Observation des pics secondaires

Dans le chapitre pr´ec´edent, l’apparition de pics secondaires a pu ˆetre observ´ee en r´egime stationnaire. Ces pics sont attribu´es principalement `a une g´en´eration en cascade pomp´ee par le signal initial. Ce pic signal secondaire est associ´e `a la cr´eation d’une onde compl´ementaire en r´egime de fr´equence t´erahertz. Les d´etails concernant l’origine de ces pics sont d´ecrites dans la partie2.4. L’utilisation de lafibre fortement dispersive permet d’observer l’´evolution temporelle du spectre contenant des pics secondaires afin de compl´eter les ´etudes r´ealis´ees au moyen de l’OSA. Selon les conditions exp´erimentales, plusieurs types de comportements peuvent ˆetre observ´es.

Le comportement stationnaire peut ˆetre stable, mˆeme lorsque plusieurs pics oscillent dans la

3.4 R´egime de fonctionnement instable

Longueur d’onde (nm) 1465 1470 1475 1480

�

Figure 3.17: Simulations num´eriques du d´emarrage de l’OPO avec le r´eseau B, pour un taux de pompage de 7. La figure (a) correspond au synchronisme exact et la figure (b) `a un d´esynchronisme de 3 �m de la cavit´e OPO.

1465 1470 1475 1480 1485 1490 0,0

Figure 3.18: Spectre dans le cas d’un r´egime stationnaire stable avec deux pics signal pour le r´eseau B avec un coupleur de 90 %. (a) Le spectre OSA superpos´e au un spectre signal d’une impulsion en sortie de fibre dispersive. Ici la r´esolution du spectre en sortie de fibre est r´eduite, la bande passante de d´etection est limit´ee par l’utilisation d’un oscilloscope classique (r´esolution 1 GHz). (b) Le spectrogramme est enregistr´e pendant un temps de 10 �s.

cavit´e. Lafigure3.18pr´esente un cas o`u l’´emission avec deux pics sur le spectre signal est stable.

Le spectre OSA est superpos´e au spectre d’une seule impulsion isol´ee (a) et le spectrogramme stable est pr´esent´e (b). Malgr´e la r´esolution limit´ee, du fait de l’utilisation d’un oscilloscope de moindre bande passante pour cette exp´erience (1 GHz), lafigure 3.18 permet de v´erifier la pr´esence des deux pics sur le spectre et leur stabilit´e dans le temps.

50

Figure 3.19: Spectrogrammes au d´emarrage de l’OPO avec le cristal non lin´eaire B avec un chirp positif. Le coupleur de sortie de r´eflectivit´e 90 % est utilis´e et le taux de pompage vaut 7 ce qui correspond `a environ 20 W de puissance signal intracavit´e. Les figures (a) et (b) correspondent `a deux d´emarrages successifs.

L’OPO peut ´egalement pr´esenter des instabilit´es, dans les cas o`u un d´esynchronisme est appliqu´e `a la cavit´e ou dans les cas o`u un pic secondaire est proche de son seuil d’apparition.

Des exemples de spectres exp´erimentaux sont pr´esent´es sur lafigure3.19avec un synchronisme exact de la cavit´e pour l’onde signal initiale. On peut voir des fluctuations d’´energie et des

´echanges entres les diff´erentes composantes spectrales. Sur la seconde partie du spectrogramme de la figure 3.19 (a), on observe des oscillations r´eguli`eres avec une p´eriode d’environ 20 tours de cavit´e. En revanche sur lafigure3.19(b) le comportement n’est pas aussi r´egulier que sur la figure (a). Dans les deux cas, lesfigures montrent une phase initiale au d´emarrage durant laquelle le pic principal du spectre est accompagn´e d’une ´emission large bande fluctuante de faible puissance, avant que le pic secondaire ne se dessine. Ces fluctuations peuvent avoir plusieurs origines :

— L’oscillation dans la cavit´e de diff´erents pics s´epar´es spectralement (de l’ordre de 10 nanom`etres), implique qu’ils ne pourront pas tous v´erifier exactement la condition de synchronisme pour une taillefix´ee de la cavit´e. Comme le montre le calcul d´evelopp´e dans la partie 2.4.2, du fait de la variation de la vitesse de groupe avec la longueur d’onde, un pic secondaire verra une cavit´e environ 20 �m plus courte que le signal initial. Ainsi,

3.4 R´egime de fonctionnement instable mˆeme si la taille de la cavit´e est r´egl´ee pour que le signal initial v´erifie la condition de synchronisme, le ou les pics secondaires vont se trouver dans une configuration o`u la condition de synchronisme n’est pas v´erifi´ee. D’apr`es nos simulations num´eriques, le d´esynchronisme de la cavit´e, est souvent associ´e `a des instabilit´es pour de forts taux de pompage. Ces consid´erations montrent que l’apparition de pics secondaires favorise un comportement instable.

— Le pic signal initial sert de source de pompe `a l’´emission du pic secondaire. Proche du seuil d’apparition d’un pic secondaire, les transferts d’´energie observ´es pourraient correspondre `a des cycles autour du ce seuil. La cr´eation du pic secondaire se fait au d´etriment de la puissance du signal initial intracavit´e qui est partiellement d´epeupl´ee.

Le pic signal secondaire n’est plus cr´e´e si la puissance intracavit´e du signal principal diminue et repasse sous le seuil d’oscillation du pic secondaire.

