Brevet FR2542512A1 — publié le 19840914

i LASER DE RAMAN A SUPPRESSION DE PARASITES CONTROLABLE L'invention concerne des systèmes laser des- tinés à engendrer des impulsions d'intensité élevée en utilisant la conversion d'énergie par une cellule de Raman. Une "cellule d'accumulateur de Raman" est un récipient fermé contenant un gaz actif de Raman (par exemple, CH 4, H 2, C 52) et ayant deux parois latérales parallèles qui sont essentiellement tout à fait réflé- chissantes (vues de l'intérieur du récipient) à deux fré- O quences voisines prédéterminées S et V ( >) et ayant p S deux parois d'extrémité opposées qui sont essentielle- ment transparentes aux fréquences %$ et \s et à une troi- sième fréquence voisine prédéterminée S ( V 5 s) La propagation d'une radiation essentiellement monochromatique à une fréquence, disons)= Vp, dans un gaz actif de Raman donne naissance à une diffusion de Raman stimulée à une série de fréquences t= y p V Vp +, 2 * ( O gaz d'hydrogène (Hz, HD et D 2) et les autres gaz molécu- laires de faible poids atomique tels que CH 4, C 52, etc. ont de grands décalages vibratoires, mais on préfère pour une diffusion de Raman les gaz ayant aussi de pe- tites largeurs de raie aux fréquences décalées La ra- diation diffusée de Raman peut être une raie de Stokes (t v, i,) ou une raie anti Stokes ( AV= +V 1 +'2) selon que la vibration moléculaire par- ticulière du gaz absorbe de l'énergie ( A 9 re de l'énergie ()9 > 0) quand le gaz diffuse la radia- tion incidente. La conversion d'énergie par une cellule de Raman (d'une fréquence à une autre) est un moyen utile pour engendrer une radiation laser d'intensité élevée, puisque l'énergie de radiation peut être temporairement stockée dans le milieu par un pompage de Raman et ex- traite par une onde de Stokes de fréquence décalée pour une puissance volumique de pompage supérieure à un seuil prédéterminé. Un problème rencontré alors est l'apparition d'ondes de Stokes d'ordre supérieur de différentes fré- quences qui agissent souvent comme des ondes parasites, augmentant en intensité aux dépens de la première-onde de Stokes. L 'invention consiste en un procédé et un appa- reil pour produire une radiation laser d'intensité éle- vée par une cellule de Raman, en utilisant la deuxième onde de Stokes pour faire passer de l'énergie hors de la cellule. Un but de l'invention est de fournir un procé- dé et un appareil pour faire passer de façon efficace de l'énergie hors d'une cellule de Raman. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé et un appareil pour supprimer temporairement les deuxièmes ondes de Stokes dans une cellule de Raman. Un autre but encore de l'invention est de four- nir un procédé et un appareil pour réduire au minimum la génération d'ondes parasites dans une cellule de Ra- man. Un autre but encore de l'invention est de four- nir un procédé et un appareil pour convertir une énergie de cellule de Raman en radiation laser d'intensité élevée. Selon l'invention, le procédé consiste à pré- voir une première cellule amplificatrice contenant un milieu de pompage de Raman, pour engendrer une radiation à une fréquence prédéterminée a Pl, et une seconde cellu- le amplificatrice contenant un milieu à première onde de Stokes, pour engendrer une radiation à une deuxiè-. me fréquence prédéterminée 'O avec V 5 v * On ajoute un accumulateur de Ramen contenant un milieu actif de Raman et dont la courbe de gain/perte présente un gain pour une propa- gation de radiation dans celui-ci aux fréquences y = 9 p et,= V'S et présente une perte importante pour une pro- pagation de radiation aux fréquences V 2 o 9 est la fréquence de deuxième onde de Stikes qui correspxnd à la fréquence de pompage ' Le milieu de pompage de Raman p est excité pour produire une impulsion de pompage de ra- diation de fréquence étroitement définie 'Qp, et on fait p en sorte que l'impulsion de pompage se propage au moins deux fois dans l'accumulateur de Raman pour convertir sensiblement toute l'énergie contenue dans l'impulsion de pompage en énergie stockée dans le milieu de Raman. Le milieu de première onde de Stokes est excité pour produire une première onde de Stokes de fréquence étroi- tement définie V 8 et on on fait en sorte qu'elle se pro- page dans l'accumulateur de Raman essentiellement le long du même chemin optique que celui suivi par l'impul- sion de pompage qui la précède, pour absorber une partie de l'énergie stockée-dans le milieu de Raman lorsque l'impulsion de pompage traverse ce milieu Une deuxième onde de Stokes