FR2701563A1 - Fibre-optic detector for the frequency fluctuations of a fine spectral line - Google Patents

Fibre-optic detector for the frequency fluctuations of a fine spectral line Download PDF

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Abstract

The detector makes it possible to measure the direction and the instantaneous amplitude of small frequency variations of fine spectral lines. It thereby makes it possible either to control a feedback system intended to stabilise this frequency or to monitor and measure an intentional variation in the latter. It essentially consists of a pair of optical fibres (2) having different lengths. The incident light (1) produces at the exit interference fringes of the Young type (3) which move as a function of time when the frequency varies. This movement is picked up in direction and in fringe fraction by a linear array (4) of photodetector cells (5) whose electrical output is connected to a reversible electronic counter (6). The device is particularly intended for frequency stabilisation of monomode lasers as well as for measuring the frequency variation of continuously tunable lasers.

Description

DESCRIPTION
Les raies spectrales très fines, essentiellement celles délivrées par les lasers, présentent couremment des dérives aléatoires de fréquence dénommées "gitter". Le dispositif est destiné à détecter ces fluctuations afin de commander une chaîne de rétroaction stabilisant la fréquence du laser. I1 peut également repérer la fréquence d'une raie que l'on souhaite accorder de manière continue. I1 est opérationnel dans le domaine de longueurs d'ondes allant de l'infrarouge à l'ultraviolet.DESCRIPTION
Very fine spectral lines, essentially those delivered by lasers, commonly exhibit random frequency drifts called "gitter". The device is intended to detect these fluctuations in order to control a feedback chain stabilizing the frequency of the laser. It can also identify the frequency of a line that you want to tune continuously. It is operational in the wavelength range from infrared to ultraviolet.

La détection du "gitter" est couremment effectuée par un interféromètre de Fabry-Pérot, le repérage du sens de déplacement de la fréquence et sa mesure étant le plus souvent confiés à un interféromètre de Michelson muni d'un système de comptage, décomptage de franges à bases de lames biréfringentes. La chute du coût des diodes laser et de certains milieux amplificateurs, fait que la stabilisation en fréquence par les techniques précédentes est d'un coût et encombrement disproportionné par rapport à celui des sources lumineuses. The detection of the "gitter" is commonly carried out by a Fabry-Pérot interferometer, the location of the direction of displacement of the frequency and its measurement being most often entrusted to a Michelson interferometer provided with a counting system, counting of fringes based on birefringent blades. The fall in the cost of laser diodes and certain amplifying media, means that frequency stabilization by the previous techniques is disproportionately costly and bulky compared to that of light sources.

L'invention décrite à pour but, par changement de la technique d'interférométrie, tout en maintenant les performances des précédents systèmes, d'en réduire considérablement le coût et l'encombrement afin de rendre par exemple possible des sources laser stabilisées faible coût. Elle a de plus dans certains contextes des performances attrayantes, supérieures à celles des systèmes conventionnels. The invention described has the aim, by changing the interferometry technique, while maintaining the performance of the previous systems, of considerably reducing the cost and the bulk thereof so as to make, for example, stabilized laser sources low cost. It has moreover in certain contexts attractive performances, superior to those of conventional systems.

Elle est brasée sur le principe des interférences "type d'Young" avec de très grandes différences de marche, cellesci étant réalisées par des fibres optiques de longueurs différentes. La lumière à analyser (1) rentre dans les deux fibres optiques de longueur L1 et L2 (2). Les fibres doivent présenter une bonne transparence à la longueur d'onde d'utilisation. Les extrémités des deux fibres sont séparées d'une distance dl à l'entrée. La distance dl est en général la plus faible possible (FIG.1). On peut cependant envisager un système optionnel de focalisation de la lumière dans les deux fibres constitué d'un prisme double lentille d'indice n (8) (FIG.3). La lumière sortant des deux fibres est divergente et distribuée dans deux faisceaux coniques séparés de d2 (7).  It is soldered on the principle of "Young type" interference with very large path differences, these being produced by optical fibers of different lengths. The light to be analyzed (1) enters the two optical fibers of length L1 and L2 (2). The fibers must have good transparency at the wavelength of use. The ends of the two fibers are separated by a distance dl at the entry. The distance dl is generally as small as possible (FIG.1). One can however envisage an optional system of focusing of the light in the two fibers made up of a double lens prism of index n (8) (FIG.3). The light leaving the two fibers is divergent and distributed in two conical beams separated from d2 (7).

