FR2645973A1 - Frequency transfer device using the stimulated RAMAN effect - Google Patents

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Abstract

The device comprises a cell 1 which contains a pressurised gas or mixture of gases, two end-plates 2 and four seals 3, two ports composed respectively of the optical components 4, 5 and 6, 7. Each of the pairs of optical components has a common spherical dioptric surface and forms a parallel-sided plate for the fundamental wavelength. The spherical dioptric surface of the component 5 has a maximum transmission for the fundamental wave and a maximum reflection coefficient for the 1st-order RAMAN-STOKES wave. The spherical dioptric surface of the component 6 has reflection coefficients which are different for the two waves. The fundamental wave is focussed in part to the focal point of the spherical dioptric surface. This wave seeds the stable resonator for the 1st-order RAMAN-STOKES wave, the resonator being formed by the spherical dioptric surfaces of the components 5 and 6 whose optical axes are coincident and parallel to the middle direction of the fundamental wave. The transfer device can be installed on the inside or outside of a laser resonator which produces the fundamental wave. The applications relate to ocularly-safe lasers or to systems with a scientific vocation.

Description

La présente invention concerne un dispositif de transfert de fréquence par effet RAMAN stimulé.The present invention relates to a stimulated RAMAN frequency transfer device.

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. Traditionally, stimulated RAMAN frequency transfer is effected by effecting an interaction between an electromagnetic field and the material being solid, liquid or gaseous. The fundamental wave coming from a laser generator is focused in the medium which is the seat of a high gain RAMAN emission. The RAMAN effect has been the subject of many experimental montages. Most media have been solicited and the frequency deviations are well known. The physics of interaction is described by different theoretical models.

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. The stimulated RAMAN frequency transfer device according to the invention is characterized by a high energy efficiency, integrates into a laser cavity whose active medium generates the fundamental wave or is placed at the laser cavity output. The frequency transfer device, according to a first feature, comprises a vessel which contains a pressurized gas provided with two portholes composed, for each of them, of particular optical parts whose diopters are wholly or partly covered with dielectric layers. which reflect the fundamental light and the RAMAN light differently.

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.The assembly constitutes an optical resonator for the RAMAN wave seeded by a portion of the fundamental wave. Figure 1 shows the materials that are suitable for the realization of the transfer device.

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. The tank (1) is metallic and has two orifices not shown in the figure, the axes of which are respectively XX 'and YY' to ensure the pumping of the gas initially present in the tank and the filling of the gas intended to be the breast of the tank. RAMAN effect. These orifices may be provided with valves that seal the tank after the pumping and filling operations. The optical parts (4), (5), and (6), (7) respectively constitute the inlet and outlet windows of the tank.

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).The flanges (2) and the seals (3) ensure the maintenance of the portholes and the sealing of the entire mountag
The ZZ 'axes are the location of the screws which apply sufficient pressure on the seals (3) via the flanges (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. Parts (4) and (5) have a spherical common diopter whose radius of curvature is R2 and whose center of curvature is C2. The spherical surface of the part (5) receives a dielectric coating whose transmission coefficient is maximum for the fundamental wave and whose reflection coefficient is maximum for the RAMAN STOKES order 1 wave.

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.Associated to form the entrance port, the parts (4) and (5) are equivalent to a parallel-faced plate for the fundamental wave and to a spherical mirror of radius of curvature equivalent to R2 / n where n is the common refractive index of the material constituting the parts.It is assumed in these conditions that the thicknesses of the parts are small with respect to the radius R2
The parts (6) and (7) have a spherical common diopter whose radius of curvature is R1 and whose center of curvature is Cl. The spherical surface of the part (6) receives a dielectric coating whose reflection coefficients for the The fundamental wave and for the RAMAN STOKES wave of order 1 are chosen, depending on the application, between the lowest value and the highest value that a person skilled in the art knows how to perform.

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.Associated to form the exit window, the parts (6) and (7) are equivalent to a plate with parallel faces for the fundamental wave and a spherical mirror with a radius of curvature equivalent to R1 / n where n is the index of common refraction of the material -which constitutes the parts. Similarly, the thicknesses of the parts are small with respect to the radius 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. The other planar and spherical diopters of the four parts that make up the two portholes can receive all or part of the anti-reflective dielectric treatments at the fundamental wavelength and at the RAMAN STOKES wavelength of order 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. The fundamental wave enters through the entrance window under weak divergence. In contact with the gas under pressure, its energy state is slightly modified and its divergence remains low.

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.The luminous power per unit area of the fundamental wave is generally lower than that which generates the stimulated RAMAN emission in the gas.

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 < (1 - L.n / R1) * (1 - L.n / R2) < 1
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.When the fundamental wave approaches the spherical diopter of the piece (6), a part of this wave is focused at the focus of the spherical diopter radius R2 / n. The sample is chosen in such a way that the stimulated RAMAN wave is observed in the focal zone. Insofar as, by construction, the optical axes of the two spherical diopters are coincident and parallel to the mean direction of propagation of the fundamental wave, the reflecting surfaces of the spherical diopters for the wave
RAMAN is a resonator in which the RAMAN wave can amplify under conventional conditions of an optical cavity. This wave feeds on contact with the gas molecules that interact with the fundamental wave in the whole volume of the resonator. To avoid the destruction of the optical dioptres by an electromagnetic field that is too intense, the focal zone is placed towards the center of the such that the images of the centers of curvature C1 and C2 in the space of the gas under pressure are both inside the resonator, or both outside. In all cases, the cavity is said to be stable. Its length L, which represents the optical distance between the two spherical diopters, verifies the following inequalities
0 <(1 - Ln / R1) * (1 - Ln / R2) <1
The radius of curvature R2 may, under certain conditions be infinite. The RAMAN STOKES wave of order 1, as the part of the fundamental wave not focused by the exit window. The divergence of the fundamental wave is little different from the initial divergence and the divergence of the RAMAN wave is dependent on the geometrical parameters of the resonator.

