FR2535072A1 - Optical phase-shifting device and application to a laser generator. - Google Patents

Optical phase-shifting device and application to a laser generator. Download PDF

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    • H01S3/106Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling a device placed within the cavity

Abstract

The device comprises, successively applied one on top of the other, a substrate 5, a reflecting metal film 4, a transparent dielectric plate 1 and a grating 2 formed from equidistant parallel conducting wires (lines) 3. Application to laser generators. <IMAGE>

Description

Dispositif optique de déphasage et application à un générateur laser An optical phase shift and application to a laser generator
La présente invention concerne un dispositif optique de déphasage et une application de ce dispositif a' un générateur laser. The present invention relates to an optical phase shift device and an application of this device has a laser generator.

On connait des éléments optiques de déphasage tels que les lames biréfringentes quart d'onde qui permettent de modifier la polarisation d'un faisceau laser par déphasage optique du rayonnement. Is known phase shift optical elements such as birefringent quarter wave plates that modify the polarization of a laser beam by optical phase shift of the radiation. Ces lames optiques présentent l'inconvénient d'avoir deux dioptres, perpendiculaires au faisceau, qui provoquent des reflets parasites gênants, notamment en télémètrie. These optical blades have the disadvantage of having two optical surfaces, perpendicular to the beam, which cause troublesome stray reflections, including telemetry. De plus, lorsque le faisceau laser est de grande puissance, par exemple dans le cas d'un laser appliqué à l'usinage, la lame peut subir un échauffement important par absorption de puissance optique. In addition, when the laser beam is of high power, for example in the case of a laser applied in machining, the blade may undergo a significant temperature rise by absorption of optical power.

I1 existe d'autres dispositifs, à couches multidiéleetriques, pour modifier la polarisation d'un faisceau laser par déphasage optique du rayonnement. I1 are other devices, multidiéleetriques layers, to modify the polarization of a laser beam by optical phase shift of the radiation. Mais ces dispositifs présentent l'inconvénient d'entre difficiles à réaliser et d'entre sensibles aux conditions du milieu ambiant. But these devices have the disadvantage of difficult to achieve and between sensitive to ambient conditions.

La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients, et de réaliser un dispositif optique de déphasage de réalisation simple et d'utilisation facile. The present invention aims to overcome these drawbacks, and to achieve an optical device for simple realization of phase shift and easy to use.

Elle a pour objet un dispositif optique de déphasage comportant au moins un élément optique, caracterise en ce que élément optique comprend - un polariseur à grille formé d'une plaque diélectrique transparente et d'une grille constituée par des fils métalliques conducteurs disposés dans un plan, parallèlement entre eux, à égale distance l'un de l'autre, cette grille étant appliquée sur une face de la plaque diélectrique - et une pellicule métallique plane réfléchissante dont une face est appliquée sur l'autre face de la plaque diélectrique, cet élément étant capable de modifier la phase d'un faisceau de rayonnement monochromatique cohérent dont la longueur d'onde est supérieure à la distance entre les fils de la grille, le déphasage entre le rayonnement sortant de élément et le rayonnement incident étant sensiblement proportionnel à l'épaisseur de la plaque diélectrique. It relates to an optical device for phase comprising at least one optical element, characterized in that said optical element comprises - a grid polarizer formed of a transparent dielectric plate and a gate formed of metal conductors arranged in a plane son , parallel to each other, equidistant from each other, the gate being applied on one side of the dielectric plate - and a plane reflecting metal film whose one side is applied to the other face of the dielectric plate, this element being capable of modifying the phase of a coherent monochromatic beam of radiation whose wavelength is greater than the distance between the son of the grid, the phase difference between the outgoing radiation element and the incident radiation being substantially proportional to the thickness of the dielectric plate.

