WO2006037932A1 - Systeme optique a extension de propagation de faisceau - Google Patents

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WO2006037932A1
WO2006037932A1 PCT/FR2005/050821 FR2005050821W WO2006037932A1 WO 2006037932 A1 WO2006037932 A1 WO 2006037932A1 FR 2005050821 W FR2005050821 W FR 2005050821W WO 2006037932 A1 WO2006037932 A1 WO 2006037932A1
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WO
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optical
optical system
propagation
reflection
elements
Prior art date
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PCT/FR2005/050821
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English (en)
Inventor
Christophe Martinez
Christophe Kopp
Denis Pelenc
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00

Definitions

  • the present invention relates to an optical system with extended beam propagation.
  • An optical system is defined by a series of optical elements through which a light beam propagates.
  • a system is developed comprising a minimum number of optical elements distributed over a small surface but allowing a very large beam propagation length.
  • FIG. 1 gives the principle in the case of an extended cavity.
  • the output beam of a laser 1 is coupled to an optical fiber 2 by means of collimation optics 3.
  • a Bragg grating 4 provides reflection at the end of the cavity.
  • the optical fiber is wound into a coil, which allows a large propagation distance between the laser and the array in a relatively small space.
  • This solution widely used today, however requires the passage in guided optics with coupling losses.
  • the radius of curvature of the fibers must also be of the order of a centimeter minimum, which limits the integration.
  • Figure 2 shows a first embodiment of beam propagation. It is simply a matter of placing mirrors 10 facing each other, so as to fold the beam 11. For comparison, an identical beam 12 is shown without extension. If the use of the extension makes it possible to increase the distance traveled by the beam compared to a straight path
  • FIG. 3 gives a known example of using optics 13 to correct the divergence of a system equivalent to that of FIG. 2.
  • the increase in the number of lenses considerably increases the alignment adjustment constraints.
  • the present invention overcomes the disadvantages of the prior art.
  • an optical system with an optical beam propagation extension having an input and an output of the optical beam comprising at least two optical elements of beam reflection arranged to extend the propagation of the beam by reflection on the reflection elements, the optical system also comprising at least one optical beam transmission element, characterized in that the reflection optical elements have non-collinear optical axes, the transmission optical element being arranged to be traversed at least twice by said next optical beam different directions during its propagation in the optical system, the optical transmission element ensuring an optical transformation of the beam at each crossing so as to correct its divergence.
  • the transmission optical element is a ball lens and the optical reflection elements are plane mirrors. In the case of a plane mirror, the optical axis is perpendicular to the plane of the mirror.
  • the transmission optical element is a lens cylindrical having an axis of symmetry, the reflection optical elements being cylindrical mirrors of axis of symmetry perpendicular to the axis of symmetry of the cylindrical lens.
  • the optical axis is perpendicular to the axis of symmetry of the mirror.
  • the optical transmission element is at least partially made of an optically active material.
  • at least one of the optical reflection elements comprises an optically active material.
  • the optical reflection elements may be arranged to propagate the optical beam first in a direction of reflection, then in the opposite direction, the input and the output of the optical beam being merged.
  • the optical system may consist of at least two elementary optical systems cascaded.
  • one of the optical reflection elements is semi-reflective to serve as an output to the optical beam.
  • the invention also relates to a gas sensor of the absorption measurement type, comprising an optical system with extended beam propagation as described above.
  • FIG. 1 represents a first optical system with extended beam propagation according to the known art
  • FIG. 2 represents a second optical system with beam propagation extension according to the known art
  • FIG. 3 represents an optical system of the type of FIG. 2 provided with corrective elements of the divergence of the beam
  • FIG. 4 illustrates a first variant of an optical system according to the invention
  • FIG. 5 illustrates a second variant of optical system according to the invention
  • FIG. 6 illustrates a third variant of optical system according to the invention
  • FIG. 7 illustrates a fourth variant of optical system according to the invention
  • FIG. 8 illustrates a fifth variant of an optical system according to the invention
  • FIG. 9 illustrates a sixth variant of an optical system according to the invention.
  • FIG. 10 illustrates a seventh variant of optical system according to the invention
  • FIG. 11 illustrates the geometrical principle of propagation of the beam in a system according to the invention
  • FIG. 12 is an equivalent propagation diagram of the unfolded system of the invention.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram
  • FIG. 14 illustrates a method of manufacturing the invention
  • FIG. 15 illustrates a particular application of an optical system according to the invention.
  • the principle of the beam propagation extension system according to the invention is based on the use of transmission optics having symmetries in order to correct the divergence of the beam, and folding mirrors in order to extend the propagation distances.
  • the symmetries of the optics allow a beam to cross it several times in different directions and thus guarantee the compactness of the system.
  • FIG. 4 is illustrative of the principle used by the present invention.
  • the optics 20 used has a circular symmetry with respect to its center.
