Brevet FR2904736A1 — publié le 20080208

--> MODULATEUR DE PHASE POUR FAISCEAU LASER Descript on La présente inven ion a pour objet un modulateur de phase pour faisceau laser. ELle s'applique notamment à l'élargissement de la bande spectrale d'un faisceau laser. Pour être modulé, un faisceau laser traverse un cristal piézoélectrique soumis à un signal électromagnétique de haute fréquence (pouvant aller de 100 à 1000 MHz). Les générateurs du commerce capables de fournir un tel signal ont une impédance de sortie purement résistive de 50 Ohms. L'adaptation des impédances du cristal et du générateur pose un problème crucial à l'homme du métier. Dans le meilleur des cas où les deux impédances sont égales, seule la moitié de la puissance fournie par te générateur est consommée par Le cristal. Il faut tenir compte en plus des pertes dans des résistances de fuite parasites (effet de peau, connecteurs de Liaison). Moins l'adaptation des impédances est réalisée et moins Le cristal consomme de la puissance fournie par le générateur. Parmi les différentes méthodes connues d'adaptation d'impédances, peu sont utilisables dans Le cas d'un modulateur de phase pour faisceau Laser. Le cristal, équivalant schématiquement à une capacité reliée en parallèLe à une résistance, présente en outre dans un circuit des self inductions et des capacités parasites ; d'autre part, l'utilisation de fréquences supérieures ou égales à 200 MHz renforce la difficulté. Un dispositif connu de l'homme de métier est représenté schématiquement sur Les figures 1A et 1B. IL s'agit du dispositif décrit dans l'article "Efficient e Lee t ro-opt i c modulator for optical pumping of Na beams" de J.F. Kelly et A. Gallagher pubLié dans Rev. Sci. Instrum 58(4) April 1987. --> La figure 1A représente en perspective l'élément essentiel de ce modulateur. Le couplage entre le cristal 20 et l'alimentation (non représentée) est effectué par une antenne. Cette antenne est en forme de cylindre 10 et joue en même temps le rôle de self induction. Le cristal 20 est tenu par des rabats 15, 16 le long d'une génératrice du cylindre 10. Le circuit regroupant le cristal 20 et le cylindre 10 est équivalent à un circuit résonnant. Ce circuit résonnant n'est pas assimiblable à une cavité résonnante, dans la mesure où il ne s'agit pas ici de créer un système d'ondes stationnai res dans un milieu délimité par des parois réfléchissantes. La figure 1B représente schématiquement une vue de dessus de ce dispositif connu. Le couplage avec l'alimentation (non représentée) s'effectue par une boucle 25 reliée par une connexion 30 à un câble coaxial permettant l'arrivée du signal délivré par L * a L i ent at i on . Ce dispositif présente l'inconvénient d'être rayonnant, phénomène très gênant aux fréquences d'utilisation qui correspondent aux bandes radiophoniques et/ou télévision. L'ensemble doit donc être maintenu dans un boîtier blindé 50. Le cylindre 10 est fixé par ses rabats 15, 16 à un support 45 vissé au boîtier 50. Les vis 40 agissant sur le rabat 15 permettent l'ajustement de la valeur de la self induction constituée par le cylindre 10, ceci par déformation de ce cylindre 10. Par contre, ce dispositif ne permet pas d'avoir une a c cordabi l i t é du circuit résonnant. En effet, ce circuit est résonnant à une fréquence déterminée par deux paramètres : le rayon du cylindre 10 et l'épaisseur du cristal 20. Pour un dispositif déterminé, ces deux paramètres sont difficilement variables. --> Ce dispositif présente un autre inconvénient : il n'est pas possible de réaliser une sonde caractérisant le champ électrique régnant dans le dispositif sans perturber la mesure tant l'impédance du cristal 20 est grande. On ne peut qu'observer les caractéristiques de la modulation par leurs effets sur le faisceau laser. Le but de la présente invention est de permettre un bon couplage entre l'impédance de l'alimentation et celle du cristal en palliant les inconvénients présentés par les dispositifs connus. Pour ce faire, l'invention préconise une adaptation des impédances du cristal et de l'alimentation par l'intermédiaire d'une ligne quart d'onde formant une cavité résonnante. De manière