FR2679386A1

FR2679386A1 - Device for compensating birefringence in laser oscillators and amplifiers

Info

Publication number: FR2679386A1
Application number: FR9108966A
Authority: FR
Inventors: Orszag Alain
Original assignee: Quantel SA
Current assignee: Quantel SA
Priority date: 1991-07-16
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1993-01-22

Abstract

Device for compensating birefringence in a laser oscillator or amplifier, comprising at least one amplifier bar (stripe) (1) and means for pumping the amplifier bar, causing it to be heated, characterised in that it includes, arranged on the path of the light beam being passed through the amplifier bar, an optical element (2) made of a birefringent material, compensating, for each of the rays of the beam, the birefringence introduced by the material of the bar amplifying the light.

Description

Un laser est essentiellement constitué d'un matériau amplificateur, généralement de forme allongée et fréquemment cylindrique, disposé entre deux miroirs. A laser is essentially made of an amplifying material, generally of elongated shape and frequently cylindrical, placed between two mirrors.

La lumière du laser décrit alors des allers et retours entre ces deux miroirs, en traversant le milieu amplificateur. The laser light then goes back and forth between these two mirrors, passing through the amplifying medium.

Pour certains modes de fonctionnement du laser, divers éléments optiques (lentilles, diaphragmmes,...) sont intercalés sur le trajet de la lumière, entre l'amplificateur et les miroirs. For certain operating modes of the laser, various optical elements (lenses, diaphragms, ...) are interposed on the light path, between the amplifier and the mirrors.

Dans ces conditions, le fonctionnement optimum du laser nécessite que le matériau amplificateur ne perturbe pas la polaristation de la lumière qui le traverse. Under these conditions, the optimum functioning of the laser requires that the amplifying material does not disturb the polarization of the light passing through it.

Or, en pratique, et surtout dans les lasers à hautes performances, l'amplificateur, fortement chauffé par le rayonnement direct des lampes servant au pompage, lorsque celui-ci fait appel à des lampes, l'est aussi, dans tous les cas (pompage par lampes, diodes lasers, ou par un autre laser) par les transitions non radiatives inhérentes au pompage des lasers. However, in practice, and especially in high performance lasers, the amplifier, strongly heated by the direct radiation of the lamps used for pumping, when the latter uses lamps, is also, in all cases ( pumping by lamps, laser diodes, or by another laser) by the non-radiative transitions inherent in pumping lasers.

L'amplificateur, ainsi chauffé dans sa masse, ne peut être refroidi que par sa surface extérieure. The amplifier, thus heated in its mass, can only be cooled by its external surface.

La zone centrale est donc toujours plus chaude que celle-ci. The central area is therefore always warmer than this.

Dans le cas fréquent où le matériau amplificateur revêt la forme d'un cylindre à base circulaire et même si l'emplacement de la ou des source(s) de "pompage" qui éclairent le barreau peut influer légèrement sur la répartition des températures internes, on constate qu'en général, dans un laser optimisé, celles-ci obéissent à une loi de répartition dont la variation, selon un rayon, présente un aspect parabolique (Fig. 1). In the frequent case where the amplifying material takes the form of a cylinder with circular base and even if the location of the source (s) of "pumping" which illuminate the bar can slightly influence the distribution of internal temperatures, it can be seen that in general, in an optimized laser, these obey a distribution law, the variation of which, according to a radius, has a parabolic aspect (Fig. 1).

Cette répartition de température provoque une dilatation du matériau, plus importante au centre qu'au bord. This temperature distribution causes the material to expand, more at the center than at the edge.

La zone interne se trouve donc en compression, avec sauf sur l'axe, un gradient orienté radialement, tandis que la zone périphérique est en tension. Ce gradient provoque, par effet photoélastique, deux phénomènes
1) une variation radiale de l'indice moyen, variation qui entraîne, pour des rayons cheminant initialement parallèlement à l'axe dans le barreau, une différence de marche entre ceux cheminant près de l'axe, et ceux cheminant près des bords, ce qui rend le barreau amplificateur équivalent à une lentille (convergente dans le cas du grenat yttrium-aluminium, YAG)
2) l'apparition en chaque point d'une biréfringence (si le matériau était initialement isotrope verre, YAG, etc...) ou d'une variation de biréfringence (si le matériau était déjà anisotrope : rubis...), dont les directions "principales" sont orientées selon les directions des contraintes principales.The internal zone is therefore in compression, with except on the axis, a gradient oriented radially, while the peripheral zone is in tension. This gradient causes, by photoelastic effect, two phenomena
1) a radial variation of the average index, a variation which results, for spokes traveling initially parallel to the axis in the bar, a difference in path between those traveling near the axis, and those traveling near the edges, this which makes the amplifier rod equivalent to a lens (convergent in the case of yttrium-aluminum garnet, YAG)
2) the appearance at each point of a birefringence (if the material was initially isotropic glass, YAG, etc.) or of a variation of birefringence (if the material was already anisotropic: ruby ...), of which the "main" directions are oriented along the directions of the main constraints.