  • a beam 21 first passes through the lens 20, then is reflected a first time by a first mirror 22.
  • the mirror 22 orients the beam to a second mirror 23 which directs the beam towards the center of the lens 20. This being symmetrical, the second crossing is equivalent to the first.
  • the optical axes of the mirrors 22 and 23 are not collinear.
  • FIG. 5 represents a three-dimensional view of another variant of the system according to the invention. This variant uses two planar mirrors 32 and 33 of non-collinear optical axes and a spherical lens 30. In this case, the lens 30 alone allows the divergence correction of the beam 31.
  • FIG. 6 represents a three-dimensional view of yet another variant of the system according to the invention.
  • This variant uses two cylindrical mirrors 42 and 43 with non-collinear optical axes and a cylindrical lens 40.
  • the lens 40 corrects the divergence in a first direction and the mirrors 42 and 43 correct the divergence in the other perpendicular direction. while reflecting the beam 41.
  • FIG. 7 shows a mirror and single lens system.
  • the system comprises a part 50 having a cavity equipped with fifteen mirrors referenced 51 to 65 non-collinear optical axes.
  • the cavity also allows the housing, in the central part, a lens (spherical or cylindrical) 66.
  • Spherical lenses will be preferred because they allow to correct the complete divergence of the beam (according to the two axes).
  • a cylindrical lens which corrects only the divergence along an axis (that perpendicular to the axis of the lens), can be used for systems that are not constrained in dimension along the axis of this cylinder.
  • a light beam 67 enters the cavity being directed towards the mirror 51 after passing through the lens 66. It is returned successively to the other mirrors in the increasing order of their references through the lens 66 after two reflections. When the beam reaches the last mirror, the mirror 65, it is reflected on itself and in the opposite direction the path it has done previously. The beam then emerges from the cavity by the place where it had entered. It is readily apparent that the propagation distance between the input and the output of the beam can become large despite a reduced component area and the use of a single optic. This example typically corresponds to the production of an extended cavity.
  • FIG. 8 represents a system comprising two subsystems 71 and 72 of the type of FIG. 7 cascaded in a room 70.
  • a beam 73 entering the subsystem 71 emerges from this subsystem to be directed into the sub-system. and 72 to exit the subsystem 72.
  • the system of Figure 8 can be used in the case of a transmission delay line.
  • Figure 9 shows another application of the present invention.
  • the transmission optics and divergence correction element 80 (a spherical lens) is constructed of an active material.
  • active material is meant a material capable of emitting an optical wave in stimulated or spontaneous emission under the effect of pumping.
  • the system shown comprises four mirrors referenced 81 to 84 non-collinear optical axes.
  • This propagation extension system is closed so as to produce a stable cavity.
  • One of the reflection elements, the mirror 83 has a lower reflection coefficient than the others to allow the output of the laser beam 85.
  • An optical source 86 serves as a pump to excite the active material.
  • An additional mirror 87 optionally makes it possible to increase the confinement of the pump beam 88 in the spherical lens 80.
  • the beam is amplified because of the interaction of the pump beam with the active material.
  • FIG. 10 shows a four-mirror system comprising three reflecting mirrors 91, 92 and 93 and a mirror semi-reflective 94 for extracting the optical wave.
  • the mirrors 91 to 94 are covered with a layer of active material 101 to 104 respectively.
  • the pumping of the layers of active material 101 to 104 is obtained by means of pumping diodes 111 to 114, respectively.
  • the mirrors 91 to 94, non-collinear optical axes, transmit the pump beam.
  • the beam passes twice through the ball lens 90.
  • FIG. 11 describes the geometrical principle of propagation of the beam in a system according to the invention.
  • the beam F is divided into main segments M n M ' n and secondary M' n M n + 1 .
  • Mirrors, with non - collinear optical axes, are positioned at the ends of these segments on the circle C of radius R.
  • the center O of the circle C is the point of origin of the orthonormal coordinate system x, O, y.
  • the radius R may correspond to a beam incident to a mirror, of angle ⁇ .
  • the secondary segment must not cross the LS spherical lens. We can therefore define a geometrical condition:
  • the optical system according to the invention is based mainly on the use of Gaussian beams often encountered in integrated optics.
  • a simple case is to consider the following conditions:
  • - first condition the propagation distances remain equal between each crossing of the lens
  • - second condition the "waist" (that is to say the minimum radius of the beam) is positioned in the middle of each secondary segment.
  • the second condition implies that the distances separating the positions of "waists" object and image at the focal points object and image are equal.
  • the "waists" object and image are the same size and the optical systems are growing.
  • FIG. 12 gives an equivalent propagation diagram of the unfolded system, in which the beam is rectilinear. Mirrors are represented by dotted lines, spherical lenses by circles.
