Brevet FR2709382A1 — publié le 19950303

La présente invention concerne la modification en longueur d'onde du rayonnement cohérent émis par un laser, en utilisant l'effet RAMAN stimule. Ainsi qu'on le sait, lorsque l'on fait se propager un faisceau laser à travers une cellule, dite cellule RAMAN, contenant un milieu, dit milieu RAMAN, présentant des propriétés optiques non-linéaires susceptibles de donner lieu à l'effet RAMAN, la puissance du faisceau récupéré en sortie est répartie sur une ou plusieurs raies spectrales en plus de la raie laser initiale. Le rendement de l'effet RAMAN est défini comme la fraction de la puissance du faisceau qui, à la sortie, n'est plus à la longueur d'onde laser initiale. Ce rendement devient significatif ( > 1 %) quand la puissance du faisceau laser initial devient supérieure à une valeur appelée la puissance de seuil. Des compléments sur l'effet RAMAN stimulé peuvent être trouvés dans les articles suivants * RAMAN LASERS (Review) : A.Z. GRASYUK - Soviet J. Quant. Electron., Vol 4, nO 3, Sept 1974, pp 269-282 * Powerful tunable sources from the near to the far infrared : A. de MARTINO, R. FREY, F. PRADERE, J. DUCUING, Proceedings of the International Conference on Lasers'79, Dec 17621, 1979 - pp 791-797 * Experimental study of the spatial coherence of SRS radiation under different conditions of its excitation in compressed hydrogen : V.G. BESPALOV, A.M. DUKHOVNYI, D.I. STASELKO Opt. Spectrosc. (USSR) 58 (5), May 1985, pp 634 637. En pratique (voir par exemple le document US4.821.272) on focalise le faisceau au cours de sa traversée du milieu RAMAN, ce qui a pour conséquence de réduire la puissance de seuil. Pour ce faire, on utilise deux lentilles disposées sur le trajet du faisceau, de part et d'autre du milieu RAMAN. Une des lentilles est placée en amont de la cellule RAMAN et sert à obtenir un point de focalisation dans le milieu RAMAN. L'autre est disposée en aval de la cellule RAMAN et sert à rendre au faisceau une propagation parallèle (collimatée). Une amélioration connue consiste à créer plusieurs focalisations successives du faisceau. Cela permet de réduire encore la puissance de seuil par rapport au cas à une seule focalisation. On peut à cet effet disposer le long du trajet optique une succession de cellules RAMAN et de lentilles associées (voir par exemple le document US-4.224.577). Une simplification connue d'une telle configuration consiste à n'utiliser qu une seule cellule RAMAN ayant une grande longueur et contenant tous les foyers successifs. Les lentilles situées entre deux foyers successifs sont donc disposées à l'intérieur de cette cellule. De plus, entre deux foyers successifs, les fonctions de recollimation du faisceau divergent puis de refocalisation peuvent être assurées par une même lentille. Une configuration plus compacte, parfois identifiée sous le nom de cellule de HERRIOT-WHITE reprend le principe de multiples focalisations successives, mais en renvoyant le faisceau sur lui-même entre deux focalisations successives. Le parcours du faisceau prend alors la forme d'une succession d'aller et retour au sein d'une même cellule. La longueur d'encombrement de ce parcours, qui constitue également la limite inférieure en longueur du dispositif, n'est ainsi limitée qu'à une fois seulement la distance L qui sépare deux lentilles dans la configuration à une seule focalisation. Cette configuration compacte a donc l'avantage principal de permettre plusieurs focalisations dans l'encombrement nécessaire à une seule focalisation. Une configuration à deux passages dans le milieu RAMAN est décrite dans le document US-5.058.117. Toutefois, on prévoit en pratique des passages multiples en plus grand nombre, ainsi que cela ressort notamment des documents suivants * US-4.297.600 (W.R. TRUTNA) pour "Multipath Raman cell for wavelength conversion, * Controllable pulse compression in a multiple pass cell Raman laser : B. PERRY, R.O. BRICKMAN, A. STEIN, E.B. TREACY, P. RABINOWITZ, Optics letters, Vol 5, nO 7, July 1980, pp 288-290 * Stimulated Raman scattering in the visible with a multipass cell : D.C. Mc PHERSON, R.C. SWANSON, J.L. CARLSEN, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol 25, nO 7, July 1989, pp 1741-1746. Un tel dispositif compact est généralement réalisé en guidant le faisceau au moyen de deux miroirs sphériques concaves qui possèdent des rayons de courbure appropriés, et qui permettent