Brevet FR2658367A1 — publié le 19910816

LASER FOURNISSANT DEUX ONDES A DES FREQUENCES DIFFERENTES La présente invention a pour objet un laser fournissant deux ondes à des fréquences différentes, très proches l'une de l'autre Elle trouve des applications dans tous les domaines de la mesure mettant en oeuvre un effet hétérodyne, en particulier en métrologie; elle est égale- ment applicable en spectrométrie optique. On connaît déja des lasers fournissant deux ondes à des fréquences différentes, ayant des polarisations linéai- res mutuellement orthogonales, comprenant un milieu laser placé dans une cavité résonante laser délimitée par des mi- roirs et associée à des moyens d'excitation du milieu laser et comprenant un composant biréfringent placé sur le trajet des deux ondes. L'article "Two frequency gas laser in mutually orthogonal transverse magnetic fields" de Gudelev et al, Sov J Quantum electron 18 ( 2), Février 1988, page 166 décrit un laser à décharge hélium-néon du type ci- dessus, dans lequel des zones distinctes du milieu actif laser sont soumises à des champs magnétiques orthogonaux l'un à l'autre, le composant biréfringent étant constitué par une des fenêtres délimitant la cavité, soumise à une contrainte de compression. Un tel laser permet effectivement d'obtenir deux ondes ayant une différence de fréquence fonction de l'ani- sotropie linéaire de phase, pouvant atteindre 50 M Hz dans l'exemple donné par le document ci-dessus, utilisant une cavité de résonance de 31 cm de longueur. Indépendamment de sa complexité, le laser décrit dans le document cidessus, ainsi que les autres lasers déjà proposés pour générer deux ondes à fréquences diffé- rentes, présente des inconvénients Du fait que le chemin optique est le même pour les deux ondes, les modes d'oscil- lation sont très fortement couplés et il est difficile d'obtenir des oscillations simultanées dans les deux états propres sans interaction Le réglage de la différence de fréquence est difficile et peu fiable, car il s'effectue par modification d'une contrainte difficile à évaluer et non pas par déplacement d'un composant. La présente invention vise à fournir un laser à deux fréquences du type ci-dessus défini dans lequel les deux ondes sont suffisamment découplées dans le milieu laser, pour que les phénomènes d'accrochage soient très réduits. Dans ce but l'invention propose notamment un laser caractérisé en ce que le milieu laser est à un emplacement de la cavité o les deux ondes sont séparées spatialement et en ce que deux lames quart d'onde, dont une présente des lignes neutres à sensiblement 45 des axes de polarisation du composant biréfringent, sont placées sur le trajet des deux ondes pour donner à ces ondes une polarisation hélico- idale entre les lames. En orientant la lame quart d'onde (la plus proche du composant biréfringent) à 45 des axes de polarisation de ce composant, on équilibre les intensités lumineuses des deux ondes, et on évite une polarisation elliptique Les deux ondes correspondent à deux états propres fonctionnant indépendamment l'un de l'autre du fait que les ondes sont séparées spatialement dans le milieu laser Les lames quart d'onde et le composant biréfringent peuvent être placés de façon que les trajets des deux ondes soient séparés spatia- lement dans toute la cavité résonante laser, mais il n'est pas indispensable de remplir cette condition, qui impose des contraintes. L'invention permet également de régler aisément la différence entre les deux fréquences, dans un domaine allant de zéro jusqu'à une valeur fixée par l'intervalle inter-modes de la cavité, par rotation de la lame quart d'onde la plus éloignée du composant biréfringent, dont l'orientation n'a que peu d'influence sur l'équilibre des intensités Ce réglage peut être complété par un réglage de longueur de la cavité permettant d'ajuster la fréquence moyenne des deux ondes, c'est-à-dire des deux états propres de la cavité Du fait que les variations de fréquence moyenne restent toujours très faibles, les lames restent sensiblement quart d'onde même lors de la mise en action d'un tel réglage. Le composant biréfringent sera généralement un cristal de type courant, permettant de séparer un faisceau incident non polarisé en un faisceau ordinaire et un fais- ceau extraordinaire ayant des polarisations rectilignes mutuellement perpendiculaires Il n'est pas indispensable que la polarisation des faisceaux ordinaire et extraordi- naire soit absolue, car la polarisation est renforcée par le fonctionnement de la cavité de résonance et du milieu actif laser. L'invention est susceptible d'être mise en oeuvre dans des lasers de type très varié, notamment dans les lasers à décharge à gaz et même les