B.1. Développement et caractérisation d’un instrument compact
B.1.3. Conception du bloc de conversion de fréquence et caractérisation de
Dans un premier temps l'idée a été de réaliser un NesCOPO permettant de délivrer quelques µJ en adaptant les cavités signal et complémentaire sans trop dégrader leur finesse. Il existe un compromis entre la finesse des cavités et l'énergie extraite. En effet, la finesse et l'énergie extraite dépendent tous deux des coefficients de réflexion d'une cavité optique. Ainsi, plus l'énergie extraite est grande plus la finesse est dégradée. Or, le caractère monofréquence de l'émission OPO est affecté par la finesse des cavités optiques. En effet, si la finesse est trop dégradée le filtrage par effet Vernier est moins efficace conduisant à une émission des modes voisins [Scherrer - 2000].
La solution alors envisagée a été de développer un émetteur constitué d’un NesCOPO avec un cristal en accord de phase de type 0 suivi d’un étage d’amplification, une configuration MOPA [Master Oscillator - Power Amplifier] en d'autres termes. Cette configuration plus souple permet de dissocier les problèmes liés à la qualité spectrale de l'émission et ceux liés à l'énergie extraite. A présent, l'objectif est de concevoir un émetteur compact et énergétique basé sur cette configuration.
Architecture de l'émetteur
L'émetteur est décrit en Figure 26 est alors constitué d'un NesCOPO, l'oscillateur maître, et d'un étage d'amplification. Notons que le laser de pompe et le NesCOPO amplifié sont placés sur deux petits marbres isolés l'un de l'autre en vibration. En effet, des problèmes vibratoires dus au refroidissement des diodes de pompe du laser de pompe nous ont amenés à cette solution. En sortie du laser de pompe, le faisceau est collimaté sur un diamètre Φ de 4 mm correspondant à la largeur à mi-hauteur (FWHM). Après isolation, jusqu'à 10 µJ sont prélevés à l'aide d'une lame demi-onde et d'un cube polariseur et focalisé sur un rayon de pompe au waist ωp de 60 µm permettant de pomper le module NesCOPO. Ce module utilise un cristal non linéaire de PPLN dopé MgO de 4 mm en accord de phase de type 0. Ainsi, l'Intervalle Spectral Libre (ISL) de la cavité signal est d'environ 15 GHz.
Figure 26 : Schéma expérimental de l'émetteur largement accordable de 3,3 à 3,8 µm
λ/2
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Trois réseaux de quasi-accord de phase sont disponibles conduisant à une accordabilité en température de 3,3 µm à 3,7 µm. Le cristal est inséré dans une cavité linéaire composée de deux miroirs externes. Le miroir d'entrée M1 de 20 mm de rayon de courbure réfléchissant 80 % à 3,5 µm et le miroir de fond doré M3 de 20 mm de rayon de courbure hautement réfléchissant pour les trois ondes (signal, complémentaire et pompe). Une lame dichroïque placée devant le NesCOPO permet de sélectionner uniquement le faisceau complémentaire en réflexion afin de l'amplifier. L'étage d'amplification est constitué d'un cristal de PPLN dopé MgO en quasi accord de phase de type 0 de 20 mm de long. Les faisceaux pompe et complémentaire sont focalisés au centre du cristal tels que leur rayon au waist soit de ωp = 105 µm et ωc = 125 µm respectivement. L'impulsion OPO est décalée temporellement par rapport à l'impulsion de pompe car la formation de l'impulsion OPO nécessite un temps de construction. Pour optimiser le recouvrement temporel entre la pompe et le complémentaire à amplifier, et ainsi maximiser le gain de l'étage d'amplification, les impulsions pompe sont retardées de 2,7 ns à l'aide d'une ligne à retard de 80 cm. De plus, à cause de pertes introduites par les optiques, jusqu'à 140 µJ de pompe sont disponibles pour l'étage d'amplification.