de fréquence étroitement définie V est 2 s produite et on fait en sorte qu'elle se propage au moins deux fois dans l'accumulateur de Raman dans un ou des sens essentiellement inverses par rapport au ou aux sens de propagation de la première onde de Stokes en meme temps que la première onde de Stokes traverse la cellule de Raman, ce qui permet de convertir la plus grande par- tie de l'énergie contenue dans la première onde de Sto- kes en énergie de la deuxième onde de Stokes, et de l'ex- traire de l'accumulateur de Raman. Le procédé et l'appareil de la présente inven- tion utilisent une des ondes de Stokes d'ordre supérieur engendrées par conversion d'énergie dans une cellule de 2 42512 Raman, c'est-à-dire la deuxième onde de Stokes, pour faire passer de l'énergie hors de la cellule de Raman. A cet égard, les deuxièmes ondes de Stokes engendrées dans une cellule de Ramansont temporairement supprimées et la génération d'ondes parasites est réduite au mini- mum. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la des- cription suivante, donnée à titre d'exemple non limita- tif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation graphique de la courbe de gain/perte d'amplificateur, exprimée en fonction de la fréquence p( S) ou du nombre d'ondes V (cm 1) d'un milieu actif de Raman approprié pour être utilisé dans la cellule de Raman de la présente inven- tion; la figure 2 est une vue schématique d'un exemple de réalisation de l'invention, représentant la cellule de pompage et la cellule de Stokes essentiellement coli- néaires par rapport à l'accumulateur de Raman; et la figure 3 est une vue schématique d'un autre exemple de réalisation de l'invention dans lequel la cellule de pompage et la cellule de Stokes sont placées aux extrémités opposées de l'accumulateur de Raman. On va maintenant se référer à la Figure 2 o la "cellule d'accumulateur de Raman" est un récipient fermé contenant un gaz actif de Raman (par exemple CH 4, H 2-, C 52) et ayant deux parois latérales parallèles 12 a et 12 b ( premier et second miroirs d'extrémité de l'accumulateur) respectivement, qui sont essentiellement tout à fait réfléchissantes (vues de l'intérieur du ré- cipient) à deux fréquences voisines prédéterminées)p et S (i V) et ayant deux parois d'extrémité opposées l 4 a et 14 b qui sont essentiellement transparentes aux fréquences P et -? et à une troisième fréquence voisine p s prédéterminée '2 ( _ V). Un appareil destiné à faire passer une énergie radiante hors d'un milieu de Raman ou de Brillouin con- tenu dans une cavité optique est décrit dans la demande de brevet des E U A n de série 363 971, déposée par la Demanderesse le 31 Mars 1982 et intitulée "The Raman Accumulater as a Fusion laser Driver" L'invention décrite dans la présente demande réalise ce passage à l'exté- rieur par des moyens plus simples en ce que l'appareil ne nécessite qu'un seul chemin optique et qu'une seule cavité optique. La Figure 1 représente une courbe de gain/per- te pour un milieu actif de Raman de diffusion/amplification (tel que D 2 ou CH 4) en fonction de la fréquence v ou du nombre d'on- des -' (cm-1) Dans la bande de gain X courbe (typiquement, X 2 % 1 300 cm-1, le milieu ma- nifeste une perte négative (gain), et par un choix ap- proprié d'une fréquence de pompage p,) p et la fréquen- e p,p e af ce de première onde de Stokes 9 S sont toutes les deux si- tuées dans la bande de gain ( 91 exponentiellement jusqu'à saturation. L'impulsion de pompage ( 9 =)p) est engendrée par un premier laser 11 (Figure 2), introduitedans une cellule d'accumulateur de Raman 15 tel que représenté, elle se propage dans la cellule, elle est normalement réfléchie par un miroir essentiellement tout à fait ré- fléchissant 17 et renvoyée dans la cellule 15 dans le sens inverse Cette impulsion de pompage est appauvrie par extraction d'énergie faite par le gaz actif de Ra- man contenu dans la cellule 15 de sorte que l'impulsion de pompage est rechargée par son passage dans la cellu- le db pompage 11 pour faire un ou plusieurs tours sup- plémentaires dans la cellule d'accumulateur 15. Après qu'une énergie suffisante ait été trans- férée jusqu'à la cellule d'atbcumulateur 15, l'amplifica- tion à l'intérieur de la cellule de pompage il est sup- primée et une cellule de Stokes 13 voisine est activée pour produire une première onde de Stokes de fréquence 19 qui se propage essentiellement le long du même che- min optique de déplacement en boucle que l'impulsion de pompage dans la cellule d'accumulateur 15 Puisque les