Brevet FR2679387A1 — publié le 19930122

La présente invention concerne un laser à effet Raman et elle concerne en particulier, mais non exclusive- ment, un laser à effet Raman destiné à donner plusieurs ordres rotationnels de Raman.5 Il n'existe que certains matériaux ou certaines combinaisons de matériaux qui conviennent à un laser, et en conséquence, on ne peut obtenir qu'un nombre limité de bandes de longueurs d'onde commodément par effet laser, et chacune des bandes est habituellement étroite Dans cer-10 taines applications, il est souhaitable d'utiliser d'autres fréquences, de pouvoir commuter entre les fréquences différentes, ou d'élargir le spectre de fréquences de la bande. En 1928, Sir Chandrasekhara Vankata Raman a observé un effet maintenant connu sous le nom de "diffusion de Raman" Cet effet se produit lorsque de l'énergie sous forme de photons, tombant sur une structure moléculaire, élève l'état énergétique d'une molécule à un état intermé- diaire ou virtuel à partir duquel elle exécute une transi- tion de Stokes avec émission d'un photon d'énergie, appelé "photon diffusé" Le photon diffusé peut avoir la même énergie que le photon incident ou au contraire, il peut avoir une énergie plus grande ou plus petite Pour que son énergie soit plus grande ou plus petite, il faut que la quantité d'énergie de la molécule ait changé La molécule peut obtenir cette énergie ou la libérer sous forme d'éner- gie de vibration ou de rotation Comme il existe des niveaux distincts d'énergie de vibration et de rotation, les photons diffusés ont aussi des valeurs distinctes d'énergie si bien que le faisceau incident de photons subit en fait un décalage en fréquence par "diffusion" Cet effet est obtenu le plus souvent à l'aide de gaz moléculaires tels que H 2, D 2 ' CH 4 ou C 02, qui sont couramment considérés comme étant actifs pour l'effet Raman. La lumière diffusée par effet Raman comprend des composantes diffusées vibrationnellement et des composantes diffusées rotationnellement, qui constituent des bandes latérales à la fréquence d'incidence du laser La molécule a une séparation plus grande entre les états d'énergie vibrationnelle qu'entre les états d'énergie rotationnelle, et ainsi les "décalages vibrationnels" de fréquence sont supérieurs aux "décalages rotationnels" de fréquence L'une des utilisations principales de l'effet Raman a été jusqu'à présent la chimie analytique au cours de laquelle le changement de fréquence a donné une indication sur la structure des niveaux d'énergie d'une molécule.10 La conversion la plus efficace de la lumière par mise en oeuvre de l'effet Raman nécessite qu'un faisceau laser parvenant sur un gaz moléculaire se trouve au-dessus de l'intensité de seuil pour la diffusion Raman stimulée (SRS) Lorsqu'on utilise des lasers de puissance modérée, la diffusion Raman peut être accrue par focalisation du faisceau de pompage dans le gaz à l'aide de lentilles ou de miroirs Cependant, l'utilisation d'une optique de focali- sation rend difficile la conservation de la stabilité de l'axe de visée car les déplacements de l'optique provoquent une déviation du faisceau. Dans un premier aspect, la présente invention concerne un laser à effet Raman qui comporte une première et une seconde chambre contenant chacune un gaz actif pour l'effet Raman, dans lequel la première chambre est destinée à recevoir un faisceau cohérent incident de pompage qui subit une diffusion Raman vers l'avant lors du passage dans la première chambre, et dans lequel la seconde chambre est destinée à recevoir un faisceau de sortie de la première chambre qui subit une diffusion Raman supplémentaire vers l'avant lors du passage dans la seconde chambre, le laser à effet Raman comprenant en outre une optique directrice grâce à laquelle le faisceau de pompage, pénétrant dans la première chambre, et le faisceau décalé par effet Raman, sortant de la seconde chambre, sont déviés. L'expression "diffusion Raman vers l'avant" indique que le faisceau passe dans la chambre une seule fois à chaque passage contrairement à une diffusion Raman répétitive Le faisceau laser à effet Raman est créé par diffusion Raman stimulée (SRS) dans la même direction que le faisceau laser de pompage Comme la diffusion est réalisée vers l'avant, le gain de Raman est insensible à la 5 largeur de raie du laser de pompage, si bien que le dispo- sitif Raman convient à une large gamme de lasers. L'utilisation d'un laser à effet Raman, selon