FR2872639A1 - Dispositif d'asservissement de chemins optiques importants - Google Patents

Abstract

Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques présentant des trajets optiques importants, de l'ordre de plusieurs mètres à plusieurs centaines de mètres et dont on cherche à contrôler très précisément les longueurs.L'invention s'applique plus particulièrement aux chaînes lasers délivrant des impulsions laser de très courte durée et comportant plusieurs voies optiques placées en parallèle.L'invention a pour objet un dispositif d'asservissement de la longueur optique d'au moins une voie optique (2). Le dispositif selon l'invention comporte essentiellement une voie référence (12) placée en parallèle avec la voie optique à asservir. Une impulsion optique de test modulée est injectée dans chaque voie, des moyens de détection de phase (15) permettent alors de déterminer l'écart de phase entre les impulsions issues de chaque voie et compensent cet écart de phase au moyen d'un module optique (20) de longueur variable placé dans la voie optique à asservir.

Description

DISPOSITIF D'ASSERVISSEMENT DE CHEMINS OPTIQUES

IMPORTANTS

Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques présentant des trajets optiques importants, de l'ordre de plusieurs mètres à plusieurs centaines de mètres et dont on cherche à contrôler très précisément les longueurs.

Le domaine est plus précisément celui des chaînes lasers délivrant des impulsions laser de très courte durée et comportant plusieurs voies optiques placées en parallèle. La figure 1 est un schéma représentatif d'une telle chaîne. Elle comporte un premier laser 1 délivrant des impulsions brèves, de l'ordre de quelques nanosecondes. Cette chaîne comporte également deux voies 2 et 3 sensiblement identiques utilisées pour la mise en forme et l'amplification des impulsions initiales. Sur ce schéma, la circulation des impulsions est représentée par des flèches en traits gras. Les impulsions finales issues des chaînes d'amplification sont envoyées sur une cible 4. Si les chemins optiques LI et L2 des deux voies sont rigoureusement identiques, les temps At1 et At2 nécessaires aux impulsions pour atteindre la cible sont égaux et les impulsions atteignent la cible 4 simultanément provoquant une impulsion géante comme illustré sur le schéma droit de la figure 2 qui montre la variation de l'énergie Ec reçue sur la cible 4 en fonction du temps T. Si les chemins optiques LI et L2 des deux voies ne sont pas rigoureusement identiques, les temps At1 et Ott nécessaires aux impulsions pour atteindre la cible sont différents et les impulsions atteignent la cible à des instants différents comme illustré sur le schéma gauche de la figure 2 qui montre la variation de l'énergie Ec reçue sur la cible 4 en fonction du temps T. Dans ce cas, la concentration d'énergie est perdue. Dans l'air, où la vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres par seconde, pour obtenir une précision temporelle de 1 picoseconde, la précision spatiale correspondante est égale à 333 microns. Il faut donc être capable de maintenir des longueurs de chemins optiques pouvant mesurer plusieurs dizaines de mètres avec une précision de quelques centaines de microns. Il n'est pas possible d'obtenir cette précision uniquement par le choix de tolérances mécaniques ou de réglages mécaniques statiques. En effet, les dilatations thermiques, dues notamment aux échauffements de certains éléments des voies optiques comme les amplificateurs optiques, entraînent des variations de chemin optique dépassant nettement les tolérances requises.

Pour obtenir les tolérances voulues, un asservissement dynamique de la longueur optique de chaque voie est donc nécessaire. Pour réaliser cet asservissement, il existe plusieurs solutions connues selon l'art antérieur. Une première solution exposée sur le schéma de la figure 3 consiste à récupérer une première fraction de l'impulsion à l'entrée de la voie optique 2 au moyen d'une première lame semi-réfléchissante 5 et une seconde fraction de l'impulsion à la sortie de la voie optique 2 au moyen d'une seconde lame semi-réfléchissante 5, puis d'envoyer les énergies ainsi prélevées sur deux photodiodes 6 dont les signaux électriques de sortie représentatifs des impulsions sont envoyés à un compteur électronique 7 qui détermine la durée séparant les deux impulsions. Sur ce schéma, la circulation des impulsions est représentée par des flèches en traits gras. On asservit ensuite la longueur de la voie optique 2 pour obtenir la durée souhaitée. Cette méthode simple a cependant une résolution limitée, de l'ordre de 10 à 20 picosecondes, la fréquence d'horloge du compteur étant limitée à quelques gigaHertz. Pour certaines applications, cette résolution n'est pas suffisante. Une solution alternative consiste à utiliser une caméra à balayage de fente pour mesurer la durée séparant l'impulsion initiale de l'impulsion finale. Dans ce cas, la résolution est de l'ordre de 2 picosecondes. Cependant, il est nécessaire de disposer d'un signal de déclenchement de la caméra calé sur l'injection de l'impulsion laser dans la voie optique. De plus, ce type d'équipement est encombrant et cher et est plus spécifiquement dédié aux installations de métrologie.

Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir des précisions importantes, de l'ordre de la picoseconde sans le recours de composants coûteux. De plus, le dispositif proposé peut fonctionner soit en absolu, soit en relatif. Dans le premier cas, la longueur d'une voie optique est asservie à une longueur optique constante. Dans le second cas, la longueur d'une première voie optique est asservie à celle d'une seconde voie optique variable de façon à les maintenir toutes deux à la même longueur optique.

Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif d'asservissement de la longueur optique d'au moins une voie optique dite voie principale, caractérisé en ce qu'il comporte au moins: É Des moyens d'émission d'une impulsion optique dite impulsion test, É Des moyens de modulation optique de ladite impulsion à une fréquence connue; É Un module optique à trajet optique variable disposé dans la voie principale; É Une seconde voie optique dite voie référence, d'une seconde longueur optique voisine de la longueur optique de la voie principale couplée à la première voie optique par des moyens de couplage, de façon que l'impulsion test circule dans les deux voies, la partie de l'impulsion test circulant dans la voie principale étant appelée impulsion principale et la partie de l'impulsion test circulant dans la voie référence étant appelée impulsion référence; É Des moyens de photo détection de l'impulsion principale et de l'impulsion référence disposés en sorties des voies principale et référence; É Des moyens de détection de phase disposés en sorties des moyens de photo détection permettant d'asservir le trajet du module optique en fonction de la différence de phase entre l'impulsion principale et l'impulsion référence.

Avantageusement, le signal de sortie des moyens de détection de phase est une fonction dépendant de l'écart de longueur optique entre la voie principale et la voie référence et de la fréquence de modulation de l'impulsion test, la voie référence est une voie étalon de longueur optique constante, ladite voie étalon est essentiellement constituée par une fibre optique disposée dans une enceinte maintenue à température constante par des moyens de régulation thermique.

Avantageusement, la voie référence est une seconde voie optique 35 de même nature que la voie principale. Le module optique à trajet variable 15 20 25 est un trombone optique, c'est-à-dire qu'il comporte deux miroirs plans fixes et deux miroirs mobiles plans placés sur un support en translation, lesdits miroirs mobiles étant perpendiculaires entre eux.

Le dispositif s'applique notamment aux chaînes laser comportant 5 au moins une voie principale et un dispositif d'asservissement de la longueur optique de ladite voie optique selon l'invention. Le procédé de gestion de l'émission lumineuse d'une telle chaîne laser comporte au moins: É une étape de fonctionnement opérationnel pendant laquelle le laser délivre un faisceau laser nominal; É et une étape de test pendant laquelle le laser délivre les impulsions de test nécessaires au dispositif d'asservissement, ledit dispositif n'étant activé que pendant cette phase de test.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É la figure 1 représente le schéma d'une chaîne laser comportant deux voies; É la figure 2 représente l'énergie laser reçue par la cible en fonction du temps dans le cas du dispositif de la figure 1; É la figure 3 représente un dispositif d'asservissement de la longueur optique d'une voie selon l'art antérieur; É la figure 4 représente un dispositif d'asservissement selon l'invention; É la figure 5 représente le schéma optique d'un dispositif optique encore appelé trombone optique ; É la figure 6 représente, à titre d'exemple non limitatif, la forme de l'impulsion laser de test à travers les différents éléments optiques de la voie optique et du dispositif d'asservissement.

