Caract´ erisation du NesCOPO

Le sch´ema du montage du NesCOPO est donn´e en Figure2.9. Avant de commencer l’aligne- ment, une lame dichro¨ıque qui permet d’extraire le compl´ementaire, hautement r´efl´echissante entre 8 et 11µm, est plac´ee juste apr`es la lentille de focalisation de la pompe. Pour l’alignement effectu´e par autocollimation, nous disposons d’un laser H´elium-N´eon que nous superposons au faisceau de pompe en passant `a travers deux diaphragmes. La pompe est centr´ee et plac´ee en autocollimation sur le miroir interm´ediaire M2, car celui-ci n’a aucun r´eglage. Nous alignons

ensuite le miroir d’entr´ee M1, puis le cristal en autocollimation sur l’H´elium-N´eon. Comme ZGP

et CdSe ne sont pas transparents dans le visible, l’autocollimation est effectu´ee sur la face d’en- tr´ee du cristal, qui est mont´e sur une platine poss´edant de multiples translations et rotations. Enfin, nous translatons provisoirement le cristal en dehors du faisceau afin de r´egler le miroir dor´e M3 qui doit r´efl´echir l’H´elium-N´eon sur lui-mˆeme. Cette ´etape suppose implicitement que

le parall´elisme des faces du cristal est excellent.

Nous avons tr`es rapidement abandonn´e CdSe au profit de ZGP. En effet, d`es que l’oscillation est observ´ee, elle disparaˆıt presque aussitˆot, et une piqˆure est nettement visible sur le miroir dor´e M3. Ainsi, le seuil d’oscillation exp´erimental de CdSe semble co¨ıncider avec le seuil de

dommage du miroir dor´e lorsque l’OPO fonctionne et que les trois ondes sont pr´esentes dans la cavit´e. Nous avons ainsi mesur´e un seuil d’oscillation autour de 70µJ, soit 1,6 fois ce qui ´etait pr´evu par la th´eorie, correspondant `a une fluence de 0,55 J/cm2 _{sur le traitement dor´e de M}

3.

Remarquons que d’apr`es les simulations, le waist du faisceau compl´ementaire est quasiment situ´e sur ce miroir, ce qui accentue le risque de provoquer un dommage optique `a sa surface. Pour tester la robustesse des traitements dor´es, nous avons mesur´e le seuil de dommage `a 2051 nm sur un miroir dor´e plan sans ins´erer de cristal de la cavit´e. Le miroir pr´esente une l´eg`ere piqˆure au bout de 5 minutes pour une fluence de 0,8 J/cm2 _{mais aucun dommage n’est observ´e}

pour une fluence de 0,65 J/cm2_{.Ceci confirme bien que le fait d’avoir trois ondes dans la cavit´e}

acc´el`ere l’endommagement du miroir de fond, et probablement des autres composants.

Concernant le NesCOPO en ZGP, un seuil de 20 µJ a ´et´e mesur´e `a 8 µm et 8,3 µm, ce qui correspond `a une puissance crˆete de 75 W. Ce r´esultat est en parfait accord avec le seuil estim´e par les simulations. En pompant 2,8 fois au dessus du seuil avec une ´energie de 56 µJ, nous mesurons un d´epeuplement de 43 % `a 8 µm au centre du faisceau, comme le montrent les profils temporels de la Figure 2.10 o`u le d´epeuplement de la pompe est fortement marqu´e. Le profil spatial du compl´ementaire est ´egalement r´epresent´e et montre que le faisceau `a 8 µm est

monofr´equence

a)

b)

Figure 2.8 – Rayons au waist des faisceaux pompe, signal et compl´ementaire dans le NesCOPO, calcul´ees `a partir des donn´ees du Tableau 2.1. a) NesCOPO muni du cristal de ZGP de 5 mm. b) NesCOPO muni du cristal de CdSe de 15 mm.

Laser à fibre p= 2051 nm c= 7,8!8,6 µm Lame /2 ZGP Isolateur NesCOPO Détecteur Filtre LP 7800 f' = 100 mm s M₁ M₃ M₂

Figure 2.9 – Sch´ema du montage du NesCOPO en ZGP.

proche d’ˆetre TEM00 comme attendu.

La longueur d’onde du compl´ementaire a ´et´e accord´ee entre 7,8µm et 8,6 µm. Il ´etait possible d’acc´eder `a des longueurs d’onde plus basses mais non situ´ees en bande III. En revanche, au- del`a de 8,6 µm, la transmission des traitements anti-reflets du ZGP est trop faible pour esp´erer faire fonctionner l’OPO.

Les mesures de puissance sont compliqu´ees `a mettre en oeuvre car l’´emission de l’OPO est tr`es instable : le simple fait de toucher `a la monture d’un miroir fait perdre l’oscillation.Ceci est dˆu `a la combinaison de deux effets. Tout d’abord, de nombreux interf´erom`etres de Fabry-Perot relatifs `a la pompe sont pr´esents dans la cavit´e, notamment `a cause du miroir M1qui en r´efl´echit

40 %, car son traitement a ´et´e sp´ecifi´e pour une longueur d’onde de pompe diff´erente. Un premier Fabry-Perot peut ˆetre mis en ´evidence en d´emontant l’OPO et en regardant simplement la transmission de la pompe apr`es M1 et M2 `a l’oscilloscope en balayant la position de M1. La

Figure2.11 montre une modulation de signal sinusoidale de 20 % sur la transmission de pompe mesur´ee. Une fois l’OPO remont´e, nous nous pla¸cons `a une puissance inf´erieure au seuil, et nous mesurons `a nouveau la transmission de la pompe sur un aller retour de cavit´e en pla¸cant le d´etecteur sur une fuite de pompe au retour. Comme illustr´e sur la Figure 2.11, la transmission est maintenant ponctu´ee de nombreux trous, bien qu’une structure p´eriodique se d´egage : la modulation de transmission atteint 40 %.

