Brevet FR2646295A1 — publié le 19901026

La présente invention concerne des convertis- seurs à effet Raman et des systèmes laser à effet Raman comprenant de tels convertisseurs. Les dispositifs de décalage à effet Raman com- prennent un milieu de dispersion Raman, habituellement une cellule à gaz à haute pression. On choisit le milieu de dispersion pour une conversion du rayonnement laser à la longueur d'onde désirée. Par utilisation de méthane, qui a un décalage de fréquence de 2916 cm'1, on peut convertir le rayonnement de 1,06 pm du laser Néodyme:YAG en rayonnement de 1,54 pm qui est une longueur d'onde de "sécurité". On connaît dans l'art antérieur plusieurs prin- cipes de conversion. Par exemple, dans le brevet US n 3 668 420 délivré à VandersIice en 1972, le convertis- seur Raman utilisé comprend deux miroirs qui constituent un résonateur pour la longueur d'onde décalée. Dans le brevet européen n 63 205 de Bess et Ruger (1985), on utilise un miroir unique pour former un "semi résona- teur". Une description plus complète est donnée par Parazzoli et al dans IEEE Journal of Quantum Electro- nics Vol. 24 (1988), page 872. Dans ces deux dispositifs, les miroirs utilisés doivent être alignés par rapport au rayonnement de la source de pompage afin de réflé- chir le rayonnement à longueur d'onde décalée vers la région dans laquelle le rayonnement de la source de pom- page est focalisé. Cet alignement est essentiel pour la suppression du phénomène concurrent de diffusion stimulée de Brillouin et il doit être maintenu exacte- ment, ce qui complique la construction mécanique du con- vertisseur. Dans une tentative pour éviter cet inconvénient, Bruesselbach et Whirst décrivent dans leur demande de brevet international W0 86/02784 un dispositif dans laauel le miroir du semi-résonateur Raman est également le miroir de sortie de la source laser. Toutefois, cette dispo- sition ne garantit pas un alignement automatique du con- vertisseur Raman,puisque le faisceau laser peut s'écar- ter de la normale au miroir de sortie, en raison d'effets thermiques dans le milieu actif ou dans la matière de commutation Q,ou du fait d'un défaut d'alignement des miroirs du laser. La présente invention a pour objet d'éviter les inconvénients ci-dessus et de procurer un convertis- seur Raman simple,qui ne nécessite pas un alignement précis des éléments optiques. Ces avantages sont obtenus, conformément à la présente invention, par l'utilisation d'un convertis- seur Raman inverse pour le décalage Raman du faisceau d'un laser de pompage. Ce convertisseur Raman inverse comprend un milieu Raman,dans lequel le faisceau laser de pompage réagit avec un milieu Raman pour générer un rayonnement décalé par effet Raman, un coupleur di- chroique.placé entre ledit laser de pompage et un côté dudit milieu Raman, pour diriger ledit faisceau laser de pompage vers ledit milieu Raman, et des moyens de réflexion placés de l'autre côté dudit milieu Raman pour réfléchir ledit rayonnement décalé par effet Raman en retour dans ladite cellule Raman o il est amplifié par interaction avec ledit milieu Raman et le faisceau laser entrant. Le faisceau décalé par effet Raman et amplifié est extrait du système par ledit coupleur dichroique. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description ci-après de ses modes préférés de réalisation, avec référence aux dessins annexés,dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un convertisseur Raman conforme à la présente invention; et la figure 2 est un schéma d'un mode préféré de réalisation d'un convertisseur Raman conforme à la présente invention. La description ci-après, qui se réfère à cer- tains types de lasers, etc., est seulement illustrative et non limitative. On décrit maintenant l'invention de façon plus détaillée, avec référence à la figure 1. Un convertis- seur Raman 11 suivant l'invention estillustré en fonc- tionnement avec un laser 10 qui est un laser Néodyme: YAG produisant un faisceau laser de pompage 12 à une longueur d'onde de 1,06 pm. Le coupleur