FR2589290A1

FR2589290A1 - Laser a doublement de frequence par accord de phase de type ii

Info

Publication number: FR2589290A1
Application number: FR8610632A
Authority: FR
Inventors: Kuo-Ching Liu
Original assignee: Quantronix Inc
Current assignee: Quantronix Inc
Priority date: 1985-10-29
Filing date: 1986-07-22
Publication date: 1987-04-30
Anticipated expiration: 2006-07-22
Also published as: FR2589290B1; GB2182197B; GB8624607D0; CA1249650A; GB2182197A; DE3631909A1; DE3631909C2

Abstract

UN LASER A DOUBLEMENT DE FREQUENCE PAR ACCORD DE PHASE DE TYPEII COMPREND DEUX MIROIRS 10, 20 DISPOSES DE FACON A FORMER UNE CAVITE OPTIQUE, UN MILIEU LASER 18, UN CRISTAL 14, GENERATEUR DE SECOND HARMONIQUE SELON LA TECHNIQUE D'ACCORD DE PHASE DE TYPEII, UNE LAME QUART D'ONDE 12 A LA FREQUENCE DU FAISCEAU FONDAMENTAL 22 ET UN "Q-SWITCH" OPTIONNEL 16. LE FAISCEAU FONDAMENTAL 22 EMIS PAR LE LASER 18, DE POLARISATION ALEATOIRE, DECOMPOSABLE EN DEUX COMPOSANTES H ET V, TRAVERSE UNE PREMIERE FOIS LE CRISTAL 14, CE QUI PROVOQUE UN RETARD DE PHASE ENTRE LES COMPOSANTES DU FAISCEAU FONDAMENTAL 22. LE DOUBLE PASSAGE DU FAISCEAU FONDAMENTAL 22 PAR LA LAME QUART D'ONDE 12 INTERVERTIT LES ORIENTATIONS DES COMPOSANTES H ET V, CE QUI, APRES LA SECONDE TRAVERSEE DU CRISTAL 14, REMET EN PHASE LES DEUX COMPOSANTES H ET V ET RESTITUE LA POLARISATION ALEATOIRE INITIALE AU FAISCEAU EMERGENT 22.

Description

Laser à doublement de fréquence par accord de phase de type II.

L'invention concerne un laser à fréquence double et en particulier un procédé et un appareil pour engendrer un faisceau laser à fréquence double, en utilisant la technique d'accord de phase de type II dans un cristal générateur de second harmonique, à l'intérieur d'une cavité. La génération de second harmonique (GSH) est une technique

permettant de doubler la fréquence d'une source laser.

Par ce procédé, une onde électromagnétique fondamentale se propageant dans un milieu non linéaire, induit une onde de polarisation à une fréquence double de celle de l'onde fondamentale. A cause de la dispersion de l'indice de réfraction du milieu, la vitesse de phase d'une telle onde est fonction de sa fréquence, si bien que la phase de l'onde de polarisation induite du second harmonique

est retardée par rapport à celle de l'onde fondamentale.

Comme c'est le vecteur somme de toutes les polarisations engendrées au second harmonique qui fournit l'intensité

GSH, cette intensité est limitée par le retard de phase.

Une technique, connue sous le nom "d'accord de phase"

("phase matching") a été conçue pour pallier ce problème.

Elle utilise la biréfringence naturelle des cristaux uni-axes et bi-axes, c'est-à-dire la différence de vitesse de phase en fonction de la polarisation, pour compenser l'effet de dispersion, de telle sorte que l'onde fondamentale

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et l'onde du second harmonique puissent se propager en phase. Il existe deux procédés bien connus d'accord de phase, qui utilisent les vecteurs de polarisation de l'onde incidente

fondamentale de façons différentes.

Dans le procédé d'accord de phase de type I, l'onde fondamen-

tale est polarisée perpendiculairement à l'axe optique du cristal (rayon ordinaire noté O) et l'onde induite du second harmonique est polarisée parallèlement à l'axe optique (rayon extraordinaire noté E). Un procédé utilisant l'accord de phase de type I est décrit dans le brevet américain N 4 413 342. Comme l'onde fondamentale est polarisée selon les axes optiques du cristal, il n'y a pas de changement dans sa polarisation linéaire lorsqu'elle sort du cristal. Un dispositif GSH de type I peut facilement être implanté à l'intérieur d'une cavité de manière à utiliser pleinement la puissance volumique élevée disponible à l'intérieur de la cavité du laser, car l'introduction du cristal GSH ne produira pas de pertes de polarisation significatives. Dans l'accord de phase de type II, l'onde fondamentale linéairement polarisée est divisée de manière égale en

