Brevet FR2736762A1 — publié le 19970117

SYSTEME DE CONTROLE DE FAISCEAU LASER L'invention concerne un système de contrôle de faisceau laser et notamment un système de contrôle à commande neuronale. II s'agit de régler la cavité d'un laser de façon à obtenir un front d'onde du faisceau laser approprié. L'application principale de ce type de système de contrôle concerne toutes les applications utilisant les lasers, pour lesquelles la conservation des qualités du faisceau en sortie est importante (conservation du maximum de puissance dans le mode fondamental et stabilisation du pointé). La stabilisation des propriétés de l'onde optique issue d'un système laser est un processus fortement non linéaire et difficilement modélisable, c'est pourquoi l'invention repose sur l'utilisation d'un contrôleur neuronal auquel on fait apprendre la fonction à contrôler. Les techniques existantes de contrôle des lasers sont toutes adaptées à un type de laser particulier et à un contrôle de paramètres donnés. L'invention a pour objet un système de contrôle universel permettant le contrôle de la qualité de l'onde de sortie de tout système laser. Ainsi, pour contrôler un laser bimode, dont les deux modes sont polarisés orthogonalement, plusieurs solutions existent, chacune nécessitant une modification substantielle du laser. Une de ces méthodes consiste à analyser la puissance de sortie pour chaque mode grâce à deux détecteurs analysant chacun une des deux polarisations. Le signal de différence entre ces deux puissances est utilisé pour contrôler la température du barreau ou du tube laser au moyen d'un élément chauffant. Cela est décrit dans le document "Modification of inexpensive multimode lasers to produce a stabilized single frequency beam", Scott K. Gordon et al, Applied Optics, 1974, vol 13, pp. 231. Le document "Stabilization of intemal mirror He-Ne lasers" Ci Ling Pang et al, Applieds Optics, Vol 25, N" 13, 1986, pp. 2126-2129 ne comporte qu'un seul détecteur et agit sur la température du laser. Pour les lasers multimodes, une autre technique consiste à utiliser la fréquence de battement entre deux modes orthogonaux pour la boucle de stabilisation, la génération de cette fréquence de battement différant d'un système à l'autre. Pour ces méthodes, comme pour les précédentes, il est possible de trouver un grand nombre d'actionneurs tels que sources thermiques, modification du courant de décharge, extension de la cavité laser par un élément piézoélectrique (voir document "Use of the beat frequency between two modes for frequency stabilization on internal mirror lasers" P. Zemacek et al, Applied Optics, 1994, Vol 3, p. 6333). Les différentes méthodes précédentes ont principalement été mises en oeuvre pour des lasers multimodes continus et ont aussi été utilisées pour contrôler la longueur d'onde de ce type de laser. La mesure de la qualité de l'onde issue d'un laser impulsionnel peut être effectuée au moyen d'une technique dite de "Z-scan". Le Z-scan permet l'étude des susceptibilités non linéaires des matériaux optiques. On utilise, dans notre cas, les propriétés optiques d'un matériau pour obtenir une information sur la qualité spatiale des impulsions. On applique à un miroir une tension de commande proportionnelle à la différence entre la valeur mesurée et une valeur continue correspondant au profil d'onde désiré (voir "Beam quality measurement of lasers pulses by non-linear optical techniques" A. Agnesi et al, Optics Letters, Vol 17, 1993, p. 1764). Pour la stabilisation du pointé en sortie d'un laser, on utilise généralement le signal fourni par un détecteur quatre quadrants. Ce signal nous donne une information sur la direction de modification de pointé, et ainsi sur le déplacement nécessaire à un actionneur de type piézo pour la compenser. L'invention concerne un système applicable à tout type de laser et permettant de régler ou corriger les différentes caractéristiques du faisceau laser émis (forme de front d'onde, direction du pointé). L'invention concerne donc un système de contrôle de faisceau laser caractérisé en ce qu'il comporte: - un laser à miroir de cavité réglable par un dispositif de commande et émettant un faisceau laser; - un premier dispositif de détection détectant les caractéristiques du faisceau laser; - un dispositif de réduction d'informations fournies par le dispositif de détection; - un dispositif neuronal d'identification des caractéristiques fournies par le dispositif de réduction d'informations et fournissant un signal de commande du dispositif. De plus, un dispositif de traitement optique peut être associé au laser. Dans ce cas, le système de l'invention comporte: - un dispositif de traitement recevant le faisceau laser et émettant un faisceau optique traité - un deuxième dispositif de détection détectant les caractéristiques du faisceau optique traité et fournissant ces caractéristiques au dispositif de réduction d'informations. Le premier et le deuxième dispositifs de détection comportent: - un système optique recevant le faisceau laser ou le faisceau optique traité et fournissant un faisceau étendu; - un dispositif de détection matriciel d'intensité lumineuse recevant le faisceau étendu; - un-circuit électrique de lecture du dispositif de détection matriciel. