2.3 Etude expérimentale d’un OPO-OPA nanoseconde à 3
µm
Pompe Pompe dépeuplée
w c w s KTA w p M1 M2 M3 M4 b) 20 mm
Pompe Pompe dépeuplée
wc w d ws KTA KTA wp M1 M2 M3 M4 c) 20 mm 15 mm
Pompe Pompe dépeuplée
wc w s KTA wp M1 M2 M3 M4 a) 20 mm
Fig. 2.6: Schéma des différentes cavités OPO étudiées, toutes résonnantes au signal : (a) SRO avec une cavité courte de 60 mm, (b) SRO avec une cavité longue de 75 mm, (c) OPO–OPA avec une cavité de 75 mm. Le processus d’OPA peut être éteint en déréglant le deuxième cristal en dehors de l’accord de phase.
Dans cette partie nous voulons évaluer de manière quantitative les avantages et les inconvé- nients de l’OPO–OPA en régime nanoseconde par rapport au SRO. Pour cela, nous considérons les 3 architectures de cavité décrites sur la Fig. 2.6. La source de pompe est un laser Nd:YAG pompé par flash, émettant des impulsions de 27,5 ns LTMH à λp = 1,064 µm avec un taux
de répétition de 12,5 Hz. Le faisceau est collimaté avec un waist de ∼ 720 µm. L’énergie de pompe disponible est ∼ 90 mJ (3,7 MW/cm2), ce qui est bien inférieur au seuil de dommage
des miroirs.
2.3.1
SRO à cavité courte
La première cavité est un OPO simplement résonnant à cavité courte, décrit sur la Fig. 2.6(a). La cavité de 60 mm de long est formée d’un cristal de KTA de 5x5x20 mm3
et de deux miroirs plans M1 et M2. Ce cristal est utilisé à l’accord de phase de type II non
critique selon l’axe x (φ = 90◦ and θ = 0◦). Ceci permet de bénéficier d’un coefficient non-
linéaire effectif de deff = 3,18 pm/V [Nik05], sans séparation spatiale des faisceaux pompe,
signal et complémentaire par effet de double réfraction. Les deux faces du cristal sont traitées anti-reflet pour la pompe (λp = 1,064 µm), le signal (λs = 1,54 µm) et le complémentaire
Tab. 2.2: Caractéristiques spectrales mesurées des optiques de l’OPO–OPA. La perte à 2,78 µm est celle d’une seule face du cristal.
Optique Réflectivité (%) Pertes à λc (%)
λs = 1,54 µm λc = 3,45 µm λd = 2,78 µm
M1, M2 98,5 6 48
M3, M4 2,5 4
KTA 20 mm < 0,6 < 0,7 17
KTA 15 mm < 0,2 < 0,7 59 16
(λc = 3,45 µm). Les miroirs de cavité M1 et M2 sont traités Tmax pour le complémentaire et
Rmax pour le signal. Afin d’éviter un possible endommagement de ces miroirs, le faisceau de
pompe entre dans la cavité par le miroir M3 à 45◦ et en ressort par le miroir M4 à 45◦. La
cavité étant linéaire, ceci permet également d’éviter un retour de pompe. Les miroirs à 45◦ sont
bien sûr Tmax pour le signal et le complémentaire, et Rmax pour la pompe. Les caractéristiques
spectrales des optiques aux différentes longueurs d’onde ont été mesurées et sont reportées dans le Tab. 2.2. Ces mesures révèlent des pertes anormalement élevées dans les cristaux de KTA. Cette valeur est largement supérieure à ce qui est rapporté pour l’absorption typique du KTA pour l’accord de phase utilisé, qui donnerait plutôt 4 % [Han00]. Il est possible qu’il s’agisse d’un problème avec les traitements diélectriques. Cette perte limite fortement les performances du SRO, et plus encore celles de l’OPO–OPA qui utilise deux cristaux de KTA. Cependant, grâce au modèle développé au Chap. 2.2.3, il est possible de prédire les performances de ces systèmes en l’absence d’absorption.
La Fig. 2.7 donne les courbes d’entrée-sortie pour les différentes situations étudiées dans ce chapitre. Le SRO en cavité courte présente un seuil de 40 mJ et une efficacité de 7,2 % pour une énergie de pompe de 86,4 mJ.
