Brevet FR2437639A1 — publié le 19800425

La présente invention concerne un dispositif pour convertir la fréquence d'une lumière cohérente émane d'une plage pouvant être prédéterminée de longueurs d'onde, du-type comportant au moins un cristal en un matériau non linéaire du point de vue optique et possédant la propriété selon laquelle pour une longueur d'onde déterminée Xu de la plage transmissible de longueurs d'onde lumineuses, l'angle d'accord de phase GO et/ou la température d'accord de phase To ne dépendent pas de la longueur d'onde, au moins en première approximation. La fréquence du rayonnement électroma gnétique, de préférence d'une lumière laser, peut être modifiée à l'aide de cristaux non linéaires du point de vue optique, par exemple pour des utilisations dans le domaine de la spectroscopie. Afin d'obtenir un rendement utilisable lors de la conversion optique de fréquences, le cristal utilisé, on doit satisfaire à des conditions particulières d'accord de phase. Ces conditions concernent par exemple l'orientation et la température du cristal convertisseur de fréquence et/ou la polarisation des ondes lumineuses participant au processus. Les conditions d'accord ou d'adaptation de phase dépendent de façon sensible des caractéristiques de dispersion et de biréfringence du cristal utilisé.Dans le cas de sources de lumière primaires variables ou accordables du point de vue spectre, le maintien de l'accord de phase est en général difficile étant donné que la température et/ou l'orientation cristalline doivent subir un réglage complémentaire ou d'asservissement conformément à la fréquence de base variable. C'est pourquoi il a déjà été proposé d'utiliser des cristaux non linéaires du point de vue optique, qui, au moins dans une plage déterminée de longueurs d'onde et en raison de leurs propriétés partieulières de réfraction de la lumière, ne rendent nécessaire aucune modification de l'angle d'accord de phase ou de la température d'accord de phase. La présente invention a pour but d'indiquer un dispositif du type mentionné plus haut qui possède des propriétés ou caractéristiques particulièrement favorables. Ce problème est résolu gracie au fait que le cristal est un cristal de vanadate de calcium (Ca3(V04)2). Les caractéristiques avantageuses du dispositif proposé reposent sur celles du matériau du cristal, à savoir 1) Il possède une susceptibilité non linéaire quadra tique moyenne; 2) Une capacité élevée de charge en rayonnement; 3) Une relative insensibilité vis à vis d'une divergen ce ou d'une modification de direction du faisceau primaire; 4) Une relative insensibilité de l'orientation cris talline pour une température fixe par rapport à des variations de longueur d'onde de la lumière pri maire. Dans le cas d'une orientation cristalline fixe, la plage typique d'accord se situe à environ 20 nm, ce qui est à comparer aux 7 nm dans le cas du matériau classique quest le niobate de lithium. En raison de ces propriétés favorables, on peut utiliser un tel dispositif avantageusement pour le doublage de fréquence, notamment pour le doublement de fréquence dans la pla ge spectrale s'étendant de 1,7 P à 3 }i. De même on peut également utiliser avantageusement ce dispositif pour la conversion de fréquence de lasers à semiconducteurs et de lasers à activateurs dans la plage spectrale de 2 à 3,u. Ci-après on va comparer les propriétés d'un cristal de vanadate de calcium aux propriétés d'un cristal de niobate de lithium (LiNbO3). A cet effet les grandeurs devant être comparées ont été représentées sur des diagrammes que représentent les figures 1 à 3 annexées à la présente demande. La figure 1 représente l'angle d'accord de phase GO pour le doublement de fréquence colinéaire en fonction de la variable indépendante constituée par la longueur d'onde X 1 1 est la longueur d'onde de la lumière primaire incidente). La figure 2 représente la variation du produit de la longueur du cristal 1 par l'angle d'admission b e0 en fonction de la longueur La figure 3 représente la variation du produit de la longueur du cristal 1 par la plage d'achromatisme ss 1 en fonction de'la longueur d'onde > 1- Sur la figure 1, les courbes représentent l'angle d'accord de phase e0 en fonction de la longueur d'onde indépendante #1 dans une plage de longueurs d'onde s'étendant de 1 à 4 F pour le vanadium de cla- cium (courbe en trait plein) et pour le niobate de lithium (courbe formée de tirets).Chaque courbe possède un minimum à tangente horizontale qui se situe à une valeur Nu égale à environ 2,24 * pour le vanadium de calcium et à une valeur # u égale à environ 1,9 P pour le nobiate de lithium. Les angles d'accord de phase GO pour X u sont égaux à environ 700 pour le phase e0 pou r vanadium de calcium et à environ 41,770 pour le niobate de lithium. Les courbes représentées sont valables pour l'accord de phase complet, c'est-à-dire que la différence de phase ## entre f' onde lumineuse devant être produite et l'onde lumineuse