FR2866488A1 - Dispositif de generation d'un rayonnement laser dans l'infrarouge - Google Patents

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Abstract

L'invention se situe dans le domaine de la génération de rayonnement laser dans les bandes II et III, et concerne un dispositif de génération d'un rayonnement laser dans la bande II et/ou dans la bande III de l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une diode (3) apte à émettre un rayonnement laser (6) dans la gamme de fréquence 1,8-2,1 m, au moins un générateur de courant (2) apte à générer des échelons de courant à une cadence de répétition réglable, des moyens (10) d'alimentation desdits échelons de courant à ladite diode (3), des moyens d'amplification du rayonnement laser émis par ladite diode et constitués par au moins une fibre (4) dopée par un ion à activité laser dans le domaine d'émission des diodes, ainsi que des moyens (5) aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié issu des moyens d'amplification.

Description

L'invention se situe dans le domaine de la génération de rayonnement laser
dans les bandes II et III, à savoir respectivement 2 à 5pm et 8 à 12pm.
A part des lasers à gaz, il n'existe pas à l'heure actuelle d'autres lasers permettant de couvrir directement ce domaine; en particulier les lasers solides pompés par diodes.
L'état de l'art consiste à utiliser des sources laser émettant près du visible (1,060pm) et de convertir cette longueur d'onde vers l'infrarouge en utilisant des effets non linéaires.
io On connaît ainsi la demande de brevet US2003/0012491 qui décrit un dispositif apte à générer un rayonnement laser dans l'infrarouge et qui comporte des moyens de génération d'un signal optique à amplifier, des moyens de génération d'un signal optique de pompage, des moyens de couplage de ces deux signaux, et des moyens d'amplification et de conversion dans l'infrarouge consistant en une fibre otique comportant au moins 25%en mole de chaicogénure comportant des éléments comme le soufre, le sélénium, le tellurium ou de leurs combinaisons.
Par l'effet Raman stimulé, le rayonnement optique issu du coupleur est amplifié et sa fréquence est déplacée dans la fibre optique.
Toutefois, comme le montre notamment l'exemple 2 dudit brevet, la variation de 20 fréquence dans une telle fibre est faible à savoir respectivement 1,91 pm et 6,2pm en sortie pour des longueurs d'onde d'entrée de 1,83pm et 5,4pm.
Par conséquent, pour produire dans tout le spectre infrarouge, à savoir 2 à 12pm, il est préférable d'avoir, en entrée, un faisceau à une fréquence proche de la fréquence voulue. Il est donc nécessaire d'utiliser des lasers tels qu'à CO2 ou HFDF. De tels lasers sont techniquement complexes à mettre en oeuvre dans le cadre des contre-mesures optoélectroniques notamment à bord des aéronefs et sont volumineux (encombrement, recyclage du gaz). De plus un tel dispositif ne présente pratiquement aucune agilité en fréquence puisque, au maximum, un nombre réduit de fréquences discrètes sont disponibles en sorties. Or une telle propriété est primordiale dans le cadre des contre-mesures optoélectroniques.
Le but de l'invention est de proposer un dispositif techniquement simple, peu volumineux et présentant une grande agilité en fréquence donc particulièrement bien adapté à son utilisation dans le cadre de contremesures optoélectroniques et sur des aéronefs.
La solution apportée est un dispositif de génération d'un rayonnement laser dans la bande Il et/ou dans la bande III de l'infrarouge caractérisé en ce qu'il comporte au moins une diode apte à émettre un rayonnement laser dans la gamme de fréquence 1,8-2,1 pm, au moins un générateur de courant apte à générer des échelons de courant à une cadence de répétition réglable, des moyens d'alimentation desdits échelons de courant à ladite diode, des moyens d'amplification du rayonnement laser émis par ladite io diode et constitués par au moins une fibre dopée par un ion à activité laser dans le domaine d'émission des diodes, ainsi que des moyens aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié issu des moyens d'amplification.
