FR2790336A1 - Laser a dispositif de deflexion du faisceau emis - Google Patents

Abstract

L'émetteur laser de l'invention comporte un milieu laser (2) disposé dans une cavité optique (3 à 6), ainsi qu'un déflecteur, par exemple acousto-optique (7) dont le faisceau diffracté (8) est défléchi avec une grande résolution angulaire. Un isolateur de Faraday (9) est également disposé dans la cavité.

Description

LASER A DISPOSITIF DE DEFLEXION DU FAISCEAU EMIS

La présente invention se rapporte à un laser à dispositif de

déflexion du faisceau émis.

Dans certains systèmes industriels ou appareils optroniques à émetteur laser, le faisceau de cet émetteur doit pouvoir être défléchi selon un grand nombre de positions angulaires (jusqu'à quelques centaines) bien déterminées, le passage d'une quelconque des positions angulaires à une quelconque autre devant être effectué très rapidement, et la stabilisation du

faisceau à cette autre position doit être également très rapide.

La déflexion angulaire du faisceau laser dans les systèmes connus est généralement réalisée à l'aide de moyens opto-mécaniques du type à miroir galvanométrique. De tels systèmes sont généralement encombrants, difficiles à manipuler, leur précision de pointage est peu

satisfaisante et leur temps de réponse n'est pas assez court.

Par ailleurs, on connaît des dispositifs déflecteurs de faisceau laser comportant une cellule acousto-optique ou un modulateur spatial de lumière. Ces dispositifs, indépendants de l'émetteur laser lui-même, présentent un rapport entre la puissance du faisceau défléchi et celle du

faisceau incident assez faible, limitant les performances de la source laser.

La présente invention a pour objet un émetteur laser dont le faisceau de sortie puisse être défléchi avec une résolution angulaire élevée et un temps de réponse le plus court possible, qui soit peu encombrant et

facile à utiliser.

L'émetteur laser conforme à l'invention, du type à milieu laser placé à l'intérieur d'une cavité optique en anneau à miroirs, comporte sur le trajet optique à l'intérieur de la cavité, au moins un dispositif à diffraction optique pouvant acheminer un faisceau laser par réflexion ou transmission

et dont le faisceau diffracté présente une agilité angulaire commandable.

De façon avantageuse, on dispose sur le trajet optique, à

l'intérieur de la cavité, un isolateur de Faraday.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la

description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemple

non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: * la figure 1 est un schéma de principe d'un émetteur laser conforme à l'invention; * les figures 2a et 2b sont des schémas de principe d'émetteurs laser à faisceau de sortie défléchi, de l'art antérieur et selon l'invention, respectivement; * la figure 3 est un exemple de diagramme comparatif de I'efficacité de diffraction des émetteurs des figures 2a et 2b; * les figures 4a à 4c sont des schémas de principe d'émetteur laser à faisceau de sortie défléchi selon deux dimensions, respectivement selon l'art antérieur, selon l'invention à deux déflecteurs intra-cavité, et selon l'invention à un défiecteur dans la cavité et un déflecteur à l'extérieur; * la figure 5 est un exemple de diagramme comparatif de l'efficacité des émetteurs laser des figures 4a à 4c; * les figures 6 et 7 sont des schémas de principe d'émetteurs laser à modulateur spatial de lumière, respectivement à 1 5 adressage électrique et à adressage optique, et; * la figure 8 est un schéma de réalisation simplifié d'un émetteur laser conforme à l'invention avec un déflecteur acousto-optique intra-cavité. La présente invention est décrite ci-dessous en référence à

l'utilisation de dispositifs de déflexion comportant soit un élément acousto-

optique, soit un élément modulateur spatial de lumière, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à l'emploi de ces deux composants, et peut mettre en oeuvre d'autres types de composants dont la partie optique présente pour le rayonnement laser à la fois des bonnes propriétés

de transmission ou de réflexion et des propriétés de diffraction contrôlée.