Caractérisation de l'émetteur
Caractérisation du NesCOPO
Les performances en puissance du NesCOPO sont résumées sur la Figure 27(a) représentant l'énergie extraite de l'OPO en fonction de l'énergie de pompe incidente. Le seuil d'oscillation se situe entre 1 µJ et 2 µJ. Des impulsions de 350 nJ sont émises entre 3,3 µm et 3,7 µm pour une énergie de pompe incidente de 9,5 µJ. Afin de limiter la dégradation de la qualité spatiale et spectrale du faisceau complémentaire due aux effets de saturation pour des taux de pompage élevés, nous choisissons de travailler avec une énergie de pompe de 4,5 µJ correspondant à la zone utile de la Figure 27(a). Dans ces conditions, l'OPO délivre des impulsions de 100 à 150 nJ sur la plage d'accordabilité. Après plusieurs optiques de filtrage, le NesCOPO délivre 125 nJ accordables entre 3,3 µm et 3,8 µm.
Méthode d'accordabilité Plage de fréquence d'accord
Réseau 3 réseaux permettant un accord entre 3,3 et 3,8 µm Température 100 nm par réseau pour un ΔT de 100 °C
PZT 20 nm à réseau et température fixés
Tableau 6 : Gammes spectrales accessibles par le NesCOPO pour les trois méthodes d'accord en fréquence décrites dans la section A.3.2.
L'accordabilité de la source optique développée pour les trois méthodes d'accord en fréquence décrites au paragraphe A.3.2 est résumée dans le Tableau 6. Le NesCOPO peut notamment être accordé sur 20 nm à 3,3 µm en jouant uniquement sur la position des miroirs M1 et M3 montés sur des cales piézo-électriques (PZT).
La Figure 27(b) représente le spectre du signal émis autour de 1,5 µm en pompant l'OPO trois fois au dessus du seuil (correspondant à une énergie de pompe de 4,5 µJ) avec en insert le profil spatial du faisceau complémentaire après collimation. Le spectre émis par l'OPO est mesuré à l'aide de l'analyseur de spectre optique (ANDO AQ6317B) en prélevant une partie du faisceau signal émis autour de 1,5 µm. Cet analyseur de spectre optique permet de visualiser le caractère monofréquence du NesCOPO. En effet, la résolution de l'analyseur de spectre est suffisante pour visualiser l'apparition de modes voisins séparés de 15 GHz.
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Figure 27 : Caractéristique en puissance de l'OPO seul à 3,3 µm (en noir) et 3,5 µm (en bleu) et 3,7 µm (en rouge) (a) et le spectre expérimental mesuré à l'OSA de l'OPO à 3,3 µm (insert : le profil spatial après collimation) en pompant à trois fois au dessus du seuil avec émission d'un mode unique au centre de la bande de gain (en noir) et de deux
modes en bord de bande de gain représenté en tirets rouge.
Lors de ces caractérisations spectrale et spatiale le complémentaire est émis autour de 3,3 µm. L'émission OPO est monofréquence à 3,3 µm avec une très bonne extinction des modes secondaires (SMSR) supérieur à 30 dB excepté sur les bords de la bande de gain.
Comme illustré sur la Figure 27(b), en bord de bande de gain deux modes en coïncidence exacte sont émis simultanément. En effet, à 3,3 µm la bande de gain est trop large pour contenir qu'une seule coïncidence exacte rendant le compromis entre la dissociation et la largeur de la bande de gain difficile à réaliser. Si on souhaitait être monofréquence sur l'ensemble de la bande de gain du NesCOPO à 3,3 µm, on utiliserait un cristal de PPLN en accord de phase de type II [Hardy - 2011 a]. Dans le chapitre C, ce type de cristal est utilisé à 2 µm. L'émission simultanée de deux modes n'est pas souhaitable dans le cadre d'une mesure LIDAR. En effet, l'émission simultanée de deux modes provoquent lors d'une mesure LIDAR soit une mauvaise estimation de la quantité de lumière absorbée soit l'apparition de raies parasites comme nous l'expliquerons dans le paragraphe B.2.1. Nous verrons également qu'il est possible de s'affranchir de cette source d'erreur dans les paragraphes B.1.3 et B.1.5. Par ailleurs, le profil spatial, en insert dans le graphique, montre un profil gaussien du faisceau émis à 3,3 µm.
