FR2960354A1 - Dispositif de production de très hautes fréquences par battement de fréquences lumineuses. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne la production de très hautes fréquences, par exemple de 1 gigahertz à plusieurs térahertz, par battement de fréquences de deux faisceaux laser. Le dispositif comprend une cavité optique résonnante (OC) de dimensions très stables recevant les deux faisceaux laser, avec pour chaque faisceau laser, un dispositif respectif d'interrogation de la cavité résonnante apte à fournir un signal électrique représentant l'écart de fréquence entre la fréquence lumineuse du faisceau et une fréquence de résonance de la cavité résonnante. La fréquence de chaque faisceau est asservie de manière à minimiser l'écart de fréquences constaté. Les faisceaux laser sont produits par un laser bi-fréquence (L) produisant deux faisceaux de fréquences différentes et de polarisations orthogonales. Un séparateur de polarisation (SP) permet l'asservissement séparé des faisceaux en fonction de leur polarisation, et un polariseur (POL) est placé derrière une sortie principale de la cavité résonnante pour produire un faisceau électromagnétique mélangeant les deux polarisations et modulé en amplitude à la fréquence de battement.

Description

DISPOSITIF DE PRODUCTION DE TRES HAUTES FREQUENCES PAR BATTEMENT DE FREQUENCES LUMINEUSES L'invention concerne la production de très hautes fréquences, par exemple de 1 gigahertz à plusieurs térahertz, par battement de fréquences de deux faisceaux laser. Il existe classiquement des circuits électroniques qui permettent de produire des signaux électriques dont les fréquences vont jusqu'au gigahertz, mais il est beaucoup plus difficile de produire des fréquences plus élevées. On y parvient dans le domaine des microondes avec des diodes Gunn ou des diodes Impatt, jusqu'à environ 100 Gigahertz mais avec des puissances d'autant plus faibles que la fréquence augmente. Des fréquences dans ce qu'il est convenu d'appeler le "domaine Térahertz", c'est-à-dire des fréquences de 100 gigahertz à 10 térahertz (à la limite de l'infrarouge très lointain), ne peuvent pas être obtenues efficacement par des circuits purement électroniques. Des signaux optiques ou électroniques dans le domaine Térahertz seraient pourtant utiles, par exemple pour de l'imagerie (imagerie de milieux opaques à l'infrarouge ou au visible), ou pour des télécommunications à large bande passante à travers l'atmosphère (à des fréquences ne subissant pas trop l'absorption atmosphérique), ou pour de la spectrométrie de certaines molécules.

On a déjà proposé de produire des fréquences très élevées par différence entre des fréquences d'ondes électromagnétiques lumineuses. Par ondes lumineuses on entendra ici des ondes dans un domaine de longueur d'onde recouvrant non seulement la lumière visible mais aussi l'infrarouge et l'ultraviolet. Pour donner un ordre de grandeur : un faisceau laser infrarouge de longueur d'onde 1 micromètre correspond à une fréquence lumineuse d'environ 300 térahertz (300x1012 hertz). Si on mélange deux faisceaux lumineux de fréquences 300 et 301 térahertz, on obtient un battement soustractif à 1 térahertz. On peut donc produire un faisceau lumineux modulé en amplitude à 1 térahertz et exploiter ce faisceau, soit sous forme optique soit sous forme de signal électronique par conversion dans une photodiode rapide ou un photocommutateur.

