Génération paramétrique infrarouge : des cristaux aux sources

Parametric infrared generation : from crystals to devices

• Auteur / Autrice : Vincent Kemlin
• Direction : Benoît Boulanger, Patricia Segonds
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquences
• Date : Soutenance le 12/07/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Rosencher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Takunori Taira, Gabriel Mennerat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Bretenaker, Valentin Vladimirovitch Petrov
• DOI : 10.70675/feb900f2z920az4945z93c7zdac3d9562048

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs radiofréquences

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique non linéaire

Infrarouge

Oscillateur Paramétrique Optique

Nonlinear optics

Infrared

Optical Parametric Oscillators

Résumé

Ce manuscrit porte sur la génération de lumière infrarouge paramétrique dans la gamme de longueurs d'onde 1-12 microns, et qui reste à ce jour un défi à l'interface entre les disciplines de l'optique non-linéaire et des sciences des matériaux. Historiquement, c'est la stratégie de l'accord de phase par biréfringence (APB) dans les matériaux anisotropes qui s’est avérée la plus efficace. Mais depuis les années 1990, le succès du quasi-accord de phase (QAP) a permis l’obtention rendements de conversion plus élevés tout en ouvrant de nombreuses possibilités d'accordabilité en longueur d'onde du rayonnement émis, conduisant naturellement à un regain d’intérêt pour les Oscillateurs Paramétriques Optiques (OPO).Nous avons construit le premier OPO nanoseconde en quasi-accord de phase angulaire à base d'un cristal de 5 millimètres d'épaisseur de 5%MgO:PPLN usiné sous la forme d'un cylindre partiel. L'accordabilité angulaire et continue, sans régulation thermique, de cet OPO s'étend de 1.4 jusqu'à 4.4 microns. Dans ce travail, nous avons montré que la configuration des vecteurs d'onde entre l'onde de pompe et les ondes générées dans la cavité était colinéaire et qu’une optimisation de la longueur de cavité permettait d'obtenir des performances énergétiques équivalentes à celles d'un OPO à base d'un cristal traité antireflet et de forme parallélépipédique. Des efficacités de conversion globales supérieures à 30% ont ainsi été obtenues correspondant à une énergie par impulsion supérieure à 2 mJ sur toute la gamme d'accordabilité.Lorsque deux tels OPOs sont pompés de manière synchrone par le même laser de pompe, nous disposons d'une source de Différence de Fréquences (DFG) hautement polyvalente permettant d'envisager des expériences de conversion de fréquences aussi bien en accord de phase par biréfringence qu’en quasi-accord de phase. Les premières expériences de DFG en APB ont été réalisées dans un cristal de Séléniure de Cadmium (CdSe) de 4 cm de long orienté pour l'accord de phase non-critique, et à deux longueurs d'onde de pompe différentes: 2.72 µm et 2.79 µm. Nous avons ensuite conduit des expériences de conversion de fréquences dans un cristal cylindrique de CdSe de 5 mm de diamètre. L'emploi d'une longueur d'onde de pompe de 2.79 microns nous a permis d'accorder la longueur d'onde générée par DFG entre 8.3 et 10.3 µm en tournant le cristal sur une gamme angulaire de 18°. La mise en place de techniques de rétrécissement spectral des OPOs est anticipée et permettra une amélioration de la précision des mesures des longueurs d'onde d'accord de phase ainsi qu'une augmentation significative des rendements de conversion de DFG.Ces expériences de différences de fréquences sont des premiers résultats encourageants et doivent permettre d'accélerer l'identification et la caractérisation de nouveaux matériaux en vue de la construction de sources compactes et accordables sur l'ensemble du spectre infrarouge. C'est en particulier le cas pour CdSiP2 dont les potentialités en termes d'accord de phase non-critique sont importantes lorsqu'il est pompé à 1.064 µm mais qui présente des caractéristiques tout à fait excitantes du point de vue de la génération de supercontinuum lorsqu'il est pompé à 2.4 µm. D'un point de vue plus fondamental, la capacité de réaliser des expériences de DFG à différentes longueurs d'onde de pompe dans l'infrarouge moyen (1- 3 µm) doit permettre de déterminer les indices de réfraction d'un matériau dans l'infrarouge lointain (5 - 50 µm). Nous avons en effet imagine une nouvelle méthode qui utilise les mesures des angles d'accord de phase de DFG d'un cristal pour remonter à la valeur de ses indices principaux dans des gammes spectrales où les mesures directes sont très délicates. Cette nouvelle méthode utilise les mesures inédites de DFG dans des cristaux usinés sous forme de sphère ou de cylindres et devrait permettre de nouvelles avancées dans le domaine de la métrologie de l'accord de phase

