Brevet FR2702852A1 — publié le 19940923

t'invention concerne une cellule optique destinée à être traversée selon un axe optique par un faisceau laser de préférence focalisé au sein de cette cellule, et contenant un milieu fluide possédant des propriétés optiques non-linéaires. Elle concerne également un procédé de traitement d'un faisceau laser par un tel milieu fluide. Une telle cellule optique est par exemple utilisée pour, par effet RAMAN, modifier la longueur d'onde du faisceau laser incident ou, par effet BRILLOUIN, réfléchir le faisceau incident en exerçant une conjugaison spatiale sur le front d'onde, le milieu fluide étant choisi en fonction de ses propriétés en sorte que son interaction avec le faisceau incident engendre des faisceaux de sortie possédant les propriétés recherchées. Le principe de la modification de la fréquence d'un faisceau par effet RAMAN est bien connu, notamment d'après l'article "Raman Lasers (Review)" de A.Z. GRASYUK paru dans Sov. J. Quant. Electron, Vol. 4, NO 3. pp 269-282, September 1974, d'après l'article "Powerful Tunable Sources from the Near to the Far-Infrared" de A. DE MARTINO et al., paru dans Proceedings of the International Conference on Lasers'79, December 17-21, 1979, pp 791-797, ou encore d'après les brevets US-4.821.272 de H.W. BRUESSELBACH pour "Single Mirror Integral Raman Laser" et US-5.038.117 de SHOSHAN et al. pour "Raman Shifting Device". De manière classique on appelle rendement de l'effet RAMAN la proportion de la puissance lumineuse injectée qui, à la sortie, n'est plus à la longueur d'onde d'origine. Ce rendement devient significatif (clest-à-dire supérieur en pratique à 1 %) lorsque la puissance du faisceau laser initial injecté dans le milieu, rapportée à l'unité de volume de ce milieu, devient supérieure à une valeur appelée puissance de seuil. Une amélioration dans l'utilisation de l'effet RAMAN a consisté à focaliser le faisceau à llintérieur de la cellule, ce qui a eu pour conséquence de réduire la puissance de seuil. La cellule optique a effet RAMAN peut alors comporter deux lentilles disposées sur le trajet du faisceau (clest-à-dire sur l'axe optique de la cellule) de part et d'autre du milieu fluide à effet RAMAN : une des lentielles est placée en amont et sert à obtenir un point de focalisation dans le milieu à partir d'un faisceau le plus souvent parallèle ou divergent, tandis que l'autre lentille est placée en aval pour rendre au faisceau sa configuration normale (en pratique parallèle, clest-à-dire collimatée). On comprend aisément que, surtout lorsqu'il y a une telle focalisation, la mise à profit de l'effet RAMAN, mais cela se généralise à tout type de cellule optique du type précité mettant en oeuvre un effet non linéaire, peut être gênée par des phénomènes parasites ou secondaires qui peuvent perturber la bonne réalisation de l'effet non linéaire recherché. On peut citer par exemple lléchauffement du milieu fluide dans la zone d'interaction. Cet échauffement modifie l'indice optique du milieu fluide, ce qui peut dégrader la qualité optique des faisceaux mis en jeu. Un autre effet parasite est la formation d'une étincelle de claquage susceptible de détériorer le fluide ou, lorsque la cellule optique est trop étroite, d'obturer le passage du faisceau laser. Un remède à ce type de problèmes consiste, ainsi que l'enseigne le document US-4.973.157, à provoquer une circulation du milieu fluide dans la zone d'interaction, ce qui peut permettre, d'une part, d'évacuer la chaleur si le fluide est refroidi dans une autre partie de la cellule et, d'autre part, dans le cas d'une détérioration du fluide, de renouveler complètement le fluide de la zone d'interaction. Un tel renouvellement peut être particulièrement intéressant dans le cas des lasers impulsionnels fonctionnant en cadence, si la circulation est assez rapide pour renouveler entièrement le fluide utile entre deux tirs lasers successifs. Plus précisément, le brevet US-4.973.157 décrit une circulation de fluide qui s'effectue perpendiculairement à l'axe de propagation optique, engendrée par des agitateurs parallèles à cet axe optique. Mais des problèmes peuvent subsister encore. Ainsi llefficacité de la ventilation nécessite une vitesse suffisamment élevée de circulation du fluide. Or une vitesse trop élevée peut créer des