Brevet FR2784194A1 — publié le 20000407

DISPOSITIF D'IMAGERIE UTILISANT UN ENSEMBLE DE MICROLASERS ET PROCEDE DE FABRICATION DE CEUX-CI DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif d'imagerie utilisant un ensemble de microlasers et un procédé de fabrication de ceux-ci. Au sens de la présente invention, on entend par "microlaser" un laser ayant un matériau actif amplificateur solide, généralement sous la forme d'un cristal. Un tel laser doit être pompé par une source de lumière de pompage extérieure. L'invention s'applique à tout domaine o l'acquisition simultanée d'informations est importante comme par exemple l'instrumentation d'analyse médicale et le contrôle non destructif. Etat de la technique antérieure Des dispositifs de télémétrie cohérente utilisant un seul microlaser sont connus par les documents suivants: Demande de brevet français n 96 09227 du 23 juillet 1996 pour "Vélocimètre à laser à détection autodyne" Demande de brevet français n 97 03996 du 2 avril 1997 pour "Vélocimètre et télémètre laser utilisant une détection cohérente". Dans ces dispositifs, on utilise une auto- modulation de l'onde lumineuse au sein de la cavité du microlaser pour réaliser la fonction de mélange, par battement ou hétérodynage, des ondes émise et réfléchie. On profite de la compacité du microlaser mais surtout d'une amplification optique du processus d'interférence au sein de la cavité du microlaser, avec une résonance à la fréquence de relaxation dans cette cavité, fréquence qui est de l'ordre de 1 MHz. Ces spécificités d'amplification et d'interaction dans le volume du mode laser peuvent être mises à profit pour des mesures de distances (et des mesures de vitesses par effet Doppler) sur des cibles qui sont peu réfléchissantes. On peut également utiliser ces spécificités dans le domaine de l'analyse médicale, pour analyser des tissus vivants, ou dans le domaine du contrôle non destructif d'objets. Cependant, étant donné que l'on utilise un seul microlaser, il est nécessaire d'envoyer un grand nombre de fois le faisceau issu du microlaser vers la cible que l'on veut analyser. De ce fait, le temps d'acquisition des informations est important. Ceci présente un inconvénient surtout dans le domaine de l'analyse des tissus vivants. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précédent en proposant un dispositif d'imagerie permettant de réduire le temps d'acquisition des informations relatives à une cible étudiée, comme par exemple un tissu vivant ou une pièce mécanique, et utilise pour ce faire un ensemble de microlasers permettant l'acquisition simultanée d'informations concernant la cible. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'imagerie, caractérisé en ce qu'il comprend: - un ensemble de N microlasers, N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces microlasers étant prévus pour émettre respectivement N faisceaux lasers vers une cible et ayant sensiblement la même fréquence de relaxation du matériau laser à l'intérieur de leurs cavités, les fréquences optiques respectives d'émission des microlasers différant les unes des autres de plus de cette fréquence de relaxation, - des moyens de pompage optique des microlasers, - des moyens optiques prévus pour focaliser chaque faisceau laser en un point de la cible, la lumière issue de ce point étant renvoyée dans le microlaser qui a émis ce faisceau laser, engendrant ainsi un battement ou hétérodynage dans ce microlaser par interaction avec la lumière laser créée dans ce dernier, et - des moyens de photodétection des N battements respectivement engendrés dans les microlasers, ces moyens de photodétection étant aptes à fournir N signaux permettant la formation d'images relatives à la cible, chaque signal étant fonction du battement engendré dans un microlaser. Ce dispositif permet de faire N mesures à la fois, d'o la réduction du temps d'acquisition des informations. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les microlasers sont des lasers- puces ("microchip lasers"), qui sont réalisables de façon collective sur une même plaquette d'un matériau amplificateur laser. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ledit ensemble est une matrice ou une mosaïque de N microlasers. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, ledit ensemble est une barrette ou une rangée de N microlasers. Dans ce cas, le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens de déplacement relatif de la cible par rapport aux N faisceaux lasers issus de cette barrette ou de cette rangée. Ces moyens de déplacement relatif peuvent comprendre un moyen de déplacement de la cible ou un miroir mobile ou un système de balayage réalisé en technologie micro-opto-électro-mécanique ("micro-opto- electro-mechanical system" encore appelé "MOEMS"). Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens de déplacement des points de focalisation des faisceaux lasers parallèlement à l'axe optique des moyens optiques. De plus, ce dispositif peut comprendre en outre un modulateur acoustooptique prévu pour établir chaque battement à une fréquence proche de la fréquence de relaxation du matériau laser au sein de la cavité du microlaser o est formé ce battement. Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens de filtrage de la bande passante des moyens de photodétection pour accroître la sensibilité en décalage de fréquence. Le dispositif objet de l'invention peut aussi comprendre des moyens d'épanouissement des faisceaux lasers avant l'arrivée de ceux-ci au niveau des moyens optiques prévus pour focaliser ces faisceaux. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de l'ensemble de N microlasers du dispositif objet de l'invention, procédé dans lequel on forme les N microlasers à partir d'une plaquette d'un matériau amplificateur laser (par exemple YAG:Nd, verre Er+Yb) que l'on polit de façon que les faces de celle-ci présentent une inclinaison relative permettant d'obtenir les différentes fréquences optiques des microlasers et l'on grave cette plaquette pour former des cavités résonantes, " stables " au sens de l'optique, pour les microlasers. Au lieu de créer l'inclinaison relative, on peut aussi graver des motifs de profondeurs différentes (par exemple en créant des motifs de dimensions différentes) pour obtenir les différentes fréquences optiques des microlasers. Brève description des dessins La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1 et 2 sont des vues schématiques de modes de réalisation particuliers du dispositif objet de l'invention qui utilisent une barrette de microlasers, et - la figure 3 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier qui utilise une matrice de microlasers. Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers Le dispositif conforme à l'invention, qui est représenté schématiquement en perspective sur la figure 1, comprend une barrette 2 de N (N>2) microlasers 21, 22,..., 2N, ces microlasers étant prévus pour émettre respectivement N faisceaux lasers 31, 32,..., 3N vers une cible 4. Ces microlasers ont sensiblement la même fréquence de résonance et les fréquences optiques respectives d'émission des microlasers différent les unes des autres de plus de cette fréquence de résonance. On reviendra sur cette question par la suite. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi des moyens de pompage optique des microlasers. Dans l'exemple représenté ces moyens de pompage sont formés par une barrette 5 de N diodes lasers 51, 52,.., 5N qui permettent respectivement le pompage optique des microlasers 2i, 22, 7.., 2N par la tranche de la barrette 2 de microlasers. Le dispositif de la figure 1 comprend en outre des moyens optiques 6 prévus pour focaliser les faisceaux lasers 31, 32,.. 3N respectivement en des points 71, 72,..., 7N de la cible 4. Dans l'exemple représenté, on analyse les flux lumineux respectivement rétro-diffusés par ces points o sont focalisés les faisceaux lasers. Ainsi, les lumières respectivement rétro-diffusées par ces points 71, 72, ., 7N sont respectivement renvoyées à travers les moyens optiques 6, vers les microlasers 21, 22,..., 2N qui ont émis les faisceaux lasers 31, 32, 3N. Des battements ou hétérodynages optiques sont..DTD: ainsi engendrés dans ces microlasers. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi des moyens de photodétection des battements optiques respectivement engendrés dans les microlasers. Ces moyens de photodétection 8 sont formés par une barrette 8 de N photodiodes 81, 82,..., 8N placée en regard de la face de la barrette 2, face qui est opposée à celle par laquelle sont émis les faisceaux lasers 21, 22,... 2N. Ces photodiodes fournissent respectivement N signaux, chaque signal étant fonction du battement engendré dans un microlaser. On acquiert donc simultanément N informations au sujet de la cible 4. Des moyens de traitement appropriés 9 sont reliés à la barrette de photodiodes 8 et traitent les N signaux pour former des images relatives à la cible à partir des informations qu'ils ont reçues. De préférence, les N microlasers sont des lasers- puces que l'on peut facilement fabriquer de façon collective. Sur la figure 1, l'axe optique des moyens optiques 6 est noté Y. Les barrettes 2, 5 et 8 sont parallèles à un axe Z qui est perpendiculaire à l'axe Y. On voit aussi un axe X qui est perpendiculaire aux axes Y et Z. Au lieu d'utiliser une barrette de photodiodes placée en regard de la face-arrière de la barrette de microlasers 2, on peut utiliser un miroir (non représenté) placé à 45 du plan défini par les axes X et Z, en regard de la face-avant de cette barrette 2, pour détecter les lumières correspondant aux battements et issues de cette face-avant, par l'intermédiaire de ce miroir. Ce dernier est apte à laisser passer les faisceaux lasers émis par la barrette 2 et les lumières rétrodiffusées ("backscattered") par la cible et à réfléchir les lumières correspondant aux battements en direction d'une barrette de photodiodes (non représentée). De plus, on peut remplacer le pompage optique par la tranche de la barrette 2 par un pompage optique par la face-arrière de cette barrette 2, par l'intermédiaire d'un miroir (non représenté) placé en regard de cette face-arrière, à 45 du plan défini par les axes X et Z, ce miroir laissant passer les lumières correspondantes aux battements, pour que ces lumières parviennent à la barrette de photodiodes 8, et étant également capable de réfléchir les faisceaux émis par une barrette de diodes lasers (non représentée), en direction de la face-arrière de la barrette de microlasers 2 en vue du pompage optique de ces microlasers. Avec le dispositif de la figure 1, on est capable d'acquérir simultanémeht N informations au sujet de la cible. En vue d'acquérir à nouveau des informations, on30 peut munir le dispositif de moyens de déplacement ou balayage relatif des_ faisceaux 31, 32,..., 3" par rapport à la cible. Pour ce faire, on peut prévoir des moyens de déplacement de la cible 4 parallèlement au plan défini par les axes X et Z, ces moyens de déplacement étant symbolisés par la flèche 10 de la figure 1. La cible ainsi déplacée est capable d'occuper plusieurs positions successives et pour chaque position, on obtient N informations supplémentaires au sujet de la cible et l'on est donc capable de faire une analyse bidimensionnelle de cette cible. Remarquons que les points 71, 72,..., 7N sont dans un plan parallèle au plan défini par les axes Y et Z. Cette analyse bidimensionnelle peut être faite d'une autre manière: la cible peut être laissée fixe et l'on prévoit alors des moyens 12 placés entre la barrette de microlasers 2 et les moyens optiques 6, ces moyens 12 étant prévus pour dévier les N faisceaux lasers issus de la barrette 2, pour qu'ils balayent la cible 4 à travers ces moyens optiques 6. Ces moyens 12 peuvent comprendre un simple miroir du genre de ceux qui sont utilisés dans les galvanomètres, ce miroir étant disposé de façon à recevoir les faisceaux lasers et à envoyer ceux-ci vers la cible 4 à travers les moyens optiques 6. L'axe de rotation de ce miroir est alors parallèle à l'axe Z, et lorsque ce miroir tourne autour de son axe, les faisceaux lasers balayent la cible perpendiculairement à la barrette 2 et les points de focalisation décrivent des lignes B situées dans des plans parallèles au plan défini par les axes X et Y. Notons que dans ce cas, il faut bien entendu modifier la position de la cible et l'orientation des moyens optiques 6 par rapport à ce qui est représenté sur la figure 1. En particulier, l'axe Z