deux fréquences -p et se trouvent dans la bande de gain du milieu gazeux de cellule d'accumulateur, elles présentent toutes les deux un gain élevé dans la cellu- le 15. Quand la première onde de Stokes traverse la cellule d'accumulateur pour au moins deux passages dans un premier sens (de gauche à droite sur la Figure 2) et dans le sens inverse, une deuxième onde de Stokes de fréquence V 2 traverse simultanément la cellule 15 de droite à gauche comme on l'a représenté et elle est ré- fléchie par le miroir tout à fait réfléchissant 19 et renvoyée dans la cellule d'accumulateur essentiellement dans le sens inverse (de gauche à droite) par rapport au premier passage de cette onde Quand la deuxième onde de Stokes traverse la cellule d'accumulateur 15, à cha- que fois, elle rencontre et extrait sensiblement toute l'énergie de-la première onde de Stokes se propageant en sens inverse, qui traverse la cellule d'accumulateur de droite à gauche La deuxième onde de Stokes amplifiée sort ensuite de la cellule d'accumulateur vers la droite, pour être utilisée comme déclencheur de laser à fusion ou à d'autres fins Cet appareil et le procédé associé uti- lisent la cellule d'accumulateur 15 pour deux fonctions, à savoir pour un transfert d'énergie d'une impulsion à une première onde de Stokes et pour un transfert'-extraction d'énergie de la première onde de Stokes à une seconde onde de Stokes. La configuration de la Figure 2 représente le positionnement d'une cellule de pompage et d'une cellule à onde de Stokes (radiations de fréouences respectives Vp et vs, ne se pfoduisant pas simultanément) tel que les deux faisceaux de fréquences 9 pet Ès parcourent essentiellement le même chemin optique dans la cellule d'accumulateur 15 Une approche pour réaliser ceci est de prévoir une triple combinaison de cellules reposant sur une réflexion interne totale contrôlable, comme la Demanderesse l'a décrit dans la demande de bre- vet des E U A en relation avec la présente invention, déposée à la même date, intitulée "Double Duty Optical Cavity for Production of Two Distinct Laser Frequencies". La Figure 3 représente un autre exemple de réalisation de l'invention, dans lequel l'impulsion de pompage et l'onde de Stokes sont injectées à partir d'ex- trémités différentes de la cellule d'accumulateur de Ra- man 15 de manière à ce qu'elles parcourent essentielle- ment le même chemin optique Cela nécessite l'utilisa- tion d'un réflecteur dichroique 21 qui est essentielle- ment tout à fait réfléchissant à une fréquence 9 Ip mais qui est partiellement transparent à la fréquence 9 s; et d'un second réflecteur dichroique 23 qui est essentielle- ment un réflecteur parfait à la fréquence Ys mais qui est partiellement ou totalement transparent à la fréquen- ce Vp p Bien que le milieu de la cellulede Raman propre- ment dit manifeste une perte à la fréquence 9 = 92 s(et de merse à des fréquences inférieures), la première onde de Stokes (fréquence 9 s) proprement dite, vue comme un "milieu" dans lequel se déplace la deuxième onde de Sto- kes (fréquence 9,s) se propageant en sens inverse, mani- feste un "gain" qui est facilement appauvri par un trans- fert d'énergie à la deuxième onde de Stokes Ainsi, la croissance de la deuxième onde de Stokes est retardée d'une manière contrôlable jusqu'à ce que la première onde de Stokes ait suffisamment d'énergie pour permet- tre une rapide amplification de la deuxième onde de Stokes. La description précédente est relative à des exemples de réalisation préférés de l'invention Mais - on remarquera que la présente invention n'est pas limi- tée à ces seuls exemples de-réalisation qui peuvent être modifiés pour donner d'autres variantes de l'invention, sans sortir pour autant de son cadre tel qu'il est défi- ni dans les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 Procédé pour produire une impulsion' laser d'intensité élevée par diffusion de Raman, caractérisé en ce qu'il consiste à: prévoir un accumulateur de Raman ( 15) contenant un gaz actif de Raman dont la courbe de gain/perte d'ampli- ficateur manifeste un gain à une première fréquence pré- déterminée 1 > et à une seconde fréquence prédéterminée p voisine e ( 9 C) , o Vs est la fréquence de première onde de Stokes pour le gaz correspondant au pompage du gaz à la fréquence 9, et qui manifeste une perte impor- tante à une troisième fréquence prédéterminée voisine 92 s( s) qui est la fréquence de deuxième onde de Sto- kes pour le gaz; faire propager une impulsion de pompage de ra- diation de fréquence 'jp