deux rayons O et E car on impose que le vecteur de polarisa-

tion fasse un angle de 45 par rapport à l'axe optique du cristal; l'onde de second harmonique de sortie qui en résulte est linéairement polarisée parallèlement à l'axe optique (rayon E). Dans ce cas, les vitesses de phase des rayons O et E de l'onde fondamentale incidente sont différentes à cause de la biréfringence naturelle du cristal. En général, la polarisation linéaire de cette onde fondamentale d'entrée est transformée en une polarisation elliptique au fur et à mesure de la propagation de l'onde à travers le cristal. La grandeur du retard de phase entre les rayons O et E est le produit de la différence d'indice

du milieu traversé et du trajet optique effectif.

Lorsqu'un tel cristal de type II est placé à l'intérieur de la cavité résonnante d'un laser, ce retard de phase peut provoquer une perte de puissance sérieuse car, dans le cas d'un laser linéairement polarisé, la polarisation linéaire initiale n'est en général pas conservée de façon convenable.

Lorsque le laser est polarisé de manière aléatoire, c'est-à-

dire selon une direction non connue fluctuant dans le temps, comme cela est le cas des lasers multimodes lorsque le milieu laser n'est pas naturellement biréfringent et qu'aucun élément polarisant n'est utilisé à l'intérieur de la cavité, le cristal GSH de type II crée un retard de phase entre les composantes de polarisation décomposées selon les axes O et E du cristal. Ce retard, qui double lors du trajet retour de l'onde fondamentale dans le cristal GSH de type II, peut influer sur la stabilité et la puissance de sortie du laser en affectant la capacité du laser à

optimiser sa polarisation par rapport à des effets thermi-

ques ou autres effets induits par la biréfringence dans

le milieu laser.

On peut essayer de compenser ce retard de phase en utilisant

un dispositif passif tel qu'un compensateur Babinet-Soleil.

Cependant, le retard dépend en général de la température, et des variations thermiques peuvent être induites soit par l'environnement ambiant soit par l'absorption propre du rayonnement laser (fondamental et/ou second harmonique) dans le cristal lui-même. Une telle compensation passive devient alors difficile à maintenir pendant le fonctionnement normal du laser. A cause de ces problèmes, la génération de second harmonique de type II est habituellement utilisée

dans un dispositif situé hors cavité, dans lequel la polari-

sation de l'onde fondamentale sortant du cristal GSH ne joue pas un rôle important. L'on perd bien sûr alors l'avantage présenté, pour la génération de second harmonique, par le fait qu'à l'intérieur de la cavité l'onde fondamentale

possède une puissance volumique supérieure.

Dans de nombreux l'asers,la forme temporelle de la puissance de sortie peut être modifiée par un procédé connu sous le nom de "fonctionnement déclench&' ou "commutation de surtension" ("Q-switching"). Dans ce cas, un dispositif spécial qui modifie la qualité optique ou le Q de la cavité résonnante, est introduite dans le faisceau à l'intérieur de la cavité résonnante. Ce commutateur de surtension peut être activé de manière à produire une perte optique suffisamment importante pour dépasser le gain optique ou amplification, fourni par le milieu laser, inhibant ainsi l'oscillation. Si la source excitant le milieu laser est maintenue en fonctionnement pendant la période de Q faible, l'énergie est emmagasinée dans le milieu laser

sous la forme d'une inversion de population excédentaire.

Lorsque le commutateur de surtension est arrêté (ce qui amène rapidement la cavité résonnante à un état de Q élevé), cette population en excès est utilisée pour produire une impulsion de haute intensité, déclenché. Comme la plupart des commutateurs de surtension sont contrôlés électroniquement, le procédé peut être répété à une fréquence de répétition élevée, ce qui fait de ces lasers "déclenchés" une source utile d'impulsions de haute intensité. On peut ainsi engendrer des impulsions dont l'intensité de crête est des milliers de fois supérieure au niveau de la puissance de sortie d'un laser en onde continue. Comme les ondes de longueurs d'ondes plus courtes ont de meilleurs capacités de focalisation et interagissent mieux avec la matière, il y a souvent

intérêt à doubler la fréquence des lasers déclenchés.

Le but principal de l'invention est de pallier les désavan-

tages d'un système utilisant l'accord de phase de type Ii à l'intérieur d'une cavité pour la génération de second harmonique en compensant l'effet de biréfringence du cristal GSH lors de la retraversée par l'onde fondamentale du

cristal GSH.

