Brevet FR2756110A1 — publié le 19980522

OSCILLATEUR OPTIQUE A AGILITE DE POINTAGE ET SOURCE LASER UTILISANT CET OSCILLATEUR OPTIQUE Le domaine de l'invention est celui des sources laser et plus particulièrement celui des sources laser à agilité de pointage permettant de délivrer un faisceau laser dont la direction peut être ajustée par rapport à l'axe optique de la cavité laser dont il est issu. Ce type de source optique à agilité de pointage peut être particulièrement intéressant dans le domaine de l'automobile et plus généralement de la télémétrie. Actuellement, on utilise des moyens extracavité type déflecteur acoustooptique ou miroir galvanométrique pour dévier un faisceau laser. La figure 1 montre un exemple d'oscillateur optique délivrant un faisceau de lumière Ip à partir d'un milieu laser pompé optiquement. Un milieu laser 1 est pompé par une source de pompage optique transverse 2, le milieu laser étant placé entre deux miroirs 3 et 4, le miroir 3 présentant un coefficient de réflexion maximum à la longueur d'onde du faisceau Ip, le miroir 4 présentant un coefficient de réflexion plus faible à ladite longueur d'onde du faisceau Ip. En sortie de la cavité de l'oscillateur un dispositif de type modulateur acoustooptique permet de défléchir le faisceau laser Ip dans une direction donnée par une commande en tension et en fréquence de modulation on peut régler le pas du réseau de diffraction ainsi créé et par làmême l'angle de déflexion du faisceau Ip. Ce type de dispositif utilisant un déflecteur acoustooptique ne permet de délivrer qu'un unique faisceau laser dévié selon une direction ou dans un plan. L'invention propose une nouvelle architecture d'oscillateur optique dans lequel on utilise des moyens de déflexion intracavité. II s'agit plus précisément de modulateur spatial de lumière dont la position de la surface transparente au faisceau laser Ip créé dans la cavité, peut être réglée par rapport à l'axe optique de la cavité laser. Plus précisément, I'invention a pour objet un oscillateur optique comprenant une cavité laser définie par un milieu laser émettant un faisceau de lumière Ip, des moyens de pompage optique dudit milieu laser et des moyens de renvoi dudit faisceau de lumière Ip, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur spatial de lumière dans la cavité laser, sur le chemin optique du faisceau de lumière Ip, de manière à faire varier la direction dudit faisceau de lumière Ip par rapport à la normale au plan dudit modulateur spatial de lumière, en réglant la position de la surface transparente au faisceau laser Ip du modulateur spatial de lumière. De manière préférentielle, le pompage optique est un pompage longitudinal par rapport à l'axe de la cavité. Le modulateur spatial de lumière comprend des surfaces élémentaires dont la transparence au faisceau Ip peut être commandée par des moyens appropriés notamment électriques. L'étendue du faisceau Ip créée dans la cavité, au niveau du modulateur spatial de lumière est au moins de l'ordre de grandeur de plusieurs surfaces élémentaires dudit modulateur. En sélectionnant la transparence d'une partie seulement du modulateur, il est possible de contraindre l'oscillateur à émettre dans une direction privilégiée. En rendant simultanément plusieurs régions transparentes, I'oscillateur selon l'invention peut émettre simultanément plusieurs faisceaux lasers dans des directions différentes. L'invention a aussi pour objet une source optique de puissance, comprenant un oscillateur optique selon l'invention, une série de modules amplificateurs et un miroir à conjugaison de phase, de manière à constituer une source compacte pouvant être rendue miniature et à agilité de pointage rapide. Avantageusement, la source optique de puissance comprend une série de lentilles qui imagent le centre de rotation du faisceau Ip issu d'un module amplificateur dans le module amplificateur suivant. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un oscillateur optique selon l'art connu - la figure 2 illustre un premier exemple d'oscillateur optique selon l'invention; - la figure 3 illustre un second exemple d'oscillateur optique selon l'invention, utilisant des moyens de pompage longitudinaux et transversaux du milieu laser; - la figure 4 illustre l'évolution des rayons des modes Wg (créé dans le milieu actif) et W2 de sortie ou W1 en fond de cavité, en fonction de la distance z séparant les miroirs de fond de cavité et de sortie; - la figure 5 illustre un exemple d'oscillateur optique comprenant un milieu laser possédant un fond de cavité concave; - la figure 6 illustre un exemple de source laser de