d'une extrémité de l'accumula- teur de Raman à l'autre au moins deux fois de manière à convertir essentiellement toute l'énergie contenue dans l'impulsion de pompage en énergie stockée dans le gaz actif de Raman; faire propager une impulsion de radiation de première onde de Stokes de fréquence S au moins deux fois dans l'accumulateur de Raman essentiellement le long du meme chemin optique que celui suivi par l'impul- sion de pompage, en relation dans le temps avec celle- ci et en suivant le passage de l'impulsion de pompage dans l'accumulateur de Raman de sorte que la première onde de Stokes absorbe essentiellement toute l'énergie radiante stockée dans le gaz actif de Raman par l'impul- sion de pompage; faire propager une impulsion de radiation de deuxième onde de Stokes de fréquence 92 dans l'accumu- lateur de Raman, en simultanéité avec au moins deux pas- sages de la première onde de Stokes dans l'accumulateur, dans des sens généralement inverses des sens de propaga- tion de la première onde de Stokes dans l'accumulateur, toute l'énergie radiante déposée par l'impul- sion de pompage étant ainsi essentiellement convertie en énergie radiante de fréquence '9, et extraite de 1 'accumulateur. 2 Procédé pour produire une impulsion laser d'intensité élevée par diffusion de Raman selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion de pom- page de radiation de fréquence 'p et la première onde p de Stokes sont propagées par une cellule de pompage ( 11) et par une cellule d'onde de Stokes ( 13), placées respective- ment à la même extrémité de l'accumulateur de Raman. 3 Procédé pour produire une impulsion laser d'intensité élevée par diffusion de Raman selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion de pom- page de radiation de fréquence 9 p et la première onde de Stokes sont propagées par une cellule de pompage ( 11) et par une cellule d'onde de Stokes ( 13) placées respectivem'ent aux extrémités opposées de l'accumulateur de Raman. 4 Appareil pour produire une impulsion laser de Raman d'intensité élevée, caractérisé en ce qu'il comprend: un accumulateur de Raman ( 15) comportant des première et seconde parois latérales parallèles ( 12 a,12 b) qui sont essentiellement tout à fait réfléchissantesà deux fréquences voisines prédéterminées Y et U 9 S (y p) et comportant des première et seconde parois d'extrémité opposées ( 14 a,14 b) qui sont essentiellement transparen- tes aux fréquences p et Us et à une troisième fréquence voisine prédéterminée V s( 9 S) et contenant un gaz ac- tif de Raman dont la courbe de gain/perte d'amplificateur manifeste un gain à une première fréquence prédéterminée p et à une seconde fréquence prédéterminée voisine s ( $p), o -V est la fréquence de première onde de Sto- s kes correspondant à une fréquence de pompage '9 pour le p gaz actif de Raman, et qui manifeste une perte importan- te à une troisième fréquence prédéterminée voisine 1 '2 s il (IC 9 es) qui est la fréquence de deuxième onde de Stokes correspondant à une fréquence de pompage 9 p pour le mi- lieu actif de Raman; une cellule de pompage ( 11), espacée de l'ac- cumulateur et contenant un milieu apte à produire une impulsion de radiation essentiellement monochromatique et hautement directionnelle de fréquence -9 et placée p pour diriger cette radiation à travers la première pa- roi-d'extrémité transparente d'accumulateur de manière à ce que cette radiation soit réfléchie au moins une fois par la première paroi latérale hautement réfléchis- sante de l'accumulateur et sorte de l'accumulateur par la seconde paroi d'extrémité transparente de l'accumulateur; un premier miroir ( 17), placé au voisinage de l'accumulateur et essentiellement tout à fait réfléchis- sant aux fréquences sp et Ps' pour réfléchir l'impulsion p de radiation de fréquence -) qui sort de l'accumulateur p par un second miroir d'extrémité pour retraverser l'ac- cumulateur essentiellement le long du même chemin opti- que que l'impulsion a parcouru pendant son premier pas- sage dans l'accumulateur; une cellule de Stokes ( 13), voisine de la cel- lle de pompage _;: espacée de l'accumulateur et conte- nant un milieu apte à produire une impulsion de radia- tion essentiellement monochromatique et hautement direc- tionnelle de fréquence as et placée pour diriger cette radiation dans l'accumulateur essentiellement le long du même chemin optique que celui suivi par l'impulsion de pompage; une source de radiation, espacée de l'accumu- lateur, pour produire une impulsion de radiation essen- tiellement