Combinaison de générateur de seconde harmonique

thèse par A. Durécu et al. [1, 2] dans le cas de l’accord de phase par biréfringence (dans du LBO) et dans le cas du quasi-accord de phase (dans du PPLN). Pour l’ex- périence dans le cas du quasi-accord de phase, les deux ondes harmoniques étaient juxtaposées à l’aide d’un coin de cube. Le contraste ainsi obtenu était relativement faible (0,31) et la mesure de l’erreur de phase résiduelle était limitée par la dynamique de l’oscilloscope. Pour cette nouvelle expérience, la combinaison des deux ondes har- moniques se fera par superposition avec une lame séparatrice 50/50 afin d’obtenir un meilleur contraste. De plus, cette méthode de superposition permet d’obtenir deux figures d’interférence et ainsi de mettre en œuvre une détection I/Q (technique dé- taillée dans la section3.2) pour mesurer le déphasage entre les deux voies. La relation de phase pourra donc être étudiée.

Génération de seconde harmonique

Pour cette expérience, la génération de seconde harmonique, permettant de conver- tir la longueur d’onde de 1,55 µm vers 775 nm s’effectue avec des cristaux non linéaires de niobate de lithium polarisés périodiquement (PPLN). Les avantages du PPLN sont son efficacité, son absence de walk-off et la possibilité d’utiliser des amplicateurs er- bium.

Pour la génération de seconde harmonique, on utilise deux cristaux différents de PPLN disponibles au laboratoire. Les dimensions des cristaux de PPLN vont fixer les paramètres géométriques des ondes fondamentales et l’efficacité atteignable dans chacun des cristaux. Le premier cristal mesure 5 cm x 1 mm x 3 mm (L x e x l) alors que le second fait 4 cm x 500 µm x 2 mm.

La focale des lentilles de collimation est choisie en conséquence. Deux lentilles identiques permettent d’avoir des faisceaux de diamètres voisins en sortie des cristaux ce qui facilite la combinaison. De plus, il faut que le faisceau ne diffracte pas sur les bords des cristaux tout au long de la propagation. Un des cristaux étant de faible épaisseur (500 µm) et l’autre de grande longueur (5 cm), le diamètre du faisceau ne doit donc pas dépasser 400 µm sur 5 cm. On choisit donc deux lentilles de collimation de focale 8 mm et d’ouverture numérique 0,5. Cela permet d’obtenir un faisceau de 330 µm au waist et ne dépassant pas 400 µm de diamètre sur toute la longueur du cristal.

la température de consigne et la longueur d’onde fondamentale afin de se placer dans le cas du quasi-accord de phase.

De plus, il est préférable d’utiliser les cristaux de PPLN à des températures de consigne élevées pour optimiser leur asservissement en température. En effet, dans le cas d’un four fonctionnant en tout ou rien, plus l’écart entre la température de consigne et l’ambiante est grand, plus le cristal va refroidir rapidement quand la tem- pérature de consigne est dépassée. L’asservissement en température est donc plus rapide. De plus, une température élevée permet de réduire l’influence de l’effet pho- toréfractif.

Une longueur d’onde fondamentale de 1553 nm permet d’utiliser des amplificateurs fibrés Erbium classiques. De plus, cela implique que le cristal de 5 cm sera dans les conditions du quasi-accord de phase pour une température de consigne de 69,7 °C. Le cristal de 4 cm fonctionnera lui à 55,5 °C.

L’oscillateur maître utilisé est une diode laser (JDSU) fine spectralement (< 1 MHz) qui délivre un signal à 1553 nm de 50 mW polarisé rectilignement. Deux amplifica- teurs Erbium commerciaux (Keopsys) à maintien de polarisation sont utilisés. Ils délivrent jusqu’à 2 W de puissance chacun.

Étant donné que le pompage est continu et que la puissance en sortie des ampli- ficateurs est de 2 W, il faut s’attendre à un rendement limité. Une fois l’optimisation des réglages effectuée, on obtient des rendements de 1,5 % pour le cristal de 4 cm et de 2 % pour celui de 5 cm.

Ces rendements sont faibles mais suffisants pour avoir des rapports signal sur bruit satisfaisants, l’objectif n’étant pas d’atteindre des records de puissance. Pour optimiser le rendement, il faudrait des cristaux plus longs, des ondes fondamentales plus intenses ou encore placer le cristal dans une cavité, ce qui compliquerait beaucoup le montage et perturberait le processus de combinaison.

Combinaison des faisceaux

A la sortie des cristaux, le faisceau fondamental et le faisceau harmonique sont pré- sents. Des lames dichroïques sont utilisées pour les séparer. Étant donné la différence de puissance entre le faisceau fondamental et l’harmonique et la séparation impar- faite par les lames dichroïques, il est nécessaire de disposer deux lames dichroïques successives afin de bien filtrer la composante fondamentale sur la voie du faisceau doublé.

Les faisceaux sont ensuite combinés à l’aide de lames séparatrices 50/50. Les faisceaux sont alors parfaitement superposés et circulaires. Cela permet d’obtenir une figure d’interférence constituée d’anneaux concentriques d’intensité variable.

Les figures d’interférences obtenues pour des interférences destructives et construc- tives pour le faisceau harmonique sont présentées figure 3.2. Quand les interférences sont destructives, l’intensité est répartie entre le lobe central et le premier anneau

3.1. Mise en place du montage expérimental 61

(a) (b)

Figure 3.2 – Image à la caméra des interférences destructives à 775 nm (a) et des interférences constructives à 775 nm (b). Le rond en pointillés représente la taille du détecteur utilisé pour mesurer le signal d’interférence.

(figure3.2a). Lorsque les interférences sont constructives, la majorité de la puissance est concentrée dans le lobe central (figure 3.2b). La présence d’un lobe central et d’un premier anneau, au lieu d’un unique lobe central est dû au différences de rayon de courbures des deux faisceaux en interférences. Les franges verticales observées sur la figure 3.2 sont induites par un défaut de parallélisme de la fenêtre de protection du capteur de la caméra, les poussières et dégâts sur la densité neutre induisent des taches circulaires.

Les détecteurs utilisés pour mesurer les signaux d’interférences sont des photo- diodes Thorlabs (DET01C en InGaAs pour le fondamental et DET01A en silicim pour l’harmonique). Si la surface du détecteur est trop importante relativement à la taille de la figure d’interférence, cela revient à moyenner spatialement la figure d’interférence. Le contraste de l’intensité mesurée est alors faible et la détection in- sensible aux déplacements des franges d’interférences. Il est donc nécessaire que la taille de la zone active de la photodiode (1mm2) soit petite devant la taille de la figure d’interférence afin d’obtenir un bon contraste de frange et une mise en phase précise. La caméra faisant 7 mm de coté, on a représenté figure3.2b la taille du détecteur par un rond en pointillés. On obtient un contraste de franges de 0,7 à 775 nm et de 0,85 à 1550 nm, en raison de la différence de puissance entre les deux voies.

Figure 3.3 – Montage expérimental utilisé pour la démonstration de la combinaison cohérente de générateurs de seconde harmonique. Avec OM l’oscillateur maitre, Aa

et Ab les sorties des amplificateurs des voies a et b, Fa et Fb les fours des cristaux des

voies a et b, D1 et D2 les détecteurs à ω et 2ω, M1 et M2 les lames séparatrices 50/50

à ω et 2ω et C2 la caméra à 2ω.