SROPO avec doublage de fréquence intracavité

L'ensemble de résultats concernant le SROPO émettant dans le visible, en quasi-continu et en quasi-continu, nous confortent dans l'idée d'utiliser un OPO pompé par un laser solide an de réaliser une source à bas bruit de fréquence. Malgré tout, nous nous sommes heurtés au problème d'absorption des rayonnements visibles par le cristal de MgO :ppSLT, ce qui nous a empêché d'extraire susamment de puissance de la cavité. 1.4.1 Une alternative : le doublage de fréquence

Une autre façon d'atteindre le partie visible du spectre consiste à construire un OPO émettant dans le proche infrarouge et de doubler le rayonnement complémentaire dans une seconde cavité résonnante [PCB01] [SMW02]. Dans ces références, les auteurs présentent une chaîne très accordable, la longueur d'onde varie de 550 nm à 2830 nm. Cette source a été utilisée pour des expériences de spectroscopie d'ions dans des solides. Cependant, le système est relativement compliqué et l'ecacité de l'ensemble de la chaîne est assez faible.

Une autre solution consiste à eectuer le doublage en fréquence de la lumière infra-rouge qui résonne dans la cavité OPO. On s'attend alors a de meilleurs rendements qu'avec une cavité externe [GR72] [CT71] [MKC95]. Le doublage intacavité dans un OPO a été testé avec succès dans le régime nanoseconde [CT71], picoseconde [CKM94] et femtoseconde [ET93]. En continu, une source tout solide émettant à 629 nm a été réalisée avec un cristal de ppLN, structuré de telle sorte que la conversion paramétrique et le doublage soient réalisés simultanément [BAM98]. Ce système est très ecace mais

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l'accordabilité est réduite car les deux sections du cristal, obéissant à des conditions d'accord de phase diérentes, sont dans un même four et donc portées à une même température.

1.4.2 Expériences et résultats

Nous avons décidé d'étudier et d'optimiser le doublage intracavité dans un OPO pour produire le rayonnement visible [MDB08]. Nous avons construit un oscillateur qui génère un rayonnement complémentaire centré autour de 1212 nm et un rayonnement signal autour de 948 nm. Ces longueurs d'onde sont générées à nouveau dans un cristal de MgO :ppSLT dont le pas du retournement périodique est cette fois égal à 7,97 µm [SFS07] [SFE07]. An de conserver l'idée de transférer les bruits de la pompe sur l'onde non-résonnante, nous choisissons ici de recycler le complémentaire dont la fréquence sera doublée dans la cavité. Par la suite, nous désignons ce montage sous le nom du SHG-OPO pour  Second Harmonic Generation Optical Parametric Oscillator .

La cavité que nous avons construite est très similaire à la précédente, signalons néanmoins quelques modications :

1. nous utilisons quatre miroirs concaves de rayon de courbure de 150 mm. Cette géométrie permet de réduire le waist dans le deuxième bras de la cavité où nous plaçons le cristal doubleur. A cet endroit, l'intensité du faisceau résonant est aug-mentée et le rendement de doublage est meilleur ;

2. nous choisissons comme cristal doubleur un cristal de BBO, dont l'accord de phase par biréfringence est réalisé en type I. La longueur maximale utilisée est de 10 mm en raison de la double réfraction. Les deux faces sont traités anti-reet pour le rayonnement fondamental et l'harmonique deux ;

3. les miroirs ont toujours des traitements sophistiqués, optimisés pour les trois ondes intervenant dans la conversion paramétrique. La transmission d'un des miroirs est importante dans le visible pour extraire ecacement le rayonnement rouge produit. Avec quatre miroirs concaves, l'optimisation de la cavité est plus délicate et le seuil d'oscillation atteind environ 4W. Malgré tout, la présence du cristal doubleur n'aecte quasiment pas ce seuil. Pour 7,6 W de pompe, nous produisons en sortie du cristal de BBO jusque 485 mW à 606 nm. A cette valeur de pompage, on estime la puissance de rayonnement complémentaire dans la cavité à 180 W. Ainsi, le rendement de doublage est faible, d'environ 0,3 %. Le doublage en fréquence de l'onde résonante n'ajoute quasiment pas de pertes, il ne modie pas le comportement de l'OPO. Par ailleurs, comme attendu lorsque le rendement de doublage est faible, la puissance du complémentaire varie en racine carrée de la puissance de pompe alors que la puissance du rayonnement visible varie linéairement [GR72].

Figure 11  a) Longueurs d'onde produites par le SHG-OPO en variant la température du cristal. b) Puissances produites pour le signal et la longueur d'onde doublée en fonction de la longueur d'onde doublée. La puissance de pompe est de 6,5 W.

L'accordabilité du SHG-OPO est très étendue. On reporte sur la gure 11.a les lon-gueurs d'onde produites en fonction de la température du cristal. La partie b de cette gure représente la variation des puissances du signal et du complémentaire doublé pro-duites en fonction de la longeur d'onde visible. La puissance de pompe est xée à 6,5 W. Ces courbes ont une forme en cloche : la décroissance vers le rouge est liée aux pertes in-troduites par le traitement du BBO et celle vers le bleu est causée par l'augmentation de la transmission des miroirs. Malgré tout, il est remarquable d'obtenir une accordabilité d'environ 90 nm dans le visible. En fonctionnement libre, le rayonnement est aisément monomode avec des sauts se produisant typiquement chaque minute. La bande passante des uctuations de la longueur d'onde de l'émission du SHG-OPO est similaire à celle de l'OPO rouge.

An de mieux contrôler la fréquence émise, nous avons légèrement modié le mon-tage. Nous réutilisons une cavité avec deux miroirs plans et deux concaves. Dans ces conditions, le second waist a une taille relativement importante (de l'ordre du mm), ce qui nous autorise à insérer un étalon sans introduire trop de pertes. La présence de l'étalon limite les sauts de modes et minimise les uctuations en intensité. Dans cette conguration, nous avons à nouveau asservi la cavité avec un sigmamètre, la fréquence émise est stabilisée à 4 MHz sur 20 minutes. En revanche, la puissance de lumière vi-sible est moins intense (une trentaine de mW à 606 nm), car le mode résonnant dans le cristal doubleur est moins focalisé. Nous espérons augmenter la puissance en utilisant un cristal de BBO plus long ou éventuellement en changeant de cristal non-linéaire. Des essais avec un cristal de KNbO3 doivent être réalisés.