FR2492176A1 - Dispositif selecteur optique utilisant un coin de fizeau en reflexion - Google Patents

Abstract

LORSQU'ON DONNE UNE REFLECTIVITE SUFFISANTE ET UN FAIBLE POUVOIR ABSORBANT A SON DIEDRE DE SURFACES REFLECHISSANTES, UN COIN DE FIZEAU PEUT SERVIR DE REFLECTEUR OPTIQUE DIRECTIONNEL, FOURNISSANT D'UNE PART, DANS UNE PREMIERE DIRECTION, UNE BANDE ETROITE DE LONGUEURS D'ONDE, ET D'AUTRE PART LE RESTE DES LONGUEURS D'ONDE INCIDENTES, DANS UNE AUTRE DIRECTION. UN LASER A COLORANT COL PEUT ALORS ETRE DEFINI PAR LE COIN DE FIZEAU CF ET UN MIROIR DE SORTIE M, AVEC INTERPOSITION DE DEUX DIAPHRAGMES D. L'ACCORD, VARIABLE PAR TRANSLATION DU COIN DE FIZEAU DANS SON PLAN, CONCERNE SOIT UNE RAIE ETROITE, SOIT UN TROU ETROIT DANS UNE LARGE BANDE. PLUSIEURS RAIES PEUVENT AUSSI ETRE ACCORDEES SEPAREMENT.

Description

L'invention concerne l'optique, et plus particulièrement les moyens

optiques sélectifs, qui

permettent notamment l'accord des lasers.

Comme organes optiques sélectifs, on connaît par exemple les réseaux de diffraction, ainsi que les étalons Fabry-Pérot. La plupart *du temps, il est

nécessaire de les utiliser avec des dispositifs complé-

mentaires, qui en augmentent l'encombrement. Dans le domaine des lasers à accord variable, on utilise souvent les sélecteurs suivants: réseau de diffraction de grandes dimensions plus miroir; réseau de diffraction (en montage Littrow) plus une optique de transmission telle que celle dite télescope (agrandissement du diamètre du faisceau); association d'un réseau de diffraction et d'un étalon Fabry-Pérot;

association de deux étalons Fabry-Pérot.

Les cavités laser ainsi obtenues, assez grandes, sont sujettes à de nombreux modes différents, chose

gènante dans certaines applications.

La présente invention vient offrir un organe optique sélectif qui est en même temps réflecteur, et permet donc notamment de réaliser des cavités laser plus

courtes.

L'organe optique connu sous le nom de "coin de Fizeau" comporte deux surfaces capables de réflexion partielle, et disposées avec un écartement progressivement variable (au moins localement). En pratique, il s'agit généralement de deux surfaces planes formant entre elles

un angle faible.

Jusqu'à présent, un tel coin a été utilisé

avec des surfaces de réflectivité moyenne, et par trans-

mission de lumière.

De façon étonnante, il a été observé qu'en choisissant des surfaces réfléchissantes de réflectivité plus élevée, et peu absorbantes, on, obtient un organe optique sélectif: celui-ci réfléchit d'une part, dans une certaine direction, une étroite bande de longueurs d'onde; il réfléchit d'autre part, le reste des longueurs d'onde incidentes entourant cette bande étroite, dans une autre direction, qui est la direction usuelle de réflexion sur un miroir. Les deux parties du faisceau réfléchi

peuvent alors être utilisées séparément.

Bien que ce phénomène ait été observé par le demandeur dans certaines conditions pour des réflectivités

comprises entre 0,6 et 0,9 on estime actuellement pré-

férable que la-réflectivité soit supérieure à 0,9. De très bons résultats sont obtenus avec des réflectivités

voisines de 0,99.

L'invention propose aussi un dispositif optique qui incorpore au moins un coin de Fizeau, tel que défini ci-dessus. En règle générale, un tel dispositif optique comprend en outre des moyens pour diriger un faisceau lumineux sur l'une des surfaces du coin de Fizeau; comme indiqué cidessus, celui-ci est susceptible de réfléchir sélectivement d'une part, dans une certaine direction, une étroite bande de longueurs d'onde, et d'autre part le reste des longueurs d'onde entourant cette bande étroite, dans une autre direction, qui est la direction usuelle de réflexion sur un miroir; sont également prévus des moyens utilisant l'une des deux parties réfléchies

du faisceau.

Avantageusement, le faisceau incident sur le

coin de Fizeau est divergent.

Dans une application importante de l'inven-

tion, le coin de Fizeau constitue l'une des parois

réfléchissantes d'une cavité laser.

Cette application concerne entre autres les lasers à colorants, et les autres lasers à large bande ou lasers accordables, tels que les lasers à centre coloré, les lasers à verre au Néodyme, les lasers à

rubis, ainsi que les lasers à semi-conducteur. La lar-

geur de bande de ces lasers couvre en général quelques

Angstrôms en longueur d'onde.