plus précise, la présente invention concerne un modulateur de phase pour faisceau laser comprenant : - un générateur délivrant un signal électromagnétique de haute fréquence sur une sortie S, - un cristal piézoélectrique, - des moyens pour adapter L'impédance du cristal à l'impédance du générateur, ces moyens étant couplés d'une part à la sortie du générateur et d'autre part au cristal, caractérisé en ce que : les moyens pour adapter l'impédance du cristal à l'i pédance du générateur sont constitués d'une ligne longue de (2n + 1), avec n entier positif ou nul, fois le quart de la longueur d'onde du signal électromagnétique de haute fréquence, ligne consistant en deux conducteurs séparés par un diélectrique et reliés par un court-circuit apte à se déplacer le long de ces conducteurs et formant une première extrémité de la ligne, la Ligne formant une cavité résonnante couplée au générateur, et en ce que le cristal est -->fixé par deux armatures reliées chacune à un des deux conducteurs, à une seconde extrémité de la ligne, à un ventre d'une tension transportée dans la ligne et correspondant au signal électromagnétique de haute f réquence . En déplaçant le court-circuit le long des conducteurs, on modifie la longueur de la ligne ; cela permet d'accorder la ca ité sur une certaine gamme de longueurs d'onde, en fonction de la longueur des conducteurs utilisés. Selon un mode préféré de réalisation, on utilise une Ligne coaxiale présentant l'avantage de ne pas rayonne r . Dans un mode préféré de réalisation, la ligne est quart d'onde au sens strict du terme, c'està-dire que n = o. C'est dans cette configuration qu'elle est la plus courte et donc la moins encombrante. Les ordres supérieurs de n peuvent être utilisés pour un éventuel transport de l'énergie électromagnétique sur de plus longues distances. Selon un mode préféré de réalisation, une sonde de tension est placée au même ventre de tension de la ligne que le cristal. Cette sonde permet de caractériser l'état du signal transporté par la Ligne à la position où est fixé le cristal. Selon un autre mode de réalisation le couplage entre le générateur et la ligne s'effectue par l'intermédiaire d'une boucle en matériau conducteur placée à l'intérieur de ta ligne, cette boucle étant reliée à la sortie S du générateur. Cette boucle peut aussi se déplacer à l'intérieur de la ligne de manière à sui re Les déplacements éventuels du court-circuit pour des accords à des longueurs d'onde différentes. Ces déplacements po s s i blés à l'intérieur de la Ligne permettent aussi d'ajus -->ter finement le couplage entre la ligne et le générateur. Le cristal est maintenu dans un support en matériau insensible au champ électromagnétique haute fréquence. Ledit support comprenant deux ouvertures en regard, ledit support étant fixé sur un capot conducteur lui-même fixé au conducteur externe de la ligne, une des armatures du cristal étant reliée à ce capot conducteur. Les deux ouvertures du support sont pourvues de fenêtres en matériau insensible au champ électromagnétique de haute fréquence et transparent à la longueur d'onde du faisceau laser. Ces fenêtres sont de manière préférée en verre. Elles sont au contact du cristal et permettent son maintien. Le choix du diélectrique séparant les deux conducteurs de ta ligne influe sur les caractéristiques géométrique de cette dernière. De préférence, on utilise de l'air. Le cristal piézoélectrique peut être en oxyde mixte de métaux. On peut citer les oxydes mixtes de niobium, de tantale, de titane, de baryum, ete . On peut par exemple utiliser le niobate de lithium Li bθ3), le tantalate de lithium LiTaÛ3 , le titanate de baryum BaTiθ3), le niobate de Strontium et de baryum Ba2SrNb5θι 5) , le niobate de potassium (K bθ3 , le niobate de baryum et de sodium Ba NaNb5θ-| 5) . De préférence, on utilise le niobate de lithium ou le tantalate de lithium. Les conducteurs de la ligne, les armatures du cristal et le capot conducteur doivent présenter des propriétés conductrices les meilleures possibles. Dans le domaine des hautes fréquences, la conduction s'effectue principalement en surface (conduction par --> "effet de peau"). On utilise