Mais la difficulté vient de ce que le signal produit par battement de deux fréquences lumineuses a une fréquence qui est extrêmement dépendante de la stabilité de ces deux fréquences de départ. Ces fréquences sont produites par des lasers monochromatiques, mais les lasers ne sont pas naturellement suffisamment stables. Ils ont un bruit de fréquence ou bruit de phase important. Un but de l'invention est donc de proposer un dispositif de production de très hautes fréquences, par battement de faisceaux lumineux, qui compense le mieux possible les instabilités naturelles de phase et de fréquence des faisceaux laser qui servent à produire le battement. Un autre but est de proposer un dispositif qui soit accordable, c'est-à-dire qui permette de produire différentes fréquences en fonction des besoins tout en respectant une contrainte de stabilité élevée pour la fréquence produite. On propose donc selon l'invention un dispositif de production d'un rayonnement modulé en amplitude à une très haute fréquence à partir du battement de fréquence de deux faisceaux laser émettant des fréquences lumineuses différentes, le dispositif comprenant - une cavité optique résonnante de dimensions très stables, recevant les deux faisceaux laser, - pour chaque faisceau laser, un dispositif respectif d'interrogation de la cavité résonnante apte à fournir un signal électrique représentant l'écart de fréquence entre la fréquence lumineuse du faisceau et une fréquence de résonance de la cavité résonnante, - et des moyens d'asservissement pour asservir séparément la 25 fréquence lumineuse de chacun des faisceaux laser en fonction de l'écart de fréquence constaté, ce dispositif étant caractérisé en ce que : - les faisceaux laser ont des polarisations orthogonales, 30 - les moyens d'asservissement comportent un séparateur de polarisation pour permettre l'asservissement séparé des faisceaux en fonction de leur polarisation, - et un polariseur est placé en sortie du dispositif sur le trajet des deux faisceaux superposés pour produire un faisceau de rayonnement modulé en amplitude à la fréquence de battement, mélangeant les deux polarisations. Le système peut comporter une ou deux sorties principales, l'une des sorties étant la lumière transmise par la cavité, l'autre étant une fraction des faisceaux laser extraite avant la cavité. Les deux faisceaux laser sont très avantageusement produits par un laser bi-fréquence produisant deux faisceaux de même axe ayant des fréquences différentes et des polarisations orthogonales. Le polariseur est de préférence un polariseur avec un angle tel ~o que les deux faisceaux transmis soient équilibrés en amplitude sur une polarisation unique ; l'angle du polariseur peut être de 45°, mais il peut aussi être différent.

On produit donc par battement un rayonnement lumineux modulé 15 en amplitude à très haute fréquence (500 MHz à 10 Térahertz) et on utilise ce rayonnement lumineux modulé soit directement sous forme optique, soit indirectement en le convertissant en signal électronique à cette très haute fréquence. La conversion peut être faite par une photodiode placée en aval du polariseur, ou par un photomélangeur ultra rapide. 20 La cavité optique résonnante est une cavité de Fabry-Perot à miroirs diélectriques multicouches partiellement transparents, à très fort coefficient de réflexion et à très faible absorption. Ce sont des miroirs de Bragg constitués de multiples couches diélectriques transparentes d'indices et épaisseurs adaptées pour créer des interférences constructives aux 25 fréquences lumineuses à réfléchir. La cavité est une cavité de grande finesse, de préférence d'au moins 1000. Elle a de multiples fréquences de résonance séparées par une valeur élémentaire appelée "intervalle spectral libre" liée à la distance qui sépare les miroirs, et la finesse est d'autant plus grande que le coefficient de réflexion des miroirs est plus élevé (tout en 30 restant inférieur à 1 pour conserver une transparence partielle à l'entrée comme à la sortie de la cavité). La sortie principale de la cavité résonnante est une sortie en transmission, c'est-à-dire une sortie par un miroir partiellement transparent à l'opposé d'un miroir d'entrée partiellement transparent par lequel entrent les faisceaux laser. On peut alors considérer 35 que le miroir d'entrée constitue aussi une sortie secondaire (en réflexion) de la cavité ; le séparateur de polarisation est placé de manière à recevoir une fraction du rayonnement de la sortie secondaire en réflexion. Les deux polarisations issues de la réflexion sur le miroir d'entrée serviront à asservir les fréquences du laser bi-fréquence pour tendre à obtenir deux fréquences lumineuses accordées chacune sur un pic de résonance respectif de la cavité résonnante. Une lame séparatrice est de préférence prévue entre le laser et la cavité résonnante pour transmettre vers le séparateur de polarisation une fraction du rayonnement provenant de la sortie en réflexion de la cavité résonnante. L'asservissement des fréquences de laser, c'est-à-dire le verrouillage de ces fréquences sur un couple de valeurs qui aboutissent à la fréquence de battement désirée est fait de préférence par la méthode de Pound-Drever-Hall à partir du dispositif d'interrogation de la cavité résonnante. Cette méthode utilise le rayonnement lumineux réfléchi sur le miroir d'entrée de la cavité optique résonnante : lorsque la fréquence du faisceau laser n'est pas exactement accordée sur une fréquence de résonance de la cavité, le miroir d'entrée de la cavité réfléchit une partie plus importante du faisceau lumineux non accordé et cette partie est utilisée pour l'asservissement. Le dispositif d'interrogation de la cavité comprend de préférence un générateur de fréquence de modulation, un modulateur de phase placé sur le trajet des faisceaux lumineux en amont de la cavité résonnante, le modulateur de phase étant commandé par le générateur de fréquence pour moduler à une fréquence déterminée la phase de ces faisceaux, et un mélangeur en sortie de chaque photodiode pour moduler le signal de sortie de la photodiode à la fréquence déterminée avant de l'appliquer à des entrées de réglage de fréquence lumineuse du laser. Au voisinage d'une fréquence de résonance de la cavité, la phase de l'énergie réfléchie et modulée par le générateur de fréquence varie avec l'écart entre la fréquence lumineuse reçue par la cavité et une fréquence de résonance de la cavité. Cette variation de phase est utilisée pour l'asservissement de fréquence dans un sens tendant en principe à minimiser l'écart de fréquence. L'adjonction de cette modulation de phase du faisceau permet d'introduire une discrimination de signe du signal d'écart par rapport à la résonance (sans cette modulation de phase, le signal d'écart aurait le même signe quel que soit le sens de l'écart de fréquences et l'asservissement serait plus difficile). Les moyens d'asservissement peuvent comprendre une photodiode qui convertit le signal réfléchi en un signal électrique utilisé pour agir sur des entrées de réglage de fréquence du laser. Il y a une photodiode pour chacune des deux polarisations à asservir. Les photodiodes sont placées en aval du séparateur de polarisation de manière à recevoir chacune une polarisation respective issue de ce séparateur.