produite est nulle que toute la longueur irradiée du cristal. Dans l'exemple choisi, en particulier dans le cas d'une longueur d'onde 1,7 et 2,9 , on a ce qu'on appelle un accord de phase "non critique du point de vue de l'angle" (tangente verticale), la grandeur alb/de disparaissant en première approximation. Sur la figure 2 on a représenté la va riation de la grandeur 1. ss e (le produit de la lon- gueur du cristal par la divergence angulaire admissible du faisceau primaire; le mot "admissible" signifie ici que pour la différence de phasea 8 .on a et dans le dernier cas les valeurs correspondantes seraient doubles pour ae et À > ) pour la production colinéaire du harmonique dans le vanadate de calcium (courbe en trait plein) et dans le nobiate de lithium (courbe formée de tirets) en fonction de la longueur d'onde indépendante 1 Cette courbe montre que pour une longueur du cristal de 1 cm, l'angle d'admission sse pour le vanadium de calcium est supérieur à 0,50 dans l'ensemble de la plage spectrale appropriée pour l'accord ou adaptation de phase (ligne I sur la figure 2). Cela signifie par exemple que, dans le cas d'une divergence du faisceau primaire de 0,5Q, la perte de puissance par rapport à un faisceau dénue de divergence ne devient pas supérieure à 30%. A titre de comparaison l'angle d'admission e se situe à 0,10 dans les conditions indiquées pour le niobate de lithium (ligne II sur la figure 2). Sur la figure 3 on a représenté la variation du produit de la longueur du cristal par la variation admissible de longueur d'onde du faisceau primaire, pour une orientation cristalline fixe, à savoir la grandeur 1. A1 pour la production colinéaire du second harmonique dans le vanadium de calcium (courbe en trait plein) et dans le niobate de lithium (courbe formée de tirets) en fonction de la longueur indépendante ss 1 Les fonctions possèdent des pâles pour les longueurs d'onde #u , pour lesquelles on a d( ##1)/d #1 =0.On peut voir sur cette figure que pour la longueur du cristal 1 cm, la plage typique d'accord pour le vanadium-de calcium se situe à environ 20 nm (ligne horizontale III sur la figure 3), car pour le vanadium de ealeium t 31 est supérieur à 20 nm sur presque l'ensemble de la plage spectrale appropriée pour l'accord de phase. A titre de comparaison, la plage d'accord pour le niobate de lithium se situe seulement à environ 7 nm (ligne horizontale IV sur la figure 3).Dans le cas du niobate de lithium, br, dépasse le repère à 20 nm uniquement sur une plage spectrale étroite b autour de #u = 2 . Si l'on transfère la plage spectrale b au voisinage de X u = 2,3 P du vanadium de calcium, on obtient au contraire une plage d'accord d'au moins 70 nm. Ainsi on voit que le vanadium de calcium possède des avantages importants par rapport au: matériau classique qu'est le niobate de lithium. En raison de ces avantages mis en évidence et en particulier en raison de la plage de variation admissible relativement importante de la longueur d'onde et de l'angle, à l'intérieur de laquelle l'accord de phase du faisceau primaire et du faisceau secondaire peut être maintenu, l'utilisation du dispositif proposé pour le doublage de fréquence dans la plage spectrale s'étendant de 1,7 à 3r et pour la conversion de fréquence de lasers à semiconducteurs et de lasers à activateurs dans la plage spectrale s'étendant de 2 à 3 est possible. Les diagrammes représentés sur les figures 1 à 3 sont basés sur les mesures à la température ambiante (220C). Par rapport à un autre matériau classique, à savoir le matériau KDP (KH2P04), le rapport de la composante de tenseur d du vanadium de calcium à la 31 composante de tenseur d36 du KDP est égal à 1,51, ce qui indique le vanadate de calcium est supérieur à ce matériau classique, en présentant une susceptibilité non linéaire quadratique supérieure. La capacité de charge en rayonnement du vanadium de calcium pour la longueur d'onde lumineuse égale à 1,06 est supérieure à 108 W/em2. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour convertir la fréquence d'une lumière cohérente issue d'une plage pouvant être prédéterminée de longueurs d'onde, du type comportant au moins un cristal en un matériau non linéaire du point de vue optique et possédant la propriété selon laquelle pour une longueur d'onde déterminée #u de la plage transmissible de longueurs d'onde lumineuses, l'angle d'accord de phase 8 et/ou la température d'accord de phase T ne dépendent pas de la longueur d'onde, au o moins en première approximation, caractérisé par le fait que le cristal est un cristal de vanadate de calcium (Ca3(vo4)2) 2) Utilisation d'un dispositif suivant la revendication 1, pour le doublement de fréquence, notamment pour le doublement de fréquence dans la plage spectrale s'étendant de 1,7 fi à 3 ju. 3) Utilisation d'un dispositif suivant la revendication 1, pour la conversion de fréquence de lasers à semiconducteurs et de lasers à activateurs dans la plage spectrale de 2 à 3 .