FR2756110A1 - Optical oscillator with spatially modulated cavity laser for telemetry esp. in automobile - Google Patents
Optical oscillator with spatially modulated cavity laser for telemetry esp. in automobile Download PDFInfo
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Abstract
Description
OSCILLATEUR OPTIQUE A AGILITE DE POINTAGE ET SOURCE LASER
UTILISANT CET OSCILLATEUR OPTIQUE
Le domaine de l'invention est celui des sources laser et plus particulièrement celui des sources laser à agilité de pointage permettant de délivrer un faisceau laser dont la direction peut être ajustée par rapport à l'axe optique de la cavité laser dont il est issu. Ce type de source optique à agilité de pointage peut être particulièrement intéressant dans le domaine de l'automobile et plus généralement de la télémétrie.OPTICAL OSCILLATOR WITH POINTING AGILITY AND LASER SOURCE
USING THIS OPTICAL OSCILLATOR
The field of the invention is that of laser sources and more particularly that of laser sources with pointing agility making it possible to deliver a laser beam whose direction can be adjusted relative to the optical axis of the laser cavity from which it originates. This type of optical source with pointing agility can be particularly interesting in the automotive field and more generally in telemetry.
Actuellement, on utilise des moyens extracavité type déflecteur acoustooptique ou miroir galvanométrique pour dévier un faisceau laser. La figure 1 montre un exemple d'oscillateur optique délivrant un faisceau de lumière Ip à partir d'un milieu laser pompé optiquement. Un milieu laser 1 est pompé par une source de pompage optique transverse 2, le milieu laser étant placé entre deux miroirs 3 et 4, le miroir 3 présentant un coefficient de réflexion maximum à la longueur d'onde du faisceau Ip, le miroir 4 présentant un coefficient de réflexion plus faible à ladite longueur d'onde du faisceau Ip. En sortie de la cavité de l'oscillateur un dispositif de type modulateur acoustooptique permet de défléchir le faisceau laser Ip dans une direction donnée par une commande en tension et en fréquence de modulation on peut régler le pas du réseau de diffraction ainsi créé et par làmême l'angle de déflexion du faisceau Ip. Ce type de dispositif utilisant un déflecteur acoustooptique ne permet de délivrer qu'un unique faisceau laser dévié selon une direction ou dans un plan. Currently, extracavity means such as acoustooptic deflector or galvanometric mirror are used to deflect a laser beam. Figure 1 shows an example of an optical oscillator delivering a light beam Ip from an optically pumped laser medium. A laser medium 1 is pumped by a transverse optical pumping source 2, the laser medium being placed between two mirrors 3 and 4, the mirror 3 having a maximum reflection coefficient at the wavelength of the beam Ip, the mirror 4 having a lower reflection coefficient at said wavelength of the beam Ip. At the output of the oscillator cavity, a device of the acoustooptical modulator type makes it possible to deflect the laser beam Ip in a given direction by a voltage and frequency modulation command, the pitch of the diffraction grating thus created can be adjusted, and thereby the deflection angle of the beam Ip. This type of device using an acoustooptic deflector only allows a single laser beam deflected in a direction or in a plane to be delivered.
L'invention propose une nouvelle architecture d'oscillateur optique dans lequel on utilise des moyens de déflexion intracavité. II s'agit plus précisément de modulateur spatial de lumière dont la position de la surface transparente au faisceau laser Ip créé dans la cavité, peut être réglée par rapport à l'axe optique de la cavité laser. The invention proposes a new architecture of an optical oscillator in which intracavity deflection means are used. More precisely, it is a spatial light modulator whose position of the surface transparent to the laser beam Ip created in the cavity, can be adjusted relative to the optical axis of the laser cavity.
