Brevet FR2004906A1 — publié le 19691205

.1- 2004906 La présente invention se rapporte à des dispositifs paramétriques susceptibles de fonctionner dans une large bande de fréquences comprenant les fréquences du spectre visible. Un certain ft. intérêt est présenté par des dispositifs à faible seuil, qui sont 5 susceptibles de fonctionner par onde continue et qui peuvent être utilisés pour étendre la gamme de fréquences disponibles de rayonnements visibles cohérents fournis par des oscillateurs à laser. Etant donné le développement de la technologie des lasers à l'état solide, il est de plus en plus évident que des dispositifs 10 fonctionnant sur des longueurs d'onde notablement inférieures à 7000 angstroms ne seront pas disponibles, du moins dans un avenir immédiat. En outre, même le nombre de fréquences différentes, correspondant à des longueurs d'onde plus longues, disponibles à partir de telles sources est sérieusement limité, en particulier 15 pour un fonctionnement par onde continue, par suite du très petit nombre de matières actives de laser qui ont été mises au point. Néanmoins, de nombreux usages prévus pour l'avenir nécessitent un fonctionnement sur des longueurs d'onde plus courtes et à une variété de fréquences différentes. L'exemple le plus frappant de ce 20 dernier cas est peut être celui des télécommunications du fait de la nécessité de fréquences porteuses différentes. Cette nécessité étant reconnue, des efforts considérables ont été consacrés à des dispositifs utilisables pour des convex-sions de fréquences. Des matières nécessaires dans de tels disposi-25 tifs sont connues sous le nom de "matières non linéaires". Elles doivent leur utilité au fait que leur polarisabilité électrique dépend de l'intensité, offrant ainsi la possibilité d'un échange d'énergie entre des faisceaux émis de fréquences différentes. Le premier usage démontré de telles matières non linéaires, 30 est apparu sous la forme de générateurs d'harmoniques d'ordre deux. Comme le nom l'implique, un tel dispositif accomplit un doublement de la fréquence, permettant ainsi d'obtenir à partir d'un nombre dQnné de matières actives de laser, un nombre -de fréquences disponibles double . Des avantages variés en ce qui concerne les matières 35 et la réalisation permettant actuellement un fonctionnement efficace de tels dispositifs générateurs d'harmoniques d.'ordre deux ot ils sont considérés comme constituant une partie bien établie de la technologie des lasers. 69 08M6 ... . b 1 ... 2004906 Il e. ete reconnu de bonne heure que les matieres non linéaires utilisables dans des générateurs d'harmoniques d'ordre deux, pouvaient aussi servir dans des dispositifs paramétriques (oscillateurs, mélangeurs, etc.). Il a été réalisé dès le début que la 5 combinaison d'un oscillateur paramétrique avec un dispositif générateur d'harmoniques d'ordre deux par utilisation de sources disponibles à laser à l'état solide pourrait permettre un fonctionnement clans toute la gamme de fréquences jusqu'au voisinage de la fréquence harmonique. 10 la première démonstration d'un oscillateur paramétrique fonc tionnant à une fréquence optique a été décrite par J.A. G-iordmaine et U.C. Miller volume 14, Physics Review Letters, p. 973 (14 Juin 1965). Depuis cette époque, des rapports écrits sur le fonctionnement d'autres oscillateurs paramétriques ont été rédigés par d'autres 15 chercheurs de "Bell Téléphoné Jjaboratories" et par un groupe de chercheurs en U.R.S.S. Tous ces oscillateurs paramétriques utilisaient des lasers à grande puissance de crête et à commutateur de Q pour pomper les oscillateurs. Les articles en question signalent 4 7 des puissances d'ondes de pompe allant de 10 watts à 10 watts. 