  • the focal length of a ball lens of index ni and diameter Di is:
  • FIG. 13 gives the different values of minimum angles 0C min as a function of the diameter Di of the lens for different sizes of "waists"
  • the glass index is 1.5 and the wavelength considered is 1.55 ⁇ m).
  • N ⁇ R / (2 W M ) (13) This last equation is to be calculated with the value ⁇ min in the definition of W M. It must also be ensured that the inclination of the mirrors and their size do not cause the occultation of the beams reflected by the neighboring mirrors. For this, N must remain rather weak.
  • a ball lens with a diameter of 4 mm and a refractive index of 1.5 is considered.
  • Equations (8), (9) and (10) give a minimum deflection angle of 40.8 °.
  • Equations (7), (8) and (12) give for this minimum angle value a support radius of the mirrors:
  • a surface component smaller than 1 cm 2 allows a propagation distance of 32 cm.
  • the number of mirror reflections can be high, it is important that each angular deflection be performed with the greatest precision.
  • an error of 0.01 degree on the angle of the mirrors leads to a shift of about 5 microns in the position of the output beam.
  • a preferred embodiment will therefore be one that implements the production of mirrors by lithography.
  • the mirrors can then be made directly by deep etching of a substrate according to the mirror planes or by molding techniques.
  • Figure 14 schematically shows a mold 121 and a molded substrate 122.
  • the mold has negative cavity formed by the succession of mirror planes.
  • Another solution is to position the mirrors one by one on a substrate by gluing. The positioning must then be very precise.
  • the above description has been directed to an optical system for propagation of a beam over a large distance, generally using a single optical transmission element. To do this, this transmission element must have particular properties of symmetry and the beam must be directed frequently by mirrors arranged appropriately.
  • the particular feature of the invention is to allow, in a small space, a significant propagation of a wave in the air (as opposed to propagation in an optical fiber where the electromagnetic wave is confined in silica). This structure can therefore be used for absorption sensor applications.
  • a typical example is the gas sensor.
  • the presence of a gas in the atmosphere results in the increase of the absorption coefficient ⁇ for specific wavelengths specific to the gas in question.
  • Measuring the absorption, and therefore the gas concentration is by measuring the factor p, root of the ratio of the intensity of the transmitted signal t by the intensity of the original signal I 0 to the length of characteristic wave:
  • Equation (14) shows that if ⁇ is very small, large propagation lengths are required to measure a significant p-factor.
  • the present invention provides a solution that meets both of these requirements.
  • Ltot 2 NR (l +
  • This value also includes the propagation in the lens.
  • FIG. 15 illustrates an example of application as absorption sensor of the optical system according to the invention.
  • An optical source 131 is first filtered by a filter 132 to select the significant wavelength (s) and the emitted light beam is injected into an optical fiber 50/50 coupler 133.
  • One half of the signal is received by the optical detector 134 and serves as a reference.
  • the other half of the signal goes to the sensor 135 constituted by an optical system according to the invention.
  • the sensor 135 is placed in the gas 136 whose absorption value is to be measured.
  • the signal After propagation in the optical system 135, the signal is reflected in the input fiber and, after passing through the coupler 133, is received by the detector 137.
  • the ratio of the signals of the detectors 134 and 137 allows the measurement of the value of the absorption and therefore the concentration of gas.

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Abstract

L'invention concerne un système optique à extension de propagation de faisceau optique (21) possédant une entrée et une sortie du faisceau optique. Le système comprend au moins deux éléments optiques de réflexion (22, 23) du faisceau agencés pour étendre la propagation du faisceau par réflexion sur les éléments de réflexion, le système optique comprenant également au moins un élément optique de transmission (20) de faisceau disposé pour être traversé au moins deux fois par ledit faisceau optique suivant des directions différentes au cours de sa propagation dans le système optique, l'élément optique de transmission assurant une transformation optique du faisceau à chaque traversée de manière à corriger sa divergence.

Description

SYSTEME OPTIQtJE A EXTENSION DE PROPAGATION DE FAISCEAU
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQtJE La présente invention de rapporte à un système optique à extension de propagation de faisceau.
Un système optique consiste par définition en une suite d'éléments d'optiques par lesquels se propage un faisceau lumineux. Dans le cadre de la présente invention, on développe un système comportant un nombre minimum d'éléments d'optiques répartis sur une surface faible mais permettant une très grande longueur de propagation de faisceau.
Les applications de ce système sont multiples et répondent en général à deux besoins contradictoires d' intégration du composant et d'extension de la distance de propagation de son faisceau.
On cite cinq exemples à la suite pour lesquels existent ces deux besoins :
- La réalisation de lasers à cavité pour lesquels l'espacement spectral entre les modes émis est inversement proportionnel et la finesse des raies d'émission directement proportionnelle à la longueur de cavité.