de préférence pour tous les éléments de conduction du cuivre doré. Le support du cristal est de manière préférée en polytétrafluoréthylène plus connu sous l'appellation de Téflon. Ce matériau réagit très peu sous l'influence d'un champ électromagnétique. Un dispositif selon l'invention réalise une onde stationnai re dans un conducteur (la ligne quart d'onde en court-circuit à une extrémité, ouverte sur le cristal à l'autre). L'extrémité fermée de la ligne se trouve à un noeud de tension et à un ventre de courant alors que l'extrémité ouverte se trouve à un ventre de tension et à un noeud de courant. Le cristal est placé dans le champ électrique qui règne dans la cavité. Pour obtenir la tension maximum avec la puissance in ectée minimum, le cristal est disposé au ventre de La tension soit à une distance de λ/4 (où λ est la longueur d'onde du signal électromagnétique) de l'extrémité fermée. Cette cavité (la ligne quart d'onde) joue le rôle d'adaptateur d'impédance. Par construction, le dispositif selon l'invention est non rayonnant. De plus, la variation de la longueur de la ligne quart d'onde permet une plage d'accordabilité en fréquence et donc l ' éa rgi ssement de la bande spectrale du laser suivant une étendue variable à volonté. Enfin une sonde de très haute impédance intégrée au dispositif permet ta caractérisation du champ électrique régnant dans la ca ité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesque l s : --> - la figure 1A, déjà décrite, représente schématiquement en perspective les éléments essentiels d'un modulateur de phase pour faisceau laser selon l'art antérieur ; - la figure 1B, dé à décrite, représente schématiquement une coupe transversale de ce dispositif connu ; - La figure 2 représente schématiquement une vue générale d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe de la ligne coaxiale ; - la figure 4 représente schématiquement une autre vue en coupe de la ligne coaxiale. La figure 2 représente schématiquement une vue générale d'un dispositif selon l'invention. Le générateur 100 est constitué : - d'un oscillateur 105 qui délivre un signal électromagnétique de haute fréquence pouvant varier de 50 à 1000 MHz, - d'un amplificateur de puissance 110, caractérisé par une possibilité d'un gain de 50 dB sur une gamme de fréquences s'étendant de 10 à 400 MHz, cet amplificateur de puissance étant relié à l'oscillateur 105, - d'un wattmètre réf lect omet re 115 relié d'une part à l'ampl ficateur 110 et d'autre part à une sortie S de l'alimentation 100 ; ce wattmètre réf lect romèt re 115 permet la mesure de la puissance incidente délivrée sur la sortie S et la puissance réfléchie par le circuit extérieur, il permet donc de vérifier l'état de l'adaptation d'i pédance ; le générateur 100 possède une résistance de sortie de 50 Ohms. Le générateur 100 délivre un signal électromagnétique de haute fréquence sur sa sortie S. Cette -->fréquence est de 200 MHz par exemple. La sortie S est reliée par un câble coaxial 36 à une ligne coaxiale 55 quart d'onde à la longueur d'onde du signal électromagnétique de haute fréquence. Le couplage entre la ligne coaxiale 55 et le générateur 100 est assuré par une boucle 26 en matériau conducteur, du cuivre par exemple, qui forme une antenne émettrice. Cette boucle 26 est placée à l'intérieur de la Ligne coaxiale 55, elle est reliée au câble coa ial 36 par une connexion 31, une prise de type N fabriquée par la Société Radial par exemple. La ligne coaxiale 55 comporte un conducteur externe 61 (blindage) et un conducteur interne (âme) 62 en cuivre doré par exemple, séparés par un diélectrique 59, de l'air par exemple. La ligne 55 comporte un court-circuit 60 à une de ses extrémités, et est ouverte à l'autre, de manière à former une cavité résonnante. La boucle 26 de couplage est placée à l'extrémité fermée (en court-circuit). Le cristal 19 piézoélectrique en niobate de lithium par exemple, centre de l'interaction entre l'onde électromagnétique haute fréquence et le faisceau laser est fixé sur un support 64 en matériau insensible au champ électromagnétique, du Téflon par exemple. Le cristal 19 est maintenu en contact électrique avec deux