Un autre but de l'invention est de permettre la réalisation d'un dispositif doubleur de la fréquence d'un laser contenant

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un milieu laser dans lequel le faisceau fondamental incident sur ce milieu laser maintient sa polarisation initiale

linéaire ou aléatoire.

Un autre but de l'invention est également de permettre la réalisation d'un système dans lequel le faisceau de sortie dont la fréquence est double a une polarisation connue. Le dispositif comprend des moyens de génération d'harmonique laser pour engendrer une fréquence de second harmonique à partir de la fréquence fondamentale émise par un laser, des moyens pour compenser dynamiquement tout retard de phase créé par le passage du faisceau fondamental à travers lesdits moyens de génération d'harmonique, un premier miroir fortement réfléchissant à la fréquence fondamentale, et un second miroir. Les premier et second miroirs sont placés de telle sorte qu'ils forment une cavité pour le

laser, le générateur d'harmonique et les moyens de compen-

sation.

Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un laser à doublement de fréquence comprenant: un premier et un second miroir construits et disposés de façon à former entre eux une cavité optique; un milieu laser disposé à l'intérieur de la cavité optique

pour produire un faisceau possédant une fréquence fonda-

mentale prédéterminée et une polarisation (linéaire ou bien aléatoire) qui peut être décomposée en deux composantes orthogonales coplanaires; un cristal propre à créer un faisceau de second harmonique polarisé, à l'aide de la technique d'accord de phase de type II, en réponse aux composantes du faisceau fondamental, ledit cristal ayant son-axe optique parallèle à l'une desdites

composantes, et ayant un axe ordinaire et un axe extraordi-

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naire selon lesquels sont orientés les rayons orthogonaux desdites composantes du faisceau fondamental, ledit cristal produisant de plus un retard de phase différentiel entre ces rayons orthogonaux; et des moyens pour éliminer le retard différentiel de phase,

lors du trajet retour à travers le cristal.

Selon un autre aspect de l'invention, les moyens d'élimina-

tion comprennent des moyens susceptibles d'intervertir, après une première traversée desdits moyens, une réflexion sur le second miroir et une seconde traversée en retour desdits moyens, les orientations respectives desdits rayons orthogonaux afin d'éliminer le retard différentiel de

phase à la seconde traversée du cristal.

Dans un type de réalisation de l'invention, le faisceau fondamental a une polarisation linéaire connue décomposable en deux composantes orthogonales; l'axe optique du cristal fait un angle de 45 par rapport à la polarisation linéaire choisie; ses axes ordinaire et extraordinaire sont orientés selon lesdites composantes orthogonales. Le cristal crée donc de plus un retard de phase différentiel entre lesdites

composantes orthogonales.

De préférence, lesdits moyens d'interversion sont adaptés à maintenir la polarisation linéaire du faisceau de second harmonique. Plus particulièrement, les moyens d'interversion sont constitués par une lame disposée de façon à ce que le faisceau fondamental la traverse deux fois après une première traversée du cristal afin que les composantes ordinaire et extraordinaire du faisceau fondamental soient échangées l'une pour l'autre, avant que le faisceau fondamental

n'entre de nouveau dans le cristal.

Avantageusement, cette lame est une lame quart d'onde z

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à la fréquence fondamentale; elle peut aussi être une

lame demi-onde à la fréquence de second harmonique.

De son côté, le second miroir est hautement réfléchissant à la fréquence fondamentale; de préférence, il est fortement

transmissif à la fréquence doublée.

Le laser peut comprendre également un troisième miroir pour réfléchir et focaliser le faisceau fondamental émis par le laser sur le cristal. C'est de préférence ce troisième

miroir qui sert à transmettre le faisceau de second harmoni-

que à l'extérieur de la cavité.

Selon une variante intéressante, les moyens d'interversion sont constitués d'une lame quart d'onde à la fréquence fondamentale et d'une lame quart d'onde à la fréquence

de second harmonique.

Enfin, selon encore un autre aspect de l'invention, la cavité comprend en outre un commutateur de surtension

("Q-switch") pour déclencher le faisceau fondamental.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après,

et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre un générateur de second harmonique selon l'invention pour un faisceau fondamental polarisé selon une direction variable non connue (polarisation dite aléatoire); - la figure 2 illustre un second mode de réalisation de l'invention pour un faisceau fondamental à polarisation aléatoire; - la figure 3 illustre un générateur de second harmonique

selon cette invention pour un faisceau fondamental linéai-

rement polarisé et dont la direction de polarisation est connue;

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- la figure 4 illustre le second mode de réalisation de l'invention pour un faisceau fondamental dont la direction

- de polarisation est connue.