lasers à colorant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de mise en oeu- vre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limita- tifs L'invention se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma, o l'échelle n'est pas respectée, montrant la disposition relative des composants principaux d'un laser suivant un premier mode de réalisa- tion; la figure 2 est un schéma de circuit de réglage utilisable avec le laser de la figure 1; les figures 3,4 et 5 similaires à la figure 1, montrent des variantes de réalisation. Le laser de la figure 1 comporte, de façon classi- que, une enceinte 10 contenant le milieu laser, placée dans une cavité résonante délimitée par des miroirs 12 et 14 à coefficient de réflexion proche de 100 % à la fréquence moyenne de fonctionnement Suivant une disposition classi- que, l'un des miroirs 14 est plan tandis que l'autre miroir 12 est sphérique et centré sur le miroir 14 Un diaphragme 16 placé à proximité du miroir 12 sélectionne le mode transverse fondammental TE Moo. Suivant l'invention la cavité contient les compo- sants permettant la génération de deux ondes à fréquences différentes La position du diaphragme 16 et celle de ces composants montrés en figure 1 sont telles que les états propres, c'est-à-dire les trajets des ondes, sont séparés spatialement dans une fraction de la cavité délimitée par le miroir 14 qui doit en conséquence être un miroir plan. Les composants destinés à provoquer la génération de deux ondes ayant des trajets séparés dans le milieu laser comprennent un cristal biréfringent 18 ayant des axes propres qu'on supposera être respectivement parallèle et perpendiculaire au plan de la figure Une première lame 20, quart d'onde pour la fréquence moyenne des deux modes, est placée à proximité du cristal biréfringent 18, du côté de ce cristal o le faisceau ordinaire et le faisceau extraor- dinaire suivent le même trajet Les lignes neutres de la lame quart d'onde 20 sont à 45 des axes propres de polari- sation du cristal biréfringent 18, afin d'équilibrer les intensités lumineuses des deux modes excités dans la cavi- té Une seconde lame quart d'onde 22, également placée sur le trajet commun des deux faisceaux est plus éloignée du composant 18 que la lame 20 Si on souhaite pouvoir régler la différence AI entre les fréquences propres des deux modes, la lame 22 est prévue de façon à pouvoir être orien- tée autour de l'axe du faisceau. Si on désigne par: c la vitesse de la lumière, d la longueur de la cavité résonante, p l'angle que font les lignes neutres de la lame 22 avec les axes de polarisation propres du cristal 18, t le déphasage entre l'onde extraordinaire et l'onde ordinaire provoqué par la traversée du cristal. La différence Av entre les fréquences propres est: Av = (c/2 d)l( 2 p/Il)( 4/fl)-( 1/2)l ( 1) La formule ( 1) montre qu'en principe on peut ajuster la différence de fréquence Afi dans tout l'intervalle allant de zéro à c/2 d, c'est-à-dire dans l'intervalle spectral libre de la cavité entre deux modes. Dans la pratique cependant, des effets d'accrochage interdisent de réduire la différence au-dessous d'un seuil qui, en général, est de quelques K Hz. Le laser peut être muni d'un dispositif de maintien automatique de la différence de fréquence à une valeur déterminée, par commande de la lame 22 Il peut être également muni de moyens permettant d'ajuster et/ou de stabiliser la fréquence moyenne des deux états propres dans un domaine qui est limité par la loi de variation du gain dans le milieu laser La figure 2 montre schématiquement un circuit permettant de maintenir automatiquement la moyenne des deux fréquences à une valeur v O et la différence à une valeur Av O, ces deux valeurs étant elles-mêmes réglables. Le circuit montré en circuit 2 comporte dans ce but un détecteur 24 de battement optique des deux ondes, recueillant les flux de fuite à travers le miroir 14 La fréquence de battement est isolée à l'aide d'un filtre 26 auquel est appliqué le signal électrique de sortie du détecteur 24 Un comparateur 28 entre le signal représentatif de la différence réelle des fréquences et une valeur de consigne Av O fournit, sur sa sortie 30, un signal d'erreur utilisé pour commander un organe de mise en rotation de la lame 22, tel qu'un moteur pas à pas. Une fraction de l'énergie lumineuse des ondes peut être séparée, à la sortie du miroir 14, par une lame semi- transparente 32 et attaquer un circuit 34 d'asservissement de la longueur d'onde, qui règle par exemple la longueur d de la cavité par action sur une céramique piézoélectrique 36 portant le miroir 14, de façon à équilibrer les intensi- tés des deux ondes. Dans l'espace compris entre les deux lames quart d'onde 