Brevet FR2660492A1 — publié le 19911004

La présente invention concerne des résonateurs optiques de configurations particulières destinés à émettre un faisceau lumineux à distribution d'intensité constante dans son champ proche et à divergence angulaire minimale limitée par la diffraction, dans son champ lointain. Depuis la première émission de lumière cohérente réalisée par Maiman en juillet 1960, les résonateurs optiques ont été étudiés et expérimentés sous de nombreux aspects. Plus récemment, les applications du laser engendrent de nouveaux besoins pour lesquels de nouvelles configurations de résonateurs sont imaginées. Toutes tendent à optimiser les sources lasers. Certaines permettent d'extraire la plus grande énergie d'un volume amplificateur dans un faisceau de faible divergence, d'autres recherchent une intensité de distribution du champ électromagnétique peu modulée et les dernières proposent des fronts d'onde uniphase dans des faisceaux limités par la diffraction. Les résonateurs optiques selon l'invention sont destinés à émettre un faisceau d'intensité constante, centrosymétrique dans toute section du champ proche et à divergence angulaire minimale limitée par la diffraction dans le champ lointain. Dans ces résonateurs, qui comportent un milieu amplificateur ne figurant pas sur les schémas proposés, deux espaces sont sélectionnés par diffraction et constituent les deux espaces réciproques d'une transformation de Fourier. Chacune des deux distributions de champs complexes, dans les deux espaces réciproques, se retrouve identique à elle-même, en amplitude et en phase, après un aller et retour pour des résonateurs de type Fabry-Pérot ou après un tour pour des résonateurs montés en anneau. Des masques opaques, déphasants, diffusants, partiellement transparents, biréfringents, qui utilisent toutes sortes de matériaux, y compris des matériaux à effet électro-optique, montés dans des configurations à symétrie centrale, matérialisent les zéros des champs que l'on souhaite engendrer dans les espaces réciproques. Les schémas de la Figure 1 représentent, selon l'invention divers profils de faisceaux lumineux en sortie de ces résonateurs. Tous autres profils à contour convexe sont des variantes non illustrées. Ces profils sont caractérisés par un champ électomagnétique d'amplitude et de phase constantes dans la section droite du faisceau émergent. Selon des modes particuliers de réalisation des résonateurs de type Fabry-Pérot, les schémas de la Figure 2 donnent la configuration la plus simple du résonateur confocal symétrique ; soit constituée dans le schéma 2-a, par deux miroirs ml et m2 sphériques concaves de même rayon de courbure R, dont les foyers sont confondus ; soit constituée dans le schéma 2-b, par deux miroirs plans m3 et m4, placés dans les plans focaux d'une lentille convergente L de focale f. Les masques M et M' sont proches des miroirs ou y sont intégrés. Selon une variante du résonateur confocal symétrique, la Figure 3 donne des configurations qui permettent d'éviter des concentrations d'énergie ou de faciliter la réalisation des masques. Ces configurations sont réalisées avec des optiques d'ajustement d'échelle. Le schéma 3-a présente un résonateur à miroirs convergents avec un grandissement transversal g = OA'/OA réalisé au moyen d'une lentille convergente L ; ce résonateur est réductible à un résonateur confocal de longueur R. Le schéma 3-b présente une version équivalente à miroirs divergents et le schéma 3-c présente une autre version équivalente à une lentille divergente L'. Les masques M et M' sont proches des miroirs ou y sont intégrés. Selon une autre variante et lorsqu'il est souhaitable de séparer les masques des miroirs, deux types d'optiques catadioptriques peuvent indifféremment imager sur eux-mêmes des masques de symétrie centrale en préservant les distributions d'amplitude et de phase. La figure 4 donne les configurations principales. Les schémas 4-a et 4-b présentent deux types d'optiques catadioptriques qui réalisent un déport d'un miroir par rapport à un des masques M. Le schéma 4-c est un cas particulier du miroir plan. R représente le rayon de courbure du miroir sphérique à déporter. Selon une dernière variante du résonateur confocal symétrique, la figure 5 donne une des nombreuses configurations qui associent un grandissement transversal et le déport des miroirs par rapport aux masques. Dans cette configuration, un résonateur confocal simple, de longueur R peut être défini par - l'image (2) du miroir sphérique concave (1), donnée par la lentille convergente (3), confondue avec le masque (4), - l'image (5) du miroir sphérique concave (6) donnée par les lentilles convergentes (7) et (8) confondue avec le masque (10). La lentille (8) donne du masque (10) une image réduite (9), réciproque au sens de Fourier du masque (4). Le système catadioptrique composé du miroir sphérique concave (1) et la lentille convergente (3) constituent le déport du miroir gauche du résonateur.Le système catadioptrique composé du miroir sphérique concave(6) et de la lentille convergente (7) constitue le déport du miroir droit du résonateur. Selon des modes particuliers de réalisation des résonateurs en anneau, associant lentilles, miroirs plans et sphériques, la Figure 6 présente une des nombreuses configurations composées de deux miroirs plans ml et m3, de deux miroirs sphériques concaves m2 et m4, de même rayon de courbure R, dont les foyers sont