Cependant, une fois qu’une co¨ıncidence exacte entre un mode signal et un mode compl´emen- taire est s´electionn´ee et que celle-ci est compatible avec un minimum de pertes du Fabry-Perot,

monofr´equence -200 0 200 400 600 0 20 40 60 80 b) Pompe dépeuplée

Pompe non dépeuplée Complémentaire (8 µm) In te n si té ( u . a .) Temps (ns)

Figure 2.10 – Profils temporels de la pompe et du compl´ementaire collect´es par un d´etecteur HgCdZnTe (VIGO) de temps de r´eponse 1 ns. Le profil spatial du compl´ementaire `

a 8 µm observ´e avec une cam´era Pyrocam III est ´egalement repr´esent´e et montre un faisceau globalement TEM00.

Figure 2.11 – Transmission de la pompe mesur´ee avec le d´etecteur VIGO et observ´ee `a l’oscilloscope. a) Transmission mesur´ee apr`es M1et M2 : une modulation de 20 % d’allure sinusoidale

est visible. b) Transmission mesur´ee apr`es un aller retour de cavit´e : de nombreux trous de transmission sont pr´esents et la modulation atteint 40 %.

le rayonnement ´emis par l’OPO n’est pas stable pour autant. Ceci est li´e `a l’absorption r´esiduelle de la pompe `a 2051 nm dans le ZGP, et dans une moindre mesure `a l’absorption du compl´emen- taire au-del`a de 8 µm o`u l’absorption multiphonons commence l´eg`erement `a apparaˆıtre. Ceci entraˆıne continuellement une l´eg`ere augmentation de la temp´erature dans le cristal malgr´e sa bonne conductivit´e thermique. Cette perturbation thermique peut ˆetre mise en ´evidence facile- ment en observant le faisceau compl´ementaire sur la cam´era pyro´electrique. Lorsque l’oscillation est stabilis´ee sur une co¨ıncidence exacte, ce faisceau s’att´enue progressivement jusqu’`a dispa- raˆıtre en l’espace de 20-30 secondes. Si nous d´ecidons de couper le faisceau de pompe pendant une minute, le cristal revient `a sa temp´erature initiale. Lorsque nous le rallumons, le faisceau compl´ementaire revient instantan´ement sur la cam´era, et finit par disparaˆıtre `a nouveau. Ceci est dˆu au fait que l’´echauffement du cristal modifie les indices de r´efraction des trois ondes et la longueur physique du cristal par dilatation thermique, ce qui entraˆıne une modification de la longueur optique des cavit´es signal et compl´ementaire, et donc un l´eger glissement des peignes de modes. Cet effet, coupl´e au Fabry-Perot parasite `a la pompe dont la longueur optique est aussi affect´ee par l’´echauffement du cristal, provoque alors une modulation erratique des pertes de la cavit´e, ce qui condamne g´en´eralement l’oscillation.

Il existe malgr´e tout des positions particuli`eres des miroirs pour lesquelles l’OPO ´emet un rayonnement stable pendant plusieurs minutes. En pr´esence des effets thermiques, le Fabry- Perot `a la longueur d’onde de la pompe est l´eg`erement modifi´e. Ainsi, sa transmission peut devenir plus faible, ce qui diminue la puissance de pompe absorb´ee dans le cristal, dont l’´echauf- fement est moindre en retour. La transmission du Fabry-Perot `a cette longueur d’onde va donc augmenter `a nouveau car sa longueur optique va redevenir plus proche de ce qu’elle ´etait ini- tialement, et ainsi de suite jusqu’`a obtenir un ´equilibre thermique r´egul´e par la transmission du Fabry-Perot.

Pour arriver `a cette situation, il est n´ecessaire de jouer progressivement sur les cales pi´e- zo´electriques des miroirs afin de garder un rayonnement compl´ementaire stable le temps que l’´equilibre thermique s’´etablisse dans le ZGP. Une mesure de puissance peut alors ˆetre effectu´ee avec un puissancem`etre, plac´e apr`es le filtre LP 7800 dont la transmission vaut 90 % sur la plage 8-12 µm. Le d´efaut quantique `a 8 µm vaut λp

λc = 25,6 %. En pompant avec 56 µJ (apr`es avoir

soustrait les pertes par r´eflexion sur M1) et avec une d´epl´etion de 43 %, nous pouvons donc

extraire une ´energie maximum de 6,2 µJ sur le compl´ementaire en sortie d’OPO. Sur la dur´ee, la puissance moyenne mesur´ee `a 8µm sur un faisceau stable est de 60 mW, soit une ´energie de 3 µJ. Comme la lame dichroique transmet 95 % du rayonnement compl´ementaire, et compte tenu de la transmission du filtre LP 7800, ceci fait 70 mW moyen en sortie d’OPO soit 3,5 µJ. Lors de quelques mesures, une puissance maximale de 100 mW a ´et´e obtenue pendant quelques minutes sur le puissancem`etre. Ceci correspond `a une puissance moyenne de 117 mW `a 8 µm en sortie d’OPO, et donc une ´energie de 5,8µJ, proche des 6,2 µJ calcul´es. Ainsi, il est possible

monofr´equence d’optimiser par chance le fonctionnement de l’OPO, mais les fortes instabilit´es auxquelles il est sujet rendent impossibles cette optimisation sur le long terme.