La présente invention a aussi pour objet un générateur laser comportant ledit dispositif optique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, - un autre polariseur à grille disposé parallèlement à l'élément optique, les grilles de l'élément optique et de l'autre polariseur étant en regard l'une de l'autre, de façon à former avec l'élément optique une cavité optique résonnante, - un milieu actif disposé à l'intérieur de la cavité - et des moyens d'excitation du milieu actif, capables de provoquer la formation d'un rayonnement amplifié dans la cavité, une partie de ce rayonnement sortant de la cavité à travers l'autre polariseur à grille de façon à former un faisceau laser, le coefficient de transmission optique de l'autre polariseur à grille étant fonction de l'angle que font entre eux les fils de grille de l'élément optique de déphasage et de l'autre polariseur à grille. The present invention also relates to a laser generator comprising said optical device, characterized in that it further comprises, - another grid polarizer arranged parallel to the optical element, the optical element and the gates of another polarizer being opposite to each other, so as to form the optical element with an optical resonant cavity, - an active medium disposed within the cavity - and excitation means of the active medium, capable of causing formation of an amplified radiation into the cavity, part of the outgoing radiation from the cavity through the other polarizer grid so as to form a laser beam, the optical transmission coefficient of the other polarizer grid being dependent on the angle made between them gate the son of the optical element phase shift and the other grid polarizer.

Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente dans l'espace un mode de réalisation d'un dispositif optique selon l'invention, - la figure 2 représente schématiquement le trajet d'un faisceau lumineux à travers le dispositif optique illustré par la figure 1, - la figure 3 représente dans l'espace un autre mode de réalisation du dispositif optique selon l'invention - et la figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation du générateur laser selon l'invention. Particular embodiments of the object of the present invention are described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 shows in space one embodiment of a optical device according to the invention, - Figure 2 shows schematically the path of a light beam through the optical device shown in Figure 1, - Figure 3 shows in space to another embodiment of the optical device according to the invention - and Figure 4 schematically shows an embodiment of the laser generator of the invention.

Sur la figure 1 est représenté un élément optique 10 comprenant un polariseur à grille formé d'une plaque diélectrique transparente 1 par exemple en germanium et d'une grille 2 appliquée sur une face de la plaque 1. La grille 2 est constituée de fils métalliques conducteurs 3 réalisés par exemple en aluminium. In Figure 1 is shown an optical element 10 comprising a grid polarizer formed of a transparent dielectric plate 1 e.g. germanium and a grate 2 applied to one side of the plate 1. The grid 2 consists of metal son conductors 3 made for example of aluminum. Les fils 3 peuvent avoir comme représenté une section rectangulaire et sont disposés dans un plan, parallèlement entre eux, à égale distance l'un de l'autre. The son 3 may be represented as a rectangular section and are arranged in a plane, parallel to each other, equidistant from one another.

De préférence, une couche antireflet 23 est déposée sur la plaque diélectrique 1 entre ladite face de la plaque 1 et la grille 2. Preferably, an antireflection layer 23 is deposited on the dielectric plate 1 between said face of the plate 1 and the grid 2.

L'élément optique 10 comporte en outre une pellicule métallique plane réfléchissante 4 dont une face est appliquée sur l'autre face de la plaque diélectrique 1. The optical element 10 further comprises a plane reflecting metal film 4 whose one side is applied to the other face of the dielectric plate 1.

Les polariseurs à grille sont connus dans la technique et leurs propriétés sont décrites dans l'ouvrage américain "Handbook of optics" (WALTER G. DRISCOLL), Editor Mac Graw Hill, 1978 pages 10-72 à 10-77. grid polarizers are known in the art and their properties are described in the American book "Handbook of optics" (WALTER G. DRISCOLL) Editor Mac Graw Hill, 1978 pages 10-72 to 10-77.

La pellicule métallique 4 peut être réalisée par dépôt sous vide d'une couche métallique sur la face arrière de la plaque 1, cette face étant opposée à celle supportant la grille 2. The metal film 4 may be made by vacuum deposition of a metal layer on the rear face of the plate 1, this face being opposite to that supporting the grid 2.