le premier aspect de l'invention, assure la déviation du faisceau incident et du faisceau de sortie par le même10 élément optique qui est l'optique directrice La disposi- tion peut être avantageusement telle que le laser à effet Raman est insensible aux petites déviations de la direction du faisceau d'incidence et aussi de manière que l'orienta- tion exacte du laser n'ait pas d'influence sur les fais- ceaux incident et de sortie qui restent parallèles De préférence, l'optique directrice a deux faces réfléchis- santes perpendiculaires l'une à l'autre, la première réfléchissant le faisceau incident de pompage vers la première chambre et la seconde renvoyant le faisceau de sortie de la seconde chambre et le réfléchissant dans la direction du faisceau incident. L'optique directrice est avantageusement disposée afin que, pendant l'utilisation, elle oscille si bien que les faisceaux passant dans les chambres se déplacent dans les chambres, et le faisceau de sortie est dévié par l'optique directrice de manière qu'il reste fixe Ceci donne un dispositif d'oscillation du faisceau dans les chambres afin que des points chauds ne puissent pas se former dans le gaz contenu dans les chambres, dans les zones d'intensité lumineuse élevée Comme la chaleur modifie la masse volumique et l'indice de réfraction du gaz, celui-ci défocalise la lumière passant dans le laser à effet Raman lorsqu'il existe des points chauds En consé- quence, grâce à l'utilisation d'une telle optique direc- trice oscillante, il n'est pas nécessaire d'utiliser un dispositif destiné à faire circuler le gaz dans la chambre, ce dispositif étant utilisé dans les réalisations antérieures, et les problèmes posés par le montage d'un tel dispositif destiné à faire circuler le gaz dans une chambre étanche sont supprimés. Dans certaines applications, il est avantageux que l'optique directrice puisse être déplacée vers le faisceau d'incidence et à distance de celuici afin qu'un faisceau de sortie du laser à effet Raman puisse être commuté de la fréquence du faisceau de pompage à la fréquence ayant subi le décalage de Raman Ceci donne un moyen de commutation commode de la fréquence de sortie entre celle du faisceau de pompage et celle qui a subi le décalage Raman. Dans un second aspect, l'invention concerne un laser à effet Raman qui comporte une première et une seconde chambre contenant chacune un gaz actif pour l'effet Raman, la première chambre étant destinée à recevoir un faisceau cohérent de pompage qui subi une diffusion Raman vers l'avant lors du passage dans la première chambre, et la seconde chambre étant disposée afin qu'elle reçoive un faisceau de sortie de la première chambre qui subit une diffusion Raman vers l'avant supplémentaire lors du passage dans la seconde chambre, le laser à effet Raman comportant en outre un filtre placé entre la première et la seconde chambre et qui permet la transmission du rayonnement Raman diffusé rotationnellement et du faisceau de pompage, et il ne transmet pas le rayonnement Raman diffusé vibrationnel- lement La mise en oeuvre de cet aspect de l'invention favorise la composante de diffusion rotationnelle dans la seconde chambre, car la lumière diffusée rotationnellement, provenant de la première chambre, est du type convenant à la stimulation de la diffusion rotationnelle dans la seconde chambre L'interdiction de la pénétration de la composante diffusée vibrationnellement dans la seconde chambre réduit ou élimine la création "par germination" de la diffusion vibrationnelle dans la seconde chambre et encourage donc de nombreux ordres rotationnels. Dans un troisième aspect de l'invention, un laser à effet Raman comprend une première et une seconde chambre contenant chacune un gaz actif pour l'effet Raman, la première chambre étant destinée à recevoir un faisceau cohérent de pompage qui subit une diffusion Raman vers l'avant lors du passage dans la première chambre, et la seconde chambre étant destinée à recevoir le signal de sortie de la première chambre, qui subit une diffusion Raman supplémentaire vers l'avant lors du passage dans la seconde chambre, le laser à effet Raman comprenant en outre un dispositif destiné à polariser circulairement le fais- ceau de pompage tombant sur la première chambre et à modifier la polarisation du faisceau sortant de la première chambre afin qu'il pénètre dans la seconde chambre sous forme polarisée elliptiquement Grâce à l'utilisation de l'invention dans ce troisième