- La stabilisation des diodes laser qui nécessite l'utilisation de cavités externes sur des distances de propagation bien supérieures à la taille du composant (> 50 cm) . - Certaines applications interférométriques, pour lesquelles il est parfois nécessaire d'utiliser des lignes à retard pour compenser des différences de propagation entre faisceau interférant (application en métrologie notamment) .
- Cas des lasers à blocage de mode pour lesquels le taux de répartition est inversement proportionnel à la longueur de cavité, application aux lasers à impulsions brèves.
- Cas des capteurs de gaz par mesure d'absorption nécessitant des longueurs de propagation importantes en espace libre.
ÉTAT DE LA TECHNIQtJE ANTERIEtJRE
Une solution connue pour augmenter une distance de propagation de faisceau dans un espace réduit est d'utiliser une fibre optique. La figure 1 en donne le principe dans le cas d'une cavité étendue. Sur cette figure, le faisceau de sortie d'un laser 1 est couplé à une fibre optique 2 grâce à une optique de collimation 3. Un réseau de Bragg 4 assure la réflexion à l'extrémité de la cavité. La fibre optique est enroulée en bobine, ce qui permet une distance de propagation grande entre le laser et le réseau dans un espace relativement réduit. Cette solution, largement utilisée aujourd'hui, impose cependant le passage en optique guidée avec des pertes de couplage. Le rayon de courbure des fibres doit de plus être de l'ordre du centimètre au minimum, ce qui limite l'intégration.
Une autre solution, concernant la fabrication d'un laser avec trajet multiple, est divulguée dans le document US-A-6 577 666. Le système divulgué met en œuvre un miroir parabolique et une série de prismes en toit afin de refocaliser, sur leur élément laser, de faisceau de pompe à plusieurs reprises. C'est l'élément de réflexion (le miroir parabolique) qui assure à la fois la fonction de réflexion et celle de refocalisation. Il en résulte des inconvénients, parmi lesquels la complexité du miroir et l'encombrement important du système.
L'utilisation de réflexions multiples d'un faisceau permet d'induire des repliements sur la direction de propagation. La principale difficulté, dans les cavités à multiples repliements usuelles est la gestion de la divergence du faisceau. Si celle-ci n'est pas gérée, l'élargissement du faisceau entraîne l'élargissement des optiques de renvoi et par conséquent l'augmentation du volume du système. Ainsi, la figure 2 montre une première réalisation de propagation de faisceau. Il s'agit simplement de placer des miroirs 10 en vis-à-vis, de façon à replier le faisceau 11. Pour comparaison, un faisceau identique 12 est représenté sans extension. Si l'utilisation de l'extension permet bien d'augmenter la distance parcourue par le faisceau par rapport à un trajet droit
(cas du faisceau 12), on voit que la taille du faisceau est elle aussi fortement augmentée. Si la divergence du faisceau est gérée localement et de façon périodique par des systèmes successifs au cours de la propagation du faisceau, le nombre de ces systèmes et la taille des optiques en limitent la compacité. La figure 3 donne un exemple connu d'utilisation d'optiques 13 pour corriger la divergence d'un système équivalent à celui de la figure 2. Outre les problèmes d'encombrement liés à la taille des optiques, l'augmentation du nombre de lentilles accroît considérablement les contraintes de réglage d' alignement .
EXPOSÉ DE I/ INVENTION
La présente invention permet de remédier aux inconvénients de l'art antérieur.
Elle a pour objet un système optique à extension de propagation de faisceau optique possédant une entrée et une sortie du faisceau optique, comprenant au moins deux éléments optiques de réflexion du faisceau agencés pour étendre la propagation du faisceau par réflexion sur les éléments de réflexion, le système optique comprenant également au moins un élément optique de transmission de faisceau, caractérisé en ce que les éléments optiques de réflexion ont des axes optiques non colinéaires, l'élément optique de transmission étant disposé pour être traversé au moins deux fois par ledit faisceau optique suivant des directions différentes au cours de sa propagation dans le système optique, l'élément optique de transmission assurant une transformation optique du faisceau à chaque traversée de manière à corriger sa divergence. Selon un mode de réalisation, l'élément optique de transmission est une lentille boule et les éléments optiques de réflexion sont des miroirs plans. Dans le cas d'un miroir plan, l'axe optique est perpendiculaire au plan du miroir. Selon un autre mode de réalisation, l'élément optique de transmission est une lentille cylindrique possédant un axe de symétrie, les éléments optiques de réflexion étant des miroirs cylindriques d'axe de symétrie perpendiculaire à l'axe de symétrie de la lentille cylindrique. Dans le cas d'un miroir cylindrique, l'axe optique est perpendiculaire à l'axe de symétrie du miroir.
Eventuellement, l'élément optique de transmission est au moins partiellement réalisé dans un matériau optiquement actif. Eventuellement aussi, au moins l'un des éléments optiques de réflexion comprend un matériau optiquement actif.