20 Puisque de telles puissances étaient disponibles seulement à partir de dispositifs puisés, les oscillateurs paramétriques ayant fait lfobjet de ces rapports ia'étaient pas susceptibles de fournir des signaux de sortie permanents. On décrira ci-après une catégorie de dispositifs paramétriques 25 à faible seuil. Un oscillateur pris à titre d'exemple fonctionnait continuellement avec une puissance de pompe inférieure à 10"^ watt. Le rendement élevé obtenu avec les dispositifs selon l'invention, en contraste avec les dispositifs ayant fait l'objet des rapports ci-dessus mentionnés, est dû. principalement : 30 1 ) à la composition de matière non linéaire Ba2ÏTaFb,-0.jex trêmement efficace, non endommageable, et adaptable en phase j voir Applied Physics Letters, Yolume 11, p. 269 (Novembre 1967) et 2) à la réalisation d'une structure résonante particulièrement efficace qui augmente davantage le rendement de la matière non 35 linéaire. La contribution apportée par BagîTaETb^O^ est évidente. Cette matière dure, facilement polie, durable chimiquement et physiquement, présente une largeur de bande de transparence allant de . 69 08596 , _3~ 2004906 4u.0u0 angstroms a 4.000 angstroms. Elle a une biréfringence suffisante pour permettre une adaptation de phase dans toute la gamme de fréquences de fonctionnement, à des températures do fonctionnement raisonnables pour des faisceaux lumineux entrants perpendicu-5 laires à l'axe optique. Le coefficient de non linéarité est de loin le meilleur ayant été mesuré parmi toutes les matières adaptables en phase, utilisables dans la gamme du spectre de la lumière visible et il n'apparait pas de dommages optiques (hétérogénéités locales de l'incide de réfraction) dans des conditions de fonctionne-10 ment normales. La caractéristique la plus importante dans la réalisation de l'appareil réside dans la configuration de cavité utilisée pour l'élément paramétrique. En ce qui concerne la structure, de telles cavités utilisent au moins un élément de concentration. Des arran-15 gements appropriés peuvent comporter un ou deux miroirs courbes et/ou une lentille. Les miroirs et/ou les lentilles peuvent évidemment être extérieurs au corps paramétrique ou bien ils peuvent constituer une partie de cet élément lui-même. On considère qu'un fonctionnement optimum impose certaines 20 limites à la nature des éléments qui constituent ensemble la cavité résonnante paramétrique. En général, il est souhaitable de rendre maximum la densité d'énergie des différents champs à l'intérieur de la cavité. Les paramètres mis en jeu sont interdépendants de sorte que, pour une longueur donnée du cristal, il y a une configu-25 ration de cavité qui donne des résultats optimum et une gamme de configurations de cavité, y compris la configuration optimum, qui donnent lieu à un fonctionnement acceptable. Ces cavités, indépendamment de leur configuration particulière, sont càra.ctéris.ées par une quantité b, dite- "paramètre cofocal". La valeur optimum de 30 b en fonction de l'indice de réfraction de l'air, est donnée par b , = £/cristal OP* 2 8n . . n ' cristal où : os^ l°nSueur cristal de Ba2lfeFb^0^ ^ employé ; et 35 ncristal es^ ^-e réfraction du cristal BagîïaîIb^O^. La gamme de fonctionnement acceptable, qui est définie comme étant la gamme dans laquelle la puissance nécessaire pour entretenir les oscillations est inférieure au décuple du minimum, est donnée par 69 Q8596 4' 2004906 'cristal 100 n . cristal Dans ce qui précède on a supposé que le faisceau d'ondes de pompe entrant est approximativement conforme au faisceau de signal 5 paramétrique et au faisceau d'ondes passives à l'intérieur du cristal paramétrique. A moins que ceci ne soit vrai dans les limites indiquées (en fonction de b), il ne peut y avoir une interaction efficace entre les ondes de pompe et de signal, l'hypothèse est raisonnable puisque la position et la configuration du faisceau 10 paramétrique (déterminées par la cavité paramétrique) sont adaptées simplement par l'utilisation d'une lentille de pompage. En ternies simplifiés, ceci veut dire que le moyen de focalisation des ondes de pompe doit avoir une distance focale telle qu'il transforme le faisceau d'ondes de pompe de telle sorte qu'il présente un paramètre 15 cofocal égal à celui do la cavité paramétrique pour un fonctionnement optimum. les limites basées sur un accroissement permis du seuil dans un rapport de l'ordre de 10 à 1 sont exigées pour un fonctionnement efficace en ondes continues. Pour un fonctionnement pratique, il est 20 souvent souhaitable de s'écarter des conditions optimum pour donner à la focalisation la latitude qui est quelquefois nécessaire, par exemple, par suite d'une légère dispersion du faisceau ou par suite de légères déviations du faisceau dues à un manque d'homogénéité de l'indice de réfraction. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven tion ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, des formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ce dessin : 30 la figure- 1 est une représentation schématique d'une forme de réalisation du dispositif paramétrique selon l'invention ; et la figure 2 est aussi une représentation schématique d'un dispositif constituant une autre forme de réalisation d'un dispositif > paramétrique selon l'invention. 35 Des structures selon l'invention dépendent de la matière non linéaire Baglfeî^bj-O^ Cette matière, qui doit être présente sous la forme d'un monocristal sensiblement parfait, appartient au BAD ORIGINAL 69 085.96 5 2004906 ^ydoëme cristallin or t horhombique et a été décrite parfois comme étant pratiquement "tétragonale". Puisque sa structure est essentiellement celle de la forme tétragonalo traditionnelle du "tungstène-bronze", ces désignations de structure servent souvent 5 à la désigner. Telle qu'elle a été développée, cette structure a des propriétés particulièrement avantageuses pour une utilisation non linéaire (volume 11 de "Applied Physics letters", p. 269 Novembre 1967). Elle présente un coefficient élevé do non linéarités est adaptable en phase perpendiculairement à l'axe optique dans une 10 gamme de températures appropriée et présente, par ailleurs, des propriétés qui la rendent à l'heure actuelle adaptable d'une manière originale à des structures du type décrit. En conséquence, conformément aux buts de l'invention, aucun écart appréciable vis-à-vis de la composition indiquée n'est permis. 15 Aucune matière solutée n'est incluse d'une manière souhaitable, intentionnellement ou non ; et puisque des ingrédients supplémentaires sont présents en général suivant des quantités indéterminées (à l'opposé des éléments nécessaires à la composition qui sont fixés par un équilibre de valences), de telles inclusions peuvent produire 20 des défauts d'homogénéité et par conséquent une dispersion dans l'élément paramétrique. On fait facilement croître des cristaux de BagHaNb^O^ par lui certain nombre de techniques, y compris la croissance de Czochralski, la croissance de Bridgeman, la croissance à partir d'un flux, etc... 25 les configurations de cavités permises pour une utilisation avec le cristal paramétrique sont caractérisées par un ou plusieurs éléments de concentration. De tels éléments peuvent être séparés du cristal paramétrique ou bien ils peuvent former un seul bloc avec celui-ci. Ils peuvent comprendre un ou plusieurs miroirs courbes 30 et/ou une ou plusieurs lentilles, la fonction de l'élément de -concentration (ou des éléments de concentration) est de produire la-concentration maximum possible en énergie dans le cristal, la distance focale des moyens de concentration pour un fonctionnement optimum dépend du nombre de ces moyens et de leur positionnement par 35 rapport au cristal. Dans l'arrangement utilisé dans l'exemple, une surface réfléchissante plane formait un seul bloc avec le cristal paramétrique et constituait la cavité résonnante avec un miroir courbe séparé. BAD ORIGINAL 69 08596 -6- 2004906 la distance focale et lo positionnement étaient choisis de façon à produire une concentration maximum en énergie à proximité de l'extrémité réfléchissante plane du cristal. Pour l'arrangement comprenant deux miroirs courbes séparés, un fonctionnement optimum 5 impose un foyer central à travers le cristal. L'agencement optimum d'autres arrangements paraîtra évident d'après la description suivants. On discutera des paramètres généraux de dimensionnement en considérant