Brevet FR2553204A2 — publié le 19850412

FR 2553204 A2 19850412 FR 8315913 A 19831006 Procédé et dispositif de création d'impulsions lumineuses brèves L'invention concerne l'obtention, à l'aide de lasers, de mono-impulsions lumine-uses (ce qualificatif devant être pris dans un sens large) de courte durée et elle trouve de nombreuses applications, notamment dans tous les domaines exigeant des générateurs ou amplificateurs d'impulsions brèves et intenses de lumière. De façon plus précise, l'invention a particulièrement pour objet un procédé et une installation de création de mono-impulsions lumineuses brèves, du type défini dans le brevet FR 83 03598. Suivant le procédé, on place dans une cavité à faibles pertes de stockage d'énergie lumineuse fournie par un laser, un milieu Raman associé à une cavité dimensionnée de façon à présenter un gain important à la fréquence Stokes et on extrait l'énergie stockée à la fréquence Stokes. Dans les modes de réalisation donnés à titre d'exemples dans ce brevet antérieur, le milieu Raman est placé dans la cavité laser elle-même. L'invention vise notamment à écarter cette contrainte, particulièrement gênante lorsque le milieu laser est absorbant à fréquence laser, ce qui est par exemple le cas des lasers à eximère. Pour cela a été pris en considèration le fait que l'on peut considérer le processus mis en oeuvre dans ces modes de réalisation comme constitué de deux phases - le stockage de l'énergie laser sous forme de rayonnement, stockage qui se fait par accumulation dans la cavité laser à faible perte, tant que le gain du laser est supérieur aux pertes de la cavité - I'extraction de l'énergie laser à une fréquence déplacée par diffusion Raman stimulée, c'est-à-dire par un processus d'optique non linéaire, qui effectue la conversion de fréquence avec un coefficient d'amplification qu-i augmente comme l'exponentielle de l'énergie stockée. L'invention conserve la seconde phase du procédé, au cnurs de laquelle l'énergie est extraite de la cavité à la fréquence Stokes en un temps correspondant à un aller et retour unique dans la cavité, dans un milieu à fort gain, donc sous forme d'une impulsion brève (typiquement quelques nanosecondes). Mais elle propose de modifier la première phase, en plaçant dans la cavité de stockage un milieu non linéaire capable d'effectuer un changement de fréquence et en injectant le faisceau du laser (placé à l'extérieur de la cavité de stockage) dans le milieu non linéaire et, donc, d'établir une étape intermédiaire. La cavité de stockage sera délimitée par des moyens qui la surtendent à la fréquence de stockage. Une solution commode consiste à injecter le faisceau laser dans la cavité de stockage à travers un miroir dichroïque transparent à la fréquence laser, mais quasi totalement réfléchissant à la fréquence de stockage. Le milieu non linéaire de conversion de la fréquence laser, qui constitue fréquence de pompe, à la fréquence de stockage, peut utiliser des processus très divers, par exemple - la diffusion stimulée par effet Raman, - un processus paramétrique, qui réduit la fréquence d'une valeur égale à une fréquence complémentaire passive, - le doublement de fréquence, qui exige de partir d'une fréquence de pompe suffisamment basse pour que soient disponibles des milieux transparents à la fréquence de stockage, - le triplement de fréquence,qui exige de partir d'une fréquence laser dans l'infrarouge ou le visible, pour le même motif que celui exposé à l'occasion du doublement de fréquence. L'invention propose également un dispositif de création de mono-impulsions de lumière de courte durée, comprenant une cavité surtendue de stockage d'énergie lumineuse fournie par un laser, cavité dans laquelle est placé un milieu Raman également inséré dans une cavité Stokes a faible surtension, capable de convertir lténergie à la fréquence de stockage en énergie à la fréquence Stokes, caractérisé en ce que le laser est placé à l'extérieur de la cavité de stockage et en ce que cette dernière contient un milieu non linéaire de réception du faisceau laser, destiné à convertir l'énergie laser en énergie à une fréquence de stockage pour laquelle la cavité de stockage est surtendue. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers donnés à titre de simples exemples. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositifoscillateur utilisant un milieu non linéaire à diffusion Raman pour effectuer la conversion de fréquence laser en fréquence de stockage - la Figure 2, similaire à la Figure 1, comporte en plus de celle-ci un miroir totalement réfléchissant à la fréquence de pompe, permettant d'améliorer l'efficacité du processus et la divergence du faisceau de stockage - la Figure 3, encore similaire à la Figure 1, montre un dispositif de transfert d'énergie au milieu non linéaire utilisant des réflexions multiples du faisceau laser - les Figures 4A et 4B montrent deux variantes encore. Dans le dispositif illustré en Figure 1, le laser 11 (laser pulsé pouvant être équipé d'un déclencheur lui permettant de fonctionner dans de bonnes conditions) fournit un faisceau à fréquence de pompe v P à une cavité de stockage à travers un miroir dichroïque 10a très transparent pour la fréquence de pompe vp (coefficient de transmission supérieur à 95%). Ce miroir 10a constitue, avec un second miroir 10b, une cavité de stockage d'énergie à fréquence v s. Pou-r cela, il faut que les miroirs 10a et lOb soient l'un et l'autre très réfléchissants à la fréquence de stockage vs. Cette fréquence de stockage est fixée par un milieu non linéaire 30 qui reçoit l'énergie du faisceau laser à travers le miroir 10a.Ce milieu peut notamment être un milieu Raman permettant d'assurer un transfert d'énergie avec un bon rendement. Dans la cavité de stockage ainsi constituée est placé un milieu Raman 12 encadré par deux miroirs 13a et 13b délimitant une cavité Stokes 31. Dans le mode de réalisation illustré, le miroir 13b est confondu avec le miroir lOb de délimitation de la cavité de stockage, ce qui impose que le miroir 13a soit très réfléchissant pour a fréquence d'extraction ve, et que le miroir 10b, 13b soit peu réfléchissant à la fréquence ve (coefficient de réflexion de quelques pour cent) pour que la cavité Stokes soit peu surtendue. Les deux cavités doivent être découplGes. Pour cela est prévu un séparateur constitué par un miroir oblique 14 situé à 450 du trajet optique sur la Figure 1. Ce miroir réfléchit totalement la fréquence de stockage sous l'incidence choisie, mais il transmet la lumière à la fréquence Stokes avec une très faible réflexion, de façon à la laisser passer entre le milieu 12 et le miroir 13a. Il est évidemment possible d'ajouter des séparateurs supplémentaires, comme dans les modes de réalisation montrés dans le brevet 83 03598, afin que chaque miroir nuait à répondre qu'à deux conditions. Le fonctionnement du dispositif ainsi constitué est le suivant. L'énergie stockée dans la cavité 1Da, 10b à faible perte indu-it dans le milieu Raman 12 un gain qui est ajusté à upe valeur telle que le gain dans la cavité Stokes atteigne une valeur suffisante pour convertir avec un bon rendement l'énergie à la fréquence de stockage en énergie à la fréquence Stokes. Cet ajustement peut, comme dans le cas du brevet antérieur déjà mentionné, s'effectuer par réglage de la pression ou de la longueur du milieu Raman. Lorsqueçl'énergi-e stockée est maximum, la cavité 10a, 10b se vide de son énergie en-un temps égal ou inférieur au temps que met la lumière pour effectuer un aller et retour entre les miroirs 10a et 10b. La cavité Stokes 31 étant peu surtendue, la durée de vie des photons est courte et la durée de l'impulsion créée à la fréquence Stokes sera en cons; quence égale à la durée d'extraction de l'énergie de la cavité de stockage. En d'autres termes, on induit, dans le milieu Raman 12, un gain donnant naissance à un faisceau Stokes capable de vider la cavité de stockage de son énergie en convertissant, en quelques nanosecondes et avec un rendement élevé, l'énergie électromagnétique à la fréquence de stockage en énergie électromagnétique à la-fréque-nce Stokes. Les milieux Raman ne sont pas les seuls pouvant être utilisés comme milieux non linéaires 30. En particulier, on peut utiliser