Présentation

Article

1 - AMPLIFICATION ET OSCILLATION PARAMÉTRIQUE OPTIQUE : FONDEMENTS

  • 1.1 - Optique non linéaire quadratique
  • 1.2 - Accord et quasi-accord de phase
  • 1.3 - Effet paramétrique optique

2 - MATÉRIAUX NON LINÉAIRES OPTIQUES

  • 2.1 - Ultraviolet et visible
  • 2.2 - Infrarouge jusqu'à 4 micromètres
  • 2.3 - Infrarouge au-delà de 4 micromètre

3 - MISE EN ŒUVRE EN RÉGIME CONTINU

  • 3.1 - Générateurs paramétriques optiques
  • 3.2 - Sources de génération de fréquence différence
  • 3.3 - Oscillateurs paramétriques optiques

4 - MISE EN ŒUVRE EN RÉGIME MICROSECONDE À NANOSECONDE

  • 4.1 - Générateurs paramétriques optiques
  • 4.2 - Oscillateur paramétrique optique en régime transitoire
  • 4.3 - Problématique de la largeur spectrale
  • 4.4 - Problématique de la qualité de faisceau

5 - MISE EN ŒUVRE EN RÉGIME PICOSECONDE À FEMTOSECONDE

  • 5.1 - Écriture des équations de propagation en régime d'impulsions courtes
  • 5.2 - Générateurs paramétriques optiques
  • 5.3 - Amplificateur paramétrique optique
  • 5.4 - Oscillateur paramétrique optique à pompage synchrone

6 - EXEMPLES D'APPLICATIONS

  • 6.1 - Contre-mesures optroniques
  • 6.2 - Télémétrie, désignation et imagerie active
  • 6.3 - Analyse de gaz
  • 6.4 - Diagnostics optiques
  • 6.5 - Information quantique
  • 6.6 - Physique fondamentale : génération d'impulsions attoseconde

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : E6445 v1

Mise en œuvre en régime microseconde à nanoseconde
Sources paramétriques optiques - Fondements, mise en œuvre et applications

Auteur(s) : Jean-Baptiste DHERBECOURT, Antoine GODARD, Jean-Michel MELKONIAN, Myriam RAYBAUT

Date de publication : 10 oct. 2015

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RÉSUMÉ

Les sources paramétriques optiques sont des dispositifs permettant de générer efficacement, grâce à un processus d'optique non linéaire, un rayonnement cohérent accordable à partir d'un faisceau laser incident. Cette conversion de fréquence permet de couvrir des gammes spectrales mal ou pas couvertes par émission laser directe. Cet article présente un panorama global des sources paramétriques optiques en commençant par leurs fondements théoriques, puis, leurs principes de mise en oeuvre et, enfin, leur utilisation dans un panel d'applications représentatives.

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ABSTRACT

Optical parametric sources Basics, implementation and applications

Optical parametric sources are versatile devices for efficiently generating tunable coherent radiation from an incident laser beam through a nonlinear optical process. This frequency conversion enables us to cover spectral ranges that are at best poorly covered by direct laser emission. This paper presents an overview of the optical parametric sources starting with their theoretical bases and their principles of implementation, and finally their use in a range of representative applications.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Les lasers sont de plus en plus présents dans de nombreux systèmes optiques qui exploitent les propriétés du rayonnement cohérent émis par ces sources. Cependant, malgré les nombreux développements de lasers accordables en longueur d'onde, leur couverture spectrale reste parcellaire, en particulier dans l'infrarouge et lorsqu'une forte puissance crête est recherchée. Un moyen d'étendre la gamme spectrale couverte par les sources laser est de recourir à des processus d'optique non linéaire permettant de convertir la fréquence émise par un laser vers une autre fréquence qui ne serait pas accessible directement, tout en conservant différentes propriétés de l'émission laser originelle, comme par exemple son profil temporel d'impulsion ou sa cohérence spatiale.

Les sources paramétriques optiques sont des dispositifs permettant de générer efficacement un tel rayonnement cohérent accordable à partir d'un faisceau laser incident. Ces sources reposent sur un processus optique non linéaire quadratique assurant la conversion d'un rayonnement de pompe incident en deux nouveaux rayonnements accordables, appelés signal et complémentaire, dont la somme des pulsations est égale à la pulsation du rayonnement de pompe. Les rayonnements produits sont donc à plus grandes longueurs d'onde, ce qui permet d'adresser directement l'infrarouge à partir d'un laser de pompe solide de grande maturité technologique, émettant généralement dans le proche infrarouge.

