Brevet FR2639157A3 — publié le 19900518

FR 2639157 A3 19900518 FR 8912851 A 19891002 La présente invention est relative A des lasers spéciaux miroirs intérieurs, au He et au Ne, t deux modes qui sont utilisés dans de nombreux systèmes d'appa- reils d'optique et de recherche scientifique, par exemple dans les appareils de mesure des longueurs. Le contrôle de la valeur absolue de la longueur d'onde ou de la fréquence de lasers au He-Ne stabilisés s'effectue, au moyen du procédé hétérodyne optique faisant intervenir des fréquences différentielles, en comparant la fréquence du laser % d'autres fréquences exactement connues (DD-WP 114 867; JOSA 56 (1966) 2 156-162; Appl. Optics 7 (1968) 2, 289-293; Z.F. angewandte Physik 20 (1965) 5, 404-407; Feingerâtechnik 22 (1973) 7, 299301; Feingeratechnik 29 (1980) 10, 456-458; PTB Braunschweig, Rapport ME 9 (1975); Feingerâtetechnik 36 (1987), 83-84; Method. Abhandlungen 2 (1982) 2, 79-84; Feingerâtetechnik 32 (1963) 8, 352-356). Les sources de ces fréquences exactement connues peuvent être: l'étalon primaire optique K2 86, le laser au He-Ne "stabilisé % l'iode", extrêmement précis ou d'autres lasers étalonnés. Il est important que la fréquence différentielle ne dépasse pas quelques centai- nes de MHz, car les récepteurs, amplificateurs et comp- teurs utilisés deviennent de plus en plus compliqués 1 mesure que la fréquence A mesurer augmente, et il existe des limites de mesures objectives. La structure de mesure est compliquée et la mesure ne peut être effectuée que par des spécialistes. Comme on sait que dans les lasers t miroirs intérieurs % deux modes, la lumière laser de deux modes axiaux est polarisée perpendiculairement l'un % l'autre, il est possible de stabiliser la fréquence du laser en séparant les deux modes ' l'aide de polariseurs, en déterminant les intensités des modes au moyen de photodiodes et, au moyen d'un organe de réglage de la longueur du résonateur, de régler l'écartement des fréquences des deux modes par rapport au milieu de la ligne des courbes d'amplificateur Doppler (DE-OS 20 43 734;WO-PS 88/01 799; GB-PS 1 448 676; PTB Braunschweig; Rapport ME 9 (1975); Appl. Optics 11 (1972) 4, 742-744; Feingerâtetechnik 36 (1987) 2, 83-84; Appl. Optics 12 (1973) 7 1406; Feingerâtetechnik 32 (1983) 8 352-356). On sait également maintenir constante la fré- quence d'un laser t deux modes au moyen d'un polariseur rotatif en réglant (toujours avec un organe de réglage) la longueur du résonateur du laser de telle manière que le signal de lumière alternatif reçu derrière le polari- seur soit minimal (il est réglé sur l'égalité d'intensité des modes) (DDWP 202-362). Cette méthode présente les inconvénients suivants: des ondulations dans la lumière laser peuvent donner l'illusion d'un signal minimal modifié; il est donc nécessaire d'effectuer un contr8ôle supplémentaire de la lumière laser pour la détection éventuelle d'ondulations. De plus, il est nécessaire de connaître la relation entre la fréquence différentielle et le signal de tension alternative en fonction de la puissance du laser (Feingerâtetechnik 36 (1987) 2, 83-84). Il est également connu d'utiliser la modification des intensités de mode pour la coordination des modes pour l'élimination continue des ondulations de fréquence relatives pendant une mesure (DD-WP 233 648 3). Le but de l'invention est de permettre un con- tr8le extrêmement précis du contrôle de la fréquence de lasers spéciaux % miroirs intérieurs % deux modes qui puisse être effectué sur place d'une manière simple, même par du personnel non spécialisé. Le but de l'invention est donc la mise au point d'un procédé qui permette, par des mesures d'intensité, de déterminer la fréquence absolue spéciale de lasers ' miroirs intérieurs, au He-Ne, - deux modes pendant toute sa durée de vie. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait qu'en utilisant un mélange de gaz de remplissage compre- nant du néon débarrassé d'isotopes, l'intensité de l'un des deux modes est mesurée et comparée aux intensités étalonnées des modes. Lorsque le mélange de gaz de remplissage utilisé contient du néon naturel (91 % de Ne20 et 9 % de Ne22), le tracé de la courbe d'amplification Doppler est dissy- métrique par rapport au milieu de la ligne (Appl. Phys. Lett. 7 (1965) 322-324). Cette dissymétrie se modifie fortement en cas de variation de la puissance du laser par suite des phénomènes d'usure et de vieillissement qui accompagnent le fonctionnement des tubes laser. C'est ainsi, par exemple, que, pour une même intensité de raies des deux modes axiaux d'un laser x miroirs intérieurs stabilisés contenant du néon naturel, on obtient des écarts de fréquence de 215 MHz (mode 1) et de 430 MHz (mode 2) par rapport au rayonnement laser d'un laser t un mode stabilisé au minimum d'intensité selon la théorie de Lamb (A peu près le milieu de la raie de la courbe d'amplification Doppler) (pour une longueur de résonateur d'un laser 3 deux modes de 230 mm environ). La forme de raie de la courbe dissymétrique de répartition Doppler se modifie fortement si l'amplifi- cateur du tube laser se modifie, c'est--dire si la puissance du laser varie. Il en résulte qu'en cas de modification de la puissance du laser (vieillissement), il se produit un décalage de fréquence supplémentaire des modes axiaux par rapport au milieu de la raie, car l'écart de fréquence des deux modes l'un par rapport