l'appareil de la figure 1 que l'on décrira. Les miroirs courbes 1 et 2 forment avec le laser oscillateur 10 3 et un élément générateur d'harmoniques d'ordre deux 4 une source de lumière cohérente ayant une fréquence de sortie qui impose une limite maximum à la fréquence de sortie de l'élément paramétrique. Bien que l'élément générateur d'harmonique d'ordre deux 4 ne soit pas nécessaire en principe, son utilisation représente le meilleur 15 moyen pour produire un rayonnement cohérent à une fréquence du spectre visible à partir d'une source à l'état solide. Puisque le dispositif paramétrique au Ba2ÎIaNb^0^ selon l'invention présente un faible seuil, il est possible de le faire fonctionner avec un laser à gaz à une fréquence du spectre de la lumière visible de 20 façon à éviter la nécessité de l'élément générateur d'harmonique d'ordre deux 4. Le laser à l'état solide actuellement le plus efficace, du moins pour une utilisation par onde continue, est constitué par le système grenat d'yttriuia et aluminium et néodyme. Dans cet exemple, 25 le laser fonctionne initialement sur une longueur d'onde de 10 640 Angstroms de sorte que la radiation produite par l'élément générateur d'harmonique d'ordre deux qui quitte l'élément 2 a une fréquence double de la fréquence correspondant à cette longueur d'onde, c'est-à-dire une longueur d'onde de 5 320 Angstroms.La seule condi-30 tion imposée à la structure comprenant les éléments 1 à 4 ou à son équivalent est qu'elle fonctionne dans une gamme de fréquences dans laquelle la matière Ba2SfaFb^0^ est pratiquement transparente. Ainsi qu'il est indiqué, cette gamme va de 40 000 à 4 000 Angstrbms. Puisque la plupart des dispositifs paramétriques effectuent une co river-" 35 sion dans le sens de l'abaissement, les sources d'ondes de pompo s'approchent plus utilement de In longueur d'onde limite inférieure que de la longueur d'onde limite supérieure. Il a été indiqué que la source d'ondes de pompe peut être tvJLlo * BAD ORIGINAL 69 08596 2004906 qu'elle- ne nécessite pas un élément générateur d'harmonique d'ordre deux 4. Dans d'autres arrangements, il peut être souhaitable d'utiliser certains harmoniques d'ordres supérieurs. Un procédé proposé consiste à incorporer un élément doubleur do fréquence supplémen-5 taire. Un aspect important des dispositifs de l'invention est qu'ils sont capables de fonctionner par onde continue, néanmoins, le très faible seuil résultant de l'utilisation des caractéristiques de l'invention rend aussi possible un fonctionnement plus efficace 10 en régime puisé. Un faisceau résultant d'une émission cohérente passant à travers le miroir partiellement réfléchissant 2 est ensuite concentré par la lentille 5 de façon à arriver à un foyer situé dans la cavité de l'oscillateur paramétrique qui comprend les éléments 6 et 8. 15 l'élément 6 est un cristal de BagïïaîTb^O^ qui est recouvert, à la surface 7, par un revêtement diélectrique ayant un coefficient de transmission notable à la fréquence des ondes de pompe. La cavité de l'oscillateur est délimitée par le revêtement 7 et par un miroir courbe séparé 8, également po.urvu d'un revêtement diélectrique ayant 20 des propriétés voisines de celles du revêtement 7. La face intérieure du cristal 6 de l'oscillateur ainsi que les surfaces intérieure*s des éléments 3 et 4 non réfléchissantes dans la direction de propagation sont aussi recouvertes d'un revêtement anti-reflets. La figure 2 représente une variante du dispositif de la figure 25 1, dans laquelle les éléments 10, 13, 14, 12, 15 et 16 accomplissent les fonctions des éléments 1, 3, 4, 2, 5 et 6 de la figure 1, respectivement. L'arrangement diffère du précédent par la substitution du miroir courbe 17 à la surface réfléchissante plane 7, et de la lentille biconvexe 18, combinée à l'élément réfléchissant 19, 30 à l'élément 8. Des variantes de structures utilisant une ou plusieurs surfaces réfléchissantes courbes formant une seule pièce avec le cristal sont évidentes. On discutera ci-après de considérations d'espacement en considérant le