Brevet FR2679386A1 — publié le 19930122

Un laser est essentiellement constitué d'un matériau amplificateur, généralement de forme allongée et fréquemment cylindrique, disposé entre deux miroirs. La lumière du laser décrit alors des allers et retours entre ces deux miroirs, en traversant le milieu amplificateur. Pour certains modes de fonctionnement du laser, divers éléments optiques (lentilles, diaphragmmes,...) sont intercalés sur le trajet de la lumière, entre l'amplificateur et les miroirs. Dans ces conditions, le fonctionnement optimum du laser nécessite que le matériau amplificateur ne perturbe pas la polaristation de la lumière qui le traverse. Or, en pratique, et surtout dans les lasers à hautes performances, l'amplificateur, fortement chauffé par le rayonnement direct des lampes servant au pompage, lorsque celui-ci fait appel à des lampes, l'est aussi, dans tous les cas (pompage par lampes, diodes lasers, ou par un autre laser) par les transitions non radiatives inhérentes au pompage des lasers. L'amplificateur, ainsi chauffé dans sa masse, ne peut être refroidi que par sa surface extérieure. La zone centrale est donc toujours plus chaude que celle-ci. Dans le cas fréquent où le matériau amplificateur revêt la forme d'un cylindre à base circulaire et même si l'emplacement de la ou des source(s) de "pompage" qui éclairent le barreau peut influer légèrement sur la répartition des températures internes, on constate qu'en général, dans un laser optimisé, celles-ci obéissent à une loi de répartition dont la variation, selon un rayon, présente un aspect parabolique (Fig. 1). Cette répartition de température provoque une dilatation du matériau, plus importante au centre qu'au bord. La zone interne se trouve donc en compression, avec sauf sur l'axe, un gradient orienté radialement, tandis que la zone périphérique est en tension. Ce gradient provoque, par effet photoélastique, deux phénomènes 1) une variation radiale de l'indice moyen, variation qui entraîne, pour des rayons cheminant initialement parallèlement à l'axe dans le barreau, une différence de marche entre ceux cheminant près de l'axe, et ceux cheminant près des bords, ce qui rend le barreau amplificateur équivalent à une lentille (convergente dans le cas du grenat yttrium-aluminium, YAG) 2) l'apparition en chaque point d'une biréfringence (si le matériau était initialement isotrope verre, YAG, etc...) ou d'une variation de biréfringence (si le matériau était déjà anisotrope : rubis...), dont les directions "principales" sont orientées selon les directions des contraintes principales. Le premier phénomène, effet de lentille de l'amplificateur, étant facile à compenser, le but de la présente invention est de créer un moyen de compenser le second phénomène, lié à la biréfringence. Elle a donc pour objet un dispositif compensateur de biréfringence dans un oscillateur ou amplificateur laser comprenant au moins un barreau amplificateur et des moyens de pompage du barreau amplificateur provoquant l'échauffement de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte disposé sur le parcours du faisceau lumineux traversant le barreau amplificateur un élément optique en un matériau biréfringent compensant pour chacun des rayons du faisceau, la biréfringence introduite par le matériau du barreau amplifiant la lumière. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et sur lesquels - la figure 1 est diagramme montrant la loi de répartition de la température dans un barreau amplificateur de section cylindrique en fonction de la distance à l'axe du barreau - la figure 2 est un schéma représentant les directions principales de la biréfringence en un point d'un barreau amplificateur subissant un échauffement - la figure 3 est un diagramme représentant la variation de la direction de la vibration lumineuse pour un rayon entrant en un point M du barreau ;; - la figure 4 est un diagramme illustrant l'aspect du vecteur polarisation dans l'ensemble d'une section déterminée d'un barreau amplificateur - la figure 5 est un diagramme représentant la réfraction d'un rayon entrant parallèlement à l'axe ZZ' d'un amplificateur; - la figure 6 est un diagramme représentant la réfraction d'un rayon entrant avec