On a représenté en figure 1 le schéma de principe d'un émetteur laser 1 en anneau unidirectionnel, cet anneau constituant une cavité optique, un dispositif déflecteur étant disposé sur le trajet de l'onde laser dans cette cavité. Cet émetteur I comprend une source ou milieu laser 2, qui est par exemple un barreau de cristal approprié pompé transversalement par des diodes laser. On constitue une cavité optique en disposant plusieurs miroirs autour du milieu 2, de façon à renvoyer vers l'entrée du milieu 2 son faisceau de sortie. Le nombre de ces miroirs est d'au moins trois, et dans le cas présent il est de quatre. lIs sont respectivement référencés 3 à 6. Ces miroirs ont un coefficient de réflexion, au moins à la longueur d'onde

considérée, proche de 100 %, afin de minimiser les pertes dans la cavité.

Sur le trajet du faisceau laser dans la cavité, on dispose un dispositif de déflexion 7. Ce dispositif 7 peut être disposé entre deux miroirs successifs quelconques, de préférence juste en aval de l'un des miroirs, afin que son faisceau défléchi 8 ne soit pas occulté par le miroir suivant.

Ce faisceau 8 constitue le faisceau de sortie de l'émetteur laser 1.

Dans le cas présent, le dispositif 7 est une cellule acousto-optique utilisée en déflecteur, et elle est placée sur le trajet du faisceau laser de la cavité de telle sorte que le faisceau qui oscille dans la cavité vérifie l'incidence de Bragg par rapport à cette cellule. La cavité optique comporte également un isolateur de Faraday 9, disposé en un endroit quelconque du trajet optique

de la cavité.

Le fonctionnement du dispositif 1 est le suivant. Lorsqu'un signal à haute fréquence (par exemple une fréquence f d'environ 40 à 80 MHz) est appliqué à la cellule 7, celle-ci produit le faisceau diffracté 8. Une variation Af de la fréquence appliquée à la cellule 7 permet de défléchir ce faisceau d'un angle AO donné par: Me=. &Pf nu cos 0B Dans cette formule, X est la longueur d'onde laser, OB l'angle de Bragg d'incidence du faisceau sur la cellule 7, n l'indice de réfraction du

cristal acousto-optique de la cellule 7, et v la vitesse du son dans ce cristal.

L'isolateur de Faraday 9 permet de n'extraire qu'un seul faisceau défléchi 8 de la cavité laser, et donc de limiter les pertes du dispositif 1. Cet isolateur permet d'obtenir une oscillation unidirectionnelle dans la cavité. Il comporte par exemple, de façon connue en soi, un rotateur de Faraday de

450, une lame demi-onde et au moins un polariseur.

Le dispositif 1 présente, par rapport à l'art antérieur, les avantages suivants: - Du fait que la cellule acousto-optique 7 joue le rôle du miroir de

couplage (ou miroir de sortie) d'un laser conventionnel (voir ci-

dessous la description des figures 2a et 2b), même une faible

efficacité de diffraction de la cellule acousto-optique (efficacité typiquement inférieure à 30 % pour les cellules connues dont l'énergie ou la puissance du faisceau défléchi est sensiblement constante sur toute la plage angulaire de déflexion) permet d'avoir une bonne efficacité de l'émetteur laser, comme on le verra ci- dessous en référence à la figure 3. - Le faisceau qui oscille n'est pas défléchi angulairement (seul l'est le faisceau diffracté). Par conséquent, l'angle d'incidence de ce faisceau sur tous les composants de la cavité est invariable, ce qui élimine tout problème de tolérance angulaire

de ces composants.

- Il n'y a pas de contrainte géométrique quant au milieu laser, ce peut aussi bien être un barreau long qu'un microchip, et il peut

fonctionner en pompage longitudinal ou transverse.