l'autre est essentiellement constant et le régulateur fait toujours le réglage sur la même intensité de mode. Les conditions s'améliorent nettement en cas d'utilisation de néon ne contenant pas d'isotopes (N4on20 ou Néon22). la courbe d'amplification Doppler a dans ce cas la forme d'une courbe de Gauss et est donc symétrique par rapport au milieu de la raie. Pour les variations de puissance des lasers qui se produisent en pratique, cette courbe est abaissée symétriquement par rapport au milieu de la raie (Feingerâtetechnik 36 (1987) 2 83-84). De ce fait, l'écart des fréquences par rapport au milieu de la raie reste également le même et correspond en outre très bien t la valeur absolue (en cas d'utilisation de miroirs laser largement isotropes pour une différence de pouvoir de réflexion de R > 0,01 % dans le cas de directions de polarisation de la lumière laser faisant entre elles un angle de 90 et d'une double réfraction de tension minimale des miroirs montés). Les écarts du milieu de la raie qui, dans les lasers stabilisés au minimum d'intensité selon la théorie de Lamb, s'observent en cas de variations extrêmes de pression et d'amplification, représentent au total moins de 50 MHz ( et sont négligeables dans les conditions de fonctionne- ment normales. Un laser au He-Ne réglé sur l'égalité des intensités de modes et comportant un remplissage par un gaz ne contenant pas d'isotopes donne, pour un domaine de décalage des fréquences de + 50 MHz, une excellente relation linéaire entre les variations d'intensité des modes et les variations de fréquence correspondantes. En cas de variation de la puissance du mode 1, le mode 2 subit les mêmes variations de puissance affectées du signe contraire. Ce qui est essentiel pour l'invention, c'est que, comme les fréquences des deux modes et les directions de polarisation correspondantes sont fixées au cours du premier réglage de l'appareil, il est possible, en connaissant la puissance totale du laser et la relation entre la fréquence et les intensités de modes, de déter- miner, m partir des résultats de mesure, la différence entre les intensités de mode, en tenant compte du signe de la différence et de la variation de puissance d'un mode, de déterminer un écart de la fréquence par rapport i sa valeur d'origine (mesurée dans le cas de l'égalité des modes) et, de ce fait, de déterminer la valeur absolue de la fréquence du laser par une simple mesure d'intensité, ' condition d'utiliser du Ne sans isotopes comme gaz de remplissage et que les miroirs du laser soient des réflecteurs largement isotropes. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée en se référant au dessin. Une forme de réalisation de l'objet de l'inven- tion est représentée, à titre d'exemples non limitatifs aux dessins annexés. la fig. 1 est le tracé schématique d'une courbe d'amplification Doppler d'un laser en cas d'utilisation de néon naturel. La fig. 2 représente la même courbe d'amplifi- cation Doppler en cas d'utilisation de néon ne contenant pas d'isotopes; contrairement la courbe de la figure 1, elle a la forme symétrique d'une courbe de Gauss. La fig. 3 représente les variations de fréquence en fonction de l'intensité de mode pour quatre lasers différents ayant des puissances de sortie et de réglage différentes (la puissance de réglage est déterminée au niveau du miroir très réfléchissant). La-fig. 4 représente le dispositif de mesure. A la fig. 4, le dispositif de mesure comprend le laser 1, le polariseur 2, et la photodiode associée t la résistance de travail 3 et % un voltmètre numérique 4. Les éléments optiques 2 et 3 sont légèrement inclines par rapport l'axe optique pour éviter tout couplage optique de retour. L'axe optique du polariseur 2 s'oriente avec une précision supérieure % 3 par rapport A la direction d'oscillation du vecteur E du mode et la direction d'oscillation est indiquée dans le laser. Après pivote- ment de 90 du polariseur, l'intensité du mode est également mesurée (il est avantageux que l'axe de pivo- tement du polariseur coïncide avec l'axe du faisceau laser pour éviter tout risque de différences de transmis- sion dans la surface du polariseur). La valeur de l'intensité mesurée de la lumière laser d'un mode lorsque les modes sont réglés de manière % être égaux est posée égale - 100%. Il en résulte, par exemple pour des tubes lasers ayant différents rendements lumineux, les relations suivantes: Tube laser MHz Puissance lumineuse Variations N totale de puissance d'un mode (en %) 1 10 1,5 1,5 2 10 1,5 1,1 3 10 2,2 0,8 4 10 2,3 0,7 REVENDICATIONS l.Procédé de contrôle de la valeur absolue de la fréquence de lasers spéciaux % miroirs intérieurs, au He-Ne, deux modes dans lesquels on utilise un mélange de gaz de remplissage constitué par de l'hélium et du néon ne contenant pas d'isotopes, caractérisé en ce que la valeur absolue de la fréquence du laser est déterminée A partir de la valeur mesurée de la différence des inten- sités de modes et en utilisant une mesure d'étalonnage initiale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisa en ce que l'on utilise largement comme miroirs de lasers des réflecteurs largement isotropes ayant un R > 0,01 %. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les intensités de mode sont sépa- rées au moyen d'un polariseur et mesurées par un récep- teur de lumière associé A un dispositif d'affichage électronique monté % la suite.