un angle avec l'axe ZZ' de l'amplificateur - la figure 7 est un diagramme représentant l'écart de marche DL entre composantes radiale et tangentielle d'un rayon situé à une distance r de l'axe du barreau - la figure 8 est un diagramme montrant la réfraction d'un rayon dans un cristal biréfringent d'axe ZZ' - la figure 9 est un schéma d'un dispositif compensateur de biréfringence suivant l'invention - la figure 10 est un schéma d'un autre mode de réalisation du dispositif compensateur de biréfringence; - la figure 11 est un schéma d'une variante du dispositif compensateur de biréfringence ; - la figure 12 est un schéma d'encore un autre mode de réalisation du dispositif compensateur de biré fringence à système optique intermédiaire suivant l'invention. En prenant comme exemple (non limitatif), le cas d'un matériau initialement isotrope, présentant la loi d'échauffement de révolution prise également comme exemple au début, les contraintes principales, et donc les directions principales de la biréfringence, seront orientées en chaque point M comme représenté à la Fig. 2, selon les directions radiale MR tangentielle MT et parallèle à l'axe ZZ' du cylindre. A cette biréfringence correspond une surface des indices formée (le corps étant supposé initialement isotrope) d'une sphère de rayon nO qu'on appelle l'indice "ordinaire" et d'un ellipsoïde de demi-axes, nO et ne, n, étant l'indice "extraordinaire". En fonctionnement dans un oscillateur ou amplificateur laser, le matériau, supposé par exemple cylindrique, est généralement parcouru dans le sens de la longueur par un faisceau lumineux sensiblement parallèle et de même axe que celui du cylindre. Dans ces conditions, comme représenté à la Fig. 3, un rayon traversant une section du cylindre en M, par exemple, verra deux indices selon l'orientation de sa polarisation E. Généralement la lumière cheminant dans le matériau doit être polarisée, soit pour le fonctionnement du laser (cas de la plupart des lasers déclenchés), soit pour son utilisation (si lton veut, par exemple, engendrer de la lumière harmonique). Tous les rayons lumineux cheminant le long du cylindre auront donc à l'entrée une même direction de vibration, par exemple parallèle à Y sur la Fig. 3, cette direction étant imposée par un polarisateur inséré dans le faisceau. Pour étudier sa propagation, une telle vibration E doit être décomposée selon les "directions principales" du milieu anisotrope, c'est-à-dire selon sa composante radiale Er et sa composante tangentielle ET. Ces deux composantes, en phase à l'entrée de l'amplificateur, se propagent à des vitesses différentes, caractérisées par les indices "radial" et "tangentiel", définis plus haut, et se recombinent en sortie pour engendrer en général une vibration elliptique E'. Dans la mesure où seule la composante de E' selon OY est "utile" pour l'amplificateur, ce phénomène se traduit par une moindre amplification pour le rayon considéré, le cas le plus défavorable étant celui où le retard introduit sur la composante la plus lente par rapport à l'autre atteint k/4, k étant la longueur d'onde de la lumière de fonctionnement de l'amplificateur. L'ellipse E' de la Fig. 3 est alors totalement aplatie et parallèle à OX, ce qui rend cette lumière inutilisable. Ensuite, à retard croissant de la composante "lente", le déphasage atteint k/2, ce qui aboutit à inverser la polarisation du rayon sortant, qui se trouve ainsi à nouveau dans la direction d'admission du polarisateur de sortie, etc.. On peut représenter l'aspect du vecteur polarisation dans l'ensemble d'une section déterminée, par exemple celle où la différence de marche maximum est W/4, ce qui conduit à la Fig. 4. Pour étudier plus précisément la propagation des rayons lumineux dans l'amplificateur, on se place dans le plan radial de M comme le montre la Fig. 5. La sphère et l'ellipsoïde décrits plus hauts seront recoupés par ce plan, qui est (par symétrie) un plan principal, selon un cercle Eo et une ellipse Ee, tangents selon la direction radiale (direction générale de symétrie des contraintes). Deux cas peuvent alors se présenter. Si le rayon incident i arrive parallèlement à ZZ', sa surface d'onde est perpendiculaire à ZZ'. Après traversée