des cristaux assurant un doublement de fréquence. Toutefois, cette utilisation n'est pratiquement possible que si le laser 11 émet dans le visible, car le doublement de fréquence- conduit, en cas de laser à faible longueur- d'onde, à un domaine de l'ultraviolet dans lequel manquent les milieux transparents. Par contre, le doublement de fréquence peut être utilisé dans le cas où le laser émet dans le vert ou au-delà. Le même impératif existe si on utilise un triplement de fréquence par mélange de la fréquence fondamentale du laser avec un harmonique obtenu à l'aide d'un cristal : dans ce cas, il est nécessaire de partir d'une fréquence laser dans 1 'infra- rouge ou le visible. Dans tous les cas, un rendement élevé ne peut être obtenu que si l'énergie créée à chaque instant a la fréquence de stockage vs l'est sous forme de faisceau de divergence telle que la durée de vie du stockage soit supérieure ou égale à la durée de l'impulsion du laser extérieur à comprimer. Pour certains processus non linéaires, tels que le doublement de fréquence et les processus paramétriques, la condition d'accord des vecteurs d'onde lie la divergence du faisceau créé à celle du laser de pompe 11. Au contraire, dans le c-as des diffusions stimulées, l'énergie peut être créée dans un angle solide important. Dans tous les cas-de forte divergence, il est utile, et quelquefois même nécessaire, d'utiliser une disposition telle que soit diminuée la divergence du fa-isceau à la fréquence de stockage.Ce résultat est par exemple atteint dans .le dispositif montré en Figure 2, qui se différencie du précédent par l'adjonction d'un miroir 32 qui est réfléchissant à la fréquence de pompe vp. Ain-si, le faisceau laser revient sur lui-même, alors que l'énergie résiduelle s'échappait, dans le cas de la Figure 1, comme indiqué-en tirets. Le miroir 14 doit, dans ce cas, être transparent à la fréquence de pompe vp . Le fonctionnement dans ce cas est le suivant : lors du passage aller dans le milieu 30, une partie seulement de l'énergie, en général quelques pour cent seulement, est convertie à la fréquence de stockage vS. Et seule la partie la moins divergente de cette énergie sera-encore présente dans la cavité de stockage lorsque l'impulsion de pompe revient après s'être réfléchie sur le miroir 32. C'est donc cette partie peu divergente qui seule sera amplifiée à ce moment. On voit qu'on diminue ainsi la divergence du faisceau à la fréquence de stockage tout en maintenant un rendement élevé pour le processus de changement. de fréquence de pompe en fréquence de stockage. D'autres solutions peuvent être ado.ptées pour augmenter la durée de construction de l'impulsion de stockage. Par exemple, dans le cas illustré en Figure 3, le trajet du faisceau laser dans le milieu non linéaire de conversion à la fréquence de stockage est allongé par l'utilisation de réflexions multiples, suivant une disposition comparable à celle décrite dans le brevet US 3 515 897. Il est également possible de substituer, aux miroirs plans représentés sur les Figures 1 et 3, des miroirs sphériques de façon à diminuer les pertes à la fréquence de stockage et à augmenter le gain Raman comme cela est déjà envisagé dans le brevet U.S. 3 515 897. Une variante aux dispositifs présentés dans les Figures 1 et 2 consiste à utiliser un système dispersif (prisme ou réseau) pour séparer les trajets des faisceaux aux différentes fréquences et donc simplifier notablement les conditions imposées aux miroirs dichroïqtes. Les Figures 4A et 4B sont des schémas de deux modes d'exécution également utilisables. Dans le cas de la Figure 4A, le faisceau du laser e.xtérieur 11 est introduit dans la cavité de stockage en utilisant la dispersion dn d'un prisme 40 (n étant l'indice). Cette cavité est délimitée à es extrémités par des miroirs 10a et 10b qui sont très réfléchissants à la fréquence de stockage vs. La cavité Stokes 31 est limitée par les miroirs 13a et 13b. Le miroir 13a doit être très réfléchissant et 13b peu réfléchissant à la fréquence d'extrac tion ve, comme dans les cas précédents. Un miroir 32 peut être avantageusement utilisé pour compléter