Brevet FR2886478A1 — publié le 20061201

ETALON ANISOTROPE ACCORDABLE APPLIQUE A LA REALISATION D'UN LASER BI-FREQUENCE A GRANDE ACCORDABILITE Le domaine de l'invention est celui des lasers bi-fréquence à grande accordabilité. De manière générale, les sources laser émettant deux faisceaux de fréquences différentes trouvent des applications dans un grand nombre de domaines comme la génération et le transport de signaux électriques sur voie optique, la spectroscopie, la mesure de bande passante de composants optoélectroniques, la génération et la détection d'ondes dans le domaine TéraHertz et même le lidar. Certains de ces domaines mettent en jeu la détection du battement hétérodyne entre les deux faisceaux, et dans ce cas la qualité spectrale du battement généré est importante. On peut citer plusieurs architectures de sources laser délivrant deux fréquences. Parmi elles, les lasers bi-fréquence sont de bons candidats pour la réalisation de sources de battements de haute qualité spectrale. Le principe en est d'introduire un élément présentant une biréfringence linéaire dans une cavité laser classique comme illustré en figure 1. Plus précisément ce type de cavité laser comprend un milieu actif MA, un élément biréfringent BR et un étalon ETA, servant de filtre intracavité, et un coupleur de sortie CS. Dans ce cas, le laser oscille sur deux états propres de polarisation linéaires, dont l'écart de fréquence Av est lié au déphasage relatif 4 introduit par l'élément biréfringent BR à la longueur d'onde laser et à la longueur optique L de la cavité : Ov = c A(p où c est la célérité de la lumière dans le vide. L'étalon est introduit dans la cavité pour assurer un 25 fonctionnement monomode longitudinal sur chaque état de polarisation en jouant le rôle de filtre. L'intérêt du laser bifréquence est que les deux faisceaux partagent la même cavité optique et donc qu'une partie des perturbations que celle-ci subit n'induisent qu'au deuxième ordre un effet sur le battement. De plus, il est possible de séparer en polarisation les deux faisceaux émis ce qui présente un intérêt pour nombre d'applications. Enfin, la différence de fréquence est 27EL accordable en ajustant la valeur de la biréfringence, que ce soit, suivant le type de matériau biréfringent utilisé, mécaniquement, thermo-optiquement, ou électro-optiquement, dans ce dernier cas il est possible d'asservir en phase à une référence externe le battement généré (L. Morvan, D. Dolfi, J.P. Huignard, S. Blanc, M. Brunel, F. Bretenaker, M. Vallet, A. Le Floch, "Dual-frequency laser at 1.53 pm for generating high purity optically carried microwave signals up to 20 GHz", CLEO, paper CtuL5, San Francisco, 2004; M. Alouini, B. Benazet, M. Vallet, M. Brunel, P. Di Bin, F. Bretenaker, A. Le Floch and P. Thony, ( Offset phase locking of Er:Yb:Glass laser eigenstates for RF photonics applications , IEEE Photonics Technology Letters 13, 367-369, 2001). Cependant, dans un laser bifréquence mono-axe comme celui de la figure 1, la limite supérieure théorique à l'écart de fréquence est l'intervalle spectral libre de la cavité laser, et dans la pratique souvent la moitié de celui- Ci. La figure 2 illustre la courbe de transmission des modes de polarisation ordinaire et extraordinaire pour le mode longitudinal sélectionnés par l'étalon isotrope qui joue le rôle de filtre. En jouant sur l'élément biréfringent de la cavité il est possible d'éloigner les modes de polarisation ordinaire et extraordinaire, dans la limite de la transmission de l'étalon. Au maximum, on obtient un battement de deux modes dont l'écart en fréquence est limité par la valeur: Av = c / 4L, avec L longueur optique de la cavité laser. D'autres architectures de laser bi-fréquences ont alors été proposées qui permettent de dépasser cette limite et permettent des gammes en fréquence de battement plus large en utilisant des lasers bi-axes dans lesquels les deux états de polarisation sont séparés spatialement dans une partie de la cavité ; il est alors possible pour chacun de sélectionner un mode longitudinal particulier à l'aide de deux étalons ETA1 et ETA2 comme