Le premier phénomène, effet de lentille de l'amplificateur, étant facile à compenser, le but de la présente invention est de créer un moyen de compenser le second phénomène, lié à la biréfringence. The first phenomenon, the lens effect of the amplifier, being easy to compensate, the aim of the present invention is to create a means of compensating for the second phenomenon, linked to birefringence.

Elle a donc pour objet un dispositif compensateur de biréfringence dans un oscillateur ou amplificateur laser comprenant au moins un barreau amplificateur et des moyens de pompage du barreau amplificateur provoquant l'échauffement de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte disposé sur le parcours du faisceau lumineux traversant le barreau amplificateur un élément optique en un matériau biréfringent compensant pour chacun des rayons du faisceau, la biréfringence introduite par le matériau du barreau amplifiant la lumière. It therefore relates to a device for compensating for birefringence in an oscillator or laser amplifier comprising at least one amplifier bar and means for pumping the amplifier bar causing it to heat up, characterized in that it comprises disposed on the course of the light beam passing through the amplifying rod an optical element made of a birefringent material compensating for each of the rays of the beam, the birefringence introduced by the material of the rod amplifying the light.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et sur lesquels
- la figure 1 est diagramme montrant la loi de répartition de la température dans un barreau amplificateur de section cylindrique en fonction de la distance à l'axe du barreau
- la figure 2 est un schéma représentant les directions principales de la biréfringence en un point d'un barreau amplificateur subissant un échauffement
- la figure 3 est un diagramme représentant la variation de la direction de la vibration lumineuse pour un rayon entrant en un point M du barreau ;;
- la figure 4 est un diagramme illustrant l'aspect du vecteur polarisation dans l'ensemble d'une section déterminée d'un barreau amplificateur
- la figure 5 est un diagramme représentant la réfraction d'un rayon entrant parallèlement à l'axe ZZ' d'un amplificateur;
- la figure 6 est un diagramme représentant la réfraction d'un rayon entrant avec un angle avec l'axe
ZZ' de l'amplificateur
- la figure 7 est un diagramme représentant l'écart de marche DL entre composantes radiale et tangentielle d'un rayon situé à une distance r de l'axe du barreau
- la figure 8 est un diagramme montrant la réfraction d'un rayon dans un cristal biréfringent d'axe ZZ'
- la figure 9 est un schéma d'un dispositif compensateur de biréfringence suivant l'invention
- la figure 10 est un schéma d'un autre mode de réalisation du dispositif compensateur de biréfringence;
- la figure 11 est un schéma d'une variante du dispositif compensateur de biréfringence ;
- la figure 12 est un schéma d'encore un autre mode de réalisation du dispositif compensateur de biré fringence à système optique intermédiaire suivant l'invention.The invention will be better understood on reading the following description made with reference to the accompanying drawings given solely by way of examples and in which
- Figure 1 is diagram showing the law of distribution of the temperature in an amplifier bar of cylindrical section according to the distance to the axis of the bar
- Figure 2 is a diagram showing the main directions of birefringence at a point of an amplifier bar undergoing heating
- Figure 3 is a diagram showing the variation of the direction of the light vibration for a ray entering a point M of the bar;
- Figure 4 is a diagram illustrating the appearance of the polarization vector in the whole of a determined section of an amplifier bar
- Figure 5 is a diagram showing the refraction of an incoming ray parallel to the axis ZZ 'of an amplifier;
- Figure 6 is a diagram representing the refraction of an incoming ray with an angle to the axis
ZZ 'of the amplifier
- Figure 7 is a diagram representing the walking distance DL between radial and tangential components of a radius located at a distance r from the axis of the bar
- Figure 8 is a diagram showing the refraction of a ray in a birefringent crystal of axis ZZ '
- Figure 9 is a diagram of a birefringence compensating device according to the invention
- Figure 10 is a diagram of another embodiment of the birefringence compensator;
- Figure 11 is a diagram of a variant of the birefringence compensating device;
- Figure 12 is a diagram of yet another embodiment of the fringence bire compensator device with an intermediate optical system according to the invention.

En prenant comme exemple (non limitatif), le cas d'un matériau initialement isotrope, présentant la loi d'échauffement de révolution prise également comme exemple au début, les contraintes principales, et donc les directions principales de la biréfringence, seront orientées en chaque point M comme représenté à la Fig. 2, selon les directions radiale MR tangentielle MT et parallèle à l'axe ZZ' du cylindre. A cette biréfringence correspond une surface des indices formée (le corps étant supposé initialement isotrope) d'une sphère de rayon nO qu'on appelle l'indice "ordinaire" et d'un ellipsoïde de demi-axes, nO et ne, n, étant l'indice "extraordinaire". Taking as an example (not limiting), the case of an initially isotropic material, presenting the law of heating of revolution also taken as an example at the beginning, the main stresses, and therefore the main directions of birefringence, will be oriented in each point M as shown in FIG. 2, in the radial directions MR tangential MT and parallel to the axis ZZ 'of the cylinder. To this birefringence corresponds a surface of the indices formed (the body being supposed to be initially isotropic) of a sphere of radius nO which is called the "ordinary" index and of an ellipsoid of semi-axes, nO and ne, n, being the "extraordinary" index.