le dispositif avec les mêmes av-antages que ceux décrits plus haut. Le mode de réalisation illustré en Figure 4B ne se différencie du précédent que par inversion de la disposition du laser 11. Dans tous les cas, le prisme pourrait être remplacé par un autre élément dispersif, tel qu'un réseau. Dans une autre variante encore de réalisation permettant d'obtenir des impulsions lumineuses brèves, il n'y a pas compression temporelle, mais utilisation d'un laser de pompe fournissant un train d'impulsions de durée unitaire de l'ordre de la picoseconde. La longueur de la cavité 10a, 10b est, dans ce cas, ajustée de façon qu'un aller et retour corresponde à un intervalle entre deux impulsions du laser de pompe. Il se produit alors un effet d'empilement, le gain induit par une impulsion servant à amplifier l'impulsion créée ou amplifiée par la précédente. A la fin de la phase de stockage apparaît une impulsion de même longueur que les impulsions unitaires, nourrie de toutes les impulsions du train de pompage et enfermée dans la cavité de stockage 10a, 10b. En plaçant convenablement le miroir 13a, il est alors possible d'extraire l'énergie en une seule impulsion picoseconde, ce qui réalise un empilement d'énergie sans allongement de durée. L'invention est évidemment susceptible d'être utilisée non seulement dans un dispositif générateur, mais encore dans un dispositif amplificateur ou dans une chaine complète constituée d'un oscillateur et de plusieurs amplificateurs en cascade. Enfin, la compression temporelle peut être associés à une compression spectrale obtenue par mise en oeuvre du procédé défini dans le brevet 80 11064. REVENDICATIONS 1. Procédé de création de mono-impulsions lumineuses brèves, suivant lequel on place, dans une cavité -à faibles pertes de stockage d'énergie lumineuse fournie par un laser, un milieu Raman associé à une cavité dimensionnée de façon à présenter un gain important à la fréquence Stokes et on extrait l'énergie stockée à la fréquence Stokes, cara-ctérisé entre qu'on place, dans l-a cavité de stockage, -un milieu non linéaire (30) capable d'effectuer un changement de fréquence, et en ce qu'on injecte le faisceau du laser (11) placé à l'extérieur de la cavité de-stockage, dans le milieu non linéaire. 2. Dispositif de création de mono-impulsions de lumière de courte durée, comprenant une cavité surtendue de stockage d'énergie lumineuse fournie par un laser, cavité dans laquelle est placé un milieu Raman (30) également inséré dans une cavité Stokes (31) à faible surtension, capable de conve-rtir l'énergie à la fréquence de stockage en énergie à la fréquence Stokes, caractérisé en ce que le laser (11) est placé à l'extérieur de la cavité de stockage et en ce que cette dernière contient un milieu non linéaire (30) de réception du faisceau laser destiné à convertir énergie laser en énergie à une fréquence de stockage pour laquelle la cavité de stockage est s-urtendue. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau du laser (11) est injecté dans la cavité de stockage à travers un miroir dichroïque transparent à la fréquence laser, mais quasi totalement réfléchissant à la fréquence de stockage. 4. Dispositif selon la revendication 2, carac-téris-é en ce que le faisceau du laser est injecté dans la cavité de stockage par l'intermédiaire d'un système dispersif, tel qu'un prisme ou réseau. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu Raman (30) est contenu dans une enceinte imposant au faisceau laser des- réflexions. multiples augmentant la durée de parcours dans le milieu. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le milieu non linéaire de conversion de la fréquence laser, à la fréquence de stockage, utilise un processus de diffusion stimulée par effet Raman, un processus paramétrique, un doublement de fréquence ou un triplement de fréquence, la fréquence, laser étant alors dans l'infrarouge ou le visible. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le doublement de fréquence est réalisé à l'aide d'un cristal. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le milieu laser est absorbant à la fréquence laser.