Principe général de l’Oscillateur Paramétrique Optique

Un oscillateur paramétique optique (OPO) est une source de lumière cohérente et monochromatique. A partir d’une onde laser de pompe de fréquence ωp, un OPO produit deux ondes de fréquences

inférieures par interaction non-linéaire avec le milieu : le signal à la fréquence ωs et le complémentaire

à ωc [Armstrong 1962]. La conservation d’énergie impose ωp =ωs + ωc. La conversion de fréquence

de pompe vers les ondes générées se fait au travers d’une interaction non-linéaire de second ordre. Un OPO est constitué de deux éléments essentiels :

- Un milieu non-linéaire, à l’origine de la conversion de fréquence effectuée par l’OPO. Ce milieu crée un gain non-linéaire pour les ondes signal et complémentaire. Ce milieu est souvent un cristal biréfringent qui possède des axes de propagation ordinaire (o) et extraordinaire (e).

- Une cavité optique, généralement constituée de deux miroirs hautement réfléchissants situés de part et d’autre du milieu amplificateur. Le rôle de la cavité est de faire osciller le rayonnement, et de permettre son amplification par passages successifs dans le milieu. Cette cavité introduit nécessairement des pertes pour les ondes oscillantes.

Le cristal produit un gain paramétrique à la longueur d’onde déterminée par deux conditions : a) Conservation de l’énergie :

i s

p h h

h

ν

ν

ν

b) Accord de phase (conservation de la quantité de mouvement) :

i s p k k k r r r + = (3.9)

Fig.3. 7 : Conservation de l’énergie et du moment dans un processus optique paramétrique

Lorsque le gain paramétrique dépasse les pertes des ondes dans un tour de cavité, l’OPO oscille et produit une lumière cohérente accordable (Fig.3. 8).

Fig.3. 8 : Emission multimode d’un OPO comprise sous la bande de gain paramétrique

A faible puissance de pompe, le gain est trop faible par rapport aux pertes : il n’y a pas d’oscillation. Au delà d’une certaine puissance de pompe, appelée seuil d’oscillation, le gain dépasse les pertes et l’amplification progressive des ondes générées est possible. Lorsque la puissance des ondes oscillantes devient importante, le gain diminue.

En transférant une partie de son énergie aux ondes signal et complémentaire, la pompe est atténuée au cours de l’interaction : on parle de dépeuplement de la pompe. A forte puissance, il peut arriver que la pompe soit entièrement dépeuplée. Le signal et le complémentaire se recombinent alors pour recréer de la pompe : c’est la saturation, généralement non souhaitable dans un OPO.

Une des caractéristiques principales d’un OPO est son accordabilité. En effet, les fréquences des ondes générées peuvent être ajustées de manière continue en changeant l’accord de phase entre les trois ondes. En pratique, cela revient à tourner un cristal non-linéaire autour d’un axe particulier ou bien à changer sa température.

Comme explicité précédemment, la génération de deux ondes de fréquences inférieures à partir de l’onde de pompe est liée aux propriétés intrinsèques du matériau non-linéaire utilisé.

Dans la plupart des cristaux, la dispersion de l’indice de réfraction est normale (np>ns>nc), la relation

de conservation de la quantité de mouvement ne peut, à priori, pas être satisfaite. Au fur et à mesure de la propagation dans le matériau des faisceaux, un désaccord de phase défini par la relation :

Chapitre III : Source laser de puissance à 2 microns c s p k k k k r r r r − − =

∆ apparait. Dans cette configuration où l’accord de phase n’est pas vérifié (∆k ≠0

r

), l’énergie de pompe est initialement transférée vers l’onde signal et l’onde complémentaire, puis après une longueur de cohérence Lc, le sens du processus s’inverse et l’énergie du signal et du

complémentaire se reconvertissent en rayonnement de pompe. Le processus de conversion de fréquence varie donc en sin2(z) et reste globalement inefficace, z étant la longueur du cristal dans la direction de propagation initiale de la pompe.

2.4.1. Accord de phase par biréfringence

Cependant si l’on peut satisfaire la condition d’accord de phase (∆k =0

r

), l’efficacité de conversion est proportionnelle à z2 ce qui conduit à un transfert efficace de la pompe vers les ondes signal et complémentaire.

Cette situation peut être obtenue en utilisant la biréfringence de certains cristaux non-linéaires et on parle alors d’accord de phase par biréfringence.

Il existe deux types d’accord de phase : l’accord de phase de type I où la polarisation du signal et du complémentaire est la même et l’accord de phase de type II où le signal et le complémentaire ont des polarisations différentes.

2.4.2. Quasi-accord de phase (QAP)

Fig.3. 9 : Représentation de la puissance générée en fonction de la longueur de pénétration dans le matériau

par rapport à la longueur de cohérence dans le cas d’accord de phase, de non-accord de phase et de quasi- accord de phase

Dans certains cas, il n’est pas possible de trouver un accord de phase par biréfringence pour les fréquences signal et complémentaire désirées. C’est le cas par exemple des matériaux non-linéaires isotropes (ici, le matériau utilisé, le ppLN : periodically poled Lithium Niobate : Niobate de lithium

périodiquement retourné n’est pas isotrope). A défaut d’annuler exactement le désaccord de phase il est parfois possible de le remettre à zéro périodiquement afin de garder les ondes en phase : c’est le quasi accord de phase [Fejer 1992].

Les interférences destructives qui ont normalement lieu à chaque longueur de cohérence sont supprimées, et la puissance des ondes générées peut croître continûment à la traversée du milieu non- linéaire. Cependant, l’efficacité est réduite. En plus de pouvoir remplacer l’accord de phase par biréfringence lorsque celui-ci n’est pas possible, le quasi accord de phase possède un certain nombre d’avantages :

- Il n’est plus nécessaire d’avoir des polarisations croisées.

- Le décalage spatial (double-réfraction) entre les ondes éventuellement observable lors de l’accord de phase par biréfringence est supprimé.

- Pour les matériaux où il existe un accord de phase par biréfringence, le quasi accord de phase peut permettre d’utiliser une direction de propagation dans laquelle la non-linéarité du matériau est plus importante.

Chapitre III : Source laser de puissance à 2 microns