En fonctionnement dans un oscillateur ou amplificateur laser, le matériau, supposé par exemple cylindrique, est généralement parcouru dans le sens de la longueur par un faisceau lumineux sensiblement parallèle et de même axe que celui du cylindre. In operation in an oscillator or laser amplifier, the material, assumed to be cylindrical for example, is generally traversed lengthwise by a light beam substantially parallel and of the same axis as that of the cylinder.

Dans ces conditions, comme représenté à la Fig. Under these conditions, as shown in FIG.

3, un rayon traversant une section du cylindre en M, par exemple, verra deux indices selon l'orientation de sa polarisation E.3, a ray crossing a section of the cylinder in M, for example, will see two indices according to the orientation of its polarization E.

Généralement la lumière cheminant dans le matériau doit être polarisée, soit pour le fonctionnement du laser (cas de la plupart des lasers déclenchés), soit pour son utilisation (si lton veut, par exemple, engendrer de la lumière harmonique). Tous les rayons lumineux cheminant le long du cylindre auront donc à l'entrée une même direction de vibration, par exemple parallèle à Y sur la Fig. 3, cette direction étant imposée par un polarisateur inséré dans le faisceau. Generally the light passing through the material must be polarized, either for the operation of the laser (case of most of the lasers triggered), or for its use (if one wants, for example, to generate harmonic light). All the light rays traveling along the cylinder will therefore have the same vibration direction at the entrance, for example parallel to Y in FIG. 3, this direction being imposed by a polarizer inserted in the beam.

Pour étudier sa propagation, une telle vibration
E doit être décomposée selon les "directions principales" du milieu anisotrope, c'est-à-dire selon sa composante radiale Er et sa composante tangentielle ET. Ces deux composantes, en phase à l'entrée de l'amplificateur, se propagent à des vitesses différentes, caractérisées par les indices "radial" et "tangentiel", définis plus haut, et se recombinent en sortie pour engendrer en général une vibration elliptique E'.To study its propagation, such a vibration
E must be broken down into the "main directions" of the anisotropic medium, that is to say according to its radial component Er and its tangential component ET. These two components, in phase at the input of the amplifier, propagate at different speeds, characterized by the "radial" and "tangential" indices, defined above, and recombine at the output to generally generate an elliptical vibration. E '.

Dans la mesure où seule la composante de E' selon OY est "utile" pour l'amplificateur, ce phénomène se traduit par une moindre amplification pour le rayon considéré, le cas le plus défavorable étant celui où le retard introduit sur la composante la plus lente par rapport à l'autre atteint k/4, k étant la longueur d'onde de la lumière de fonctionnement de l'amplificateur. L'ellipse E' de la
Fig. 3 est alors totalement aplatie et parallèle à OX, ce qui rend cette lumière inutilisable.Insofar as only the component of E 'according to OY is "useful" for the amplifier, this phenomenon results in less amplification for the radius considered, the most unfavorable case being that where the delay introduced on the most slow with respect to the other reaches k / 4, k being the wavelength of the operating light of the amplifier. The ellipse E 'of the
Fig. 3 is then completely flattened and parallel to OX, which makes this light unusable.

Ensuite, à retard croissant de la composante "lente", le déphasage atteint k/2, ce qui aboutit à inverser la polarisation du rayon sortant, qui se trouve ainsi à nouveau dans la direction d'admission du polarisateur de sortie, etc.. Then, with increasing delay of the "slow" component, the phase shift reaches k / 2, which results in reversing the polarization of the outgoing ray, which is thus again in the direction of admission of the output polarizer, etc.

On peut représenter l'aspect du vecteur polarisation dans l'ensemble d'une section déterminée, par exemple celle où la différence de marche maximum est W/4, ce qui conduit à la Fig. 4. We can represent the aspect of the polarization vector in the whole of a determined section, for example that where the maximum path difference is W / 4, which leads to FIG. 4.

Pour étudier plus précisément la propagation des rayons lumineux dans l'amplificateur, on se place dans le plan radial de M comme le montre la Fig. 5. La sphère et l'ellipsoïde décrits plus hauts seront recoupés par ce plan, qui est (par symétrie) un plan principal, selon un cercle Eo et une ellipse Ee, tangents selon la direction radiale (direction générale de symétrie des contraintes). To study more precisely the propagation of light rays in the amplifier, we place ourselves in the radial plane of M as shown in Fig. 5. The sphere and the ellipsoid described above will be intersected by this plane, which is (by symmetry) a main plane, according to a circle Eo and an ellipse Ee, tangent in the radial direction (general direction of symmetry of the constraints).

Deux cas peuvent alors se présenter. Two cases can then arise.

Si le rayon incident i arrive parallèlement à
ZZ', sa surface d'onde est perpendiculaire à ZZ'. Après traversée d'un interface hypothétique (I) (section droite du barreau passant par M), la surface d'onde reste parallèle à elle-même (car les surfaces d'ondes réfrac tées (Se) et (SO) sont normales à MUTEZ MT,, Te et To étant les intersections, avec Ee et E0, de la normale en M au plan (I).If the incident ray i arrives parallel to
ZZ ', its wave surface is perpendicular to ZZ'. After crossing a hypothetical interface (I) (straight section of the bar passing through M), the wave surface remains parallel to itself (because the refracted wave surfaces (Se) and (SO) are normal to MUTEZ MT ,, Te and To being the intersections, with Ee and E0, of the normal in M to the plane (I).