Selon la constitution du laser bi-fréquence, les entrées de réglage de fréquences du laser peuvent être : - soit deux entrées agissant séparément sur les deux fréquences, soit une première entrée agissant sur la fréquence moyenne du laser (c'est-à-dire la demi-somme des fréquences du laser bifréquence) et une deuxième entrée agissant sur l'écart entre les deux fréquences. Les moyens d'asservissement tiennent compte bien entendu de cette constitution.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure unique représente le schéma du dispositif selon l'invention.

Le dispositif de production de très haute fréquence représenté sur la figure comprend un laser bi-fréquence L émettant un faisceau unique résultant de la superposition de faisceaux ayant des fréquences lumineuses F1 et F2 et ayant des polarisations orthogonales.

Le faisceau à fréquence F1 est représenté sous forme d'une ligne tiretée ; le faisceau à fréquence F2 est représenté sous forme d'une ligne continue. Les deux faisceaux sont représentés géométriquement séparés mais ils sont en réalité confondus et il n'y a qu'un seul trajet de faisceau sauf lorsque les faisceaux sont séparés en fonction de leur polarisation.

La polarisation du faisceau à fréquence F1 est considérée comme verticale (V), l'autre est horizontale (H). Le laser bi-fréquence L comporte deux entrées de réglage de fréquence El et E2. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'entrée El agit sur la fréquence F1 et l'entrée E2 agit sur la fréquence F2. Ces entrées reçoivent des signaux électroniques respectifs issus de moyens d'asservissement ; les moyens d'asservissement sont destinés à assurer la stabilisation des fréquences F1 et F2 à des valeurs telles que la fréquence de battement (F1 - F2) se stabilise très précisément à une valeur de très haute fréquence Fs désirée à la sortie du dispositif. Pour régler les fréquences F1 et F2 émises par le laser, on prévoit par exemple d'insérer un ou plusieurs éléments d'ajustement de longueur de chemin optique à l'intérieur d'une cavité résonnante faisant partie du laser. L'élément d'ajustement est par exemple une lame de cristal électro-optique commandée par une tension. La tension appliquée permet de modifier l'indice de réfraction de la lame, donc la longueur du chemin optique dans la cavité du laser, donc la fréquence à laquelle le laser émet. Dans un laser bifréquence, on placera par exemple deux cristaux électro-optiques, commandés respectivement par les signaux appliqués aux entrées El et E2, chacun sur le trajet optique du faisceau qu'il doit contrôler. Le faisceau de sortie du laser est donc un faisceau superposant deux fréquences lumineuses de valeurs F1 et F2 ajustables indépendamment l'une de l'autre par les moyens d'asservissement, et ayant des polarisations orthogonales.

Ce faisceau traverse d'abord un modulateur de phase MOD sur lequel on reviendra plus loin : il module la phase de l'onde électromagnétique à une fréquence basse par rapport aux fréquences lumineuses et par rapport à la différence de ces fréquences. Cela peut être une modulation à 10 MHz par exemple. Cette fréquence de modulation est produite par un générateur de fréquence GHF. Ensuite, le faisceau ainsi modulé, ayant deux polarisations orthogonales, traverse une lame séparatrice LS. Une fraction du faisceau B', dirigée vers le haut sur la figure, constitue une sortie du dispositif ; l'autre fraction est dirigée vers la cavité. Le faisceau réfléchi par la cavité est séparé sur la lame LS ; une fraction est dirigée vers les moyens d'asservissement ; cette fraction comporte à la fois les deux fréquences et les deux polarisations ; un isolateur de Faraday, non représenté, est de préférence placé entre le laser L et la lame séparatrice LS pour que la lumière en retour ne perturbe pas le laser. Cet isolateur agit sur les deux polarisations.