d'un interface hypothétique (I) (section droite du barreau passant par M), la surface d'onde reste parallèle à elle-même (car les surfaces d'ondes réfrac tées (Se) et (SO) sont normales à MUTEZ MT,, Te et To étant les intersections, avec Ee et E0, de la normale en M au plan (I). Les deux rayons réfractés, normaux en Te et To à Eo et Ee, sont donc confondus et dans le plan de la Fig. 5, qui est le plan méridien de M. Cela n'empêche pas que, selon la direction de la polarisation du rayon incident i, l'énergie réfractée se répartit différemment entre re et rO. Mais ces deux rayons restent confondus en direction. Si le rayon i n'est pas parallèle à l'axe ZZ' comme représenté à la Fig. 6, (par exemple, du fait du gradient thermique dans le barreau, qui entraîne, comme exposé au début, un effet de lentille convergente), ce rayon incident en M dans une section (I) du barreau, fait un petit angle i avec la normale. On fait l'hypothèse que i est dans un plan méridien de M. La surface d'onde associée (S) est alors perpendiculaire à ce plan méridien, pris comme plan de la Fig. 6. Si i coupe la sphère de rayon unite en U, les surfaces réfractées (S*) et (SO) seront perpendiculaires à MTe et MTO, Te et To étant l'intersection avec Eo et Ee de la normale à (I) passant par U. Cette normale et ses points de contact To et Te avec la sphère Eo et l'ellip- soïde Ee sont dans le plan méridien de M, et les rayons r0 et r. orientés selon les normales en T. et Te à Eo et E0, y sont aussi. On peut calculer l'écart angulaire dr entre r0 et re, et montrer que cet écart est dr = i(1/ne-1/nO), donc petit par rapport aux angles r et i. On calcule aussi que, par rapport à la différence de marche DL introduite par la différence des indices nO et ne caractérisant les rayons ordinaire et extraordinaire, même lorsque leurs trajets sont confondus, la différence de marche supplémentaire d(DL) due aux trajets différents r0 et re lorsque i n'est plus parallèle à l'axe du barreau est beaucoup plus petite que la précédente, et peut donc être négligée par rapport à elle. Si n est l'indice moyen du matériau, et e son épaisseur, on a en effet DL = e(ne-nO) et d (DL) = i dr = e i2 ((n0-n0)/n2] L'écart entre les indices ne et nO, biréfringence due à l'effet photoélastique en chaque point M, est proportionnel aux contraintes, et par suite à la température en ce point. Comme le montre la Fig. 7, la différence de marche DL obéit donc à une loi quadratique, partant d'un minimum au centre de chaque section, pour croître ensuite quadratiquement en fonction de OM. Les propriétés optiques d'un cylindre chauffé, qui viennent d'être décrites, sont très voisines de celles d'un matériau optique anisotrope dit "uniaxe", dont l'axe cristallographique serait confondu avec l'axe "ZZ') de symétrie de révolution du cylindre. Dans un tel matériau, la surface des indices en chaque point M se décompose en une sphère (Eo) et un ellipsoïde (Ee) tangents sur l'axe ZZ'. M étant un point de la face d'entrée d'une lame à face parallèle taillée dans un tel matériau, avec ses faces perpendiculaires à l'axe cristallographique, si une onde (S) correspondant à un rayon incident i faisant 1 ' angle i avec la normale arrive en M, et si on trace une figure telle que la Fig. 8 dans le plan d'incidence de i, les plans d'onde réfractés SO et Ee sont les plans perpendiculaires à MTo et MT où To et Te sont les intersections de (Eo) et (E,) avec la normale abaissée de U sur le plan de la face d'entrée.Les rayons réfractés r0 et re, orientés selon les normales en To et Te à (Eo) et (ex), ont des directions presque confondues tant que i est petit. Par contre, chacun achemine une polarisation déterminée (radiale pour re, tangentielle pour rO), qui se propagent à des vitesses différentes correspondant aux indices nO et n. Il en résulte entre eux une différence de marche DL qui est une fonction quadratique de i. La seule différence avec le cylindre chauffé est que dans celui-ci la différence de marche entre composante radiale et composante tangentielle en un point M, est une fonction quadratique de la distance de M au centre (Fig. 7), alors que dans un matériau uniaxe orienté comme indiqué plus haut, ce retard relatif, pour un rayon