Brevet FR2492177A1 — publié le 19820416

Laser infrarouge ajustable pompé par un autre laser La présente invention concerne un laser infrarouge pompé par un autre laser. Pour diverses applications des lasers, par exemple pour une action photochimique sélective, ou pour la séparation d'isotopes, il est nécessaire de rendre la fréquence d'émission d'un oscillateur laser précisément égale à une fréquence déterminée par l'application envisagée, à savoir la fréquence d'une transition spécifiée des molécules sur lesquelles'on veut agir. Dans le domaine infrarouge, et pour certaines applications, l'écart entre la fréquence moyenne de la raie d'émission et celle de la transition à exciter devant être inférieur à quelques dizaines de MHz. Les matériaux constituant les milieux actifs des oscillateurs lasers connus ne permettent généralement pas d'obtenir une coincidence aussi proche entre les deux raies par simple ajustage de la cavité résonnante de ces oscillateurs. C'est pourquoi il a été proposé de déplacer artificiellement la raie d'émission du matériau. On peut par exemple utiliser pour cela l'effet Zeeman. Selon cet effet une raie d'émission est décomposée symétriquement avec un décalage proportionnel à l'intensité d'un champ magnétique appliqué au milieu actif dans lequel l'oscillation laser prend naissance. Il suffit alors en principe de régler la valeur du champ magnétique pour que la fréquence d'une des composantes magnétiques rejoigne la fréquence à obtenir, et d'ajuster simultamément la fréquence de la cavité résonnante, pour que la raie d'émission prenne la position souhaitée.Malheureusement d'une part l'application du champ magnétique consomme une énergie électrique appréciable, et d'autre part on ne peut pas toujours obtenir ainsi la fréquence souhaitée. Un laser ajustable fonctionnant selon ce procédé a été par exemple décrit dans le Journal de Physique D. (Appli. Phys. V 12, p. 50 (1979). La présente invention a pour but la réalisation d'un laser infrarouge ajustable pompé par un autre laser permettant d'obtenir avec précision une fréquence d'émission souhaitée, ceci de manière simple et avec un bon rendement énergétique global. Elle a pour objet un laser infrarouge ajustable pompé par un autre laser comportant - une cuve contenant un milieu actif principal gazeux, - une cavité optique contenant ce milieu actif pour provoquer une oscillation laser à une fréquence d'émission lorsque ce milieu actif présente une inversion de population sur une transition d'émission accordée à cette fréquence, et pour permettre la sortie de rayonnement à cette fréquence, - et au moins un laser de pompage pour envoyer dans le milieu actif principal un rayonnement à une fréquence de pompage accordée sur une transition d'absorption de ce milieu de manière à y créer ladite inversion de population, - caractérisé par le fait que ledit milieu actif est disposé entre deux électrodes Stark, - un générateur de haute tension étant connecté à ces électrodes pour créer entre ces électrodes un champ électrique "d'émission" propre à séparer les composantes de nombre quantique magnétique différent des raies du milieu actif de manière qu'une composante correspondant à ladite transition d'émission s'accorde sur ladite fréquence d'émission, - le milieu actif principal- étant choisi pour que ses molécules présentent un moment dipolaire important, - des moyens d'adaptation étant prévus pour assurer un accord suffisant entre la fréquence dudit rayonnement de pompage et celle de ladite transition d'absorption du milieu actif principal. On peut remarquer que l'effet Stark avait déjà été utilisé avant la présente invention pour obtenir un accord entre les fréquences de deux transitions énergétiques. Plus précisément dans le cas ou le matériau actif gazeux d'un laser "pPincipa1 était "pompé" à l'aide d'un laser " de pompage", il avait été proposé d'utiliser cet effet pour ajuster une fréquence d'absorption infrarouge du laser principal sur la fréquence fournie par le laser de pompage. On sait que l'effet Stark est constitué par le fait qu'une raie est divisée en un certain nombre pair de raies divisionnaires, avec entre la raie originale et les raies