Sur la figure 1, on a représenté un système laser doubleur de fréquence comprenant les éléments suivants alignés selon un axe optique commun 8: un miroir 10, une lame quart d'onde 12, un cristal GSH 14, un milieu laser 18, un commutateur de surtension optionnel 16 et un second miroir 20. Le laser 18 est adapté pour produire un faisceau laser à une fréquence fondamentale prédéterminée selon l'axe optique 8. Ce laser pourra être par exemple un laser YAG (abréviation anglo-saxonne désignant le Grenat d'Yttrium Aluminium), laser qui émet un faisceau à une longueur d'onde de 1064 nm. Le milieu laser, un barreau laser, peut être placé à l'intérieur d'un réflecteur de pompage associé à une lampe de pompage. Ces éléments de laser sont bien connus de l'homme de l'art et n'ont pas été

représentés sur la figure 1, pour en préserver la clarté.

Le faisceau émis par le milieu laser 18 a une polarisation dont la direction est quelconque et non connue (polarisation aléatoire). Comme indiqué sur la figure 1, il peut être décomposé en deux composantes orthogonales V et H. Le cristal 14 est un cristal générateur de second harmonique,

connu, tel qu'un cristal PTK (phosphate titanyle de potassium).

Le cristal 14 est orienté de sorte que, comme indiqué par la flèche Z sur la figure 1, son axe optique soit parallèle à l'une des composantes du faisceau émis par le milieu laser 18 (par exemple la composante V). On pourra choisir, par exemple, la composante V du laser 18 orientée verticalement selon l'axe Y et la composante H orientée - - --horizontalement selon l'axe X. Ainsi, comme indiqué sur la figure 1, les axes E et O (tels que définis plus haut)

du cristal 14 sont respectivement parallèle et perpendicu-

laire à la verticale.

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La lame 12 est choisie de façon à fonctionner comme une lame quart d'onde à la fréquence fondamentale. L'axe optique de la lame, indiqué par la flèche Q sur la figure 1, est orienté à 45 par rapport à la composante V du faisceau fondamental. Le miroir 10 est fortement réfléchissant à la fréquence fondamentale et fortement transmissif à la fréquence du second harmonique. Le miroir 20 est fortement réfléchissant à la fréquence fondamentale. Les miroirs 10 et 20 sont placés de façon à former une cavité optique résonnante pour le faisceau fondamental produit par le milieu laser 18. A l'intérieur de cette cavité sont disposés le cristal

GSH 14 et la lame 12.

Au fur et à mesure de la propagation du faisceau initial 22 à travers le cristal 14, le cristal, en réponse aux deux composantes V et H du faisceau polarisé aléatoirement

22 (rayons O et E), produit un faisceau 24 ayant une fré-

quence double de celle du faisceau fondamental, orientée

selon la verticale (rayon E) comme indiqué sur la figure 1.

Le faisceau 24 traverse la lame 12 et le miroir 10, sortant

ainsi de la cavité.

Au fur et à mesure que le faisceau fondamental 22 dont les polarisations verticale et horizontale sont orientées parallèlement et perpendiculairement à.l'axe Z, se propage à travers le cristal GSH, la biréfringence du cristal crée un retard de phase entre les composantes fondamentales

V et H (rayons E et O respectivement) du faisceau fondamen-

tal 22.

Sur la figure 1, on a supposé qu'après passage à travers le cristal 14, le rayon O du faisceau fondamental 22 est en retard par rapport au rayon E. Sans aucun moyen compensatoire de ce décalage de phase,

le faisceau fondamental réfléchi par le miroir 10 et retra-

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versant le cristal GSH présentera deux fois le retard de phase qu'il avait à l'issue du premier passage à travers le cristal et la polarisation du faisceau entrant de nouveau dans le milieu laser 18 ne sera en général pas la même que celle du faisceau initial quittant le milieu laser 18, ce qui pourra provoquer des pertes significatives et indésirables ou bien créer une instabilité dans le

laser 18.

C'est pourquoi dans la présente invention, le faisceau 22 est envoyé du cristal GSH 14 à la lame 12 qui est une lame quart d'onde pour la fréquence fondamentale. Sur la figure 1, ainsi qu'il a été indiqué auparavant, la lame 12 est représentée avec son axe optique faisant un angle de 45 avec la composante V du faisceau fondamental incident sur le cristal 14.Après réflexion sur le miroir

, le faisceau 22' retraverse la lame quart d'onde 12.

