur, on a couramment une surface active présentant une hauteur de l'ordre de 0,2 micromètre et une largeur de l'ordre de quelques micromètres au plus, ce qui correspond à un angle de divergence de l'ordre de 300. La figure 1 représente une cavité laser classique, dans laquelle un milieu amplificateur l est disposé entre deux miroirs sphériques 2 et 3. Ce système fonctionne très bien quand la divergence du faisceau n'est pas trop élevée. On peut alors-incliner les deux miroirs sphériques 2 et 3 pour les faire fonctionner hors d'axe et diriger les faisceaux vers des miroirs de renvoi pour constituer un système de laser en anneau. La figure 2 représente ce qui se produit quand on utilise un milieu amplificateur 11 à forte divergence entre des miroirs sphériques 12 et 13. Inévitablement, les miroirs sphériques sont utilisés sur une très grande surface et, notamment dans le cas où on veut les faire fonctionner hors d'axe, le système n'est plus astigmatique. Pour résoudre ce problème, on a proposé dans l'art antérieur des structures du type de celle illustre en figure 3 dans lesquelles la divergence du faisceau liée à l'existence d'un milieu amplificateur de tres petite section est rattrapée par des objectifs du type objectif de microscope 23 et 24. On a alors un système à faisceau sensiblement parallèle et l'on peut former un laser en anneau, par exemple avec quatre miroirs plans 25 à 28. Une structure de ce type est par exemple décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amerique 4 405 236. Toutefois, le fait d'insérer des objectifs à l'intérieur d'une cavité résonnante entraîne de nombreux inconvénients - les objectifs présentent inévitablement des aberrations optiques résiduelles, - les objectifs présentent également un certain achromatisme ce qui est particulièrement gênant dans le cas où la cavité laser doit fonctionner à longueur d'onde variable, - etant donné le grand nombre de lentilles que l'on utilise dans chaque objectif pour tenter de corriger les deux défauts susmentionnés, il se produit des réflexions parasites à l'intérieur de la cavité ce qui entraîne notamment une modulation du gain de la cavité et une instabilité de celle-ci. Pour eviter ces inconvénients, la présente invention prévoit un laser en anneau à cavité composée uniquement de miroirs. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un laser en anneau dans lequel le milieu amplificateur présente une très petite section dans un plan orthogonal à la direction de propagation et dans lequel chacune des fenêtres du milieu amplificateur est place près du foyer d'un miroir constitué d'une partie, hors d'axe, de surface aspherique renvoyant le faisceau vers des moyens classiques de fermeture de cavité optique. Le- milieu amplificateur peut être une diode laser à semiconducteur dont les faces de sortie sont traitées pour que la diode fonctionne en milieu amplificateur ou être une fibre optique fonctionnant en milieu amplificateur. Les moyens de fermeture de cavité peuvent ou bien être des miroirs plans et les miroirs asphériques des miroirs paraboliques ou bien etre constitués par une fibre optique et les miroirs asphériques des miroirs elliptiques. La cavité peut comprendre des moyens de réglage de fréquence tels qu'une lame à faces parallèles à inclinaison réglable, un filtre de Lyot, ou tout autre élément sélectif en fréquence. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1 à 3 destinés à illustrer l'état de la technique ont été décrites précédemment la figure 4 représente un milieu amplificateur associé à un miroir parabolique la figure 5 illustre un premier mode de réalisation de laser en anneau selon la présente invention ; la figure 6 représente un deuxième mode de réalisation de laser en anneau selon la présente invention la figure 7 représente un troisième mode de réalisation de laser en anneau selon la présente invention ; la figure 8 représente un exemple de montage du système optique de la figure 7 dans le cadre d'une application particulière ; et la figure 9 représente une variante de la présente invent ion. Comme l'illustre plus particulièrement la figure 4, la présente invention prévoit de disposer une fenêtre de sortie d'un milieu amplificateur 31 de très petite section près du foyer d'une surface asphérique, en ltoccurence un paraboldide 32. L'axe du milieu amplificateur est désaxé par rapport à l'axe du paraboloide et, ainsi, le faisceau de sortie (en cas de cavité fermée) du milieu amplificateur 31 est dirigé vers un miroir constitué d'une portion 33 du paraboloide pour fournir de façon astigmatique et achromatique un faisceau de lumière parallèle 34. La figure 5 représente un exemple d'application de la pressente invention dans lequel le milieu amplificateur 41 a chacune de ses fenêtres de sortie dispose près du foyer de miroirs paraboliques hors d'axe 42 et 43 renvoyant des faisceaux paralle- les sur un miroir plan 44 qui ferme la cavité. Dans le cas de la figure 6, le milieu amplificateur 51 a chacune de ses fenêtres de sortie disposée près du premier foyer d'un miroir constitué d'une portion d'ellipsoïde hors d'axe 52, 53 qui renvoie un faisceau convergent vers une face extrême 54, 55 d'une fibre optique 56 qui ferme la cavité et est située près du deuxième foyer. Le milieu amplificateur peut être tout milieu dont la section de surface active et très faible. D'autre part, le milieu amplificateur pourrait