divisionnaires des écarts proportionnels à l'intensité d'un champ électrique appliqué.L'existence de cet effet est liée au fait que la molécule qui le subit possède un moment électrique suffisamment important. Une telle utilisation de l'effet Stark a été décrite dans la revue IEEE. QE 15, p. 412 (1979). Dans cette utilisation antérieure de l'effet Stark comme dans la présente invention les fréquences des raies d'absorption et d'émission sont décalées de manière analogue, mais dans cette utilisation antérieure c'était une fréquence d'absorption que l'on voulait ajuster et non comme selon la présente invention, une fréquence d'émission, c'està-dire que 11 intensité du champ électrique appliqué était choisie pour assurer la coincidence entre une raie d'absorption du milieu soumis au champ électrique et une raie d'un milieu extérieur, alors que selon la présente invention, cette intensité est choisie pour assurer la coincidence entre une raie d'émission du milieu soumis au champ électrique et une raie d'un milieu extérieur, étant entendu que, dans le cas d'un laser à pompage optique, la distinction entre raies d'émission et d'absorption est manifeste. Il faut par ailleurs tenir compte des faits suivants a) pour un laser utilisant un milieu actif sensible à l'effet Stark et pompé à l'aide d'un autre laser, il est de toute façon nécessaire d'assurer un recouvrement suffisant entre la raie d'absorption du milieu actif principal et là raie d'émission du laser de pompage. Si l'on choisit ce dernier parmi les lasers connus ayant un rendement énergétique acceptable, il comporte un milieu actif tel que le C02 insensible à l'effet Stark. L'intensité du champ électrique appliquée au milieu actif principal apparait donc imposée par la nécessité de ce recouvrement - b) les milieux actifs connus n'apparaissaient pas susceptibles de permettre d'obtenir à la fois par effet Stark ce recouvrement de raies nécessaire au pompage et la coinoidence étroite qui était nécessaire à une excitation sélective utile, et qui devait avoir lieu entre une raie d'émission du milieu actif principal et une raie d'un milieu extérieur à traiter. A l'aide de la figure schématique unique ci-jointe, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Il doit être compris, que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les memes fonctions techniques. La figure représente une vue en perspective d'un laser selon l'invention. Le laser décrit comprend - deux lasers de pompage 1 et 2, - une cavité optique avec un dispositif permettant d'obtenir l'effet Stark à l'intérieur d'une cuve 20 contenant le milieu actif principal, et - l'électronique nécessaire au bon fonctionnement (synchronisation, haute tension pour réaliser l'effet Stark). Les deux lasers de pompage 1 et 2 sont du type "TEA", c'està-dire des lasers pulsés à excitation électrique, transverse de gaz carbonique à la pression atmosphérique, capables de fournir une énergie et une puissance de pompage importantes. Leur polarisation est soit parallèle, soit perpendiculaire, (entre eux et par rapport au champ électrique de la cuve à effet Stark 20) selon la nature de la transition moléculaire que l'on veut pomper optiquement. Le rayonnement de ces deux lasers synchronisés est envoyé ( en utilisant une combinaison appropriée de miroirs selon la polarisation respective des lasers) dans la cuve à effet Stark 20 contenant un gaz par exemple le fluorométhane CH3 F, qui constitue le milieu actif principal dont les niveaux ou des combinaisons de niveaux peuvent être amenés en coincidence avec les fréquences des deux lasers 1 et 2 grâce à l'effet Stark. La cuve 20 est placée du point de vue optique à l'intérieur d'une cavité résonnante permettant la formation d'une oscillation laser dans le gaz pompé optiquement. La fréquence de réémission de ce gaz est elle même accordable par effet Stark. Le champ électrique nécessaire à l'effet Stark est obtenu à partir de deux générateurs 13 et 14 à haute tension rapidement ajustables de manière à accorder successivement les fréquences d'absorption et d'émission du milieu actif principal sur les fréquences de C02 et sur la fréquence d'émission principale choisie. Les deux lasers 1 