Brevet FR2650085A1 — publié le 19910125

DISPOSITIF NON LINAIRE ET APPLICATION A UN DOUBLEUR DE PREQUENCE L'invention concerne un dispositif non linéaire et plus partlculierement son application à un doubleur de fréquence. le domaine technique auquel appartient 11 invention est celui de l'optique non linéaire et en particulier celui de l'utilisation de matériaux ou l'accord de phase ne peut être obtenu par les méthodes classiques. En, général, quand une Interaction optique non linéaire est recherchée, il faut satisfaire å une condition dite condition d'accord de phase. Celle-ci ne peut être réalisée que dans certains matériaux dont la dispersion entre les longueurs d'ondes en interaction peut être compensée par la biréfringence (dans le cas d'ondes optiques interagissant polarisées au moins suivant deux directions propres différentes du cristal) ou en utilisant la dispersion anormale autour d'une raie d'absorption. Une autre solution est d'utiliser la méthode dite d'accord de phase artificiel ou les propriétés du matériau sont changées de façon périodique avec un vecteur d'onde de la perturbatlon compensant le désaccord de phase pour l'interaction non linéaire considérée. Dans ce dernier cas, pour obtenir une interaction efficace, il faut pouvoir réaliser la structure périodique sur une grande longueur de matériau ce qui peut être difficile avec certains dispositifs tels que ceux faisant intervenir un assemblage de plaques non linéaires d'épaisseur fixée et dont les orientations cristallographiques sont modlfiees pour chaque plaque (voir l'article de D.E THOMPSON et al., "Applied Physics Letters 29, 113" de 1975), ou encore ceux permettant de renverser le signe du coefficient non linéaire périodiquement en inversant la polarisation d'un matériau ferroélectrlque tel que le LiNbO3 (voir l'article de D. EENG et al., wApplled Physic Letters 29, 113" de 19?5). L'invention consiste à améliorer les principes de l'accord de phase artificiel en proposant une solution simple pour le mettre oeuvre. Elle est basée sur l'utilisation d'un matériau non linéaire dans un interféromètre de Fabry-Pérot faisant résonner la (ou les) nouvelle (s) fréquence (s) générée (s) au lieu de la fréquence de l'onde de pompe qui est donc, dans ce cas, une onde progressive. L'invention concerne donc un dispositif non linéaire comportant un milieu non linéaire qui, sous l'effet d'une onde de pompe, émet un faisceau lumineux contenant un fondamental et au moins un harmonique, caractérisé par le fait que - le milieu non linéaire est compris dans une cavité résonante accordée à la longueur d'onde de l'harmonique - la dimension du milieu selon le sens de parcours de la lumière dans la cavité résonante est égale à la longueur de cohérence de l'onde harmonique multipliée par un nombre entier impair. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels - la figure 1 montre une courbe du seconde harmonique générée dans un cristal non linéaire, - la figure 2 montre une courbe du second harmonique dans un milieu comportant des zones de coefficients non linéaires de signes inverses, - les figures 3 et 4 montrent des courbes du second harmonique dans une variante de réalisation d'un milieu non linéaire comportant des zones à coefficients non lineaires de signes inverses, - la figure 5 est un exemple de réalisation du dispositif de l'invention, - la figure 6 et 7 sont d'autres exemples de réalisation du dispositif de l'invention. savant de décrire l'invention proprement dite nous commencerons par rappeler les principes de base de l'accord de phase artificiel dans les interactions non linéaires. Pour cela nous prendrons l'exemple de la génération de second harmonique. Dans le cas de la génération de second harmonique, la condition fondamentale qui doit être remplie est celle de l'accord de phase qui décrit en fait la conservation des moments au cours de l'interaction. lille s'écrit K(w) + K(w) = K(2w) C'est en fait une relation vectorielle où les vecteurs K sont des vecteurs d'ondes des ondes électromagnétiques en interaction. Quand cette condition n'est pas réalisée, on peut montrer que l'évolution de l'intensité harmonique générée en fonction de la longueur d'interaction a la forme schématisée sur la figure 1. L'interaction est constructive seulement sur une longueur Le dite longueur de cohérence et dont la valeur est Lc =ff/( K(2W) - 2K(S1)) Ce phénomène traduit l'accumulation d'un déphasage entre l'onde harmonique qui se propage librement dans le matériau et la polarisation non linéaire créée par l'onde de pompe. Dans un tel cas, ai on renverse par exemple le signe du coefficient non linéaire avec une périodicité 2Lc avec des zones de longueur Lc, l'interaction est toujours constructive et l'intensité harmonique en fonction de la longueur d'interaction dans le matériau prend alors la forme présentée sur la figure 2. 