Brevet FR2002805A1 — publié le 19691031

La présente invention concerne un dispositif de conversion de fréquence pour faisceau laser et, plus particulièrement, la création de micro—ondes. Comme il est bien connu, un faisceau laser est largement uti-5 lise et développé comme nouveau dispositif de transmission de signaux ou d'énergie. Toutefois, du fait que la fréquence d'un faisceau laser est déterminée par le genre de matière active qui le crée, le nombre de fréquences disponibles se trouve actuellement limité. Afin de permettre l'utilisation d'un nombre plus grand de 10 fréquences, on a mis au point divers dispositifs de conversion de fréquence. Parmi ces dispositifs de conversion de fréquence, la diffusion Raman (un faisceau de radiation d'une fréquence différente de celle du faisceau incident est diffusé quand un faisceau laser est irradié sur un milieu gazeux, liquide ou solide) est bien connue. Dans ce cas, la différence entre la fréquence du faisceau incident et celle du faisceau diffusé est égale à la fréquence du mode de vibration du milieu ou à un multiple intégral de cette dernière et la fréquence du faisceau diffusé n'est pas tellement différente de 2o celle du faisceau incident. On a aussi proposé un genre de diffusion Raman utilisant l'effet magnétique. Par exemple, le faisceau laser est rayonné sur un semi-conducteur auquel est appliqué un eh.amp magnétique et est diffusé par l'intermédiaire de la transition électronique entre les niveaux Landau et, de ce fait, la fréquence 25 du faisceau diffusé subit un décalage en fréquence correspondant à la différence d'énergie entre les niveaux Landau. En outre, la fréquence dè décalage varie avec l'intensité du ehamp magnétique appliqué et il peut se produire aussi une modulation optique de fréquence. Dans ce cas également, la fréquence du faisceau diffusé est ^o voisine de celle du faisceau incident. Dans les procédés ci—dessus, la fréquence se trouve décalée du fait du mode de vibration du milieu ou de la différence entre les niveaux d'énergie et il est difficile de convertir la fréquence d'une façon radicale. On connaît, comme dispositif permettant de convertir la fré-35 quence du faisceau laser de façon plus radicale, la création d'harmoniques et le mélange optique utilisant le phénomène non linéaire de diélectriques. La conversion de fréquence conforme à ces procédés est basée sur l'onde à polarisation non linéaire créée dans les diélectriques par le faisceau laser incident. Parmi ces procédés, hO le mélange soustractif qui crée le rayonnement ayant la fréquence 69 05220 2 2002805 différentielle de plusieurs faisceaux laser possède en principe, un rendement de conversion beaucoup plus faible et est difficile à réaliser par rapport au procédé de création d'harmoniques ou de mélange additif» En outre, il nécessite un faisceau incident de 5 forte intensité et les diélectriques risquent d'Stre endommagés. La présente invention a pour objet un dispositif destiné à convertir un faisceau laser (visible ou dans l'infrarouge proche) en une micro-onde0 Suivant une caractéristique de la présente invention, la de-10 manderesse a créé un dispositif de conversion de fréquence qui effectue cette conversion de fréquence avec un rendement de conversion élevée et qui se révèle stable en présence d'un faisceau incident de forte intensité. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, 15 la demanderesse a créé un dispositif de conversion de fréquence souple qu'il est facile de régler et de commander» La présente invention qui permet d'obtenir les caractéristiques précitées est basée sur le fait que l'oscillation hybride des électrons dans le plasma émet des micro—ondes dans la région su-20 périeure active. Le dispositif conforme à la présente invention est un dispositif de conversion de fréquence destiné à la conversion d,une fréquence laser et il comprend un dispositif pour créer un plasma dans un milieu gazeux» un dispositif pour appliquer un champ magnétique 25 audit plasma de manière à faire effectuer aux électrons se trouvant dans ce plasma une oscillation hybride, tui dispositif pour faire pénétrer plusieurs faisceaux laser de fréquences différentes dans le plasma précité soumis à un chanpmagnétique (plasma que l'on ap— pellera par la suite plus simplement magnétoplasma) de