Les éléments optiques de réflexion peuvent être agencés pour propager le faisceau optique d' abord dans un sens de réflexion, puis dans le sens inverse, l'entrée et la sortie du faisceau optique étant confondues .
Le système optique peut être constitué d' au moins deux systèmes optiques élémentaires mis en cascade.
Selon un mode de réalisation particulier, l'un des éléments optiques de réflexion est semi- réfléchissant pour servir de sortie au faisceau optique. L'invention concerne aussi un capteur de gaz du type à mesure d'absorption, comprenant un système optique à extension de propagation de faisceau tel que décrit ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 représente un premier système optique à extension de propagation de faisceau selon l'art connu, - la figure 2 représente un deuxième système optique à extension de propagation de faisceau selon l'art connu,
- la figure 3 représente un système optique du type de la figure 2 pourvu d'éléments correcteurs de la divergence du faisceau,
- la figure 4 illustre une première variante de système optique selon l'invention,
- la figure 5 illustre une deuxième variante de système optique selon l'invention, - la figure 6 illustre une troisième variante de système optique selon l'invention,
- la figure 7 illustre une quatrième variante de système optique selon l'invention,
- la figure 8 illustre une cinquième variante de système optique selon l'invention,
- la figure 9 illustre une sixième variante de système optique selon l'invention,
- la figure 10 illustre une septième variante de système optique selon l'invention, - la figure 11 illustre le principe géométrique de propagation du faisceau dans un système selon l'invention,
- la figure 12 est un schéma équivalent de propagation du système déplié de l'invention,
- la figure 13 est un diagramme explicatif,
- la figure 14 illustre un mode de fabrication de l'invention,
- la figure 15 illustre une application particulière d'un système optique selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le principe du système d'extension de propagation de faisceau selon l'invention repose sur l'utilisation d'optiques de transmission possédant des symétries afin de corriger la divergence du faisceau, et des miroirs de repliement afin d'étendre les distances de propagation. Les symétries de l'optique permettent à un faisceau de la traverser à plusieurs reprises suivant différentes directions et de garantir ainsi la compacité du système.
La figure 4 est illustrative du principe utilisé par la présente invention. L'optique 20 utilisée présente une symétrie circulaire par rapport à son centre. Un faisceau 21 traverse tout d'abord la lentille 20, puis est réfléchi une première fois par un premier miroir 22. Le miroir 22 oriente le faisceau vers un second miroir 23 qui oriente le faisceau vers le centre de la lentille 20. Celle-ci étant symétrique, la seconde traversée est équivalente à la première. En choisissant bien la distance entre les miroirs et la lentille, on peut ainsi corriger la divergence tout en augmentant la distance de faisceau parcourue sans accroître l'encombrement. Les axes optiques des miroirs 22 et 23 ne sont pas colinéaires. La figure 5 représente une vue tridimensionnelle d'une autre variante du système selon l'invention. Cette variante utilise deux miroirs plans 32 et 33 d'axes optiques non colinéaires et une lentille sphérique 30. Dans ce cas, la lentille 30 seule permet la correction de divergence du faisceau 31.
La figure 6 représente une vue tridimensionnelle d'encore une autre variante du système selon l'invention. Cette variante utilise deux miroirs cylindriques 42 et 43 d'axes optiques non colinéaires et une lentille cylindrique 40. Dans ce cas, la lentille 40 corrige la divergence selon une première direction et les miroirs 42 et 43 corrigent la divergence suivant l'autre direction perpendiculaire tout en réfléchissant le faisceau 41.
Le système selon l'invention devient particulièrement intéressant quand le nombre de miroirs augmente. La lentille utilisée étant symétrique, on peut en effet la traverser suivant une multitude de directions. La figure 7 représente un système à 15 miroirs et à lentille unique. Le système comprend une pièce 50 possédant une cavité équipée de quinze miroirs référencés 51 à 65 d'axes optiques non colinéaires. La cavité permet également le logement, en partie centrale, d'une lentille (sphérique ou cylindrique) 66. On privilégiera les lentilles sphériques parce qu'elles permettent de corriger la divergence complète du faisceau (selon les deux axes) . Une lentille cylindrique, qui ne corrige que la divergence selon un axe (celui perpendiculaire à l'axe de la lentille), peut être utilisée pour des systèmes qui ne sont pas contraints en dimension selon l'axe de ce cylindre. Un faisceau lumineux 67 entre dans la cavité en étant dirigé vers le miroir 51 après avoir traversé la lentille 66. Il est renvoyé successivement vers les autres miroirs dans l'ordre croissant de leurs références en traversant la lentille 66 après deux réflexions. Lorsque le faisceau parvient au dernier miroir, le miroir 65, il est réfléchi sur lui-même et refait en sens inverse le trajet qu'il a fait précédemment. Le faisceau ressort alors de la cavité par l'endroit où il était entré. On conçoit facilement que la distance de propagation entre l'entrée et la sortie du faisceau peut devenir importante malgré une surface de composant réduite et l'utilisation d'une seule optique. Cet exemple correspond typiquement à la réalisation d'une cavité étendue.
