Étude et développement d'un oscillateur paramétrique optique picoseconde rapidement accordable utilisant des cristaux à quasi-accord de phase apériodique : application à la détection de gaz par imagerie active

Study and development of a rapidly tunable picosecond optical parametric oscillator using aperiodically poled nonlinear crystals : Backscattering gas imaging applications

• Auteur / Autrice : Guillaume Walter
• Direction : Cyril Drag
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique
• Date : Soutenance le 26/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) - HOPE Lab (Hsinchu, Taïwan)
• Jury : Président / Présidente : François Balembois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Segonds, Éric Freysz, Antoine Godard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Segonds, Éric Freysz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impulsions picosecondes

Spectroscopie infrarouge

Quasi-accord de phase (optique)

Optique non linéaire

Mots clés libres

Oscillateur paramétrique optique

Picoseconde

Quasi-accord de phase

Imagerie active

Optical Parametric Oscillator

Picosecond

Quasi phase matching

Active gas sensing

Résumé

Nous rapportons l'étude d'un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) picoseconde à base de cristaux apériodiques à large bande, utilisé pour des applications en spectroscopie rapide. Cette source paramétrique permet de sonder des gaz possédant des raies d’absorptions dans le moyen infrarouge, sur une plage spectrale difficilement accessible avec un laser solide conventionnel. La spécificité de l’OPO étudié est, outre son régime temporel picoseconde, son cristal non linéaire à quasi-accord de phase apériodique. Cette apériodicité élargit intrinsèquement la bande de gain paramétrique. Les travaux entrepris dans cette thèse portent dans un premier temps sur la caractérisation et l’explication des comportements propres à ce type d’OPO non contraint par filtre spectral. Nous étudions plus particulièrement l’origine du profil spectral cannelé observé dès que la puissance seuil d’oscillation est dépassée : ce profil est composé d’un pic principal et d’une succession de pics latéraux et n’est pas reporté dans la littérature. La deuxième partie de l’étude consiste au contrôle de la longueur d’onde de l’OPO picoseconde en utilisant la condition de pompage synchrone intrinsèque à ce régime temporel, et un réseau de Bragg en volume chirpé (CVBG) : un déplacement du CVBG autour de la position respectant la condition de pompage synchrone, modifie la longueur d’onde oscillant dans la cavité. Cet OPO contraint permet l’étude d’émissions de gaz (N₂O, CO₂, etc.) dans l’atmosphère par imagerie active.

Spectroscopy applications related to greenhouse gases or other gaseous pollutants involve the development of optical sources emitting in the mid-infrared region. A picosecond optical parametric oscillator (OPO) is one of these few sources. The specificity of the picosecond OPO reported in this thesis is its wide gain bandwidth obtained through the use of aperiodically poled nonlinear crystals. The first study aims to characterize and develop the specificity of broadband picosecond OPO, with an emphasis on the origin of the spectral modulation observed from the threshold: the signal spectrum consist of a main peak and a succession of lateral secondary peaks. This OPO is then associated with a chirped volume Bragg grating (CVBG) whose displacement, around the position which respects the synchronous pumping condition, changes the oscillating wavelength. The ability of this highly tunable OPO is finally tested to detect N₂O gas emissions with a backscattering gas imaging technique.