Laser à verrouillage de
GSH 1 OPG GSH 2 SOURCE
1064 nm Amplificateur(s) Conversion de fréquence ∆t ≈ 10 à 100 ps C ≈ 1MHz P = Ps Gain = G1, G2…
GSH = Génération de second harmonique OPG = Génération Paramétrique Optique
Pvert POPG PUV
PIR
Figure I.21 : bloc-diagramme du système finalement choisi.
La figure I.21 ci-dessous représente schématiquement le système.
Il reste maintenant à dimensionner « à rebours » le système en termes de puissance. Nous savons que la puissance moyenne utile dans l’ultraviolet doit être de l’ordre du milliwatt. Quels sont les facteurs d’amplification nécessaires à chaque étape ?
On part donc de PUV = 1 mW (on parlera ici toujours en puissance moyenne, sauf
mention contraire, qui est la grandeur accessible directement à la mesure et donc la plus « parlante ». La puissance crête est obtenue par division de la puissance moyenne par le facteur C
× ∆t que nous considérerons comme constant32. On a donc besoin par exemple de 10 W de
puissance crête dans l’UV). Nous avons vu que les efficacités de doublage en simple passage pour des puissances crêtes inférieures au kilowatt sont très faibles, de l’ordre de 2 % dans du BBO avec une puissance crête de pompe de 500 W par exemple [Champert 02]. Nous pouvons donc estimer que la puissance POPG en entrée du cristal GSH 2 se doit d’être supérieure à 50 mW. Le processus de génération paramétrique optique est lui aussi très peu efficace. Son rendement peut cependant être grandement amélioré par l’utilisation de cristaux à quasi-accord de phase de type niobate de lithium périodiquement polarisé (ppLN) comme on le verra au chapitre IV: des rendements Psignal/Ppompe de 16 % dans l’infrarouge [Zayhowski 97] et de 13 % [Bäder 99] voir 20 % [Chiang 01] dans le visible avec une pompe à 532 nm ont été démontrés en utilisant des cristaux de ppLN. Il est à noter que ces expériences ont été menées à des puissances crêtes importantes (entre 6 et 70 kW). Il n’est cependant pas interdit d’être optimiste et l’on peut se baser sur une efficacité de conversion de l’ordre de 10 % si on utilise un cristal de ppLN. Cela
nous amène donc à une puissance Pvert nécessaire de 500 mW. Enfin l’étage de doublement de
fréquence permettant d’obtenir Pvert à partir de PIR peut avoir un rendement de l’ordre de 40 %. On arrive finalement à une puissance infrarouge nécessaire de 1,25 W.
Ces considérations « avec les mains » s’entendent bien entendu pour des faisceaux limités par la diffraction. Si on tient compte des pertes lors du transport des faisceaux, des pertes par polarisation etc. on peut se donner raisonnablement comme base à atteindre 1,5 à 2 W dans l’infrarouge. L’ensemble de ces données est résumé dans le tableau suivant :
32 Nous verrons que ceci est faux puisque si la cadence ne varie pas, les durées d’impulsions sont elles réduites lors de chaque étage de conversion de fréquence. La prise en compte de ce raffinement est ici inutile puisque nous ne manipulons que des ordres de grandeur.
La puissance moyenne que l’on peut raisonnablement espérer de la source impulsionnelle, qu’il s’agisse d’un laser déclenché ou à verrouillage de modes, est de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de milliwatts : l’amplificateur utilisé doit donc produire un gain d’environ 200 (dans le cas le plus défavorable) pour atteindre nos 2 W de rayonnement infrarouge. Ce genre de gain peut être envisagé sereinement avec un amplificateur massif pompé par diode (éventuellement précédé d’un amplificateur fibré) comme nous le verrons au chapitre III.
***
La rapide étude dimensionnelle effectuée ci-dessus nous permet de nous lancer avec confiance dans la mise au point proprement dite de la source. Certains points importants ont été soulevés comme la présence indispensable d’un amplificateur efficace et la nécessitée d’optimiser les conversions non-linéaires, par exemple en utilisant des matériaux à quasi-accord de phase. Le choix de la source initiale a également été réduit pour aboutir à deux possibilités qui vont maintenant être décrites en détails.
Elément du système P moyenne en sortie
de cet élement P crête Facteur de gain
Laser ps / MHz 10 mW 100 W
Amplificateur solide 2 W 20 kW X 200
GSH 1 (IR – vert) 800 mW 8 kW X 0,4
OPG (vert – rouge) 80 mW 800 W X 0,1
GSH 2 (rouge – UV) 1,6 mW 16 W X 0,02
Chapitre II : La source laser
Introduction
Comme nous l’avons vu dans le chapitre précèdent, deux solutions semblent se détacher du lot pour nous amener aux caractéristiques temporelles voulues : il s’agit de réaliser un laser impulsionnel qui peut être soit « déclenché » soit « à verrouillage de modes ». En choisissant avec soin un certain nombre de paramètres - comme par exemple la longueur de la cavité - on essaiera à partir de ces deux configurations de faire en sorte que la durée des impulsions produites soit de l’ordre de quelques dizaines de picosecondes et le taux de répétition autour du mégahertz.
Ce chapitre sera donc divisé en deux parties décrivant respectivement l’étude et la réalisation d’un laser déclenché et d’un laser à verrouillage de modes. La démarche suivie sera semblable pour les deux parties. Je commencerais par une rapide étude théorique rappelant les principaux résultats obtenus dans la littérature, sans les redémontrer afin de ne pas alourdir le propos par des équations souvent indigestes33. J’en profiterais pour souligner les paramètres physiques influents et préciser les choix qui ont été effectués. Dans un deuxième temps je décrirais l’architecture choisie pour l’expérience, puis les résultats expérimentaux. Enfin une rapide conclusion permettra de juger si les objectifs assignés à chacune des sources ont été atteints.
33 Il n’est pas question ici de refaire - éventuellement moins bien – ce qui a été fait par d’autres à de nombreuses reprises. Le lecteur intéressé pourra se reporter aux références bibliographiques données pour obtenir les démonstrations rigoureuses de toutes les équations citées.