dispositif du type représenté sur la figure 1. Ces 35 considérations sont généralisées de façon à produire la limitation pré cédemment ment ionné e. La puissance de seuil, pour la plupart des modes de fonctionnement pratiques, est liée à certains autres paramètres par la OR-OfNJAL 69 08596 -s- 2004906 relation approchée suivante : Pth = 3'2 a1a2 eq.. 1 dans laquelle : ?th es^ la Puissance de seuil exprimée en milliwatts ; 5 OC] et Œg sont les pertes en boucle fermée subies respecti vement par les ondes de signal et l'onde passive, exprimées en pour.cent j b est le paramètre cofocal de la cavité exprimé en centimètre; et 10 £ est la longueur du cristal dans la direction de propagation, exprimée en centimètres. Par conséquent, on voit que la réduction à la valeur minimum de la puissance de pompe nécessaire exige à son tour une réduction à la valeur minimum du rapport b/£ .la valeur de b est liée à 15 l'espacement d et au rayon de courbure R par l'expression : b2 = 4d(H-d) eq. 2 dans laquelle : d est l'espacement, dans la direction de propagation, entre les extrémités réfléchissantes, respectivement plane et courbe de 20 la cavité paramétrique ; et R est le rayon de courbure de la surface réfléchissante courbe, ces grandeurs étant exprimées dans des unités compatibles. La valeur de d contient en outre l'indice de réfraction du milieu 6, d'après l'équation suivante : n,r- i> -E cristal 25 d = ri-iT* n "cristal dans laquelle : £ air et -&cr;j_stal sont les longueurs associées ; et ncristal es^ ^-,ini3-3-ce réfraction du cristal. Il est évident que, lorsque d varie, b peut prendre n'importe 30 quelle valeur comprise entre les limites 0 et E. L'influence de d sur b est la plus prononcée quand d est approximativement égal à R, ce qui impose une limite pratique à la puissance minimum de seuil pouvant être appliquée (d'après l'équation 1). EXEMPLE 35 On a fait fonctionner le dispositif avec R=2 centimètres et R-d approximativement égal à 0,25 mm, ce qui équivaut à une puissance double ou triple de la puissance minimum de seuil, On a fait fonctionner l'arrangement représenté sur Ja figure 1 ORIGINAL 69 08596 "9" 2004906 en utilisant une source, d'ondes de- pompe à 5 320 Angstroms résultant de l'emploi d'un laser fonctionnant à 10 640 Angstroms avec le système grenat d'yttrium et aluminium et néodyme, ainsi qu-'un élément doubleur de fréquence en Ba2ÎTaiIbçO^ Les surfaces ré île-5 chissantes 1 et 2 ont été réalisées do façon à être très réfléchissantes à 10 640 Angstroms. Une puissance de pompe de l'ordre de 300 miiliwatts suivant le mode TEIIqq était disponible. Le cristal d'oscillateur 5 avait une longueur de 5 mm et des faces planes polies et parallèles et permettait un fonctionnement adapté en 10 phase sans double réfraction utilisant le coefficient de non linéarité d^-j • Une face du cristal et un miroir courbe séparé, d'un rayon de courbure de 3 cm, formaient la cavité de l'oscillateur. Ces surfaces (7 et 8) étaient recouvertes de revêtements diélectriques ayant un coefficient de transmission maximum de 0,1 fo au centre 15 de la bande et un coefficient do transmission dépassant 80 à 5 320 Angstrô'ms. La face intérieure du cristal d'oscillateur était recouverte d'un revêtement anti-reflets. La distance séparant les miroirs 7 et 8 a été réglée soigneusement pour donner un paramètre cofocal b de 5 mm à la cavité de l'oscillateur. On a choisi cette 20 valeur particulière pour réaliser un compromis entre une valeur de b donnant un gain paramétrique optimum et, par suite un seuil minimum, et une valeur correspondant à des tolérances d'alignement raisonnables. La lentille 5 a été choisie de façon à introduire dans la cavité des ondes de pompe par adaptation de modes (c'est- 25 à-dire :b = b •■'). pompe cavité Dès que l'oscillation a été obtenue, on a déplacé l'accord de 9 800 Angstroms à 11 600 Angstroms en faisant varier la température du cristal paramétrique de 97°C à 103°C et en observant le niveau du signal de sortie avec un spectromètre et un photomultipli-30 cateur. On a déterminé le seuil