Sources paramétriques

Comme cela a été affirmé précédemment dans ce manuscrit, les sources paramétriques représentent une technologie de choix pour les applications visées et présentées dans la Partie 1.1.

Leurs avantages proviennent de la possibilité de réalisation des impulsions très courtes à grandes puissances et de l’accordabilité que ces systèmes permettent. Ces sources optiques sont basées sur un cristal aux propriétés optiques non linéaires qui va convertir un faisceau de pompe issu d’un laser classique en deux signaux de plus faibles énergies (donc avec des longueurs d’onde plus élevées) et dont les énergies sont accordables. Le principe du fonctionnement des OPO sera décrit plus tard dans la Partie 1.3. De par leur structuration et des différents cristaux qui peuvent être utilisés, les sources paramétriques présentent de nombreux avantages [2]:

- Ces sources sont accordables en longueurs d’onde sur l’ensemble du moyen infrarouge (difficile avec les lasers classiques);

- Elles permettent d’émettre des signaux de plusieurs Watts (de manière continue ou pulsée);

- Elles permettent d’émettre des impulsions laser de plusieurs centaines de millijoules avec une puissance crête élevée;

- Elles permettent de concevoir des systèmes compacts et robustes, idéaux pour les applications de défense grâce aux progrès effectués dans ce domaine ces dernières années.

Par la suite, nous présenterons les systèmes et surtout les cristaux utilisés pour émettre dans l’Infrarouge à 2-4,5 µm, puis les systèmes avec les cristaux utilisés pour émettre à des longueurs d’ondes plus élevées (5-15µm).

1.2.2.1. Emission de rayonnement dans la gamme de longueur d’onde 2 – 4,5 µm

Pour émettre dans cette gamme de longueur d’onde, les cristaux les plus utilisés et les plus performants sont des oxydes. En effet grâce à leur maturité technologique, les composés ferroélectriques tels que le niobiate de lithium (LiNbO₃), le tantalate de lithium (LiTaO₃), le titanyl arsenate de potassium (KTiOAsO₄) et le titanyl phosphate de potassium (KTiOPO₄) sont les plus utilisés dans des systèmes où les cristaux peuvent être inversés périodiquement (technologie décrite dans l’Annexe B) De plus, ces systèmes peuvent être compatibles avec des lasers commerciaux émettant à 1 µm ou 2 µm, ce qui facilite d’autant plus leur utilisation [2]. Ils ont ainsi permis la réalisation d’OPO compacts, fiables, et avec des émissions de fortes puissances et des faisceaux de bonne qualité optique adaptées aux applications visées. Un exemple d’un tel système est montré en Figure 20-(a), qui représente un OPO compact capable d’émettre un faisceau de plusieurs Watts de puissance moyenne, à une longueur d’onde de 2,5 µm, avec un taux de répétition élevé (10 kHz) et avec une impulsion nanoseconde. Dans cet exemple, un cristal de LiNbO3 retourné périodiquement a été utilisé (« Périodically Polled LiNbO₃ », ou PPLN).

30 Figure 20: (a) Photographie d'un système OPO PPLN émettant à 2,5 µm et lors de son utilisation (encart);

(b) qualité du faisceau émis; (c) Efficacité de la conversion du système en fonction de l'énergie de pompage et profil temporel du signal complémentaire, du signal de pompage et du signal OPO [2]

D’autres systèmes ont pu être mis au point tels que les OPO à cavités imbriqués (« Nested Cavity OPO », ou NesCOPO) [47] [48]. Ces dispositifs utilisent 3 ou 4 miroirs (le schéma du dispositif est montré en Figure 21) pour former deux cavités résonantes, l’une chargée d’amplifier le rayonnement signal, l’autre le signal complémentaire. Cela permet d’ajuster chaque cavité indépendamment de l’autre, facilitant la réalisation de ce montage optique qui est basé sur le principe de l’oscillateur doublement résonant (dont le principe est expliqué plus loin dans la sous-partie 1.3.1.3.2) Grâce à leur structure, ce type de dispositifs (Figure 21) est bien adapté pour la réalisation de systèmes compacts et pouvant être embarqués pour la détection de gaz à distance [49] [50]. Il permet d’émettre un signal accordable de 3,8 à 4,5 µm et de fortes puissances (100 W), et ce dispositif est envisagé pour être utilisé dans la gamme 8-10 µm avec d’autres composés [47] [49].