1l faut noter que la mise en oeuvre de cette méthode n'est pas limitée A la réalisation de zones de longueur Lc avec une périodicIté de 2Lc. En effet il suffit que le signe des coefficients de non linéarité soit inversé selon une périodicité qui est un multiple pair de Lc et des longueurs de zones identiques égales à un multiple impair de Lc. Cette technique peut être mise en oeuvre par exemple en renversant le signe de la polarisation ferroélectrique dans un matériau adéquat tel que le LiNbO3 ou en utilisant une succession de plaques de matériau non linéaire avec des orientations inversées. En fait le principe de base de l'invention repose sur la remarque suivante ll n'est pas strictement nécessaire de renverser périodiquement le signe du coefficient non linéaire. En effet, on peut par exemple arrêter l'interaction non linéaire après une longueur Lc et "attendre" que l'onde harmonique et la polarisation non linéaire soient de nouveau en phase pour continuer l'interaction non linéaire. Ceci est schématisé sur la figure 3 où l'interaction non linéaire a lieu périodiquement sur une longueur Lc, deux zones successives étant séparées par une zone sans interaction le long de laquelle on accumule simplement le déphasage.De façon similaire au cas du renversement périodique du signe du coefficient non linéaire, la condition est que la zone non linéaire et la zone sans interaction non linéaire doivent avoir des longueurs égales à des multiples impairs de Lc comme indiqué à titre d'exemple dans la figure 4. L'invention concerne un dispositif mettant en oeuvre cette technique. La figure 5 représente un dispositif selon l'invention comportant un cristal non-linéaire 1 recevant un faisceau de pompe Fp et placé dans une cavité du type Fabry-Pérot comportant deux miroirs 2 et 3, et résonnant uniquement à une longueur d'onde harmonique. La cavité présente des coefficients de réflexion minimaux à la longueur d'onde fondamentale. La longueur du milieu non linéaire est égale à un multiple impair de la longueur de cohérence, c1est-A-dire E = Le(2n + 1). Supposons que l'onde fondamentale se propage de la gauche vers la droite sur la figure 5. L'onde harmonique se propageant dans la même direction voit son amplitude augmenter comme sur la figure 5 où l'on a supposé, pour simplifier, que la longueur du matériau non linéaire est égale à Lc. Après réflexion sur le miroir de la sortie 3 de l'interféromètre que constitue le milieu non linéaire 1, I'onde harmonique se propage de la droite vers al gauche. Dans ce cas, l'interaction non linéaire est très faible car le désaccord de phase est très important (les vecteurs d'ondes sont opposés et la valeur maximale de l'onde harmonique dans la figure 1 est inversement proportionnelle au désaccord de phase).Au cours de cette propagation, seul un déphasage est accumulé sur une longueur qui, rappelons le est exactement égale â Lc. Après réflexion sur le miroir d'entrée 2 on se trouve alors exactement dans les bonnes conditions pour que l'interaction non linéaire soit de nouveau constructive au cours du prochain passage dans l'interféromètre. En fait on réalise, avec une structure très compacte, l'effet décrit par la figure 4. n est clair que, pour qu'une telle situation puisse se développer, il est nécessaire que le résonateur soit ajusté pour être résonnant a la longueur d'onde harmonique générée. Cette situation i peut être obtenue en accordant l'interféromètre par des moyens classiques : par effet électrooptique, par effet de température, en ajustant la longueur d'onde fondamentale... Comme nous l'avons déjà précisé, la longueur du matériau non linéaire n'est pas limitée å Lc mais doit seulement être un multiple impair de Lc. Dans le cas où les miroirs et le milieu non linéaire sbnt séparés, fi est préférable de minimiser les coefficients de réflexion sur les faces d'entrée et de sortie du matériau, par exemple en déposant des traitements anti reflets pour les ondes de pompe et harmoniques. Les miroirs peuvent être réalisés directement sur les faces d'entrée et de sortie du matériau non linéaire comme cela est représenté en figures 6. Dans ce cas, il peut être avantageux que ces miroirs présentent des coefficients de réflexion minimum peur l'onde fondamentale. Les faces 12 et 13 du cristal non linéaire 1 ont été clivées. A titre d'exemple, le matériau non linéaire peut être constitué par une plaque de LiNbO3. Dans le cas d'une interaction avec une onde de pompe dans le proche infrarouge et pour la génération du second harmonique, la longueur de cohérence est de l'ordre de 3,5 microns pour une longueur d'onde de pompe de 0,9 microns. Dans ce cas l'onde générée est dans le bleu (0,45 microns). La longueur de la plaque est alors (2n+1)3,5 microns et les faces du cristal sont munies de traitements fortement réfléchissants a la longueur d'onde 0,54 microns et anti réfléchissants å la longueur d'onde 0,9 microns formant ainsi une cavité plan/plan å 0,45 microns. Celle-ci peut alors être couplée optiquement directement au laser de pompe qui peut être avantageusement un laser semiconducteur. Pour faciliter la manipulation de la cavité, l'épaisseur de la plaque peut être par exemple de 87,5 microns (25Lc). Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, la plaque de LiNbO3 est munie de traitements anti réfléchissants aux longueurs d'ondes 0,45 et 0,9 microns et est placée dans une cavité extérieure constituée des miroirs 2 et 3 permettant ainsi des ajustements aisés de la résonance de la cavité indépendamment de l'interaction non linéaire. Dans ce dernier cas on peut aussi orienter la lame a l'incidence de Brewster pour minimiser les coefficients de réflexion sans avoir à utiliser des traitements de surface (voir figure 7). Dans ces configurations et pour le cas du LiNbO3, il est nécessaire que la polarisation incidente soit orientée parallèlement å l'axe optique du cristal (c). Dans le cas d'une cavité externe avec le cristal orienté å l'incidence de Brewster, il est avantageux que, en plus de la condition précédente, la polarisation de l'onde de pompe et l'axe optique du cristal soient dans le même plan (plan d'incidence). Selon un autre exemple de réalisation le milieu non linéaire est en GaAs pour le doublage de fréquence d'un faisceau émis par un laser C02. Dans ce cas la longueur de cohérence est de l'ordre de 100 microns Les configurations décrites dans le cas du LiNbO3 s'appllquent aussi dans ce cas avec les longueurs d'ondes correspondantes : par exemple 10,6 microns et 53 microns respectivement pour les ondes fondamentales et harmoniques, Dans ce qui précède on a supposé que la cavité est résonante pour le dewdôme harmonique cependant le dispositif fonctionnerait également pour une harmonique d'un autre rang. I1 est bien évident que la description qui précède a été faite qu' & titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. les exemples n,um6riques et la nature des matériaux indiqués n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1. Dispositif non linéaire comportant un milieu non linéaire (1) qui, sous l'effet d'une onde de pompe (Fp), émet un faisceau lumineux contenant un fondamental et au moins un harmonique, caractérisé par le fait que - le milieu non linéaire (1) est compris dans une cavité résonante accordée å la longueur d'onde de l'harmonique - la dimension du milieu selon le sens de parcours de la lumière dans la cavité résonante est égale å la longueur de cohérence de l'onde harmonique multipliée par un nombre entier impair. 2. Dispositif non linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la cavité résonante est constituée par deux miroirs (2 et 3) réfléchissant seulement l'onde harmonique. 3. Dispositif non linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu non linéaire (1) est un cristal non linéaire et que la cavité résonante est constituée par deux faces (12, 13) du cristal réfléchissant seulement l'onde harmonique. 4. Dispositif non linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu non linéaire est un cristal placé dans une cavité résonnante comportant deux miroirs (2 et 3) et que les faces d'entrée et de sortie du cristal, selon la direction de l'onde générée par le cristal, sont inclinées selon l'angle de Brewster par rapport å cette direction. 5. Dispositif non linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu non linéaire (1) est un cristal a base de LiNbO3 et que la polarisation du faisceau de pompe (Fp). est parallèle å l'axe optique du cristal. 6. Dispositif non linéaire selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les faces d'entrée et de sortie du cristal son inclinées selon l'angle de Brewster par rapport å la direction de l'onde générée par le cristal et que la direction de polarisation du faisceau de pompe est dans le même plan que l'axe optique du cristal. 7. Dispositif non linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le milieu non linéaire (1) est en AsGa et que le faisceau pompe est en laser å gaz C02. 8. Doubleur de fréquence appliquant le dispositif linéaire selon la revendication 1 et dans lequel la longueur d'onde de l'onde harmonique est la moitié de la longueur d'onde de l'onde fondamentale.