Il résulte de ces deux passages par la lame quart d'onde 12, que les rayons V et H du faisceau 22 sont pivotés d'un angle de 90 , si bien que, comme indiqué sur la figure 1, l'orientation des rayons E et O du faisceau 22' est inversée par rapport à l'orientation des composantes du faisceau 22. Cependant, le rayon O est toujours en retard par rapport au rayon E. Le faisceau réfléchi 22' passe alors à travers le cristal 14 mais cette fois, le rayon E présente un décalage de phase différentiel d'une valeur identique

au décalage de phase différentiel par rapport à O correspon-

dant au premier passage si bien que les rayons E et O du faisceau 22', lorsque celui-ci quitte le cristal 14, sont maintenant en phase et se combinent pour former les composantes V et H du faisceau fondamental avec la même phase que celle qu'avait le faisceau quittant le milieu actif 18. Ainsi, en insérant une lame 12 entre le cristal 14 et le miroir 10, il est possible de compenser avec succès les effets dus à la biréfringence du cristal GSH

et donc de les éliminer.

Par conséquent, les composantes V et H du faisceau fondamen-

l1 2589290 tal incident sur le cristal 14 et les composantes V' et H' du faisceau fondamental sortant du cristal 14 ont les mêmes relations de phase, ce qui permet d'éliminer toute

perte ou instabilité dans la cavité résonnante du laser.

Il est à remarquer que la lame 12 et le cristal 14 fonc-

tionnent de manière dynamique. Dans la présente invention, le décalage de phase est automatiquement et précisément

corrigé indépendamment de la température du cristal.

Le cas échéant, un commutateur de surtension 16 peut être ajouté entre le laser 18 et le miroir 20 pour déclencher

le faisceau laser de manière appropriée.

Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 2.

Dans ce mode, le laser à fréquence double comprend une cavité à trois miroirs constituée d'un premier miroir 118, d'un cristal GSH 114, d'une lame quart d'onde 116, d'un second miroir 120, d'un troisième miroir 112 et d'un milieu laser 110. Le laser 110, le cristal 114 et la lame quart d'onde 116 fonctionnent de manière identique à leurs équivalents dans le mode de réalisation représentée en figure 1. Le miroir 120 est fortement réfléchissant à la fréquence fondamentale. Le miroir 112 est fortement réfléchissant à la fréquence fondamentale et fortement transmissif à la fréquence de second harmonique. De plus, le miroir 112 est placé et disposé de manière à focaliser la sortie du laser 110 sur le cristal 114 pour une génération efficace de second harmonique. Le miroir 118 est fortement réfléchissant à la fréquence fondamentale et à la fréquence

de second harmonique.

Le mode de fonctionnement est le suivant. Un rayon fondamental ayant une polarisation aléatoire 122 produit par un milieu laser 110, est réfléchi et focalisé par le miroir 112 sur le cristal 114. Le cristal produit un faisceau de second harmonique 124. Après propagation à travers le cristal 114, les rayons O et E du faisceau fondamental 122

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sont décalés en phase l'un par rapport à l'autre ainsi

qu'il a été décrit dans ie mode de réalisation précédent.

De plus, comme dans le mode de réalisation précédent, la lame quart d'onde 116 relative à la fréquence fondamentale et le miroir 118 sont utilisés pour faire pivoter les rayons O et E d'un.angle de 90 après réflexion sur le miroir 118 de manière que le trajet retour du faisceau 122' à travers le cristal 114 remette toutes les composantes en phase et restaure la polarisation à la valeur qu'elle avait initialement à la sortie du milieu laser 110. Au retour par le cristal 114, le faisceau 122' produit un faisceau de second harmonique 126, qui est colinéaire

au faisceau de second harmonique réfléchi 124'.

Ainsi, dans ce mode de réalisation, le second harmonique engendré au retour du faisceau fondamental n'est pas perdu, si bien qu'il est possible d'améliorer d'un facteur 2

le gain en puissance du second harmonique. Des interféren-

ces peuvent se produire entre ces faisceaux, ce qui affec-

tera la stabilité de l'intensité de sortie GSH. Afin de pallier cet effet indésirable, les polarisations des faisceaux

124' et 126 sont rendues orthogonales à l'aide d'une techni-

que semblable à celle décrite dans le brevet américain 4 413 342. La lame 116 est simultanément une lame quart d'onde pour la fréquence de second harmonique. Le faisceau 124,après passage à travers la lame 116, réflexion sur le miroir 118, et retour à travers la même lame 116, voit sa polarisation tourner d'un angle de 90 qui devient ainsi orthogonale à la polarisation du faisceau, ce qui

empêche toute interférence avec le faisceau 126. Les fais-

ceaux 124' et 126 sont alors couplés et sortent du miroir

fortement transmissif 112.