La fraction de faisceau qui traverse la lame LS entre dans la face d'entrée d'une cavité optique résonnante OC. La cavité est une cavité de très haute stabilité dimensionnelle qui va servir d'étalon d'ajustement des fréquences laser FI et F2. C'est de préférence une cavité de Fabry-Perot ayant un miroir d'entrée ME et un miroir de sortie MS, tous deux partiellement transparents mais de coefficient de réflexion proche de 1 pour la lumière de fréquence lumineuse FI ou F2. Ce sont en principe (mais pas obligatoirement) des miroirs de Bragg. De plus, la distance entre les miroirs définit très précisément les résonances possibles de la cavité, les longueurs d'onde de résonance étant les sous-multiples de la longueur de la cavité, c'est-à-dire de la distance entre les miroirs. L'intervalle spectral libre est l'écart entre deux fréquences de résonance correspondant à deux sous-multiples successifs. Comme on le verra, c'est la connaissance de cet intervalle spectral qui permet de connaître la valeur exacte de la haute fréquence Fs = F1-F2 qu'on veut produire grâce au dispositif. A l'entrée de la cavité, le faisceau laser bi-fréquence et bipolarisation, modulé par le modulateur de phase MOD et ayant traversé la lame séparatrice LS, entre par le miroir d'entrée qui est partiellement transparent. Il se réfléchit de multiples fois dans la cavité optique résonnante ; une fraction de ce faisceau sort par le miroir de sortie MS partiellement transparent. Cette fraction comporte deux composantes qui sont respectivement à fréquences FI et F2 et de polarisations orthogonales. La fraction qui sort est combinée dans un polariseur POL en un faisceau à polarisation unique. On choisit de préférence d'ajuster l'angle de l'axe de polarisation du polariseur pour regrouper les faisceaux de façon équilibrée. L'angle sera en général de 45° mais il peut être différent, par exemple entre 40° et 45°. On peut également choisir un autre réglage d'angle pour régler la profondeur de modulation. En sortie du polariseur POL, on trouve un faisceau unique B qui 35 peut être considéré comme un faisceau de lumière à fréquence lumineuse (F1+F2)/2 modulé en amplitude sinusoïdalement par la fréquence de battement Fs=F1-F2 qui est la très haute fréquence qu'on cherche à produire. Une fraction du faisceau qui subit des réflexions multiples à l'intérieur de la cavité ressort par le miroir d'entrée ME dont on peut considérer qu'il constitue alors une sortie secondaire de la cavité. II ressort donc en général du miroir d'entrée ME une fraction de chacun des deux faisceaux laser, et les fractions qui ressortent sont liées respectivement, indépendamment l'une de l'autre, au désaccord entre la fréquence F1 et une fréquence de résonance Fr1 de la cavité, et au désaccord entre la fréquence F2 et une fréquence de résonance Fr2 de la cavité. On asservira les fréquences FI et F2 sur des fréquences de résonance respectives Fr1 et Fr2 qui sont choisies en fonction de la haute fréquence Fs qu'on veut produire.

L'asservissement se fait de la manière suivante : les fractions de faisceaux à fréquences FI et F2 qui ressortent de la cavité par le miroir d'entrée sont dirigées vers la lame séparatrice LS ; elles sont modulées par le modulateur MOD et leur phase dépend des désaccords respectifs FI-Fr1 et F2-Fr2. De là elles sont dirigées vers un séparateur de polarisation SP qui sépare les faisceaux en fonction de leur polarisation. La partie de faisceau de polarisation verticale et de fréquence FI est dirigée d'un côté, vers une photodiode PHI. La partie de faisceau de polarisation horizontale et de fréquence F2 est dirigée d'un autre côté vers une photodiode PH2. Ces photodiodes délivrent des signaux électroniques d'asservissement qui, après avoir été mélangés par des démodulateurs DM1, DM2 à la fréquence du générateur GHF qui a servi à piloter le modulateur MOD, constituent des signaux d'erreur d'amplitude d'autant plus importante que l'écart d'accord de fréquence est plus grand (lorsqu'on est au voisinage de l'accord). Ces signaux électroniques sont traités, par exemple par des amplificateurs respectifs ou circuits de traitement plus sophistiqués AMP1 et AMP2, et appliqués aux entrées El et E2 du laser pour contrôler l'ajustement des fréquences (en principe dans un sens tendant à minimiser l'écart d'accord, mais éventuellement aussi dans un sens tendant à maintenir à une certaine valeur cet écart).

