Brevet FR2648629A1 — publié le 19901221

" Procédé pour la conversion d'un rayonnement laser dans une autre région de longueur d'onde par diffusion Raman, et dispositif pour la mise en oeuvre du procé- dé. L'invention concerne un procédé pour la con- version du rayonnement laser d'un laser pompe dans une autre région de longueur d'onde, par diffusion Raman stimulée, dans lequel on fait passer le rayonnement laser du laser pompe à travers un milieu Raman, ce par quoi est engendré un rayonnement Stokes dans l'autre région de longueur d'onde. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comportant un laser pompe à C02 émettant dans la région de longueur d'onde de 10-6m, auquel est raccordée une cellule Raman con- tenant du para-hydrogène en tant que milieu Raman (préamplificateur (2) pour rayonnement Stokes), dans laquelle est produit un rayonnement Stokes dans la ré- gion de longueur d'onde de 16 pm par cornersion du rayonnement laser de 10-6m du laser pompe à C02. Un procédé et un dispositif de ce type sont décrits sous le titre "stimulated rotationnel Raman scattering from para-H2 pumped by a C02TEA laser" (Diffusion rotationnelle Raman stimulée à partir de para-H2 pompé par un laser CO2TEA) par P. Rabinowitz, A Stein, R. Brieckman et A. Kaldor, dans la revue Op- ics Letters, vol. 3, n 4, octobre 1978, pages 147- 148. En ce cas, on engendre par diffusion Raman stimu- lée d'un rayon de laser pompe à CO2, dans du para-H2, un rayonnement Stokes dans la région de 16-6m, tel qu'il est requis pour l'excitation isotopiquement sé- lective de molécules d'UF6 dans le procédé du laser moléculaire. Dans la conversion efficace de ce rayonne- ment de pompage dans la région de longueur d'onde de 16-6m, la puissance de crête requise du rayonnement CO2 est toutefois tellement forte que les composants optiques utilisés dans le laser et dans l'appareil de conversion sont soumis à de fortes contraintes. En ou- tre, avec la forte puissance de crête, le risque est très grand d'aboutir dans le milieu Raman à des passa- ges de gaz, induits par le rayonnement, qui gênent une conversion Raman. Un procédé et un dispositif qui permettent de réduire la puissance de crête du rayonnement de pompage CO2, tout en conservant un bon rendement de conversion, sont décrits dans IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE 19, n' 9 Septembre 1983, pages 1407 à 1413, sous le titre "Stimulated rotational Ra- man scattering in C02 - pumped para - H2" (Diffusion rotationnelle Raman stimulée dans du para-H2 pompé par CO2) par J.L. Carlsten et R.G. Wenzel. On parvient à la réduction de la puissance de crête en émettant si- multanément et de façon colinéaire avec le rayonnement de pompage, dans l'appareil de conversion, un rayonne- ment germe d'un laser germe. Toutefois, le réglage nécessaire en ce cas de la longueur d'onde du rayonnement du laser germe sur le rayonnement Stokes déterminé par la longueur d'onde du rayonnement de pompage est difficile et coû- teux. En outre, il n'est pas aisé de réunir, synchro- niser dans le temps et faire suffisamment bien chevau- cher dans l'espace le rayonnement germe avec le rayc-- nement de pompage. Un procédé et un dispositif, dans leque- le rayonnement germe n'est pas produit par un laser ger- me, mais est produit par la technique du mélange de quatre ondes, sont décrits sous le titre "16-6m gene- ration by CO2 - pumped rotational Raman scattering in H2" (Production de 16-6m par diffusion rotationnelle Raman dans H2, à pompage C02) par R:L. Byer et W.R. Trutna dans Optic Letters, vol.3, n' 4, Octobre 1978, pages 144 à 146. Dans ce procédé, le rayonnement d'un laser auxiliaire à courte longueur d'onde doit être envoyé dans l'appareil de conversion simultanément et de façon co-linéaire avec le rayonnement de pompage. En raison de la plus forte amplification par effet Ra- man aux plus courtes longueurs d'onde, le rayonnement du laser auxiliaire est converti par conversion Raman immédiatement après son entrée dans l'appareil de con- version. En présence du rayonnement de pompage est également produit à cette occasion, un rayonnement Stokes ayant la longueur d'onde déterminée par le rayonnement de pompage, qui agit alors comme rayonne- ment germe. Le rayonnement germe ainsi produit a, par conséquent, automatiquement la longueur d'onde exacte. Il reste toutefois la difficulté de réunir, synchroni- ser dans le temps et faire chevaucher convenablement