Caract´ erisation des cristaux de ZGP et de CdSe

Caract´erisation des cristaux de ZGP

Les exp´eriences de caract´erisation ont pour but de v´erifier la bonne qualit´e des cristaux dont nous disposons, afin de les utiliser par la suite comme amplificateurs ou dans une cavit´e OPO. Nous disposons de plusieurs cristaux de ZGP fournis par Eksma Optics (Lituanie). Leurs

caract´eristiques sont donn´ees dans le Tableau1.1.

Table 1.1 – Caract´eristiques des cristaux de ZGP fournis par Eksma.

Grandeur ZGP long x 2 ZGP court x 2

Longueur (mm) 15 5

Ouverture (mm x mm) 4 x 5 3 x 4

Accord de phase Type I Type II

Angle θ (degr´es) 49 64,4

Angle φ (degr´es) 0 ou 180 45

Traitements anti-reflets Eksma et Twinstar Twinstar Longueur d’onde de pompe sp´ecifi´ee (nm) 2210 2051

Les deux cristaux de 15 mm de long seront pr´ef´erentiellement utilis´es dans des exp´eriences d’amplification param´etrique optique (OPA, chapitre 4) tandis que les deux cristaux de 5 mm de long seront plutˆot utilis´es dans des OPO doublement r´esonnants (chapitre 2). Sur 5 mm de propagation dans le ZGP ins´er´e dans un OPO, le walk-off spatial sera suffisamment faible pour ne pas trop perturber l’oscillation, ce qui ne serait pas le cas avec un cristal de 15 mm de long. De plus, chaque cristal poss`ede sur chaque face des traitements anti-reflets sp´ecifiques, permettant alors de transmettre efficacement la pompe, le signal et le compl´ementaire sur toute une plage spectrale sans subir des pertes li´ees `a la r´eflexion de Fresnel. Rappelons que l’indice tr`es ´elev´<sub>e du ZGP, n ≈ 3,14, entraˆıne une perte par r´eflexion de Fresnel R =</sub> 1−n<sub>1+n</sub>
2 <sub>≈ 27% ,</sub> ce qui est consid´erable : de bons traitements anti-reflets sont donc indispensables. `A la base, les deux cristaux de 15 mm ´etaient munis de traitements anti-reflets r´ealis´es par un sous- traitant de Eksma. Toutes les caract´erisations pr´esent´ees par la suite sur ces cristaux ont donc ´et´e effectu´ees dans cette configuration. Cependant, l’endommagement de l’un d’entre eux a conduit `a un nouveau traitement r´ealis´e par Twinstar (USA). Pour comparer la qualit´e des traitements anti-reflets de Eksma et de Twinstar, nous avons mesur´e la transmission de chaque cristal grˆace `a un spectrom`etre infrarouge `a transform´ee de Fourier (FTIR). Les r´esultats sont donn´es en Figure 1.9. La valeur absolue de la transmission a ´et´e recal´ee `a l’aide de quelques mesures compl´ementaires effectu´ees avec diff´erentes sources coh´erentes disponibles dans notre laboratoire.

Dans l’absolu, le traitement anti-reflet Twinstar (courbe bleue) est meilleur que le traite- ment Eksma (courbe rouge), notamment autour de 8 µm o`u sont situ´ees les longueurs d’onde compl´ementaire d’int´erˆet et `a λp = 2210 nm. De ce fait, les cristaux courts de 5 mm de long

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 20 40 60 80 100 T r a n sm i ssi o n ( % ) Longueur d'onde (µm) AR Twinstar AR Eksma

Figure 1.9 – Spectres de transmission des cristaux de ZGP de 15 mm de long trait´es anti-reflet par Eksma ou Twinstar. Les quelques points de mesure effectu´es `a des longueurs d’onde pr´ecises permettent de recaler les courbes issues du FTIR en transmission absolue selon l’´echelle verticale.

spectrale 2,6-2,9µm pour le signal, et 7-9 µm pour le compl´ementaire. La mesure de la trans- mission au FTIR n’a pas ´et´e effectu´ee pour ces cristaux, et nous faisons confiance aux donn´ees du fournisseur sur ces traitements, qui transmettent au moins 90 % sur les plages spectrales sp´ecifi´ees.

Nous avons ensuite v´erifi´e la qualit´e cristalline des cristaux de ZGP entre 2 et 2,5µm `a travers des exp´eriences d’ombroscopie et d’interf´erom´etrie. Le sch´ema de principe de l’ombroscopie est d´etaill´e en Figure 1.10. Cette technique consiste `a ´eclairer le cristal avec un faisceau collimat´e de diam`etre sup´erieur `a son ouverture et `a imager directement sur une cam´era un plan situ´e derri`ere la face de sortie du cristal. Elle permet de visualiser les d´efauts suffisamment importants pour perturber significativement la propagation du faisceau dans le cristal (d´efauts absorbants, perturbations importantes du front d’onde. . .).

ZGP

OPO

2-2,5 µm caméra IR

Figure 1.10 – Sch´ema de principe de l’ombroscopie.

