Génération Paramétrique Optique et Oscillation Paramétrique Optique

Quittons donc pour quelques temps le domaine des lasers accordables « purs » pour nous intéresser aux processus non-linéaires permettant de réaliser des sources globalement accordables à partir de lasers à longueurs d’onde fixes. Au premier rang de ces processus figure la Génération Paramétrique Optique (GPO) et son extension aux cavités résonantes l’ Oscillateur Paramétrique Optique ou OPO. Nous donnerons quelques éléments très simples de théorie concernant la GPO au chapitre IV (ce processus sera utilisé par notre source laser), mais ne développerons pas ici la théorie générale des OPO [Giordmaine 65][Victori 01], le sujet étant trop vaste pour être traité en quelques lignes.

Les OPO permettent par rotation du cristal non-linéaire utilisé et/ou balayage de sa température de choisir l’accord de phase, c'est-à-dire de choisir la longueur d’onde de l’onde signal une fois fixée la longueur d’onde de pompe. L’accordabilité peut être extrêmement large, dépendant essentiellement de la longueur d'onde de pompe et des cristaux utilisés (zone de transparence et domaine de longueur d’onde où il existe un accord de phase pour une longueur d'onde de pompe fixée).

Pour réaliser un OPO accordable dans une plage de longueurs d’onde donnée, il est nécessaire de le pomper avec une onde de longueur d'onde plus courte: la loi de conservation de l’énergie impose en effet ħωp = ħωs + ħωc, où l’onde pompe (correspondant à l’onde incidente sur le cristal) est référencée par l’indice p et les deux ondes générées sont appelées signal (indice s) et complémentaire (indice c) avec par convention ωs ≥ ωc. La conséquence directe de cet état de fait est qu’un OPO ultraviolet se doit d’être pompé par un laser « encore plus ultraviolet », c'est-à-dire de longueur d’onde plus courte. On voit immédiatement le problème posé puisque on s’est aperçu que les lasers UV puissants sont rares, en particulier si on décide de se passer des encombrants lasers à excimères. A cela s’ajoute la rareté et la faible efficacité des cristaux non- linéaires susceptibles d’être utilisés en dessous de 350 nm. La voie le plus souvent suivie consiste donc à réaliser un OPO efficace dans le proche infrarouge puis à le doubler en fréquence (intracavité pour augmenter l’efficacité de conversion). C’est la démarche suivie par exemple par Marshall et al. [Marshall 93] : un OPO basé sur un cristal de KDP pompé par le second harmonique d’un laser Nd :YAG déclenché (45 mJ, 10 ns) permet une accordabilité entre 760 et 1040 nm. Un cristal de BBO est inséré dans la cavité pour réaliser le doublement (figure I.16). Sa sensibilité angulaire est suffisante pour couvrir la zone 680-1100 nm et il est donc bien adapté pour obtenir des accordabilités ultra-larges. La zone de longueurs d'onde couverte va de l’UV proche au visible (380 nm à 520 nm) avec un rendement de conversion de l’infrarouge vers l’ultraviolet d’environ 5%.

Pour atteindre des longueurs d’ondes plus basses, l’idée la plus simple à mettre en œuvre est de pomper le même genre d’OPO avec le troisième harmonique d’un laser Nd :YAG [Haub 93]. Une telle configuration engendre cependant une diminution de la puissance de pompe (la génération de troisième harmonique est moins efficace que la génération du second) et oblige à se priver du cristal de KTP, pourtant plus efficace que son collègue le BBO mais opaque à 355 nm. Fix et al. proposent d’utiliser la somme de fréquence pour abaisser la longueur d’onde d’un OPO pompé par un laser Nd :YAG doublé (400 mJ, 6,5 ns, 10 Hz) [Fix 98, 02] : un tel OPO (utilisant un cristal de KTP) produit un rayonnement accordable entre 700 et 830 nm (limité par les traitements utilisés pour les miroirs), lequel peut être sommé intracavité avec une partie du signal de pompe à 532 nm (figure I.17a). L’accordabilité résultante s’étend continûment de 302 à 324 nm avec un rendement de l’infrarouge vers l’UV de 5%. Suivant la même idée, ils utilisent le même OPO mais mélangent son rayonnement accordable (toujours de 700 à 830 nm, pompé par le même laser doublé à 532 nm) avec le troisième harmonique du laser Nd :YAG de pompe afin d’obtenir une accordabilité de 234 à 250 nm et un rendement de 3% (figure I.17b).

Enfin des progrès sont attendus en termes de rendement grâce à l’utilisation de matériaux à quasi-accord de phase comme milieu non-linéaire pour les OPO infrarouges [Baxter 00].

Figure I.17 : Configuration d’OPO avec somme de fréquence intracavité (a) ω_OPO+ 2ω_YAG, (b) : ω_OPO + 3ω_YAG. Figure I.16 : OPO (cristal de KTP) doublé intracavité dans un cristal de BBO [Marshall 93].

L’OPO s’annonce donc, de part sa large accordabilité et son rendement de conversion très convenable, comme un candidat de choix pour quiconque cherche à réaliser des sources accordables (quelque soit la longueur d’onde, et en particulier dans l’UV pour rester dans le domaine qui nous intéresse). Il y’a cependant un point capital à noter : tous les OPO présentés ici fonctionnent en régime nanoseconde (la durée des impulsions de pompe est de l’ordre de 10 ns – pour fixer les idées), c'est-à-dire que chaque impulsion à une étendue physique de 3 mètres. Cette étendue étant bien plus grande que la taille de la cavité résonante utilisée, les photons signal ont le temps d’effectuer un grand nombre d’allers-retours dans le résonateur pendant le passage de l’impulsion de pompe, ce qui permet d’obtenir une bonne efficacité et des profils spatiaux corrects. Lorsqu’on veut passer en régime picoseconde (disons moins de 100 ps), on constate que les impulsions ne s’étendent maintenant plus que sur 3 cm, ce qui est en général plus court que la longueur de la cavité. La conséquence est immédiate : si on veut une efficacité maximale, il faut que l’onde signal générée rencontre une onde pompe à chaque fois qu’elle passe dans le cristal non-linéaire, autrement dit il faut synchroniser la pompe et le signal… Cela donne lieu à des systèmes plus complexes (notamment au niveau électronique) et rend les OPO picosecondes bien plus délicats à réaliser que leurs acolytes nanosecondes [Byer 93][Bosenberg 95].