Les deux rayons réfractés, normaux en Te et To à
Eo et Ee, sont donc confondus et dans le plan de la Fig.The two refracted rays, normal in Te and To to
Eo and Ee, are therefore confused and in the plane of FIG.

5, qui est le plan méridien de M. Cela n'empêche pas que, selon la direction de la polarisation du rayon incident i, l'énergie réfractée se répartit différemment entre re et rO. Mais ces deux rayons restent confondus en direction.5, which is the meridian plane of M. This does not prevent that, according to the direction of polarization of the incident ray i, the refracted energy is distributed differently between re and rO. But these two rays remain confused in direction.

Si le rayon i n'est pas parallèle à l'axe ZZ' comme représenté à la Fig. 6, (par exemple, du fait du gradient thermique dans le barreau, qui entraîne, comme exposé au début, un effet de lentille convergente), ce rayon incident en M dans une section (I) du barreau, fait un petit angle i avec la normale. If the radius i is not parallel to the axis ZZ 'as shown in FIG. 6, (for example, due to the thermal gradient in the bar, which causes, as explained at the beginning, a converging lens effect), this incident ray at M in a section (I) of the bar, makes a small angle i with the normal.

On fait l'hypothèse que i est dans un plan méridien de M. La surface d'onde associée (S) est alors perpendiculaire à ce plan méridien, pris comme plan de la
Fig. 6.We assume that i is in a meridian plane of M. The associated wave surface (S) is then perpendicular to this meridian plane, taken as the plane of the
Fig. 6.

Si i coupe la sphère de rayon unite en U, les surfaces réfractées (S*) et (SO) seront perpendiculaires à MTe et MTO, Te et To étant l'intersection avec Eo et Ee de la normale à (I) passant par U. Cette normale et ses points de contact To et Te avec la sphère Eo et l'ellip- soïde Ee sont dans le plan méridien de M, et les rayons r0 et r. orientés selon les normales en T. et Te à Eo et E0, y sont aussi. If i intersects the sphere of unit radius in U, the refracted surfaces (S *) and (SO) will be perpendicular to MTe and MTO, Te and To being the intersection with Eo and Ee of the normal to (I) passing through U This normal and its points of contact To and Te with the sphere Eo and the ellipsoid Ee are in the meridian plane of M, and the radii r0 and r. oriented according to the normals in T. and Te at Eo and E0, are also there.

On peut calculer l'écart angulaire dr entre r0 et re, et montrer que cet écart est dr = i(1/ne-1/nO), donc petit par rapport aux angles r et i. We can calculate the angular difference dr between r0 and re, and show that this difference is dr = i (1 / ne-1 / nO), therefore small compared to the angles r and i.

On calcule aussi que, par rapport à la différence de marche DL introduite par la différence des indices nO et ne caractérisant les rayons ordinaire et extraordinaire, même lorsque leurs trajets sont confondus, la différence de marche supplémentaire d(DL) due aux trajets différents r0 et re lorsque i n'est plus parallèle à l'axe du barreau est beaucoup plus petite que la précédente, et peut donc être négligée par rapport à elle. Si n est l'indice moyen du matériau, et e son épaisseur, on a en effet DL = e(ne-nO)
et d (DL) = i dr = e i2 ((n0-n0)/n2]
L'écart entre les indices ne et nO, biréfringence due à l'effet photoélastique en chaque point M, est proportionnel aux contraintes, et par suite à la température en ce point.We also calculate that, compared to the path difference DL introduced by the difference of the indices nO and not characterizing the ordinary and extraordinary rays, even when their paths are combined, the additional path difference d (DL) due to the different paths r0 and re when i is no longer parallel to the axis of the bar is much smaller than the previous one, and can therefore be neglected compared to it. If n is the average index of the material, and e its thickness, we have indeed DL = e (ne-nO)
and d (DL) = i dr = e i2 ((n0-n0) / n2]
The difference between the indices ne and nO, birefringence due to the photoelastic effect at each point M, is proportional to the stresses, and consequently to the temperature at this point.

Comme le montre la Fig. 7, la différence de marche DL obéit donc à une loi quadratique, partant d'un minimum au centre de chaque section, pour croître ensuite quadratiquement en fonction de OM. As shown in Fig. 7, the difference in walk DL therefore obeys a quadratic law, starting from a minimum at the center of each section, to then grow quadratically as a function of OM.

Les propriétés optiques d'un cylindre chauffé, qui viennent d'être décrites, sont très voisines de celles d'un matériau optique anisotrope dit "uniaxe", dont l'axe cristallographique serait confondu avec l'axe "ZZ') de symétrie de révolution du cylindre. Dans un tel matériau, la surface des indices en chaque point M se décompose en une sphère (Eo) et un ellipsoïde (Ee) tangents sur l'axe ZZ'. The optical properties of a heated cylinder, which have just been described, are very close to those of an anisotropic optical material called "uniaxial", the crystallographic axis of which would be coincident with the axis "ZZ ') of symmetry of cylinder revolution In such a material, the surface of the indices at each point M decomposes into a sphere (Eo) and an ellipsoid (Ee) tangent on the axis ZZ '.