façon que 30 ces faisceaux se coupent mutuellement au moins à une position dans ledit plasma (la différence des fréquences précitées étant accordée sur la fréquence de l'oscillation hybride susvisée, cette oscillation étant excitée par résonance par l'onde de battement desdits faisceaux laser et le rayonnement de micro-onde de la fréquence de 35 battement étant irradié), et, enfin, un dispositif pour utiliser le rayonnement de micro-onde précitéo Quand un champ magnétique extérieur est appliqué à un plasma, les électrons se trouvant dans ce plasma subissent l'effet du champ magnétique et du champ électrique dû à la charge d'espace et effec-40 tuent l'oscillation hybride au sein du plasma avec une fréquence 69 05220 3 2002805 angulaire de s U) *^>2 + ^>c2 où {j} « 5»6 x 10^ Vn radian/seconde P 7 5 m 1,76 X 10 H radian/seconde C o n x densité des électrons dans le plasma par cm H t intensité du champ magnétique appliqué (gauss) Du fait que dans l,état habituel, n est au plus de l'ordre de 1 h 3 10 cm et que H est de l'ordre de 10 gauss,se situe dans la 10 région des micro-ondes. Quand deux faisceaux laser dont les fréquences ont pour différence ladite fréquence 60 sont rayonnes simultanément sur le magnéto-plasma, ces faisceaux laser sont absorbés par résonance par l'oscillation hybride des électrons dans le plasma et cette oscillation est excitée. L'oscillation hybride excitée 15 émet une radiation dont la fréquence se situe dans la région des micro—ondes. Conformément à la présente invention, du fait que l'oscillation hybride du plasma excitée par résonance par le battement laser émet des micro-ondes, on obtient un rendement de conversion élevé. 20 Par exemple, quand un faisceau laser est rayonné sur un plasma de gaz non soumis à un champ magnétique pour obtenir une onde diffusée subissant la diffusion Raman du fait de l'oscillation du plasma, 7 2 une puissance d'entrée laser importante de 10 MV/om est nécessaire (G.G. Comisar, Physical Reviev, Vol, 141, page 200, 1966), tan-25 dis que, conformément à la présente invention, on peut obtenir une g sortie de micro-onde de 1 W/cm au moyen d'un faisceau laser de o 3 M¥/cm « Une telle puissance d'entrée est facilement obtenue au moyen d'une technique laser classique. D'autres caratéristiques et avantages de la présente inven-30 tion apparaîtront au cours de lm description détaillée qui va suivre de modes de réalisation préférés de l'invention, cette descrip» tion étant faite en référence au dessin annexé, sur lequel s — la figure 1 est un schéma partiellement en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention j 35 - la figure 2 est un schéma synoptique d'un autre mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, les références 1a et 1b indiquent des sources de lumière laser créant des faisceaux laser de fréquences différentes. Les trajets des faisceaux laser émis par les sources 1a 40 et 1b sont référencés 2a et 2b. Des miroirs réflecteurs 3a et 3b 69 05220 * 2002805 constituant un résonateur laser sont disposés au droit des trajets 2a et 2b. Le milieu gazeux contenu dans 1*enceinte 1 4, transparente à un faisceau laser et à une micro-onde, crée le plasma 4 du fait d'une décharge électrique entre les électrodes 5a et 5b° Les tra-5 jets des faisceaux sont placés de manière qu'ils se croisent dans le plasma 4. Un solénoïde 6 est disposé autour de l'enceinte 14 et le courant traversant ce solénoïde 6 crée un champ magnétique dans le plasma 4. La densité des électrons dans le plasma 4 est réglée par les conditions de décharge telle que la pression du gaz, la 10 tension de décharge, etc, et l'intensité du champ magnétique est commandée par le courant circulant dans le solénoïde. Le collecteur 7» en cornet, qui capte la micro-onde émise par le plasma 4 est disposé près de ce plasma. En réglant les conditions de décharge précitées et/ou le 15 courant circulant dans le solénoïde, la fréquence de l'oscillation hybride des électrons dans le plasma est accordée sur la fréquence différentielle des fréquences des faisceaux laser incidents. La fré*. quence du battement créé dans la région de l'intersection des deux faisceaux entre en résonance avec l'oscillation hybride des élec-20 trons dans le plasma, excite par résonance ladite oscillation et une grande quantité de