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.  According to a variant not illustrated, the portholes thus composed can be replaced by parallel-sided blades consisting of two single optical blocks whose diopters receive a dielectric treatment 11 antireflection "at the fundamental wavelength and wavelength RAMAN The assembled parts (4), (5) and (6), (7) are then placed on either side of the tank.

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. The transfer device according to Figure 1 wherein according to the variant may be placed inside a laser resonator which manufactures the fundamental wave. The reflection of the fundamental wave on the spherical surface of the piece (6) may constitute the predominant loss of the laser -resonator. Under these conditions, the energy efficiency of the transfer of the fundamental wave to the RAMAN wave is high. In any case, the RAMAN wave coming from the tank must cross dioptres or optical media with less loss. The arrangements are varied but all rely on the same use of the frequency transfer device of the 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. The transfer device according to Figure 1 wherein according to the variant may be placed outside the laser resonator which manufactures the fundamental wave. Under these conditions the reflection coefficient for the fundamental wave of the spherical diopter (6) can be high.

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.Whatever the configuration used which places the tank arranged inside or outside the cavity, the reflection coefficient of the spherical diopter (6) for the wave
RAMAN must be optimized according to the power of the fundamental wave.

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.  The gases or mixture of gases used are those which have good energetic transfers on RAMAN STOKES waves of order 1. The BRILLOUIN effect can be the source of a leak of energy of the fundamental wave. When the transfer device is placed inside or outside the laser resonator of the fundamental wave, the stimulated BRILLOUIN wave couples with the fundamental wave in the laser resonator and re-enters the device as well as the fundamental wave.

Claims (10)

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).1. stimulated RAMAN frequency transfer device characterized in that it comprises a vessel (1) which contains a pressurized gas capable of being the seat of a stimulated RAMAN effect, two flanges (2) and four gaskets; sealing (3), two windows respectively composed of optical parts (4), (5) and (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 2. Frequency transfer device according to claim 1, characterized in that the optical parts (4) and (5) have a spherical diopter of the same radius of curvature. The spherical diopter of the part (5) is of maximum transmission for the fundamental wave and of maximum reflection coefficient for the wave RAMAN STOKES d'ordre 1. Les autres dioptres des pièces (4) et (5) peuvent être "anti-reflet" aux longueurs d'ondes fondamentale etRAMAN STOKES order 1. The other dioptres parts (4) and (5) can be "anti-reflective" at fundamental wavelengths and RAMAN.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.3. Frequency transfer device according to claim 1, characterized in that the optical parts (6) and (7) have a spherical diopter with the same radius of curvature. The spherical surface of the part (6) has reflection coefficients for the fundamental wave and for the RAMAN STOKES wave of order 1 which are chosen, according to the application, from among all the values that the man of art knows how to achieve. The other dioptres of parts (5) and (6) can be "anti-reflective" at fundamental wavelengths and 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 onde4. Frequency transfer device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the spherical diopters of the parts (5) and (6) are aligned and constitute with the optical length which separates them the geometric parameters of a cavity stable for the RAMAN STOKES wave of order 1. A part of the fundamental wave, taken by the spherical diopter (6) focuses on the equivalent focus of the diopter and sows the cavity of a wave RAMAN stimulée qui se nourrit au contact des molécules de gaz qui interagissent avec l'onde fondamentale.Stimulated RAMAN that feeds on gas molecules that interact with the fundamental wave. 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.5. Frequency transfer device according to claim 1, characterized in that the portholes are parallel-faced blades consisting of single blocks and anti-reflective treated at fundamental wavelengths and RAMAN.Les parts (4), (5) and (6), (7) are then placed outside the tank on either side thereof. 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.6. Frequency transfer device according to all of the preceding claims, characterized in that the divergence of the fundamental wave is almost unaffected after passing through the portholes and the gas and in that the divergence of the RAMAN STOKES wave of order 1 is dependent on the geometrical parameters of the RAMAN resonator constituted by the two spherical dioptres. 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.7. Frequency transfer device according to all of the preceding claims, characterized in that it can be placed inside or outside of a laser resonator which manufactures the fundamental wave. 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.8. Frequency transfer device according to all of the preceding claims, characterized in that the reflection coefficients of the spherical diopter 6 for the fundamental wave and RAMAN STOKES order 1 are selected and optimized according to the power of the fundamental wave and the position of the device with respect to the laser resonator quifabrique the fundamental wave. 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.9. Frequency transfer device according to all of the preceding claims, characterized in that the gases or gas mixtures used have good energy transfers on the first order RAMAN STOKES. These gases or mixtures may be the BRILLOUIN effect seat that couples with the laser resonator that produces the fundamental wave and that re-enters the device in the same way as the fundamental wave. 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. 10. Frequency transfer device according to all of the preceding claims, characterized in that the dioptre (6) generates the predominant loss of the laser resonator which manufactures the fundamental wave when the device is placed inside this resonator.
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