aspect, la diffusion rota- tionnelle est favorisée car la lumière polarisée circulai- rement favorise la diffusion rotationnelle par rapport à la diffusion vibrationnelle Le signal rotationnel de sortie de la première chambre est donc accentué La lumière diffusée rotationnellement par la première chambre est d'une type qui convient à la stimulation de la diffusion Raman rotationnelle dans la seconde chambre, et la conver- sion du faisceau en un faisceau polarisé elliptiquement donne une composante polarisée linéairement qui participe à un processus de mélange de quatre ondes (FWM), décrit dans la suite en référence aux dessins annexés Ce procédé ne peut être mis en oeuvre qu'en présence d'une composante polarisée linéairement, et il donne de nombreuses ordres Raman de Stokes et anti-Stokes, donnant un plus large spectre de fréquences. Le changement de polarisation entre les deux chambres est obtenu de préférence par une double réflexion effectuée dans un ensemble ayant un miroir triple, cet ensemble étant aussi utilisé pour le renvoi du faisceau dans la seconde chambre, parallèlement au premier faisceau. Il est avantageux que les caractéristiques de deux des aspects de l'invention au moins, comme décrit précédem- ment, soient combinées dans un seul laser à effet Raman. Il est avantageux que, dans un aspect quelconque de l'invention ou dans une combinaison quelconque de ses aspects, la première et la seconde chambre soient paral- lèles l'une à l'autre et que le laser comporte en outre un réflecteur destiné à recevoir le rayonnement sortant de la première chambre et à le renvoyer dans la seconde chambre, parallèlement au faisceau dans la première chambre et ce dispositif réflecteur comprend de préférence un miroir triple.10 Dans un aspect quelconque de l'invention, il peut être avantageux que les deux chambres soient distinctes l'une de l'autre et permettent l'utilisation de gaz diffé- rents ou de pressions différentes du gaz dans les deux chambres Dans une variante, il peut être avantageux que les deux chambres n'en forment qu'une, le faisceau sortant de la chambre étant renvoyé dans la chambre en sens opposé. Cette disposition élimine le réglage séparé nécessaire des deux chambres. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels des références identiques désignent des éléments analogues et sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement la disposi- tion d'un premier laser à effet Raman selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement la disposi- tion d'un second laser à effet Raman selon l'invention; et la figure 3 représente schématiquement la disposi- tion d'un troisième laser à effet Raman selon l'invention. On se réfère à la figure 1; un faisceau polarisé circulairement ou presque circulairement, provenant d'une source laser 1, tombe sur une optique 2 de focalisation du rayonnement dans une première chambre 3 du laser à effet Raman qui contient un volume de gaz 4 actif pour l'effet Raman La lumière quittant la première chambre 3 traverse un filtre 5 et une seconde lentille 6, les lentilles 2 et 6 étant afocales si bien que la vergence optique résultante est nulle La lumière passe alors dans une lame quart d'onde 7, une première lentille 8, une seconde chambre 9 remplie d'un second volume de gaz 10, avant de sortir par la seconde lentille 11 Les lentilles 8 et 11 qui sont5 associées à la seconde chambre 9 sont aussi afocales (Il est aussi possible de combiner les lentilles 6 et 8 afin qu'elles forment une seule lentille de plus grande puissance). Un faisceau laser polarisé circulairement en pra- tique, provenant de la source 1, est focalisé par la lentille 2 dans le gaz actif 4 contenu dans la chambre 3 de manière que l'intensité du rayonnement suffise pour qu'elle dépasse la valeur nécessaire de seuil qui provoque la diffusion Raman rotationnelle stimulée Comme le faisceau incident est pratiquement polarisé circulairement et comme la pression du gaz 4 est maintenue à une valeur relative- ment faible, la diffusion Raman rotationnelle est considérable. La lumière quittant la chambre 3 traverse le filtre 5 qui ne permet le passage que des fréquences qui ont été créées par diffusion Raman rotationnelle La lentille 6 focalise à nouveau le rayonnement avant qu'il ne passe à travers la lame quart d'onde 7 Ceci provoque la mise du faisceau à un état polarisé plus elliptiquement et le faisceau est alors focalisé par la lentille 8 dans le gaz contenu