Dans un mode de réalisation, un diaphragme perforé est interposé entre le coin de Fizeau et le

milieu amplificateur de lumière.

Selon une application, le coin de Fizeau est agencé pour renvoyer directement ou indirectement (miroir par exemple) l'ensemble des longueurs d'onde incidentes, sauf l'étroite bande de longueurs d'onde qu'il réfléchit

sélectivement, selon l'axe optique de la cavité laser.

On obtient alors un laser à large bande avec trou

accordable.

Selon une autre application, plus fréquente, le coin de Fizeau est agencé pour renvoyer l'étroite bande de longueursd'onde, qu'il réfléchit sélectivement, selon l'axe optique de la cavité laser. On obtient alors un laser à raie étroite accordable. Pour une incidence particulière, le coin de Fizeau renvoie directement de lui-même la partie voulue du faisceau réfléchi, selon l'axe optique de la cavité laser. Le laser ainsi réalisé

est particulièrement court.

S'agissant d'un laser à raie étroite, le coin de Fizeau peut également tenir lieu de miroir de sortie pour la cavité laser. Une cavité laser avantageuse est ainsi définie d'un côté par un coin de Fizeau et de l'autre par un réseau de diffraction, qui peut être de

petite taille.

Pour améliorer encore le côté monomode du laser, en éliminant les ordres principaux voisins de l'ordre désiré, on peut placer dans la cavité laser un autre coin de Fizeau disposé en transmission sur le trajet du faisceau laser, et/ou un autre coin de Fizeau prévu comme

paroi réfléchissante dans la cavité laser.

Avec un ou plusieurs coins de Fizeau, l'inven-

tion permet également de réaliser un laser en anneau

accordable, par une simple translation du ou des coins.

De tels lasers en anneau améliorent aussi le régime monomode, en éliminant la saturation spatiale dans le

milieu amplificateur de lumière.

Une autre application particulièrement inté-

ressante de l'invention concerne les lasers à deux

longueurs d'onde réglables séparément.

On part ici du laser à raie étroite, avec sélection optique par coin de Fizeau. Il est prévu en plus un second organe formant sélecteur optique, agencé pour recevoir les longueurs d'onde autres que l'étroite bande réfléchie sélectivement selon l'axe optique par le coin de Fizeau; et ce second sélecteur optique renvoie à son tour une autre bande étroite de longueur d'onde selon l'axe optique de la cavité laser, ce qui permet d'accorder la cavité laser séparément sur deux

longueurs d'onde différentes.

Le second organe sélecteur optique peut être fondé sur un réseau de diffraction, ou en variante, sur un coin de Fizeau utilisé en réflexion. Dans ce dernier cas, on peut utiliser une autre zone du premier coin

de Fizeau.

Plus généralement, le coin de Fizeau proposé, en tant qu'organe optique sélectif, peut servir dans la plupart des applications connues des systèmes optiques dispersifs, et par exemple remplacer les réseaux de diffraction. D'autres caractéristiques et avantages de

l'invention apparaîtront à la lecture de la description

qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 A illustre un spot de faisceau réfléchi par un coin de Fizeau; les figures 1 B et 1 C illustrent deux autres spots réfléchis par un coin de Fizeau, avec des franges latérales; * la figure 2 A illustre schématiquement l'intensité d'énergie dans un faisceau lumineux; la figure 2 B illustre schématiquement la lumière réfléchie par un coin de Fizeau à partir d'un tel faisceau, pour une longueur d'onde de résonance; * la figure 2 C illustre schématiquement les trajets dela lumière à l'intérieur du coin de Fizeau; la figure 2 D illustre la lumière transmise par le coin de Fizeau; la figure 3 A illustre l'interaction d'un faisceau incident divergent à deux longueurs d'onde avec un coin de Fizeau; les figures 3 B et 3 C illustrent des spots de faisceau correspondants; la figure 4 illustre un premier exemple de laser à coin de Fizeau selon l'invention; la figure 5 en illustre une variante, o la réflexion sélective a lieu selon la direction incidente; les figures 6 A à 6 C illustrent trois exemples différents de spectre d'émission laser, en fonction de l'angle d'incidence sur le coin de Fizeau; la figure 7 A illustre une autre application de l'invention à un laser avec un coin de Fizeau utilisé en réflexion et un autre en transmission, afin de séparer des ordres de franges principales la figure 7 B illustre une variante d'une telle séparation d'ordres de franges, avec utilisation de deux coins de Fizeau en réflexion; la figure 8 illustre l'utilisation conjointe d'un coin de Fizeau et d'un réseau de diffraction dans un laser; la figure 9 illustre un laser en anneau accordable à l'aide d'un coin de Fizeau; la figure 10 illustre un laser à deux longueurs d'onde réglables séparément, réalisé par coins de Fizeau; 20. la figure il en illustre une variante, de manière plus détaillée; la figure 12 illustre toujours un laser à deux longueurs d'onde, mais o un seul et même coin de Fizeau permet la sélectivité pour chacune des longueurs d'onde; et la figure 13 illustre différents ajustement permis

avec le laser à deux longueurs d'onde de la figure 11.

