Etude de l’oscillation paramétrique optique multi-résonante dans les cristaux photoniques non linéaires de LiTaO3 sans cavité externe

Study of multi-resonant optical parametric oscillation in LiTaO3 non-linear photonic crystals without external cavity

• Auteur / Autrice : Safia Mohand Ousaid
• Direction : Azzedine Boudrioua
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/06/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Aka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Segonds, Régis Kremer, Francisco Perales, Youcef Ouerdane, Lung-Han Peng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Segonds, François Sanchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique non linéaire

Cristaux photoniques

Réfraction

Oscillations non linéaires

Mots clés libres

Optique non linéaire

Oscillateur paramétrique

Génération paramétrique optique

Equation Sellmeier

Non-Linear optic

Optical parametric oscillation

Optical parametric generation

Résumé

Ce travail porte sur l’étude de l’oscillation paramétrique optique multi-longueurs d’onde sans cavité externe dans les cristaux photoniques non linéaires PPLT-1D et 2D. Nous avons, d’abord, étudié numériquement la génération paramétrique optique dans les cristaux photoniques non linéaires PPLT-1D et 2D de réseau carré ayant une période de 8.52μm afin d’obtenir une génération large bande et/ou accordable. Dans le cas particulier où le détecteur est placé dans la même direction que l’onde pompe, les résultats montrent qu’il est possible d’obtenir une accordabilité du signal et de l’idler en modifiant l’angle d’incidence du faisceau pompe. Ces études montrent que les résultats obtenus dépendent largement des paramètres de l’équation de Sellmeier utilisés. De ce fait, à partir des mesures expérimentales de la génération paramétrique optique en fonction de la période du PPLT, nous avons proposé une nouvelle équation de Sellmeier plus précise que celles rapportées dans la littérature. Nous avons, également, étudié des échantillons circulaires afin de s’affranchir de la réfraction. Les résultats obtenus montrent la possibilité de réaliser une accordabilité spectrale pour le signal de 600nm à 787nm et de 1640nm à 1750nm pour l’idler pour un échantillon de 8.52μm, ces plages peuvent être ajustées en fonction de la période du réseau. Dans le cas d’une période de 7.66μm, nous avons observé un chevauchement du signal et de l’idler induisant la génération d’une interaction large bande de 180nm. Enfin, nous avons rapporté des preuves expérimentales d’une oscillation paramétrique optique multi-résonante dans des cristaux photoniques non linéaires PPLT-1D et 2D sans utiliser des miroirs externes et dans une configuration co-propagative. Les faces polies de l’échantillon agissent comme des miroirs de cavité amplifiant simultanément plusieurs fréquences. L’étude de l’échantillon avec une période de 8.52μm montre un seuil d'oscillation des dispositifs de 96MW/cm2 et 160MW/cm2 pour l'échantillon 1D et 2D, respectivement. Nous avons observé l’apparition d’un second OPO2 et expliqué son origine par la variation locale de l’indice de réfraction qui modifie les conditions de quasi-accord de phase. Cette variation d’indice provient notamment de l’effet cascade quadratique qui est un effet quasi-Kerr optique dû à une interaction inverse du faisceau généré avec sa pompe. L’autre contribution provient de l’effet électrooptique qui trouve son origine notamment dans les effets dus à la rectification optique, l’effet pyroélectrique et l’effet photo-induit. Enfin, nous avons montré que ces phénomènes apparaissent également dans les autres échantillons de périodes différentes. Ces études ont mis en évidence l’existence d’un point de croisement qui apparait à la température T=64°C dans le cas de l’échantillon avec une période de 8.52μm. A cette température les deux processus OPO1 et OPO2 se superposent. Par ailleurs, la position et les interactions concernées par ce point de croisement dépendent de la période du réseau utilisé

This work focuses on the study of multi-wavelength optical parametric oscillation without an external cavity in PPLT-1D and 2D nonlinear photonic crystals. We first numerically studied the optical parametric generation in 1D and 2D square lattice PPLT nonlinear photonic crystals having a period of 8.52μm in order to obtain a broadband and / or tunable generation. In the particular case where the detector is placed in the same direction as the pump wave, the results show the possibility of obtaining signal and idler tunability by modifying the angle of incidence of the pump beam. These studies show that the results obtained depend largely on the parameters of the Sellmeier equation used. Therefore, from the experimental measurements of the optical parametric generation as a function of the period of the PPLT, we have proposed a new Sellmeier equation more accurate than that reported in the literature. We, also, studied circular samples in order to overcome Fresnel reflection limitations. The results obtained show the possibility of achieving spectral tunability for the signal from 600nm to 780nm and from 1730nm to 1750nm for the idler. In the case of 7.66μm period, we observed an overlap of the signal and the idler inducing the generation of a wideband interaction of 180nm. Finally, we reported experimental evidence of a multi-resonant optical parametric oscillation in PPLT-1D and 2D nonlinear photonic crystals without using external mirrors and in a co-propagative configuration. The polished surfaces of the sample act as cavity mirrors simultaneously amplifying multiple frequencies. Studying the sample with a period of 8.52μm shows a device oscillation threshold of 96MW/cm2 and 160MW/cm2 for the 1D and 2D sample, respectively. We observed the appearance of a second OPO2 and explained its origin by the local variation of the refractive index, which modifies the conditions of quasi-phase agreement. This index variation stems in particular from the quadratic cascade effect, which is an quasi-Kerr effect due to an inverse interaction of the beam generated with its pump. The other contribution comes from the electro-optical effect, which originates in particular in the effects due to optical rectification, the pyroelectric effect and the photo-induced effect. Finally, we have shown that these phenomena also appear in other samples from different periods. These studies have demonstrated the existence of a crossing point which appears at temperature T = 64 ° C in the case of the sample with a period of 8.52 μm. At this temperature the two processes OPO1 and OPO2 overlap. Furthermore, the position and the interactions concerned by this crossing point depend on the period of the network used