être une fibre optique dopée ou une fibre optique creuse contenant un liquide amplificateur dont les deux extrémités seraient placées aux foyers des miroirs asphériques susmentionnés. Le milieu amplificateur pourrait aussi être obtenu par des techniques d'optique intégrée. La figure 7 représente une structure particulière de cavité en anneau selon la présente invention. Dans cette figure, le milieu amplificateur 61 est place entre deux miroirs paraboliques P1 et P2 qui renvoient respectivement de la lumière vers des miroirs plans M1 et M2 qui renvoient à leur tour la lumière vers un miroir plan de fermeture de cavité M3, l'angle entre l'axe du faisceau allant du miroir M2 au miroir b13 et l'axe du faisceau allant du miroir M1 au miroir M3 étant relativement faible. Dans un cas pratique, le milieu amplificateur 61 est une diode laser dont les surfaces extrêmes ont été revêtues de couches antireflets, le milieu amplificateur ayant une longueur de quelques centaines de micrometres, et la section de la zone utile étant de 0,2 x 3 micromètres. La distance entre les surfaces des miroirs paraboliques P1 et P2 est de l'ordre de 20 millimètres, le diamètre des miroirs étant de l'ordre de 15 millimètres. La structure de la figure 7 se prête un montage du type représenté en figure 8, qui comprend sur un chassis 70 une première enceinte 71 et une deuxième enceinte 72, chacune de ces enceintes pouvant être mise sous vide ou remplie d'un gaz choisi. La première enceinte comprend les miroirs P1, P2, M1 et M2, et la deuxième enceinte comprend le miroir M3. Cette structure se prête à disposer entre les deux enceintes 71 et 72 une cuve d'absorption 73 dans laquelle on peut placer un milieu à analyser, par exemple pour des analyses spectroscopiques. Comme cela est classique dans le domaine des lasers en anneau, on peut disposer dans la cavité une cellule de Faraday pour que l'oscillation laser ait lieu en ondes progressives unidirectionnelles. En outre, la longueur d'onde de la raie laser peut être ajustée en prévoyant dans l'une des enceintes un moyen d'accord de cavité, tel qu'une lame à faces parallèles dtinclinaison réglable, un filtre de Lyot ou tout autre élément selectif en longueur d' onde. Un avantage de la structure telle que représentée en figure 8 est que, du fait notamment qu'elle ne comprend aucun objectif à l'intérieur de la cavité, les pertes sont très faibles et l'on peut faire fonctionner des lasers avec des milieux amplificateurs à faible gain. D'autres variantes et perfectionnements classiques dans le domaine des lasers en anneau pourront être apportées à la présente invention comme cela sera clair pour l'homme de l'art. A titre d'exemple, la figure 9 représente un laser dit linéaire ou en demi-anneau qui sera compris comme englobé dans l'appellation laser en anneau utilisée dans les revendications ci-après. Dans ce laser linéaire, une face d'un milieu amplificateur 81 est disposée près du foyer d'un miroir parabolique hors d'axe 82 envoyant un faisceau parallèle sur un miroir plan de renvoi 83. La cavité est fermée par la face arrière réflectrice 84 du milieu amplificateur 81. REVENDICATIONS 1. Laser en anneau dans lequel le milieu amplificateur présente une très petite section dans un plan orthogonal à la direction de propagation, caractérisé en ce qu'au moins une fenêtre du milieu amplificateur (31, 41, 51, 61, 81) est placée près du foyer d'un miroir constitue d'une partie, hors d'axe, de surface asphérique renvoyant le faisceau vers des moyens classiques de fermeture de cavité optique. 2. Laser en anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des fenêtres du milieu amplificateur (31, 41, 51, 61) est placée au foyer d'un miroir constitué d'une partie, hors d'axe, de surface asphérique. 3. Laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est un laser è semiconducteur dont les faces de sortie sont traitées pour que le milieu fonctionne en amplificateur. 4. Laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu amplificateur est inclus dans une fibre optique dont les extrémités sont placées près desdits foyers. 5. Laser en anneau selon la revendication 2, dans lequel les moyens de fermeture de cavité sont des miroirs plans (44 ; M1, M2, M3), caractérisé en ce que les miroirs coniques sont des miroirs paraboliques (42, 43 ; P1, P2). 6. Laser en anneau selon la revendication 2, dans lequel les moyens de fermeture de cavité sont constitués par une fibre optique (56), caractérisé en ce que les miroirs asphériques sont des miroirs elliptiques (52, 53). 7. Laser en anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur de la cavité des moyens de réglage de fréquence. 8. Laser en anneau selon la revendication 1, caractérisE en ce qu'il comprend è l'intérieur de la cavité une cellule de Faraday, d'où il résulte que l'oscillation laser a lieu en ondes progressives unidirectionnelles. 9. Laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux miroirs paraboliques (P1, P2) et trois miroirs plans, deux des miroirs plans (M1, M2) recevant des faisceaux paralleles en provenance des miroirs paraboliques et les renvoyant-vers le troisieme miroir plan (M3), plus éloigné, fermant la cavité. 10. Laser en anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une cuve d'absorption (73) est place entre d'une part les premier et deuxieme miroirs plans (M1, M2) et d'autre part le troisieme miroir plan (M3).