Plus précisément, I'invention a pour objet un oscillateur optique comprenant une cavité laser définie par un milieu laser émettant un faisceau de lumière Ip, des moyens de pompage optique dudit milieu laser et des moyens de renvoi dudit faisceau de lumière Ip, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur spatial de lumière dans la cavité laser, sur le chemin optique du faisceau de lumière Ip, de manière à faire varier la direction dudit faisceau de lumière Ip par rapport à la normale au plan dudit modulateur spatial de lumière, en réglant la position de la surface transparente au faisceau laser Ip du modulateur spatial de lumière. More specifically, the subject of the invention is an optical oscillator comprising a laser cavity defined by a laser medium emitting a light beam Ip, means for optical pumping of said laser medium and means for returning said light beam Ip, characterized in that that it comprises a spatial light modulator in the laser cavity, on the optical path of the light beam Ip, so as to vary the direction of said light beam Ip relative to the normal to the plane of said spatial light modulator, in adjusting the position of the surface transparent to the laser beam Ip of the spatial light modulator.
De manière préférentielle, le pompage optique est un pompage longitudinal par rapport à l'axe de la cavité. Le modulateur spatial de lumière comprend des surfaces élémentaires dont la transparence au faisceau Ip peut être commandée par des moyens appropriés notamment électriques. Preferably, the optical pumping is a longitudinal pumping with respect to the axis of the cavity. The spatial light modulator comprises elementary surfaces whose transparency to the beam Ip can be controlled by suitable means, in particular electrical means.
L'étendue du faisceau Ip créée dans la cavité, au niveau du modulateur spatial de lumière est au moins de l'ordre de grandeur de plusieurs surfaces élémentaires dudit modulateur. En sélectionnant la transparence d'une partie seulement du modulateur, il est possible de contraindre l'oscillateur à émettre dans une direction privilégiée. En rendant simultanément plusieurs régions transparentes, I'oscillateur selon l'invention peut émettre simultanément plusieurs faisceaux lasers dans des directions différentes. L'invention a aussi pour objet une source optique de puissance, comprenant un oscillateur optique selon l'invention, une série de modules amplificateurs et un miroir à conjugaison de phase, de manière à constituer une source compacte pouvant être rendue miniature et à agilité de pointage rapide. The extent of the beam Ip created in the cavity, at the level of the spatial light modulator is at least of the order of magnitude of several elementary surfaces of said modulator. By selecting the transparency of only part of the modulator, it is possible to force the oscillator to emit in a preferred direction. By simultaneously making several regions transparent, the oscillator according to the invention can simultaneously emit several laser beams in different directions. The invention also relates to an optical power source, comprising an optical oscillator according to the invention, a series of amplifier modules and a phase conjugation mirror, so as to constitute a compact source that can be made miniature and with agility of quick score.
Avantageusement, la source optique de puissance comprend une série de lentilles qui imagent le centre de rotation du faisceau Ip issu d'un module amplificateur dans le module amplificateur suivant. Advantageously, the optical power source comprises a series of lenses which image the center of rotation of the beam Ip from an amplifier module in the next amplifier module.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre un oscillateur optique selon l'art connu
- la figure 2 illustre un premier exemple d'oscillateur optique
selon l'invention;
- la figure 3 illustre un second exemple d'oscillateur optique
selon l'invention, utilisant des moyens de pompage
longitudinaux et transversaux du milieu laser;
- la figure 4 illustre l'évolution des rayons des modes Wg (créé
dans le milieu actif) et W2 de sortie ou W1 en fond de cavité,
en fonction de la distance z séparant les miroirs de fond de
cavité et de sortie;
- la figure 5 illustre un exemple d'oscillateur optique comprenant
un milieu laser possédant un fond de cavité concave;
- la figure 6 illustre un exemple de source laser de puissance
selon l'invention, comprenant un oscillateur optique de
l'invention, une série de modules amplificateurs et un miroir à
conjugaison de phase.The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows given without limitation and thanks to the appended figures among which:
- Figure 1 illustrates an optical oscillator according to known art
- Figure 2 illustrates a first example of an optical oscillator
according to the invention;
- Figure 3 illustrates a second example of an optical oscillator
according to the invention, using pumping means
longitudinal and transverse of the laser medium;
- Figure 4 illustrates the evolution of the rays of the Wg modes (created
in the active medium) and output W2 or W1 at the bottom of the cavity,
as a function of the distance z separating the background mirrors from
cavity and outlet;
- Figure 5 illustrates an example of an optical oscillator comprising
a laser medium having a concave bottom of the cavity;
- Figure 6 illustrates an example of a laser power source
according to the invention, comprising an optical oscillator of
the invention, a series of amplifier modules and a mirror
phase conjugation.