L’´etude avec le montage dispersif permet d’approfondir les observations du chapitre pr´ec´edent

`a propos de l’accord de phase des ´emissions secondaires en r´egime t´erahertz. Dans la partie2.4, des ´ecarts entre le pic signal principal s1 et le pic secondaire s2 diff´erents suivant les acquisitions ont ´et´e rapport´es. Ces ´ecarts pouvaient correspondre `a une ´emission THz variable, `a l’accord de phase dans des zones diff´erentes du cristal non lin´eaire. Sur la figure 3.19 (a), dans la seconde partie du spectrogramme, l’´ecart entre les deux pics principaux varie. Il semblerait donc que l’´emission THz ne soit pas n´ecessairementfixe mais ´evolue apr`es le d´emarrage. Ces observations confirment la complexit´e des ph´enom`enes en jeu dans l’OPO lorsque la longueur d’onde n’est pas contrainte et qu’un cristal large bande chirp´e est utilis´e. Dans la suite de ce manuscrit, en vue d’obtenir une source accordable, unfiltre spectral sera ins´er´e dans la cavit´e de l’OPO. On souhaite contraindre et contrˆoler pr´ecis´ement la longueur d’onde ´emise, ce qui n’est pas possible sans filtre spectral.

Les oscillations observ´ees ici et les modulations d’intensit´e du signal peuvent ´evoquer la formation de solitons rapport´ee en r´egime femtoseconde `a pompage synchrone [Rei94], lorsque l’automodulation de phase (SPM pour self phase modulation) et la dispersion se compensent.

Au-del`a du cas particulier de notre OPO, le montage d’observation tir `a tir pourrait constituer un outil particuli`erement adapt´e pour l’´etude de ces ph´enom`enes dans d’autres configurations exp´erimentales et d’autres r´egimes temporels.

Synth` ese

Ce chapitre a permis de pr´esenter un montage d’observation des spectres tir `a tir bas´e sur l’utilisation d’une fibre `a forte dispersion, associ´ee `a un d´etecteur rapide. Ce type de montage est inspir´e des travaux sur les supercontinuums et a ´et´e utilis´e pour la premi`ere fois dans un OPO synchrone au cours de ma th`ese. Cet outil est particuli`erement adapt´e

`a l’´etude spectrale dynamique d’un OPO picoseconde synchrone.

Le comportement spectral de notre OPO pendant le d´emarrage a pu ˆetre ´etudi´e. Des effets de d´ecalage en fr´equence, vers les hautes ou basses longueurs d’onde suivant le signe du chirp du cristal non lin´eaire ont pu ˆetre mis en ´evidence. Ces effets sont sp´ecifiques `a l’utilisation de cristaux ap´eriodiques large bande. Nos simulations num´eriques permettent de retrouver qualitativement les comportements observ´es.

Ensuite, le comportement instable, correspondant `a de forts taux de pompage, a pu ˆetre investigu´e. Les observations de pics secondaires pr´esent´ees dans le chapitre pr´ec´edent

`a la partie 2.4 ont pu ˆetre approfondies. Des ´echanges d’´energie entre les composantes spectrales ont ´et´e observ´es ainsi que des fluctuations des ´ecarts entre les composantes spectrales pour une mˆeme acquisition. Ces effets sont complexes de par la multiplicit´e des causes possibles et de leurs ´eventuelles combinaisons. Les sources picosecondes `a base de cristaux ap´eriodiques ´etant tr`es peu ´etudi´ees dans la litt´erature, les travaux pr´esent´es ici permettent de faire progresser les connaissances sur ces sources large bande et leur dynamique spectrale.

Dans la suite de ce manuscrit, l’OPO `a base de cristaux chirp´es sera associ´e `a un filtre spectral rapide dans la cavit´e. Un ´el´ement de filtrage est indispensable pour contraindre et contrˆoler la longueur d’onde ´emise en vue d’obtenir une source accordable.

Chapitre 4

OPO ` a base de cristaux ap´ eriodiques large bande associ´ es ` a un filtre rapide

Objectifs

Les cristaux non lin´eaires ap´eriodiques et leurs propri´et´es int´eressantes pour le fa¸connage de larges bandes de gains param´etriques ont ´et´e d´ecrits dans la Section 1.2. Des sources OPO utilisant de tels cristaux ont ´et´e pr´esent´ees dans les chapitres2et3. Ces sources non contraintes ne permettent pas de contrˆoler pr´ecis´ement la longueur d’onde ´emise, et donc de r´epondre au besoin en source rapidement et largement accordable dans l’infrarouge moyen. L’objectif de ce chapitre est donc d’associer `a ces OPO `a base de cristaux non lin´eaires un filtre spectral rapide intracavit´e de fa¸con `a contrˆoler et accorder l’´emission au sein de la bande de gain permise, le plus rapidement possible, sans changer la temp´erature du cristal, son inclinaison ou sa position dans la cavit´e. La d´emarche a consist´e `a utiliser un r´eseau de diffraction en configuration Littrow et un d´eflecteur rapide comme filtre spectral. Les performances en termes de plage d’accordabilit´e et de vitesse sont ´etudi´ees.

L’influence de param`etres comme la taille de la cavit´e ou du bras focalis´e est d´etaill´ee.

Cette source rapidement accordable est ´egalement utilis´ee pour d´etecter du N2O en cellule.