dichroIque 16 est formé d'une plaque de verre avec un revêtement di- électrique dichroique transmettant le faisceau laser de pompage 12 et réfléchissant le faisceau à la longueur d'onde décalée par effet Raman de 1,54 pm. La cellule Raman 20 est un récipient à fenê- tres 24 et 26, contenant du méthane gazeux 22 à haute pression. A l'intérieur de cette cellule Raman 20, le faisceau laser de pompage réagit avec les molécules du méthane gazeux 22 pour produire, par dispersion Raman stimulée, un rayonnement décalé par effet Raman à une longueur d'onde de 1,54 Vm qui est réfléchi par un réflecteur 33 en retour vers la cellule Raman o il est amplifié par dispersion Raman stimulée inverse du faisceau laser de pompage entrant 12. Le faisceau décalé par effet Raman et amplifié 36 est réfléchi par le coupleur dichroique 16 comme faisceau de sortie décalé par effet Raman 38. Dans ce convertisseur Raman, la conversion est essentiellement effectuée par dispersion Raman in- verse dans le gaz 22, cette dispersion étant renforcée par une réaction du rayonnement décalé par effet Raman et dispersé vers l'avant 30. Ce convertisseur peut éga- lement être considéré comme une sorte de convertisseur à "semirésonateur", puisqu'on utilise un réflecteur unique pour la réaction du rayonnement décalé par effet Raman. Un mode préféré de réalisation de l'invention comprend un rétro-réflecteur comme moyens de réflexion, ce qui rend le convertisseur insensible à une inclinai- son éventuelle des moyens de réflexion ou à une déviation possible du faisceau de pompage. De cette façon, la construction mécanique du convertisseur est simplifiée. La figure 2 illustre un mode préféré de réali- sation de l'invention. On sait que, pour un bon rendement de conversion dans un dispositif de décalage Raman com- pact, il est nécessaire de concentrer le faisceau laser de pompage dans la cellule Raman pour y produire la grande densité de puissance requise pour des interactions Raman efficaces. Ce résultat est obtenu, dans le conver- tisseur Raman de la présente invention, par des moyens de focalisation comprenant deux lentilles 54 et 56 pla- cées une de chaque côté de la cellule Raman 20. En variante, les lentilles 54 et 56 peuvent respectivement remplacer les fenêtres 24 et 26 de la cellule Raman 20. Les moyens de réflexion comprennent un réflecteur prismatique 58 constitué d'un prisme de verre à trois faces mutuellement perpendiculaires. Trois réflexions totales internes du faisceau incident sur ces faces aboutissent à une rétro-réflexion de ce faisceau. Une variante de ce type de rétro-réflecteur est un rétro- réflecteur creux constitué de trois miroirs montés perpendiculairement les uns aux autres. En fonctionne- ment, le faisceau laser de pompage 12 transmis à travers le coupleur dichroique 16 est concentré par la lentille 54 à une région focale 60 dans la cellule Raman 20 pour y produire une forte densité de puissance, de l'ordre de plusieurs Gigawatts par centimètre carré, afin d'ob- tenir une interaction Raman efficace. C'est dans cette région focale 60 que le rayonnement décalé par effet Raman 62 est généré. Ce rayonnement diverge et il est collimaté par la lentille 56 en un faisceau collimaté 64 qui est réfléchi vers l'arrière par le réflecteur prismatique 58 et, après cette réflexion, concentré par la lentille 56 à la région focale 60 o il est am- plifié par dispersion Raman stimulée,inverse,du faisceau laser.de pompage 12. Le faisceau décalé par effet Raman et amplifié 66 diverge et il est collimaté par la lentil- le 54 en un faisceau collimaté 68 qui est réfléchi par le coupleur dichroîque 16 pour donner le faisceau de sortie décalé par -effet Raman 69. En fonctionnement, même un faible rayonnement décalé par effet Raman et réfléchi 62 est suffisant pour augmenter la dispersion Raman inverse dans la ré- gion focale. Par suite, la plus grande partie de la dispersion Raman est dans la direction inverse, vers l'arrière. De cette façon, le faisceau laser de pompage 12 est atténué avant d'atteindre le point focal, ce