On sait qu'un coin de Fizeau peut être défini

par deux surfaces, partiellement réfléchissantes, présen-

tant un écartement progressivement variable. En général, il s'agit de deux surfaces planes qui forment entre elles un angle faible (typiquement, quelques milliradians). Pour la mise en oeuvre de l'invention, de telles surfaces peuvent être définies matériellement de l'une

des'manières suivantes: -

prisme fin de l'angle voulu, avec un revêtement réflé-

chissant sur ses deux faces-; (le prisme peut, pour des raisons mécaniques, être porté par une lame dont il est solidaire);

2 lames revêtues individuellement, et maintenues soli-

daires l'une de l'autre selon l'angle choisi; là encore

un matériau de remplissage d'indice de réfraction appro-

prié peut être inséré entre les deux lames.

Il a été observé qu'en réflexion, les coins de Fizeau peuvent offrir des possibilités de sélectivité

intéressantes, sous réserve que la réflectivité des sur-

faces réfléchissantes soit importante, et que leur pouvoir

absorbant soit faible.

On envoie sur un coin de Fizeau un faisceau laser incident à raie étroite dont on fera varier la longueur d'onde. On obtient pour la plupart des longueurs d'onde un spot laser réfléchi de la forme illustrée sur la figure 1A. Pour certaines longueurs d'onde, on observe, dans le spot laser réfléchi, sur la surface du coin ou près de celle-ci, des franges dites franges

d'égale épaisseur, situées à l'extérieur du spot princi-

pal, du côté opposé à l'arête du coin (figures 1B et 1C

- entre les deux figures, la longueur d'onde a été modi-

fiée de façon à déplacer ces franges "secondaires" d'un demi-intervalle entre franges). Plus précisément, l'angle du coin de Fizeau était icia- 3 x 10 radians, sa réflectivité R = 0,99, et son épaisseur au point de réflexion e = 20 pm. Le diamètre du spot était de 700 pm, la divergence du laser 2 6 = 10 milliradians; enfin

l'angle d'incidence sur le coin de Fizeau était de O = 5 .

Il a été observé également que les longueurs -

d'onde Io pour lesquelles interviennent ces franges secon-

daires obéissent sensiblement à la relation: k. 1. = 2.e.cos e

o k est un nombre entier relatif à l'ordre de la réflexion.

L'intensité de la lumière incidente est schéma-

tisée sur la figure 2A. L'allure des franges de réflexion est donnée schématiquement sur la figure 2B, o l'on observe que l'intensité de la première frange réfléchie est comparable à celle du faisceau directement réfléchi (sans interférences). La figure 2C illustre schématiquement les réflexions multiples intervenant à l'intérieur du coin de

Fizeau. Et la figure 2D illustre l'intensité de la lu-

mière transmise par celui-ci.

Il a été observé de plus que le faisceau réfléchi par le coin de Fizeau est devenu un peu plus

divergent que le faisceau incident, par suite des ré-

flexions multiples qui interviennent dans le coin. A l'intérieur de cette zone de divergence, la direction suivant laquelle une frange secondaire donnée apparaît dépend de la longueur d'onde. En d'autres termes, un coin de Fizeau présente une dispersion angulaire, comme le montrent les figures 1B et 1C obtenues pour deux

lonaueurs d'onde différentes et voisines.

Sur un intervalle de balayage de longueur d'onde 0,3 nm, les franges se déplacent, passant de

l'intérieur du spot principal à sa proximité immédiate.

Les franges ont été observées sur un écran

situé à 3,7 mètres du coin, sur le faisceau laser réflé-

chi (divergence du laser à l'incidence 2 6 = 6 m rad, angle d'incidence O = 3 ). Un déplacement en longueur d'onde de 0,085 nm se traduit par un écart de 5 mm sur l'écran. La dispersion angulaire équivalente est donc de 0,016 rad/nm. Des observations similaires ont été faites à la fois avec un laser à impulsions de 2 nanosecondes et

un laser à colorant à onde continue.

D'autres observations comparables sont illus-

trées schématiquement sur les figures 3A à 3C. Sur la figure 3A, Io désigne l'intensité d'un faisceau laser incident divergent; cette intensité est la même pour deux longueurs d'onde différentes Il et A2, que contient

le rayon laser.