Figure 21: Schéma d'un système NesCOPO [48]

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1.2.2.2. Emission de rayonnement dans l’infrarouge moyen (5 – 15 µm)

Malheureusement, les composés oxydes ne peuvent pas être utilisés pour la réalisation de système émettant au-delà de 4,5 µm. En effet, à cause d’absorptions multi-phonons (issues des liaisons oxydes) ils ne sont pas transparents au-delà de 4,5 µm. Afin d’avoir des systèmes utilisant des longueurs d’ondes plus élevées, il est nécessaire d’utiliser des matériaux non-oxydes tels que les phosphures, les arséniures, les sulfures, les séléniures, les tellures, qui présentent des transparences à de plus grandes longueurs d’onde (pouvant aller jusqu’à 30 µm dans le cas de tellures [51] [52] [53] [54]).

Malheureusement, ces composés sont moins murs technologiquement que les cristaux à base d’oxydes. De plus, ils sont constitués d’éléments sensibles à l’air et souvent bien plus volatils que dans les oxydes, ce qui nécessite de travailler avec une ampoule scellée afin de confiner les réactifs et produits. Le procédé Bridgman (décrit plus loin dans la sous-partie 2.2.2) pour la croissance est donc une méthode bien adaptée. Le confinement permet de conserver la pureté des réactifs (oxydation potentielle avec l’oxygène de l’air), d’éviter la volatilisation des composés (écart de composition chimique) et aussi d’éviter que les personnes travaillant sur ces composés n’entrent en contact avec ces composés volatils (qui sont parfois toxiques tels l’arsenic ou le sélénium). Réaliser le procédé dans un milieu scellé n’est cependant pas sans risque. En effet, du fait de la pression liée aux composés volatils, l’ampoule peut exploser. De plus, les cristaux issus de ces procédés présentent souvent des défauts ponctuels, des inhomogénéités de concentration et, ainsi, une qualité optique plus difficile à obtenir, requérant donc des post-traitements comme par exemple une étape de recuit. En général, les composés non oxydes pour les applications non linéaire possèdent des gaps énergétiques très différents de ceux des composés oxydes, ce qui peut poser des problèmes lors de l’utilisation de source pompant à 1 µm, qui représentent une grande partie des sources commerciales (laser basé sur les ions Nd³⁺ ou Yb³⁺). Les sources à 2 µm sont désormais plus mures technologiquement et sont capables d’émettre de fortes puissances. Ces systèmes de pompage sont d’ailleurs plus intéressants pour la réalisation d’émission dans l’infrarouge permettant un meilleur rendement énergétique de conversion. C’est d’ailleurs ces sources qui sont privilégiées par nos collègues du département de physique de l’Onera pour la réalisation des sources OPO à partir de ces types de cristaux.

De nombreux cristaux ont été étudiés à travers la planète, mais ils sont encore pour certains peu matures technologiquement. Au contraire, d’autres cristaux sont commercialisés tels ZnGeP₂ [55] [56]

ou AgGaS2 [55] [56]. Comme souvent, il n’existe pas de cristal idéal se démarquant des autres et répondant à toutes les attentes liées aux applications désirées. Il faut faire des compromis ou bien choisir plusieurs types de cristaux en fonction des performances voulues. Cette thèse a été réalisée afin de répondre au manque de sources OPO exploitable sur toute la bande III en cherchant à développer des cristaux nécessaires. L’Onera a déjà travaillé sur l’étude d’autres cristaux pour ces applications tels le ZnGeP2 [57] ou l’AgGaS2 [57], qui visent plutôt la bande II de l’atmosphère (de 3 à 5 µm) et l’AgGaGeS4 qui vise la bande III [58].

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