d'angle d'incidence i (petit), est une fonction quadratique de i. On peut donc envisager une compensation de la biréfringence dans un cylindre chauffé, à condition de faire correspondre à chaque distance OM = r dans le cylindre, une incidence i dans un matériau uniaxe approprié, que l'on appellera dans la suite, le "compensateur" ou le "cristal" car, en pratique, la plupart des matériaux naturellement uniaxes sont des cristaux. On remarquera que la biréfringence du cristal uniaxe provoque pour chaque rayon entrant (en provenance de l'amplificateur) sous l'incidence i l'apparition de deux rayons réfractés, tous deux dans le plan de symétrie passant par l'axe, si le rayon entrant s'y trouve. On a vu que l'écart géométrique entre ces rayons introduit une "différence de marche" d(DL) bien plus faible que DL, DL étant la différence "principale" due à l'existence de deux vitesses de propagation. Dans la plupart des cas pratiques de compensation, la biréfringence dans l'amplificateur n'exède pas notablement k car les biréfringences supérieures correspondent, par exemple dans un YAG, à des tensions dues à l'échauffement proches de la limite de rupture. Par conséquent, le compensateur sera construit pour que DL ait la valeur précédente, généralement de l'ordre de ou inférieur à k. Dans ces conditions, comme d(DL) DL, l'écart de phase entre le rayon "ordinaire" et le rayon "extraordinaire" correspondant à un même rayon entrant, reste négligeable. On peut aussi calculer que la distance entre les points de sortie du cristal des rayons "normal" et "extraordinaire", correspondant à un même rayon entrant, est négligeable par rapport à la distance initiale de ce rayon à l'axe. On peut donc considérer qu'il n'y a qu'un seul rayon sortant dont les deux composantes (axiale et radiale) sont déphasées l'une par rapport à l'autre, et le faisceau n' est donc pas, pratiquement, "dédoublé" de façon perceptible par son passage dans le matériau biréfringent. Dans ce qui suit, l'élément dénommé "matériau amplificateur" ou "amplificateur" pourra désigner aussi bien l'élément qui, introduit dans un résonateur optique permet à celui-ci d'entrer en oscillation pour constituer un oscillateur laser (ou "laser"), que l'élément qui, intercalé dans le faisceau lumineux émis par le dispositif précédent, permet de l'amplifier ("amplificateur laser" ou "amplificateur"). De même, sont dénommés I'"axe ou le "plan" de symétrie, l'axe ou le plan de symétrie de leurs propriétés optiques dans la zone traversée par le faisceau laser. Dans la pratique, le moyen le plus simple pour réaliser la compensation est d'intercaler le cristal uniaxe, orienté avec son axe cristallographique parallèle à l'axe de révolution du matériau amplificateur, dans le faisceau lumineux sortant de celui-ci, de telle sorte que les rayons le traversant, traversent également le cristal. Selon une disposition possible représentée à la Fig. 9, le matériau amplificateur 1 est un barreau présentant une symétrie de révolution et auquel est associée une source de lumière de pompage P. Un cristal par exemple en quartz ou en zircon est placé dans l'alignement du matériau amplificateur 1 sans l'interposition d'aucun élément optique, mais de telle sorte que son axe cristallographique A soit parallèle à la direction ZZ' de l'axe optique de l'amplificateur. Par parallélisme il faut entendre soit un parallélisme strict, soit le parallélisme résultant de la transposition par un dioptre par exemple obtenu par une légère inclinaison de la face d'entrée de l'élément compensateur, l'axe cristallographique A de l'élément compensateur étant alors orienté parallèlement à la direction de réfraction des rayons parallèles à ZZ'. Dans ces dispositions c'est la convergence ou la divergence "naturelle" du cylindre chauffé 1, convergence due au gradient d'indice, qui entraînera la compensation de biréfringence. Selon la variante de la Fig. 10, sur laquelle la source de pompage a été omise, si la convergence naturelle n'est pas suffisante pour obtenir des angles d'incidence i permettant la compensation, on peut donner à l'entrée du cristal compensateur une courbure appropriée, par exemple en forme de calotte sphérique, afin d'amener à l'intérieur les