La figure 4 représente un dispositif d'asservissement selon l'invention. Il comprend: É Des moyens d'émission 8 d'une impulsion optique dite impulsion test; É Des moyens de modulation optique 9 et 10 de ladite impulsion à une fréquence connue; É Un module optique 20 à trajet optique variable disposé dans la voie principale 2; É Une seconde voie optique 12 dite voie référence d'une seconde longueur optique voisine de la longueur optique de la voie principale couplée à la première voie optique par des moyens de couplage 11, de façon que l'impulsion test circule dans les deux voies, la partie de l'impulsion test circulant dans la voie principale étant appelée impulsion principale et la partie de l'impulsion test circulant dans la voie référence étant appelée impulsion référence; É Des moyens de photo détection 13 et 14 de l'impulsion principale et de l'impulsion référence disposés en sorties des voies principale et référence; É Des moyens de détection de phase 15 disposés en sorties des moyens de photo détection permettant d'asservir le trajet du module optique en fonction de la différence de phase entre l'impulsion principale et l'impulsion référence.

Sur ce schéma, la circulation des impulsions est représentée par deux flèches en traits gras, l'asservissement par une flèche ouverte coudée.

Dans la phase de test, une impulsion test est émise par les moyens d'émission 8 qui peuvent être, par exemple, un laser impulsionnel.

Ce signal est noté S(t) et son expression en fonction du temps t vérifie: 25 S(t) = AI(t).sin(coot+çc,o) avec AI(t) amplitude du signal, AI(t) étant égale à une constante Ao pendant une durée temporelle TI et valant 0 en dehors de cette durée; wo: pulsation optique de l'impulsion; po: phase optique de l'impulsion Les variations de AI(t) sont représentées sur la première courbe de la figure 6.

Les moyens de modulation optique sont, par exemple, un 35 modulateur électro-optique 9 permettant de faire varier les propriétés optiques d'un matériau comme la biréfringence, en fonction d'un champ électrique ou magnétique appliqué au moyen d'un générateur de fréquence 10. On peut ainsi moduler l'amplitude du signal de l'impulsion test AI(t) qui devient AM(t), la modulation étant à une fréquence de modulation fRF. On obtient alors, à une constante près, pendant une durée temporelle T, : AM(t)=A0. sin(w,t+ ) avec (ORF: pulsation de modulation, avec la relation classique wRF égale à 21t.fRF; cpo: phase de la modulation La période TRF de modulation qui est égale à l'inverse de cette fréquence fRF doit être nettement inférieure à T, de façon qu'à la sortie du modulateur, le créneau modulé comporte plusieurs périodes TRF comme indiqué sur la seconde courbe de la figure 6 représentant l'intensité lumineuse AM(t).

A la sortie des moyens de modulation optique 9, des moyens de couplage 11 permettent d'envoyer une partie de l'impulsion test vers la voie référence. On note ce signal SR(t) et le signal circulant sur la voie principale est noté Sp(t). Les moyens de couplage 11 peuvent être réalisés au moyens de composants optiques discrets comme des lames semiréfléchissantes ou des cubes séparateurs. Ils peuvent également être réalisés, dans le cas où l'impulsion circule à l'intérieur d'une fibre optique par des coupleurs à fibres optiques.

La voie optique principale 2 comporte un module optique 20 à trajet optique variable et pilotable. A titre d'exemple non limitatif, ce module optique 20 est un trombone optique . Le schéma de principe d'un tel dispositif est illustré en figure 5. II comporte principalement deux miroirs plans fixes 21 et 24 et deux miroirs mobiles plans 22 et 23 placés sur un support 25 en translation, lesdits miroirs mobiles 22 et 23 étant perpendiculaires entre eux. Le fonctionnement est le suivant: après réflexion sur le premier miroir 21, le faisceau de lumière correspondant à l'impulsion principale a une direction notée direction aller, il est réfléchi par l'ensemble des deux miroirs mobiles 22 et 23 vers le quatrième miroir 24 dans une direction notée direction retour. Les deux miroirs mobiles 22 et 23 étant perpendiculaires entre eux, la direction retour est parfaitement parallèle à la direction aller et est indépendante de la position des miroirs mobiles comme indiqué sur la figure 5 où une seconde position des miroirs est figuré en tracés pointillés. La double flèche épaisse indique le passage d'une position à l'autre des miroirs mobiles. Par conséquent, le faisceau réfléchi par le quatrième miroir 24 conserve sa direction quelques soient les déplacements du support 25 des miroirs mobiles. Par ce moyen, on ajoute ainsi sur la voie principale 2 un chemin optique variable sans modifier la géométrie générale de la voie optique principale.