M étant un point de la face d'entrée d'une lame à face parallèle taillée dans un tel matériau, avec ses faces perpendiculaires à l'axe cristallographique, si une onde (S) correspondant à un rayon incident i faisant 1 ' angle i avec la normale arrive en M, et si on trace une figure telle que la Fig. 8 dans le plan d'incidence de i, les plans d'onde réfractés SO et Ee sont les plans perpendiculaires à MTo et MT où To et Te sont les intersections de (Eo) et (E,) avec la normale abaissée de
U sur le plan de la face d'entrée.Les rayons réfractés r0 et re, orientés selon les normales en To et Te à (Eo) et (ex), ont des directions presque confondues tant que i est petit. Par contre, chacun achemine une polarisation déterminée (radiale pour re, tangentielle pour rO), qui se propagent à des vitesses différentes correspondant aux indices nO et n. Il en résulte entre eux une différence de marche DL qui est une fonction quadratique de i.M being a point on the entry face of a blade with a parallel face cut in such a material, with its faces perpendicular to the crystallographic axis, if a wave (S) corresponding to an incident ray i making the angle i with the normal arrives at M, and if we draw a figure such as Fig. 8 in the plane of incidence of i, the refracted wave planes SO and Ee are the planes perpendicular to MTo and MT where To and Te are the intersections of (Eo) and (E,) with the normal lowered by
U on the plane of the entry face. The refracted rays r0 and re, oriented according to the normals in To and Te at (Eo) and (ex), have almost identical directions as long as i is small. On the other hand, each conveys a determined polarization (radial for re, tangential for rO), which propagate at different speeds corresponding to the indices nO and n. This results in a path difference DL which is a quadratic function of i.

La seule différence avec le cylindre chauffé est que dans celui-ci la différence de marche entre composante radiale et composante tangentielle en un point M, est une fonction quadratique de la distance de M au centre (Fig. 7), alors que dans un matériau uniaxe orienté comme indiqué plus haut, ce retard relatif, pour un rayon d'angle d'incidence i (petit), est une fonction quadratique de i. The only difference with the heated cylinder is that in this one the difference of course between radial component and tangential component in a point M, is a quadratic function of the distance from M to the center (Fig. 7), whereas in a material uniaxial oriented as indicated above, this relative delay, for a radius of angle of incidence i (small), is a quadratic function of i.

On peut donc envisager une compensation de la biréfringence dans un cylindre chauffé, à condition de faire correspondre à chaque distance OM = r dans le cylindre, une incidence i dans un matériau uniaxe approprié, que l'on appellera dans la suite, le "compensateur" ou le "cristal" car, en pratique, la plupart des matériaux naturellement uniaxes sont des cristaux. It is therefore possible to envisage compensation for the birefringence in a heated cylinder, provided that each distance OM = r in the cylinder corresponds to an incidence i in an appropriate uniaxial material, which will be called hereinafter, the "compensator "or" crystal "because, in practice, most naturally uniaxial materials are crystals.

On remarquera que la biréfringence du cristal uniaxe provoque pour chaque rayon entrant (en provenance de l'amplificateur) sous l'incidence i l'apparition de deux rayons réfractés, tous deux dans le plan de symétrie passant par l'axe, si le rayon entrant s'y trouve. It will be noted that the birefringence of the uniaxial crystal causes for each incoming ray (from the amplifier) under the incidence i the appearance of two refracted rays, both in the plane of symmetry passing through the axis, if the ray entering is there.

On a vu que l'écart géométrique entre ces rayons introduit une "différence de marche" d(DL) bien plus faible que DL, DL étant la différence "principale" due à l'existence de deux vitesses de propagation. We have seen that the geometric difference between these radii introduces a much smaller "path difference" d (DL) than DL, DL being the "main" difference due to the existence of two propagation speeds.

Dans la plupart des cas pratiques de compensation, la biréfringence dans l'amplificateur n'exède pas notablement k car les biréfringences supérieures correspondent, par exemple dans un YAG, à des tensions dues à l'échauffement proches de la limite de rupture. Par conséquent, le compensateur sera construit pour que DL ait la valeur précédente, généralement de l'ordre de ou inférieur à k. Dans ces conditions, comme d(DL) DL, l'écart de phase entre le rayon "ordinaire" et le rayon "extraordinaire" correspondant à un même rayon entrant, reste négligeable. In most practical cases of compensation, the birefringence in the amplifier does not significantly exceed k because the higher birefringences correspond, for example in a YAG, to voltages due to heating close to the breaking limit. Consequently, the compensator will be constructed so that DL has the previous value, generally of the order of or less than k. Under these conditions, like d (DL) DL, the phase difference between the "ordinary" ray and the "extraordinary" ray corresponding to the same incoming ray, remains negligible.