dans l'espace, rayonnement de pompage et rayonnement du laser auxiliaire. Le but de l'invention est de réaliser un procédé et un dispositif du type indiqué au début, de manière à pouvoir atteindre une conversion efficace du rayonnement laser du laser pompe en rayonnement Stokes désiré, même sans utilisation d'un laser germe ou la- ser auxiliaire supplémentaire et avec une relativement faible puissance de crête du laser pompe. A cet effet, l'invention concerne un procé- dé caractérisé en ce que: a) le rayonnement laser du laser pompe, sortant du milieu Raman, et le rayonnement Stokes sont en- voyés conjointement, à un amplificateur pour le rayonnement laser du laser pompe et en ce que b) on fait passer le rayonnement laser ainsi ampli- fié du laser pompe, conjointement avec le rayonne- ment Stokes qui l'accompagne, à travers un autre milieu Raman pour la ccnversion du rayonnement la- ser amplifié du laser pompe en rayonnement Stokes. Le dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé es. caractérisé en ce que: a) à la cellule Raman est raccordé un amplificateur de laser à CO2 (amplificateur pour le rayonnement de pompage) et b) à l'amplificateur de laser à CO2 est raccordée une autre cellule Raman fonctionnant avec du para- hydrogène (étage de puissance pour rayonnement Sto- kes). Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que, à la suite du laser pompe à C02, sont raccordés les uns derrière les autres, plusieurs éléments compo- sés de préamplificateurs pour le rayonnement de Stokes et d'amplificateurs pour le rayonnement de pompage. Dans l'invention, le rayonnement Stokes pro- duit dans le premier milieu Raman raccordé au laser pompe est utilisé comme base pour le rayonnement ger- me. On choisit, en ce cas, une valeur suffisamment basse de la puissance de crête du laser pompe pour que la conversion dans le milieu Raman se situe en majeure partie dans la région des faibles signaux. En cons- équence, l'impulsion de pompage est certes affaiblie par des pertes par réflexion dans l'appareil de con- version, mais n'est pratiquement pas altérée quant à la forme de l'impulsion. La puissance du rayonnement Stokes produit dans le milieu Raman, simultanément et de façon co-linéaire par rapport au rayonnement du - ser pompe, est néanmoins accrue de plusieurs ordres grandeur, normalement de 9 à 12, à partir de la vale. initiale donnée par diffusion Raman spontanée. L'impulsion de pompage affaiblie est ensuite envoyée, conjointement avec le rayonnement Stokes qui l'accompagne, dans. un amplificateur pour le rayonne- ment de pompage, et amplifiée dans celui-ci, par exem- ple jusqu'à sa valeur initiale avant l'entrée dans le milieu Raman. A cette occasion, le rayonnement Stokes qui l'accompagne est certes affaibli à nouveau, mais normalement seulement de 1 à 2 ordres de grandeur. On obtient par conséquent, un gain net considérable de rayonnement Stokes. Le rayonnement de pompage amplifié est alors envoyé conjointement avec le rayonnement Stokes à travers un autre milieu Raman. Dans ce mi- lieu, il se produit une conversion très efficace du rayonnement de pompage en rayonnement Stokes, car le rayonnement Stokes qui l'accompagne, provenant de l'amplificateur, agit comme le rayonnement germe men- tionné au début, aucun réglage de la longueur d'onde n'étant toutefois plus nécessaire. En outre, le che- vauchement optimal dans l'espace du rayonnement germe et du rayonnement de pompage est automatiquement don- né. De plus, rayonnement germe et rayonnement de pom- page sont synchronisés dans le temps. Un exemple de réalisation, non limitatif, de l'invention est représenté suit-les dessins ci-joints, dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement la configuration du dispositif selon l'invention, - la figure 2a est un diagramme montrant la courbe de la puissance de crête du rayonnement laser du laser pompe en MW, le long du cheminement du rayon laser à travers le dispositif, - la figure 2b est un diagramme montrant la courbe du rayonnement Stokes (log w) sur le même che- minement à travers le dispositif. Dans la production du rayonnement de pompage (trait continu la), on utilise un laser pompe à C02 1, ayant une puissance de crête d'impulsion d'environ 20 MW ou moins, qui émet un rayonnement laser dans la ré- gion de longueur d'onde de 10-6m. A cette puissance, il n'y a, en général, pas encore de risque de détério- ration des composants optiques