rayons lumineux à faire avec l'axe, l'angle r permettant la compensation. Cependant, une courbure de la face d'entrée du cristal amène à l'évidence une différence de parcours dans le cristal entre rayons cheminant à des distances différentes de l'axe. De ce fait, la loi de variation du retard de l'une des ondes par rapport à l'autre n'est plus exactement celle de la Fig. 7, et la compensation de biréfringence ne sera pas parfaite. Cependant, tant que la flèche de la calotte que constitue la face reste petite par rapport à l'épaisseur moyenne du matériau, on peut considérer que la compensation restera suffisante. Sinon, ou si la flèche cesse d'être petite par rapport à l'épaisseur, on peut imposer à l'autre face du matériau compensateur un profil permettant de maintenir la constance de l'épaisseur (par exemple sphérique si la première face l'est) comme l'illustre la Fig. 10, qui représente à titre d'exemple un barreau amplificateur 3 auquel est associé un cristal compensateur 4 dont l'axe cristallographique A est parallèle à l'axe optique ZZ' du barreau amplificateur 3 et dont les faces 5,6 sont en forme de calottes sphériques. Un cas particulier intéressant est celui où le matériau biréfringent constituant le compensateur est en même temps doté d'un pouvoir rotatoire, comme, par exemple, le quartz. Dans ce cas particulier, chaque rayon traversant le matériau voit sa direction de polarisation tourner d'un angle proportionnel au chemin optique parcouru, par exemple 7"5 par mm de chemin optique pour le quartz et pour la lumière de longueur d'onde 1,06 un. Pour des rayons faisant un angle faible avec l'axe cristallographique, ce phénomène se superpose à la biréfringence. Pour éviter qu'il modifie les polarisations des rayons après traversée du compensateur, condition nécessaire pour que celui puisse continuer à remplir sa fonction comme calculé, un premier moyen consiste à utiliser deux compensateurs accollés, formés de quartz "droit" et de quartz "gauche". Mais il est plus simple de n'utiliser qu'un seul cristal, dont on choisit l'épaisseur optique de façon que la rotation soit de k/2 ou d'un multiple de k/2, ce qui conduit à environ 24 mm et ses multiples. Selon une autre disposition possible, on intercale une lentille entre le cylindre amplificateur et le cristal, pour imposer à chaque rayon sortant à la distance r de l'axe du cylindre la déviation angulaire i (proportionnelle à r) nécessaire au compensateur. Selon une autre disposition possible, le cylindre amplificateur lui-même peut comporter au moins une face taillée en forme de lentille, généralement sphérique, pour imprimer aux rayons qui le traversent la déviation angulaire qui permettra la meilleure compensation de biréfringence par le cristal associé. D'autres dispositions possibles, faisant appel à des dispositifs optiques plus complexes, ou à d'autres moyens pour créer une biréfringence éventuellement adaptée à des milieux amplificateurs n' ayant pas la symétrie de révolution peuvent être mis en oeuvre. Ceuxci peuvent être compensés en inclinant l'axe optique du cristal uniaxe, ou en utilisant un cristal biaxe. Enfin, ces cristaux eux-mêmes pourraient être remplacés par un compensateur formé d'un matériau initialement optiquement isotrope, mais rendu biréfringent par l'application de contraintes mécaniques, thermiques ou électriques appropriées. Ce matériau peut être par exemple du verre, de la silice, du grenat yttrium-aluminium. A la Fig. 11 on a représenté un agencement comprenant un barreau amplificateur 7 sur le trajet du faisceau duquel est placé un compensateur 8 constitué par un cristal uniaxe d'axe cristallographique A incliné sur l'axe optique ZZ' du barreau 7. Cette disposition permet de compenser les biréfringences d'amplificateurs ne présentant pas la symétrie de révolution, à condition que ces biréfringences conservent un plan de symétrie. Le matériau biréfringent peut également être un corps "biaxe". A la Fig. 12 on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel, sur le trajet du faisceau lumineux d'un barreau amplificateur 9 est disposé un compensateur 10 constitué par un cristal d'axe cristallographique parallèle à l'axe du barreau 9, au moins un élément optique 