et 2 peuvent fonctionner sur une combinaison quelconque des raies à 9 ou 10 microns pour pomper sélectivement certains niveaux du milieu actif principal. La cuve à effet Stark 20 est constituée de deux électrodes en forme de plateaux métalliques rectifiés 7 et 8 longs de quelques décimètres par exemple et séparés par des câles isolantes 9 et 10 épaisses de quelques millimètres par exemple de manière à former une enceinte étanche destinée à contenir le gaz. Un système de remplissage de la cuve en gaz est utilisé mais n'a pas été représenté. L'ensemble à haute tension 13, 14 est relié aux plateaux 7 et 8. La valeur de la haute tension est définie de façon à accorder les fréquences des transitions de vibration-rotation du milieu actif principal d'abord sur les fréquences des lasers C02 , ensuite sur la fréquence choisie démission principale. Cette haute tension est donc variable dans le temps. Elle est synchronisée avec les impulsions des lasers "TEA" 1 et 2 grâce à un dispositif de synchronisation 3. Le plateau 8 est porté à un potentiel fixe à l'aide d'un générateur 14, seul le générateur 13 ayant une tension rapidement modifiable. La cavité optique résonnante est constituée à une extrémité d'un réseau 12 réfléchissant sélectivement ce rayonnement de manière à sélectionner les raies d'émission principale. Elle est constituée à l'autre extrémité d'un miroir sélectif 11 permettant le passage du rayonnement de pompage tout en réfléchissant partiellement le rayonnement d'émission principale. Une lame semi-réfléchissante 4 permet de superposer les deux faisceaux infrarouge provenant des deux lasers TEA 1 et 2. Une lentille 5 de longue focale permet de concentrer le rayonnement des deux lasers 1 et 2 dans le milieu actif principal. Une lame sélective 6 réfléchit le rayonnement d'émission principale (par exemple les longueurs d'onde supérieure à 12 microns) ressortant de la cavité optique 20 à travers le miroir 11, et forme ainsi un faisceau de sortie 21 sur le trajet duquel on peut placer un matériau destiné à être irradié par ce rayonnement. Cette lame laisse d'autre part passer le rayonnement de pompage dirigé vers le milieu. Bien entendu de nombreuses modifications du laser qui vient d'être décrit sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Le milieu actif principal peut être par exemple choisi parmi les corps suivants - CH3 F fluorométhane - CH3 Cl chlorométhane - CH3 Br bromométhane - CF2 C12 difluorodichlorométhane - As F3 fluorure arsénieux - CF3 I trifluoroiodométhane - CH3 OH méthanol - HC OOH acide formique. On peut y utiliser non pas deux mais un seul laser de pompage. Le milieu actif de ce ou de ces lasers peut être choisi par exemple parmi les corps suivants : - C02 gaz carbonique - HF Acide fluorhydrique - DF acide fluorhydrique deutéré. On peut d'autre part éventuellement donner au laser de pompage une puissance suffisamment grande pour qu'un accord précis ne soit pas nécessaire entre la fréquence fournie par le laser de pompage et celle de la raie d'absorption du milieu actif principal. Pompage simultané par les raies de C02 P (26) (1041,279 et P (28) (1039,369 cm ) 2 Densité de puissance de 10 MW/cm , Les deux lasers de pompage ayant une polarisation parallèle entre eux et au champ électrique du laser principal. Pression de CH3 F : 0,1 torr, longueur active t 1 Mètre. Transitions d'absorption dans CH3 F (v = o, J = 4, k = 3) (v3 = 1, J a 3s k = 3) (v3 : 2, J = 3, k = 3), l'accord étant réalisé pour la composante M : 3 avec un champ électrique E = 16,7 kV/cm Transition d'émission dans CH3 F vers les niveaux vibrationnels v2 = ou v5 = 1. En accord avec les règles générales des transitions autorisées on peut par exemple avoir la transition (v3 = 2,4 = 3, k = 3) (v5 = 1, 15 = -1? J = 3, k = 3) à 640,485cm en amenant le champ électrique Stark à zéro à la fin de l'impulsion de pompage. La composante M = 3 de cette raie peut être déplacée de quelques GHz par un champ électrique Stark de 10 kV/cm. REVENDICATIONS 1/ Laser infrarouge ajustable pompé par un autre laser comportant - une cuve (20) contenant un milieu actif principal gazeux, - une cavité optique (11, 12) contenant ce milieu actif pour provoquer une