d'oscillation en réduisant la tension de la lampe associée au laser grenat d'yttrium et aluminium et néodyme. On a trouvé qu'en utilisant une thermopile étalonnée, la puissance de seuil de la lumière incidente sur la lentille 5,' d'une longueur d'onde de 5 320 Angstroms, était de l'ordre de 45 otilli-35 "watts. En utilisant la même thermopile, on a trouvé que la puissance du rayonnement, contenant à la fois l'onde de signal et l'onde passive, émis par une extrémité de la cavité, était de l'ordre de 1,5 milliwatt pour une puissance incidente de pompe de 300 milli- BAD ORIGINAL 69 08596 T-rattSo La puissance totale provenant des deux extrémités était ainsi de 3 milliîjatts pour un rendement de conversion global âe 1 $ On a décrit l'invention en considérant un nombre limité de modes d'exécution. Il a été signalé que le principe de 15invention 5 résulte de l'emploi de la matière BagHaïTb^O^ comme matière non linéaire dans une structure paramétrique particulière qui comprend au moins un élément de concentration d'une courbu.ro et d'une position telles qu'elles imposent que ^ ^ 1 dans les limites indiquées, Il est clair que le mode d'exécution à oscillation paramétrique par 10 onde continue constitue simplement uii exemple. D'autres arrangements paramétriques connus bénéficient avantageusement du principe de l'invention. Il doit donc être entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limi-15 tatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. BAD ORIGINAL 69 08596 -11- 2004906 BBTRWTlTntTIONS 1. Dispositif paramétrique comprenant un milieu non linéaire, un moyen pour introduire une radiation électromagnétique cohérente d'une première fréquence dans ledit milieu,un moyen d'entretien 5 pour entretenir une radiation électromagnétique cohérente d'une seconde fréquence dans ledit milieu et un moyen pour extraire une radiation du moyen d'entretien, les première et seconde fréquences étant liées entre elles par une relation telle qu'elles permettent un échange d'énergie entre les radiations correspondantes, ledit 10 dispositif paramétrique étant caractérisé en ce que le milieu non linéaire est un monocristal constitué essentiellement par la matière Ba2ÎTaîrb^0.jçj e"t Q.ue Ie moyen d'entretien de la seconde fréquence est une cavité résonnante qui contient un moyen de concentration pour concentrer la radiation électromagnétique à la seconde fré-15 quence dans le moyen d'entretien. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de concentration est tel que la relation suivante est satisfaite : P 10 2. cristal b • 20 ^ ^ ncristal ncristal Dans cette formule : ^cristal es^ ^"a lonSueur â-11 monocristal suivant la direction de propagation, ncristal es^ réfraction du monocristal ; et 25 h est le paramètre cofocal de la cavité. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité est délimitée par une extrémité réfléchissante plane et par une extrémité réfléchissante courbe, et dans lequel : 2 h est défini par la relation "b = 4d(R-d), dans laquelle : 30 d est la distance séparant les surfaces réfléchissantes j et R est le rayon de courbure de la surface courbe. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen générateur pour engendrer ladite radiation électromagnétique cohérente à ladite première fréquence. 35 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moyen générateur comprend un laser oscillateur à l'état solide. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé un ce que BAO ORIGINAL 69 08596 _t2_ 2004906 le moyen générateur comporte en outre un générateur d'harmonique d'ordre deux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit générateur consiste essentiellement en un monocristal de 5 BagîfaïTb^O^. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réglage pour faire varier la fréquence pour laquelle se produit une adaptation de phase non critique dans le milieu non linéaire. 10 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen do réglage comprend un moyen pour faire varier la température dans ledit milieu non linéaire. BAQ ORIGINAL