illustré en figure 3, pouvant utiliser deux éléments biréfringents BR1 et BR2. La sélection de la fréquence des états propres est faite indépendamment par I utilisation de deux étalons indépendants et dont les rotations peuvent être réglées de manière indépendante. L'écart maximal de fréquence est alors limité par la largeur de gain du milieu 35 actif utilisé. Cette technique a permis d'atteindre des écarts de fréquence dans le domaine THz (R. Czarny, M. Alouini, C. Larat, S. Dhillon, M. Krakowski, S. Bansropun, V. Ortiz, C. Sirtori, B. Gerard, D. Dolfi, "Continuous-wave THz generation through photomixing using a dualfrequency Yb3+:KGd(WO4)2 laser", Proc. SPIE, vol. 5619, 198, Optics and photonics for defense and security, Londres, 2004) Cependant, cette augmentation de l'accordabilité est obtenue au prix d'une complexification de la cavité, et le chemin optique parcouru par les faisceaux n'est plus le même (en particulier dans le milieu actif), ce qui diminue leur stabilité relative en fréquence et donc la stabilité en fréquence du signal de battement obtenu par détection sur une photodiode rapide. Dans ce contexte la présente invention propose un nouvel étalon permettant de conserver l'architecture mono-axe, tout en dépassant la limite usuelle d'accordabilité de celle-ci, c'est à dire en disposant d'une gamme en fréquence de battement plus grande. Plus précisément l'invention a pour objet un étalon accordable électriquement et destiné à être utilisé dans une cavité laser bifréquence caractérisé en ce qu'il comprend une structure en matériau électro-optique dont l'anisotropie optique est commandable électriquement, ladite structure comportant des surfaces partiellement réfléchissantes et au moins une paire d'électrodes permettant de sélectionner, de manière indépendante, deux modes longitudinaux différents suivant les polarisations ordinaire et extraordinaire traversant ladite structure. Avantageusement le matériau électro-optique présente une anisotropie nulle hors champ électrique. Selon une variante avantageuse, le matériau électrooptique est une céramique de type Pbi,Lax(ZryTiz)1_yi4O3, avec x = 0,095, y= 0,65 et z= 0, 35 Avantageusement la structure est une lame, dans laquelle sont intégrées les électrodes, de manière à présenter un plan d'électrodes 30 perpendiculaire au plan de la lame. Selon une variante de l'invention, la structure peut comprendre plusieurs tranches de matériau dans lesquelles sont réalisées les paires d'électrodes. Typiquement il peut s'agir d'un empilement de plusieurs lames 35 comportant chacune une paire d'électrodes. Selon une autre variante de l'invention, la structure en matériau électrooptique comprend dans une même tranche une série d'au moins deux paires d'électrodes de manière à pouvoir ajuster l'axe de l'anisotropie du matériau électrooptique. L'invention a aussi pour objet un laser bi-spectral comportant un milieu actif et un coupleur de sortie définissant une cavité laser, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un étalon selon l'invention. Avantageusement l'étalon est une lame ou un empilement de lames, située(s) dans un plan faisant un angle faible ou nul par rapport à un 10 plan perpendiculaire à l'axe de la cavité laser. Avantageusement l'étalon est couplé à des moyens permettant d'en assurer la rotation de manière à pouvoir ajuster ledit angle entre le plan de la ou des lames avec le plan perpendiculaire à l'axe de la cavité laser. Avantageusement les faces extérieures de la ou des lames sont partiellement réfléchissantes. Avantageusement le laser selon l'invention peut également comprendre au sein de sa cavité un second élément de type étalon présentant des faces faiblement réfléchissantes de manière à pouvoir ajuster plus finement les fréquences de battement. Selon une variante de l'invention, le second élément de type étalon peut typiquement être accolé au milieu actif. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 25 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un premier exemple de laser bi-fréquence de l'art antérieur comportant un élément biréfringent et un étalon - la figure 2 illustre les modes longitudinaux de polarisation ordinaire et extraordinaire et la courbe de transmission associée aux dits modes dans l'exemple de laser illustré en figure 1 la figure 3 illustre un second exemple de laser bi-fréquence selon l'art antérieur comprenant la séparation spatiale des modes de polarisation ordinaire et extraordinaire avec la présence de deux étalons indépendants. la figure 4 illustre les modes longitudinaux de polarisation ordinaire et extraordinaire et les courbes de transmission différentes desdits modes dans un laser selon l'invention et comportant un étalon anisotrope. la figure 5 illustre un exemple de réalisation d'un étalon selon l'invention comportant des électrodes enterrées. la figure 6 illustre un exemple de laser bi-fréquence selon l'invention comportant un étalon anisotrope selon l'invention. - la figure 7 illustre un mode de réalisation d'un exemple de structure étalon selon l'invention. la figure 8 illustre un exemple de laser bi-fréquence comprenant un étalon selon l'invention dont la sélectivité est notamment réglée par des moyens permettant de faire pivoter ledit étalon. - La figure 9 illustre les écarts en fréquence entre modes de polarisation ordinaire et extraordinaire, en fonction de la tension appliquée aux bornes des électrodes de la structure de l'étalon. La figure 10 illustre une variante de laser bi-fréquence selon l'invention comportant un second élément étalon, présentant des faces antireflet et permettant de faire varier finement la fréquence de battement entre deux modes de polarisations différentes. - La figure 11 illustre les modes longitudinaux de polarisation ordinaire et extraordinaire et les courbes de transmission desdits modes dans un laser selon l'invention et comportant un étalon anisotrope. La figure 12 illustre un exemple d'étalon selon l'invention comportant deux paires d'électrodes disposées dans des tranches différentes de matériau électro-optique et selon deux directions perpendiculaires de manière à élargir le domaine d'accordabilité du laser. La figure 13 illustre un exemple d'étalon selon l'invention, comportant plusieurs paires d'électrodes dans une même tranche de matériau permettant de régler l'orientation des axes propres de biréfringence du matériau électro-optique De manière générale, l'invention propose d'utiliser un étalon dont l'anisotropie peut être accordée électriquement. Le comportement d'un tel étalon et les performances qu'il permet d'atteindre sont illustrés grâce à la figure 4. En raison de l'anisotropie de l'étalon, les courbes de transmission et de fréquence sont décalées pour les deux modes de polarisation. En traits pleins est illustrée la courbe de transmission et le mode de polarisation ordinaire; en traits discontinus est illustrée la transmission et le mode de polarisation extraordinaire. Grâce à cette configuration, il devient possible de faire battre deux modes présentant un écart de fréquence nettement plus grand que celui de l'art antérieur qui était limité par la valeur C / 4L comme explicité précédemment. Selon l'invention, il est proposé de réaliser par exemple cet étalon avec un matériau céramique à effet électro-optique Kerr. L'effet Kerr n'est 15 pas imposé par le principe de fonctionnement proposé. Selon une variante de l'invention, la configuration de cet étalon est déterminée en fonction du laser dans lequel il doit être introduit. Une lame à faces parallèles de ce matériau est utilisée, et l'épaisseur est choisie de façon à ce que l'intervalle spectral libre de l'étalon ainsi réalisé soit supérieur à la plage d'accordabilité du laser (largeur de gain). Un éventuel traitement partiellement réfléchissant des faces de cette lame assure un fonctionnement monomode longitudinal du laser (cependant, compte tenu de l'indice élevé du PLZT, les réflexions de Fresnel sur les faces de la lame sont suffisantes pour jouer ce rôle sans traitement). Des électrodes enterrées sont alors réalisées dans cette lame par usinage et dépôt de métal. La géométrie des électrodes est choisie pour obtenir le champ le plus uniforme possible. C'est pourquoi il est intéressant en réalisant des électrodes enterrées d'avoir un plan P d'électrodes parallèle au plan de la cavité laser comme illustré en figure 5, la géométrie des électrodes selon cet exemple résulte du procédé de fabrication employé pour usiner des espaces ensuite métallisés. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre ces électrodes, un champ électrique de direction et d'amplitude uniformes est présent dans le matériau. Ce type de matériau (céramique Kerr) est isotrope quand aucun champ électrique n'est appliqué, et introduit une biréfringence dont l'axe est celui du champ appliqué. De plus l'indice du matériau ne change que pour un faisceau polarisé dans la direction du champ, dit faisceau extraordinaire. Dans le cas d'un matériau à effet Kerr l'indice extraordinaire s'écrit: 1 u2 ne = no + n3 R = no + An 2 Où R est le coefficient électro-optique de la céramique, V la tension appliquée, d la distance inter-électrodes. L'effet de la biréfringence peut s'écrire comme un déphasage de l'onde extraordinaire à la longueur d'onde laser X: 0(P=2n X où e est l'épaisseur de la lame. Selon l'invention, une cavité laser peut être définie par un milieu actif MA présentant une surface hautement réfléchissante HR et une surface antiréfléchissante AR, et un coupleur de sortie C, avec une surface partiellement réfléchissante. L'étalon anisotrope EAC présente deux surfaces partiellement réfléchissantes PR. L'étalon EAC est introduit dans la cavité laser, légèrement incliné par rapport à l'axe optique de la cavité laser pour éviter de créer des souscavités avec les miroirs de celle-ci comme illustré en figure 6. Le réglage de l'angle d'inclinaison est optimisé de façon à obtenir un fonctionnement monomode du laser à tension nulle. Les fréquences vo et Ve des ondes extraordinaire et ordinaire sont égales. On applique alors une tension entre les électrodes. La biréfringence induite dans le laser a deux effets: - elle lève la dégénérescence des états de polarisation dans le laser: comme dans un laser bifréquence classique, le laser oscille suivant deux états propres de polarisation linéaire de fréquences différentes. Le désaccord de fréquence entre les modes ordinaires et extraordinaires de la cavité s'écrit: Av cavité = où L est la longueur optique de la cavité laser. On e CO(P 2nL elle change l'accord de l'étalon, c'est-à-dire la fréquence pour laquelle les pertes sont les moindres, pour la polarisation de direction parallèle au champ appliqué (polarisation extraordinaire). La différence de fréquence entre les maxima de transmission de l'étalon suivant, respectivement, le mode ordinaire et le mode extraordinaire est alors donné par: cAcp Avetalon 27ne Sur la polarisation extraordinaire le laser va alors tendre à osciller 10 sur le mode de cavité laser dont la fréquence est la plus proche de Vo+Vétalon EXEMPLES DE REALISATION Première variante Il est possible de réaliser l'étalon anisotrope selon l'invention à partir d'une céramique de (Pb1_XLax)(ZryTiz)1_y,4O3, avec x = 0,095, y = 0,65 et 20 z = 0, 35, appelée couramment PLZT. Cette composition est connue pour donner de grands coefficients électrooptiques (R -1.6 10-16 m2N2) et un faible hystérésis. Le substrat S utilisé peut typiquement être une lame à faces parallèles de 400 pm d'épaisseur. Des électrodes en U sont obtenues en réalisant deux traits de scie TS parallèles de profondeur 300 pm, dont l'écart minimum de 350 pm définira la distance inter-électrodes. Enfin, du métal M est déposé dans ces traits de scie comme illustré en figure 7. La lame de PLZT n'est pas traitée, ce sont les réflexions de Fresnel dues au fort indice de ce matériau (n=2.4) qui donneront l'effet étalon 30 recherché. Nous allons décrire ci-après un exemple de laser bi-fréquence utilisant l'étalon décrit ci-dessus, et illustré en figure 8. Le milieu actif utilisé est, dans cet exemple, un microlaser Nd:YAG à 1064 nm pompé diode. Le milieu actif fait 3 mm de long et une de ses faces est traitée hautement réfléchissante (HR) à 1064 nm et anti-reflet (AR) à 808 nm qui est la longueur d'onde de la diode laser utilisée