Brevet FR2730323A1 — publié le 19960809

CONVERTISSEUR DE FREQUENCE OPTIQUE A HAUT RENDEMENT Le domaine de l'invention est celui des sources optiques de puissance, capables de générer une onde optique de longueur d'onde hs à partir d'une onde optique de longueur d'onde #p et ce en exploitant la nonlinéarité d'ordre 2 de certains matériaux optiquement non linéaires. Classiquement, ces matériaux sont utilisés pour élargir de manière très significative l'éventail des gammes spectrales accessibles avec les sources laser existant à ce jour. Cependant, les rendements de conversion obtenus avec les convertisseurs de fréquence actuels représentent un frein à l'utilisation de telles sources optiques en matière de puissance et plus particulièrement lorsque l'on cherche à émettre dans la bande III de l'infrarouge (typiquement 10,6 pm) à partir d'un faisceau proche infrarouge (typiquement 1,06 pm). En effet, lorsque l'on cherche à émettre à une longueur d'onde #s à partir d'une longueur d'onde #p beaucoup plus petite que #s on se trouve confronter au problème suivant: Un photon de fréquence op ne peut donner lieu qu'à un photon de fréquence os et quelle que soit la technique d'accord de phase utilisée l'efficacité de conversion ne peut dépasser la limite quantique c'est-à-dire le rapport s5/eop soit encore #p/#s. Dans la conversion de fréquence de 1,06 pm vers 10,6 pm, le rendement de conversion est typiquement limité à 10 %. Ceci est du au phénomène de fluorescence paramétrique utilisé dans les convertisseurs de fréquence. En effet, la conservation de l'énergie photonique exige que: #p = #i + #s (1) ce qui peut encore s'écrire 1/As + 1/#i = 11p (2) II apparaît ainsi qu'à partir d'une longueur d'onde donnée #p, une infinité de couples (ks. hi) ou (#s, coi) peuvent être créés. Cependant, seuls les couples pour lesquels la condition d'accord de phase entre l'onde optique initiale et les ondes optiques créées est vérifiée, conduisent à une conversion significative de l'onde de pompe en ondes dites signal à #s et idler à #i. L'efficacité de conversion évoquée précédemment se place dans le cadre d'une conversion efficace pour laquelle la condition d'accord de phase entre les trois ondes optiques en jeu est satisfaite. Donc dans le meilleur des cas cette efficacité de conversion est toujours limitée par le rapport quantique #p/#s. Notons que la condition d'accord de phase correspond à l'annulation ou à la compensation de la différence des constantes de propagation entre l'onde incidente à #p et les ondes créées à Xj et BS. Cette condition d'accord de phase s'exprime par l'équation (3) suivante: Ak=kp(k5+ki) (3) #k = 2# np/#p - 2# (ns/#s + ni/#i) Du fait de la dispersion de l'indice de réfraction du matériau non linéaire cette équation (3) n'est annulée que dans certaines conditions. On peut utiliser la biréfringence du matériau non linéaire pour satisfaire l'équation: ns/#s + ni/#i = np/#p soit encore nep/As = nos/ks + noi/#i avec nep indice de réfraction extraordinaire du matériau biréfringent à #p et nOS et n0 indices de réfraction ordinaire du matériau biréfringent à #s et #i. II est également possible de perturber de façon périodique un paramètre physique du matériau non linéaire intervenant dans l'interaction non linéaire entre les différentes ondes, afin de compenser la différence Ak non nulle à cause de la dispersion d'indice et responsable d'un déphasage de # au bout d'une longueur d'interaction Lc appelée longueur de cohérence (Ak.Lc = s). Ce procédé d'accord de phase artificiel ou de Quasi Accord de Phase (QAP) permet en fait de vérifier l'expression: #k = kp - (ks + ki) = mK avec K = 2#/# où m est l'ordre entier dans lequel est obtenu le QAP et A, la période de la perturbation (A = 2m Lc). Typiquement, une façon de réaliser ce QAP peut consister à changer au bout de chaque longueur de cohérence, le signe du coefficient non linéaire mis en jeu. Ceci revient à opérer dans l'ordre 1 (m = 1), sachant qu'un QAP dans un ordre m supérieur est moins efficace mais permet d'utiliser un pas m fois plus grand. Pour résoudre le problème de rendement de conversion limité dans les convertisseurs de fréquence actuels, même lorsque les conditions d'accord de phase sont satisfaites, l'invention propose un dispositif de conversion de fréquence dans lequel l'énergie convertie dans l'onde dite "idler" à la longueur d'onde #i et actuellement perdue, est avantageusement utilisée pour générer elle-même à son tour des photons à la longueur d'onde As et à une autre longueur d'onde pouvant elle-même à son tour créer à nouveau des photons à As. De proche en proche on utilise ainsi les différentes énergies perdues pour créer à leur tour des photons à la longueur d'onde As Une autre approche du problème posé consiste pour pallier l'énergie photonique perdue à la longueur d'onde #i, à utiliser différentes opérations correspondant à la dégénérescence de l'onde à #p de manière à créer à partir de l'onde à Ap, des photons à 2Ap, à partir desquels on crée des photons à 4#p et ainsi de proche en proche créer de l'énergie photonique à As sans perte dans une onde "idler". Plus