n'est plus dans le plan de cette figure. On peut remplacer un tel miroir tournant par des déflecteurs réalisables par usinage du silicium, ces déflecteurs formant un système de balayage réalisé en technologie micro-opto-électro-mécanique encore appelé MOEMS. Le dispositif de la figure 1 peut comprendre en outre des moyens de déplacement symbolisés par la flèche 14 et destinés à déplacer les points de focalisation des faisceaux lasers, parallèlement à l'axe optique Y. Ces moyens 14 peuvent être de simples moyens de translation des moyens optiques 6 parallèlement à l'axe Y. L'adjonction de ces moyens 14 aux moyens 10 ou 12 permet de faire une analyse tridimensionnelle de la cible 4. Le dispositif de la figure 1 peut comprendre en outre un modulateur acousto-optique 16 prévu pour établir chaque battement à une fréquence proche de la fréquence de relaxation de la cavité résonante du microlaser o est formé ce battement. On profite ainsi d'une amplification optique maximale. Les moyens de commande de ce modulateur ne sont pas représentés sur la figure 1. Dans le cas o une information de vitesse est recherchée (par exemple pour un contraste d'écoulement sanguin dans le cas o la cible est un tissu vivant), il est possible d'ajuster la valeur de la fréquence de commande de ce modulateur 16. Ce modulateur est placé30 sur le trajet aller retour de la lumière, par exemple entre la barrette 2 de microlasers et les moyens optiques 6 (ou les moyens de déviation 12 lorsque ceux- ci sont utilisés). il Le dispositif de la figure 1 peut comprendre en outre des moyens 18 d'épanouissement des faisceaux lasers avant l'arrivée de ceux-ci aux moyens optiques 6. Ces moyens 18, que l'on place de préférence le plus près possible des microlasers, comprennent par exemple N microlentilles 181, 182,..., 18N respectivement placées en regard des microlasers 21, 22,..., 2N, du côté de la face-avant de la barrette 2, et prévues pour l'épanouissement des faisceaux lasers. La figure 2 est une vue de côté schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention permettant d'analyser les lumières transmises par la cible à partir des N points de focalisation (la cible étant alors au moins en partie transparente à ces lumières). Le dispositif de la figure 2 est constitué de la même façon que celui de la figure 1 mais comprend en outre un système optique qui peut comprendre des fibres optiques 20 et un miroir 22. Le nombre de fibres peut être différent du nombre de points. Il peut être quelconque. Ce miroir 22 est placé à 45 du plan défini par les axes X et Z, entre les moyens optiques 6 et la cible 4. De plus, ce miroir 22 est transparent aux faisceaux lasers émis par la barrette 2 et réfléchit vers les moyens optiques 6 les lumières transmises par la cible 4 et provenant respectivement des points 71, 72,..., 7N. Ces lumières sont respectivement récupérées par les fibres optiques 20 et réfléchies vers les moyens optiques 6 par l'intermédiaire du miroir 22, comme on le voit sur la figure 2, pour que ces lumières puissent pénétrer dans les microlasers correspondants 21, 22,... La figure 3 est une vue de côté schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention. Cet autre dispositif diffère de celui de la figure 1 par le fait que la barrette de microlasers 2 est remplacée par une matrice 24 de microlasers 241, 242,..., 24N (de préférence des lasers-puces). La barrette 5 de diodes lasers de pompage est également remplacée, dans le cas de la figure 3, par une matrice de diodes lasers 26 prévue pour le pompage optique des microlasers de la matrice 24 par l'intermédiaire d'un miroir 28 placé en regard de la face-arrière de la matrice 24, à 45 du plan défini par les axes X et Z, les colonnes de cette matrice étant dans ce cas parallèles à l'axe Z et les lignes de cette matrice parallèles à l'axe X, ces lignes étant elles- mêmes perpendiculaires aux colonnes. Ce miroir 28 réfléchit les faisceaux émis par les diodes lasers de la matrice 26 vers la face-arrière de la matrice 24 et laisse passer les lumières de battement engendrées dans les microlasers pour que ces lumières puissent être respectivement détectées par une matrice 30 de photodiodes