d'effectuer deux fonctions à la fois - réaliser les réflexions qui viennent d'être mentionnées, - assurer la refocalisation du faisceau grâce à leur concavité. Ce dispositif permet l'emploi d'une seule cellule RAMAN, qui est située entre les deux miroirs, et qui contient tous les foyers. Cette configuration compacte a l'avantage de permettre, en ajustant les positions relatives des deux miroirs et du faisceau d'entrée, que les réflexions du faisceau sur les miroirs s'effectuent ainsi avec des angles appropriés, conduisant à des décalages réguliers et contrôlés entre les positions des points successifs de réflexion sur un même miroir. Cette propriété de décalage permet d'introduire le faisceau dans le dispositif optique, ou de l'en extraire, au moyen d'un aménagement disposé en pratique à distance de l'axe optique (passage à côté du miroir, miroir ou prisme de prélèvement, trou dans le miroir), sans que cela gêne les autres passages du faisceau. L'invention a pour objet un dispositif de changement de raie laser par effet RAMAN stimulé qui possède des dimensions plus réduites que celles des dispositifs précédents, tout en en conservant les avantages et performances. La longueur d'un dispositif conforme à la configuration compacte précitée est en effet supérieure ou égale au double de la somme des distances focales des deux miroirs. Il est donc souhaitable d'utiliser des distances focales les plus réduites possibles pour réduire l'encombrement dû à la longueur du dispositif. Pour ce faire, on peut penser à réduire les distances focales des miroirs, en maintenant identiques les autres paramètres du dispositif, et en particulier le diamètre du faisceau au niveau des miroirs. Mais cela provoque une réduction du diamètre du faisceau dans le foyer, de manière proportionnelle à la réduction des distances focales. Il faut préciser ici qu'en pratique un faisceau focalisé garde toujours une section non nulle, même au foyer ; cela est dû à la divergence non nulle du faisceau. Or, si ce diamètre au foyer devient inférieur à un diamètre critique, il se produit un effet d'ionisation et de claquage du milieu RAMAN. Ce claquage doit être évité car il interrompt au moins partiellement le passage du faisceau et est susceptible de détériorer le milieu RAMAN. Le diamètre au foyer doit donc demeurer supérieur au diamètre critique. La valeur de ce diamètre critique est déterminée par la puissance du faisceau et par la nature du milieu RAMAN. Par conséquent, pour un diamètre donné Do du faisceau au niveau des miroirs, la distance focale fo ne peut être réduite en deçà d'une distance critique, Lo correspondant au diamètre critique au foyer. Le diamètre au foyer peut cependant rester supérieur au diamètre critique tout en réduisant la distance focale en deçà de la distance critique, si le diamètre du faisceau au niveau des miroirs est simultanément réduit. Cette méthode pour maintenir le diamètre au foyer au dessus du diamètre critique utilise la propriété physique dite de conservation de l'étendue géométrique. En conséquence le diamètre au niveau des miroirs D1 doit être vis à vis de Do dans un rapport D1/Do inférieur au rapport fl/Lo entre la distance critique Lo et la distance focale fl effectivement employée. En d'autres termes et de manière approchée, compte tenu de ce que le rapport Dl/fl ou Do/Lo est assimilable à la tangente de l'angle de convergence du faisceau considéré, la condition précitée revient à dire que l'angle de convergence doit rester inférieur à une valeur critique. Une méthode pour réduire l'encombrement en longueur du dispositif consiste donc à réduire simultanément les distances focales des miroirs et le diamètre du faisceau au niveau de ces miroirs (la réduction du diamètre du faisceau au niveau des miroirs permet par ailleurs de réduire l'encombrement transverse du dispositif). Mais la réduction, à flux lumineux constant, du diamètre du faisceau est limitée par la tenue au flux du traitement réfléchissant des miroirs. Or, l'obtention d'une bonne tenue au flux est en particulier rendue difficile par le fait que ces miroirs doivent être réfléchissants, à la fois à la longueur d'onde initiale du laser et aux nouvelles longueurs d'ondes créées par l'effet RAMAN. L'invention propose, pour satisfaire les objectifs précités, un dispositif de conversion de rayonnement laser par effet RAMAN stimulé, de la longueur d'onde d'un rayonnement laser, comportant