11 étant en outre interposé entre le barreau 9 et le cristal 10. L'élément optique 11 peut être par exemple une lentille shérique ou cylindrique intercalée entre le barreau amplificateur 9 et le cristal 10. Selon une variante l'élément optique 11 qui adapte le matériau amplificateur 9 à l'élément correcteur 10 peut être rendu variable pour permettre la correction de la biréfringence d'amplificateurs fonctionnant à des puissances moyennes différentes, par exemple, à des cadences différentes. REVENDICATIONS 1. Dispositif compensateur de biréfringence dans un oscillateur ou amplificateur laser comprenant au moins un barreau amplificateur (1;3;7;9) et des moyens de pompage du barreau amplificateur, provoquant l'échauffement de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte disposé sur le parcours du faisceau lumineux traversant le barreau amplificateur un élément optique (2;4;8;10) en un matériau biréfringent compensant pour chacun des rayons du faisceau, la biréfringence introduite par le matériau du barreau amplifiant la lumière. 2. Dispositif compensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un barreau amplificateur (1;3;9) présentant une symétrie de révolution, l'élément optique compensateur (2;4;10) est un cristal uniaxe dont l'axe cristallographique (A) est disposé parallèlement à l'axe de l'amplificateur. 3. Dispositif compensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément optique biréfringent est un corps uniaxe (8) dont l'axe cristallographique (A) est incliné par rapport à l'axe optique dudit au moins un barreau amplificateur (7). 4. Dispositif compensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément biréfringent est réalisé en un corps biaxe. 5. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément biréfringent est constitué en au moins un matériau biréfringent doué de pouvoir rotatoire et son épaisseur est ajustée pour que la polarisation des ondes qui y cheminent subisse une rotation déterminée. 6. Dispositif compensateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément biréfringent est formé de deux matériaux de pouvoirs rotatoires égaux mais de sens opposés. 7. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément biréfringent est réalisé en un matériau initialement isotrope rendu biréfringent par l'application d'une contrainte mécanique, thermique ou électrique appropriée. 8. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément biréfringent est usiné de façon à présenter à l'entrée et à la sortie du faisceau lumineux des faces soit planes, soit ayant une courbure appropriée, généralement sphérique, pour amener la convergence ou la divergence du faisceau dans le matériau biréfringent de l'élément compensateur à une valeur permettant la compensation voulue de la biréfringence du barreau amplificateur. 9. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau amplificateur, auquel est associé l'élément compensateur, est usiné de telle sorte que l'une ou les deux faces traversées par le faisceau présentent une courbure appropriée généralement sphérique, destinée à amener la divergence du faisceau à une valeur permettant la meilleure compensation de biréfringence. 10. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins un élément optique (11) approprié est intercalé entre le barreau amplificateur (9) et l'élément biréfringent (10), dans le but de mieux adapter la biréfringence corrective à celle apparaissant dans l'amplificateur. 11. Dispositif compensateur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément optique (11) d'adaptation du matériau amplificateur (9) à l'élément correcteur (10) est rendu variable, pour permettre la correction de la biréfringence d'amplificateurs fonctionnant à des puissances moyennes différentes par exemple, à des cedences différentes. 12. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau de l'élément optique compensateur (2;4;8;10) est du quartz ou du zircon. 13. Dispositif compensateur suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau biréfringent est du quartz. 14. Dispositif compensateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau de l'élément optique correcteur est du verre, de la silice, du grenat yttrium-aluminium.