L'oscillateur optique selon l'invention comprend un milieu laser pompé optiquement, des moyens de renvoi de manière à constituer une cavité laser et un modulateur spatial de lumière, intégré à la cavité laser. The optical oscillator according to the invention comprises an optically pumped laser medium, deflection means so as to constitute a laser cavity and a spatial light modulator, integrated into the laser cavity.
La figure 2 illustre une variante de l'invention comprenant une cavité laser repliée. Plus précisément, elle est constituée par un milieu laser 11 présentant un miroir de fond de cavité 10, un miroir 13 unique, une source de pompage optique 12 assurant un pompage longitudinal du milieu laser 11, grâce à une optique de couplage 16. Le milieu laser est de préférence de petites dimensions (épaisseur inférieure au cm, dans la direction de pompage optique) et présente un fort coefficient d'absorption à la longueur d'onde de pompage de manière à fournir un gain d'amplification élevé. L'intérêt du pompage longitudinal réside dans la grande ouverture angulaire du faisceau laser Ip, comparativement à un pompage optique transversal. En effet avec le pompage longitudinal on parvient à une ouverture angulaire de l'ordre de + 20O pour un milieu d'1 cm d'épaisseur, alors que typiquement un barreau Nd:YAG dont la longueur est de 10 cm présente une ouverture angulaire limitée à 1 ou 2 degrés selon un pompage transversal tel que celui illustré en figure 1. FIG. 2 illustrates a variant of the invention comprising a folded laser cavity. More specifically, it is constituted by a laser medium 11 having a bottom cavity mirror 10, a single mirror 13, an optical pumping source 12 ensuring longitudinal pumping of the laser medium 11, thanks to a coupling optic 16. The medium The laser is preferably small (thickness less than cm, in the optical pumping direction) and has a high absorption coefficient at the pumping wavelength so as to provide a high amplification gain. The advantage of longitudinal pumping lies in the large angular opening of the laser beam Ip, compared to a transverse optical pumping. In fact with longitudinal pumping, an angular opening of the order of + 20O is achieved for an environment 1 cm thick, while typically an Nd: YAG bar whose length is 10 cm has a limited angular opening. at 1 or 2 degrees according to a transverse pumping such as that illustrated in FIG. 1.
L'étendue du faisceau laser Ip généré en sortie de milieu laser 11 peut typiquement être de l'ordre d'une centaine de microns. The extent of the laser beam Ip generated at the output of the laser medium 11 can typically be of the order of a hundred microns.
La cavité laser ainsi constituée présente un modulateur spatial 15 dont la surface est irradiée par le faisceau laser Ip. The laser cavity thus formed has a spatial modulator 15 whose surface is irradiated by the laser beam Ip.
Ce modulateur spatial de lumière peut avantageusement être une matrice active à cristal liquide couplée à un polariseur 17. En activant une partie seulement de la matrice active de manière à la rendre transparente au faisceau laser Ip, on peut sélectionner une direction D du faisceau laser Ip comme indiquée sur la figure 2. On choisit par là-même un mode spatial de la cavité laser capable de satisfaire à la condition d'émission laser. This spatial light modulator can advantageously be an active liquid crystal matrix coupled to a polarizer 17. By activating only part of the active matrix so as to make it transparent to the laser beam Ip, it is possible to select a direction D of the laser beam Ip as indicated in FIG. 2. A spatial mode of the laser cavity capable of satisfying the laser emission condition is therefore chosen.