- La cavité optique est facilement déclenchable au moyen de

déclencheurs usuels (cellule de Pockels, cellule acousto-

optique...). On a représenté en figure 2a le schéma de principe d'un émetteur laser 10 de l'art antérieur, et en figure 2b, celui d'un émetteur laser 11 conforme à l'invention, avec une cavité optique à trois miroirs, et on a représenté sur le diagramme de la figure 3 des exemples de leurs caractéristiques respectives d'efficacité, à savoir les courbes 12, 13, tracées

en fonction de l'efficacité de diffraction du dispositif de déflexion utilis6.

L'émetteur laser connu 10 comporte essentiellement un milieu laser 14 disposé entre deux miroirs 15, 16. Le miroir 15 est à réflexion totale, tandis que le miroir 16 est à réflexion partielle et constitue le miroir de couplage de la cavité formée par ces deux miroirs. Le faisceau laser 17 transmis par le miroir 16 vers l'extérieur de la cavité est envoyé sur un déflecteur 18 extérieur à la cavité, dont le faisceau non défléchi est

référencé 19 et celui qui est défléchi est référencé 20.

Dans le dispositif 11 de la figure 2b, le milieu laser 21 est disposé dans une cavité optique formée par trois miroirs, 22 à 24. Le dispositif de déflexion 25, identique au dispositif 18 est par exemple placé juste en aval du miroir 22, tandis que l'isolateur de Faraday 26 est disposé entre les

miroirs 23 et 24. Le faisceau défléchi par le dispositif 25 est référencé 27.

Les courbes 12 et 13 de la figure 3 représentent l'évolution de l'efficacité des émetteurs 10 et 11 respectivement, en fonction de l'efficacité de diffraction du dispositif déflecteur 18 ou 25. Dans ces deux cas, le gain du milieu laser est également de 20, le coefficient de réflexion des miroirs autres que le miroir 16 est de 99 %, le coefficient de transmission de l'isolateur de Faraday 26 est de 98 %, le coefficient de réflexion du miroir de couplage 16 est de 79 % (valeur de réflectivité qui optimise le rendement du laser pour les valeurs précitées de gain de 20 et de coefficient de réflexion

du miroir 15 égal à 99 %).

On voit d'après la figure 3 que pour une efficacité de diffraction du déflecteur de 10 %, l'efficacité du dispositif 11 de l'invention est de 65 %

environ, alors qu'elle n'est que d'environ 9 % pour le dispositif classique 10.

L'efficacité maximale de 77 % environ du dispositif de l'invention est atteinte pour une efficacité de diffraction d'environ 25 %, alors qu'elle n'est que d'environ 23 % pour le dispositif classique. On remarquera que l'efficacité du dispositif 10 peut atteindre environ 90 %, mais ceci ne correspond qu'à un seul angle de déflexion, ce qui est très insuffisant dans la plupart des applications, alors qu'avec le dispositif de l'invention, avec une efficacité un peu inférieure, on obtient une plage d'angles de déviation suffisamment large (résolution de plusieurs centaines de positions angulaires différentes

stables et reproductibles).

Pour obtenir une déflexion à deux dimensions (2D) (dans deux

plans différents), on peut utiliser deux déflecteurs, par exemple acousto-

optiques, qui peuvent être accolés ou séparés, comme on le verra ci-

dessous.

En figure 4a, on a représenté un mode de réalisation de l'art antérieur. L'émetteur laser 28 qui y est représenté comporte, comme le dispositif 10 de la figure 2a, un milieu laser 29 et deux miroirs 30, 31, le deuxième miroir 31 étant le miroir de couplage. Le déflecteur 2D, référencé 32 est disposé à l'extérieur de la cavité, son faisceau non défléchi est référencé 33 et celui qui est défléchi est référencé 34. Ce faisceau 34 est

ainsi défléchi selon deux plans différents.