La figure 8 représente un système comprenant deux sous-systèmes 71 et 72 du type de la figure 7 mis en cascade dans une pièce 70. Un faisceau 73 entrant dans le sous-système 71 ressort de ce sous- système pour être dirigé dans le sous-système 72 et pour sortir du sous-système 72. Le système de la figure 8 peut être utilisé dans le cas d'une ligne à retard en transmission. La figure 9 représente une autre application de la présente invention. Dans cette application, l'élément d'optique de transmission et de correction de divergence 80 (une lentille sphérique) est construit dans un matériau actif. On entend par matériau actif, un matériau capable d'émettre une onde optique en émission stimulée ou spontanée sous l'effet d'un pompage. Le système représenté comprend quatre miroirs référencés 81 à 84 d'axes optiques non colinéaires. Ce système d'extension de propagation est fermé de façon à réaliser une cavité stable. L'un des éléments de réflexion, le miroir 83, présente un coefficient de réflexion plus faible que les autres afin de permettre la sortie du faisceau laser 85. Une source optique 86 sert de pompe afin d'exciter le matériau actif. Un miroir supplémentaire 87 permet éventuellement d'augmenter le confinement du faisceau pompe 88 dans la lentille sphérique 80. A chaque passage dans la lentille boule, le faisceau est amplifié du fait de l'interaction du faisceau pompe avec le matériau actif. Cette solution offre l'avantage d'une grande longueur de cavité avec une grande longueur de traversée de faisceau actif tout en garantissant un encombrement minimum.
Dans le même ordre d'idée, on peut également considérer un système ayant des miroirs comportant une zone réalisée en matériau actif. Un tel système est représenté à la figure 10. Ce système est conçu de façon que l'onde optique traverse le matériau actif avant de se réfléchir. Un pompage adéquat permet alors de stimuler l'émission dans ce matériau. La figure 10 montre un système à quatre miroirs comprenant trois miroirs réfléchissants 91, 92 et 93 et un miroir semi-réfléchissant 94 permettant d'extraire l'onde optique. Les miroirs 91 à 94 sont recouverts, d'une couche de matériau actif respectivement 101 à 104. Le pompage des couches de matériau actif 101 à 104 est obtenu par des diodes de pompage, respectivement 111 à 114. Les miroirs 91 à 94, d'axes optiques non colinéaires, transmettent le faisceau de pompe. Le faisceau traverse deux fois la lentille boule 90.
La figure 11 décrit le principe géométrique de propagation du faisceau dans un système selon l'invention. Le faisceau F est divisé en segments principaux MnM' n et secondaires M' nMn+1. Des miroirs, d'axes optiques non colinéaires, sont positionnés aux extrémités de ces segments sur le cercle C de rayon R. Le centre O du cercle C est le point d' orignine du repère orthonormé x, O, y. Le rayon R peut correspondre à un faisceau incident à un miroir, d'angle α. De sorte que, si to est l'angle à l'origine et si tn indique l'angle du segment MnM' n avec l'axe x, on peut écrire : tn = to + 2 n α (1)
Si βn et β'n sont les angles de miroirs aux points Mn et M'n, on a : βn = tn - (π + GC) /2 (2a) β'n = tn - (π - GC) /2 (2b) La distance cumulée des segments principaux et secondaires est:
Lseg = 2 R (l+|cos(α]|) (3)
Du point M0 au point M'N>, la distance parcourue est donc : Ltot = 2 NR (l+|cos(ûf)|) + 2R (4) avec R rayon du cercle supportant les miroirs .
On cherche généralement à travailler avec des miroirs équidistants . Cela sous-entend que pour un N donné, le segment MNM' N se superpose avec le segment M0M' o. On a alors : α = (k/N) π/2 avec k e Z (5)
Le segment secondaire ne doit pas croiser la lentille sphérique LS. On peut donc définir une condition géométrique :
R sin (α) > Ri (6)
Avec Ri rayon de la lentille LS.
Le système optique selon l'invention repose principalement sur l'utilisation de faisceaux gaussiens souvent rencontrés en optique intégrée. Un cas simple consiste à considérer les conditions suivantes :
- première condition : les distances de propagation restent égales entre chaque traversée de la lentille, - deuxième condition : le « waist » (c'est- à-dire le rayon minimum du faisceau) est positionné au milieu de chaque segment secondaire.
Suivant la théorie de l'optique gaussienne, la deuxième condition implique que les distances séparant les positions de « waists » objet et image aux points focaux objet et image soient égales. De ce fait, les « waists » objet et image ont la même taille et les systèmes optiques fonctionnent en grandissement 1.
La figure 12 donne un schéma équivalent de propagation du système déplié, dans lequel le faisceau est rectiligne. Les miroirs sont représentés par des traits pointillés, les lentilles sphériques par des cercles .