Selon une caractéristique additionnelle apte à permettre une agilité en fréquence, le dispositif comporte plusieurs diodes choisies avec des longueurs d'onde différentes et/ou des moyens de contrôle de la température de ladite au moins une diode permettant un contrôle continu de sa longueur d'onde.
Selon une caractéristique particulière, les moyens de contrôle de la température de ladite au moins une diode sont aptes à contrôler sa température sur plusieurs 20 dizaines de degrés Celsius en plus et en moins autour de la température ambiante) Selon une caractéristique particulière, ladite fibre est en silice.
Selon une autre caractéristique, ladite au moins une fibre d'amplification est dopée avec du thulium, sa proportion étant préférablement comprise entre 1 et 3% en masse et éventuellement avec des ions aluminium dont la proportion est préférablement comprise entre 10 et 13% en masse. L'utilisation des ions aluminium permet d'élargir la bande d'amplification de la fibre.
Selon une autre caractéristique, la fibre est constituée par un verre de nature différente de la silice, tout aussi favorable à l'émission laser de l'ion dopant thulium, tel par exemple, un verre fluoré ou un verre à base de germanate de plomb.
Selon une caractéristique particulière, la fibre est disposée en spirale.
Selon une autre caractéristique, la longueur de la fibre est inférieure à 5 mètres.
Selon une autre caractéristique, les moyens aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié sont constitués par un milieu Raman amplificateur ou un oscillateur paramétrique utilisant par exemple des cristaux tels que ZnGeP2 ou AgGaSe2 ou des semi-conducteurs utilisés en quasi accord de phase.
Selon une caractéristique additionnelle, le milieu Raman amplificateur est constitué par au moins un milieu gazeux, le gaz étant préférablement choisi parmi l'hydrogène, l'azote et le méthane.
Selon une caractéristique particulière, le milieu Raman amplificateur comporte une fibre creuse remplie de gaz et dont la paroi interne est métallisée ou dont la paroi io interne ou externe est recouverte de couches métalliques et diélectriques ou dont les parois ont une structure à cristaux photoniques.
Selon une autre caractéristique additionnelle, la longueur d'onde de sortie correspond à la première stokes du gaz utilisé.
Selon une autre caractéristique, le milieu Raman amplificateur est solide et is constitué par du verre fluoré ou du chalgonénure.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description de différentes variantes de réalisation de l'invention, en regard des figures annexées parmi lesquelles: - La figure 1 présente un schéma général de l'invention, - La figure 2 montre un schéma d'une première variante de réalisation de l'invention, - La figure 3 montre un schéma d'une deuxième variante de réalisation de l'invention, - La figure 4 montre un schéma d'une troisième variante de réalisation de l'invention, La figure 1 présente un schéma général d'un dispositif de génération d'un rayonnement laser dans l'infrarouge selon l'invention.
Ce dispositif 1 comporte au moins une diode 3 apte à émettre un rayonnement 30 laser 6 dans la gamme de fréquence 1,8-2,1pm, au moins un générateur de courant 2 25 apte à générer des échelons de courant 10 à une fréquence réglable, des moyens 10 d'alimentation desdits échelons de courant à ladite diode 3, des moyens 4 d'amplification du rayonnement laser 6 émis par ladite diode et constitué par au moins une fibre dopée par un ion à activité laser dans le domaine d'émission des diodes 3 et des moyens 5 aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié et utilisant l'effet Raman. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte en outre des moyens de contrôle de la température des diodes, sachant qu'un tel contrôle permet de contrôler la longueur du rayonnement 6 émis par les diodes 3. Ainsi, il est possible de faire varier cette longueur d'onde en agissant sur la température des diodes 3 et donc io de permettre une agilité en fréquence du dispositif.
Le générateur d'impulsions utilisé est apte à générer des impulsion de courtes durées, de l'ordre de la nanoseconde à quelques dizaines de nanoseconde et à une cadence de répétition réglable entre quelque dizaines de kHz à quelques mégaHertz.
Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 2, le dispositif selon l'invention comporte un générateur d'échelon de courant 2 apte à alimenter 10 diodes 31 à 31o, dont les longueurs d'onde d'émission sont comprise entre 1,85pm et 2,05pm et régulièrement réparties sur cet intervalle à 25 C, soit, 1,85pm, pour la première, 1,87pm pour la seconde.
et 2,05pm pour la dixième. Le dispositif comporte en outre des moyens 11 de sélection de l'alimentation en échelon de courant des diodes aptes à permettre l'alimentation d'une seule ou de plusieurs diodes simultanément...DTD: Chacune de ces dix diodes est reliée à une fibre optique d'amplification 4 en silice dopée par des ions thulium et par des ions aluminium dans des proportions respectives de 3% en masse et 13% en masse. La sortie de la fibre d'amplification 3 est introduite dans un milieu Raman à hydrogène.
L'expérience montre qu'en mettant en oeuvre le mode le plus simple d'utilisation du milieu Raman, à savoir la première Stokes du gaz hydrogène, on obtient en sortie, des fréquences comprises entre 8 et 12pm soit la totalité de la bande III.
Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 3, le dispositif selon l'invention comporte un générateur d'échelon de courant 2 apte à alimenter 10 diodes 31 à 310, dont les longueurs d'onde d'émission sont comprise entre 1,85pm et 2,05pm et régulièrement réparties sur cet intervalle à 25 C, soit, 1,85pm, pour la première, 1,87pm pour la seconde... et 2,05pm pour la dixième. Le dispositif comporte en outre des moyens 11 de sélection de l'alimentation en échelon de courant des diodes aptes à permettre l'alimentation d'une seule ou de plusieurs diodes simultanément, ainsi que des moyens 9 de contrôle de la température des diodes.
Ces dix diodes sont reliées à une fibre optique d'amplification 4 dopée par des ions thulium à 3% en masse, et la sortie de chacune des dix fibres est introduite dans un milieu Raman à méthane.
L'expérience montre qu'en utilisant le mode le plus simple d'utilisation du milieu Raman, à savoir la première Stokes, on obtient en sortie, des fréquences comprises io entre 3,8 et 5 pm soit la partie supérieure de la bande Il.
Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 4, le dispositif selon l'invention comporte un générateur d'échelon de courant 2 apte à alimenter trois ensembles 141, 142,143 de dix diodes 31 à 310 développées par l'université de Freiburg, dont les longueurs d'onde d'émission sont comprises entre 1,85pm et 2,05pm et régulièrement réparties sur cet intervalle à 25 C, soit, 1,85pm, pour la première, 1,87pm pour la seconde.
et 2,05pm pour la dixième. Le dispositif comporte en outre des moyens 11 de sélection de l'alimentation en échelon de courant de toutes les diodes aptes à permettre l'alimentation d'une seule ou de plusieurs diodes simultanément...DTD: Chacun de ces ensembles de dix diodes est relié à une fibre optique d'amplification 4, commercialisée par THORLABS respectivement 41, 42 et 43, en silice et dopée par des ions thulium à 2% en masse et des ions aluminium à 10% en masse. Sa longueur est d'environ 1,5m et elle est enroulée en spirale.
La sortie des fibres 41, 42 et 43, est connectée respectivement à un premier milieu Raman 51 à azote, à un second milieu Raman 52 à méthane, à un troisième milieu Raman à hydrogène. De façon connue, l'hydrogène sous pression se trouve dans une fibre creuse dont la paroi interne est métallisée, à savoir recouverte par une pellicule d'or, et le rayonnement laser est introduit dans cette fibre creuse.
Le dispositif comporte en outre des moyens de focalisation 12 des faisceaux 81, 82 et 83 provenant des milieux Raman respectifs 51,52 et 53 dans une fibre optique non amplificatrice 13 apte à acheminer le rayonnement laser vers son lieu d'utilisation.
