Le développement pratique de la source DROPO par l’ONERA s’est heurté à quelques difficultés expérimentales. En effet, nous rappelons (Fig.3. 18) l’architecture envisagée pour le DROPO avec le cristal de ppLN biaisé afin d’ajuster finement l’accord de phase ainsi que le miroir M2 déposé directement sur la face externe opposée du cristal.
Fig.3. 18 : Architecture optique (gauche) et architecture mécanique (droite) du DROPO
Durant des premiers tests, des dommages optiques ont été observés sur le miroir M2, directement déposé sur le cristal. Une configuration avec un miroir externe a été mise en place pour pallier ce problème. Ce sont les résultats obtenus dans cette configuration que nous présentons ci-après. Nous pouvons cependant noter ici que des expériences ultérieures avec un cristal de PPLN, dont les traitements des miroirs ont été effectués chez un autre fournisseur, ont été réalisées.
Un DROPO en configuration linéaire avec miroir externe a donc été conçu. Seul 1 mJ de pompe est utilisé pour pomper le DROPO sur un rayon d’étranglement (« waist ») de 250 µm. Le cristal utilisé dans cette nouvelle configuration est un cristal de PPLN en type II (largeur spectrale fine) de 16 mm. Un DROPO en configuration linéaire avec miroir externe a donc été conçue à l’ONERA. Ces changements ont aussi une influence sur l’oscillation du mode longitudinal. En effet, avec une cavité plus longue, l’espacement de modes est plus court et l’obtention d’une émission monomode longitudinale est plus difficile. Le système est développé autour d’un laser de pompe Nd :YAG déclenché (« Q-switch »). Un faisceau de 3.6W est produit par une cavité (résonateur instable) délivrant un profil laser gaussien en champ lointain avec un waist de 2mm produisant une émission monomode longitudinale à 1064 nm, à une fréquence de répétition de 30 Hz et une énergie de 120 mJ. La durée des impulsions est de 15 ns.
Chapitre III : Source laser de puissance à 2 microns
L’oscillation a lieu, avec un seuil autour de 200µJ. Une énergie de sortie de 8µJ pour une pompe incidente de 0.5 mJ est obtenue. L’énergie extraite apparaît avoir un comportement quasi-linéaire (pente d’extraction ~ 3%) avec l’énergie de pompage dès lors que le seuil d’oscillation est atteint (Fig.3. 19).
Fig.3. 19 : Energie de sortie du DROPO en fonction de l’énergie de l’onde pompe incidente (gauche) et
profils temporels du signal complémentaire du DROPO et de la pompe
Concernant l’OPA, une caractérisation de l’étage de pré-amplification a d’abord été effectuée : après une ligne à retard de 10 ns, 6 mJ sont utilisés pour pomper le premier étage d’amplification. La mesure du faisceau est effectuée avec une caméra infrarouge pyrocam de pixels de 100 µm (Fig.3. 20).
Fig.3. 20: Profil spatial de sortie du préamplificateur et profil temporel du signal complémentaire sans et avec
préamplification
Le gain typique de l’étage de préamplification est de 6 (avec une pompe de 5mJ), alors que le gain maximal atteint est de 13 (avec une pompe de 6 mJ).
L’étage d’amplification (« boosters ») de cristaux de KTP a lui aussi été caractérisé : la puissance de sortie ainsi que l’efficacité de conversion et la qualité de faisceau ont été investigués. Ces résultats sont représentés sur la figure ci-après (Fig.3. 21).
Fig.3. 21 : Faisceau de sortie de l’amplificateur (gauche) et profil temporel du signal complémentaire sans et
avec amplification et pompe incidente (droite)
La puissance de sortie de l’ensemble de l’unité de conversion atteinte dans la configuration testée est de 12.5 mJ ce qui correspond à une efficacité de conversion de 12%. On observe aussi une déplétion de 33% de la pompe à travers les 4 KTP (Fig.3. 21 droite) ce qui induit une conversion de la pompe en signal de 17.8 %, les photons « signal » étant plus énergétiques que les photons « complémentaires ». L’énergie effective en entrée des KTP est de 86mJ du fait des différentes pertes sur les optiques (miroirs, ligne à retard). Ainsi, en tenant compte de ces pertes, le pourcentage de conversion par rapport aux 93 mJ de pompe disponibles en entrée des différents étages est de 16.5%. Expérimentalement, une énergie de 11.2 mJ est mesurée, ce qui correspond à 12 % d’efficacité de conversion par rapport à la pompe de 93 mJ et de 13% par rapport aux 86 mJ effectifs. Ces pertes sont dues aux miroirs filtrants placés en sortie de l’étage de KTP et peuvent être réduites avec de meilleurs miroirs.
En ce qui concerne le facteur de qualité M2 du faisceau, celui-ci a été caractérisé en mesurant les waists du faisceau dans les directions horizontale et verticale, et est inférieur à 1.9 (Fig.3. 22).
Fig.3. 22 : Mesure du facteur de qualité M2 du faisceau déduit des waists vertical (gauche) et horizontal (droite)
Chapitre III : Source laser de puissance à 2 microns
L’objectif de 30 à 40 mJ avec une efficacité de conversion optique-optique supérieure à 35%, ne sont pour le moment pas atteints, cependant de nombreux points peuvent être améliorés afin d’augmenter l’efficacité du système :
- DROPO : en revenant à la configuration initiale (cristal plus court et miroir déposé sur le cristal), et en effectuant un meilleur ajustement du biseau, un gain de 2 est attendu sur la puissance ainsi que sur la stabilité spectrale (cavité plus courte). Cette expérience a été vérifiée récemment à l’ONERA - préamplificateur PPLN : le recouvrement de modes peut être amélioré en ajustant la partie opto- mécanique et la stabilité de pointage du faisceau (instabilités thermo-mécaniques). De plus un cristal plus long peut être envisagé. De nouveaux cristaux de PPLN à large ouverture (IMS Japan) ont été développés ; ainsi ce type de cristaux permettrait de coupler une pompe plus intense (la double- réfraction deviendrait de même négligeable). Un gain de 2 peut être attendu sur cet étage.
- amplificateurs KTP : dans cet étage, l’ajout d’un cinquième cristal de KTP ainsi que la suppression des pertes intermédiaires (miroirs filtrants et ligne à retard) permettrait d’augmenter considérablement le gain.
Les performances attendues et les performances expérimentalement mesurées ainsi que les points d’amélioration potentiels sont récapitulés dans le tableau suivant (Tab.3. 5).
Tab.3. 5 : Performances théoriques attendues et performances expérimentales pour chaque étage du MOPA
attendu obtenu points d'amélioration /
gain attendu paramètre puissance (puissance incidente) efficacité de conversion / gain puissance (puissance incidente) efficacité de conversion / gain DROPO 100 µJ (1 mJ) 10 % 8 µJ (0.5 mJ) 1.6 % - PPLN 12 mm - miroir déposé - gain x 2 préamplificateur PPLN 2 mJ (10 mJ) 20 (gain) 0.2 mJ (6 mJ) 13 (gain)
- cristal plus long
- stabilité pointage - gain x 2 amplificateur KTP 35 mJ (100 mJ) 35% 12.5 mJ (86 mJ) 12% - 5 ème cristal - Suppression pertes - gain x 2