On peut aussi calculer que la distance entre les points de sortie du cristal des rayons "normal" et "extraordinaire", correspondant à un même rayon entrant, est négligeable par rapport à la distance initiale de ce rayon à l'axe. We can also calculate that the distance between the crystal exit points of the "normal" and "extraordinary" rays, corresponding to the same incoming ray, is negligible compared to the initial distance of this ray from the axis.

On peut donc considérer qu'il n'y a qu'un seul rayon sortant dont les deux composantes (axiale et radiale) sont déphasées l'une par rapport à l'autre, et le faisceau n' est donc pas, pratiquement, "dédoublé" de façon perceptible par son passage dans le matériau biréfringent. We can therefore consider that there is only one outgoing ray, the two components of which (axial and radial) are out of phase with each other, and the beam is therefore not, practically, " noticeable "by its passage through the birefringent material.

Dans ce qui suit, l'élément dénommé "matériau amplificateur" ou "amplificateur" pourra désigner aussi bien l'élément qui, introduit dans un résonateur optique permet à celui-ci d'entrer en oscillation pour constituer un oscillateur laser (ou "laser"), que l'élément qui, intercalé dans le faisceau lumineux émis par le dispositif précédent, permet de l'amplifier ("amplificateur laser" ou "amplificateur"). In what follows, the element called "amplifier material" or "amplifier" may also designate the element which, introduced into an optical resonator allows it to oscillate to form a laser oscillator (or "laser "), that the element which, inserted in the light beam emitted by the previous device, makes it possible to amplify it (" laser amplifier "or" amplifier ").

De même, sont dénommés I'"axe ou le "plan" de symétrie, l'axe ou le plan de symétrie de leurs propriétés optiques dans la zone traversée par le faisceau laser. Likewise, the "axis or" plane "of symmetry, the axis or the plane of symmetry of their optical properties in the area through which the laser beam passes are called.

Dans la pratique, le moyen le plus simple pour réaliser la compensation est d'intercaler le cristal uniaxe, orienté avec son axe cristallographique parallèle à l'axe de révolution du matériau amplificateur, dans le faisceau lumineux sortant de celui-ci, de telle sorte que les rayons le traversant, traversent également le cristal. In practice, the simplest way to achieve compensation is to interpose the uniaxial crystal, oriented with its crystallographic axis parallel to the axis of revolution of the amplifying material, in the light beam leaving it, so that the rays passing through it also pass through the crystal.

Selon une disposition possible représentée à la
Fig. 9, le matériau amplificateur 1 est un barreau présentant une symétrie de révolution et auquel est associée une source de lumière de pompage P. Un cristal par exemple en quartz ou en zircon est placé dans l'alignement du matériau amplificateur 1 sans l'interposition d'aucun élément optique, mais de telle sorte que son axe cristallographique A soit parallèle à la direction ZZ' de l'axe optique de l'amplificateur. Par parallélisme il faut entendre soit un parallélisme strict, soit le parallélisme résultant de la transposition par un dioptre par exemple obtenu par une légère inclinaison de la face d'entrée de l'élément compensateur, l'axe cristallographique A de l'élément compensateur étant alors orienté parallèlement à la direction de réfraction des rayons parallèles à ZZ'.According to a possible arrangement shown in the
Fig. 9, the amplifier material 1 is a rod having a symmetry of revolution and with which is associated a pumping light source P. A crystal for example made of quartz or zircon is placed in alignment with the amplifier material 1 without the interposition of 'no optical element, but so that its crystallographic axis A is parallel to the direction ZZ' of the optical axis of the amplifier. By parallelism is meant either a strict parallelism, or the parallelism resulting from the transposition by a diopter for example obtained by a slight inclination of the entry face of the compensating element, the crystallographic axis A of the compensating element being then oriented parallel to the direction of refraction of the rays parallel to ZZ '.

Dans ces dispositions c'est la convergence ou la divergence "naturelle" du cylindre chauffé 1, convergence due au gradient d'indice, qui entraînera la compensation de biréfringence. In these arrangements it is the "natural" convergence or divergence of the heated cylinder 1, convergence due to the index gradient, which will cause the birefringence compensation.

Selon la variante de la Fig. 10, sur laquelle la source de pompage a été omise, si la convergence naturelle n'est pas suffisante pour obtenir des angles d'incidence i permettant la compensation, on peut donner à l'entrée du cristal compensateur une courbure appropriée, par exemple en forme de calotte sphérique, afin d'amener à l'intérieur les rayons lumineux à faire avec l'axe, l'angle r permettant la compensation. Cependant, une courbure de la face d'entrée du cristal amène à l'évidence une différence de parcours dans le cristal entre rayons cheminant à des distances différentes de l'axe. According to the variant of FIG. 10, on which the pumping source has been omitted, if the natural convergence is not sufficient to obtain angles of incidence i allowing compensation, the input of the compensating crystal can be given an appropriate curvature, for example in shape of a spherical cap, in order to bring inside the light rays to be made with the axis, the angle r allowing compensation. However, a curvature of the entry face of the crystal obviously leads to a difference in the path in the crystal between rays traveling at different distances from the axis.

De ce fait, la loi de variation du retard de l'une des ondes par rapport à l'autre n'est plus exactement celle de la Fig. 7, et la compensation de biréfringence ne sera pas parfaite. As a result, the law of variation of the delay of one of the waves with respect to the other is no longer exactly that of FIG. 7, and the birefringence compensation will not be perfect.