Le faisceau 122', après son passage à travers le cristal

114, est réfléchi par le miroir 112 vers le laser 110.

Le miroir 120 ferme la cavité optique. La lame 116 compense tout décalage de phase dans les rayons O et E du faisceau fondamental comme il a été précédemment décrit, si bien que les faisceaux 122 et 122' ont la même polarisation aléatoire. Un commutateur de surtension 128, placé entre le miroir 120 et le laser 110, peut être également ajouté pour déclencher

(ou "pulser") le faisceau fondamental 122 décrit ci-dessus.

La figure 3 illustre le même dispositif que précédemment, mais dans le cas d'une lumière laser dont on connait la polarisation. On pourra par exemple introduire un polariseur 17 entre le milieu laser 18 et le cristal 14. Pour simplifier,

cette polarisation peut être choisie parallèle à la direc-

tion verticale (V). Comme, dans ce cas, la direction de polarisation de la lumière incidente sur le cristal 14 est connue, on s'assurera que le cristal 14 est orienté avec son axe optique, indiqué par la flèche Z dans la figure 3, faisant un angle de 45 par rapport à l'angle de polarisation du faisceau issu du laser 18. Par exemple, si le faisceau fondamental F du laser 18 est polarisé verticalement, ainsi que la figure 3 le montre, les axes O et E du cristal 14 sont orientés à un angle de 45 par

rapport à la verticale.

La lame 12 est choisie de manière à fonctionner comme une lame quart d'onde à la fréquence fondamentale et dans ce mode de réalisation simultanément comme une lame demi-onde à la fréquence de second harmonique. L'axe optique de la lame (ou sa perpendiculaire indiquée par la flèche Q sur la figure 3) est orienté, dans ce cas, parallèlement

à la polarisation du faisceau laser.

Les miroirs 10 et 20 ont les mêmes propriétés que ceux indiqués à la figure 1 et sont disposés de manière identique, c'est-à-dire qu'ils forment une cavité optique de résonance pour le faisceau fondamental produit par le milieu laser

18, laquelle cavité contient le cristal GSH 14 et la lame 12.

Au fur et à mesure que le faisceau initial 22 se propage I, à travers le cristal 14, le cristal, en réponse à la fois aux composantes O et E du faisceau 22, engendre un faisceau 24 ayant une fréquence double du faisceau fondamental orienté à 45 par rapport à la verticale (rayon E) comme indiqué sur la figure 3. Le faisceau 24 traverse la lame 12, le miroir 10 et sort de la cavité. Comme la lame 12 agit également comme lame demi-onde, le faisceau à la fréquence double transmis est pivoté d'un angle de 90 et traverse ensuite le miroir 10. Comme l'indique la flèche sur la figure 3, ce faisceau est polarisé linéairement

à 45 par rapport à la verticale.

Au fur et à mesure que le faisceau fondamental 22 dont la polarisation linéaire est orientée à 45 par rapport

à l'axe Z, se propage à travers le cristal GSH, la biréfrin-

gence provoque un retard de phase entre les composantes fondamentales O et E. On suppose sur la figure 3 qu'après passage à travers le cristal 14, la composante O du faisceau fondamental 22 est en retard par rapport à la composante E. Comme dans le cas d'une onde polarisée de manière aléatoire, on introduit ici une lame quart d'onde entre le cristal 14 et le miroir 10 de manière à compenser le retard de phase que présente le faisceau fondamental réfléchi sur le miroir 10 et retraversant le cristal GSH. Sur la figure 3, la lame 12 est représentée avec son axe optique parallèle (il peut aussi être perpendiculaire) à la polarisation du faisceau fondamental incident sur le cristal 14. Après réflexion sur le miroir 10, le faisceau 22' traverse de nouveau la lame quart d'onde 12. Il résulte des deux passages à travers la lame 12, que les composantes de polarisation du faisceau 22 sont tournées d'un angle de 90 de telle sorte que l'orientation des composantes E et O du faisceau 22' est inversée par rapport à l'orientation des composantes du faisceau 22. Cependant, la composante O est toujours décalée par rapport à la composante E. Le faisceau réfléchi

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22' traverse alors le cristal 14 mais cette fois la compo-

sante verticale E présente un décalage de phase différentiel d'une valeur identique au décalage de phase différentiel initial par rapport à 0 si bien que les composantes E et 0 du faisceau 22', au moment ou celui-ci quitte le cristal 14, sont maintenant en phase et se combinent pour creer une polarisation linéaire F'. Ainsi, en insérant une lame 12 entre le cristal 14 et le miroir 10, les effets biréfringents du cristal GSH sont compensés avec succès

et donc éliminés.