Dans l'intersection des deux cônes se produit des franges d'interférences rectilignes suivant la direction OX type d'Young (3) dont l'interfrange est inversement proportionnel à d2. Si la fibre est multimode, ces franges sont localisées dans une figure de granularité laser (9) (FIG.4). La granularité laser doit alors être suffisamment grande pour contenir plusieurs franges. On satisfait cette condition en agissant sur d2 et sur le choix du diamètre et de la structure d'indice de la fibre.In the intersection of the two cones occurs fringes of rectilinear interference in the direction OX Young's type (3) whose interfrange is inversely proportional to d2. If the fiber is multimode, these fringes are located in a figure of laser granularity (9) (FIG. 4). The laser granularity must then be large enough to contain several fringes. This condition is satisfied by acting on d2 and on the choice of the diameter and the index structure of the fiber.

La stabilité temporelle de ces franges est sensible aux très faibles variations de fréquence de la source, en effet si L1 et L2 sont les longueurs respectives des deux fibres, et si on néglige le trajet de la sortie des fibres au plan d'observation des franges, la différence de trajet optique entre les deux voies de l'interféromètre est de l'ordre de n(L1-L2), n étant l'indice des fibres. On a une frange brillante pour une différence de trajet b=pX, tétant la longueur d'onde et p un entier.Si X varie, s restant fixe, on a défilement d'une interfrange pour une variation de longueur d'onde OX /p= \2/
En plaçant une barette de cellules photoréceptrices (barette CCD par exemple) orthogonalement aux franges,(4)on peut détecter le déplacement non seulement d'une fraction de frange, mais également le sens du déplacement. Numérotons par exemple les cellules photoréceptrices (5) de la figure 2 de haut en bas : 1,2,3,4... Une séquence de cellules recevant un maximum de lumière dans l'ordre 1,2,3,4... traduit un sens de déplacement opposé à celui d'une séquence dans l'ordre 4,3,2, 1... Ce sens peut être enregistré par un sequenceur électronique de principe bien connu. On accède ainsi au signe de la variation de la longueur d'onde.Le nombre minimum de cellules permettant de détecter ce signe est de trois cellules par interfrange. De même le défilement de chaque fraction de frange peut être enregistré par un compteur compteur numérique conventionnel (6). Le signe et la valeur d'un faible déplacement de fréquence de l'ordre de A\= 2/Ni (N étant le nombre de cellules photoréceptrices par interfrange) est détectable Notons qu'il ne s'agit pas de la résolution ultime du système, il est possible de procéder à une interpolation analogique ou numérique (procédés bein connus) entre les valeurs des signaux délivrés par les différentes cellules afin d'obtenir la position du maximum de luminosité de la frange avec une précision supérieure à celle donnée par les dimensions de la cellule.La différence de marche s est cependant limitée par la finesse de la raie A1R à analyser par par la relation & R-
On peut être amené selon les applications à agrandir la figure d'interférence par une optique conventionnelle affin(10) d'avoir un interfrange assez grand pour contenir le nombre N de cellules photoréceptrices voulu (FIG.5).The temporal stability of these fringes is sensitive to very small variations in frequency of the source, in fact if L1 and L2 are the respective lengths of the two fibers, and if one neglects the path from the exit of the fibers to the plane of observation of the fringes , the difference in optical path between the two channels of the interferometer is of the order of n (L1-L2), n being the fiber index. We have a bright fringe for a path difference b = pX, sucking the wavelength and p an integer. If X varies, s remaining fixed, we have scrolled an interfringe for a variation of wavelength OX / p = \ 2 /
By placing a bar of photoreceptor cells (CCD bar for example) orthogonally to the fringes, (4) it is possible to detect the displacement not only of a fraction of the fringe, but also the direction of the displacement. Let us number for example the photoreceptor cells (5) of figure 2 from top to bottom: 1,2,3,4 ... A sequence of cells receiving a maximum of light in the order 1,2,3,4 .. translates a direction of movement opposite to that of a sequence in the order 4,3,2,1 ... This direction can be recorded by an electronic sequencer of well known principle. This gives access to the sign of the wavelength variation. The minimum number of cells allowing this sign to be detected is three cells per interfringe. Similarly, the scrolling of each fringe fraction can be recorded by a conventional digital counter counter (6). The sign and the value of a small frequency shift of the order of A \ = 2 / Ni (N being the number of photoreceptor cells per interfringe) is detectable Note that this is not the ultimate resolution of the system, it is possible to carry out an analog or digital interpolation (known methods) between the values of the signals delivered by the different cells in order to obtain the position of the maximum brightness of the fringe with a precision higher than that given by the dimensions of the cell. The path difference is however limited by the fineness of the line A1R to be analyzed by the relation & R-
Depending on the applications, it may be necessary to enlarge the interference pattern by conventional optics in order to have an interfringe large enough to contain the desired number N of photoreceptor cells (FIG.5).