Une optique de couplage 16 assure la focalisation du faisceau de pompage optique dans le milieu actif. A coupling optic 16 ensures the focusing of the optical pumping beam in the active medium.
Le changement de direction D peut être obtenu rapidement en adressant différemment la matrice active à cristal liquide. The change of direction D can be obtained quickly by addressing the liquid crystal active matrix differently.
De même, il est possible de générer plusieurs faisceaux laser en sélectionnant simultanément plusieurs surfaces transparentes au niveau de ladite matrice active. Likewise, it is possible to generate several laser beams by simultaneously selecting several transparent surfaces at the level of said active matrix.
Selon une variante de l'invention l'oscillateur optique peut comprendre à la fois un pompage longitudinal et un pompage transversal du milieu laser, comme illustré en figure 3, de manière à amplifier davantage le faisceau laser Ip créé dans la cavité. Dans ce cas, le milieu laser peut avantageusement présenter une géométrie conique tronquée, ou de type pyramide tronquée. According to a variant of the invention, the optical oscillator can comprise both a longitudinal pumping and a transverse pumping of the laser medium, as illustrated in FIG. 3, so as to further amplify the laser beam Ip created in the cavity. In this case, the laser medium can advantageously have a truncated conical geometry, or of the truncated pyramid type.
Dans l'exemple d'oscillateur optique illustré en figure 3, un seul moyen de pompage optique transversal 17 est représenté, il est néanmoins possible de disposer d'autres moyens de pompage optique à la périphérie du milieu laser. In the example of an optical oscillator illustrated in FIG. 3, only one transverse optical pumping means 17 is shown, it is nevertheless possible to have other optical pumping means at the periphery of the laser medium.
II est à noter que dans le cas d'une cavité laser repliée un unique miroir 13 peut être utilisé. La surface dudit miroir présente localement des propriétés différentes vis-à-vis du faisceau laser Ip. Au moins une partie de la surface du miroir présente un coefficient de réflexion maximale à la longueur d'onde du faisceau Ip, une autre partie de la surface étant semiréfléchissante vis-à-vis dudit faisceau. A titre d'exemple la figure 4 illustre l'évolution des rayons de mode sur les miroirs de fond de cavité (rayon W1) et de sortie (rayon W2) qui sont identiques par la symétrie de la cavité et la valeur du rayon du mode dans le milieu actif. Cette évolution est donnée en fonction de la distance z séparant les deux miroirs et pour un rayon de courbure du miroir 13 de 10 cm. Typiquement pour une distance totale z = 10 cm, nous obtenons un rayon de mode de 184 pm sur le miroir 13 et un paramètre de mode Wg avoisinant 120 um dans le milieu laser. It should be noted that in the case of a folded laser cavity a single mirror 13 can be used. The surface of said mirror locally exhibits different properties with respect to the laser beam Ip. At least part of the surface of the mirror has a maximum reflection coefficient at the wavelength of the beam Ip, another part of the surface being semi-reflecting with respect to said beam. By way of example, FIG. 4 illustrates the evolution of the mode rays on the bottom of cavity (radius W1) and exit (W2 radius) mirrors which are identical by the symmetry of the cavity and the value of the mode radius. in the active environment. This change is given as a function of the distance z separating the two mirrors and for a radius of curvature of the mirror 13 of 10 cm. Typically for a total distance z = 10 cm, we obtain a mode radius of 184 µm on the mirror 13 and a mode parameter Wg around 120 µm in the laser medium.