comme pompe. L'autre face est traitée anti-reflet à 1064 nm. Le coupleur de sortie est un miroir concave de rayon 200 mm traité partiellement réfléchissant (PR) à 1064 nm. Sa transmission est de 2 %. La longueur optique de la cavité est de 14 mm ce qui correspond à un intervalle spectral libre de 11 GHz. La cavité est pompée longitudinalement par une diode laser fibrée délivrant 1 W à 808 nm. Sans la lame étalon, la puissance laser obtenue avec un 1 W de puissance de pompe est de 300 mW à 1064 nm. La cavité comprend l'étalon de l'invention Lorsqu'on insère l'étalon, le laser devient monomode longitudinalement comme le montre le spectre optique du faisceau de sortie. La puissance laser chute alors à 25 mW, en raison des pertes diffractives sur les électrodes. Il est possible d'ajuster la fréquence de ce mode longitudinal dans la courbe de gain en inclinant l'étalon. Lorsqu'une tension U est appliquée entre les électrodes, on observe bien les phénomènes attendus: à U=83 V, l'onde extraordinaire oscille sur un mode adjacent de celui de l'onde ordinaire. L'écart de fréquence est alors de l'ordre de 11 GHz. A U=427 V, plusieurs modes les séparent, l'écart de fréquence atteint alors de l'ordre de 97 GHz, l'ensemble de ces comportements est illustré en figure 9. Enfin, l'écart de fréquence maximum est obtenu en ajustant l'inclinaison de l'étalon pour que l'onde ordinaire soit à une extrémité de la courbe de gain du laser, et à U=490 V, l'onde extraordinaire oscille à l'autre extrémité de cette courbe. L'écart obtenu est alors de 127 GHz, c'est-àdire, largement supérieur à la limite imposée par l'intervalle spectral libre du laser dans le cas d'une architecture mono-axe classique. A 11 GHz, une caractérisation du battement entre les deux fréquences montre que sa stabilité est équivalente à celle d'un laser bi-fréquence mono-axe classique. De plus, entre deux sauts de modes, une accordabilité continue du battement est observée sur une plage de plusieurs centaines de MHz. Celle-ci pourrait être exploitée pour verrouiller le battement sur une référence. Deuxième variante Selon une seconde variante de l'invention, il est proposé d'incorporer dans la cavité laser un second élément étalon EAC2 permettant de faire varier plus finement la fréquence de battement entre les deux modes longitudinaux, à partir d'une gamme de fréquence de battement définies par le premier étalon EAC1. Une lame PLZT traitée anti-reflet, présentant des faces AR comme illustré en figure 10, est insérée dans la cavité laser. Ce second élément étalon peut-être un élément indépendant au sein de la cavité o laser ou être directement en contact avec le milieu actif comme représenté sur la figure. Ce second élément qui présente un spectre de transmission uniforme en raison de l'absence de traitement semiréfléchissant est introduit en plus dans le laser afin d'obtenir une accordabilité continue. Ce comportement est illustré en figure 11, qui illustre comment il est possible en réglant finement l'anisotropie de décaler, dans la limite des c/4L, le mode longitudinal de polarisation extraordinaire dans une position ici représentée par la référence (e') ou (e"). Contrairement à la première variante, la deuxième permet de découpler les deux mécanismes d'accordabilité. Troisième variante Selon les différents modes de réalisation décrits précedemment, l'étalon comportait une paire d'électrodes permettant de décaler en fréquences les modes longitudinaux au sein d'une première tranche de matériau électro-optique, ces modes longitudinaux étant définis par rapport au champ appliqué entre les électrodes. En incorporant au sein d'une seconde tranche de matériau électro-optique une seconde paire d'électrodes selon une seconde direction perpendiculaire à la première direction de la première paire d'électrodes, il devient possible de faire également varier les fréquences des modes longitudinaux selon cette seconde direction, permettant par la même d'élargir 2886478 11 encore la plage d'accordabilité en fréquence du laser, en appliquant deux tensions différentes Vx et Vy comme illustré en figure 12. Cette figure