Les lentilles sont séparées par la distance L. On démontre géométriquement que : L = 2 R (l+|cos(α)|) (7)
Par ailleurs, pour répondre aux conditions de conjugaison des faisceaux gaussiens, on doit avoir : L = 2 f [1±( (πwo 2) / (fλ))2)0'5] (8)
Avec Wo la taille du waist du faisceau, f la longueur focale de la lentille et λ la longueur d'onde de propagation. La focale d'une lentille boule d' indice ni et de diamètre Di est :
F = DIn1/ (4 (U1-I) ) (9)
A noter que les équations précédentes rapportées à la condition (6) imposent une valeur minimum de l'angle α de déviation donnée par la formule : αmin = arcos ( (L2-Di2)/ (L2 + O1 2)) (10)
La figure 13 donne les différentes valeurs d'angles minimum 0Cmin en fonction du diamètre Di de la lentille pour différentes taille de « waists »
(l'indice du verre est 1,5 et la longueur d'onde considérée est 1,55 μm) .
Lors du paramétrage du système, il faut s'assurer que la lentille n'occulte pas le faisceau. En tenant compte de la taille du « waist », la condition
(6) s'exprime plus exactement par l'inégalité :
R sin (α) > R1 + W0 (11) II faut aussi que la taille du miroir soit supérieure à la taille 2 WM du faisceau à son niveau. Cette taille est donnée par la relation :
WM = W0 [1 + ((2 R cos (GC) λ) / (π W0 2))2]0'5 (12) La taille des miroirs est liée à l'angle de déviation et au diamètre du cercle supportant les miroirs. Le nombre de segments N défini à l'équation (5) doit donc vérifier :
N < π R / (2 WM) (13) Cette dernière équation est à calculer avec la valeur αmin dans la définition de WM. Il faut aussi veiller à ce que l'inclinaison des miroirs et leur taille ne provoquent pas l'occultation des faisceaux réfléchis par les miroirs voisins. Pour cela, N doit rester assez faible.
On donne maintenant un exemple de configuration possible.
On considère une lentille boule de diamètre 4 mm et d'indice de réfraction 1,5. La propagation s'effectue à la longueur d'onde 1,55 μm.
On travaille avec un « waist » de taille W0 = 30 μm. Les équations (8), (9) et (10) donnent un angle de déviation minimum de 40,8°.
Les équations (7), (8) et (12) donnent pour cette valeur d'angle minimum un rayon de support des miroirs :
Rmin = 3,1 mm et un rayon de faisceau sur les miroirs de : WM = 82 μm. On limite la valeur N relative au nombre de miroirs a
N = 30.
On choisit un angle de déviation : α = (17/30) π/2 = 51° .
Pour cette valeur d'angle, on a finalement
R = 3, 3 mm L = 10,76 mm WM = 74,7 m
Ltot = 32 cm.
Dans cet exemple, un composant de surface inférieure à 1 cm2 permet une distance de propagation de 32 cm. Le nombre de réflexions miroirs pouvant être élevé, il importe que chaque déviation angulaire soit réalisée avec la plus grande précision. Ainsi, sur la configuration précédente, une erreur de 0,01 degré sur l'angle des miroirs conduit à un décalage d'environ 5 μm sur la position du faisceau de sortie.
Les modes de réalisation du système doivent donc garantir une grande précision angulaire. Un mode de réalisation privilégié sera donc celui qui met en œuvre la réalisation des miroirs par lithographie. Les miroirs peuvent alors être réalisés directement par gravure profonde d'un substrat suivant les plans des miroirs ou encore par des techniques de moulage. La figure 14 présente schématiquement un moule 121 et un substrat moulé 122. Le moule présente en négatif la cavité formée par la succession des plans de miroir. Une autre solution revient à positionner les miroirs un par un sur un substrat par collage. Le positionnement doit alors être d'une très grande précision. La description ci-dessus a porté sur un système optique permettant la propagation d'un faisceau sur une grande distance en utilisant généralement un seul élément optique de transmission. Pour ce faire, cet élément de transmission doit avoir des propriétés particulières de symétrie et le faisceau doit être dirigé fréquemment par des miroirs disposés de façon appropriée.
La description précédente est particulièrement axée sur l'idée d'une cavité. On peut réaliser, selon l'invention, une cavité optique de grande longueur (environ 1 mètre) dans un espace très limité (de l'ordre du cm2) . Les applications de l'invention concernent donc principalement l'utilisation des cavités : applications lasers et capteurs interférométriques .
L'invention a pour caractéristique particulière de permettre, dans un espace réduit, une propagation importante d'une onde dans l'air (par opposition à une propagation dans une fibre optique où l'onde électromagnétique est confinée dans de la silice) . Cette structure peut donc être utilisée pour des applications de capteur par absorption.