Le dispositif laser en anneau 35 schématiquement représenté en figure 4b comporte un milieu laser 36 disposé dans une cavité optique formée par trois miroirs 37 à 39. Bien entendu, dans ce mode de réalisation de l'invention, comme dans tous les autres, la cavité en anneau peut être formée par trois miroirs ou plus. Sur le trajet optique de la cavité, on dispose un isolateur de Faraday 40 et un déflecteur 2D 41 dont le faisceau défléchi

est référencé 42.

Le dispositif 43 schématiquement représenté en figure 4c est identique au dispositif 35 de la figure 4b, à l'exception du dispositif de déflexion, qui comporte un déflecteur simple (à une dimension) 44, disposé à la place du déflecteur 41, et suivi d'un autre déflecteur simple 45 recevant le faisceau défléchi du premier déflecteur 44. Le faisceau non défléchi du lo déflecteur 45 est référencé 47 et celui qui est défléchi est référencé 48 On a représenté en figure 5 les courbes d'évolution de l'efficacité de chacun des dispositifs 28, 35 et 43 en fonction de l'efficacité de diffraction d'un déflecteur unique (abscisse du bas du diagramme) et d'un déflecteur 2D (abscisses du haut du diagramme), et ce, avec les mêmes autres paramètres que dans le cas de la figure 3. Ces courbes d'évolution

sont respectivement référencées 49 à 51 pour les dispositifs 28, 35 et 43.

On constate que pour des efficacités de diffraction basses et moyennes (jusqu'à environ 45 % pour un déflecteur 2D), le dispositif 43 présente la

meilleure efficacité.

On a représenté en figure 6 le schéma de principe d'un émetteur laser 52 dont le dispositif de déflexion 2D comporte un modulateur spatial de lumière. Dans cet émetteur 52, le milieu laser 53 est disposé dans une cavité formée par quatre miroirs 54 à 57. Dans cette cavité on dispose également un isolateur de Faraday 58 et un dispositif de déflexion 2D référencé 59. Ce dispositif de déflexion comporte un modulateur spatial de lumière 60 disposé entre deux télescopes 61, 62. Le premier télescope 61

agrandit la section du faisceau laser, afin que ce faisceau illumine la quasi-

totalité de la section du modulateur 60, tandis que le second télescope 62 le réduit à sa section d'origine. Le faisceau 63 défléchi en deux dimensions

apparaît à la sortie du télescope 62.

Le modulateur 60, du type à matrice de cristaux liquides, est adressé électriquement en abscisses et en ordonnées (ce qui permet d'obtenir deux dimensions de déflexion). Ce modulateur réalise une fonction de réseau de phase dite " blazée " (provoquant une diffraction). L'ordre (+ 1) de diffraction correspond au faisceau défléchi, tandis que l'ordre (0) correspond au faisceau qui oscille dans la cavité (faisceau non défléchi). En outre, les deux télescopes 61, 62 permettent de diminuer la densité du flux laser à travers le modulateur, puisqu'ils en augmentent la section sans en

modifier la puissance totale.

Le seul inconvénient de ce mode de réalisation réside dans le faible coefficient de transmission du modulateur spatial (d'environ 50 %) à cause de la présence des électrodes d'adressage dans la surface éclairée de ce modulateur. Toutefois, selon une variante (non représentée), on peut éliminer cet inconvénient en disposant le modulateur spatial à cristaux liquides de façon à le faire fonctionner en réflexion. Une autre solution, représentée en figure 7, consiste à adresser optiquement le modulateur

spatial de lumière.

Dans le dispositif émetteur laser 64 représenté en figure 7, les mêmes éléments que ceux du dispositif de la figure 6 sont affectés des mêmes références numériques, et en particulier les éléments 53 à 58 et 61, 62. Entre les deux télescopes 61, 62 on dispose une lame dichroique 66 à , précédant une valve 67 à cristal liquide (sans matrice). L'adressage de cette valve 67 est réalisé par un dispositif 68 d'adressage optique comprenant essentiellement une lampe 69 éclairant un modulateur spatial de lumière 70 qui réalise une fonction de réseau de phase blazé. Une lentille 72 permet, en conjonction avec la lame dichroique 66, d'imager le modulateur spatial de lumière sur la valve 67. La lampe 69 peut, par exemple, produire une lumière visible si la longueur d'onde du laser est située dans le proche infrarouge. Bien entendu, la lame dichrofque 66 est à haute transmission pour la longueur d'onde laser utilisée et à haute

réflectivité dans le domaine spectral de la lampe 69.