un milieu RAMAN, deux surfaces réflectrices disposées de part et d'autre de ce milieu RAMAN et deux lentilles convergentes admettant un même plan focal et disposées chacune entre le milieu RAMAN et l'une des surfaces réflectrices, le rayonnement étant destiné à pénétrer dans et à sortir de ce dispositif perpendiculairement au plan focal, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces réflectrices est formée par deux faces arrière perpendiculaires d'un prisme à angle droit comportant en outre une face avant orientée vers le milieu RAMAN, ces faces arrières convergeant en une arête arrière ayant une inclinaison E non nulle vis à vis du plan focal, inférieure à Emax = Arctg (h/L) avec h : hauteur des prismes L : distance entre les arêtes des prismes. La présente invention propose ainsi de disposer de part et d'autre du milieu RAMAN un prisme et une lentille qui accomplissent les fonctions de réflexion et de focalisation voulues tout en possédant une tenue au flux plus élevée que celle des miroirs précédents. Le prisme est orienté en sorte de minimiser les risques de claquage par séparation des foyers dans un plan parallèle à l'arête du prisme. En fait l'utilisation d'un prisme pour renvoyer un faisceau sortant d'un milieu RAMAN en retour vers ce milieu RAMAN a déjà été proposé par le document US-5.058.117 qui envisage des réflecteurs en toit. Toutefois ce document recommande de choisir un rétroréflecteur en coin de cube pour obtenir un exact parallélisme entre rayons incident et réfléchi. L'enseignement de ce document est donc tout à fait contraire au principe de l'invention qui consiste à introduire volontairement un défaut de parallélisme entre rayons incident et réfléchi. Selon d'autres caractéristiques éventuellement combinées - cette inclinaison est faible en valeur absolue devant E max' - les deux surfaces réflectrices sont formées par les paires de faces arrière de deux prismes à angle droit dont les faces avant sont orientées vers le milieu RAMAN, - les arêtes arrière des deux prismes ne sont pas parallèles, - les arêtes arrière des deux prismes sont parallèles à un même plan perpendiculaire au plan focal, - les arêtes arrière des deux prismes sont contenues dans un même plan perpendiculaire au plan focal, - les lentilles ont un foyer commun et ce même plan perpendiculaire au plan focal est à une distance non nulle d'une ligne perpendiculaire en ce foyer au plan focal, - la face avant du prisme est formée en sorte de constituer ladite lentille, - les lentilles situées de part et d'autre du milieu RAMAN sont identiques. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une cdemi-vue en plan d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 en est une vue de côté en perspective, - la figure 3 est une vue de dessus d'un deuxième dispositif conforme à l'invention, - la figure 4 est une demi-vue en plan d'un troisième dispositif conforme à l'invention, et - la figure 5 en est une vue de côté. Les figures 1 et 2 représentent la partie gauche d'un dispositif de conversion de rayonnement laser par effet RAMAN stimulé, désigné dans son ensemble par la référence 10. Ce dispositif 10 comporte un milieu RAMAN 11 contenu dans une enceinte schématisée en 12. De part et d'autre de ce milieu RAMAN sont disposées une surface réfléctrice 13 et, entre cette dernière et le milieu RAMAN, une lentille convergente 14. Les lentilles disposées de part et d'autre du milieu RAMAN admettent un même plan focal noté Po. Seule la partie du dispositif 10 située à gauche du plan focal est représentée aux figures 1 et 2. De manière préférée les deux lentilles sont identiques (voir figure 3). De même les surfaces réflectrices sont de préférence (voir figure 3) de même structure, voire identiques, en ayant toutefois (voir ci-dessous) des orientations différentes vis à vis du plan focal. En pratique, le rayonnement (voir figure 3) pénètre dans le dispositif 10, puis en sort, sensiblement perpendiculairement au plan focal Po. La surface réflectrice 1 3 représentée aux figures 1 et 2 est formée par les faces arrière perpendiculaires 15A et 15B d'un prisme 15 dont la face avant 15C est orientée vers le milieu RAMAN, c'est-à-dire vers le plan focal en lui étant de préférence approximativement parallèle. Cette surface réflectrice est donc conformée en toit, avec une arête arrière, en laquelle convergent les faces 15A et 15B, qui est repérée 16. Cette arête 16 a une