Figure 28 : Profils temporels normalisés de l'impulsion signal générée et de l'impulsion de pompe
La Figure 28 représente le profil temporel de la pompe et du signal émis par l’OPO mesurés au même endroit avec une photodiode InGaAs. La formation de l'impulsion OPO nécessite
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un temps de construction représentée sur la Figure 28. En effet, l'impulsion OPO est décalée temporellement d'environ 4 ns par rapport à l'impulsion de pompe. Ainsi, pour optimiser le recouvrement temporel entre l’onde de pompe et l’onde complémentaire à amplifier, les impulsions pompe sont retardées de 2,7 ns à l'aide d'une ligne à retard de 80 cm. Sur ce banc optique, il n'a pas été possible de retarder d'avantage les impulsions pompe par soucis de compacité.
Performances de l'émetteur : le NesCOPO amplifié
Les épaisseurs optiques du méthane et de la vapeur d'eau atmosphériques sont intéressantes autour de 3,3 µm dans le cadre d'une mesure IP-DiAL sur une portée de quelques dizaines de mètre. En effet, l'absorption de ces deux gaz dans cette gamme spectrale pour les portées désirées n'est ni trop forte ni trop faible. Par conséquent, les tests de validation seront effectués sur ces deux espèces et l'ensemble des caractérisations présentées sont réalisées pour une émission de l'onde complémentaire autour de 3,3 µm en utilisant le réseau de pas 30,7 µm.
Figure 29 : Bande d'émission de l'OPO et le spectre de l'OPO amplifié mesuré par un analyseur de spectre optique (en insert : Profil spatial du faisceau complémentaire
amplifié)
Tout d'abord, le faisceau complémentaire disponible en sortie de l'émetteur a une bonne qualité spatiale et spectrale. En effet, l'OPA ne dégrade pas la pureté spectrale des ondes signal et complémentaire. De plus le profil spatial, en insert de la Figure 29, montre une bonne qualité spatiale du faisceau complémentaire amplifié.
Les caractérisations concernant la bande de gain de l'OPO et le spectre du faisceau amplifié sont réalisées avec un analyseur de spectre optique (ANDO AQ6317B) en prélevant pour la première une partie du signal généré par le NesCOPO et pour la seconde une partie du signal généré après amplification. Le balayage des cales PZT pendant la mesure de spectre permet de visualiser expérimentalement la bande de gain du NesCOPO représentée en noir sur la Figure 29. La largeur totale de la bande de gain d'émission du NesCOPO est de l'ordre de 800 GHz soit environ 26 cm-1. De plus, l'émission OPO amplifié est monofréquence à 3,3 µm avec une très bonne extinction des modes secondaires (SMSR) supérieur à 30 dB.