armatures 21, 22 en métal conducteur, du cuivre doré par exemple. La première armature 21 est en contact avec Le conducteur externe 61 de la ligne coaxiale 55, la seconde armature 22 est en contact électrique avec le conducteur interne 62 de la ligne coaxiale 55. Le support 64 est lui-même fixé sur un capot 63 en métal conducteur, du cuivre doré, fixé sur le conducteur externe 61 de la ligne 55. Une sonde 65 à effet de champ est fixée sur la ligne coaxiale 55 au même ventre -->de tension que le cristal 19. La sonde 65 est reliée à un oscilloscope 70 permettant la visualisation de la mesure du champ électromagnétique de haute fréquence régnant à l'intérieur de la Ligne coaxiale 55 pendant l'utilisation du modulateur. La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe de la ligne coaxiale 55. La ligne 55 est cylindrique par exemple. Le conducteur externe 61 est constitué pa un conduit de rayon r2. Le conducteur interne 62 est constitué par une tige de rayon r1. L'obtention d'une impédance caractéristique Zc de la ligne 55 à la valeur désirée (comprise entre 50 et 100 Ohms) passe par le respect de la formule bien connue : -6 est la permittivité relati e du diélectrique utilisé (L'air par exemple). -K est un coefficient fonction des paramètres caractérisant la ligne. Une rondelle 72 de Téflon positionnée sensiblement au milieu de la ligne 55 améliore la tenue mécanique de la ligne 55. Cette rondelle 72 est telle qu'elle ne perturbe pas le transport du champ à l'intérieur de la li gne 55. Le court-circuit 60 formant une extrémité de la ligne 55 est constitué d'une rondelle en cuivre doré par exemple. Cette rondelle s'emboîte sur les conducteurs 61, 62. Elle peut coulisser le Long des conducteurs 61, 62 de manière à faire varier la longueur de La ligne 55 et par conséquent l'accord de La cavité résonnante. La connexion 31 ient s'emboîter dans Le court-circuit 60 ; elle permet à la boucle 26 d'être -->maintenue à l'intérieur de la ligne 55. Cette connexion 31 permet une translation de la boucle 26 à l'intérieur de la ligne 55 afin d'ajuster le couplage. Une telle ligne 55 coaxiale n'émet pas de rayonnement extérieur quand elle transporte un signal haute fréquence, it n'est donc pas nécessaire de La b l i nde r . Une telle ligne 55 coaxiale fermée par un court-circuit 60 à une extrémité et ouverte à l'autre est assi ilable à une cavité résonnante : elle permet un stockage de l'énergie électromagnétique. La cavité, accordée sur sa fréquence de travail (sa longueur est alors égale au quart de la longueur d'onde du champ électromagnétique de haute fréquence), présente un ventre de courant et un noeud de tension au court-circuit 60 : l'impédance est nulle à cet endroit. Par contre côté ouvert, elle présente un ventre de tension et un noeud de courant : sans charge extérieure l'impédance est infinie. A l'extrémité de la ligne 55 opposée à celle supportant le court-circuit 60, le cristal piézoélectrique 19 est maintenu dans son support 64. Le cristal 19 module un faisceau laser 1 qui le traverse longitudi na Lement . Pour que la modulation soit efficace, on doit injecter dans le cristal une puissance électrique minimum d'environ 1 W efficace. Un bon fonctionnement est obtenu en injectant 5 W efficaces par exemple. La modulation peut être obtenue en continu ou bien en mode impulsionnel ; elle doit être dans ce dernier cas synchronisée avec la traversée du faisceau Laser 1. Dans les deux cas, il n'est pas nécessaire de refroidir le dispositif. Le support comprend deux ouvertures 76, 77 fermées par des fenêtres 74, 75 de protection en verre -->par exemple. Ces fenêtres 74, 75, en contact avec te cristal, le maintiennent en position. Elles permettent évidemment l'introduction du faisceau 1 à l'intérieur du dispositif. Le support 64 est fixé sur un capot conducteur 63 relié à l'enveloppe externe 61. Une armature 21 du cristal 19 est reliée au capot conducteur 63 et donc au conducteur externe 61. Une seconde armature 22 du cristal 19 est emboîtée dans le conducteur interne 62. Les armatures 21, 22 sont en contact électrique avec le cristal 19 par l'intermédiaire d'une mousse conductrice ou encore par L'intermédiaire