L'expérience montre qu'en utilisant, dans chacun des milieux Raman, le mode le plus simple d'utilisation, à savoir la première Stokes, on obtient, pour des fréquences d'entrée comprises entre 1, 85pm et 2,05pm, des fréquences, en sortie, comprises entre: 3 et 3,8pm pour le milieu Raman à azote, 3,8 et 5pm pour le milieu Raman à méthane, 8 et 12pm pour le milieu Raman à hydrogène, soit la quasi totalité utilisable en contre-mesures des bandes Il et III.
En effet, la vapeur d'eau présente de nombreux pics d'absorption entre 2 et 3 pm; il est donc préférable, dans le cadre des contre-mesures optoélectroniques d'émettre à des 10 fréquences supérieures ou égales à 3pm.
Dans cet exemple de réalisation le générateur d'échelon de courant 2 et les moyens 11 de sélection de l'alimentation en échelon de courant des diodes sont commandés par un micro-ordinateur. Ainsi, il est possible de contrôler la cadence de répétition des échelons de courant et la où les diodes auquel il est appliqué. Lorsqu'un échelon de courant est transmis à l'une des diodes laser 3, celle-ci émet une impulsion laser dont la fréquence, est fixe à une température donnée, mais peut varier par contrôle de sa température, de l'ordre de 10"10m par degré dans cet exemple de réalisation.
Cette impulsion laser, à la fréquence X, entre dans la fibre 4 correspondante dans laquelle sa puissance est amplifiée d'un facteur supérieur à 104. Les impulsions en sortie ont des puissances suffisantes pour permettre d'obtenir des rendements de conversion satisfaisants dans les milieux Raman 5.
L'impulsion entre ensuite dans le milieu Raman correspondant dans lequel sa fréquence est modifiée selon la fréquence de la premier Stokes du gaz utilisé, à 25 savoir, par les facteurs d'onde suivants: 4155 cm-1 pour l'hydrogène, 2914 cm-1 pour le méthane moins égal 2311 cm-1 pour l'azote.
Ainsi, suivant la diode à laquelle est appliqué l'échelon de courant, l'impulsion en sortie de courant sera comprise entre 3 et 5pm, ou 8 et 12pm ce qui permet de faire varier la fréquence d'émission en temps réel ainsi bien sur que la fréquence d'émission de cette impulsion qui peut atteindre plusieurs dizaines de MHz.
Dans une autre variante de réalisation, les moyens (5) aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié issu des moyens d'amplification sont constitués par deux fibres creuses disposées parallèlement dont la paroi interne, ou la paroi externe, est recouverte par un revêtement constitué par des couches superposées et successives de métal, par exemple de l'argent, et d'un diélectrique à large bande de réfiéectivité, tel par exemple de l'iodure d'argent, comme décrit par exemple dans l'article de T. Abel, J. Hirsch intitulé : Hollow glass waveguides for broadband infrared transmission paru dans Optics Letters, vol. 19, 14 (1994), p, 1034. En l'occurrence, io l'une des fibres creuses dont la paroi interne est recouverte d'un revêtement, est en silice et est utilisée pour l'obtention d'un rayonnement infrarouge en bande III tandis que l'autre est en verre fluoré, a la paroi externe recouverte dudit revêtement et permet l'obtention d'un rayonnement infrarouge en bande II. Le diamètre de ces fibres qui renferment du gaz sous pression, à savoir du méthane pour la bande II et de l'hydrogène pour la bande III, est de l'ordre de 20 m pour une longueur de l'ordre du mètre.