Pour la longueur d'onde 'X1, proche de la "résonance" dans le coin de Fizeau (k 9,1 c 2e cos O), il

apparaît une grande dispersion angulaire du faisceau ré-

fléchi (Fig. 3B). Plusieurs pics d'intensité - franges secondaires apparaissent, dont certains sont extérieurs au spot d'impact du faisceau laser proprement dit. Le premier maximum peut dépasser largement le reste en

intensité.

Il semble bien que la forme des franges dépende

non seulement des paramètres liés au coin de Fizeau lui-

même (a, R, e, 0), mais aussi du profil transversal de

l'intensité du faisceau incident.

Du fait de la divergence du faisceau laser

réfléchi, liée essentiellement à celle du faisceau inci-

dent, les franges localisées sur le coin de Fizeau apparaissent "amplifiées", et sont aisément visibles à

l'oeil nu à plusieurs mètres du coin.

On décrira maintenant l'application de ces franges brillantes réfléchies du coin de Fizeau, pour obtenir une rétro-action sélective et ajustable dans une

cavité laser.

Sur la figure 4, la référence M1 désigne un mi-

roir semi-transparent (au sens dés lasers), qui ferme l'une des extrémités d'une cavité laser; celle-ci contient, dans une cuve, un milieu à colorant COL, susceptible de pompage optique. Les moyens d'excitation de la cuve à colorant ne sont pas représentés. A l'opposé du miroir M1 par rapport à la cuve à colorant COL est placé un coin de Fizeau CF, que l'axe de la cavité laser vient intersecter-en P.

Il en résulte une distribution d'énergie réflé-

chie divergente, schématisée par des taches (TP, TF), de contours semblables à ceux des figures-lB, 1C ou 3B. Un miroir à réflexion totale M2 est disposé pour renvoyer

le faisceau réfléchi sur le coin de Fizeau.

Dans la position A du miroir M2, c'est la tache principale TP qui est renvoyée en P sur le coin de Fizeau, donc dans la cavité laser. Le laser fonctionne alors en large bande, comprenant les longueurs d'onde autres que celle obéissant à la relation approximative k BO 2e cos O. Pour cette dernière, un trou apparalt dans la large bande. La position du ou des trous dans le spectre est réglable par translation du coin de Fizeau

dans son plan.

Si au lieu de mettre le miroir M2 perpendicu-

lairement à la direction PA du faisceau laser réfléchi sans interférences, on le'met perpendiculairement à la

direction PB de la première frange brillante de ré-

flexion TF (qui correspond à une longueur d'onde précise À.), on accroche l'émission laser sur cette longueur d'onde, qui peut elle aussi être ajustée par translation

du coin de Fizeau comme précédemment. En modifiant légère-

ment l'angle du miroir M2, on peut tirer avantage de la dispersion angulaire en longueur d'onde, autour de Xo,

décrite plus haut.

Il a été observé aussi que, pour une valeur

particulière de l'angle d'incidence a sur le coin, celui-

ci va présenter un coefficient de réflexion sélectif en fréquence dans la direction d'incidence. Avec un coin tel que défini plus haut, cet angle d'incidence est de l'ordre

du milliradian. On obtient une cavité très courte en uti-

lisant cette observation, comme le montre la figure 5: le coin de Fizeau CF renvoie la première frange brillante TP dans l'axe de la cavité laser définie par ailleurs par là cuve à colorant COL et le miroir semitransparent M

(de préférence à face arrière légèrement inclinée).

Avantageusement, on augmente encore la sélectivité en disposant un ou plusieurs diaphragmes de part et d'autre

de. la cuve à colorant.

EXEMPLE 1

Un coin de Fizeau a été constitué à l'aide de deux lames de verres de 10 mm d'épaisseur et de 40 mm de diamètre. Ces lames étaient munies d'un revêtement multi-diélectrique offrant un coefficient de réflexion R = 0, 99. De telles lames peuvent être obtenues notamment

auprès de la société française MATRA, division optique.

Ces lames étaient séparées d'un intervalle d'air d'é-

paisseur e = 20 pm. L'ajustement vertical de l'arête du

coin a été obtenu par observation des franges de Fizeau.

L'interfrange a été fixé à 10 mm, ce qui correspond à un angle a = 3. 10 rad pour X = 0,6 pim. La cavité laser utilisée, agencée selon la figure 5, était longue de 8 cm. La cuve à colorant offrait un trajet de 10 mm,

pompé par le faisceau focalisé d'un laser à l'azote dé-

livrant des impulsions de 2 ns à la fréquence de 10 Hz.

Le miroir de sortie M1 était une plaque non revêtue avec

un angle de 40 entre face d'entrée et face de sortie.