En prenant un pixel élémentaire par voie électrique de rayon 2 x
W1 (ou 2 x W2), afin de minimiser les pertes on détermine la taille d'un élément du modulateur spatial permettant de contrôler l'émission. Dans ce cas, la surface à activer est de 4art12, soit 4,2 10-3cm2. Cette cavité semiconcentrique est en limite de stabilité. La déviation angulaire est déterminée par la taille d'un pixel élémentaire pouvant être activé mais également par l'ouverture offerte par le milieu laser. Ainsi le champ offert est d'autant plus grand que l'épaisseur du milieu actif est faible.By taking an elementary pixel by electric means of radius 2 x
W1 (or 2 x W2), in order to minimize the losses, the size of an element of the spatial modulator making it possible to control the emission is determined. In this case, the surface to be activated is 4art12, or 4.2 10-3cm2. This semiconcentric cavity is at the limit of stability. The angular deviation is determined by the size of an elementary pixel which can be activated but also by the aperture offered by the laser medium. Thus the field offered is all the greater as the thickness of the active medium is low.
Selon un exemple de réalisation, les moyens de pompage optique sont des diodes laser1 pouvant être couplées au milieu laser par des fibres multimodes permettant de découpler thermiquement les diodes laser et le milieu laser. According to an exemplary embodiment, the optical pumping means are laser diodes 1 which can be coupled to the laser medium by multimode fibers making it possible to thermally decouple the laser diodes and the laser medium.
Le milieu laser peut être du type Nd:YV04 ou Nd:YAG présentant un fort coefficient d'absorption au voisinage 0,808 pm, ou utiliser d'autres ions terres rares insérés dans des matrices cristallines par exemple l'Erbium (il peut typiquement s'agir d'une pastille d'1 cm de diamètre et d'épaisseur voisine de 2 mm). II est à noter que le matériau YV04 dopé néodyme présente la caractéristique d'avoir un coefficient d'absorption à la longueur d'onde de pompe élevé, ainsi qu'une forte section efficace d'émission laser. The laser medium can be of the Nd: YV04 or Nd: YAG type having a high absorption coefficient in the vicinity of 0.808 μm, or use other rare earth ions inserted in crystalline matrices for example Erbium (it can typically be act with a pellet of 1 cm in diameter and thickness close to 2 mm). It should be noted that the neodymium doped material YV04 has the characteristic of having a high absorption coefficient at the pump wavelength, as well as a high effective cross section of laser emission.
Par ailleurs, son émission est naturellement polarisée ce qui la rend compatible avec l'emploi d'un modulateur spatial de type cristaux liquides.Furthermore, its emission is naturally polarized, which makes it compatible with the use of a space modulator of the liquid crystal type.
Selon une autre configuration possible, le milieu laser peut également comprendre un miroir de fond de cavité concave réalisé sur le milieu laser, comme illustré en figure 5.According to another possible configuration, the laser medium can also include a concave cavity bottom mirror produced on the laser medium, as illustrated in FIG. 5.
La matrice cristal liquide à adressage électrique matriciel peut être constituée d'un matériau type cristal liquide nématique présentant un temps de réponse (pour basculer d'un état optique à un autre état optique), de l'ordre d'une dizaine de millisecondes. The liquid crystal matrix with matrix electrical addressing can be made of a nematic liquid crystal type material having a response time (to switch from one optical state to another optical state), of the order of ten milliseconds.
Il peut également s'agir d'un cristal liquide ferroélectrique présentant un temps de réponse plus court voisin d'une dizaine de microsecondes. It can also be a ferroelectric liquid crystal having a shorter response time of around ten microseconds.
La matrice peut comporter typiquement 100 x 100 à 512 x 512 pixels, les dimensions d'un pixel étant de l'ordre de 10 pm. The matrix can typically comprise 100 × 100 to 512 × 512 pixels, the dimensions of a pixel being of the order of 10 μm.
L'oscillateur selon l'invention peut avantageusement être intégré dans une source laser de forte puissance. The oscillator according to the invention can advantageously be integrated into a high power laser source.
