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RÉSUMÉ
Cet article présente la physique de base des cristaux inorganiques à propriétés optiques non linéaires et de l’optique non linéaire. A partir des susceptibilités électriques non linéaires d’ordre 2 et 3 des solides nous décrivons les mécanismes de génération du second harmonique, de l’effet Pockels, de l’effet Faraday, du mélange de fréquences, de l’amplification paramétrique optique, de l’oscillation paramétrique optique ou encore de l’émission Raman stimulée.
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Georges BOULON : Professeur des universités Institut Lumière Matière, Unité mixte de recherche CNRS 5306 Université Claude Bernard Lyon 1, Université de Lyon, Lyon, France - Cet article est la réédition actualisée de l’article [AF 3 278] intitulé « Cristaux et optique laser non linéaires » paru en 2006, rédigé par Georges Boulon.
INTRODUCTION
Les cristaux à propriétés optiques non linéaires jouent un rôle essentiel dans le développement récent des nouvelles sources laser. Les principales connaissances de base nécessaires à la compréhension de leur fonctionnement ont été introduites à partir des susceptibilités électriques non linéaires d’ordre 2 et 3 des solides. On rappelle d’abord la loi de Malus et les notions essentielles de polarisation par réflexion à l’incidence de Brewster, par biréfringence avec les cristaux uniaxes (calcite CaCO3 , LiNbO3 , quartz), les interfaces de prismes de Glan-Thomson, ou de Glan-Foucault, par absorption avec les milieux dichroïques. L'ensemble est illustré par des exemples pratiques de systèmes utilisant les lames quart d’onde, des cellules anti-retour par application d’un champ électrique qui crée la biréfringence souhaitée de cristaux de KDP (KH2PO4) par effet Pockels et des cristaux isolateurs optiques par application d’un champ magnétique (effet Faraday). Parmi les applications les plus utilisées nous montrerons comment on peut obtenir la génération du second harmonique au moyen de cristaux uniaxes du type χ(2), le doublage de fréquence intracavité et l’autodoublage de fréquence donné par des cristaux dopés surtout par l’ion Nd3+. Nous poursuivons avec la génération de fréquences par des processus paramétriques non linéaires comme l’oscillateur paramétrique optique (OPO pour Optical Parametric Oscillator) souvent constitué d’un cristal de niobate de lithium LiNbO3 polarisé périodiquement (PPLN : Periodically Poled Lithium Niobate) basé sur un quasi-accord de phase (QPM : Quasi Phase-Matching) ainsi que l’amplification paramétrique optique (OPA). Nous terminerons par les cristaux laser décaleurs de fréquence à effet Raman stimulé appliqués à la création d’une étoile artificielle pompant les atomes de sodium de la mésosphère.
Cet article sur les cristaux et l’optique non linéaires est associé à un ensemble relatif à la présentation générale des sources laser à l’état solide qui inclut également la physique du laser Sources lasers à l’état solide. Fondements [AF 3 275] la luminescence cristalline Luminescence cristalline appliquée aux sources lasers [AF 3 276] et la génération des impulsions laser ultrabrèves Génération d’impulsions lasers ultracourtes jusqu’à la femtoseconde [AF 3 282].
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MOTS-CLÉS
effet Pockels émission Raman stimulée oscillation paramétrique optique effet Faraday mélange de fréquences
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
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Génération de fréquences
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2. Polarisation
2.1 Loi de Malus
La lumière dite naturelle n’est que partiellement polarisée. Les ondes lumineuses émises individuellement sont bien polarisées linéairement mais n’ont pas de corrélation directionnelle, ni d’amplitude, ni de phase entre elles. On dit que l’émission est incohérente. Cela signifie que le vecteur champ électrique
orthogonal au rayon lumineux occupe en projection sur un plan perpendiculaire à ce rayon toutes les positions possibles d’une façon aléatoire. Il existe cependant des sources dites polarisées, dont de nombreux lasers, et il convient donc de définir les procédés usuels de polarisation. En effet, les milieux appelés polariseurs ne laissent passer qu’une composante de direction privilégiée de la lumière incidente, ils trient les vecteurs
selon une direction,
pour le polariseur n° 1 et
pour le polariseur n° 2 sur la figure 1.
Rappelons l’expérience fondamentale de polarisation spectaculaire par sa potentialité à éteindre complètement le faisceau. Dans ce montage, la lumière naturelle est polarisée selon la direction indiquée par la flèche du polariseur n° 1. Cette vibration E 1 est reçue par un autre polariseur appelé analyseur qui ne laisse passer que les vibrations faisant un angle α avec la précédente tel que l’amplitude E 2 soit E 2 = E 1 cos α....
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - PELLÉ (F.) - Laser based on nonlinear effects, handbook of laser technology and applications. Laser design and laser systems. - WEBB (C.) et JONES (J.) (éd.), Institute of Physics Publishing, Bristol Philadelphia, vol. II, p. 431-468 (2004).
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(3) - YARIV (A.) - Optical waves in crystals. - Wiley, New York (1984).
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(4) - COURTOIS (J.Y.) - Optique non linéaire. - Dans Les lasers et leurs applications scientifiques et médicales. FABRE (C.) et POCHOLLE (J.P.) (éd.), Les Éditions de Physique (1996).
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(5) - POCHOLLE (J.P.), VIVIEN (D.) - Les matériaux laser pour l’optique non linéaire. - Numéro spécial de l’Actualité Chimique, Les matériaux du fondamental aux applications. Numéro publié en collaboration avec la SF2M et le CNRS,...
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