Étude des processus paramétriques en régime femtoseconde et application à la mesure de la dispersion des cristaux anisotropes

par Christophe Przygodzki

Thèse de doctorat en Physique. spécialité Lasers, Molécules, Rayonnement

Sous la direction de Daniel Boucher.

Soutenue en 1998

à Littoral , en partenariat avec Laboratoire de physico-chimie de l'atmosphère (Dunkerque, Nord) (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Dubrulle.

Le jury était composé de Pierre Niay, Hervé Delbarre.

Les rapporteurs étaient Laurent Sarger, Charles Hirlimann.

mots clés

• Optique non linéaire -- Modèles mathématiques
• Anisotropie -- Mesure
• Lasers -- Applications scientifiques

Résumé

Les processus paramétriques optiques permettent d'élargir le domaine d'accordabilité des sources lasers disponibles en permettant la génération, soit de courtes longueurs d'onde (UV) par le processus de somme de fréquences, ou encore de grandes longueurs d'onde (IR) par la différence de fréquences. L'étude de ces processus à l'échelle sub-picoseconde (100 fs) implique nécessairement une prise en compte des propriétés dispersives et non-linéaires du milieu ainsi que des caractéristiques impulsionnelles. Le modèle correspondant ne possède pas de solutions analytiques et l'étude du processus non-linéaire nécessite alors une approche numérique permettant d'analyser la dynamique temporelle du processus. Une étude de stabilité du processus de différence de fréquences nous a permis de souligner l'importance des phases dans l'interaction. L'existence de deux points stationnaires correspondant à la somme et à la différence de fréquences montre la possibilité de coexistence de ces deux processus sur des fractions temporelles différentes des champs. La mise en oeuvre d'une simulation nous a permis de mettre en évidence ce phénomène dans le cas d'impulsions de 100 fs. Celui-ci implique notamment l'obtention de séquences d'impulsions sur la pompe et le complémentaire. Nous avons alors montré le caractère générique de ce comportement en dérivant une loi d'échelle permettant de comparer la dynamique en femtoseconde et en picoseconde. Une expérience nous a permis de vérifier ces comportements dans le cas d'un processus dégénéré. Nous avons développé deux nouvelles méthodes permettant de caractériser la dispersion des cristaux anisotropes basées uniquement sur l'utilisation des sources impulsionnelles paramétriques du laboratoire. L'une permet de déterminer la vitesse de groupe par mesure du temps de vol des impulsions dans le milieu. La seconde permet la même détermination en utilisant la périodicite des franges obtenues par interférence spectrale.

Titre traduit

Parametric processes in the femtosecond scale and their application to dispersion measurement in anisotropic crystals

Résumé

Optical parameters processes allows to widen the tuning range of current laser sources by the use of Sum Frequency generation (SFG) or Difference Frequency Generation (DFG). In a sub-picosecond range (100 fs) interaction, one must take into account the specific nonlinear and dispersive properties of the medium as well as the pulses’ characteristics. Thus, the corresponding classical model provides a system of coupled nonlinear equations that possesses no simple analytic solution and requires a numerical approach. A stability analysis of the DFG process has underlined the importance of the phases during the interaction. In fact, two stationary points corresponding to SFG and DFG can coexist on different temporal fractions on the fields. This phenomenon (back-conversion) has been emphasized in a numerical simulation with 100 fs pulses, which leads to pulses sequences on the pump and idler waves. We have shown the generic nature of this behavior by a temporal scale rule allowing the comparison between the dynamics in fs and in ps. These results have been supported by an experiment in a degenerate case. Moreover, two new techniques using parametric pulsed sources have been developed for dispersion determination in anisotropic crystals. The temporal method is based on time of flight measurement in the medium allows a direct determination of the group velocity, while the other measures the features of the fringes obtained by spectral interference in a Mach-Zender interferometer.