De préférence, l'élément optique 10 est mécaniquement renforcé par un support plan 5 fixé par exemple par collage sur l'autre face de la pellicule métallique. Preferably, the optical element 10 is mechanically reinforced by a flat support 5 fixed for example by bonding to the other face of the metal film. Ce support peut être réalisé en métal. This support can be made of metal.

Sur la figure 2, est représenté schématiquement l'élément optique 10, coupé suivant un plan perpendiculaire au plan de la grille 2 et parallèle à la direction des fils 3. Pour clarifier cette figure, la coupe de l'élément optique a été représentée sous forme d'un rectangle dont les grands côtés représentent respectivement la grille 2 et la pellicule 4, la surface intérieure de ce rectangle, exempte de hachures, représentant la plaque diélectrique 1. In Figure 2 is shown schematically the optical element 10, cut along a plane perpendicular to the plane of the grid 2 and parallel to the steering son 3. To clarify the figure, the section of the optical element has been shown in shape of a rectangle whose long sides respectively represent the gate 2 and the film 4, the inner surface of the rectangle, free from hatching representing the dielectric plate 1.

Un faisceau de rayonnement monochromatique cohérent, dont l'axe 6 est situé dans un plan d'incidence confondu avec le plan de la figure, se propage vers la grille 2. La longueur d'onde du rayonnement qui est par exemple située dans la gamme infrarouge est supérieure à la distance "d" entre les fils de la grille (voir figure 1). A coherent monochromatic radiation beam, the axis 6 is located in a plane of incidence coincides with the plane of the drawing, propagates towards the gate 2. The radiation wavelength which is for example in the range IR is greater than the distance "d" between the son of the grid (see Figure 1). La vibration lumineuse du rayonnement comporte une composante 7 parallèle au plan d'incidence et une composante 8 perpendiculaire à ce plan. Light vibration of the radiation has a 7-component parallel to the incidence plane and a component 8 perpendicular to this plane. La composante 7 est réfle > - chie par la grille 2 suivant l'axe 9 avec un déphasage t 1 .La composante 8 est transmise intégralement par la grille, puis est réfractée dans la plaque diélectrique 1, et arrive avec un angle d'incidence "a" sur la pellicule réfléchissante 4 qui la réfléchit avec un dépha sage t 2. La composante 8 réfléchie sur la pellicule 4 traverse une nouvelle fois la plaque 1 et la grille 2 et sort de l'élément optique suivant un faisceau 11 après avoir subi un déphasage t 3 . The component 7 is Refle> - shits by the grid 2 according to the axis 9 with a phase t 1 .The component 8 is fully transmitted through the grid, and is refracted in the dielectric plate 1, and comes up with an angle of incidence "a" on the reflecting film 4, which reflects it with wise Depha t 2. the reflected component 8 on the film 4 passes through again the plate 1 and the grid 2 and leaves the optical element in a beam 11 having undergone a phase t 3.

En définitive, le déphasage total introduit par l'élément optique est égal à Ultimately, the total phase shift introduced by the optical element is equal to

Figure img00040001

La valeur de Y 3 est donnée par l'expression The Y value of 3 is given by expression
Figure img00040002

dans laquelle "e" représente l'épaisseur de la plaque diélectrique, "n" représente l'indice de réfraction de la plaque diélectrique et n A n la longueur d'onde du rayonnement. wherein "e" represents the thickness of the dielectric plate, "n" represents the refractive index of the dielectric plate and n A n the radiation wavelength.

En pratique, dans la grande majorité des cas, la différence t peut être négligée et l'expression 2 donne le déphasage total introduit par l'élément optique. In practice, in most cases, the difference t can be neglected and the expression 2 shows the total phase shift introduced by the optical element. Le déphasage total est donc proportionnel à l'épaisseur de la plaque diélectrique. The total phase shift is thus proportional to the thickness of the dielectric plate.