rayonnement de micro-onde est émise. D'une façon générale, dans un plasma de gaz, la partie centrale possède une densité de plasma élevée et la partie périphérique possède une densité faible. De ce fait le rayonnement de micro-onde créé au 25 centre est émis vers l'extérieur avec un bon rendement et une faible absorption. La micro-onde émise est recueillie par le collecteur en cornet 7 et est dirigée par un guide d'onde 17 jusqu'à l'appareil d'utilisation 27. Quand les sources 1a et/ou 1b du mode de réalisation considéré sont des lasers à semi-conducteurs dont 30 la fréquence peut être accordée comprenant un modulateur interne ou quand un modulateur de fréquence est disposé sur les trajets 2a et/ou 2b, on obtient une fréquence de battement variable. Par ailleurs, un mode de réalisation comprenant une seule source de lumière laser peut être constitué comme décrit ci-après. 35 Le faisceau laser émis par une seule source de lumière laser est divisé en deux faisceaux au moyen d'un dispositif diviseur de faisceau comme par exemple un miroir semi—transparent, un prisme, etc.» L'un des faisceaux résultant de la division est projeté directement sur le magnétoplasma et l'autre faisceau est projeté sur 40 le milieu de diffusion. Le faisceau diffusé dont la fréquence est bad original 69 05220 5 2002805 20 décalée du fait de la diffusion stimulée Raman, de la diffusion stimulée Brillouine, etc.., est projeté sur le magnétoplasma* La fréquence de l'oscillation hybride de l'électron est accordée sur la fréquence de décalage, et des micro-ondes ayant une fréquenoe 5 égale à la fréquence de décalage sont émises* Dans les modes de réalisation précités, les faisceaux laser se coupent dans le magnétoplasma et il se crée un battement laser* On a réalisé un autre mode de réalisation dans lequel les trajets de deux faisceaux laser se coupent e± coïncident à une position 10 à 1*extérieur du magnétoplasma, et les ondes de battement circulent jusqu'au magnétoplasma et se propagent à travers ce dernier* Dans ce cas également, la fréquence de l'oscillation hybride des électrons dans le plasma est accordée sur la fréquence de battement et tin rayonnement de micro-ondes est émis à partir du magnétoplasma 15 comme dans les cas précédents* Si l'on se réfère à la figure 2, on voit qu'on y a représenté le schéma synoptique d'un mode de réalisation dans lequel l'onde de battement est projetée sur le magnétoplasma* Le faisceau laser ayant une fréquence angulaire et émis par la source laser 1 est divisé en deux faisceaux par le premier miroir semi—transparent 3a* L»un des faisceaux se propage à travers le premier miroir semi—transparent Ja et le second miroir semi-transparent 3b. L'autre faisceau réfléchi par le premier miroir semi-transparent 3a est rayonné sur le milieu de diffusion 4 dont le mode d'oscillation est 6) * Le faisceau diffusé d*une fréquence (ji m (ji est réfléchi et dévié par les premier et second miroirs à réflexion totale 5a et 5t£ ainsi que par le second miroir semi—transparent 3J> et rencontre le faisceau de fréquence y)s qui a traversé le premier et le second miroir s «ni-transparents. Le faisceau complet orée une onde de battement de fréquence 60 et est projeté sur le magnétoplasma* Quand la fréquence angulaire ou pulsation de l'oscillation hybride des électrons dans le plasma est accordée f un rayonnement de mi cro-onde d'une fréquence angulaire {JÛest émis comme dans les modes de réalisation ci-dessus* 35 Plusieurs modes de réalisation de la présente invention ont été décrits ci—avant. Le moyen général de la présente invention se résume comme suit t quand la fréquence de battement de plusieurs faisceaux laser est accordée sur l'oscillation hybride des électrons se trouvant dans le magnétoplasma, l'énergie du faisceau laser est absorbée par la résonance de 1•oscillation hybride dans le .