Le laser tend ainsi à ajuster puis stabiliser chacune de ses fréquences d'émission sur une fréquence respective Fr1, Fr2. Si on revient maintenant sur le modulateur de phase MOD, sa présence sert à introduire sur le faisceau incident une modulation de phase du faisceau à basse fréquence (par exemple 10 MHz). Cette modulation crée des sous-porteuses latérales de part et d'autre de la fréquence lumineuse du laser. Ces fréquences ne résonnent pas dans la cavité optique et elles fournissent une référence de phase à la sortie secondaire de la cavité. Le calcul du signal d'erreur lié à l'écart entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance de la cavité montre que ces bandes latérales dissymétrisent le signal d'erreur. En l'absence de la modulation de phase, le signal d'erreur présente un minimum lorsque l'accord de fréquences est réalisé, mais il remonte symétriquement lorsqu'un désaccord apparaît, de sorte qu'on peut constater un écart sans pouvoir déterminer dans quel sens agir pour le réduire. Après la modulation de phase, le signal d'erreur varie linéairement autour de la fréquence d'accord de sorte qu'on peut discriminer le sens de l'erreur constatée. Le modulateur de phase est un simple cristal électro-optique commandé par une tension, modifiant l'indice de réfraction du cristal en fonction de la tension électrique appliquée, ce qui modifie le chemin optique donc la phase du faisceau. Par conséquent, un générateur de fréquence GHF commande le modulateur de phase MOD, et commande également des démodulateurs respectifs DM1 et DM2 qui reçoivent le signal modulé en phase reçu par les photodiodes. La sortie du démodulateur fournit un signal d'erreur dont la valeur représente non seulement l'écart de fréquence constaté mais aussi son sens. Les sorties des démodulateurs DM1 et DM2 sont appliquées aux entrées des amplificateurs ou circuits de traitement AMP1 et AMP2 qui appliquent des signaux de commande aux deux entrées du laser. En résumé, le dispositif d'interrogation de la cavité résonnante, dont la fonction est de fournir un signal d'erreur représentant l'écart d'accord en fréquence, comprend le générateur de fréquence GHF, le modulateur MOD, et les démodulateurs placés en aval des photodiodes PHI et PH2.

On peut, à l'aide d'un circuit sommateur, ajouter une tension continue à l'un et/ou à l'autre des signaux d'erreur pour ajuster en partie la fréquence de sortie Fs du dispositif. Dans ce cas on ne cherche pas à minimiser l'écart entre les fréquences FI et F2 et les fréquences de résonance de la cavité mais on maintient à une valeur constante cet écart. Etant donné que certains lasers bi-fréquences peuvent avoir deux entrées servant à ajuster d'une part la fréquence lumineuse de mode commun, c'est-à-dire la demi-somme (FI + F2)/2, et d'autre part l'écart de fréquences, on comprendra que dans ce cas les signaux délivrés par les circuits AMP1 et AMP2 sont mélangés préalablement dans un circuit d'addition-soustraction pour produire un signal d'erreur somme (à appliquer à la première entrée) à partir de la somme des signaux d'erreur issus des démodulateurs et un signal d'erreur différence (à appliquer à la deuxième entrée) à partir de la différence des signaux d'erreur.

La fréquence de sortie Fs qui module le faisceau B à la sortie de la cavité est pratiquement Fs = Fr1 - Fr2 lorsque l'asservissement fonctionne, c'est-à-dire lorsque les écarts FI-Fr1 et F2-Fr2 sont minimisés par l'asservissement. C'est une fréquence d'autant plus stable que les dimensions de la cavité résonnante sont stables puisque c'est la cavité qui sert de référence à l'asservissement des fréquences FI et F2.