ou de claquages dans le milieu Raman. Ce rayonnement la est envoyé à travers une cellule Raman 2 (appareil de conversion) qui est remplie de para-hydrogène à 300 K en tant que milieu Raman et, dans le présent contexte, a la fonction d'un pré-amplificateur pour rayonnement Stokes. Dans cette cellule 2, le rayonnement la est converti par diffu- sion rotationnelle Raman stimulée en rayonnement Sto- kes dans la région de longueur d'onde désirée de 16-6m (trait interrompu 2a). A cette occasion, le rayonne- ment de pompage est affaibli par des pertes par ré- flexion (voir figure 2a), tandis que le rayonnement Stokes s'accroît, d'une valeur initiale d'environ -12 W à environ 1 W à l'extrémité de la cellule 2 (voir figure 2b). Le rayonnement laser affaibli lb du laser pompe 1, sortant de la cellule Raman 2, et le rayonnement Stokes 2a, sont envoyés conjointement, à un amplificateur à C02 3, dans lequel le rayonnement de pompage lb de 10-6m est à nouveau amplifié aux en- virons de la valeur initiale de 20 MW (trait lc).. Etant donné que l'amplificateur 3 absorbe dans la ré- gion de longueur d'onde de 16-6m, le rayonnement Sto- kes est affaibli de 1 à 2 ordres de grandeur. Cela est certes un inconvénient apparent, mais à l'aide du dia- gramme de la figure 2b, on peut voir qu'il reste un gain net suffisamment important de rayonnement Stokes 2b de 16-6m à la sortie de l'amplificateur 3, en tant que rayonnement germe pour l'étage de puissance 4 rac- cordé à la suite. Cet étage de puissance 4 consiste en une autre cellule Raman qui est également rem- plie de para-hydrogène. Dans cet étage de puissance 4, le rayonnement de pompage lc de 10-6pm, en raison du rayonnement Stokes 2b qui l'accompagne et qui est en- voyé conjointement avec lui, est très efficacement converti en rayonnement Stokes de 16-6m désiré. Comme on peut le voir d'après la figure 2a, la puissance du rayonnement de pompage diminue très fortement lorsque celui-ci chemine à travers l'étage de puissance 4, tandis que sur le même trajet, la puissance du rayon- nement Stokes de 16-6m s'accroit d'environ six ordres de grandeur, c'està-dire qu'à partir d'une valeur initiale de moins de 1 W, il passe à plus de 106 W. Si l'on désire réduire encore la puissance de crête d'impulsion du laser pompe 1, on peut égale- ment raccorder les uns derrière les autres, à la suite du laser pompe 1, plusieurs éléments 2, 3, composés de préamplificateurs 2 pour le rayonnement Stokes 2a et d'amplificateurs 3 pour le rayonnement de pompage lb. REVEND I CATIONS 1.- Procédé pour la conversion du rayonne- ment laser d'un laser pompe dans une autre région de longueur d'onde par diffusion Raman stimulée, dans le- quel on fait passer le rayonnement laser du laser pom- pe à travers un milieu Raman, ce par quoi un rayonne- ment Stokes est produit dans l'autre région de lon- gueur d'onde, caractérisé en ce que: a) le rayonnement laser (lb) du laser pompe (1), sor- tant du milieu Raman (2), et le rayonnement Stokes (2a) sont envoyés conjointement à un amplificateur (3) pour le rayonnement laser (lb) du laser pompe (1) et en ce que b) on fait passer le rayonnement laser (lc) ainsi am- 1S plifié du laser pompe (1), conjointement avec le rayonnement Stokes (2b) qui l'accompagne, à travers un autre milieu Raman (4) pour la conversion du rayonnement laser amplifié (lc) du laser pompe (1) en rayonnement Stokes. 2.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un laser pompe à CO2 émettant dans 'la région de longueur d'onde de 10-6m, auquel est raccordée une cellule Raman con- tenant du para-hydrogène en tant que milieu Raman (préamplificateur (2) pour rayonnement Stokes), dans laquelle est produit un rayonnement Stokes dans la ré- gion de longueur d'onde de 16'6m par conversion du rayonnement laser de 10-6m du laser pompe à C02, dis- positif caractérisé en ce que: a) à la cellule Raman (2) est raccordé un amplifica- teur de laser à C02 (amplificateur (3) pour le rayonnement de pompage (lb) ) et b) à l'amplificateur (3) de laser à C02 est raccordée une autre cellule Raman fonctionnant avec du para- hydrogène (étage de puissance (4) pour rayonnement Stokes (2b)). 3.- Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que, à la suite du laser pompe à C02 (1), sont raccordés les uns derrière les autres, plu- sieurs éléments composés de préamplificateurs (3) pour le rayonnement Stokes et d'amplificateurs (3) pour le rayonnement de pompage.