confondus, et de deux masques réciproques M et M' placés dans les plans focaux des miroirs. L'un des intérêts des résonateurs en anneau est d'offrir la possibilité d'écarter les masques M et M' des miroirs ou des autres composants. Dans l'exemple proposé, des optiques sphérocylindriques ne figurant pas sur le schéma doivent être disposées dans le résonateur afin de compenser l'astigmatisme des miroirs sphériques éclairés sous incidence oblique. La figure 7 présente un exemple de masques réciproques. Si le masque M constitue une ouverture carrée de côté a, la période des zéros du masque réciproque M' est successivement R/a et Af/a pour les deux schémas de la Figure 2 et g. AR/a pour les autres schémas de résonateurs avec grandissement transversal g. A représente la longueur d'onde. La position des masques n'est pas toujours critique, elle dépend de la forme et du volume des matériaux ou dispositifs qui composent les masques et de la taille relative du résonateur utilisé. Les lentilles convergentes présentées dans soutes les figures peuvent être exceptionnellement assimilées à un milieu amplificateur pompé optiquement au sein duquel un gradient de température est installé. Les résonateurs optiques à transformation de Fourier trouvent de nombreuses applications dans le domaine des lasers impulsionnels pour des fonctions Lidar et le traitement des matériaux ; dans le domaine des lasers continus ou pseudo-continus pour divers processus thermiques ou biologiques. REVENDICATIONS 1 Résonateurs optiques destinés à émettre un faisceau d'intensité homogène, centrosymétrique dans le champ proche et à divergence angulaire minimale limitée par la diffraction dans le champ lointain, caractérisés en ce qu'ils constituent deux espaces réciproques d'une transformation de Fourier, de façon à ce que chacune des distributions de champs complexes qui leurs sont associées r se retrouve identique à elle-même, en amplitude et en phase après un cycle de propagation dans les résonateurs. Des masques à symétrie centrale matérialisent les zéros des champs dans les espaces réciproques selon les types de distributions de faisceaux à contours convexes. 2 Résonateurs optiques selon la revendication 1 caractérisés en ce que la configuration associée soit confocale symétrique. Les miroirs sont, soit sphériques concaves de même rayon de courbure éloignés d'une distance égale au rayon de courbure ; soit plans et placés dans les plans focaux d'une lentille convergente. Les masques réciproques sont proches des miroirs ou y sont intégrés. 3 Résonateurs optiques selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la configuration retenue permettant d'éviter des concentrations d'énergie ou de faciliter la réalisation des masques, est une configuration à grandissement transversal qui utilise, soit une lentille convergente et des miroirs concaves, soit une lentille convergente et des miroirs convexes, soit une lentille divergente et des miroirs concaves. Les masques réciproques sont proches des miroirs ou y sont intégrés. 4 Résonateurs optiques selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la configuration retenue permettant de séparer les masques des miroirs, est une configuration d'optiques catadioptriques qui utilise un miroir concave et une lentille convergente, un miroir convexe et une lentille convergente, un miroir plan et une lentille convergente, pour réaliser le déport d'un des miroirs par rapport à un des masques. 5 Résonateurs optiques selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que toutes les configurations utilisables, quel que soit le nombre de composants les constituant, possèdent la propriété commune essentielle d'être réductibles à la configuration confocale symétrique dont chacun des deux miroirs équivalents se confond respectivement avec chacun des deux masques ou image des masques. 6 Résonateurs optiques selon les revendications 1 et 5 caractérisés en ce que la configuration est en anneau et utilise des miroirs plans ou sphériques associés ou non avec des lentilles. Cette configuration permet également d'écarter les masques des miroirs ou des autres composants. Des optiques sphérocylindriques disposées dans le résonateur compensent l'astigmatisme. Une configuration en anneau est composée de deux miroirs plans, de deux miroirs sphériques concaves de même rayon de courbure, dont les foyers sont confondus et de deux masques réciproques placés dans les plans focaux des miroirs sphériques. 7 Résonateurs optiques selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que les masques réciproques sont opaques, déphasants, diffusants, partiellement transparents, biréfringents ; composés de toutes sortes de matériaux, y compris des matériaux électrooptiques et agencés dans une symétrie centrale. Ces masques ont des positions qui ne sont pas toujours critiques et qui varient selon la forme et le volume relatifs des masques vis à vis de la taille du résonateur utilisé. L'ouverture carrée de côté a d'un masque s'associe au masque réciproque périodique dont les zéros sont distants de AR/a où A est la longueur d'onde et R est le rayon de courbure des miroirs du résonateur confocal symétrique réduit à sa forme la plus simple. 8 Résonateurs optiques selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que les lentilles convergentes des configurations peuvent être assimilées à un milieu amplificateur pompé optiquement au sein duquel un gradient de température est installé.