Le montage de l’exp´erience d’interf´erom´etrie est quant `a lui expos´e en Figure 1.11. Cette exp´erience consiste `a placer le cristal dans l’un des bras d’un interf´erom`etre de Michelson ´eclair´e par un faisceau collimat´e. Dans notre cas, ce faisceau est issu d’un OPO accordable dans la

gamme 2–2,5 μm, collimat´e avec un diam`etre d’environ 20 mm afin d’´eclairer de mani`ere ho- mog`ene l’ouverture du cristal caract´eris´e. La longueur optique du bras de r´ef´erence est ensuite ajust´ee afin d’ˆetre `a diff´erence de marche nulle. On image alors sur la cam´era la figure d’in- terf´erence (franges d’´egale ´epaisseur) entre le faisceau r´efl´echi par le bras de l’interf´erom`etre contenant le cristal et celui r´efl´echi dans le bras de r´ef´erence. Ceci permet d’observer des d´e- formations du front d’onde moins importantes qui ne seraient pas d´ecelables par ombroscopie. De plus, il est possible de masquer le bras de r´ef´erence pour supprimer les interf´erences et ainsi r´ealiser une caract´erisation par ombroscopie en double passage dans le cristal. Cela pr´e- sente l’avantage d’augmenter la sensibilit´e de la technique d’ombroscopie et de ne pas avoir `a reconfigurer le banc lorsque l’on souhaite passer d’une m´ethode de caract´erisation `a l’autre.

ZGP OPO 2-2,5 µm c a m é ra IR

Figure 1.11 – Sch´ema de principe de l’exp´erience d’interf´erom´etrie.

La Figure1.12 pr´esente l’image d’ombroscopie double passage de deux cristaux de ZGP (un court et un long) dans le cas d’une polarisation incidente verticale, ce qui correspond `a une polarisation ordinaire de pompe, celle-l`a mˆeme pouvant permettre de r´ealiser l’accord de phase. Le ZGP long est celui trait´e par Eksma. Aucun d´efaut notable n’est relev´e, et les principales inhomog´en´eit´es observables sont en fait attribuables au profil d’´eclairement du faisceau incident et `a la pr´esence de densit´es optiques. `A noter que ces inhomog´en´eit´es d’´eclairement sont plus marqu´ees dans le cas du cristal long, car la mesure a ´et´e effectu´ee avec un ´eclairement de r´ef´erence plus inhomog`ene. On note ´egalement une insensibilit´e en fonction de la polarisation. De plus, une extinction compl`ete de l’image est observ´ee derri`ere un polariseur crois´e. On peut donc en conclure que le faisceau ne subit aucun effet de d´epolarisation en traversant les cristaux. Pour ces cristaux, une analyse plus sensible effectu´ee par interf´erom´etrie est donc n´eces-

(a) (b)

Figure 1.12 – Images d’ombroscopie double passage `a 2250 nm en polarisation ordinaire. La double fl`eche indique la direction de polarisation du faisceau. (a) Cristal de ZGP de 5 mm trait´e Twinstar. (b) Cristal de ZGP de 15 mm trait´e Eksma. Les deux ronds inhomo- g`enes visibles sur le profil d’´eclairement `a l’int´erieur du cristal sont dˆus `a des d´efauts pr´esents sur une densit´e optique plac´ee sur le trajet du faisceau incident.

saire pour confirmer leur bonne homog´en´eit´e. Les r´esultats de cette exp´erience sont pr´esent´es en Figure 1.13 avec une polarisation de pompe ordinaire. Dans le cas des ZGP courts, nous effectuons l’analyse pour trois r´eglages de l’interf´erom`etre : teinte plate, coin vertical et coin horizontal. Aucun d´efaut d’homog´en´eit´e n’est d´ecelable sur les interf´erogrammes, et ce quelle que soit la direction de polarisation. L’´epaisseur optique des cristaux pr´esente une tr`es bonne uniformit´e : ils pourront donc ˆetre ins´er´es dans un OPO. Pr´ecisons que la ligne visible sur le haut de l’image est due `a un d´efaut de la cam´era. Dans le cas des ZGP longs, nous effectuons seulement une analyse en recherche de teinte plate, qui r´ev`ele une homog´en´eit´e satisfaisante de l’´epaisseur optique du cristal. Ces exp´eriences d´emontrent la grande qualit´e optique de nos cristaux de ZGP.

(a) (b) (c) (d)

Figure 1.13 – Images d’interf´erom´etrie `a 2250 nm en polarisation ordinaire. Analyse d’un cristal de ZGP de 5 mm de long trait´e Twinstar en (a) recherche de teinte plate, (b) coin vertical, (c) coin horizontal. (d) Analyse d’un cristal de ZGP de 15 mm de long trait´e Eksma en recherche de teinte plate.

Caract´erisation des cristaux de CdSe

Nous avons ´egalement `a notre disposition trois cristaux de CdSe, dont les caract´eristiques sont r´epertori´ees dans le Tableau 1.2. Le premier cristal de 40 mm de long est fourni par Moltech, tandis que les cristaux de 15 mm de long sont respectivement fournis par Moltech et Eksma. Ils sont tous taill´es en accord de phase non critique angulairement selon l’angle θ = 90° pour lequel il n’y a pas de walk-off.