L'élément optique décrit ci-dessus présente l'avantage de fonctionner sans perte d'énergie optique et de pouvoir fonctionner avec un faisceau à incidence nulle (a = o). The optical element described above has the advantage to operate without loss of optical energy and can function with a zero incidence beam (a = o).

La relation 2 montre qu'il est possible de déterminer la valeur de "e", pour # et "a" donnés, de façon obtenir le déphasage désiré. 2 The relationship shows that it is possible to determine the value of "e" for # and "a" given, so obtaining the desired phase shift.

Par exemple, si l'on désire un déphasage quart d'onde, correspondant à une valeur t de t 3, l'angle "a" étant de 45 degrés, l'épaisseur de la couche diélectrique doit être égale à l'une des valeurs suivantes For example, if desired, a quarter-wave phase shift, corresponding to a value of t t 3, the angle "a" being 45 degrees, the thickness of the dielectric layer must be equal to one of following values

Figure img00040003

k étant un nombre entier quelconque. k being any integer.

Si l'on veut un déphasage demi-onde avec a = 45 degrés, l'épaisseur de la couche diélectrique doit être égale à If one wants a half-wave phase shift with a = 45 degrees, the thickness of the dielectric layer must be equal to

Figure img00040004

Le dispositif représenté sur la figure 3 comporte d'une part un élément optique 10 du type de celui illustré par la figure 1 et un moteur électrique 12 dont l'arbre de sortie est fixé sur l'élément 10 de façon à l'entrainer en rotation autour d'un axe 13 parallèle au plan de la grille de l'élément 10 et perpendiculaire à la direction des fils de cette grille. The device shown in Figure 3 comprises, firstly, an optical element 10 of the type illustrated in Figure 1 and an electric motor 12 whose output shaft is fixed to the element 10 so as to result in rotation about an axis 13 parallel to the plane of the gate member 10 and perpendicular to the direction of the son of this grid.

Un faisceau de rayonnement d'axe 15 situé dans un plan d'incidence 14 parallèle aux fils de la grille de l'élément 10 est réfléchi suivant un faisceau d'axe 16. Lorsque le moteur 12 fait tourner ltelé- ment 10 autour de l'axe 13, l'angle d'incidence a du rayonnement sur la pellicule réfléchissante de l'élément varie. An axle beam of radiation 15 located in an incidence plane parallel to the son 14 of the grid element 10 is reflected along a beam axis 16. When the motor 12 rotates ltelé- ment 10 around axis 13, the angle of incidence of the radiation on the reflective film of the element varies. En donnant à l'épaisseur "e" de la plaque une valeur suffisamment grande, on obtient alors une variation du déphasage t entre les faisceaux 16 et 15, cette variation étant assez importante pour faire varier la polarisation. By giving the thickness "e" of the plate a sufficiently large value, we obtain a variation of the phase difference t between the beams 16 and 15, this variation being large enough to vary the polarization.

En particulier, si, à un instant de la rotation de l'élément 10, l'angle d'incidence "a" satisfait à la relation suivante In particular, if, at a time of rotation of the element 10, the incidence angle of "a" satisfies the following relationship

Figure img00050001

le déphasage ss t est égal à - + k (en supposant toujours t kaj ) ss phase t is - + k (always assuming kaj t)
2 de sorte qu'un faisceau incident polarisé linéairement donne, après ren- voi par le dispositif, un faisceau polarisé cireulairement. 2 so that a linearly polarized incident beam gives, after REN- voi by the device, a polarized beam cireulairement.

De même, si, à un instant de la rotation de l'élément 10, l'angle d'incidence satisfait à la relation suivante Similarly, if, at a time of rotation of the element 10, the incident angle satisfies the following relationship

Figure img00050002

le déphasage Q # est égal à It, de sorte qu'un faisceau incident pola- risé linéairement donne, après renvoi par le dispositif, un faisceau à polarisation linéaire croisée. Q # is the phase shift equal to It, so that polA- corseted incident beam linearly provided, after removal from the device, a cross linear polarized beam.

