MOPA : architecture envisagée

Afin de satisfaire à la fois aux exigences spectrales, spatiales et énergétiques, l’ONERA/DMPH a choisi de développer une architecture de type oscillateur/amplificateur. (Master Oscillator / Power Amplifier : MOPA)

4.1. DROPO

Le DROPO constitue la partie critique du développement de l’unité de conversion de fréquence. En effet, le but du DROPO n’est pas l’obtention d’une émission de puissance mais la génération d’une émission d’un faisceau monomode longitudinal, en accord avec les spécifications en termes de longueur d’onde, largeur spectrale et pureté spectrale. Le design de celui-ci est basé sur un quasi- accord de phase de type II dans un cristal de PPLN. En effet, dans le cadre précis investigué, nous nous trouvons proche de la dégénérescence (ωs ≈ ωc ≈ ωp/2). Dans ce cas, l’émission obtenue par interaction paramétrique est plus étroite spectralement pour une interaction de type II qu’une interaction de type 0 (trois ondes ayant la meme polarisation).

Fig.3. 16 : Design préliminaire du DROPO

La cavité est une cavité originale, qui permet de compacter le design de base de l’OPO à cavités duales [Raybaut 2009]. Celle-ci n’est composée que de trois miroirs. Comme représenté précedemment (Fig.3. 16), les ondes signal et complémentaire oscillent respectivement entre les paires de miroirs M2- M3 et M1-M3. Les miroirs M1 et M3 sont montés sur deux PZT (PieZoelectric Translators) pour effectuer un ajustement en fréquence fin. Le miroir M2 est déposé directement sur la face du cristal. La cavité signal est une cavité à très haute finesse et le complémentaire est couplé en sortie par le miroir M1 à l’étage d’amplification. Dans cette configuration, c’est le même miroir (M3) qui réfléchit les trois ondes (pompe, signal, complémentaire). La réflexion du faisceau de pompe augmente les performances du DROPO si la phase relative ∆φ=φp-(φc+φs) est correctement ajustée afin de maintenir

le processus de conversion paramétrique au retour. Ceci est effectué en utilisant un cristal avec un faible biseau : ∆φ peut alors être ajustée en déplaçant le cristal perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau. La période du pas de polarisation du cristal de ppLN est de l’ordre de

ω

ω

ω

ω

14.4µm. Pour différentes périodes on peut atteindre la longueur d’onde désirée en ajustant la température.

Différents paramètres sont limités par le cristal lui-même. En effet, l’ouverture de celui-ci donne la taille maximale du rayon d’étranglement (« waist ») des ondes et ainsi la puissance maximale de pompe injectable afin de rester sous le seuil de dommage. Pour une interaction de type II, seuls des cristaux avec une ouverture de 1mm sont disponibles commercialement.

Cela signifie que des waists de pompe de 200-250 µm peuvent être utilisés. Le seuil de dommage de 1 J/cm2 du PPLN correspond à peu près à 1 mJ pour un waist de pompe de 250 µm [SNLO]. Travailler deux fois en dessous de cette limite de pompage est nécessaire lorsque l’on travaille avec des cavités OPO à réflexion de pompe : l’énergie correspondante du complémentaire attendue serait donc de l’ordre de 100 µJ. Afin de garder une bonne qualité de faisceau, des résonateurs stables sont choisis : les miroirs M1 et M3 sont concaves. La taille du waist de pompe choisi impose aussi cette courbure afin de garder le meilleur recouvrement possible entre les ondes résonantes et l’onde de pompe. L’OPO est inséré dans un ensemble mécanique développé à l’ONERA contenant un four permettant de réguler la température à ± 3 mK pour la stabilité des cales piézo-électriques.

4.2. OPA (Optical Parametric Amplificator)

Afin d’atteindre le niveau de puissance spécifié pour la source, des étages d’amplification sont nécessaires. C’est ce que l’on appelle un OPA (Optical Parametric Amplifier). En effet, la puissance optique au sortir du DROPO se situe aux alentours des 100µJ et doit donc être amplifiée tout en maintenant les propriétés du faisceau et la qualité spectrale.

De hautes efficacités de conversion non-linéaire peuvent être obtenues en utilisant un cristal de PPLN en type 0 pour l’étage de préamplification (gain de l’ordre de 10 avec un seul cristal) [PULSNIR 2008]. Cependant, pour atteindre les puissances envisagées, d’autres amplificateurs sont nécessaires.

En utilisant des cristaux de KTP (qui ont un haut seuil de dommage contrairement au PPLN) et en utilisant l’énergie de pompe et en compensant la double-réfraction (walk-off), de hautes efficacités d’amplification peuvent également être atteintes en permettant d’extraire des énergies plus élevées [Arisholm, 2004]. Ceci a conduit l’ONERA au design général de l’unité de conversion de fréquence représenté sur la figure suivante (Fig.3. 17) :

Chapitre III : Source laser de puissance à 2 microns

Fig.3. 17 : Design préliminaire de l’unité de conversion de fréquence

Le montage doit alors être optimisé : nombre de cristaux, taille des cristaux, nombre de miroirs filtrants, nécessité de coupler l’énergie de sortie du complémentaire… Pour ceci, des simulations sont conduites (code SNLO).

Un autre point crucial pour atteindre une haute efficacité est le recouvrement temporel des faisceaux (amplifié et de pompe). A cause du temps de construction de l’oscillation dans la cavité OPO, le pulse complémentaire utilisé pour injecter l’étage de préamplification est fortement dissymétrique. Sans une ligne à retard, il n’y aurait pas de recouvrement entre la première moitié de la pompe et le complémentaire durant l’amplification. La valeur du délai optimal est corrélée à la longueur des cristaux amplificateurs et au niveau de pompe et est égale à 10 ns dans cette configuration [PULSNIR 2008].

Les résultats de ces simulations conduisent à un design optimal composé d’un cristal de PPLN de 12 mm pour l’étage préamplificateur suivi de quatre cristaux de KTP de 25 mm pour l’étage amplificateur.

5. Démonstration préliminaire du MOPA (DROPO+OPA) : puissance, efficacité de