turbulences dans la circulation du fluide, lesquelles turbulences peuvent, par échauffements ou compressions locales, engendrer des inhomogénéités de l'indice d'optique du fluide, ce qui peut détériorer la qualité optique des faisceaux lasers mis en jeu. L'invention a pour objet de pallier les inconvénients précités, et de permettre, dans une cellule optique à effet non-linéaire, une circulation suffisamment rapide du fluide dans sa zone d'interaction avec un faisceau incident pour assurer un bon renouvellement du fluide en cette zone, sans pour autant générer de perturbations excessives susceptibles de dégrader la qualité optique du rayonnement sortant de la cellule, mais en facilitant de préférence llimplanta- tion de la cellule optique dans un système laser global grâce à la liberté de choisir indépendamment le lieu d'implantation du dispositif générant cette circulation. L'invention enseigne à cet effet, un procédé de traitement d'un faisceau de lumière cohérente, selon lequel on fait passer un faisceau suivant une direction de propagation optique, dans une chambre contenant un milieu fluide ayant des propriétés optiques non linéaires tout en induisant, au moins dans la zone de cette chambre interceptée par le faisceau, une circulation de milieu fluide par rapport à la chambre, caractérisé en ce que cette circulation est, au moins dans la partie utile de ladite zone, sensiblement parallèle à cette direction de propagation optique. Selon des dispositions préférées de l'invention, éventuellement combinées - cette circulation est de même sens que la propagation du faisceau par rapport à la chambre, - cette circulation est de sens opposé à la propagation du faisceau par rapport à la chambre, - on focalise ce faisceau à l'intérieur de la chambre et on force la totalité du fluide contenu dans ladite zone interceptée par le faisceau à s'écouler, d'abord de façon convergente vers la zone de focalisation du faisceau, constituant ladite partie utile, puis de façon divergente, - on induit cette circulation en prélevant du milieu fluide à une extrémité longitudinale de la chambre et en le réinjectant à l'autre extrémité longitudinale de cette chambre. L' invention propose également une cellule optique pour le traitement optique d'un faisceau de lumière cohérente comportant une chambre comportant des fenêtres d'entrée et de sortie pour le faisceau destinées à être placées sur la direction de propagation optique du faisceau, contenant un milieu fluide ayant des propriétés optiques non linéaires et munie d'un élément de commande en écoulement, caractérisé en ce que la chambre comporte une paroi de confinement s'étendant autour et le long de la zone de la chambre destinée à être interceptée par le faisceau, l'élément de commande en écoulement communiquant avec les extrémités longitudinales de cette paroi de confinement pour prélever un milieu fluide à l'une des extrémités et la réinjecter à l'autre extrémité. Selon d' autres dispositions préférées de 1' inven- tion, éventuellement combinées - cette paroi de confinement est une tuyère convergente-divergente et cette cellule comporte un élément de focalisation adapté à focaliser le faisceau au col de cette tuyère, - cette paroi de confinement constituant la paroi extérieure de la chambre, l'élément de commande en ecoulement étant situé à distance de la chambre et relié aux extrémités de celle-ci par une canalisation, - l'élément de commande en écoulement est du type ventilateur, - l'élément de commande en écoulement est à hélice. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin unique sur lequel la figure unique est une vue schématique d'une cellule optique conforme à l'invention. Cette cellule optique, désignée dans son ensemble par la référence 1, comprend une chambre 10 traversee par un faisceau de lumière cohérente R se propageant suivant une direction de propagation optique D. Cette chambre comporte des fenêtres 11 et 12 transparentes au faisceau R, en pratique centrées sur la direction D, et on désigne par Z la zone de la chambre interceptée par le faisceau. Cette chambre est remplie d'un milieu fluide ayant des propriétés optiques non linéaires et choisi en sorte de produire sur le faisceau, au moins au-delà d'un seuil de puissance volumique donné, une altération optique prédéterminée souhaitée (par