Dans une autre variante de réalisation, les moyens (5) aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié issu des moyens d'amplification sont constitués par deux fibres creuses à cristaux photoniques, telles que celles décrites dans l'article de F. Benabid, et J. C. Knight, intitulé Stimulated Raman scattering in hydrogen-filled hollow-core photonic crystal fiber et paru dans Science, vol. 298 (11 octobre 2002), p, 399. Ces fibres renferment respectivement de l'hydrogène sous pression et du méthane sous pression et le rayonnement issu des moyens d'amplification est dirigé soit vers l'une soit vers l'autre desdites fibres à cristaux photoniques suivant la longueur d'onde souhaitée en sortie des moyens 5. Ces fibres à cristaux photoniques sont bi-bandes, à savoir elles présentent très peu de perte dans les longueurs d'onde des diodes ainsi que dans celles de la 1 ère raie Stokes du gaz qu'elles renferme.
Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation précédemment décrit sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le milieu Raman peut notamment être constitué par une fibre à un verre fluoré avec lequel on utiliserait la quatrième stokes, nécessitant alors un dispositif d'accord de phase. Par ailleurs, pour accroître l'efficacité de l'amplification, un étage de préamplification et un amplificateur de puissance peut être associé aux moyens d'amplification 4 décrit précédemment.

Claims (18)

REVENDICATIONS
1 Dispositif de génération d'un rayonnement laser dans la bande II et/ou dans la bande III de l'infrarouge, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une diode (3) apte à émettre un rayonnement laser (6) dans la gamme de fréquence 1,8-2,1 pm, au moins un générateur de courant (2) apte à générer des échelons de courant à une cadence de répétition réglable, des moyens (10) d'alimentation desdits échelons de courant à ladite diode (3), des moyens d'amplification du rayonnement laser émis par ladite diode et constitués par au moins une fibre (4) dopée par un ion à activité laser dans le domaine d'émission des diodes, ainsi que des moyens (5) aptes à modifier la fréquence du io rayonnement amplifié issu des moyens d'amplification.
2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs diodes (31-310) choisies avec des longueurs d'onde différentes.
3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9) de contrôle de la température de ladite au moins une 15 diode (3) permettant un contrôle continu de sa longueur d'onde.
4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la température de ladite au moins une diode sont aptes à contrôler sa température sur plusieurs dizaines de degrés Celsius en plus et en moins autour de la température ambiante.
5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fibre d'amplification (4) est dopée avec du thulium, sa proportion étant préférablement comprise entre 1 et 3% en masse.
6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite fibre (4) est en silice, en verre fluoré ou en verre à base de germanate de 25 plomb.
7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fibre d'amplification (4) est en silice dopée avec des ions aluminium dont la proportion est préférablement comprise entre 10 et 13% en masse.
8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce 30 que la fibre d'amplification (4) est disposée en spirale.
9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce io que la longueur de la fibre d'amplification (4) est inférieure à 5 mètres.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens (5) aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié sont constitués par un oscillateur paramétrique.
11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'oscillateur paramétrique utilise des cristaux ou des semi-conducteurs.
12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'oscillateur paramétrique utilise des cristaux tels que ZnGeP2 ou AgGaSe2.
13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce io que les moyens aptes à modifier la fréquence du rayonnement amplifié sont constitués par un milieu Raman amplificateur (5) .
14 Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le milieu Raman amplificateur (5) est constitué par au moins un milieu gazeux, le gaz étant préférablement choisi parmi l'hydrogène, l'azote et le méthane.
15 Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la longueur d'onde de sortie du milieu Raman amplificateur (5) correspond à la première stokes du gaz utilisé.
16 Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le milieu Raman amplificateur est constitué par une fibre creuse remplie de gaz et dont la paroi interne est métallisée.
17 Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le milieu Raman amplificateur est constitué par une fibre creuse remplie de gaz et dont la paroi interne ou la paroi externe comporte un revêtement comportant au moins une couche métallisée et une couche diélectrique.
18 Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le milieu Raman amplificateur est constitué par une fibre creuse à cristaux photoniques bi-bandes.
19 Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le milieu Raman amplificateur est solide et constitué par du verre fluoré ou du chalgonénure.
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