2.3.2
SRO à cavité longue
La deuxième étape consiste à allonger la cavité du SRO jusqu’à 75 mm, longueur physique de l’OPO–OPA, comme illustré sur la Fig. 2.6(b). L’efficacité différentielle est la même qu’en cavité courte, mais le seuil augmente à 48 mJ. Ceci est évidemment dû à l’augmentation du temps de construction dans cette cavité. En effet, pendant une même durée le signal et le complémentaire font moins d’aller-retours dans la cavité longue que dans la cavité courte. L’amplification est plus faible et il faut plus de temps pour que le signal sorte du bruit. À cause de la durée limitée de l’impulsion de pompe (∼50 tours de cavité), ce temps de construction diminue l’efficacité de
2.3 Etude expérimentale d’un OPO-OPA nanoseconde à 3 µm 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 SRO (60 mm) SRO (75 mm) OPO-OPA off OPO-OPA on E co m p l. ( m J) E pompe (mJ)
Fig. 2.7: Energie du complémentaire en fonction de l’énergie de pompe pour les 4 situations d’OPO étudiées. Les points sont des mesures expérimentales et les courbes sont des guides visuels.
l’OPO.
2.3.3
OPO–OPA
40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SRO (60 mm) : 3.45 µm OPO-OPA : 3.45 µm OPO-OPA : 3.45 µm + 2.78 µm E co m p l . ( m J) E pompe (mJ)Fig. 2.8: Energie complémentaire pour le SRO (60 mm) et énergie infrarouge totale (3,45 µm + 2,78 µm) pour l’OPO–OPA en fonction de l’énergie de pompe. Les points sont des mesures expérimentales et les courbes sont des guides visuels. Les pertes infrarouges du cristal OPA et du miroir de sortie M2 ont été soustraites.
L’OPO–OPA est réalisé en ajoutant un deuxième cristal non-linéaire, comme sur la Fig. 2.6(c). Ce cristal de KTA de 7x7x15 mm3 est utilisé en type II (φ = 70◦ et θ = 0◦)
deuxième cristal est choisie afin d’être assez proche de l’optimum déterminé au Chap. 2.2.2. Il est monté sur une platine de rotation très précise afin de pouvoir optimiser l’accord de phase. Appartenant à la même série que le premier cristal de KTA, il est traité antireflet pour le signal et le complémentaire, mais possède une perte de 16 % pour le complémentaire.
L’OPO–OPA présente un seuil de 50 mJ avec ou sans OPA (selon que le deuxième cris- tal est à l’angle d’accord de phase ou non). L’augmentation du seuil par rapport au SRO est principalement due à l’augmentation du temps de construction. En revanche, l’OPA lui-même n’affecte pas le seuil car le dépeuplement de l’onde signal dans le deuxième cristal n’apparait qu’au delà d’un certain seuil, lorsque la puissance signal intracavité est suffisamment impor- tante. Sans OPA, 2,7 mJ de complémentaire sont produits pour 81 mJ de pompe, soit une efficacité de 3,3 %. Avec OPA, ces chiffres passent à 3,8 mJ et 4,7 % pour la même puissance de pompe. L’OPA augmente donc l’énergie disponible à 3,45 µm de 35 %. Ceci avait été cor- rectement prédit par la modélisation qui prévoyait une augmentation de 40 %. Il est important de se rappeler que ces performances sont fortement dégradées par les pertes indésirables dans les deux cristaux de KTA. De plus, le paramètre γ obtenu expérimentalement est légèrement sous-optimal, en partie à cause du walk-off dans le deuxième qui réduit la longueur effective d’interaction. L’amélioration des performances de l’OPO–OPA est discutée au chapitre suivant. Par ailleurs, l’OPO–OPA produit un rayonnement supplémentaire dans le deuxième cristal, par différence de fréquences selon la relation 1,54 µm – 3,45 µm → 2,78 µm. Si nous mesurons l’énergie totale dans l’infrarouge, nous obtenons maintenant les courbes de la Fig. 2.8. Dans cette figure, nous avons dû ôter les pertes à la longueur d’onde complémentaire et de diffé- rence de fréquences afin de pouvoir comparer correctement leurs apports relatifs. Nous voyons maintenant qu’en dépit de son seuil plus élevé, et d’une configuration loin d’être optimale, l’OPO–OPA produit plus d’infrarouge que le SRO à partir de 80 mJ (2× le seuil).