L'impulsion principale traverse la voie principale en un temps tp et 10 l'impulsion référence traverse la voie référence en un temps tR comme indiqué sur les troisième et quatrième courbes de la figure 6.

A la sortie de la voie principale, l'amplitude Ap(t) du signal Sp(t) a la forme suivante, à une constante près: AF(t)Ao.KFsin(wRF(t tF)+SARF) A la sortie de la voie référence, l'amplitude AR(t) du signal SR(t) a la forme suivante, à une constante près: l AR(t)=Ao.KRsin(wRF(t-tR)+9RF) avec Kp et KR constantes représentatives des facteurs 20 d'atténuation des voies principale et référence.

Une lame semi-réfléchissante 13 envoie une partie de l'impulsion principale sur une première photodiode 14. L'impulsion référence est également envoyée sur une seconde photodiode de réception 14. Bien entendu, la bande passante des photodiodes n'est pas suffisante pour laisser passer les fréquences optiques qui sont filtrées et les signaux électriques Spp(t) et SpR(t) issus des photodiodes 14 sont égaux à une constante près aux amplitudes Ap(t) et AR(t). On a donc:l l SPP (t) = Ao. KF.KFH. sin(RF (t tP) + ) ORF SPR(t) = Ao.KR.KFH. sin (co,, (t tR) + Y RF) avec KPH constante représentative des photodiodes.

Les moyens de détection de phase 15 réalisent les fonctions suivantes: É Introduction d'un déphasage de n/2 sur une des voies, par exemple la voie référence. On obtient alors: SPR (t) = Ao.KR.KPH. sin(wRF (t tR) + çPRF + 7ï/2) É Mixage des signaux issus des deux photodiodes. On obtient alors un signal mixé SM,x(t) qui vaut: Sm, (t)= SO.sin((DRF(t tR)+ço.). sin((DRF(t tP)+ ,n Y'RF +7r/2) avec So constante.

Le signal mixé peut encore s'écrire: l SMix (t) = 2 So [sin(wRF (tp tR)) + sin(coRF (2t tR te))] É Filtrage du signal. Après filtrage, le terme variable du signal SMix(t) est éliminé et après normalisation, le signal est une constante Vcp qui vaut: VCp = sin (co, (tp tR)) Par conséquent, la connaissance de V(p permet de retrouver 20 l'écart At égal à la différence des temps de trajet tp et tR existant entre la voie référence et la voie principale. On a la relation: At = 1 aresin(Vrp), soit encore, en remplaçant la pulsation OORF RF par la fréquence associée fRF: At = 1 aresin(VVp) 27r. fRF Cette relation se simplifie, lorsque la différence de phase est faible. On peut alors remplacer la fonction aresinus(V(p) par V(p. Dans ce cas, on a la relation simple: At= Vq) 27r.fRF A titre d'exemple numérique, si l'incertitude sur V(p vaut 0.5 %, pour une fréquence de 5 gigaHertz, l'incertitude sur At vaut 0.16 picoseconde.

On obtient ainsi de grandes précisions sur la mesure des longueurs optiques avec des moyens électroniques simples.

Le signal V(p est utilisé pour commander le trajet optique variable du module optique de façon que les deux longueurs optiques de la voie principale 2 et de la voie référence 12 soient constamment maintenues à une valeur commune.

Le dispositif selon l'invention peut travailler dans deux grands modes possibles, un mode absolu, un mode relatif.

