Caractérisation du banc de test à l’aide d’un cristal de KDP

Afin de caractériser la capacité du banc à mesurer des signaux de seconde harmonique, des tests ont été effectués sur un cristal de phosphate diacide de potassium ou KDP qui présente de fortes propriétés non linéaires, c'est-à-dire un Ȥ2 important, lui conférant une grande aptitude à la somme de fréquences. La génération de seconde harmonique, qu’elle soit due à la présence d’un Ȥ2 non nul ou due à la présence d’un champ électrique, varie quadratiquement avec l’intensité de l’onde fondamentale, à la différence des effets linéaires (Cf. chapitre 1). Cette propriété est facilement exploitable pour mettre en évidence des effets non linéaires. Nous avons donc opté pour une mesure du signal du cristal de KDP en fonction de l’intensité du laser afin d’éprouver notre banc. L’échantillon a été irradié par un faisceau laser à des puissances allant de quelques mW jusqu’à une cinquantaine de mW, focalisé sur un spot d’un diamètre de 1µm à l’aide d’un objectif 100X. Le temps d’intégration pour chaque point de mesure est de 127,50ms. La figure 41 présente le taux de comptage de photons en fonction de l’intensité laser.

Nous pouvons constater que le signal obtenu peut être ajusté à l’aide d’un polynôme d’ordre deux. Le terme de second ordre de ce polynôme correspond à la génération de seconde harmonique validant le dispositif de collecte d’un signal de longueur d’onde de 400nm. Pour autant, une forte composante linéaire, correspondant à des résidus de réflexion et de diffusion de l’onde fondamentale, vient perturber le rapport signal sur bruit. On peut d’ailleurs calculer la proportion entre le nombre de photons à 800nm détectés par rapport au nombre de photons irradiant le composant. On estime ainsi que seul 5*10-7ppm des photons irradiant le composant sont comptés par le détecteur. Cette faible proportion est due au système de filtre décrit dans la partie précédente, auquel s’ajoute les réflexions sur les différentes optiques qui sont bien sûr traitées pour optimiser la transmission des photons à 400nm (objectif, lentille, miroir), le pourcentage de réflexion sur l’échantillon et aussi la très faible efficacité de conversion du photodétecteur à 800nm. Pour autant, malgré toutes ces précautions, le signal à 800nm reste de l’ordre de grandeur du signal de seconde harmonique.

figure 41 : Signal de seconde harmonique d’un cristal de KDP en fonction de la puissance laser. Les mesures expérimentales peuvent être ajustées par un polynôme d’ordre deux.

IV.1.1. Soustraction de la composante linéaire

Afin de palier au problème de la mesure des réflexions de l’onde fondamentale, un système de dispersion des longueurs d’onde a été mis en place. Après la lame filtrante L2 injectant le signal doublé dans le photomultiplicateur, un prisme sépare les longueurs d’onde. Après ce prisme, un iris permet de ne laisser passer que le faisceau à 400nm et bloque le retour à 800nm. Ce dispositif permet de filtrer efficacement les réflexions de l’onde fondamentale suivant le même chemin optique que le signal EFISHG. Pour atténuer au maximum d’éventuelles diffusions, un piège de lumière, situé après la lame d’injection L1 dans le microscope, permet de supprimer la faible partie de l’onde fondamentale à 800nm transmise par cette lame et susceptible de diffuser dans la boite noire. Des mesures de la diffusion de l’onde fondamentale ont été pratiquées afin d’en évaluer l’impact sur le signal une fois le système mis en place. Pour cela nous avons remplacé le composant sous test par un piège de lumière. De cette manière, aucune réflexion et aucun signal non linéaire ne peuvent être détectés, ne laissant comme seule source potentiel les diffusions de l’onde fondamentale. La figure 42 représente cette mesure. On constate que le signal est de l’ordre de grandeur du bruit noir spécifié par le fabriquant du photomultiplicateur, confirmant que les différentes diffusions à 800nm ont été supprimées.

figure 42 : Mesure de la somme des diffusions du signal à 800nm pour un temps d’intégration de 500ms.

Toutes ces précautions permettent d’aboutir à un système qualifié à la mesure d’un signal EFISHG en éliminant, tant que faire se peut, d’éventuels bruits parasites.

Une autre mesure du signal de seconde harmonique émis par le cristal de KDP en fonction de la puissance laser nous permet de juger la qualité de ces améliorations (figure 43).

figure 43 : Signal de seconde harmonique d’un cristal de KDP en fonction de la puissance laser, après l’ajout d’un système optique de soustraction du bruit à 800nm. Les mesures expérimentales peuvent être ajustées par un polynôme d’ordre deux.

La valeur moyenne du signal a légèrement diminué en raison de l’ajout d’optique sur le chemin de détection. On peut estimer à 2,8*10^-8ppm la proportion de photons à 800nm comptés par rapport au nombre de photons irradiant le composant. Les contributions linéaires ont donc été fortement éliminées, aboutissant à une réduction de 95% par rapport à la mesure précédente. Le signal est maintenant constitué majoritairement du signal de seconde harmonique alors qu’il ne reste qu’une infime partie issue de l’onde fondamentale. Nous avons vu que ce signal fondamental ne peut être le fruit de diffusions détectées par le photomultiplicateur. Il est donc issu de réflexions qui ne peuvent, malgré le dispositif de filtre mis en place, être totalement éliminées.