puissance selon l'invention, comprenant un oscillateur optique de l'invention, une série de modules amplificateurs et un miroir à conjugaison de phase. L'oscillateur optique selon l'invention comprend un milieu laser pompé optiquement, des moyens de renvoi de manière à constituer une cavité laser et un modulateur spatial de lumière, intégré à la cavité laser. La figure 2 illustre une variante de l'invention comprenant une cavité laser repliée. Plus précisément, elle est constituée par un milieu laser 11 présentant un miroir de fond de cavité 10, un miroir 13 unique, une source de pompage optique 12 assurant un pompage longitudinal du milieu laser 11, grâce à une optique de couplage 16. Le milieu laser est de préférence de petites dimensions (épaisseur inférieure au cm, dans la direction de pompage optique) et présente un fort coefficient d'absorption à la longueur d'onde de pompage de manière à fournir un gain d'amplification élevé. L'intérêt du pompage longitudinal réside dans la grande ouverture angulaire du faisceau laser Ip, comparativement à un pompage optique transversal. En effet avec le pompage longitudinal on parvient à une ouverture angulaire de l'ordre de + 20O pour un milieu d'1 cm d'épaisseur, alors que typiquement un barreau Nd:YAG dont la longueur est de 10 cm présente une ouverture angulaire limitée à 1 ou 2 degrés selon un pompage transversal tel que celui illustré en figure 1. L'étendue du faisceau laser Ip généré en sortie de milieu laser 11 peut typiquement être de l'ordre d'une centaine de microns. La cavité laser ainsi constituée présente un modulateur spatial 15 dont la surface est irradiée par le faisceau laser Ip. Ce modulateur spatial de lumière peut avantageusement être une matrice active à cristal liquide couplée à un polariseur 17. En activant une partie seulement de la matrice active de manière à la rendre transparente au faisceau laser Ip, on peut sélectionner une direction D du faisceau laser Ip comme indiquée sur la figure 2. On choisit par là-même un mode spatial de la cavité laser capable de satisfaire à la condition d'émission laser. Une optique de couplage 16 assure la focalisation du faisceau de pompage optique dans le milieu actif. Le changement de direction D peut être obtenu rapidement en adressant différemment la matrice active à cristal liquide. De même, il est possible de générer plusieurs faisceaux laser en sélectionnant simultanément plusieurs surfaces transparentes au niveau de ladite matrice active. Selon une variante de l'invention l'oscillateur optique peut comprendre à la fois un pompage longitudinal et un pompage transversal du milieu laser, comme illustré en figure 3, de manière à amplifier davantage le faisceau laser Ip créé dans la cavité. Dans ce cas, le milieu laser peut avantageusement présenter une géométrie conique tronquée, ou de type pyramide tronquée. Dans l'exemple d'oscillateur optique illustré en figure 3, un seul moyen de pompage optique transversal 17 est représenté, il est néanmoins possible de disposer d'autres moyens de pompage optique à la périphérie du milieu laser. II est à noter que dans le cas d'une cavité laser repliée un unique miroir 13 peut être utilisé. La surface dudit miroir présente localement des propriétés différentes vis-à-vis du faisceau laser Ip. Au moins une partie de la surface du miroir présente un coefficient de réflexion maximale à la longueur d'onde du faisceau Ip, une autre partie de la surface étant semiréfléchissante vis-à-vis dudit faisceau. A titre d'exemple la figure 4 illustre l'évolution des rayons de mode sur les miroirs de fond de cavité (rayon W1) et de sortie (rayon W2) qui sont identiques par la symétrie de la cavité et la valeur du rayon du mode dans le milieu actif. Cette évolution est donnée en fonction de la distance z séparant les deux miroirs et pour un rayon de courbure du miroir 13 de 10 cm. Typiquement pour une distance totale z = 10 cm, nous obtenons un rayon de mode de 184 pm sur le miroir 13 et un paramètre de mode Wg avoisinant 120 um dans le milieu laser. En prenant un pixel élémentaire par voie électrique de rayon 2 x W1 (ou 2 x W2), afin de minimiser les pertes on détermine la taille d'un élément du modulateur spatial permettant de contrôler l'émission. Dans ce cas, la surface à activer est de 4art12, soit 4,2 10-3cm2. Cette cavité semiconcentrique est en limite de stabilité. La déviation angulaire est déterminée par la taille d'un pixel élémentaire pouvant être activé mais également par l'ouverture offerte par le milieu laser. Ainsi le champ offert est d'autant plus grand que l'épaisseur du milieu actif est faible. Selon un exemple