Cependant, tant que la flèche de la calotte que constitue la face reste petite par rapport à l'épaisseur moyenne du matériau, on peut considérer que la compensation restera suffisante. Sinon, ou si la flèche cesse d'être petite par rapport à l'épaisseur, on peut imposer à l'autre face du matériau compensateur un profil permettant de maintenir la constance de l'épaisseur (par exemple sphérique si la première face l'est) comme l'illustre la Fig. 10, qui représente à titre d'exemple un barreau amplificateur 3 auquel est associé un cristal compensateur 4 dont l'axe cristallographique A est parallèle à l'axe optique ZZ' du barreau amplificateur 3 et dont les faces 5,6 sont en forme de calottes sphériques. However, as long as the deflection of the cap which constitutes the face remains small relative to the average thickness of the material, it can be considered that the compensation will remain sufficient. Otherwise, or if the deflection ceases to be small compared to the thickness, it is possible to impose on the other face of the compensating material a profile making it possible to maintain the constancy of the thickness (for example spherical if the first face the is) as illustrated in Fig. 10, which represents by way of example an amplifier bar 3 with which is associated a compensating crystal 4 whose crystallographic axis A is parallel to the optical axis ZZ 'of the amplifier bar 3 and whose faces 5, 6 are in the form of spherical caps.

Un cas particulier intéressant est celui où le matériau biréfringent constituant le compensateur est en même temps doté d'un pouvoir rotatoire, comme, par exemple, le quartz. An interesting particular case is that where the birefringent material constituting the compensator is at the same time endowed with a rotary power, like, for example, quartz.

Dans ce cas particulier, chaque rayon traversant le matériau voit sa direction de polarisation tourner d'un angle proportionnel au chemin optique parcouru, par exemple 7"5 par mm de chemin optique pour le quartz et pour la lumière de longueur d'onde 1,06 un. Pour des rayons faisant un angle faible avec l'axe cristallographique, ce phénomène se superpose à la biréfringence. In this particular case, each ray passing through the material sees its direction of polarization rotate by an angle proportional to the optical path traveled, for example 7 "5 per mm of optical path for quartz and for light of wavelength 1, 06 a. For rays making a small angle with the crystallographic axis, this phenomenon is superimposed on the birefringence.

Pour éviter qu'il modifie les polarisations des rayons après traversée du compensateur, condition nécessaire pour que celui puisse continuer à remplir sa fonction comme calculé, un premier moyen consiste à utiliser deux compensateurs accollés, formés de quartz "droit" et de quartz "gauche". Mais il est plus simple de n'utiliser qu'un seul cristal, dont on choisit l'épaisseur optique de façon que la rotation soit de k/2 ou d'un multiple de k/2, ce qui conduit à environ 24 mm et ses multiples. To avoid it modifying the polarizations of the rays after crossing the compensator, a necessary condition so that it can continue to fulfill its function as calculated, a first means consists in using two adjoining compensators, formed of "right" quartz and "left" quartz ". But it is simpler to use only one crystal, the optical thickness of which is chosen so that the rotation is k / 2 or a multiple of k / 2, which leads to approximately 24 mm and its multiples.

Selon une autre disposition possible, on intercale une lentille entre le cylindre amplificateur et le cristal, pour imposer à chaque rayon sortant à la distance r de l'axe du cylindre la déviation angulaire i (proportionnelle à r) nécessaire au compensateur. According to another possible arrangement, a lens is interposed between the amplifier cylinder and the crystal, in order to impose on each ray exiting at the distance r from the axis of the cylinder the angular deviation i (proportional to r) necessary for the compensator.

Selon une autre disposition possible, le cylindre amplificateur lui-même peut comporter au moins une face taillée en forme de lentille, généralement sphérique, pour imprimer aux rayons qui le traversent la déviation angulaire qui permettra la meilleure compensation de biréfringence par le cristal associé. According to another possible arrangement, the amplifier cylinder itself may comprise at least one face cut into the shape of a lens, generally spherical, to impart to the rays which pass through it the angular deviation which will allow the best compensation of birefringence by the associated crystal.

D'autres dispositions possibles, faisant appel à des dispositifs optiques plus complexes, ou à d'autres moyens pour créer une biréfringence éventuellement adaptée à des milieux amplificateurs n' ayant pas la symétrie de révolution peuvent être mis en oeuvre. Ceuxci peuvent être compensés en inclinant l'axe optique du cristal uniaxe, ou en utilisant un cristal biaxe. Other possible arrangements, using more complex optical devices, or other means to create a birefringence possibly adapted to amplifying media not having the symmetry of revolution can be implemented. These can be compensated for by tilting the optical axis of the uniaxial crystal, or by using a biaxial crystal.

Enfin, ces cristaux eux-mêmes pourraient être remplacés par un compensateur formé d'un matériau initialement optiquement isotrope, mais rendu biréfringent par l'application de contraintes mécaniques, thermiques ou électriques appropriées. Ce matériau peut être par exemple du verre, de la silice, du grenat yttrium-aluminium. Finally, these crystals themselves could be replaced by a compensator formed from an initially optically isotropic material, but made birefringent by the application of appropriate mechanical, thermal or electrical stresses. This material can be for example glass, silica, yttrium-aluminum garnet.