Table 1.2 – Caract´eristiques des cristaux de CdSe.

Grandeur CdSe long CdSe court x 2

Longueur (mm) 40 15

Ouverture (mm x mm) 4 x 5 2 x 3

Accord de phase Type II Type II

Angle θ (degr´es) 90 90

Traitements anti-reflets Twinstar Eksma et Twinstar Longueur d’onde de pompe sp´ecifi´ee (nm) 2210 2051

Pour avoir un gain comparable au ZGP dans les exp´eriences d’amplification param´etrique optique (OPA) ou en OPO, les cristaux de CdSe sont beaucoup plus longs afin de compenser le plus faible coefficient non lin´eaire deff. Ces cristaux sont eux aussi munis de traitements

anti-reflets, qui sont tout aussi indispensables que pour ZGP. En effet, l’indice moyen n ≈ 2,45 induit un coefficient de r´eflexion R = 1−n_1+n
2 _{≈ 18 %. Pour s’en assurer, nous mesurons au} FTIR la transmission du cristal de CdSe de 40 mm de long, avant et apr`es traitement par Twinstar. Nous mesurons ´egalement au FTIR la transmission des deux cristaux de 15 mm de long, respectivement trait´es par Eksma et Twinstar. Les r´esultats sont pr´esent´es sur la Figure 1.14.

Nous constatons qu’apr`es traitement, la transmission du CdSe de 40 mm est bien meilleure pour les longueurs d’onde de pompe, signal et compl´ementaire d’int´erˆet, passant de 60 % `a 86 % entre 2 et 3µm et entre 8 et 12 µm. De plus, nous constatons `a nouveau la bien meilleure qualit´e des traitements Twinstar sur les cristaux de 15 mm. Avec ces traitements, la transmission est d’au moins 92 % sur la plage 2-2,5 µm et au moins 96 % entre 8 et 10 µm.

Nous avons ensuite analys´e par ombroscopie et interf´erom´etrie le CdSe de 15 mm trait´e par Twinstar, qui pourra ˆetre utilis´e dans un OPO. Les diff´erents profils d’´eclairement enregistr´es avec une polarisation de pompe ordinaire sont pr´esent´es en Figure 1.15. Nous effectuons tout d’abord une ombroscopie double passage `a 2250 nm et nous constatons qu’aucun d´efaut n’est

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 20 40 60 80 100 Avant traitement AR Après traitement AR T r a n s m i s s i o n ( % ) Longueur d'onde (µm) a) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 20 40 60 80 100 2.0 2.4 2.8 60 80 100 T r a n sm i ssi o n ( % ) Longueur d'onde (µm) AR Twinstar AR Eksma Mesure 2210 nm Mesure 2210 nm b)

Figure 1.14 – a) Spectres de transmission du cristal de CdSe de 40 mm mesur´es au FTIR. Les points de mesure permettent de recaler la transmission absolue des courbes. b) Comparaison des traitements anti-reflets des cristaux de CdSe de 15 mm. La qualit´e des traitements Twinstar est bien meilleure que celle des traitements Eksma sur la gamme spectrale 6-16 µm.

d´ecelable quelle que soit la direction de polarisation. L’analyse par interf´erom´etrie confirme ces r´esultats et d´emontre la tr`es bonne qualit´e optique du cristal.

(a) (b) (c) (d)

Figure 1.15 – Images d’ombroscopie double passage et d’interf´erom´etrie du cristal de CdSe de 15 mm trait´e Twinstar en polarisation ordinaire. (a) Ombroscopie double passage, (b) Interf´erom´etrie en recherche de teinte plate, (c) Interf´erom´etrie en coin vertical, (d) Interf´erom´etrie en coin horizontal.

Ces premiers tests nous ont permis de valider les performances et de v´erifier la qualit´e de nos cristaux de ZGP et CdSe pour les exp´eriences d’optique non lin´eaire dans la gamme spectrale 6-16 µm. Mˆeme si les traitements anti-reflets sont loin d’ˆetre parfaits, ils sont suffisamment bons pour r´ealiser un OPO avec un seuil d’oscillation raisonnable, c’est-`a-dire avec une marge confortable vis `a vis du seuil de dommage. Comme nous l’avons mentionn´e, ces deux cristaux poss`edent des avantages compl´ementaires pour nos exp´eriences. Ainsi, si nous voulons en tirer parti, chaque exp´erience devra ˆetre r´ealis´ee avec les deux cristaux. Or, nous avons vu qu’il n’existait pas de cristal non lin´eaire id´eal. `A ce titre, nous allons pr´esenter dans la section

suivante le concept plus subtil de quasi-accord de phase. Nous allons exposer ses avantages et ses inconv´enients vis `a vis de l’accord de phase par bir´efringence, et nous illustrerons ensuite ce concept dans un cristal r´eunissant `a la fois les avantages du ZGP et du CdSe : l’OP-GaAs.