* *'~ 25 30 ko 69 05220 6 2002805 plasma et ladite oscillation excitée par résonance émet un rayonnement de micro-onde. C'est pourquoi la présente invention présente les avantages suivants t en premier lieu, la fréquence du rayonne», ment sortie est égale à celle de l'oscillation hybride de* élec-5 trons ians le magnétoplasma et se situe habituellement dans une région de micro-ondes« Notamment, des faisceaux laser visibles ou dans 1*infrarouge proche sont convertis en micro-ondes. En second lieu, du fait que le faisceau laser est absorbé par résonance par l'oscillation hybride des électrons dans le plasma conformément à la pré— 10 sente invention, on obtient un rendement de conversion élevé. Comme décrit ci-dessus, la présente invention peut être mise en oeuvre avec une puissance laser beaucoup plus faible que celle du disposi* tif dans lequel un faisceau laser est rayonné sur le plasma auquel n'est pas appliqué un champ magnétique et on obtient le faisceau dif-15 fusé par diffusion Raman grâce à l'oscillation des électrons dans le plasma. De ce fait, on peut mettre en oeuvre la présente invention au moyen d'une technique laser actuelle. En outre, du fait que le plasma de gaz possède habituellement une densité de plasma élevée au centre et une faible densité à la périphérie, la micro-onde 20 intense créée au centre est émise avec un bon rendement vers l'extérieur, cela aved une faible absorption par le plasma à l'endroit de la périphérie. La présente invention est préférable, de ce point de vue, au dispositif utilisant un plasma du type dit à l'état solide ayant une densité sensiblement uniforme. En troisième lieu, du 25 fait que le plasma de gaz est utilisé comme milieu de conversion, une détérioration par la chaleur qui se manifestait dans la technique antérieure utilisant des diélectriques solides ne se produit pas et on obtient un rayonnement de micro-ondes élevé en utilisant des faisoeaux laser intenses. En quatrième lieu, du fait que l'on 30 peut régler facilement dans des conditions de décharge et de courant d'excitation la fréquence de l'oscillation hybride des électrons dans le plasma qui exécutent la conversion, la présente invention permet d'obtenir un dispositif de conversion souple facile à régler et à manier. 35 Bien que plusieurs modes de réalisation préférés ont été dé crits ci-dessus, il va de soi que diverses modifications et variantes peuvent y itre apportées «ans sortir pour autant du cadre général de la présente invention. 69 05?"3 7 2002805 REVENDICATIONS 1»— Dispositif de conversion de fréquence pour convertir une fréquence laser comprenant un dispositif pour créer un plasma dans tin milieu gazeux, un dispositif pour appliquer un champ magné-5 tique audit plasma pour mettre les électrons en oscillation hybride dans ce plasma, un dispositif pour faire pénétrer plusieurs faisceaux laser de fréquences différentes dans le plasma précité de manière telle que ces faisceaux se coupent mutuellement au moins à une position dans ledit plasma, la différence 10 entre les fréquences précitées étant accordée sur la fréquence de l'oscillation hybride susvisée, grâce à quoi ladite oscillation est excitée par résonance par la fréquence de battement desdits faisceaux, le rayonnement de micro-onde de ladite fréquence de battement étant émis à partir de ce plasma, et, en-15 fin, un dispositif pour utiliser le rayonnement de micro—onde précité. 2e>- Dispositif de conversion de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins l'un des faisceaux laser précités est émis par la source laser capable d'être accordée, 20 grâce à quoi la fréquence du rayonnement de micro-onde précité est variable» 3.- Dispositif de conversion de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un modulateur de fréquence est placé sur le trajet optique des faisceaux laser précités, grâce 25 à quoi la fréquence du rayonnement de micro-onde susvisé est variable» 4»~ Dispositif de conversion de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les faisceaux laser pénètrent dans le plasma précité en faisant un angle l'un par rapport à 30 l'autre, ce qui fait que ces faisceaux se coupent, et créent l'onde de battement à l'intérieur du plasma. 5.- Dispositif de conversion de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les faisceaux laser précités se coupent et coïncident à une position à l'extérieur dudit plas-35 ma et qu'une onde de battement se propage jusqu'à ce plasma et à l'intérieur de celui-ci» 6»- Dispositif de conversion de fréquence suivant la revendication 1# caractérisé par le fait que les faisceaux laser précités sont émis par une source laser et sont divisés par un disposi— 40 tif de division de faisceau, au moins l'un desdits faisceaux divisé étant décalé en fréquence.