A la Fig. 11 on a représenté un agencement comprenant un barreau amplificateur 7 sur le trajet du faisceau duquel est placé un compensateur 8 constitué par un cristal uniaxe d'axe cristallographique A incliné sur l'axe optique ZZ' du barreau 7. In Fig. 11 there is shown an arrangement comprising an amplifier bar 7 on the beam path of which is placed a compensator 8 constituted by a uniaxial crystal of crystallographic axis A inclined on the optical axis ZZ 'of the bar 7.

Cette disposition permet de compenser les biréfringences d'amplificateurs ne présentant pas la symétrie de révolution, à condition que ces biréfringences conservent un plan de symétrie. This arrangement makes it possible to compensate for the birefringences of amplifiers which do not have the symmetry of revolution, provided that these birefringences maintain a plane of symmetry.

Le matériau biréfringent peut également être un corps "biaxe". The birefringent material can also be a "biaxial" body.

A la Fig. 12 on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel, sur le trajet du faisceau lumineux d'un barreau amplificateur 9 est disposé un compensateur 10 constitué par un cristal d'axe cristallographique parallèle à l'axe du barreau 9, au moins un élément optique 11 étant en outre interposé entre le barreau 9 et le cristal 10. In Fig. 12 another embodiment of the invention has been shown in which, on the path of the light beam of an amplifying bar 9, a compensator 10 is arranged consisting of a crystal with a crystallographic axis parallel to the axis of the bar 9, at least one optical element 11 being also interposed between the bar 9 and the crystal 10.

L'élément optique 11 peut être par exemple une lentille shérique ou cylindrique intercalée entre le barreau amplificateur 9 et le cristal 10. The optical element 11 may for example be a sherical or cylindrical lens interposed between the amplifier bar 9 and the crystal 10.

Selon une variante l'élément optique 11 qui adapte le matériau amplificateur 9 à l'élément correcteur 10 peut être rendu variable pour permettre la correction de la biréfringence d'amplificateurs fonctionnant à des puissances moyennes différentes, par exemple, à des cadences différentes. According to a variant, the optical element 11 which adapts the amplifier material 9 to the correcting element 10 can be made variable to allow correction of the birefringence of amplifiers operating at different average powers, for example, at different rates.

Claims

1. A device for compensating for birefringence in an oscillator or laser amplifier comprising at least one amplifier bar (1; 3; 7; 9) and means for pumping the amplifier bar, causing it to heat up, characterized in that it comprises arranged on the path of the light beam passing through the amplifying bar an optical element (2; 4; 8; 10) in a birefringent material compensating for each of the rays of the beam, the birefringence introduced by the material of the bar amplifying the light.

2. Compensating device according to claim 1, characterized in that said at least one amplifier bar (1; 3; 9) having a symmetry of revolution, the compensating optical element (2; 4; 10) is a uniaxial crystal whose l he crystallographic axis (A) is arranged parallel to the axis of the amplifier.

3. Compensating device according to claim 1, characterized in that the birefringent optical element is a uniaxial body (8) whose crystallographic axis (A) is inclined relative to the optical axis of said at least one amplifier bar (7 ).

4. Compensating device according to claim 1, characterized in that the birefringent element is made of a biaxial body.

5. Compensating device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the birefringent element consists of at least one birefringent material endowed with rotary power and its thickness is adjusted so that the polarization of the waves which pass through it undergoes a determined rotation.

6. Compensating device according to claim 5, characterized in that the birefringent element is formed of two materials of equal rotary powers but in opposite directions.

7. Compensating device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the birefringent element is made of an initially isotropic material made birefringent by the application of an appropriate mechanical, thermal or electrical stress.

8. Compensating device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the birefringent element is machined so as to present, at the entry and at the exit of the light beam, faces either planar or having an appropriate curvature, generally spherical, to bring the convergence or divergence of the beam in the birefringent material of the compensating element to a value allowing the desired compensation of the birefringence of the amplifying bar.

9. Compensator device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the amplifying material, with which the compensator element is associated, is machined so that one or both faces crossed by the beam have a curvature generally spherical suitable, intended to bring the divergence of the beam to a value allowing the best birefringence compensation.

10. Compensating device according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one suitable optical element (11) is interposed between the amplifier bar (9) and the birefringent element (10), for the purpose of better adapt the corrective birefringence to that appearing in the amplifier.

11. A compensating device according to claim 10, characterized in that the optical element (11) for adapting the amplifying material (9) to the correcting element (10) is made variable, to allow the correction of the birefringence of amplifiers operating at different average powers for example, at different cedences.

12. Compensating device according to one of claims 2 and 3, characterized in that the material of the compensating optical element (2; 4; 8; 10) is quartz or zircon.

13. A compensating device according to one of claims 4 to 6, characterized in that said birefringent material is quartz.

14. A compensating device according to claim 7, characterized in that the material of the correcting optical element is glass, silica, yttrium-aluminum garnet.