Le faisceau de sortie B qui résulte de la superposition des faisceaux à fréquences FI et F2 est un faisceau dont la fréquence peut être considérée comme la moyenne des deux fréquences FI et F2 et dont l'amplitude est modulée sinusoïdalement de manière extrêmement stable en phase, à la fréquence de battement Fs = F1-F2 , donc Fr1-Fr2 lorsque l'accord est réalisé. Ce faisceau B peut être utilisé directement, par exemple pour une transmission optique à distance, dans l'air ou par fibre optique. II peut aussi être appliqué à un photomélangeur (par exemple un cristal à propriétés non linéaires) pour produire directement un rayonnement électromagnétique à la fréquence de battement, rayonnement qui peut être émis dans l'air par une antenne reliée au cristal photomélangeur. Ou bien encore, le faisceau de sortie B peut être dirigé sur une photodiode rapide pour être converti en signal électrique S extrêmement stable en phase, à la fréquence Fs. La sortie du dispositif peut dans certains cas être prélevée non pas à la sortie en transmission de la cavité mais en amont de la cavité, plus précisément sur la deuxième sortie (faisceau B') de la lame séparatrice LS, la première sortie de la lame séparatrice étant celle qui est située en amont de la face d'entrée de la cavité. Le polariseur POL qui regroupe les polarisations des deux faisceaux est alors placé sur le trajet du faisceau B' à la sortie supérieure de la lame séparatrice LS.

Dans une variante de réalisation, on peut envisager que le polariseur POL soit placé non pas immédiatement à la sortie en transmission de la cavité ou à la sortie supérieure de la lame séparatrice mais à distance éloignée de ces emplacements. Les faisceaux laser superposés de polarisations orthogonales servent alors à propager l'énergie et les phases des faisceaux à distance, et on place le polarisateur POL à l'extrémité distale de ce trajet de propagation, devant une photodiode ou un photomélangeur ou une antenne d'émission. Le signal à fréquence de battement est disponible à cet endroit sous forme de signal électrique ou sous forme d'onde rayonnée par l'antenne.

Le nombre de fréquences de sortie F = Fr1-Fr2 (fréquence stable obtenue lorsque l'asservissement fonctionne) qui peuvent être ainsi produites est d'autant plus grand que l'intervalle spectral libre est plus petit. De plus il est souhaitable que la finesse de la cavité (intervalle spectral libre divisé par la largeur à mi-hauteur du pic de résonance) soit très grande, ce qui implique d'avoir des miroirs de coefficient de réflexion très proche de 1 avec peu d'absorption. Les fréquences de battement produites sont des fréquences Fr1- Fr2 qui sont des multiples de l'intervalle spectral libre de la cavité. Dans la pratique, pour obtenir une fréquence Fs désirée, on commencera par verrouiller par l'asservissement chacune des porteuses sur deux fréquences de résonance séparées par un seul intervalle spectral libre (ISL). Le battement qui en résulte à très basse fréquence est mesuré par comparaison avec un oscillateur basse fréquence calibré. II en résulte une valeur de référence f. A partir de la valeur de fréquence de sortie désirée F, on détermine l'entier N le plus proche de Fs/f. Puis, gardant l'une des polarisations verrouillées par l'asservissement, par exemple la polarisation H à fréquence Fr2 on fera varier progressivement la fréquence de l'autre polarisation en accroissant l'intervalle entre les deux fréquences et en comptant les pics d'Airy successifs produits en sortie de la cavité au fur et à mesure de cette augmentation d'écart. On s'arrête lorsqu'on a compté N-1 pics de résonance successifs après le verrouillage initial à 1 ISL, et on libère l'asservissement pour verrouiller la deuxième polarisation sur le réglage obtenu. Le laser comporte pour cela de préférence deux entrées de réglage manuel Er1 et Er2 permettant de faire ce réglage initial, après quoi les entrées El et E2 assurent l'asservissement sur la valeur initialement réglée.

Les performances du dispositif selon l'invention sont liées essentiellement à celles de la cavité optique résonnante puisque ce sont les fréquences de résonance de la cavité optique qui servent d'étalon de référence pour l'asservissement des fréquences lumineuses du laser. La stabilité de la fréquence de battement Fs est d'autant meilleure que la stabilité des fréquences de résonance Fr1 et Fr2 est élevée. La stabilité des fréquences de résonance est elle-même liée à la stabilité dimensionnelle de la cavité, et en particulier à la distance entre le miroir d'entrée et le miroir de sortie. On utilisera donc une cavité de grande stabilité dimensionnelle, construire à partir de matériaux à coefficient de dilatation thermique aussi proche de zéro que possible. En particulier on utilisera une cavité construite en matériau ULE (de l'anglais "Ultra Low Expansion"), qui a la propriété d'avoir un coefficient de dilatation qui s'annule à une température voisine de 20°C. On choisira de préférence une cavité suspendue pour minimiser l'influence des vibrations. La cavité peut être disposée avec son axe vertical pour minimiser les déformations dues à la gravité.

