Cavité optique 1048297 30405464 2008-06-07T16:28:37Z Sforget 315505 Annulation des modifications 30405243 par [[Special:Contributions/Tejgad|Tejgad]] ([[User talk:Tejgad|Discuter]]) Une '''cavité optique''', ou '''résonateur optique''' est un dispositif dans lequel certains [[rayon (optique)|rayons lumineux]] sont susceptible de rester confinés grâce à des [[miroir]]s sur lesquels ils se réfléchissent. Ces cavités sont indispensables aux [[laser]]s pour que leur lumière passe plusieurs fois dans leur [[milieu amplificateur]]. Elles sont parfois présentes dans des [[interféromètre]]s et des [[oscillateur paramétrique optique|oscillateurs paramétriques optiques]]. ==Types de cavité== [[Image:Optical cavities.png|thumb|300px|right|Différentes cavités à deux miroirs :<br> 1. plane.<br> 2. concentrique.<br> 3. hémisphérique.<br> 4. confocale. <br> 5. concave-convexe.]] La façon la plus simple de réaliser une cavité optique est de placer deux miroirs [[miroir plan|plans]] ou [[miroir sphérique|sphériques]] face-à-face séparés d'une distance ''L''. On retrouve cette configuration dans l'[[interféromètre de Fabry-Pérot]], ainsi que dans de nombreux lasers de petite taille. Malgré sa simplicité, cette disposition est inutilisable dans le matériel de grande taille à cause de la difficulté d'alignement : les miroirs doivent être parallèles à quelques [[seconde d'arc|secondes d'arc]] près afin que la lumière ne s'échappe pas trop vite. Ce problème est plus facile à résoudre lorsquela cavité est de petite taille. On les retrouve ainsi dans les [[microcavité optique|microcavités optiques]] et les [[laser à semiconducteur|lasers à semiconducteurs]]. Avec deux miroirs sphériques de rayons de courbure ''R''<sub>1</sub> et ''R''<sub>2</sub>, de nombreuses configurations de cavités peuvent être réalisées. Si les deux miroirs ont le même centre (''R''<sub>1</sub> + ''R''<sub>2</sub> = ''L''), cela forme une cavité ''concentrique''. En remplaçant un des deux miroirs par un miroir plan placé au centre de l'autre, on obtient une cavité ''hémisphérique''. Une configuration importante et souvent utilisée est la cavité ''confocale'', où les deux miroirs sont identiques et dont les rayons de courbure coïncident avec la longueur de la cavité (''R''<sub>1</sub> = ''R''<sub>2</sub> = ''L''). Ce type de cavité permet produit des faisceaux les plus fins possibles. Il existe aussi des cavités ''concave-convexes'' constituées de deux miroirs sphériques : un concave et un convexe. Cela permet de ne pas trop focaliser le faisceau, ce qui est parfois important dans les lasers de grande puissance pour ne pas détruire le milieu amplificateur. ==Modes de résonance== La lumière réfléchie plusieurs fois par les miroirs peut interférer avec elle-même. Il en découle que seules quelques [[longueur d'onde|longueurs d'onde]], et leurs ondes associées, peuvent être présentes dans la cavité. Ces ondes sont appelées les ''modes de résonance''. Ils dépendent de la forme de la cavité. On définit deux types de modes : les modes ''longitudinaux'' qui diffèrent par leur longueur d'onde, et les modes ''transverses'' qui diffèrent en plus par leur forme. Dans le cas général, on peut observer une superposition de ces modes. Il existe aussi des cavités dans lesquelles toutes les longueurs d'onde sont possibles. Dans ce cas on ne définit pas de modes de résonance. ==Stabilité== <!-- [[Image:Optical-cavity2.png|frame|right|Stability diagram for a two-mirror cavity. Blue-shaded areas correspond to stable configurations.]] --> Une cavité constituée de deux miroirs ne peut confiner la lumière que dans certaines positions des miroirs. Dans ces cas, on dit que la cavité est ''stable''. Si elle est ''instable'', un rayon présent dans la cavité en sortira après quelques réflexions sur les miroirs, et sera perdu. Il est possible de calculer la condition de stabilité de telles cavités : :<math> 0 < \left( 1 - \frac{L}{R_1} \right) \left( 1 - \frac{L}{R_2} \right) < 1 </math>. Les cavités vérifiant ce critère sont stables. <!