Sur la figure 4 est représenté un générateur laser dont la cavité optique résonnante est formée par un élément optique 10 du type de celui illustré par la figure 1 et un polariseur à grille 17 formé d'une plaque diélectrique transparente sur une face de laquelle est appliquée une grille constituée par des fils conducteurs équidistants. Figure 4 shows a laser generator, the optical resonant cavity is formed by an optical element 10 of the type shown in Figure 1 and a grid polarizer 17 formed of a transparent dielectric plate on one side of which is applied a gate constituted by son equispaced conductors. L'élément 10 et le polariseur 17 sont disposés parallèlement entre eux de façon que leurs grilles soient en regard l'une de l'autre. The element 10 and the polarizer 17 are arranged parallel to each other so that their gates are opposite from each other. Les fils des grilles de l'élément et du polariseur font entre eux un angle b. The son of the grids of the element and the polarizer are at an angle b.

A l'intérieur de la cavité est disposé suivant un axe 18 un milieu actif laser 19. Le générateur comporte en outre des moyens 20 pour exciter le milieu actif 19 afin d'obtenir l'effet laser. Inside the cavity is arranged along an axis 18, an active laser medium 19. The generator further comprises means 20 for exciting the active medium 19 to achieve the laser effect.

Dans la cavité laser ainsi formée, l'élément 10 se comporte comme un miroir totalement réfléchissant et le polariseur 17 comme un miroir partiellement transparent dont le coefficient de réflexion équivalent R est donné par l'expression suivante In the laser cavity thus formed, the element 10 acts as a totally reflecting mirror and the polarizer 17 as a partially transparent mirror which R effective reflection coefficient is given by the following expression
R = 1 4 (1 - cos 4 b) (1 R = 1 4 (1 - cos 4 b) (1
3 3 étant l'angle du déphasage provoqué par l'élément 10, ce déphasage satisfaisant à ltexpression suivante 3 3 being the angle of the phase shift caused by the element 10, this phase shift satisfying following ltexpression

Figure img00060001

dans laquelle représente la longueur d'onde du rayonnement laser, + et t 2 étant toujours supposés égaux entre eux. wherein represents the wavelength of the laser radiation, and t + 2 are always assumed to be equal to each other.

Il est donc possible de choisir l'angle b" de façon à obtenir un faisceau laser 21 sortant de la cavité à travers le polariseur 17. It is therefore possible to select the angle b "so as to obtain a laser beam 21 exiting the cavity through the polarizer 17.

Grâce à des moyens, représentés schématiquement en 22, pour faire tourner le polariseur 17 autour de l'axe 18, il est possible de faire varier le coefficient de réflexion équivalent R de la cavité du gnra- teur laser. With means, shown schematically at 22, for rotating the polarizer 17 around the axis 18, it is possible to vary the effective reflection coefficient R of the laser gnra- tor cavity.

Claims (7)