Dans ce qui précède on n'a pas mentionné la possibilité d'autres éléments de réglage du laser bi-fréquence. On peut cependant prévoir, en plus de l'asservissement de fréquence, un asservissement d'amplitude. En effet, il est souhaitable de stabiliser l'intensité de chacun des deux faisceaux pour éviter un bruit d'amplitude sur le faisceau de sortie de la cavité. La stabilisation d'intensité peut se faire sur chacune des polarisations en sortie de la cavité (en amont du polariseur à 45°), en prélevant une partie de l'énergie du faisceau de sortie de la cavité, en séparant les polarisations, et en envoyant les polarisations ainsi séparées vers des photodiodes. Les sorties des photodiodes, filtrées et comparées à une valeur de consigne, peuvent servir de signaux d'asservissement d'intensité appliqués à des entrées de réglage d'intensité du laser. Alternativement on pourrait prévoir que l'asservissement de puissance du laser est fait à partir d'un prélèvement d'une fraction du faisceau à la sortie du laser plutôt qu'à la sortie de la cavité, par exemple sur une sortie de faisceau B' de la lame séparatrice LS, mais cette solution est moins bonne car elle ne tient pas compte des pertes de puissance variables qui peuvent apparaître entre la sortie du laser et la sortie de la cavité. Le dispositif d'interrogation de la cavité résonnante qui a été décrit ci-dessus utilise la réflexion du faisceau laser sur le miroir d'entrée de la cavité pour produire un signal d'erreur. On pourrait envisager une autre méthode d'interrogation telle que la méthode dite "tilt-locking" consistant à faire varier légèrement l'incidence du faisceau laser par rapport à l'incidence normale ; on peut ainsi créer un signal d'erreur qui dépend de l'accord entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance de la cavité sous incidence normale. Dans cette méthode d'interrogation, le faisceau laser est légèrement incliné par rapport au faisceau résonnant dans la cavité. La photodiode est constituée de deux parties actives, séparées dans le sens de l'inclinaison du faisceau. Les signaux électriques des deux parties de la photodiode sont soustraits l'un à l'autre pour obtenir le signal d'erreur.

D'autres méthodes d'interrogation de la cavité sont envisageables ("dither Iock" en anglais, signifiant verrouillage par agitation de fréquence ; "side Iock" en anglais, signifiant verrouillage à flanc de frange) ; ces méthodes permettent d'éviter d'utiliser un modulateur.

Dans ce qui précède on a considéré que les fréquences lumineuses FI et F2 des faisceaux laser devaient être accordées chacune sur une fréquence respective de résonance de la cavité, les fréquences possibles étant des valeurs discrètes séparées par l'intervalle spectral libre. L'intervalle spectral libre est lié aux dimensions de la cavité et est égal à c/2L (cavité sous vide) où c est la vitesse de la lumière et L est la distance qui sépare les miroirs. L'intervalle spectral libre est d'autant plus petit que la cavité est plus longue. Dans un perfectionnement, on peut prévoir qu'un élément électrooptique bi-réfringent est inséré dans la cavité. Cet élément introduit une augmentation de chemin optique, différent selon la polarisation de la lumière, et réglable par une tension électrique appliquée à l'élément (cette tension agit sur l'indice de réfraction de l'élément, donc sur la longueur de chemin optique parcouru par la lumière dans l'élément). L'action de la tension électrique peut affecter par exemple l'une des polarisations orthogonales mais pas l'autre. La dimension optique de la cavité est alors L' = L+dL, dL étant la longueur optique supplémentaire introduite par la présence de l'élément. Si la valeur dL varie en fonction de la tension électrique pour l'une des polarisations mais pas pour l'autre, on peut alors modifier électriquement la valeur de l'une des séries de fréquences de résonance Fr1 et Fr2 mais pas l'autre. Le réglage peut être continu. On peut même obtenir ainsi, par réglage électrique, une variation continue de la fréquence de résonance pour la polarisation affectée par l'élément biréfringent, sur toute la plage correspondant à l'intervalle spectral libre. On a alors un réglage continu de la fréquence de sortie sur une très large gamme.

Au lieu de détecter la fréquence de battement dans une photodiode ou un photomélangeur, on peut appliquer les faisceaux superposés à polarisations regroupées (après le polariseur POL) sur une antenne hyperfréquence (antenne térahertz si la fréquence est d'un ou plusieurs térahertz). Cette antenne émet une onde électromagnétique à la fréquence de battement. Une partie des trajets des faisceaux laser peut être effectuée dans des fibres optiques. Si c'est la partie en amont de la cavité résonante, la lame séparatrice LS peut être remplacée par un circulateur optique. La sortie de faisceau B' n'existe pas dans ce cas.