20 et 22, les deux ondes stationnaires ont une polarisation hélicoïdale Au contraire, les deux ondes ont des polarisations croisées, chacune à 450 des lignes neutres de la lame quart d'onde adjacente, en dehors de cet espace Cela se traduit, dans le laser de la figure 1, par le fait que: les deux directions de polarisation orthogonale dépendent de l'orientation de la lame 22 à la sortie du miroir 12, là o les chemins optiques de propagation sont confondus, les axes de polarisation croisés correspondent aux polarisations propres du cristal biréfringent 18 dans le milieu laser 10 et à la sortie du miroir 14. Suivant les propriétés que l'on souhaite obtenir pour les faisceaux de sortie, on choisira le mode de réalisation de la figure 1 ou l'un de ceux qui seront maintenant décrits, afin d'obtenir: des polarisations fixes ou commandées par l'orientation de la lame 22, des chemins optiques de propagation confondus ou séparés d'un côté et/ou de l'autre de la cavité laser résonante. Dans le mode de réalisation montré en figure 3 (o les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) les lames quart d'onde 20 et 22 sont placées entre le milieu laser occupant l'enceinte 10 et le miroir plan 14 La lame quart d'onde 20 la plus proche du cristal biréfringent 18 a des lignes neutres à 45 des directions de polarisation propres du cristal 18 Dans ce mode de réalisation, les directions de polarisation des ondes sortant de la cavité laser par le miroir plan 14 et suivant des trajets optiques différents tournent avec la lame 22. Dans le mode de réalisation de la figure 4, les lames quart d'onde 20 et 22 sont placées chacune d'un côté du milieu laser 10, ce qui conduit à des polarisations ayant les mêmes propriétés que sur la figure 3. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les composants destinés à provoquer la formation de deux modes sont prévus de façon que la zone de la cavité dans laquelle les états propres d'oscillation sont séparés spatialement n'atteigne aucun des deux miroirs 12 et 14 a, qui peuvent en conséquence être l'un et l'autre des miroirs concaves Ces composants comprennent un second cristal biréfringent 18 a, identique au premier, placé dans la cavité de manière à ce que les axes de propagation des deux états propres soient confondus en dehors d'une zone entourant le milieu actif laser, en particulier près des deux miroirs; le système ainsi constitué à une meilleure résistance aux déformations de la cavité. Dans le mode de réalisation de la figure 5, la différence de fréquence Av est donnée par la formule Av = (c/2 d)l( 2 p/rl)-( 2 +/fl)-1/2)l (ibis) Elle est encore en principe ajustable entre O et c/2 d. La description qui précède montre que le laser n'ajoute, aux constituants classiques d'un laser, que des composants simples Il peut notamment comporter un tube à décharge dans le mélange HeNe, à 3,39 pm ou 633 nm, un cristal biréfringent et deux lames quart d'onde délimitant un espace ne contenant pas le cristal, mais pouvant contenir le milieu actif (figure 4) ou non (figures 1, 3 et ) Mais, dans tous les cas, deux états propres simultanés découplés spatialement dans le mileu actif apparaissent. REVENDICATIONS 1 Laser fournissant deux ondes à des fréquences différentes, ayant des polarisations linéaires mutuellement orthogonales, comprenant un milieu laser placé dans une ca- vité résonante laser délimitée par des miroirs et associée à des moyens d'excitation du milieu laser et comprenant un composant biréfringent placé sur le trajet des deux ondes, caractérisé en ce que le milieu actif laser est à un empla- cement de la cavité o les deux ondes sont séparées spatia- lement et en ce que deux lames quart d'onde ( 20,22), dont une présente des lignes neutres à sensiblement 450 des axes de polarisation du composant biréfringent ( 18), sont pla- cées sur le trajet des deux ondes pour donner à ces ondes une polarisation hélicoïdale entre les lames. 2 Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame quart d'onde placée à 450 des axes de pola- risation du composant biréfringent ( 18) est la plus proche dudit composant. 3 Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre lame quart d'onde ( 22) est orientable. 4 Laser selon la revendication 3, caractérisé par des moyens ( 24,28) de commande de l'orientation de ladite autre lame pour maintenir la différence de fréquence à une valeur prédéterminée, comprenant des moyens de mesure de la fréquence de battement entre les deux ondes. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu laser est encadré par le composant biréfringent ( 18) et un composant complémentaire ( 18 a). 6 Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant birefringent est un cristal.