Il en résulte que le faisceau fondamental 22 incident sur le cristal 14 et le faisceau fondamental 22' sortant du cristal 14 ont les mêmes polarisations linéaires, ce qui empêche toute perte dans la cavité de résonance du laser.

Dans les conditions décrites ci-dessus, le faisceau harmoni-

que engendré à la sortie du cristal 14 comprend une compo-

sante ED faisant un angle de 45 par rapport à la verticale comme indiqué sur la figure 3. Comme, dans de nombreuses applications, il est désirable d'obtenir un faisceau laser

à fréquence double dont on connaisse la direction de polari-

sation linéaire, la lame 12 est construite de manière à agir simultanément comme une lame demi-onde à la fréquence de second harmonique permettant ainsi une rotation du faisceau 24 d'un angle de 90 , et comme une lamequart d'onde pour la compensation du retard de phase comme indiqué précédemment. Si la lame 12 n'avait aucune fonction relative à la fréquence de second harmonique, le faisceau à fréquence

double aurait une polarisation elliptique arbitraire.

Dans le cas du dispositif avec une lame demi-onde à la fréquence de second harmonique, le faisceau 24 sortant de la cavité optique est polarisé linéairement le long de l'axe ordinaire, par exemple, comme indiqué sur la

figure 3.

Le cas échéant, un commutateur de surtension 16 peut être

16 2589290

ajouté entre le laser 18 et le miroir 20 pour déclencher

(ou "pulser") le faisceau de laser de manière appropriée.

La figure 4 illustre le secc-rd mode def réalisation de l'invention pour un faisceau laser dont- on connait la direction de polarisation lineaire. Dans ce de mode de réalisation, le dispositif comprend, conmie dans le cas de la figure 1, un premier miroir 118, un cristal G;SH 114, une lame quart d'onde 116. in second miroir 120, un troisième miroir 112, un milieu laser 110 et un polariseur 117. Le laser 1107 le cristal 114 et la lame quart d'onde 116, ainsi que le polariseur!l?' fonctionnent de manière identique à leurs équivalents représentis dans le mode de réalisation illustré en figure 3. La figure 4 ne diffère structurellement de la figure 2 que par l'insertion du

polariseur 117 entre le laser 110 et le miroir 112.

Le mode de fonctionnement est alors le suivant. Un faisceau fondamental 122 produit par le milieu laser 110 est réfléchi et focalisé par le miroir 112 sur le cristal 114. Le cristal produit un faisceau de second harmonique linéairement polarisé 124. Après propagation à travers le cristal 114, les composantes 0 et E du faisceau fondamental 122 sont décalées en phase l'une par rapport à l'autre comme décrit

dans le précédent mode de réalisation illustré en figure 3.

De plus, la lame quart d'onde 116 pour la fréquence fondamenta-

le et le miroir 118 sont utilisés pour faire pivoter les composantes 0 et E d'un angle de 90 après réflexion de telle sorte que le passage du faisceau 122' lors de la seconde traversée du cristal 114 remet toutes les composantes en phase et restaure la polarisation à la valeur initiale qu'elle avait en quittant le milieu laser 110. Au retour à travers le cristal 114, le faisceau 122' engendre un faisceau de second harmonique 126 qui est colinéaire au

faisceau de second harmonique réfléchi 124'.

Ainsi, comme indiqué précédemment, le second harmonique engendré au trajet retour de l'onde fondamentale n'est

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pas perdu, si bien qu'il est possible là encore d'amélio-

rer le gain en puissance du second harmonique d'un facteur de 2. L'homme de l'art comprendra aisément qu'il suffit d'utili- ser les mêmes techniques mentionnées dans le cas de la

figure 2 pour pallier les effets indésirables dus à l'inter-

férence des deux faisceaux de sortie 124' et 126.