On a considéré ci-dessus que les deux fréquences optiques avec des polarisations orthogonales interrogeaient la cavité d'un même côté de celle-ci, mais on pourrait envisager que l'interrogation par les deux fréquences se fasse chacune par un côté différent de la cavité. Par ailleurs, on a mentionné que les signaux d'erreur générés par 35 la méthode de Pound-Drever-Hall à l'aide du générateur GHF permettent des mesures de l'écart entre les fréquences de résonance de la cavité et les fréquences laser FI et F2. Mais ils permettent aussi la mesure (avec une sensibilité réduite d'un facteur 2) d'écarts entre les fréquences de résonance de la cavité et les fréquences F1±Fmod et F2±Fmod si Fmod est la fréquence du générateur GHF. Cette mesure permet de gagner en possibilités de sélection de la fréquence de battement désirée.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de production d'un rayonnement modulé en amplitude à une très haute fréquence, à partir du battement de fréquence de deux faisceaux laser émettant des fréquences lumineuses différentes, le dispositif comprenant - une cavité optique résonnante de dimensions très stables recevant les deux faisceaux laser, - pour chaque faisceau laser, un dispositif respectif d'interrogation de la cavité résonnante apte à fournir un signal électrique représentant l'écart de fréquence entre la fréquence lumineuse du faisceau et une fréquence de résonance de la cavité résonnante, - et des moyens d'asservissement pour asservir séparément la fréquence lumineuse de chacun des faisceaux laser en fonction de l'écart de fréquences constaté, dispositif caractérisé en ce que les faisceaux laser ont des polarisations orthogonales, en ce que les moyens d'asservissement comportent un séparateur de polarisation pour permettre l'asservissement séparé des faisceaux en fonction de leur polarisation, et en ce qu'un polariseur est placé en sortie du dispositif sur le trajet des deux faisceaux superposés pour produire un faisceau de rayonnement pour produire un faisceau électromagnétique regroupant les deux polarisations et modulé en amplitude à la fréquence de battement.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux faisceaux laser sont produits par un laser bi-fréquence produisant deux faisceaux de même axe ayant des fréquences différentes et des polarisations orthogonales.
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le polariseur est un polariseur, de préférence à 45°, regroupant les deux faisceaux sur une polarisation unique en proportions équilibrées.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le polariseur est un polariseur regroupant les deux faisceaux sur une polarisation unique en proportions différentes.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sortie du dispositif est située en aval d'une sortie en transmission de la cavité résonnante.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sortie du dispositif est située en amont de la cavité résonante.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cavité résonnante comporte une sortie secondaire en réflexion, et en ce que le séparateur de polarisation reçoit une fraction du rayonnement issu de la sortie en réflexion de la cavité résonnante.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une lame séparatrice est prévue en amont de la cavité résonnante pour transmettre vers le séparateur de polarisation une fraction du rayonnement sortant de la sortie en réflexion de la cavité résonnante.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent deux photodiodes placées de manière à recevoir chacune une polarisation respective en sortie du séparateur de polarisation.
10. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'interrogation de la cavité comprend - un générateur de fréquence, - un modulateur de phase placé sur le trajet des faisceaux lumineux en amont de la cavité résonnante, le modulateur de phase étant commandé par le générateur de fréquence pour moduler à une fréquence déterminée la phase de ces faisceaux, - et un mélangeur en sortie de chaque photodiode pour 35 moduler le signal de sortie de la photodiode à la fréquence déterminée avantde l'appliquer à des entrées de réglage de fréquence lumineuse des faisceaux laser.
11. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faisceaux laser sont produits par un laser bifréquence comprenant une entrée de signal électronique pour le réglage de la demi-somme des fréquences lumineuses des deux faisceaux et une entrée de signal pour le réglage de l'écart des deux fréquences lumineuses, ou alternativement une entrée de signal électronique pour le réglage de l'une des fréquences lumineuses et une autre entrée de signal électronique pour le réglage de l'autre fréquence lumineuse.
12. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, sur une sortie principale du dispositif, en aval du polariseur, une photodiode, un photomélangeur ou une antenne térahertz pour produire un signal modulé en amplitude à la fréquence de battement du rayonnement lumineux sortant du polariseur.