inclinaison E non nulle vis à vis du plan focal, cette inclinaison étant au plus égale à Emax = Arctg (h/L), avec h est la hauteur des prismes, . L est la distance entre les arêtes des prismes. De préférence E est faible devant Emax, afin de ne pas dévier excessivement le faisceau lors des réflexions multiples. Le faisceau issu d'un foyer est d'abord rendu collimaté par une première traversée de la lentille. Il pénètre ensuite dans le prisme où il subit des réflexions internes sur les faces arrières. Ces réflexions renvoient le faisceau qui sort du prisme. Le faisceau retraverse alors une seconde fois la lentille qui le refocalise. Il est à noter que la distance focale des miroirs est égale à la moitié de celle des lentilles pour avoir un foyer identique, à partir d'une même dimension transversale de faisceau. On peut définir un plan P1 dit vertical comme étant le plan perpendiculaire au plan focal, contenant l'arête du prisme et parallèle à l'axe du faisceau incident. Le plan dit horizontal P2 est un plan perpendiculaire au plan vertical et au plan focal. Les faisceaux incident et renvoyé considérés entre le prisme et la lentille, seraient parallèles dans le plan dit vertical (figure 2) si, et seulement si, l'axe du prisme était ajusté perpendiculairement au faisceau incident. Ce parallélisme aurait pour conséquence exclusive la superposition des deux foyers, avant et après la traversée du système. Une telle superposition tendrait à favoriser l'effet de claquage. L'écart angulaire E à la perpendicularité du faisceau incident vis à vis de l'arête du prisme permet donc d'éviter la superposition des foyers et de réduire la probabilité de claquage. La perpendicularité des deux faces arrières du prisme assure le parallélisme dans le plan dit horizontal (figure 1), entre les faisceaux incidents et renvoyés considérés entre le prisme et la lentille. Les foyers sont donc superposés en projection sur le plan dit horizontal. Le renvoi par le prisme provoque par ailleurs un décalage dans le plan horizontal entre ces deux faisceaux qui sont alors naturellement situés de manière symétrique par rapport au plan vertical. Ces deux propriétés, superposition des foyers en projection sur le plan horizontal et décalage vertical A entre les faisceaux incidents et renvoyés, sont mises à profit pour obtenir un décalage dépend entre les positions de différents faisceaux incidents sur un même prisme. L'obtention de ce décalage dépend des orientations et des positions des arêtes des deux prismes (si les deux surfaces réfléchi santes sont des prismes) et du faisceau entrant dans le dispositif optique. Un exemple de disposition possible est présenté à la figure 3, configuration que l'on peut qualifier de "papillon". Le décalage entre les positions de différents faisceaux incidents sur un même prisme permet d'extraire ou d'introduire le faisceau dans le dispositif, en utilisant des techniques analogues à celles connues dans les dispositifs connus à focalisation multiples. Dans cette configuration en papillon, les prismes sont de préférence de mêmes dimensions et les deux arêtes de prismes sont contenues dans un même plan. Les inclinaison E et E' sont par exemple égales mais de sens opposés (de préférence ces inclinaisons ne sont pas égales si les arêtes sont coplanaires) ce qui conduit à des trajets successifs distincts. Plus généralement cette différence de trajets est obtenue lorsque les arêtes ne sont pas parallèles (il est donc envisageable que ces arêtes aient des inclinaisons identiques vis à vis du plan focal lorsque les arêtes ne sont pas coplanaires. Le nombre de passages possibles avant que le faisceau ne sorte du dispositif, est ici réglé en ajustant la distance D qui, en projection dans le plan horizontal, sépare la trace du plan vertical contenant les foyers des lentiles et celle du plan P1 (un même plan horizontal pouvant être défini pour les deux prismes). Dans le cas considéré à la figure 3, la réflexion du faisceau est obtenue au moyen de la réflexion interne sur les faces arrière des prismes. il n'est donc pas nécessaire que ces faces soient traitées au moyen de couches réfléchissantes. La tenue au flux des prismes est donc plus élevée que celle des miroirs mis en oeuvre dans les dispositifs connus à focalisations multiples. La dimension du faisceau au niveau des prismes peut donc être rendue plus petite que celle du faisceau au niveau des miroirs dans le