Un fonctionnement correct du système n'est possible que si la différence de longueur entre les deux fibres est maintenue fixe. Cette condition, lorsque la différence de longueur entre celles-ci est très grande, est sujette aux variations de température affectant la différence de longueur, ainsi qu' auxvibrations parasites. Lorsque l'application requiert des performances élevées et que le milieu extérieur est thermiquement et mécaniquement trop instable, il est nécessaire de placer le système dans une enceinte thermostatée et éventuellement contenant des joints réduisant les vibrations. Correct operation of the system is only possible if the difference in length between the two fibers is kept fixed. This condition, when the length difference between them is very large, is subject to temperature variations affecting the length difference, as well as parasitic vibrations. When the application requires high performance and the external environment is thermally and mechanically too unstable, it is necessary to place the system in a thermostatically controlled enclosure and possibly containing seals reducing vibrations.

Le système de base à deux fibres, pour des paramètres adéquats donnés choisis selon la description : choix de fibre, de la longueur L1-L2, de la barrette, du nombre N etc. rend le système opérationnel pour l'analyse d'un certain type de raie caractérisée par sa longueur d'onde moyenne 1 R et sa finesse XR.Si l'on souhaite étendre la polyvalence du système à plusieurs types de raies, ou à une raie évolutive sous l'action d'une rétroaction commandée par le système, ou encore à une raie largement accordable, on peut soit associer série de systèmes à couples de fibres, soit étendre l'idée à un système à fibres multiples. La figure 6 présente un exemple d'un tel système à quatre fibres (11) où le récepteur(l2) est dorénavent une matrice de cellules sur lequel s'inscrit quatre orientations de franges d'Young. Chaque orientation correspond à une plage d'analyse. Le traitement électronique du signal est plus compliqué mais reste du domaine des réalisations courantes. The basic system with two fibers, for suitable given parameters chosen according to the description: choice of fiber, length L1-L2, strip, number N etc. makes the system operational for the analysis of a certain type of line characterized by its average wavelength 1 R and its fineness XR. If one wishes to extend the versatility of the system to several types of lines, or to a line evolving under the action of a feedback controlled by the system, or even with a largely tunable line, one can either associate a series of systems with pairs of fibers, or extend the idea to a system with multiple fibers. FIG. 6 presents an example of such a four-fiber system (11) where the receptor (12) is henceforth a matrix of cells on which four orientations of Young fringes are inscribed. Each orientation corresponds to a range of analysis. Electronic signal processing is more complicated but remains in the realm of current achievements.

Le système dans sa version de base à deux fibres génère un signal électrique dépendant du défilement des raies. Il peut donc soit commander une chaîne de rétroaction destinée à stabiliser le défilement des franges et donc la fréquence de la raie, soit enregistrer la variation de fréquence de cette raie quand on souhaite non plus la stabiliser mais la balayer en fréquence. Le système peut fonctionner dans toute la gamme du spectre de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet lointain, à la condition qu'il existe des fibres optiques et des barettes de récepteurs photoélectriques opérationnels à la longueur d'onde d'utilisation. The system in its basic two-fiber version generates an electrical signal depending on the line flow. It can therefore either control a feedback chain intended to stabilize the running of the fringes and therefore the frequency of the line, or record the frequency variation of this line when it is no longer desired to stabilize it but to sweep it in frequency. The system can operate across the full spectrum of far infrared to far ultraviolet, provided there are optical fibers and photoelectric receiver arrays operational at the wavelength of use.