disposée en regard de la face-arrière de la matrice 24. Cette matrice 30 fournit des signaux électriques qui peuvent être traités dans des moyens appropriés 31 pour obtenir une image relative à la cible. Dans le cas de la figure 3, on fait directement une analyse bidimensionnelle de la cible sans avoir à déplacer celle-ci ou à utiliser des moyens pour balayer cette cible par les faisceaux lasers 251, 252,..., 25N émis par la matrice 24- Il convient cependant de noter que l'utilisation d'une barrette de microlasers simplifie le dispositif (par rapport au cas de la figure 3) du fait de la réduction du nombre de voies en parallèle (N vaut typiquement de 100 à 1000 dans le cas des figures 1 et 2 d'o 100 à 1000 points de mesures simultanées alors que N est très supérieur à 1000 et vaut par exemple 10000 dans le cas de la figure 3) et du fait d'une possibilité de pompage optique plus simple des microlasers (pompage en ligne). On précise que dans le cas des figures 2 et 3, on peut encore utiliser le modulateur acousto-optique 16 et l'ensemble de micro-lentilles 181, 182,..., 18N. Comme on l'a déjà indiqué, les microlasers doivent avoir sensiblement la même fréquence de relaxation et les fréquences optiques respectives d'émission des microlasers doivent différer les unes des autres de plus de cette fréquence de relaxation. En effet, le principe de l'acquisition en parallèle est valable dans l'hypothèse o les fréquence optique émises par les microlasers différent les unes des autres (d'une très petite valeur en pratique). En effet, si les microlasers émettaient rigoureusement à la même longueur d'onde les photons issus des différents points de focalisation sur la cible pourraient interférer au sein de toutes les cavités des microlasers et engendrer des signaux de battement moyens. Il en résulterait un très faible contraste des images obtenues. Par contre, si toutes les longueurs d'onde émises diffèrent les unes des autres de telle façon que les fréquences optiques correspondant à ces longueurs d'onde différent les unes des autres de plus de la fréquence de relaxation des microlasers qui vaut par exemple 1 MHz, alors les signaux de battement "croisés" (correspondant aux photons issus de sources différentes) seront à des fréquences situées en dehors de la bande passante de l'amplification optique (de l'ordre de 100 kHz) et seront donc peu amplifiés. De plus ils peuvent être filtrés en limitant la bande passante des photodiodes (dans la limite des besoins, notamment pour l'obtention d'images lors d'une analyse utilisant l'effet Doppler). Pour obtenir des microlasers dont les fréquences optiques diffèrent légèrement les unes des autres comme on l'a vu plus haut, on fait en sorte que les longueurs des cavités des microlasers différent les unes des autres (dans le cas de la figure 1, elles diminuent du haut vers le bas de cette figure et il en est de même pour les longueurs d'onde d'émission des microlasers 21,22,..., 2N). Ceci est facilement réalisable avec le procédé de fabrication collective des lasers-puces. Il suffit de polir une plaquette de matériau laser dans laquelle on a fabriqué N lasers-puces pour que la face-avant de cette plaquette fasse avec la face-arrière de celle-ci un petit angle E de l'ordre de 1 milliradian. De préférence, après polissage de la plaquette, on y forme des calottes sphériques (cela revient à ajouter des miroirs qui, vus de l'extérieur, sont convexes) par gravure de la plaquette en matériau laser, pour avoir des cavités stables. Ceci est connu par le document suivant: Article de J.J. AUBERT, "Laser Focus", juin 1995, page Sll. La valeur de l'angle a est choisie pour obtenir les différentes souhaitées entre les longueurs d'onde (et donc les fréquences optiques) d'émission des microlasers. Au lieu de faire un polissage avec un angle, on peut graver les cavités lasers (cas de cavités stables par exemple) avec des motifs de profondeurs différentes. Les profondeurs des motifs sont également choisies pour obtenir les différences souhaitées entre les longueurs d'onde d'émission des lasers. Ces procédés sont adaptables à l'obtention d'une matrice de lasers-puces du genre de la matrice de la figure 3. L'invention trouve des applications dans le domaine médical par exemple pour l'analyse de la circulation sanguine-: dans ce cas, c'est le contraste de l'image lié au décalage de fréquences Doppler des signaux (dans la bande de gain ou non) qui est détecté. L'invention s'applique également à d'autres domaines, par exemple au domaine du contrôle non destructif de pièces mécaniques. Dans ce cas, on sollicite ces pièces mécaniques par une onde acoustique générée par ultrasons et on observe l'information de vitesse de vibration de la surface libre des pièces qui est visible par contraste Doppler comme précédemment. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'imagerie, caractérisé en ce qu'il comprend: - un ensemble (2, 24) de N microlasers, N étant un nombre entier au moins égal à 2, ces microlasers étant prévus pour émettre respectivement N faisceaux lasers vers une cible et ayant sensiblement la même fréquence de relaxation du matériau laser à l'intérieur de leurs cavités, les fréquences optiques respectives d'émission des microlasers différant les unes des autres de plus de cette fréquence de relaxation, - des moyens (5, 26) de pompage optique des microlasers, - des moyens optiques (6) prévus pour focaliser chaque faisceau laser en un point de la cible, la lumière issue de ce point étant renvoyée dans le microlaser qui a émis ce faisceau laser, engendrant ainsi un battement dans ce microlaser par interaction avec la lumière laser créée dans ce dernier, et - des moyens (8, 30) de photodétection des N battements respectivement engendrés dans les microlasers, ces moyens de photodétection étant aptes à fournir N signaux permettant la formation d'images relatives à la cible, chaque signal étant fonction du battement engendré dans un microlaser. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les microlasers sont des lasers-puces. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ledit ensemble est une matrice (24) de N microlasers. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ledit ensemble est une rangée (2) de N microlasers. 5. Dispositif selon la revendication 4, comprenant en outre des moyens (10, 12) de déplacement relatif de la cible par rapport aux N faisceaux lasers. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de déplacement relatif comprennent un moyen de déplacement de la cible ou un miroir mobile (12). 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de déplacement relatif comprennent un système de balayage réalisé en technologie micro-opto- électro-mécanique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre des moyens (14) de déplacement des points de focalisation des faisceaux lasers parallèlement à l'axe optique (Y) des moyens optiques (6). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre un modulateur acousto-optique (16) prévu pour établir chaque battement à une fréquence proche de la fréquence de relaxation du matériau laser dans la cavité du microlaser o est formé ce battement. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant en outre des moyens de filtrage de la bande passante des moyens de photodétection pour accroître la sensibilité en décalage de fréquence. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant en outre des moyens (18) d'épanouissement des faisceaux lasers avant l'arrivée de ceux-ci au niveau des moyens optiques (6) prévus pour focaliser ces faisceaux. 12. Procédé de fabrication de l'ensemble de N microlasers du dispositif selon la revendication 1, dans lequel on forme les N microlasers à partir d'une plaquette d'un matériau amplificateur laser que l'on polit de façon que les faces de celle-ci présentent une inclinaison relative (a) permettant d'obtenir les différentes fréquences optiques des microlasers et l'on grave cette plaquette pour former des cavités résonantes, stables au sens de l'optique, pour les microlasers. 13. Procédé de fabrication de l'ensemble de N microlasers du dispositif selon la revendication 1, dans lequel on forme les N microlasers à partir d'une plaquette d'un matériau amplificateur laser et l'on grave des motifs de profondeurs différentes pour obtenir les différentes fréquences optiques des microlasers.