cas des dispositifs connus précités. Compte tenu des relations décrites entre la tenue au flux du système optique et la distance focale minimale, via la dimension minimale du faisceau sur le miroir (c'est-à dire sur le prisme), le dispositif des figures 1 et 2, voire 3, a donc un encombrement réduit, aussi bien en longueur qu'en section transversale. Une amélioration peut être apportée en disposant un traitement anti-reflet sur les faces des lentilles et sur la face avant du prisme. Cela réduit les pertes par réflexion parasite que le faisceau subit lors des six traversées d'interface optique subies à chaque traversée de l'ensemble 14-15 du système optique. Cette modification préserve l'avantage (ou est compatible avec) de faible encombrement apportés par l'invention. En effet, la tenue au flux des traitements agissant à la fois sur la longueur d'onde laser et sur les longueurs d'ondes émises par l'effet RAMAN est plus élevée pour les traitements anti-reflets que pour les traitements réfléchissants. Une autre amélioration permet également de réduire les pertes par réflexion que le faisceau subit a chaque traversée des interfaces optiques. Elle consiste a utiliser un seul élément optique en remplacement du système optique composé du prisme 15 et de la lentille 14. Un tel élément optique 18 est présenté aux figures 4 et 5. Il possède une forme équivalente à celle obtenue en accolant le prisme en toit et la lentille sphérique dans le cas où cette dernière possède une face plane du côté du prisme. La traversée de la face sphérique assure les fonctions de focalisation et de recollimation. Les réflections sur les deux faces planes sont responsables du renvoi du faisceau. Au cours de la traversée de cet élément optique, le faisceau ne traverse que deux interfaces optiques. Les pertes parasites sont donc inférieures à celles provoquées par les six interfaces optiques de même nature du système optique précédent. En variante du dispositif de la figure 3, les lentilles peuvent avoir, au sein du plan focal, des foyers distincts, ce qui participe au décalage entre trajets successifs du rayon. On peut bien sûr prévoir qu'une seule des surfaces réflectrices soit un prisme incliné, en rajoutant par exemple aux figures 1 et 2, ou 4 et 5, une partie droite comportant un miroir classique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion, par effet RAMAN stimulé, de la longueur d'onde d'un rayonnement laser, comportant un milieu RAMAN, deux surfaces réflectrices disposées de part et d'autre de ce milieu RAMAN et deux lentilles convergentes admettant un même plan focal et disposées chacune entre le milieu RAMAN et l'une des surfaces réflectrices, le rayonnement étant destiné à pénétrer dans et à sortir de ce dispositif perpendiculairement au plan focal, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces réflectrices est formée par deux faces arrière perpendiculaires d'un prisme à angle droit comportant en outre une face avant orientée vers le milieu RAMAN, ces faces arrières convergeant en une arête arrière ayant une inclinaison E non nulle, vis à vis du plan focal, inférieure à Emax = Arctg (h/L) avec h : hauteur des prismes L : distance entre les arêtes des prismes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette inclinaison est faible en valeur absolue devant Emax. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les deux surfaces réflectrices sont formées par les paires de faces arrière de deux prismes à angle droit dont les faces avant sont orientées vers le milieu RAMAN. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les arêtes arrière des deux prismes ne sont pas parallèles. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que les arêtes arrière des deux prismes sont parallèles à un même plan perpendiculaire au plan focal. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les arêtes arrière des deux prismes sont contenues dans un même plan perpendiculaire au plan focal. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les lentilles ont un foyer commun et ce même plan perpendiculaire au plan focal est à une distance non nulle d'une ligne perpendiculaire en ce foyer au plan focal. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la face avant du prisme est formée en sorte de constituer ladite lentille. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les lentilles situées de part et d'autre du milieu RAMAN sont identiques.