La figure 1 représente l'interféromètre à fibres. La figure 2 représente le système de détection de la fluctuation de positionnement des franges. La figure 3 représente un dispositif optionnel de focalisation de la lumière à l'entrée des fibres. La figure 4 représente la figure de granularité laser d'une fibre multimode. La figure 5 représente un dispositif d'agrandissement des franges. La figure 6 représente une extension du principe de base à quatre fibres. Figure 1 shows the fiber interferometer. FIG. 2 represents the system for detecting the fluctuation in positioning of the fringes. FIG. 3 represents an optional device for focusing the light at the entrance of the fibers. FIG. 4 represents the laser granularity figure of a multimode fiber. FIG. 5 represents a device for enlarging the fringes. Figure 6 shows an extension of the basic principle to four fibers.

En référence à ces dessins le dispositif comprend le faisceau de lumière à analyser (1) entrant dans la paire de fibres de longueurs différentes (2), donnant à sa sortie des franges d'interférences (3) dans le cône d'intersection de la lumière issue des deux fibres (7). Les franges sont analysées par une barrette de photorécepteurs (4) constituées de cellules élementaires (5).Le signal électrique généré par le déplacement des franges est analysé par un séquenceur compteur, décompteur électronique (6) affichant le décalage en fréquence et contenant une sortie permettant de commander une chaîne de rétroaction. (8) est un prisme suivi d'une double lentille permettant un couplage plus e-fficace de la lumière dans les deux fibres. (9) est la granularité laser produite par une fibre multimode. (10) est une optique simple à base de lentilles permettant d'agrandir les franges. (il) représente une extension à quatre fibres de l'interféromètre, (12) est la matrice de photorécepteurs, (13) sont les franges d'Young des différents couples de fibres. With reference to these drawings, the device comprises the beam of light to be analyzed (1) entering the pair of fibers of different lengths (2), giving at its output interference fringes (3) in the intersection cone of the light from the two fibers (7). The fringes are analyzed by a strip of photoreceptors (4) made up of elementary cells (5). The electrical signal generated by the displacement of the fringes is analyzed by a sequencer counter, electronic down counter (6) displaying the frequency offset and containing an output for controlling a feedback chain. (8) is a prism followed by a double lens allowing more efficient coupling of the light in the two fibers. (9) is the laser granularity produced by a multimode fiber. (10) is a simple lens-based optic for enlarging the fringes. (it) represents an extension to four fibers of the interferometer, (12) is the matrix of photoreceptors, (13) are the Young fringes of the different pairs of fibers.

L'assemblage des différents éléments ne fait pas appel à des astuces mécaniques autres que celles requises pour donner une stabilité suivant les normes de tout système à fibres optiques. La forme finale du système dépend fortement de la raie à analyser et des exigences de précision déterminant la différence de longueur entre les fibres et le nombre
N pouvant respectivement varier de quelques millimètres à centaines de mètres, de 3 à plusieurs centaines.The assembly of the different elements does not call for mechanical tricks other than those required to give stability according to the standards of any fiber optic system. The final shape of the system strongly depends on the line to be analyzed and the precision requirements determining the difference in length between the fibers and the number
N can respectively vary from a few millimeters to hundreds of meters, from 3 to several hundred.

A titre d'exemple avec une longueur de fibre de 50 m et une valeur de N de 5 ce qui correspond à un système modeste faible coût le pouvoir de résolution dans le vert est de 750 millions, valeur difficillement accessible à un interféromètre de Fabry-Pérôt. Pour une différence de longueur maintenant égale à 500 mètres et N=100 on obtient plus de 1011 valeur en soi record mais de faisabilité technique difficille au niveau de la stabilisation thermique et mécanique. For example, with a fiber length of 50 m and an N value of 5, which corresponds to a modest low-cost system, the resolution power in the green is 750 million, a value that is difficult to access with a Fabry interferometer. Perôt. For a difference in length now equal to 500 meters and N = 100, more than 1011 record value per se is obtained, but technical feasibility is difficult in terms of thermal and mechanical stabilization.