dans la chambre 9 Dans la chambre 9, la composante polarisée linéairement du faisceau polarisé elliptiquement participe à un processus LWM dans lequel de multiples transitions rotationnelles de Stokes et anti-Stokes créent de multiples ordres Raman rotationnels Ce processus est possible lorsque le faisceau possède à la fois les compo- santes à la longueur d'onde d'incidence et aux longueurs d'onde créées par diffusion Raman rotationnelle Comme le filtre 5 a supprimé les fréquences correspondant à la diffusion Raman vibrationnelle, le gain dû à la diffusion Raman rotationnelle dans la chambre 9 dépasse le gain dû à la diffusion vibrationnelle, et la sortie est essentielle- ment constituée de multiples ordres Raman rotationnels. La figure 2 représente une variante de l'appareil représenté sur la figure 1 Dans ce mode de réalisation, la lumière de la source 1 est déviée par une surface plane 12 d'une optique directrice 13 vers la première chambre 3. Dans cette disposition, la chambre 3 est fermée de manière étanche par les lentilles 2 et 6 mais, par ailleurs, elle a la même fonction que dans la disposition de la figure 1. Dans la disposition de la figure 2, le filtrage est réalisé par un revêtement appliqué sur les lentilles 6 et 8 et un miroir triple 14, et le faisceau lumineux incident, qui est pratiquement polarisé circulairement, est transformé en lumière polarisée elliptiquement au cours des deux réflexions internes totales qu'il subit lors du passage dans le miroir triple 14 La lumière passe alors dans la chambre 9 qui a la même fonction que dans la disposition de la figure 1 Le faisceau est alors dévié à distance d'une seconde surface plane 15 de l'optique directrice 13 en direction colinéaire au faisceau incident original Lors de l'utilisation de cette disposition, l'alignement des chambres 3 et 9 et du miroir triple 14 n'est pas primordial car, même si ces éléments présentent un léger écart par rapport à la position représentée, le faisceau de sortie est encore colinéaire au faisceau d'entrée, pourvu que les chambres 3 et 9 soient fixées rigidement l'une par rapport à l'autre En outre, si l'on veut commuter le faisceau de sortie 16 entre une fréquence modifiée et la fréquence du faisceau incident, ce résultat est obtenu par déplacement de l'optique directrice dans le sens de la flèche 17 par tout type classique convenable d'organe de manoeuvre (non représenté) L'optique directrice 13, lorsqu'elle est dans la position représentée, oscille sous l'action d'un organe supplémentaire de manoeuvre 24, si bien que le point focal du faisceau formé par les lentilles 2 et 8 dans les chambres 3 et 9 se déplace entre les tirs du laser si bien que la création de points chauds à l'intérieur du gaz est évitée. La figure 3 représente une disposition particuliè- rement avantageuse dans laquelle les fonctions de la première et de la seconde chambre des figures 1 et 2 sont remplies par la chambre unique 20 Deux éléments 21 et 22 de lentille seulement sont nécessaires, avec un élément 23 de filtre L'optique directrice 13 peut encore être dépla- cée dans le sens de la flèche 17 pour la fonction de commutation et, pendant l'utilisation, elle oscille sous l'action d'un organe de manoeuvre 24 de la même manière que décrit précédemment en référence à la figure 2. Bien qu'on ait décrit les dispositions des figures 2 et 3 en référence à la production de plusieurs ordres Raman, il faut noter que la suppression des composantes de filtrage permet la mise en oeuvre d'une fonction classique de laser à effet Raman avec les avantages d'une disposition dans laquelle l'alignement de la chambre ou des chambres n'est pas primordial, le faisceau peut être commuté, et la défocalisation du faisceau peut être évitée par oscillation du faisceau d'entrée afin que la création de points chauds dans la chambre ou les chambres soit évitée. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux lasers à effet Raman qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Laser à effet Raman qui comporte une première et une seconde chambre contenant chacune un gaz actif pour l'effet Raman, caractérisé en ce que la première chambre ( 4) est destinée à recevoir un faisceau cohérent incident de pompage qui subit une diffusion Raman vers l'avant lors du passage dans la première chambre, et en ce que la seconde chambre ( 10) est destinée à recevoir un faisceau de sortie de la première chambre qui subit une diffusion Raman supplémentaire vers l'avant lors du passage dans la seconde chambre, le laser à effet Raman comprenant en outre une optique directrice ( 13) grâce à laquelle le faisceau de pompage, pénétrant dans la première chambre, et le faisceau décalé par effet Raman, sortant de la seconde chambre, sont déviés. 