Lorsque le dispositif travaille en absolu, la voie référence 12 a une longueur optique constante indépendante de toute variation et en particulier des variations thermiques. Elle correspond alors à un étalon de longueur optique. A titre d'exemple non limitatif, cet étalon peut être essentiellement constitué par une fibre optique enroulée dans une enceinte maintenue à température constante par des moyens de régulation thermique. Cette solution est particulièrement avantageuse lorsqu'il faut asservir un dispositif optique comportant un grand nombre de voies optiques. Chaque voie dispose alors de son propre étalon associé, garantissant en permanence les longueurs des différentes voies. C'est le cas, notamment, dans les chaînes laser de puissance qui comportent en général un grand nombre de voies de grande longueur permettant d'atteindre des puissances lumineuses crêtes considérables sur les cibles.

Lorsque le dispositif travaille en relatif, la voie référence est de même nature que la voie principale. C'est le cas, notamment, lorsqu'un dispositif optique comporte deux voies identiques. Dans ce cas, la longueur de la voie référence peut varier, le dispositif d'asservissement maintient la longueur de la voie principale à la même valeur.

Dans le cas d'une chaîne laser, les dérives de longueur, en particulier celles dues aux dérives thermiques; sont généralement lentes. Aussi, il n'y a pas nécessité d'injecter en permanence, avec des fréquences de répétition élevée, des impulsions test pour asservir les longueurs optiques des différents bras de la chaîne. Dans ce cas, la gestion de l'émission lumineuse de la chaîne laser comporte au moins: É une étape de fonctionnement opérationnel pendant laquelle le laser délivre un faisceau laser nominal É et une étape de test pendant laquelle le laser délivre les impulsions de test nécessaires au dispositif d'asservissement, 5 ledit dispositif n'étant activé que pendant cette phase de test.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'asservissement de la longueur optique d'au moins une voie optique (2) dite voie principale, caractérisé en ce qu'il comporte au 5 moins: É Des moyens d'émission d'une impulsion optique dite impulsion test (8) ; É Des moyens de modulation optique (9,10) de ladite impulsion à une fréquence connue; É Un module optique (20) à trajet optique variable disposé dans la voie principale (2) ; É Une seconde voie optique (12) dite voie référence d'une seconde longueur optique voisine de la longueur optique de la voie principale couplée à la première voie optique par des moyens de couplage (11), de façon que l'impulsion test circule dans les deux voies (2,12), la partie de l'impulsion test circulant dans la voie principale étant appelée impulsion principale et la partie de l'impulsion test circulant dans la voie référence étant appelée impulsion référence; É Des moyens de photo détection (13, 14) de l'impulsion principale et de l'impulsion référence disposés en sorties des voies principale et référence; É Des moyens de détection de phase (15) disposés en sorties des moyens de photo détection permettant d'asservir le trajet du module optique en fonction de la différence de phase entre l'impulsion principale et l'impulsion référence.

2. Dispositif d'asservissement d'une longueur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de sortie des moyens de détection de phase est une fonction dépendant de l'écart de longueur optique entre la voie principale et la voie référence et de la fréquence de modulation de l'impulsion test.

3. Dispositif d'asservissement d'une longueur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie référence (12) est une voie étalon de longueur optique constante.

4. Dispositif d'asservissement d'une longueur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la voie étalon est essentiellement constituée par une fibre optique disposée dans une enceinte maintenue à température constante par des moyens de régulation thermique.

5. Dispositif d'asservissement d'une longueur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie référence (12) est une seconde voie optique de même nature que la voie principale.

6. Dispositif d'asservissement d'une longueur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module optique (20) à trajet variable est un trombone optique, c'est-à-dire qu'il comporte deux miroirs plans fixes (21, 24) et deux miroirs mobiles plans (22, 23) placés sur un support (25) en translation, lesdits miroirs mobiles étant perpendiculaires entre eux.

7. Chaîne laser comportant au moins une voie principale, caractérisée en ce qu'elle comporte également un dispositif d'asservissement de la longueur optique de ladite voie optique principale selon l'une des revendications précédentes.

8. Procédé de gestion de l'émission lumineuse d'une chaîne laser selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape de fonctionnement opérationnel pendant laquelle le laser délivre un faisceau laser nominal et une étape de test pendant laquelle le laser délivre les impulsions de test nécessaires au dispositif d'asservissement, ledit dispositif n'étant activé que pendant cette phase de test.