qui permet un fonctionnement du convertisseur à des énergies plus élevées, avant qu'une rupture électrique ne se produise dans la région focale 60. Pour certaines applications, ceci peut être un avantage important par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. L'avantage de l'utilisation d'un réflecteur prismatique comme moyens de réflexion est qu'il ne néces- site pas un alignement exact et que, indépendamment de son orientation, il réfléchit le faisceau collimaté 64 en retour sur lui-même de sorte que celui-ci est concentré exactement à la région focale 60 pour une interaction additionnelle. Comme on l'a vérifié expéri- mentalement, cette insensibilité à un défaut d'aligne- ment procure une nette amélioration de la stabilité d'énergie du faisceau de sortie décalé par effet Raman. Conformément à l'invention, on peut également utiliser des moyens de réflexion tels qu'un miroir, un porro prisme oud'autres types de réflecteurs de toit connus dans la technique. Des perfectionnements supplémentaires peuvent être appliqués au convertisseur Raman, comme indiqué ci-après. On sait que le rendement des dispositifs à décalage Raman dépend beaucoup de la compétition en- tre les phénomènes de dispersion Raman et de dispersion Brillouin. Selon le type de milieu Raman utilisé et la longueur d'onde du laser de pompage, il peut parfois être avantageux d'ajouter, entre la cellule Raman 20 et les moyens de réflexion 33 de la figure 1, un filtre qui élimine le rayonnement restant à la longueur d'onde de pompage, ce qui évite sa réflexion en retour vers la région focale 60. Une telle réaction à la longueur d'onde de pompage est indésirable car elle peut renforcer la dispersion Brillouin stimulée, ce qui réduirait le rendement de conversion Raman. Une telle réaction indé- sirable à la longueur d'onde de la pompe peut être évi- tée parutilisation d'un absorbeur approprié, ou d'un filtre réfléchissant, ou d'éléments de dispersion tels qu'une grille ou un prisme. Si on place un filtre réflé- chissant entre la cellule Raman 20 et les moyens de réflexion 33de la figure 1, la réflexion à la longueur d'onde de pompage peut être utilisée comme un faisceau de sortie secondaire, ce qui procure un système laser à double longueur d'onde. Une autre solution consiste à utiliser comme moyens de réflexion 33 un réflecteur qui réfléchit sélectivement le rayonnement décalé stokes à 1,54 pm mais non le rayonnement à 1,06 pm. Dans une autre modification du mode de réali- sation préféré, on utilise un réflecteur de conjugaison de phase, comme moyens de réflexion 58 sur la figure 2.Comme le réflecteur prismatique, le réflecteur de conjugaison de phase fournit une rétro-réflexion du rayonnement décalé par effet Raman 62. Son avantage est que, du fait d'une inversion du front d'onde de -rayonnement, toute déformation de front d'onde induite par le premier passage du rayonnement décalé Raman à travers la région focale 60 dans le milieu Raman est annulée après un deuxième passage le long du même che- min. De cette façon, on obtient un faisceau de sortie non déformé,même dans les cas o le milieu Raman induit des distorsions optiques, par exemple du fait de son échauffement. On connait,dans l'art antérieur, divers types de réflecteurs à conjugaison de phase. Dans ces dispositifs, un faisceau à phase conjuguée est produit par une interaction optique non linéaire du faisceau incident avec la matière de conjugaison de phase. La dispersion Brillouin stimulée est l'une des interactions non linéaires connues dans l'art antérieur pour produire une conjugaison de phase des faisceaux laser. On peut facilement combiner ce type de conjugaison de phase avec le convertisseur illustré sur la figure 2. Cela peut être effectué, par exemple, par remplacement de la fenêtre 26 par un miroir concave à foyer court qui concentre le rayonnement décalé par effet Raman 62 en un petit point focal dans le gaz, à partir duquel la dispersion inverse Brillouin stimulée fournit la réfle- xion à conjugaison de phase. On a construit un