2 Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique directrice ( 13) a deux faces réfléchissantes ( 12, 15) perpendiculaires l'une à l'autre, la première face ( 15) renvoyant le faisceau incident de pompage vers la première chambre ( 4), et la seconde face ( 12) recevant le faisceau de sortie de la seconde chambre ( 10) et le ren- voyant dans la même direction que le faisceau incident. 3 Laser selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'optique directrice ( 13) est desti- née à osciller pendant l'utilisation afin que les faisceaux passant dans les chambres ( 4, 10) se déplacent dans les chambres, et le faisceau de sortie dévié par l'optique directrice ( 13) reste fixe. 4 Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un dispositif ( 24) destiné à déplacer l'optique directrice vers le faisceau incident et à distance de celui-ci afin que le faisceau de sortie du laser puisse être commuté de la fréquence du faisceau de pompage à la fréquence ayant subi le décalage Raman. 5 Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre ( 5) placé entre la première et la seconde chambre ( 4, 10) et il qui transmet le rayonnement Raman ayant subi un décalage rotationnel et le faisceau de pompage et qui ne transmet pas le rayonnement Raman diffusé vibrationnellement. 6 Laser à effet Raman, caractérisé en ce qu'il comporte une première ( 4) et une seconde chambre ( 10) contenant chacune un gaz actif pour l'effet Raman, la première chambre ( 4) étant destinée à recevoir un faisceau cohérent de pompage qui subi une diffusion Raman vers l'avant lors du passage dans la première chambre, et la seconde chambre ( 10) étant disposée afin qu'elle reçoive un faisceau de sortie de la première chambre qui subit une diffusion Raman vers l'avant supplémentaire lors du passage dans la seconde chambre, le laser à effet Raman comportant en outre un filtre ( 5) placé entre la première et la seconde chambre et qui permet la transmission du rayonne- ment Raman diffusé rotationnellement et du faisceau de pompage, et il ne transmet pas le rayonnement Raman diffusé vibrationnellement. 7 Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif ( 7) destiné à polariser circulairement le faisceau de pompage parvenant sur la première chambre ( 4) et à modifier la polarisation du faisceau sortant de la première chambre afin qu'il pénètre dans la seconde chambre sous forme polarisée elliptiquement. 8 Laser à effet Raman, caractérisé en ce qu'il comprend une première ( 4) et une seconde chambre ( 10) contenant chacune un gaz actif pour l'effet Raman, la première chambre ( 4) étant destinée à recevoir un faisceau cohérent de pompage qui subit une diffusion Raman vers l'avant lors du passage dans la première chambre, et la seconde chambre ( 10) étant destinée à recevoir le signal de sortie de la première chambre, qui subit une diffusion Raman supplémentaire vers l'avant lors du passage dans la seconde chambre, le laser à effet Raman comprenant en outre un dispositif ( 7) destiné à polariser circulairement le faisceau de pompage tombant sur la première chambre et à modifier la polarisation du faisceau sortant de la première chambre afin qu'il pénètre dans la seconde chambre sous forme polarisée elliptiquement. 9 Laser selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la polarisation est modifiée entre les chambres ( 4, 10) par un réflecteur à miroir triple ( 14). Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première et la seconde chambre ( 4, 10) sont parallèles l'une à l'autre, et le laser comporte en outre un réflecteur ( 14) destiné à recevoir le rayonnement sortant de la première chambre et à le renvoyer dans la seconde chambre parallèlement au faisceau dans la première chambre. 11 Laser selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réflecteur comprend un miroir triple ( 14). 12 Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux chambres ( 4,10) sont distinctes l'une de l'autre. 13 Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à il, caractérisé en ce que les deux chambres ( 20) sont une seule et même chambre, et le faisceau quittant la chambre est renvoyé dans la chambre en sens opposé.