oscillation laser à une fréquence d'émission lorsque ce milieu actif présente une inversion de population sur une transition d'émission accordée à cette fréquence, et pour permettre la sortie du rayonnement à cette fréquence, - et au moins un laser de pompage (1, 2) pour envoyer dans le milieu actif principal un rayonnement à une fréquence de pompage accordée sur une transition d'absorption de ce milieu de manière à y créer ladite inversion de population, - caractérisé par le fait que ledit milieu actif est disposé entre deux électrodes Stark (7, 8), - un générateur de haute tension (13) étant connecté à ces électrodes pour créer entre ces électrodes un champ électrique "d'émission" propre à séparer les composantes de nombre quantique magnétique différent des raies du milieu actif de manière qu'une composante correspondant à ladite transition d'émission s'accorde sur ladite fréquence d'émission - le milieu actif principal étant choisi pour que ses molécules présentent un moment dipolaire important, - des moyens d'adaptation (3) étant prévus pour assurer un accord suffisant entre la fréquence dudit rayonnement de pompage et celle de ladite transition d'absorption du milieu actif principal. 2/ Laser selon la revendication 1, comportant un dispositif de synchronisation (3) commandant ledit laser de pompage (1, 2) et ledit générateur de haute tension (13) de manière à synchroniser l'émission d'une impulsion de pompage par ce laser de pompage et l'application d'un champ électrique "d'absorption" propre à séparer des composantes des raies du milieu actif de manière qu'une autre composante correspondant à une dite transition d'absorption s'accorde sur la fréquence du laser de pompage, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'adaptation sont formés par ledit dispositif de synchronisation (3) qui fonctionne en deux étapes successives, à savoir d'abord une étape de pompage dans laquelle il commande l'émission de ladite impulsion de pompage et l'application dudit champ électrique d'absorption, et ensuite une étape d'émission dans laquelle il commande l'application dudit champ électrique d'émission. 3/ Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte - deux laser de pompage (1, 2) à gaz carbonique du type "TEA" accordés au voisinage de deux raies d'absorption du milieu actif pour y réaliser un pompage "à deux photons", - et un dispositif de superposition (11) pour superposer des faisceaux lumineux "de pompage" émis par ces deux lasers de pompage, - ledit milieu actif étant constitué par un composé présentant une transition d'émission en lumière infrarouge. 4/ Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que, - ledit milieu actif est le fluorométhane CH3F, - lesdits deux lasers de pompage (1, 2) étant accordés sur des nombres d'onde de 1041, 275 cm 1 et de 1039,369 cml respectivement, - ladite cavité optique (11, 12) étant accordée entre 12 et 20 microns, - ladite source de haute tension (13, 14) fournissant, entre lesdites électrodes Stark, un champ électrique de pompage de 16,7 kilovolts par centimètre et un champ électrique d'émission ajustée entre 0 et 40 kilovolts par centimètre selon la fréquence d'accord de la cavité optique, respectivement. 5/ Laser selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la fréquence de ladite cavité optique et ledit champ électrique d'émission sont réglables. 6/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'adaptation sont constitués par ledit laser de pompage dont la puissance est choisie suffisamment grande pour permettre un pompage efficace malgré l'écart entre la fréquence de ce laser et celle de la transition d'absorption du milieu actif. 7/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit milieu actif principal est choisi parmi les corps suivants : - CH3 F fluorométhane - CH3 Cl chlorométhane - CH3 Br bromométhane - CF2 Cl2 difluorodichlorométhane - As F3 fluorure arsénieux - CF3 I trifluoroiodométhane - CH3 OH méthanol - HC OOH acide formique. 8/ Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu actif du laser de pompage (1, 2) est choisi parmi les corps suivants - C02 gaz carbonique - HF Acide fluorhydrique - DF acide fluorhydrique deutéré.