Ce dispositif 64 permet d'obtenir une déflexion 2D avec une efficacité sensiblement égale à celle obtenue avec le dispositif 11 de la figure 2b (qui, lui, est à une seule dimension). La courbe d'évolution de

I'efficacité du dispositif 64 est similaire à la courbe 13 de la figure 3.

Dans les deux cas des figures 6 et 7, le modulateur spatial de lumière est avantageusement du type à cristaux liquides ferro-électriques, qui permettent d'obtenir un temps d'adressage aléatoire dans chacune des deux dimensions inférieur à 1ms. La déflexion obtenue est à faible champ angulaire (inférieure à 1 en général), mais à résolution élevée (plusieurs centaines de positions angulaires différentes définies dans ce champ). Ce champ peut être augmenté, de façon connue en soi, par des moyens optiques. On a représenté en figure 8 un exemple de réalisation de laser à déflecteur à cellule acousto-optique conforme à l'invention. Ce laser 73 comporte, en tant que milieu laser, un cristal 74 pompé longitudinalement par un ensemble 75 de diodes laser par l'intermédiaire d'un " entonnoir optique " 76, fonctionnant par réflexion interne totale. Ce milieu laser 74, fonctionnant en réflexion, est disposé dans une cavité optique en anneau définie par quatre miroirs 77 à 80. La cavité optique renferme également un isolateur de Faraday 81, une cellule de Pockels 82 (assurant

le déclenchement du laser) et une cellule acousto-optique 83.

Dans cet exemple de réalisation, le milieu laser 74 est un cristal de Nd:YAG, l'isolateur de Faraday 81 est composé d'un polariseur de Glan 84, d'un rotateur de Faraday 85 et d'une lame demi-onde 86. Le déflecteur est une cellule acousto-optique en TeO2 ou en LiNdO3 ayant une efficacité de diffraction de 20 %, et il a un champ angulaire total de déviation d'environ

3 à 4 , avec une résolution angulaire de 500 positions environ.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Laser à dispositif de déflexion du faisceau émis, du type à milieu laser (2, 21, 36, 53, 74) placé à l'intérieur d'une cavité optique en anneau à miroirs, caractérisé par le fait qu'il comporte sur le trajet optique, à l'intérieur de la cavité au moins un dispositif à diffraction (7, 25, 41, 44', 60, 67, 83) pouvant acheminer un faisceau laser par réflexion ou transmission et

dont le faisceau diffracté présente une agilité angulaire commandable.

2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fait que le dispositif à diffraction comporte une cellule acousto-optique (25, 41, 44,

, 83).

3. Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le

dispositif à diffraction comporte un modulateur spatial de lumière (60, 70).

4. Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le modulateur spatial de lumière est une matrice à cristaux liquides (60)

insérée dans le trajet optique de la cavité.

5. Laser selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la

matrice à cristaux liquides est disposée entre deux télescopes (61, 62).

6. Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif modulateur spatial de lumière (69-70) est extérieur à la cavité et est imagé sur une valve de lumière (67) par l'intermédiaire d'une lame dichroiïque (66), la valve et la lame étant toutes deux disposées sur le trajet

optique de la cavité.

7. Laser selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la

valve et la lame sont disposées entre deux télescopes (61, 62).

8. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé

par le fait qu'un isolateur de Faraday (9, 26, 40, 58, 81) est disposé dans la

cavité optique.

9. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé

par le fait qu'un déclencheur (82) est disposé dans la cavité optique.