Deux diaphragmes de 0,3 mm ont été placés de part et d'autre de la cuve. Le spectre laser de sortie a été observé à l'aide d'un monochromateur double SPEX 1400 équipé d'un analyseur optique multicanaux. L'énergie en sortie a été mesurée à l'aide d'un Joulemètre RK 3232

(LPC).

En ajustant le coin et le miroir de sortie pour obtenir l'énergie laser maximale, on obtient une émission à large bande étalée sur 5 nm, avec un trou étroit, comme le montre la figure 5. La divergence du faisceau laser est alors d'environ 6 mrad. En faisant pivoter l'ensemble du coin de 3 milliradians, on passe de la large bande à une émission en raie étroite (figure 6C). Pour un angle intermédiaire de 1,5 mrad (figure 6B), on obtient une combinaison de la large bande, du trou étroit, et du pic de raie étroite. Pour la meilleure condensation spectrale obtenue, avec le pivotement -de + 3 mrad (figure 6C), l'intensité de large bande était inférieure aux deux millièmes de l'intensité de la ligne de pic. En utilisant des diaphragmes de 0,5 mm, plus de 50 % de l'énergie sur toute la bande (10 u J) est condensée sur une largeur de raie de 0,1 ni. Avec des diaphragmes de 0,3 mm, la

largeur de raie peut être réduite jusqu'à 0,01 ni (mesu-

rée avec un étalon Fabry-Pérot de 4 mm), et le rendement

en condensation d'énergie demeure d'environ 10 %.

L'accord variable de cette raie (bande étroite) sur plus de 10 pm (donc plus que la largeur de la bande globale) a pu être obtenu par translation du coin. Avec l'angle de coin utilisé, une translation de 1 pm se traduit par un décalage de 8. 10-4 nm sur la longueur d'onde de la raie. Avec le coin de Fizeau utilisé (diamètre utile 30 mm), la gamme d'accord

possible s'établit sur 24 nm.

Outre l'avantage de permettre des cavités

laser plus courtes,et par conséquent un meilleur fonc-

tionnement monomode, le coin de Fizeau en offre un autre; il atteint aisément un temps de réponse inférieur à la nanoseconde, (le temps de réponse est défini par T = T/i, o T est le temps d'aller retour moyen dans R le coin. On arrive à T = 13 ps pour R = 0,99. On accède ainsi à une condensation spectrale très performante, et ce, même avec des impulsions de pompage très courtes comme on

en trouve par exemple en partant d'un laser à l'azote.

Du fait qu'il passe très facilement et avec une grande reproductibilité de l'émission en large bande à celle avec pic étroit, le dispositif selon l'invention est intéressant en photoluminescence et instrumentation en spectroscopie laser. En lui-même, le spectre laser large

avec trou étroit accordable-peut être utilisé pour l'exci-

tation sélective d'espèces atomiques ou moléculaires à

absorption en raie étroite.

On va maintenant décrire différentes autres applications particulières du coin de Fizeau dans les lasers. Sur la figure 7A, on retrouve un miroir de sortie M1 et une cuve à colorant COL, excitable par des moyens non représentés. En partie gauche, l'extrémité de la'cavité laser est définie par le coin de Fizeau CF1; mais, avant celui-ci, se trouve interposé un second coin de Fizeau CF2, qui travaille en transmission. On note respectivement a et a' les angles des coins CF1 et CF2, ainsi que e et e' leurs épaisseurs au niveau du faisceau

laser. L'utilisation du deuxième coin CF2 permet d'éli-

miner les ordres principaux voisins, à la fréquence

d'accord, dès lors que l'on a e - e'. L'accord en fré-

a a'

quence est automatiquement conservé par translation con-

jointe des deux coins, solidairement.

La figure 7B illustre un autre exemple de séparation d'ordres dans une cavité laser, cette fois par utilisation de deux coins de Fizeau en réflexion. L'un CF1 demeure à gauche; l'autre CF2 remplace le miroir M1 à droite de la cavité laser. La cuve à colorant COL est placée entre les deux. Le faisceau réfléchi est extrait par un miroir à réflexion totale MR. Une fois les conditions

d'accord réalisées, la cuve peut être déplacée perpendicu-

lairement à l'axe optique de la cavité, ce qui assure le

réglage automatique des deux coins de Fizeau (si e = e').

a c' Sous certaines conditions, le miroir MR peut être supprimé; en effet, il a été observé que le coin de Fizeau peut également tenir lieu de miroir de sortie à la

cavité laser, lorsque celle-ci fonctionne en raie étroite.

Cette possibilité est utilisée sur la figure 8, o la cavité laser (à colorant COL) est délimitée d'une part par un réseau de diffraction en montage Littrow

(noté nL), et d'autre part par un coin de Fizeau CFS.