exemple une modification de fréquence par effet RAMAN). Selon l'invention, on induit dans la chambre 10, au moins dans la zone Z, une circulation du milieu fluide globalement parallèle à la direction de propagation optique D. Plus précisément l'invention enseigne que cette circulation soit sensiblement parallèle à D au moins dans la partie utile U de la zone Z, clest-à-dire lâ où le faisceau a les propriétés requises (notamment niveau suffisant de puissance) pour induire le phénomène non linéaire recherché. Cette circulation peut se faire, comme cela est représenté, dans le sens de propagation du faisceau. Pour permettre cette circulation parallèlement à D, la chambre 10 comporte une paroi de confinement 13 s'étendant le long et autour de la zone Z. Cette paroi de confinement 13 est ici constituée par la paroi extérieure de la chambre 10. Selon une variante de réalisation non représentée, cette paroi de confinement est noyée à l'intérieur même de la chambre en sorte de délimiter, avec la paroi extérieure de la chambre, un passage longitudinal pour une circulation en retour du milieu fluide, à l'extérieur transversalement de la zone Z interceptée par le faisceau R. Dans l'exemple représenté, le retour de fluide se fait à l'extérieur de la chambre, par une canalisation 14 connectée à la chambre en ses deux extrémités amont et aval et de trajet quelconque, choisi en fonction des contraintes d'implantation de la cellule 1 dans son environnement, et de la place disponible pour implanter un élément 15 de commande en écoulement. Ce dernier peut en effet être situé à une distance quelconque de la chambre, ce qui permet de le choisir pour ses capacités et non pour des questions d'encombrement. C'est ainsi que cet élément de commande en écoulement (ou de pompage) est de préférence du type ventilateur, plus précisément du type à hélice plutôt que du type à aubes, pour des raisons de plus grande efficacité. L'invention trouve tout particulièrement son intérêt dans le cas où le faisceau est focalisé à l'intérieur de la chambre 10 par une lentille d'entrée 16 tandis qu'est prévue une lentille de sortie pour conformer de façon appropriée le faisceau de sortie. La zone utile U est alors la zone de focalisation du faisceau, lâ où la puissance lumineuse par unité de volume est à son maximum. Bien entendu, dans ce type de configuration, les fenêtres 11 et 12 sont positionnées à distance du foyer (de préférence à égales distances) pour ne pas être détériorées par l'intensité lumineuse élevée. La paroi de confinement 13 est avantageusement, dans ce cas, conformée en tuyère convergente-divergente telle que la zone utile (clest-à-dire la zone de focalisation) soit au col, le volume minimal de la tuyère étant constitué par la zone Z interceptée par le faisceau convergent-divergent. On appréciera que le fait que la circulation soit parallèle à la propagation du faisceau a l'davantage de minimiser toute perturbation transversale du fluide. Cette circulation longitudinale pourrait paraître a priori un handicap par rapport à la circulation transmise proposée par le brevet US-4.979.157 précité puisque l'objec- tif est de renouveler le plus rapidement possible le fluide contenu dans la zone utile. Or, cette zone est plus longue que large. De ce fait, une ventilation longitudinale exige une circulation plus rapide du fluide que pour une ventilation transverse, pour obtenir une même cadence de renouvellement. Cet inconvénient est toutefois largement compensé dans le cas d'un faisceau focalisé par le fait que la tuyère permet précisément d'obtenir une circulation particulièrement rapide du fluide dans le foyer. Ce dernier est en effet situé au col de la tuyère et la circulation du fluide est effectuée avec un débit constant dans le temps. Le rétrécissement de la tuyère au niveau du foyer engendre alors à cet endroit une circulation plus rapide que dans les autres zones du fluide où passe le faisceau. Cette disposition présente également un autre avantage dans certains fluides : il permet de réduire les perturbations par turbulences. Contrairement à ce qui peut se passer en ventilation transverse, une augmentation de la vitesse de circulation produit en effet une réduction des perturbations optiques que subit le faisceau laser en traversant la tuyère. Ce phénomène a notamment été observé