illustre un exemple de réalisation dans lequel les deux tranches de matériau électo-optique comportant les deux paires d'électrodes Ex et Ey sont réalisées par l'assemblage de deux lames de matériau électro-optique. Cela peut être également en réalisant dans une lame unique deux jeux d'électrodes non débouchant. Cette troisième variante peut s'avérer très utile quand il est nécessaire d'ajuster simultanément la différence de fréquence entre les deux états de polarisation et la fréquence absolue d'un des états de polarisation, c'est-à-dire pour la réalisation de fontaines à atomes ou pour les applications de type métrologie. Quatrième variante Selon une variante de l'invention, il peut être avantageux de pouvoir contrôler les axes propres de la biréfringence introduite dans l'étalon et donc l'orientation des états de polarisation du laser. Ceci peut être réalisé par un ensemble de paires d'électrodes disposées dans une même tranche de matériau comme illustré en figure 13. Selon l'exemple illustré une première paire PEI et une seconde paire PE2 permettent ce contrôle. Au moins deux paires d'électrodes permettent un tel contrôle, il est 25 à noter que plus de deux paires d'électrodes permettront avantageusement un réglage plus fin. REVENDICATIONS 1. Etalon accordable électriquement et destiné à être utilisé dans une cavité laser bi-fréquence caractérisé en ce qu'il comprend une structure en matériau électro-optique dont l'anisotropie optique est commandable électriquement, ladite structure comportant des surfaces partiellement réfléchissantes et au moins une paire d'électrodes permettant de sélectionner de manière indépendante, deux modes longitudinaux différents suivant les polarisations ordinaire et extraordinaire traversant ladite structure. 2. Etalon selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau électro-optique présente une anisotropie nulle hors champ électrique. 3. Etalon selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le 15 matériau électro-optique est une céramique de type Pbl_XLaX(ZrYTiz)I_y, 4O3, avec: X= 0,095, y= 0,65 et z= 0,35 4. Etalon selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure est une lame, dans laquelle sont intégrées les électrodes, de manière à présenter un plan d'électrodes perpendiculaire au plan de la lame. 5. Etalon selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 25 que la structure comprend plusieurs tranches de matériau dans lesquelles sont réalisées les paires d'électrodes. 6. Etalon selon la revendication 5, caractérisé en ce que la structure comprend un empilement de plusieurs lames comportant chacune 30 une paire d'électrodes. 7. Etalon selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure en matériau électro-optique comprend dans une même tranche une série d'au moins deux paires d'électrodes de manière à pouvoir ajuster l'axe de l'anisotropie du matériau électrooptique. 8. Laser bi-spectral comportant un milieu actif et un coupleur de 5 sortie définissant une cavité laser, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un étalon selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étalon est une lame ou un empilement de lames, située(s) dans un plan faisant un angle faible ou nul par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de la cavité laser. 10. Laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étalon est couplé à des moyens permettant d'en assurer la rotation de manière à pouvoir ajuster ledit angle entre le plan de la ou des lames avec le plan perpendiculaire à l'axe de la cavité laser. 11. Laser selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les faces extérieures de la ou des lames sont partiellement réfléchissantes. 12. Laser selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au sein de sa cavité un second élément étalon présentant des faces antiréfléchissantes de manière à autoriser, en plus de la sélection du mode longitudinal extraordinaire voulu, un ajustement fin de la fréquence de ce mode. 13. Laser selon la revendication 12, caractérisé en ce que le second élément étalon peut typiquement être accolé au milieu actif.