Celui-ci est de préférence choisi assez épais, pour donner des raies très fines, qui, en contrepartie, seront assez rapprochées les -unes des autres. La sélectivité du réseau permet d'isoler l'une de ces raies. Cette structure est intéressante notamment par son montage simple, qui se contente d'un réseau de très petites dimensions. La figure 9 illustre maintenant une autre variante, destinée à favoriser tout particulièrement le fonctionnement monomode du laser, à partir d'une

structure de laser en anneau.

Ici, le laser en anneau est défini par un coin CF, un miroir de sortie M1, et un autre miroir semi

transparent M2, suivi d'un miroir à réflexion totale MR.

La cuve à colorant est placée entre M1 et CF, ses

moyens d'excitation n'étant pas illustrés. Une trans-

lation du coin de Fizeau CF dans son plan permet le réglage de la fréquence laser. Un tel laser en anneau

unidirectionnel élimine les problèmes liés à la satura-

tion spatiale dans le milieu amplificateur, et facilite par là l'obtention d'un régime monomode. Bien entendu, on peut y utiliser plusieurs coins de Fizeau comme

miroirs, au lieu d'un seul.

-. On va maintenant s'intéresser à d'autres lasers à coins de Fizeau, qui peuvent être accordés

séparément sur deux longueurs d'onde différentes.

Une première structure est illustrée sur la figure 10. La cavité fonctionne entre le miroir de sortie M1 et le coin CF1 pour la longueur d'onde -X (trajet rectiligne passant dans la cuve à colorant). Selon ce qui a été précédemment exposé quant aux coins de Fizeau, d'autres longueurs d'onde seront réfléchies par CF1 avec un angle différent. Un miroir à réflexion

totale MRP, perforé pour laisser passer le faisceau rec-

tiligne entre M1 et CF1, va renvoyer les autres lon-

gueurs d'onde sur un second coin de Fizeau CF2, lequel renvoie sélectivement une longueur d'onde À2 vers MRP et CF1, pour qu'elle revienne finalement dans l'axe optique entre CF1 et M. On voit que la translation dans son plan de-CF1 accorde 11, tandis que celle de CF2 accorde 2. 2Il est à remarquerque, pour X2' le coin de Fizeau CF1 est un miroir réfléchissant à 99 %, taux impossible à atteindre par les procédés connus pour réaliser un

laser à deux longueurs d'onde réglables séparément.

La figure 11 généralise la structure de la figure 10, en remplaçant le second coin de Fizeau CF2 par un second réflecteur sélectif de type quelconque,

tel qu'un réseau de diffraction.

On a illustré plus en détail la structure du laser, qui peut s'appliquer à tous les cas précédemment décrits: entre le coin CF1 et le miroir de sortie semi transparent Ml (face arrière inclinée à 40) est placée une cuve à colorant COL, qui est excitée par pompage à travers une optique de focalisation convenable L, telle

qu'une lentille cylindrique. Un diaphragmel est de préfé-

rence placé entre la cuve COL et le coin de Fizeau CF La longueur d'onde Al (réfléchie sur la

première frange secondaire du coin CF - tache TF) tra-

vaille en aller retour entre CF et M

1 1

Le reste des longueurs d'onde, inclues dans une seule tache principale TP, est dévié d'un angle faible, et repris par le prisme à réflexion totale P pour aller sur le second réflecteur sélectif, lequel n'en renvoie que la longueur d'onde X2; celle-ci revient par le même chemin-, pour retourner dans l'axe optique entre CF et Mi. Le miroir de sortie M va donc délivrer deux longueurs d'onde À1 et -2, réglables séparément, l'une par translation de CFW dans son plan, l'autre par le jeu

du second réflecteur sélectif réglable SSR.

A cet effet, le coin de Fizeau CF est monté

décalé d'un angle faible e par rapport à l'incidence nor-

male du faisceau laser (Mi-CF1). Une valeur particulière de e (quelques milliradians) correspond à l'incidence de Littrow pour le réseau de diffraction SSR. Celui-ci ne

renvoie alors dans la même direction qu'une seule lon-

gueur d'onde À2. On voit que la translation de CF1 dans son plan ne modifie que "l'épaisseur de résonance" du coin, et par là Àl L'accord par translation est linéaire

à l'égard des unités de longueur d'onde.