quand le fluide est du méthane contenu dans une chambre en laiton à la pression de 70 atmosphères et à la température de 300C environ. Ce fluide est en particulier utilisé pour créer l'effet RAMAN stimulé qui convertit la longueur d'onde de 1,06 llm en la longueur d'onde de 1,54 pm utilisée pour les applications à sécurité oculaire des lasers. Cette réduction des perturbations optiques semble due à une réduction des turbulences qui se produisent au col de la tuyère, dans le plan perpendiculaire à l'axe optique. Cette réduction des turbulences semble elle-même résulter de l'apparition d'un régime d'écoulement proche de l'écoulement laminaire dans le col de la tuyère quand la vitesse de circulation devient suffisamment élevée. La vitesse plus élevée de circulation du fluide permet donc d'obtenir simultanément un renouvellement plus rapide du fluide et une réduction des perturbations optiques. A titre d'exemple, la chamnre a une longueur de 170 mm, une section au col de 3 mm avec une puissance incidente de 30 MW crête environ sur une section d'entrée de 7 mm de diamètre clest-à-dire un angle de focalisation d'environ 50. Le reste de la conception est conventionnel et le choix des matériaux est à la portée de l'homme de métier. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'â titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un faisceau de lumière cohérente, selon lequel on fait passer ce faisceau (R) suivant une direction (D) de propagation optique, dans une chambre (10) contenant un milieu fluide ayant des propriétés optiques non linéaires tout en induisant, au moins dans la zone (Z) de cette chambre interceptée par le faisceau, une circulation de milieu fluide par rapport à la chambre, caractérisé en ce que cette circulation est, au moins dans une partie utile (U) de ladite zone, sensiblement parallèle à cette direction de propagation optique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette circulation est de même sens que la propagation du faisceau par rapport à la chambre. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette circulation est de sens opposé à la propagation du faisceau par rapport à la chambre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on focalise ce faisceau à l'intérieur de la chambre et on force la totalité du fluide contenu dans ladite zone interceptée par le faisceau à s'écouler, d'abord de façon convergente vers la zone de focalisation du faisceau, constituant ladite partie utile, puis de façon divergente. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce mulon induit cette circulation en prélevant du milieu fluide à une extrémité longitudinale de la chambre et en le réinjectant à l'autre extrémité longitudinale de cette chambre. 6. Cellule optique pour le traitement optique d'un faisceau de lumière cohérente comportant une chambre (10) comportant des fenêtres d'entrée (11) et de sortie (12) pour le faisceau destinées à être placées sur la direction (D) de propagation optique du faisceau, contenant un milieu fluide ayant des propriétés optiques non linéaires et munie d'un élément de commande en écoulement (15), caractérisé en ce que la chambre (10) comporte une paroi de confinement (13) s'étendant autour et le long de la zone (Z) de la chambre destinée à être interceptée par le faisceau, l'élément de commande en écoulement (15) communiquant avec les extrémités longitudinales de cette paroi de confinement pour prélever un milieu fluide à l'une des extrémités et la réinjecter à llautre extrémité. 7. Cellule optique selon la revendication 6, caractérisée en ce que cette paroi de confinement (13) est une tuyère convergente-divergente et cette celule comporte un élément de focalisation adapté à focaliser le faisceau au col de cette tuyère. 8. Cellule optique selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que cette paroi de confinement (13) constituant la paroi extérieure de la chambre (10), l'élément de commande en écoulement étant situé à distance de la chambre et relié aux extrémités de celle-ci par une canalisation (14). 9. Cellule optique selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'élément de commande en écoulement est du type ventilateur. 10. Cellule optique selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que l'élément de commande en écoulement est à hélice.