Brevet FR2645973A1 — publié le 19901019

La présente invention concerne un dispositif de transfert de fréquence par effet RAMAN stimulé. Traditionnellement, le transfert de fréquence par effet RAMAN stimulé s'effectue en réalisant une interaction entre un champ électromagnétique et la matière à l'étant solide, liquide ou gazeux. L'onde fondamentale, issue d'un générateur laser est focalisée dans le milieu qui est le siège d'une émission RAMAN à fort gain. L'effet RAMAN a fait l'objet de nombreux montages expérimentaux. La plupart des milieux ont été sollicités et les écarts en fréquence sont parfaitement connus. La physique de l'interaction est décrite par différents modèles théoriques. Le dispositif de transfert de fréquence par effet RAMAN stimulé, selon l'invention, est caractérisé par un rendement énergétique élevé, s intègre dans une cavité laser dont le milieu actif génère l'onde fondamentale ou se place en sortie de cavité laser. Le dispositif de transfert de fréquence, selon une première caractéristique, comporte une cuve qui contient un gaz sous pression munie de deux hublots composés, pour chacun d'entre eux, de pièces optiques particulières dont les dioptres sont en tout ou partie revêtus de couches diélectriques qui réflèchissent différemment la lumière fondamentale et la lumière RAMAN. L'ensemble constitue un résonateur optique pour l'onde RAMAN ensemencé par une partie de l'onde fondamentale. La figure n 1 présente les matériels qui conviennent à la réalisation du dispositif de transfert. La cuve (1) est métallique et dispose de deux orifices non représentés sur la figure dont les axes sont respectivement XX' et YY' pour assurer le pompage du gaz présent initialement dans la cuve et le remplissage du gaz destiné à être le sein de l'effet RAMAN. Ces orifices peuvent être munis de valves qui rendent étanche la cuve après les opérations de pompage et de remplissage. Les pièces optiques (4), (5), et (6), (7) constituent respectivement les hublots d'entrée et de sortie de la cuve. Les flasques (2) et les joints d'étanchéité (3) assurent le maintien des hublots et l'étanchéité de l'ensemble du montag Les axes ZZ' figurent, l'emplacement des vis qui appliquent une pression suffisante sur les joints (3) par l'intermédiaire des flasques (2). Les pièces (4) et (5) ont un dioptre commun sphérique dont le rayon de courbure est R2 et dont le centre de courbure est C2. Le dioptre sphérique de la pièce (5) reçoit un revêtement diélectrique dont le coefficient de transmission est maximum pour l'onde fondamentale et dont le coefficient de réflexion est maximum pour l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1. Associées pour constituer le hublot d'entrée, les pièces (4) et (5) sont équivalentes à une lame à faces parallèles pour l'onde fondamentale et à un miroir sphérique de rayon de courbure équivalent à R2 / n où n est l'indice de réfraction commun du matériau qui constitue les pièces.On suppose dans ces conditions que les épaisseurs des pièces sont faibles vis à vis du rayon R2 Les pièces (6) et (7) ont un dioptre commun sphérique dont le rayon de courbure est R1 et dont le centre de courbure est Cl. Le dioptre sphérique de la pièce (6) reçoit un revêtement diélectrique dont les coefficients de réflexion pour l'onde fondamentale et pour l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1 sont choisis, en fonction de l'application, entre la valeur la plus faible et la valeur la plus forte que l'homme de l'art sait réaliser. Associées pour constituer le hublot de sortie, les pièces (6) et (7) sont équivalentes à une lame à faces parallèles pour l'onde fondamentale et à un miroir sphérique de rayon de courbure équivalent à R1 / n ou n est l'indice de réfraction commun du matériau -qui constitue les pièces. De même, les épaisseurs des pièces sont faibles vis à vis du rayon R1. Les autres dioptres plans et sphériques des quatre pièces qui constituent les deux hublots peuvent recevoir en tout ou partie des traitements diélectriques anti-reflet à la longueur d'onde fondamentale et à la longueur d'onde RAMAN STOKES d'ordre 1. L'onde fondamentale entre par le hublot d'entrée sous faible divergence. Au contact du gaz sous pression, son état énergétique est faiblement modifié et sa divergence reste faible. La puissance lumineuse par unité de surface de l'onde fondamentale est généralement inférieure à celle qui engendre l'émission RAMAN stimulée dans le gaz. Lorsque l'onde fondamentale aborde le dioptre sphérique de la pièce (6), une part de cette onde vient se focaliser au foyer du dioptre sphérique de rayon R2 / n. Le prélèvement est choisi de telle façon que l'onde RAMAN stimulée s'observe dans la zône focale. Dans la mesure où, par construction, les axes optiques des deux dioptres sphériques sont confondus et paralleles à la direction moyenne de propagation de l'onde fondamentale, les surfaces réfléchissantes des dioptres sphériques pour l'onde RAMAN constituent un résonateur dans lequel l'onde RAMAN peut s'amplifier dans des conditions conventionnelles d'une cavité optique. Cette onde se nourrit au contact des molécules de gaz qui interagissent avec l'onde fondamentale dans l'ensemble du volume du résonateur.Pour éviter la destruction des dioptres optiques par un champ électromagnétique trop intense, la zône focale est placée vers le centre de la cuve de telle façon que les images des centres de courbure C1 et C2 dans l'espace du gaz sous pression soit tous deux à l'intérieur du résonateur, ou tous deux à l'extérieur. Dans tous les cas, la cavité est dite stable. Sa longueur L, qui représente la distance optique entre les deux dioptres sphériques vérifie les inégalités suivantes 0 Le rayon de courbure R2 peut, dans certaines conditions être infini. L'onde RAMAN STOKES d'ordre 1, comme la part de l'onde fondamentale non focalisée par le hublot de sortie. La divergence de l'onde fondamentale est peu différente de la divergence initiale et la divergence de l'onde RAMAN est tributaire des