EXEMPLE 2

Cet exemple concerne la structure de la figure 11. Le coin CF1 est placé dans la cavité d'un laser à Rhodamine 6G dans l'éthanol, pompé par un laser à l'azote de 100 kW. Le coin CF1 est constitué de deux miroirs de réflectivité 0,99, séparés de 20 pm au niveau du faisceau, et formant un angle a =6 secondes. L'angle d'incidence du faisceau laser (trajet M1 CF1 égal à 9 cm) sur le coin est O = 6 milliradians. Le second élément dispersif SSR est un réseau de diffraction à 2400 lignes/mm, orienté à l'incidence de Littrow. (Bien sûr on peut utiliser des optiques additionnelles, ou l'incidence rasante sur le

réseau). Le diaphragme D est de 0,4 mm. La réflexion sélective due à CF1 lui-même donne une première raie laser à

tl, de largeur 0,02 pm (mesurée avec un étalon Fabry-Pérot de 4 mm). Cette raie peut être déplacée par translation du coin sur 9 nm. Trois accords différents de k1 sont illustrés sur les figures 13A à 13C, avec t2 fixe. Comme précédemment, les enregistrements ont été faits avec un monochromateur SPEX équipé d'un

analyseur optique multicanaux. Les raies 11 sont redessi-

nées à partir de points, se situant à la limite de la résolution de l'appareil. (Leur amplitude sur le dessin

n'est par conséquent pas représentative).

De son côté, l'accord sur la raie 12 due au réseau SSR est plus large (0, 5 nm), et cette raie peut être déplacée sur 40 nm. Trois accords différents sont

illustrés sur les figures 13D à 13F, pour I1 fixe.

L'intensité de chacune des raies peut être modifiée en changeant l'ajustement vertical du coin ou du réseau. A côté de cela, l'intensité de crête de la raie 1 due au coin CF1 peut être supérieure de plus d'un ordre de grandeur à celle de la raie 12 due au réseau SSR. Avec un ajustement optimal en énergie pour les deux raies (en l'espèce 581,5 et 583,0 nm), les énergies mesurées au Joulemètre RK-3232 ont été 3,4 pJ pour À1 et 7,8 pJ pour À2; compte tenu de la durée d'impulsion, égale à 1, 6 ns, cela correspond à une

puissance de quelques kilowatts.

On notera que les énergies des deux raies sont comparables, alors que la raie À due au coin est bien plus étroite que l'autre: cela montre bien l'intérêt du coin de Fizeau en tant qu'élément d'accord de raies fines (si l'on remplace le coin de Fizeau par un miroir à réflexion totale, l'énergie de sortie du laser, en large bande, s'établit à 30 pJ). On remarque également sur la figure 13 que les deux raies sont accordables tout à fait indépendamment l'une de l'autre, malgré l'utilisation d'une mécanique expérimentale non sophistiquée pour les accords. La figure 12 illustre une variante de la structure de la figure 11; dans cette variante, un seul coin de Fizeau CF1 sert pour accorder indépendamment les deux raies:'le faisceau repris par le prisme à réflexion-totale P est renvoyé par un miroir à réflexion totale m sur une seconde zone J du coin de Fizeau, à quelque distance de la zone I o s'effectue la réflexion sélective pour À1. La réflexion'de m à J s'effectue dans une direction parallèle à celle de l'axe optique du

laser (de I à M1).

Pour ajuster À1, le coin de Fizeau CF1 est translaté dans son plan, solidairement du miroir m. Pour ajuster X2' le coin CF, demeure fixe, et le miroir m est translaté parallèlement à la face avant du coin (ou plan du coin), ce miroir demeurant donc parallèle à

lui-même.

Avec le même coin que pour l'exemple 2, on a

obtenu deux raies larges de 0,02 nm, accordables indé-

pendamment sur plus de 5 nm (limite due aux mécaniques de translation). On peut amener les deux raies très près l'une de l'autre, et même en coïncidence, puisque les deux épaisseurs différentes de coin (en I et J) peuvent être utilisées avec deux ordres différents. Avec l'angle de coin a = 3.10-5 radian et X = 0,6 pm, les franges de Fizeau successives sont, sur le coin, séparées de 1 cm, et spectralement (pour e = 20 pm) de 9 nm. La puissance est

à peu près la même dans les deux raies (quelques kilowatts).

Les lasers à deux longueurs d'onde variables ainsi obtenus présentent l'avantage d'être pratiquement sans pertes au niveau de la séparation de faisceau, effectuée dans la cavité, tout en ayant des raies très étroites si

nécessaire, et en permettant une gamme d'accord large.

De tels lasers servent notamment pour la mesure de pollution atmosphérique par les techniques dites LIDAR l'une des raies est choisie pour être absorbée par la substance à détecter, tandis que l'autre, de fréquence

voisine, sert de référence d'intensité.

Après avoir décrit plusieurs applications préférentielles du coin de Fizeau aux lasers, il convient de rappeler les avantages suivants qu'il présente: - retour sélectif, directionnel et angulairement dispersif autour d'une longueur d'onde choisie, tout en formant miroir de haute réflectivité pour les autres longueurs d'onde; - le déplacement de translation qui sert à modifier la longueur d'onde d'accord choisie ne modifie ni la direction de retour de cette longueur d'onde choisie, ni celle des autres longueurs d'onde;

- pas de déformation spatiale du faisceau réfléchi cons-

titué par ces autres longueurs d'onde.