de contact en chrysocal (bronze béryllium). La figure 4 représente schématiquement une autre vue en coupe de la ligne 55. Par rapport à la figure 3, la Ligne 55 a été tournée de 90°. On voit donc la sonde 65 à effet de champ avec la prise de mesure 66 de tension pointant à l'intérieur de la ligne 55. La sonde présente une très haute impédance à l'entrée mais sa sortie présente une impédance de 50 Ohms, ce qui permet de la relier diectement à un oscilloscope 70 (non représenté sur la figure 4) de visualisation. Un modulateur de phase pour faisceau laser selon l'invention présente donc une bonne efficacité grâce à l'adaptation de l'impédance du cristal piézoélectrique à l'impédance du générateur par une Ligne coaxiale quart d'onde. Ce type de dispositif non rayonnant permet grâce à son accordabilité l'utilisation du modulateur sur une vaste gamme de longueurs d'onde. --> Re end i cations 1. Modulateur de phase pour faisceau laser comprenant : - un générateur (100) délivrant un signal électromagnétique de haute fréquence sur une sortie S, - un cristal (19) piézoélectrique, - des moyens pour adapter l'impédance du cristal à l'impédance du générateur, ces moyens étant couplés d'une part à la sortie du générateur et d'autre part au cristal, caractérisé en ce que : les moyens pour adapter l'impédance du cristal à l'impédance du générateur sont constitués d'une ligne (55) longue de (2n + 1), a v c n entier positif ou nul, fois Le quart de la longueur d'onde du signal électromagnétique de haute fréquence, ligne (55) c on sistant en deux conducteurs (61, 62) séparés par un diélectrique (59) et reliés par un court-circuit (60) apte à se déplacer le Long de ces conducteurs et formant une première extrémité de La ligne, la ligne formant une cavité résonnante couplée au générateur (100), et en ce que le cristal (19) est fixé par deux armatures (21, 22) reliées chacune à un des deux conducteurs (61, 62), à une seconde extrémité de la ligne (55), à un ventre d'une tension transportée dans la Ligne et correspondant au signal électromagnétique de haute fréquence. 2. Modulateur de phase pour faisceau laser selon revendication 1, caractérisé en ce que la ligne (55) est coaxiale avec un conducteur interne (62) et un conducteur externe (61) entourant longitudinalement le conducteur interne (62). 3. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que n = 0. --> 4. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des re endications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une sonde (65) de tension est placée au même ventre de tension de la ligne que Le cri stal (19) . 5. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le couplage entre le générateur (100) et la ligne (55) s'effectue par L'intermédiaire d'une boucle (26) en matériau conducteur placée à l'intérieur de la Ligne (55), cette boucle (26) étant reliée à la sortie S du générateur (100). 6. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracter i se en ce que le cristal (19) est maintenu dans un support (64) en matériau insensible au champ électromagnétique haute fréquence, ledit support (64) comprenant deux ouvertures (76, 77) en regard, ledit support (64) étant fixé sur un capot (63) conducteur lui-même fixé au conducteur externe (61) de la ligne (55), une des armatures (21) du cristal (19) étant reliée à ce capot conducteur (63). 7- Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que Les deux ouvertures (76, 77) du support (64) sont pourvues de fenêtres (74, 75) en matériau insensible au champ électromagnétique de haute fréquence et transparent à la longueur d'onde du faisceau laser. 8. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que Le diélectrique (59) est de l'air. 9. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le cristal (19) est en niob ^ ate de Lithiu . --> 10. Modulateur de phase pour faisceau Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les conducteurs ( 61, 62) de la ligne, les armatures (21, 22) du cristal et le capot conducteur (63) sont en cui re doré. 11. Modulateur de phase pour faisceau laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support (64) est en polytétrafluoréthylène.