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation du système de contrôle de faisceau laser selon l'invention; - la figure 2, un exemple d'application de l'invention à un système optique émettant un faisceau laser; - la figure 3, une variante de réalisation du système de la figure 2; - la figure 4, un exemple de réalisation du dispositif de détection des figures 1 à 3; - les figures 5a et 5b, des exemples de front d'ondes de sortie du système de l'invention. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire un exemple de réalisation simplifié du système de l'invention. Ce système comporte donc un laser 2 comprenant un élément actif laser 20 compris entre deux miroirs 6, 7 constituant la cavité du laser. Le miroir 6 peut être déplacé eVou orienté à l'aide d'un dispositif de commande 5. Par exemple, le miroir peut être articulé autour d'un axe et son orientation peut être commandée par un dispositif piézoélectrique 5. Le faisceau de sortie du laser est transmis à une lame séparatrice 8 qui prélève une partie du faisceau Fl vers un dispositif de détection 1 en vue d'analyser cette partie de faisceau Fl. Le dispositif de détection 1 détecte les caractéristiques du front d'onde du faisceau Fl. II fournit ainsi un ensemble d'informations caractérisant le front d'onde détecté. Ce dispositif de détection 1 peut être réalisé, comme cela est représenté en figure 4, à l'aide d'une optique 15 qui étend le faisceau F1. Un dispositif de détection à analyse matricielle 16 constitué d'une matrice de dispositifs de détection élémentaires reçoit le faisceau étendu F2. Un circuit de lecture 17 permet de lire les intensités lumineuses détectées à chaque instant par les différents détecteurs élémentaires. Ces intensités détectées constituent l'ensemble d'informations caractérisant le front d'onde. Selon le nombre de détecteurs élémentaires, L'ensemble d'informations contient un grand nombre d'informations qui est transmis à un dispositif de réduction d'informations lequel réalise une opération de réduction sur cet ensemble d'informations. A titre d'exemple, le dispositif de détection matriciel peut comporter 256 x 256 détecteurs élémentaires, ce qui fait 65 536 informations que le dispositif de réduction peut réduire à 500 coefficients par exemple. L'image du front d'onde détecté est ainsi appliquée à des moyens d'extraction de caractéristiques qui permettent de représenter la forme d'onde par un nombre réduit de coefficients. Ces coefficients sont appliqués à un dispositif neuronal 4 qui génère le signal de commande appliqué au dispositif de commande 5. Celuici, en fonction de la commande reçue, établit le fonctionnement correct du laser et permet ainsi de garantir la conservation des propriétés du faisceau durant l'utilisation du laser. Le dispositif neuronal 4 est un dispositif a apprentissage pour fournir un signal de commande en fonction du nombre de modes détectés, de leurs puissances et de leurs positions spatiales. A titre d'exemple, dans le cas de la figure 1, il n'y a qu'un seul dispositif de commande ou actionneur 5, et il peut être placé sur n'importe quel miroir 6 ou 7 de la cavité laser. Le profil de l'onde, en sortie du laser, se présente, aprés acquisition sous la forme d'une image. Le nombre de données, dans ce cas dépend directement de la taille de l'image et peut être très grand. L'application à cette image de polynomes orthogonaux ou de moments mathématiques va nous permettre de réduire considérablement le nombre de données nécessaires à une représentation fiable du profil d'onde. Le profil d'onde peut être tel que représenté en figure 5a et comporter plusieurs pics d'intensité ce qui correspond à une cavité laser désaccordée. Le système de l'invention permettra de rétablir l'accord de la cavité pour obtenir une forme d'onde telle que représentée en figure 5b et présentant un pic d'intensité nettement prédominant. De plus, le système de l'invention permet de corriger la directivité de l'onde par détection de la position du pic d'intensité. Une extension de cette invention peut être faite pour des applications comprenant un laser et des générateurs d'harmoniques (doubleur, tripleur ou oscillateur optique paramétrique) cascadés. En série sur le faisceau émis par le laser 2, un dispositif optique 9 (générateur d'harmoniques) traite le faisceau laser. Le contrôleur neuronal est utilisé pour stabiliser l'onde issue d'un système comprenant un laser 1 et un générateur d'harmoniques 2 comme le montre la figure 2. Deux détecteurs 1 et 11 permettent les acquisitions des profils de l'onde optique le long de la chaîne laser. Le dispositif d'extraction de caractéristiques 3 réalise