convertisseur Raman conforme à la figure 2. Le laser de pompage utilisé était un laser Nd:YAG à commutation Q produisant 120 milli-Joules par impulsion de 16 ns d'un rayonnement de 1,06 pm. On utilisait du méthane sous forte pression comme milieu Raman, un réflecteur prismatique comme moyens de réfle- xion et un miroir dichroIque comme coupleur dichroique; un faisceau de sortie décalé par effet Raman était généré avec 40 milliJoules par impulsion. Un mode de réalisation de l'invention procure un convertisseur Raman qui est insensible à un défaut d'alignement optique ou à une déviation du faisceau la- ser de pompage. Il est entendu que l'invention n'est pas limi- tée aux modes de réalisation décrits ici mais que diver- ses modifications et changements dans la nature et l'agencement des composants peuvent y être apportés sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Convertisseur Raman (11),caractérisé en ce qu'il comprend un milieu à effet Raman (22) pour conver- tir un rayonnement laser (12) d'une première longueur d'onde en rayonnement décalé par effet Raman (38) d'une deuxième longueur d'onde par dispersion Raman, des moyens de réflexion (33) placés d'un côté dudit milieu Raman pour réfléchir le rayonnement ayant ladite deuxième longueur d'onde,et un coupleur dichroique (16) placé de l'autre côté dudit milieu Raman pour diriger ledit rayonnement laser dans ledit milieu Raman et pour sortir dudit convertisseur Raman ledit rayonnement décalé par effet Raman. 2. Convertisseur Raman suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise, comme moyens de réflexion, un rétroflecteur. 3. Convertisseur Raman suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit rétro-réflecteur est un réflecteur prismatique (58) 4. Convertisseur Raman suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de réflexion sont constitués par un réflecteur à conjugaison de phase. 5. Convertisseur Raman suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de réflexion sont constitués par un réflecteur de toit. 6. Convertisseur Raman suivant l'une quelcon- que des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un premier élément de focalisation (54) est prévu pour concentrer le rayonnement laser à une région focale dans ledit milieu Raman, et un deuxième élément de focalisa- tion (56) est disposé entre ledit milieu Raman et les dits moyens de réflexion (58) pour collimater le rayon- nement décalé par effet Raman, dispersé à partir de ladite région focale, en un faisceau collimaté et pour concentrer ledit faisceau collimaté (64), après sa ré- flexion par lesdits moyens de réflexion, à ladite région focale (60). 7. Convertisseur Raman suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième éléments de focalisation sont des lentilles. 8. Convertisseur Raman suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit milieu Raman est un gaz approprié à la dispersion par effet Raman. 9. Convertisseur Raman suivant la revendication 1,caractérisé en ce que ladite première longueur d'onde est de 1,06 Vm environ et ladite deuxième longueur d'onde est de 1,54 pm environ. 10. Convertisseur Raman suivant la revendica- tion 8, caractérisé en ce que ledit gaz est le méthane. 11. Convertisseur Raman suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'un filtre estprévu entre ledit milieu Raman et lesdits moyens de réflexion, pour empêcher la réflexion du rayonnement laser ayant ladite première longueur d'onde vers ledit milieu Raman. 12. Convertisseur Raman suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de réfle- xion réfléchissent sélectivement le rayonnement laser à ladite deuxième longueur d'onde et non à ladite pre- mière longueur d'onde. 13. Système laser Raman,caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur Raman suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12 et un laser de pompage pour produire ledit rayonnement laser. 14. Système laser Raman suivant la revendica- tion 13, caractérisé en ce que ledit laser de pompage est un laser de type Néodyme:YAG.