monochromatique et hautement directionnelle de fréquence 9 Ès' placée pour diriger l'impulsion dans l'accumulateur d'un miroir d'extrémité transparent à l'autre miroir d'extrémité, en relation dans le temps avec et dans un 25425 512 sens généralement inverse du premier passage de 1 'im-. pulsion de première onde de Stokes dans l'accumulateur; et un second miroir ( 19) qui est essentiellement tout à fait réfléchissant pour une radiation de fréquen- ce - 2 s, placé au voisinage de l'accumulateur de manière à ce qu'il réfléchisse l'impulsion de deuxième onde de Stokes après que l'impulsion ait traversé l'accumulateur une fois et renvoie l'impulsion dans l'accumulateur une deuxième fois en simultanéité avec le passage de l'impulsion de première onde de Stokes dans l'accumu- lateur une deuxième fois. Appareil pour, produire une impulsion laser de Raman d'intensité élevée, caractérisé en ce qu'il comprend: un accumulateur de Raman ( 15) contenant un gaz actif de Raman dont la courbe de gain/perte d'amplifica- teur manisfeste un gain à une première fréquence prédé- terminée 'i et à une deuxième fréquence voisine prédéterminée v (,,), o 9 est la fréquence de première onde de Sto- p kes correspondant à une fréquence de pompage ? pour le gaz actif de Raman, et qui manifeste une perte importan- te à une troisième fréquence prédéterminée voisine (V $ 9)qui -est-la fréquence de deuxième onde de Stokes correspondant à une fréquence de pompage Vp pour le mi- lieu actif de Raman; une cellule de pompage ( 11),espacée de l'accu- mulateur et contenant un milieu apte à produire une im- pulsion de radiation essentiellement monochromatique et hautement directionnelle de fréquence 'P et placée pour diriger cette radiation à travers une première paroi d'extrémité transparente de l'accumulateur de manière à ce que la radiation soit réfléchie au moins une fois par une des parois latérales hautement réfléchissantes de l'accumulateur et sorte de l'accumulateur par une se- conde paroi d'extrémité transparente de l'accumulateur; un premier réflecteur dichroique ( 21) essen- tiellement tout à fait réfléchissant à la fréquence '9 p et partiellement transparent à la fréquence Us placé au voisinage de l'accumulateur pour réfléchir l'impul- sion de radiation de fréquence 9 p qui sort de l'accumu- p lateur par le second miroir d'extrémité de l'accumula- teur et la renvoyer dans l'accumulateur essentiellement le long du mêrme chemin optique que l'impulsion a par- couru pendant son premier passage dans l'accumulateur; une cellule de Stokes ( 13), espacée de l'accu- mulateur et au voisinage du premier réflecteur dichro - que, le premier réflecteur dichroique se trouvant entre l'accumulateur et la cellule de Stokes,et contenant un milieu apte à produire une impulsion de radiation essen- tiellement monochromatique et hautement directionnelle de fréquence 95 et placée pour diriger cette radiation à travers le premier réflecteur dichroique et dans l'ac- cumulateur essentiellement le long du mame chemin opti- que que celui suivi par l'impulsion de pompage; un second réflecteur dichroique ( 23), placé entre la cellule de pompage et le premier miroir d'extré- mité de l'accumulateur et étant essentiellement tout à fait réfléchissant à la fréquence vs et partiellement transparent à la fréquence sp, pour réfléchir l'impul- sion de radiation de fréquence V 9 qui sort de l'accumu- lateur par le premier miroir d'extrémité de l'accumula- teur et la renvoyer dans l'accumulateur essentiellement le long du même chemin optique que l'impulsion a par- couru pendant son premier passage dans l'accumulateur; une source de radiation, espacée de l'accumu- lateur, pour produire une impulsion de radiation essen- tiellement monochromatique et hautement directionnelle de fréquence I, placée pour diriger l'impulsion dans l'accumulateur d'un miroir d'extrémité transparent de l'accumulateur à l'autre miroir d'extrémité de l'accumu- lateur en relation dans le temps avec et dans un sens généralement inverse du premier passage de l'impulsion de première onde de Stokes dans l'accumulateur; et un miroir ( 19) qui est essentiellement tout à fait réfléchissant pour une radiation de fréquence ti, placé au voisinage de l'accumulateur de manière à réflé- -chir l'impulsion de deuxième onde de Stokes après que l'impulsion ait traversé l'accumulateur une fois et à renvoyer l'impulsion dans l'accumulateur une deuxième fois en relation dans le temps avec le passage de l'im- pulsion de première onde de Stokes dans l'accumulateur une deuxième fois.