L'objet de cet article est de présenter un panorama global des sources paramétriques optiques. Le paragraphe 1 décrit brièvement les fondements théoriques et les grands principes de fonctionnement des sources paramétriques optiques (générateurs, amplificateurs et oscillateurs paramétriques optiques). Puis, le paragraphe 2 concerne les matériaux non linéaires qui sont l'élément clé de ces sources. Ensuite, leurs spécificités de mise en œuvre sont décrites pour chacun des régimes temporels de fonctionnement : le paragraphe 3 traite le cas du régime continu, le paragraphe 4 le régime transitoire (microseconde à nanoseconde) et le paragraphe 5 le cas des impulsions brèves à ultrabrèves (picoseconde à femtoseconde). Enfin, le paragraphe 6 illustre la mise en pratique des sources paramétriques optiques pour un panel d'applications couvrant des problématiques aussi bien militaires, industrielles, environnementales, qu'académiques.

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KEYWORDS

non linear optics   |   optical parametric conversion   |   fondamental physic   |   optronics   |   optical diagnostic

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6445


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4. Mise en œuvre en régime microseconde à nanoseconde

4.1 Générateurs paramétriques optiques

En régime microseconde, comme en régime continu, l'efficacité de conversion d'un OPG est généralement limitée du fait de la faible puissance crête du laser de pompe disponible.

En régime nanoseconde, les puissances crêtes de pompe sont suffisantes pour générer un rayonnement pouvant être intense (rendements de conversion possibles de plusieurs dizaines de pour-cent).

Dans ce cas, afin d'éviter une oscillation paramétrique optique entre les faces du cristal, un très bon traitement antireflet doit être déposé sur les faces, et/ou une découpe en biseau d'une des faces peut être envisagée.

Pour de tels rendements de conversion, le gain est saturé pour certaines composantes spatiales du rayonnement émis, pouvant engendrer des faisceaux de qualité spatiale dégradée.

Par exemple, avec un laser de pompe émettant des impulsions de 8,5 ns à 10 kHz à 1,064 μm avec une puissance moyenne de 6,8 W (soit une énergie de 0,68 mJ par impulsion), il a été possible de générer dans un cristal de PPLN de 55 mm de long, un rayonnement d'une puissance moyenne de 2,4 W, avec une efficacité de conversion totale (signal autour de 1 580 nm et complémentaire associé à 3 258 nm) de 47 %, les faisceaux sont émis avec un facteur de qualité spatiale M 2 proche de 3 .

Du point de vue spectral, selon le cristal non linéaire et les longueurs d'onde choisies, la gamme spectrale d'émission peut être très large.

Dans l'exemple précédent ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ROSENCHER (E.), VINTER (B.) -   Optoélectronique (2e édition).  -  Dunod (2002).

  • (2) - GIORDMAINE (J.A.) -   Mixing of light beams in crystals.  -  Phys. Rev. Lett., 8, p. 19-20 (1962).

  • (3) - MAKER (P.D.), TERHUNE (R.W.), NISENOFF (M.), SAVAGE (C.M.) -   Effects of dispersion and focusing on the production of optical harmonics.  -  Phys. Rev. Lett., 8, p. 21-22 (1962).

  • (4) - SMITH (A.V.), ARMSTRONG (D.J.), ALFORD (W.J.) -   Increased acceptance bandwidths in optical frequency conversion by use of multiple walk-off compensating nonlinear crystals.  -  J. Opt. Soc. Am. B, 15, p. 122–141 (1998).

  • (5) - ARMSTRONG (J.A.), BLOEMBERGEN (N.), DUCUING (J.), PERSHAN (P.S.) -   Interactions between light waves in a nonlinear dielectric.  -  Phys. Rev., 127, p. 1918-1939 (1962).

  • (6) - MYERS...

1 Outils logiciels

SNLO : logiciel développé par les Sandia National Laboratories (États-Unis) permettant de calculer diverses interactions en optique non linéaire quadratique (accords de phase, amplification et oscillation paramétriques...). Ce logiciel est distribué par la société AS-Photonics (États-Unis), téléchargeable gratuitement pour les instituts de recherche via le site internet http://www.as-photonics.com/snlo (page consultée le 25 mai 2015)

SISYFOS : outil de simulation développé par le FFI (Norwegian Defence Research Establishement ) permettant de réaliser des modélisations de conversion de fréquence paramétrique optique, laser et propagation de faisceau en milieu non linéaire ou turbulent. L'autorisation d'utiliser l'outil SISYFOS requiert d'établir un accord spécifique avec le FFI.

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2 Annuaire

  • Sociétés commercialisant des sources paramétriques optiques

    La liste suivante n'est pas exhaustive, elle donne quelques pistes de fournisseurs de sources paramétriques optiques et de matériaux non linéaires optiques.

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