Le faisceau 122', après son passage à travers le cristal 114, est réfléchi par le miroir 112 vers le laser 110.o Le miroir 120 ferme cette cavité optique. La lame 116 compense donc le décalage en phase des composantes 0 et E du faisceau fondamental si bien que les faisceaux 122

et 122' ont la m&me polarisation linéaire.

Un commutateur de surtension 128D placé entre le miroir et Je laser 110, peut être également ajouté pour déclencher

(ou "pulser) le faisceau fondamental 122 décrit ci-dessus.

De nombreuses autres modifications peuvent être apportées à cette invention sans qu'elles modifient la portée de

l'invention telle que définie dans les revendications

jointes. ,

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Claims

Revendications.

1. Laser à doublement de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un premier (10) et un second miroir (20) construits et disposés de façon à former entre eux une cavité optique; un milieu laser (18) disposé à l'intérieur de la cavité

optique pour produire un faisceau (22) possédant une fré-

quence fondamentale prédéterminée et une polarisation qui peut être décomposée en deux composantes orthogonales;

un cristal (14) propre à créer un faisceau de second harmo-

nique (24) linéairement polarisé, à l'aide de la technique d'accord de phase de type II en réponse aux composantes du faisceau fondamental (22), ledit cristal (14) ayant son axe optique parallèle à l'une desdites composantes, et ayant un axe ordinaire et un axe extraordinaire selon lesquels sont orientés les rayons orthogonaux des composantes du faisceau fondamental (22), ledit cristal (14) produisant de plus un retard de phase différentiel entre ces rayons orthogonaux; et des moyens pour éliminer le retard différentiel de phase,

lors du trajet retour à travers le cristal.

2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que

lesdits moyens d'élimination comprennent des moyens suscep-

tibles d'intervertir, après une première traversée desdits moyens, une réflexion sur le second miroir (10) et une seconde traversée en retour desdits moyens, les orientations respectives des rayons orthogonaux, afin d'éliminer le retard différentiel de phase à la seconde traversée du

cristal (14).

3. Laser selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé

en ce que le faisceau fondamental possède une polarisation

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aléatoire.

4. Laser seIon l'une des revendicat-ions 1 et 2, caractérisé en ce que le faisceau fondamental (2.) a une polarisation linéaire connue décoaposable en deux composantes orthogo- nales; le cristal (14) a son axe optique faisant un angle de 45' par rapport à la polarisation linéaire connue du faisceau fondamentai (22) et ayant un axe ordinaire et un axe extraordinaire orientés le long desdites composantes orthogonales, ledit cristal {1(> créant aussi un retard

de phase différentiel entre lesdites composantes orthogonales.

5. Laser selon les revendications 2 et 4, prises en combinai-

son, caractérisé en ce que lesdits moyens d'interversion sont agencés de manière à maintenir la polarisation linéaire du faisceau de second harmonique

6. Laser selon l'une des revendications 1 à 50 prises

en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'interversion sont constitués par une lame (12) disposée de fagonà ce que le faisceau fondamental la traverse deux fois après une première traversée du

cristal (14) afin que les composantes ordinaire et extraor-

dinaire du faisceau fondamental (22) soient échangées l'une avec l'autre avant que le faisceau fondamental (22)

n'entre de nouveau dans le cristal.

7. Laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite lame (12) est une lame quart d'onde à la fréquence

fondamentale.

8. Laser selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé

en ce que ladite lame (12) est une lame demi-onde à la

fréquence de second harmonique.

9. Laser selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé

en ce que le premier miroir (10) est hautement réfléchissant

à la fréquence fondamentale.

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10. Laser selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé

en ce que le premier miroir (10) est fortement transmissif

à la fréquence double.

11. Laser selon]'une des 1' àeications i a 10, caractérisé en ce qu'il compre.çd également un troisième miroir (112) propre à réfl4chir et focaiser le faceau úondamentai

(122) émis par le laser sur le cr1sta\ 114i.

12. Laser selon la revendication 'I, caracterisé en ce que le troisième miroir (!!2) comprend des moyens permettant au faisceau de second harmonique e sortir de la cavité optique.

13. Laser selon la revendication i1, prise en combinaison avec la revendication 2, caracterise en ce que les moyens d'interversion sont constitués d'une lame quart d'onde (116) à la fréquence fondamenytale et d'une lame quart

d'onde (116) à la fréquence de second harmonique.

14. Laser selon l'une quelconque des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un commu-

tateur de surtension ("Q-switch: 16) propre à déclencher

le faisceau fondamental.

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