    REVENDICATIONS
  1. 1/ Dispositif optique de déphasage comportant au moins un élément optique, caractérisé en ce que l'élément optique comprend - un polariseur à grille formé d'une plaque diélectrique (1) transparente et d'une grille (2) constituée par des fils métalliques conduc- teurs (3) disposés dans un plan, parallèlement entre eux, à égale distance (d) l'un de l'autre, cette grille étant appliquée sur une face de la plaque diélectrique - et une pellicule métallique plane réfléchissante (4) dont une face est appliquée sur l'autre face de la plaque diélectrique (1) cet élément (10) étant capable de modifier la phase d'un faisceau de rayonnement monochromatique cohérent (6) dont la longueur d'onde est supérieure à la distance (d) entre les fils (3) de la grille (2), la déphasage entre le rayonnement (16) sortant de l'élément et le rayonnement incident (15) étant sensiblement proportionnel à l'épaisseur (e) de la plaque diélectrique (1). 1 / An optical phase comprising at least one optical element, characterized in that the optical element comprises - a grid polarizer formed of a dielectric plate (1) transparent and of a grid (2) consisting of metal son tors conductors (3) arranged in a plane, parallel to one another at an equal distance (d) from each other, the gate being applied on one side of the dielectric plate - and a reflecting plane metal film (4) one face of which is applied on the other face of the dielectric plate (1) this member (10) being capable of changing the phase of a monochromatic coherent radiation beam (6) whose wavelength is greater than the distance (d) between the son (3) of the grid (2), the phase difference between the radiation (16) exiting from the element and the incident radiation (15) being substantially proportional to the thickness (e) of the dielectric plate (1).
  2. 2/ Dispositif selon la revendication 1, oaractérisé en ce que le polariseur à grille comporte en outre une couche antireflet (23) disposée entre la plaque diélectrique (1) et la grille (2). 2 / A device according to claim 1, oaractérisé in that the grid polarizer further comprises an antireflection layer (23) disposed between the dielectric plate (1) and the gate (2).
  3. 3/ Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un support plan (5) fixé sur l'autre face de la pellicule métallique (4). 3 / An optical device according to claim 1, characterized in that it further comprises a planar support (5) fixed on the other face of the metal film (4).
  4. 4/ Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (12) pour faire tourner l'élément optique (10) autour d'un axe (13) parallèle au plan de la grille (2) et perpendiculaire à la direction des fils (3) de la grille, la rotation de l'élément optique entraînant une variation du déphasage 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la plaque diélectrique (1) est choisie de façon à obtenir un déphasage demi-onde. 4 / An optical device according to claim 1, characterized in that it further comprises means (12) for rotating the optical element (10) about an axis (13) parallel to the plane of the grid (2) and perpendicular to the direction of the son (3) of the gate, the rotation of the optical element causing a change in phase 5 / apparatus according to claim 1, characterized in that the thickness (e) of the dielectric plate (1 ) is selected so as to obtain a half-wave phase shift.
  5. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la plaque diélectrique (1) est choisie de façon à obtenir un déphasage quart d'onde. 6 / Apparatus according to claim 1, characterized in that the thickness (e) of the dielectric plate (1) is selected so as to obtain a quarter wave phase shift.
  6. 7/ Générateur laser comportant un dispositif de déphasage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un autre polariseur (17) à grille disposé parallèlement à l'élément optique (10), les grilles de l'élément optique et de l'autre polariseur étant en regard l'une de l'autre, de façon à former avec l'élément optique (10) une cavité optique résonnante, - un milieu actif (19) disposé à l'intérieur de la cavité - et des moyens (20) d'excitation du milieu actif, capables de provoquer la formation d'un rayonnement amplifié dans la cavité, une partie de ce rayonnement sortant de la cavité à travers l'autre polariseur à grille (17) de façon à former un faisceau laser (21), le coefficient de transmission optique de l'autre polariseur à grille étant fonction de l'angle (b) que font entre eux les fils de grille de l'élément optique de déphasage (10) et de l'autre polariseur (17) à grille. 7 / laser generator having a phase shift device according to claim 1, characterized in that it further comprises - a further polarizer (17) at grid arranged parallel to the optical element (10), the gates of the optical element and on the other polarizer being opposite to each other, so as to form with the optical element (10) a resonant optical cavity, - an active medium (19) disposed within the cavity - and means (20) for exciting the active medium capable of causing the formation of an amplified radiation into the cavity, part of the outgoing radiation from the cavity through the other grid polarizer (17) so as to forming a laser beam (21), the optical transmittance of the other grid polarizer being a function of the angle (b) that form between them the son gate of the optical element phase shift (10) and of another polarizer (17) grid.
  7. 8/ Générateur laser selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (22) pour faire varier ledit angle (b) que font entre eux les fils de grille de l'élément optique et du polariseur. 8 / laser generator according to claim 7, characterized in that it further comprises means (22) for varying said angle (b) that form between them the gate son of the optical element and the polarizer.
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