-- The stability can be shown graphically by defining a stability parameter, ''g'' for each mirror: :<math> g_1 = 1 - \frac{L}{R_1} ,\qquad g_2 = 1 - \frac{L}{R_2}</math>, and plotting ''g''<sub>1</sub> against ''g''<sub>2</sub> as shown. Areas bounded by the line ''g''<sub>1</sub> ''g''<sub>2</sub> = 1 and the axes are stable. Cavities at points exactly on the line are marginally stable; small variations in cavity length can cause the resonator to become unstable, and so lasers using these cavities are in practice often operated just inside the stability line. --> ==Les cavités en pratique== Si une cavité optique n'est pas vide (une cavité laser, par exemple, contient un milieu amplificateur), la valeur de ''L'' utilisée n'est pas la vraie distance séparant les miroirs, mais le [[chemin optique]] parcouru par la lumière. De même, les lentilles présentes dans la cavité ainsi que les effets des inhomogénéités des milieux amplificateurs modifient les modes de résonance et la stabilité. Les cavités utilisées dans les lasers peuvent contenir plus de deux miroirs, ainsi que d'autres éléments permettant de modifier le faisceau, comme des [[modulateur acousto-optique|modulateurs acousto-optique]], des [[filtrage spatial|filtres spatiaux]], des [[fibre optique|fibres optiques]], des [[prisme (optique)|prisme]]s et des [[réseau optique|réseaux optiques]]. La configuration choisie doit également tenir compte des [[aberration optique|abberations optiques]] et des réflexions à l'[[angle de Brewster]]. ==Lien externe== *Consortium "Optique Pour l'Instrumentation", FORGET, S, cours en ligne, 2008, "Optique des Lasers et Faisceaux Gaussiens" <http://prn1.univ-lemans.fr/prn1/siteheberge/optique/M1G3_SForget/co/M1G3_web.html> <!-- Partie non encore traduite de l'anglais ==Optical delay lines== Optical cavities can also be used as multipass optical delay lines, folding a light beam so that a long path-length may be achieved in a small space. A plane-parallel cavity with flat mirrors produces a flat zigzag light path, but as discussed above, these designs are very sensitive to mechanical disturbances and walk-off. When curved mirrors are used in a nearly confocal configuration, the beam travels on a circular zigzag path. The latter is called a Herriott-type delay line. A fixed insertion mirror is placed off-axis near one of the curved mirrors, and a mobile pickup mirror is similarly placed near the other curved mirror. A flat linear stage with one pickup mirror is used in case of flat mirrors and a rotational stage with two mirrors is used for the Herriott-type delay line. The rotation of the beam inside the cavity alters the [[polarization]] state of the beam. To compensate for this, a single pass delay line is also needed, made of either a three or two mirrors in a 3d respective 2d retro-reflection configuration on top of a linear stage. To adjust for beam divergence a second car on the linear stage with two lenses can be used. The two lenses act as a telescope producing a flat phase front of a [[Gaussian beam]] on a virtual end mirror. ==References== *Koechner, William. ''Solid-state laser engineering'', 2nd ed. Springer-Verlag (1988). *An excellent two-part review of the history of optical cavities: **{{cite journal | last = Siegman | first = Anthony E. | year = 2000 | title = Laser beams and resonators: the 1960s | journal = IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics | volume = 6 | issue = 6 | pages = 1380–1388 | doi = 10.1109/2944.902192 | url = http://www.stanford.edu/~siegman/beams_and_resonators_1.pdf | format = PDF | accessdate = 2006-08-01 }} **{{cite journal | last = Siegman | first = Anthony E. | year = 2000 | title = Laser beams and resonators: Beyond the 1960s | journal = IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics | volume = 6 | issue = 6 | pages = 1389–1399 | doi = 10.1109/2944.902193 | url = http://www.stanford.edu/~siegman/beams_and_resonators_2.pdf | format = PDF | accessdate = 2006-08-01 }} --> {{portail physique}} [[Catégorie:Instrument optique]] [[de:Optischer Resonator]] [[en:Optical cavity]] [[ja:光共振器]] [[ms:Rongga optik]] [[nl:Trilholte]]