de réalisation, les moyens de pompage optique sont des diodes laser1 pouvant être couplées au milieu laser par des fibres multimodes permettant de découpler thermiquement les diodes laser et le milieu laser. Le milieu laser peut être du type Nd:YV04 ou Nd:YAG présentant un fort coefficient d'absorption au voisinage 0,808 pm, ou utiliser d'autres ions terres rares insérés dans des matrices cristallines par exemple l'Erbium (il peut typiquement s'agir d'une pastille d'1 cm de diamètre et d'épaisseur voisine de 2 mm). II est à noter que le matériau YV04 dopé néodyme présente la caractéristique d'avoir un coefficient d'absorption à la longueur d'onde de pompe élevé, ainsi qu'une forte section efficace d'émission laser. Par ailleurs, son émission est naturellement polarisée ce qui la rend compatible avec l'emploi d'un modulateur spatial de type cristaux liquides. Selon une autre configuration possible, le milieu laser peut également comprendre un miroir de fond de cavité concave réalisé sur le milieu laser, comme illustré en figure 5. La matrice cristal liquide à adressage électrique matriciel peut être constituée d'un matériau type cristal liquide nématique présentant un temps de réponse (pour basculer d'un état optique à un autre état optique), de l'ordre d'une dizaine de millisecondes. Il peut également s'agir d'un cristal liquide ferroélectrique présentant un temps de réponse plus court voisin d'une dizaine de microsecondes. La matrice peut comporter typiquement 100 x 100 à 512 x 512 pixels, les dimensions d'un pixel étant de l'ordre de 10 pm. L'oscillateur selon l'invention peut avantageusement être intégré dans une source laser de forte puissance. Comme l'illustre la figure 4, I'oscillateur 20 délivre une puissance de l'ordre de quelques 10 microJoules, le faisceau ainsi délivré est amplifié dans une chaîne d'amplificateurs constitués de milieu laser pompés optiquement 21, 22 et 23. En sortie de cette chaîne, la source peut comprendre une cellule à conjugaison de phase 24 type cellule Brillouin pour compenser les effets de lentille thermique (divergence du faisceau laser, non désirée) dus au pompage des milieux laser provoquant un échauffement desdits milieux. Cette cellule à conjugaison de phase peut comprendre un milieu liquide de type SnCl4CCl4 ou un milieu gazeux SBS de type N2, CH4. La chaîne d'amplificateurs peut typiquement comprendre des modules à fort gain pompés par diode, de faible encombrement (de l'ordre du centimètre cube). Entre un amplificateur et un autre, un ensemble de lentilles 31, 32, 33 imagent le centre de rotation du faisceau dans l'amplificateur suivant. Une telle source optique peut ainsi délivrer un faisceau laser Ip d'une énergie de quelques 10 mJ à 100 mJ, selon une direction variable dans deux dimensions, cette direction pouvant être modifiée très rapidement (en une dizaine de microsecondes). La source possède une très bonne qualité de faisceau par conjugaison de phase et peut avantageusement être rendue compacte et miniature. REVENDICATIONS 1. Oscillateur optique comprenant une cavité laser définie par un milieu laser émettant un faisceau de lumière Ip, des moyens de pompage optique dudit milieu laser et des moyens de renvoi dudit faisceau de lumière Ip, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur spatial de lumière dans la cavité laser, sur le chemin optique du faisceau de lumière Ip, de manière à faire varier la direction dudit faisceau de lumière Ip par rapport à la normale au plan dudit modulateur spatial de lumière, en réglant la position de la surface transparente au faisceau laser Ip du modulateur spatial de lumière. 2. Oscillateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte un miroir concave, et des moyens de pompage optique longitudinaux, le milieu laser étant situé entre le miroir concave et les moyens de pompage, le modulateur spatial de lumière étant situé entre le miroir concave et le milieu laser. 3. Oscillateur optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de pompage optique longitudinaux et des moyens de pompage optique transversaux. 4. Oscillateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu laser présente une géométrie de type conique ou pyramidale tronquée. 5. Source optique de puissance comprenant un oscillateur optique selon l'une des revendications 1 à 4, une série de modules amplificateurs et une cellule à conjugaison de phase. 6. Source optique de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle comprend une série de lentilles (31, 32, 33) qui imagent le centre de rotation du faisceau Ip issu d'un module amplificateur, dans le module amplificateur suivant.