Comme l'illustre la figure 4, I'oscillateur 20 délivre une puissance de l'ordre de quelques 10 microJoules, le faisceau ainsi délivré est amplifié dans une chaîne d'amplificateurs constitués de milieu laser pompés optiquement 21, 22 et 23. En sortie de cette chaîne, la source peut comprendre une cellule à conjugaison de phase 24 type cellule Brillouin pour compenser les effets de lentille thermique (divergence du faisceau laser, non désirée) dus au pompage des milieux laser provoquant un échauffement desdits milieux. Cette cellule à conjugaison de phase peut comprendre un milieu liquide de type SnCl4CCl4 ou un milieu gazeux SBS de type N2, CH4. As illustrated in FIG. 4, the oscillator 20 delivers a power of the order of some 10 microJoules, the beam thus delivered is amplified in a chain of amplifiers made up of optically pumped laser medium 21, 22 and 23. At the output of this chain, the source may comprise a Brillouin cell-type 24 phase conjugation cell to compensate for the effects of thermal lens (divergence of the laser beam, unwanted) due to pumping of the laser media causing heating of said media. This phase conjugation cell can comprise a liquid medium of SnCl4CCl4 type or an SBS gaseous medium of N2, CH4 type.
La chaîne d'amplificateurs peut typiquement comprendre des modules à fort gain pompés par diode, de faible encombrement (de l'ordre du centimètre cube). The amplifier chain can typically comprise high gain modules pumped by diode, of small size (of the order of the cubic centimeter).
Entre un amplificateur et un autre, un ensemble de lentilles 31, 32, 33 imagent le centre de rotation du faisceau dans l'amplificateur suivant. Between one amplifier and another, a set of lenses 31, 32, 33 imagine the center of rotation of the beam in the next amplifier.
Une telle source optique peut ainsi délivrer un faisceau laser Ip d'une énergie de quelques 10 mJ à 100 mJ, selon une direction variable dans deux dimensions, cette direction pouvant être modifiée très rapidement (en une dizaine de microsecondes). Such an optical source can thus deliver a laser beam Ip with an energy of some 10 mJ to 100 mJ, in a direction variable in two dimensions, this direction being able to be modified very quickly (in about ten microseconds).
La source possède une très bonne qualité de faisceau par conjugaison de phase et peut avantageusement être rendue compacte et miniature. The source has a very good beam quality by phase conjugation and can advantageously be made compact and miniature.
Claims (6)
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR9614084A FR2756110B1 (en) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | OPTICAL OSCILLATOR WITH POINTING AGILITY AND LASER SOURCE USING THE SAME |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2756110A1 true FR2756110A1 (en) | 1998-05-22 |
| FR2756110B1 FR2756110B1 (en) | 1999-02-05 |
Family
ID=9497760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9614084A Expired - Lifetime FR2756110B1 (en) | 1996-11-19 | 1996-11-19 | OPTICAL OSCILLATOR WITH POINTING AGILITY AND LASER SOURCE USING THE SAME |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2756110B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2790336A1 (en) * | 1999-02-26 | 2000-09-01 | Thomson Csf | Industrial rapidly deflectable laser beam optical unit having cavity generated beam mirror cavity passed and in line diffraction cavity providing commandable beam offset |
| WO2008120141A3 (en) * | 2007-03-29 | 2009-04-30 | Koninkl Philips Electronics Nv | Method and device for generating a laser beam, a laser treatment device and a laser detection device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3473864A (en) * | 1966-05-19 | 1969-10-21 | Westinghouse Electric Corp | Radiation regulating system |
| US3506928A (en) * | 1967-01-25 | 1970-04-14 | Zenith Radio Corp | Radiation scanning apparatus |
| US3643178A (en) * | 1969-11-24 | 1972-02-15 | Trw Inc | Electromagnetic radiation beam directing systems |
| FR2108857A1 (en) * | 1970-10-13 | 1972-05-26 | Thomson Csf |
-
1996
- 1996-11-19 FR FR9614084A patent/FR2756110B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
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| Title |
|---|
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| H.E.HAYNES: "Laser cavity with electrically deflectable output beam", RCA TECHNICAL NOTE, no. 878, 12 February 1971 (1971-02-12), PRINCETON,NJ,US, XP002036401 * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2756110B1 (en) | 1999-02-05 |
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