Néanmoins, la gamme spectrale accessible avec l'étage d'amplification ne correspond pas à la largeur d'émission du NesCOPO illustrée sur la Figure 30(a). En considérant les longueurs de cristaux respectifs du NesCOPO et de l'OPA, à température fixée, la largeur spectrale de la bande d'émission du NesCOPO est environ deux fois plus large que celle de l'étage d'amplification. En effet, la largeur de la bande de gain est inversement proportionnelle à la
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longueur du cristal traversé [Boyd - 1992]. La Figure 30(a) compare la largeur de la bande d'émission du NesCOPO, mesurée à l'analyseur de spectre optique (ANDO AQ6317B), avec celle de la bande de gain d'amplification. La bande de gain de l'étage d'amplification est mesurée au puissance-mètre en fonction de la fréquence émise. La largeur spectrale de l'étage d'amplification vaut approximativement 400 GHz. Ceci est en accord avec la valeur attendue de 320 GHz. En présence de l'étage d'amplification, nous observons :
une réduction de la plage d'accordabilité utile à 13 cm-1 ;
émission monofréquence sur la plage spectrale disponible
Par ailleurs, dans cette configuration, le faisceau complémentaire en sortie du NesCOPO est amplifié par un facteur 40. Ainsi, jusqu'à 5 µJ sont extraits à 3,3 µm conduisant à un rendement de conversion non linéaire optique - optique global assez faible de l'ordre de 7,5 %.
Figure 30 : Comparaison de la largeur d'émission de l'OPO (trait plein noir) et la largeur d'amplification de l'OPA (points rouge) à 3,3 µm (a) et simulation du gain en puissance
de l'étage d'amplification constitué d'un cristal de PPLN de 20 mm de long (b)
La Figure 30(b) montre le gain théorique en puissance de l'étage d'amplification simulé pour un coefficient non linéaire deff de 14,8 pm/V [SNLO] et un cristal de PPLN de 20 mm de long.
Le modèle utilisé est un modèle en onde plane réalisé pour les impulsions longues [SNLO].
Dans ces conditions, le gain en puissance théorique vaut environ 70. Plusieurs causes expérimentales peuvent expliquer ce facteur 2 entre le gain théorique et le gain expérimental :
un mauvais recouvrement spatial expérimental entre le faisceau de pompe et le faisceau complémentaire ;
une ligne à retard trop courte ;
un coefficient non linéaire réel plus faible que la valeur théorique.
A partir de la simulation, nous estimons les pertes dues à l'ensemble de ces causes d'environ 40 %. La cause la plus probable de ce gain faible est le mauvais recouvrement spatial entre les ondes de pompe et complémentaire.
Avec cette configuration de l'émetteur, à température fixée sans ajustement d'autres paramètres que la position des PZTs, la gamme spectrale accessible pour les mesures IP-DiAL est limitée par la largeur du gain de l'étage d'amplification (Figure 30(a)). L'onde complémentaire, de bonne qualité spatiale et spectrale, est accordable sur 14 nm soit
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environ 13 cm-1. Le rayonnement complémentaire présente des qualités adaptées à la mesure LIDAR IP-DiAL multi-espèces.
En sortie de l'émetteur, le faisceau complémentaire amplifié est collimaté avec une lentille en CaF2 de 25,4 mm de diamètre et 80 mm de focale. La divergence du faisceau est de l'ordre de 1 mrad.
Par ailleurs, la stabilité en position du faisceau complémentaire est caractérisée. La position du faisceau est repérée à l'aide d'une caméra Pyrocam III (dont les pixels font 100 µm de côté) placée à 215 cm de la sortie de l'émetteur. Une instabilité en position de +/- 100 µm à 215 cm est mesurée pour un faisceau de 9 mm de diamètre. De même, lorsque l'on passe d'une fréquence à une autre séparée d'un ISL, le faisceau complémentaire se déplace de 100 µm à une distance de 215 cm de la sortie de l'émetteur. Ainsi, le dépointé du faisceau en sortie de l'émetteur est de 0,05 mrad.
De plus, les fluctuations en intensité du faisceau complémentaire sont caractérisées et de l'ordre de +/- 3 % sur 1 s en écart-type. Sans correction de ces fluctuations en intensité, un biais c'est-à-dire une erreur systématique corrélée à ces fluctuations est présente sur la mesure LIDAR. En effet, les variations en absorption du signal lidar sont alors dues aux fluctuations en intensité de l'émetteur. L'ajout du détecteur de référence permet de réduire ce biais comme nous le verrons dans le paragraphe B.2.1.
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