Ces avantages font que le coin de Fizeau peut servir à de nombreuses autres applications, le plus souvent à faisceau fin (selon une dimension tout au moins), et de préférence à faisceau légèrement divergent; mais les lasers permettent sans doute la meilleure mise

en lumière de ces avantages.

Claims (18)

REVEND ICAT IONS

1. Dispositif optique, du genre coin de Fizeau, définissant deux surfaces capables de réflexion partielle et disposées avec un écartement progressivement variable, caractérisé par le fait que la réflectivité de chacune de ces surfaces est supérieure à 0,6, de préférence supé-

rieure à 0,9, tandis que leur pouvoir absorbant est faible.

2. Dispositif optique selon la revendication 1,

caractérisé par le fait que R est voisin de 0,99.

3. Dispositif optique selon l'une des reven-

dications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens pour diriger un faisceau lumineux sur l'une des surfaces du coin de Fizeau, celui-ci étant susceptible de réfléchir sélectivement d'une part dans une certaine direction, une étroite bande de longueurs d'onde, et d'autre part le reste des longueurs d'onde entourant cette bande étroite, dans une autre direction, qui est la direction usuelle de réflexion sur un miroir, et par le fait que sont également prévus des moyens

utilisant l'une des deux parties réfléchies du faisceau.

4. Dispositif optique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le faisceau incident sur le

coin de Fizeau est divergent.

5. Dispositif optique selon l'une des revendi-

cations 1 à 4, caractérisé par le fait que le coin de Fizeau constitue l'une des parois réfléchissantes d'une

cavité laser.

6. Dispositif optique selon la revendication , caractérisé par le fait que la cavité laser contient

un milieu amplificateur de lumière, à colorant.

7. Dispositif optique selon l'une des revendi-

cations 5 et 6, caractérisé par le fait qu'un diaphragme perforé est interposé entre le coin de Fizeau et le

milieu amplificateur de lumière.

8. Dispositif optique selon l'une des reven-

dications 5 à 7, caractérisé par le fait que le coin de Fizeau est agencé pour renvoyer l'étroite bande de longueurs d'onde, qu'il réfléchit sélectivement, selon

l'axe optique de la cavité laser.

9. Dispositif optique selon l'une des reven-

dications 5 à 7, caractérisé par le fait que le coin de Fizeau est agencé pour renvoyer le reste des longueurs d'onde, à l'exclusion de l'étroite bande de longueurs d'onde qu'il réfléchit sélectivement, selon l'axe optique

de la cavité laser.

10. Dispositif optique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le coin de Fizeau est agencé pour renvoyer directement l'étroite bande de longueurs d'onde qu'il réfléchit sélectivement selon l'axe optique

de la cavité laser.

11. Dispositif optique selon l'une des revendi-

cations 5 à 8 et 10, caractérisé par le fait que le coin de Fizeau tient lieu de miroir de sortie pour la cavité laser.

12. Dispositif optique selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'à l'opposé du coin de Fizeau dans la cavité laser est prévu un réseau de

- diffraction.

13. Dispositif optique selon l'une des reven-

dications 5 à 8, 10 et 11, caractérisé par le fait qu'un second coin de Fizeau est disposé en transmission sur le

trajet du faisceau laser.

14. Dispositif optique selon l'une des reven-

dications 5 à 8, 10 et 11, caractérisé par le fait qu'il

est prévu un second coin de Fizeau comme paroi réfléchis-

sante dans la cavité laser.

15. Dispositif optique selon l'une des revendi-

cations 8 et 10 à 15, prises en dépendance de la revendi-

cation 8, caractérisé par le fait qu'il est prévu un second organe formant sélecteur optique, agencé pour recevoir les longueurs d'onde autres que l'étroite bande réfléchie sélectivement selon l'axe optique par le coin de Fizeau, et que ce second sélecteur optique renvoie à son tour une autre bande étroite de longueur d'onde selon l'axe optique de la cavité laser, ce qui permet d'accorder

la cavité laser séparément sur deux longueurs d'onde diffé-

rentes.

16. Dispositif optique selon la revendication , caractérisé par le fait que le second organe sélecteur

optique comprend un réseau de diffraction.

17. Dispositif optique selon la revendication , caractérisé par le fait que le second organe sélecteur

optique comprend un coin de Fizeau utilisé en réflexion.

18. Dispositif optique selon la revendication , caractérisé par le fait que le second organe sélecteur

optique comprend une autre zone du premier coin de Fizeau.