Un exemple typique est le capteur de gaz . La présence d'un gaz dans l'atmosphère se traduit par l'augmentation du coefficient d'absorption γ pour certaines longueurs d'ondes spécifiques, propres au gaz en question.
Une onde optique se propageant sur une distance L sera atténuée d'un facteur p : p = e^ (14)
La mesure de l'absorption, et donc de la concentration en gaz, se fait en mesurant le facteur p, racine du rapport de l'intensité du signal transmis lt par l'intensité du signal d'origine I0 à la longueur d'onde caractéristique :
Figure imgf000018_0001
L'équation (14) montre que si γ est très faible, il faut des longueurs importantes de propagation pour pouvoir mesurer un facteur p significatif.
Pour γ ~ 0 (soit p ~ 1) on montre que la précision de mesure est inversement proportionnelle à L :
dγ = —dp (16)
Suivant le type de gaz que l'on veut détecter il est donc important de pouvoir disposer de longueurs de propagation importantes. Ce besoin est souvent en contradiction avec les restrictions de compacité des capteurs. La présente invention fournit une solution qui répond à ces deux exigences à la fois.
Comme annoncé plus haut, la longueur de propagation du faisceau est donnée par la relation :
Ltot = 2 NR (l+|cos(ûf)|) + 2 R (4) Cette valeur comprend également la propagation dans la lentille. Pour connaître la valeur de la longueur dans l'air on doit retrancher le nombre de traversées de la lentille de diamètre Di : Lair = 2 N R (l+|cos(ûf)|) + 2 R- N Di (17)
Si on reprend l'exemple donné ci-dessus en configuration repliée (un miroir est disposé en fin de parcours pour renvoyer le faisceau vers l'entrée, cas de la figure 7) on a : Ltot = 64 cm, soit avec Di = 4 mm et N = 30 :
Lair = 40 cm.
On dispose donc d'une distance de propagation libre de 40 cm dans une structure de 1 cm2. La figure 15 illustre un exemple d'application en tant que capteur d'absorption du système optique selon l'invention. Une source optique 131 est d'abord filtrée par un filtre 132 pour sélectionner la ou les longueurs d' onde significatives et le faisceau lumineux émis est injecté dans un coupleur 50/50 133 à fibre optique. Une moitié du signal est reçue par le détecteur optique 134 et sert de référence. L'autre moitié du signal part vers le capteur 135 constitué par un système optique selon l'invention. Le capteur 135 est placé dans le gaz 136 dont on veut mesurer la valeur de l'absorption. Après propagation dans le système optique 135, le signal est réfléchi dans la fibre d'entrée et, après passage dans le coupleur 133, est reçu par le détecteur 137. Le rapport des signaux des détecteurs 134 et 137 permet la mesure de la valeur de l'absorption et donc de la concentration en gaz .

Claims

REVENDICATIONS
1. Système optique à extension de propagation de faisceau optique possédant une entrée et une sortie du faisceau optique, comprenant au moins deux éléments optiques de réflexion du faisceau
(22,23 ;32,33 ;42,43) agencés pour étendre la propagation du faisceau par réflexion sur les éléments de réflexion, le système optique comprenant également au moins un élément optique de transmission de faisceau (20 ;30 ;40), caractérisé en ce que les éléments optiques de réflexion ont des axes optiques non colinéaires, l'élément optique de transmission étant disposé pour être traversé au moins deux fois par ledit faisceau optique suivant des directions différentes au cours de sa propagation dans le système optique, l'élément optique de transmission assurant une transformation optique du faisceau à chaque traversée de manière à corriger sa divergence.
2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément optique de transmission est une lentille boule (20 ;30) et les éléments optiques de réflexion sont des miroirs plans (22,23 ;32,33) .
3. Système optique selon la revendication
1, caractérisé en ce que l'élément optique de transmission est une lentille cylindrique (40) possédant un axe de symétrie, les éléments optiques de réflexion étant des miroirs cylindriques (42,43) d'axe de symétrie perpendiculaire à l'axe de symétrie de la lentille cylindrique.
4. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément optique de transmission est au moins partiellement réalisé dans un matériau optiquement actif.
5. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins l'un des éléments optiques de réflexion (91 à 94) comprend un matériau optiquement actif (101 à 104) .
6. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments optiques de réflexion (51 à 65) sont agencés pour propager le faisceau optique d' abord dans un sens de réflexion, puis dans le sens inverse, l'entrée et la sortie du faisceau optique étant confondues.
7. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système optique est constitué d' au moins deux systèmes optiques élémentaires (71,72) mis en cascade.
8. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un
(83) des éléments optiques de réflexion est semi- réfléchissant pour servir de sortie au faisceau optique.
9. Capteur de gaz du type à mesure d'absorption, comprenant un système optique à extension de propagation de faisceau, caractérisé en ce que ledit système optique est un système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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