Le dispositif est particulièrement destiné à se substituer à l'interféromètre de Fabry-Pérôt lorsque celui-ci est utilisé en lumière de bonne cohérence spatiale : asservissement de sources laser etc. vu le faible coût de sa technologie. I1 en est de même pour les Xmètres à interféromètres de Michelson substituables par l'invention. Le système poussé à ses meilleures performances est apte à analyser les raies laser les plus fines produit  The device is particularly intended to replace the Fabry-Pérôt interferometer when it is used in light of good spatial coherence: control of laser sources etc. given the low cost of its technology. It is the same for Xmeters with Michelson interferometers substitutable by the invention. The system pushed to its best performance is able to analyze the finest laser lines produced

Claims (9)

REVENDICATIONS 1) Dispositif pour détecter et mesurer les variations de fréquence d'une raie spectralement fine caractérisé par l'utilisation de fibres optiques de longueurs différentes (2) traduisant la variation de fréquence par un défilement temporel de franges d'interférences type d'Young (3). CLAIMS 1) Device for detecting and measuring the frequency variations of a spectrally fine line characterized by the use of optical fibers of different lengths (2) translating the frequency variation by a temporal scrolling of Young type interference fringes (3). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un choix de fibre la plus transparente possible à la longueur d'onde de la mesure et dont la granularité laser (9) est de dimensions supérieures à l'interfrange du système de franges d'Young (3).2) Device according to claim 1 characterized by a choice of fiber which is as transparent as possible at the wavelength of the measurement and whose laser granularity (9) is of dimensions greater than the interfringe of the Young fringe system ( 3). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par un détecteur de défilement des franges d'interférences et compteur (6) de celles-ci constitué d'une barrette de cellules photoréceptrices (4) contenant au moins trois cellules (5) par interfrange plus si l'on souhaite augmenter la précision, ta séquence des cellules éclairées, détectée électroniquement (6) permettant d'accéder au signe de la variation de fréquence.3) Device according to claims 1 and 2 characterized by a scroll detector of the interference fringes and counter (6) thereof consisting of a strip of photoreceptor cells (4) containing at least three cells (5) per interfringe more if you wish to increase the precision, your sequence of illuminated cells, detected electronically (6) allowing access to the sign of the frequency variation. 4) Dispositif selon l'une quelquonque des revendications précédentes caractérisé par le fait que la différence de longueur des fibres est limité par la finesse de la raie à analyser, et que la précision croît comme le produit nombre4) Device according to any one of the preceding claims characterized in that the difference in fiber length is limited by the fineness of the line to be analyzed, and that the precision increases as the product number N de cellules photoréceptrices par interfrange - différence de longueur entre les fibres, ceci définissant le compromis précision,longueur de fibre, valeur de N en fonction de la longueur d'onde, de la finesse de la raie à analyser et des performances requises par l'application.N of photoreceptor cells by interfringe - difference in length between the fibers, this defining the compromise between precision, fiber length, value of N as a function of the wavelength, the fineness of the line to be analyzed and the performance required by the 'application. 5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par l'utilisation éventuelle d'un système optique simple (10) agrandissant la figure d'interférence (FIG.5) pour rendre l'interfrange supérieur au nombre N de cellules photoréceptrices choisies (5) dont le minimum est trois.5) Device according to the preceding claims characterized by the possible use of a simple optical system (10) enlarging the interference pattern (FIG.5) to make the interfrange greater than the number N of photoreceptor cells chosen (5) including the minimum is three. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par son placement éventuel dans une en ceinte thermostatée et isolée des perturbations thermiques et mécaniques lorsque celles-ci sont suceptibles de perturber la différence de longueur entre les fibres, menant à un défilement parasite des franges.6) Device according to any one of the preceding claims, characterized by its possible placement in a thermostated enclosure and isolated from thermal and mechanical disturbances when these are likely to disturb the difference in length between the fibers, leading to parasitic scrolling of the fringes. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une variante contenant plusieurs couples de fibres en un seul faisceau (FIG.6) afin > suivant le même principe, d'accroître la gamme de finesse résolvable et de d'onde repérable pour un dispositif donné.7) Device according to claim 1 characterized by a variant containing several pairs of fibers in a single bundle (FIG.6) so> according to the same principle, to increase the range of resolvable finesse and locatable wave for a given device . 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé par l'utilisation comme récepteur d'une matrice de cellules photoréceptrices.8) Device according to claim 7 characterized by the use as a receptor of a matrix of photoreceptor cells. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par son opérationalité dans toute la gamme du spectre optique de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet lointain sous réserve de fibres optiques et cellules photoréceptrices fonctionnant à la longueur d'onde de la raie à analyser. 9) Device according to any one of the preceding claims, characterized by its operability in the whole range of the optical spectrum from far infrared to far ultraviolet subject to optical fibers and photoreceptor cells operating at the wavelength of the line. to analyze.
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