This dissertation deals with the generation of parametric light in the range 1 to 12 µm. Parametric infrared generation turns out to be a challenge at the interface between the fields of nonlinear optics and materials science embodied by the two approaches used to achieve efficient frequency conversion. Birefringent Phase-Matching (BPM) in anisotropic materials has been the traditional solution used in most frequency converter devices. But since the 90's, the quick success of microstructured materials has paved the way for Quasi-Phase-Matching (QPM) even in isotropic materials, leading to a renewed interest in Optical Parametric Oscillators (OPO). The high degree of engineering offered by this technology is now widely recognized as a key competitive advantage. We obtained original results concerning parametric infrared generation using BPM as well as QPM.We have built the first OPO pumped by a 1.064 µm Nd:YAG laser and based on a 5-mm-thick crystal of 5%MgO:PPLN cut as a partial cylinder. This OPO combines a wide and continuous tunability over the range 1.4 µm - 4.4 µm with a good conversion efficiency, up to 30%. Despite the need to resort to pump intensities almost an order of magnitude higher than in a slab OPO, we have shown that the energetical performance of a partial cylinder OPO is now equivalent to that of a slab OPO besides a wider tunability that can be continuously addressed. When the same Nd:YAG laser pumps two such independent OPOs in parallel, we dispose of a highly versatile QPM dual wavelength source with two widely and independently tunable beams. We have built this unique source allowing versatile Difference Frequency Generation (DFG) towards the mid- and far- infrared. We carried out the first BPM DFG experiments with this source in a CdSe slab oriented for angular noncritical phase-matching at two different pump wavelengths, respectively 2.72 µm and 2.79 µm. The second set of DFG experiments were performed in a CdSe crystal cut and polished as a 5-mm-diameter full cylinder. Using a pump wavelength of 2.79 µm, we were able to tune the DFG wavelength from 8.3 µm up to 10.3 µm by rotating the crystal over an angular range of 18°. Contrary to all the BPM DFG experiments reported so far in the single crystal CdSe, tuning was achieved while keeping normal incidence of both the incident and generated beams in the crystal. The implementation of spectral narrowing techniques is already anticipated and will contribute to more accurate measurements of the phase-matching directions of a crystal as well as to a higher DFG conversion efficiency.These experiments with our dual wavelength source are preliminary and encouraging validations of our capability of performing DFG in small crystals and at any pump wavelength between 1.4 µm and 3.5 µm. Even though we investigated the promises held by CdSiP2 when it is only pumped with a Nd:YAG laser at 1.064 µm, there is tremendous prospect in terms of tunable infrared generation between 3.5 µm and 8 µm when this crystal is pumped around 2.4 µm. Such early demonstrations will be highly valuable for future applications requiring compact and tunable sources spanning the infrared spectrum. From a more fundamental point of view, performing DFG experiments at different pump wavelengths in the mid-infrared can lead to a highly accurate determination of the values of the refractive indices of a nonlinear crystal. In this dissertation, we have cast the first stone of a method that leads to the determination of the values of the refractive indices of a nonlinear crystal in the mid- to far- infrared. This new method is based on the unique measurements of the DFG phase-matching angles in spheres or cylinders, and should contribute to further advances in the field of phase-matching metrology.