un prétraitement diminuant le nombre de données nécessaires à la représentation de ces profils. Ces données sont appliquées au contrôleur neuronal 4 qui génère les consignes appliquées à l'actionneur 5. Ainsi le dispositif de détection 1 foumit une image du front d'onde du faisceau laser issu du laser 2. Cette image permet au dispositif d'extraction 3 et au dispositif neuronal 4 d'appliquer une première correction sur le dispositif de commande 5 du miroir 6. Le dispositif de détection 11 fournit une image du front d'onde du faisceau laser après traitement par le dispositif 9. Ce qui permet au dispositif d'extraction 3 et au dispositif neuronal 4 de commander l'orientation du dispositif optique 9 par rapport à la direction du faisceau venant du laser. La figure 3 représente une variante du dispositif de la figure 2 selon laquelle on ne prévoit qu'un seul dispositif de détection Il qui reçoit (à l'aide du séparateur 10) une partie du faisceau laser après traitement par le dispositif 9. L'image du front d'onde est fournie au dispositif d'extraction 3 et au dispositif neuronal 4. Celui-ci avec cette seule image corrige à la fois la position du miroir 6 et la position du dispositif optique 9. Selon un mode de fonctionnement préféré il corrige tout d'abord la position du miroir 6 puis celle du dispositif 9. La figure 5a représente un front d'onde présentant plusieurs pics de puissance et correspondant à une cavité laser mal réglée. Par contre la figure 5b représente un front d'onde provenant d'une cavité laser convenablement réglée et présentant donc un front d'onde nettement prédominant. Le système de l'invention présente les avantages suivants: - ce système permet à la fois la conservation du maximum de puissance selon le mode fondamental et la stabilisation du pointé; - mise en oeuvre de ce système ne nécessitant pas de modifications de la cavité laser; - principe de contrôle valable pour tous types de lasers (continus, impulsionnels, monomodes ou multimodes); - technique de contrôle extensible à des systèmes lasers plus complexes comprenant un laser et un ou plusieurs générateurs d'harmoniques (doubleur, tripleur, oscillateur paramétrique optique); - I'utilisation d'un contrôleur neuronal est motivée par le fait que la stabilisation des propriétés de l'onde issue d'un système laser est un processus fortement non linéaire et difficilement modélisable, rendant les méthodes de contrôle classiques inadaptées. REVENDICATIONS 1. Système de contrôle de faisceau laser caractérisé en ce qu'il comporte: - un laser (2) à miroir de cavité (6) réglable par un dispositif de commande (5) et émettant un faisceau laser; - un premier dispositif de détection (1) détectant les caractéristiques du faisceau laser; - un dispositif de réduction d'informations (3) fournies par le dispositif de détection; - un dispositif neuronal (4) d'identification des caractéristiques fournies par le dispositif de réduction d'informations et fournissant un signal de commande du dispositif (5). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande (5) est un actionneur permettant le déplacement ou la rotation d'un des miroirs (5) de la cavité du laser (2). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dispositif de détection (1) comporte un dispositif de séparation (8) de faisceau permettant d'extraire une partie du faisceau laser, un dispositif d'expansion du faisceau extrait, un dispositif de photographie du front d'onde du faisceau extrait et étendu. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif neuronal (4) d'identification est un dispositif à apprentissage. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également: - un dispositif de traitement (9) recevant le faisceau laser et émettant un faisceau optique traité; - un deuxième dispositif de détection (11) détectant les caractéristiques du faisceau optique traité et foumissant ces caractéristiques au dispositif de réduction d'informations. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, entre le laser et le premier dispositif de détection, un dispositif de traitement (9) recevant le faisceau laser et émettant un faisceau laser traité. 7. Système selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le dispositif de traitement (9) est un changeur de fréquence. 8. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif neuronal (4) a subi un apprentissage pour fournir un signal de commande en fonction du nombre de modes détectés, de leurs puissances respectives et de leurs positions spatiales. 9. Système selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que le premier et le deuxième dispositifs de détection comportent chacun: - un système optique (15) recevant le faisceau laser ou le faisceau optique traité (F1) et fournissant un faisceau étendu (F2); - un dispositif de détection matriciel (16) d'intensité lumineuse recevant le faisceau étendu (F2); - un circuit électrique de lecture (17) du dispositif de détection matriciel (16).