Premier doublage (LBO)

Le premier doublage de fréquence permet de passer de la longueur d'onde du Ti:Sa continu (820 nm) à une longueur d'onde moitié (410 nm), qui permet d'ailleurs de visualiser de façon très spectaculaire le rayonnement dipolaire. Nous nous limiterons ici à quelques généralités et remarques concernant les améliorations apportées à ce premier doublage de fréquence. Les détails sont explicités dans la thèse de Sophie Bourzeix [8].

Figure 3.2: Positionnement en fréquence du laser Ti :Sa continu avec l'étalon Rb/2ν. La conversion harmonique s'eectue au sein d'un cristal non-linéaire de LBO (LiB3O5) de 13 mm taillé à θ = 90et φ = 29, 8. Il s'agit d'un doublage de type I. Notons au passage qu'un cristal de BIBO pourrait également se révéler un candidat intéressant, comme l'a montré son utilisation pour le doublage intra-cavité d'un laser Nd:YAG à 946 nm [13]. Pour augmenter la puissance pompe vue par le cristal, celui-ci est placé dans une cavité de surtension de grande nesse (voir g. 3.3). La cavité est du type en anneau à quatre miroirs, et le faisceau à 410 nm est extrait de la cavité via le miroir sphérique M3 qui est dichroïque (T820nm = 3 × 10−4, T_410nm = 98%). On conçoit dès lors que l'état de surface du cristal est important, puisqu'il rentre en jeu dans la surtension. An de supporter les nettoyages fréquents de la surface du cristal (la puissance intra-cavité est de l'ordre de 200 W), le cristal est taillé à l'incidence de Brewster pour 820 nm. L'astigmatisme introduit par le cristal à Brewster est compensé par l'angle des miroirs sphériques. Ceci présente également l'avantage d'introduire dans la cavité un élément sélectif en polarisation qui nous autorise à utiliser la technique d'asservissement de type Hänsch-Couillaud [67]. Le laser Ti:Sa est ainsi doublé sans ajout de modulation, c'est-à-dire sans élargissement autre que celui, intrinsèque, lié au doublage.

Le faisceau Ti:Sa est adapté à la cavité par deux lentilles d'adaptation (L1, focale -50mm et L2, focale 100mm). Le faisceau bleu est collimaté par L3, placée juste derrière M3, de focale 50 mm. Enn on améliore le mode transverse bleu grâce à une lentille cylindrique Lcyl

de focale 500 mm dans le plan vertical. Une lame λ/2 ramène la polarisation dans le plan horizontal.

Au cours de ma thèse, nous avons dû changer le cristal de LBO en 2001 et en 2005. La durée de vie à l'air libre d'un cristal semble donc être de l'ordre de quelques années. Un cristal non-linéaire se dégrade en général soit en volume, à cause de l'absorption ou de chocs thermiques, soit en surface à cause de réactions chimiques avec l'environnement (hygroscopie, etc..) ou du type éclat laser (suite à la chaue d'une poussière). Les dégradations de la surface sont à l'origine de réexions ou diusions parasites qui créent des pertes pour la cavité optique, et font donc chuter la surtension de la cavité. A l'opposé, les dégradations en volume se

820 nm

LBO

l/2

l/2

l 4/

410 nm

M1

M2

M4

M3

L

L

L

L

Figure 3.3: Doublage du Ti:Sa continu en cavité avec le cristal de LBO.

traduisent par une baisse du coecient de conversion du cristal α. Grâce aux méthodes de mesure des diérents paramètres du doublage expliquées par S. Bourzeix, nous avons pu mettre en évidence que la diminution de l'ecacité globale du doublage était due à une chute de la surtension de la cavité. Nous avons vérié en étudiant la cavité sans cristal que ces pertes ne provenaient pas d'une défaillance des miroirs, la nesse étant comparable aux valeurs antérieures. C'est donc bien l'état de surface du cristal qui était en cause. Une observation à la loupe binoculaire a conrmé l'existence d'un grand nombre de micro-éclats laser. Ceci explique également pourquoi l'étuvage du cristal sous vide que nous avions tenté était resté sans résultat. La surtension a eectivement remonté après la mise en place des nouveaux cristaux.

chgt.cristal injection η pertes cavité p α T Surtension S

avant 83 % 1,7 % 6,3 ×10−5W−1 1,1 % 46

après 82 % 0,4 % 5,3 ×10−5W−1 1,1 % 77

Nous avons également cherché à améliorer la nesse de la cavité. Nous avons remplacé le miroir M2 Rmax à 820 nm par un meilleur miroir fabriqué par Research Electro-Optics (REO). Ce miroir est de faible dimension (Φ=12,7 mm) car c'est celui sur lequel s'eectue la rétroaction. Or l'asservissement fonctionne mieux quand la plage spectrale s'étend jusqu'à quelques kHz. Nous avons ainsi amélioré le facteur de conversion global. Les résultats du pre-mier doublage sont satisfaisants : durant la période d'enregistrement, nous avons pu travailler

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 P 820 nm (W) P 410 nm (W)

Figure 3.4: Ecacité du premier doublage de fréquence. Trait plein, valeurs calculées à partir du tableau précédent.

régulièrement avec plus de 900 mW à 410 nm. Nous avons obtenu jusqu'à 1,15 W avec le laser Ar+ RS-171. Pour les puissances supérieures à 1 W, une atmosphère plus propre serait sou-haitable, par exemple en établissant un ux laminaire dans l'enceinte de la cavité de doublage au lieu d'une simple surpression.

Le système est bien décrit par les équations de S.Bourzeix. Pour preuve, on a représenté avec les valeurs expérimentales la puissance calculée dans le bleu pour les valeurs mesurées des diérents paramètres du doublage données dans le tableau (voir g. 3.4). La puissance intra-cavité est mesurée derrière le miroir M4 dont on connaît la transmission (2 × 10−4). La transmission du coupleur d'entrée T est presque égale à la somme des pertes en cavité, ce qui assure l'adaptation d'impédance de la pompe dans la cavité et permet d'obtenir le rendement maximal.

On atteint les limites de ce doublage, avec une ecacité globale d'environ 45 %, puisque le facteur dominant des pertes devient les pertes dues à la production de bleu (0,8 %). Le coupleur d'entrée est bien adapté puisque T = 1, 1% ' p + pbleu = 1, 2%. La nesse de la cavité en fonctionnement est :

F = _p^2π

tot = ^2π

T + p + p_bleu ^{' 270} (3.2) Ces résultats sont proches de ceux publiés récemment au Japon où une ecacité de 50 % a été obtenue en doublant 1,2 W issus d'un laser Ti:Sa continu à 746 nm dans un cristal de LBO en cavité externe [3].