paramètres géomètriques du-résonateur. Selon une variante non illustrée, les hublots ainsi composés peuvent être remplacés par des lames à faces parallèles constituées de deux seuls blocs optiques dont les dioptres reçoivent un traitement diélectrique 11anti-reflet" à la longueur d'onde fondamentale et à la longueur d'onde RAMAN. Les pieces assemblées (4), (5) et (6), (7) sont alors placées de part et d'autre de la cuve. Le dispositif de transfert selon la figure 1 où selon la variante peut être placé à l'intérieur d'un résonateur laser qui fabrique l'onde fondamentale. La réflexion de l'onde fondamentale sur le dioptre sphérique de la pièce (6) peut constituer la perte prédominante du -resonateur laser. Dans ces conditions, le rendement énergétique du transfertde l'onde fondamentale vers l'onde RAMAN est élevé. Dans tous les cas, l'onde RAMAN issue de la cuve doit traverser des dioptres ou des milieux optiques à moindre perte. Les agencements sont variés mais reposent tous sur la même utilisation du dispositif de transfert de fréquence de l'invention. Le dispositif de transfert selon la figure 1 où selon la variante peut être placé à l'extérieur du résonateur laser qui fabrique l'onde fondamentale. Dans ces conditions le coefficient de réflexion pour l'onde fondamentale du dioptre sphérique (6) peut être élevé. Quelle que soit la configuration utilise qui place la cuve agencée à l'intérieur ou à l'extérieur de la cavité, le coefficient de réflexion du dioptre sphérique (6) pour l'onde RAMAN doit être optimisé en fonction de la puissance de 1 'onde fondamentale. Les gaz ou mélange de gaz utilises sont ceux qui présentent de bons transferts énergétiques sur les ondes RAMAN STOKES d'ordre 1. L'effet BRILLOUIN peut être la source d'une fuite d'énergie de l'onde fondamentale. Lorsque le dispositif de transfert est placé à l'intérieur où à l'extérieur du résonateur laser de l'onde fondamentale, l'onde BRILLOUIN stimulée se couple avec l'onde fondamentale dans le résonateur laser et réintervient dans le dispositif au même titre que l'onde fondamentale. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transfert de fréquence par effet RAMAN stimulé caractérisé en ce qu'il comporte une cuve (1) qui contient un gaz sous pression apte à être le siège d'un effet RAMAN stimulé, deux flasques (2) et quatre joints d'étanchéité (3), deux hublots composés respectivement des pièces optiques (4), (5) et (6), (7). 2. Dispositif de transfert de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces optiques (4) et (5) possèdent un dioptre sphérique de même rayon de courbure. Le dioptre sphérique de la pièce (5) est de transmission maximum pour l'onde fondamentale et de coefficient de réflexion maximum pour l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1. Les autres dioptres des pièces (4) et (5) peuvent être "anti-reflet" aux longueurs d'ondes fondamentale et RAMAN. 3. Dispositif de transfert de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces optiques (6) et (7) possèdent un dioptre sphérique de même rayon de courbure. Le dioptre sphérique de la pièce (6) a des coefficients de réflexion pour l'onde fondamentale et pour l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1 qui sont choisis, en fonction de l'application, parmi toutes les valeurs que l'homme de l'art sait réaliser. Les autres dioptres des pièces (5) et (6) peuvent être "anti-reflet" aux longueurs d'ondes fondamentale et RABAN. 4. Dispositif de transfert de fréquence selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les dioptres sphériques des pièces (5) et (6) sont alignés et constituent avec la longueur optique qui les séparent les paramètres géométriques d'une cavité stable pour l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1. Une part de l'onde fondamentale, prélevée par le dioptre sphérique (6) se focalise au foyer équivalent du dioptre et ensemence la cavité d'une onde RAMAN stimulée qui se nourrit au contact des molécules de gaz qui interagissent avec l'onde fondamentale. 5. Dispositif de transfert de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les hublots sont des lames à faces parallèles constituées de blocs uniques et traitées antireflet aux longueurs d'ondes fondamentale et RAMAN.Les pièces (4), (5) et (6), (7) sont alors placees à l'extérieur de la cuve de part et d'autre de celle-ci. 6. Dispositif de transfert de fréquence selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que la divergence de l'onde fondamentale n'est quasiment pas affectée après le passage dans les hublots et le gaz et en ce que la divergence de l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1 est tributaire des paramètres géomètriques du résonateur RAMAN constitué par les deux dioptres sphériques. 7. Dispositif de transfert de fréquence selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il peut être placé à l'intérieur ou à l'extérieur d'un résonateur laser qui fabrique l'onde fondamentale. 8. Dispositif de transfert de fréquence selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coefficients de réflexion du dioptre sphérique 6 pour l'onde fondamentale et l'onde RAMAN STOKES d'ordre 1 sont choisis et optimisés en fonction de la puissance de l'onde fondamentale et de la position du dispositif vis à vis du résonateur laser quifabrique l'onde fondamentale. 9. Dispositif de transfert de fréquence selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz ou les mélanges de gaz utilisés présentent de bons transferts énergétiques sur 1'onde RAMAN STOKES d'ordre 1. Ces gaz ou mélanges peuvent être le siège d'effet BRILLOUIN qui se couple au résonateur laser qui fabrique l'onde fondamentale et qui reintervient dans le dispositif au même titre que l'onde fondamentale. 10. Dispositif de transfert de fréquence selon l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dioptre (6) engendre la perte prédominante du résonteur laser qui fabrique l'onde fondamentale lorsque le dispositif est placé à l'intérieur de ce résonateur.