précisément, I'invention a pour objet un dispositif de conversion de fréquence d'une onde optique incidente de longueur d'onde en en onde optique de longueur d'onde As et comprenant un milieu optiquement non linéaire (MNL), caractérisé en ce que: - le dispositif comprend la conversion de l'onde optique à #p, en deux ondes optiques de longueur d'onde Aj et A'j et la conversion d'au moins une des deux ondes optiques Aj eVou A'j en au moins un couple de deux ondes optiques à des longueurs d'ondes Aj+1 et #i+2 etlou #i+1' et X'i+2;; - les conditions d'accord de phase entre d'une part les ondes optiques aux longueurs d'onde Ap, #i, #i' et entre d'autre part les ondes optiques aux longeurs d'onde #i, #i+1, #i+2 et/ou #i', #i+1', #i+2' sont satisfaites simultanément dans le milieu (MNL). Dans une première variante #i = As, I'onde optique à A' iest utilisée pour créer à son tour deux ondes optiques à #i+1' et #i+2'. Ainsi, si #s/#p = N (1 +a) avec N entier et O 1/#1 = 1/#s + 1/#2 1/#i = 1/#s + 1/#i+ 1/#N-1 = 1/#s + 1/#'N ou 1/#N = 1/#s + 1/#N+1 les N conditions d'accord de phase entre les triplets d'ondes optiques à (#p, #s, #1), (#1, #s, #2), ..., (#i, #s, #i+1) ..., (#N, #s, #N+1) étant satisfaites simultanément dans le milieu (MNL). Dans une autre variante de l'invention, le convertisseur de fréquence selon l'invention utilise la dégénérescence de l'onde optique à et #i = #i' = 2#p, #i et #i' créant les deux couples (#i+1, #i+2) et (#i+1', #i+2') avec #i+1 = #i+2 = #i+1' = #i+2'. On utilise alors M fois la dégénérescence de l'onde de pompe, c'est-à-dire si M est défini par la relation #s/#p = 2M (1 + ss) avec 0 1/#p = 2/#1 1/#1 = 2/#2 1/#k = 2/#k+1 1/#m = 2/#s ou 1/#s = 1/#M + 1/#M' les M ou M + 1 conditions d'accord de phase entre les ondes optiques à (#p,#i), (#1,#2), ... (#k, #k+1), .. (#s,#n) ou (#s, #M, #M') étant satisfaites simultanément dans le milieu (MNL). Les conditions d'accord de phase peuvent avantageusement être obtenues grâce à la présence de structures périodiques au sein du milieu (MNL). Elles peuvent également être satisfaites en utilisant des matériaux biréfringents. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un schéma représentant les différentes étapes de converson mises en jeu dans un exemple de dispositif de conversion de fréquence selon l'invention - la figure 2 illustre un exemple de réseau de courbes portant en ordonnées le couple de longueurs d'onde (#s, #i) en fonction de #p et ce pour un ensemble de périodes Ai réalisées dans du GaAs - la figure 3 schérriatise les différentes opérations de conversion de fréquence fonctionnant à la dégénérescence dans un exemple de convertisseur de fréquence selon l'invention;; - la figure 4 illustre un exemple de réseau de courbes portant en ordonnées la longueur d'onde Aj en fonction de hi-l et ce pour un ensemble de périodes Ai réalisées dans du GaAs; - la figure 5 illustre une succession de structures réseaux de pas différents utilisée pour constituer le milieu (MNL); - la figure 6 schématise des opérations de conversion de fréquence utilisées dans une source optique accordable, selon l'invention. Le convertisseur de fréquence selon l'invention peut dans une première variante comprendre un ensemble de conversions de fréquence telles que l'onde optique "idler" à la longueur d'onde #i soit réutilisée pour elle-même foumir des photons à la longueur d'onde As que l'on souhaite créer. Pour mener à bien ces différentes opérations les conditions d'accord de phase peuvent avantageusement être réalisées en utilisant différentes structures périodiques de pas différents. Plus précisément, lorsque l'on cherche à émettre à une longueur d'onde As N fois plus grande que la longueur d'onde Ap, la mise en oeuvre de N-1 pas différents permet pratiquement d'accéder à un rendement quantique proche de 100 %.En effet, I'utilisation de N-1 périodes permet en fait le "découpage" du photon initial en N photons d'énergie N fois plus petite. Pour que ce découpage soit effectif, les N-1 équations d'accord de phase doivent être satisfaites dans le milieu (MNL) kp-(kS+k2)=mK1 k2 - (ks + k3) = mK2 ki - (ks + ki+1) = mKi kN-1 - (ks + kN) = mKN-1 avec kp, ks, . kj.. kN, les constantes de propagation des ondes optiques aux longueurs d'onde #p, #s, ...#i, ... Pour satisfaire ces différentes opérations de conversion de fréquence, on peut utiliser une succession de domaines périodiques de période Ai. Toutes les conditions d'accord de phase peuvent également être satisfaites simultanément en réalisant dans le milieu (MNL) la modulation périodique d'un paramètre physique du milieu intervenant dans les opérations non linéaires, cette modulation périodique étant une somme de fonctions périodiques dans lesquelles sont au moins présentes toutes les périodes Ai, A2, AN. La figure 1 illustre à ce titre les différentes opérations de conversion de fréquence mises en jeu, dans le cas d'une succession de domaines périodiques. A titre d'exemple, on peut en utilisant un convertisseur de fréquence selon l'invention convertir efficacement une onde optique à 1,06 pm en une onde optique à 10,6 pm. Pour cela, un milieu (MNL) tel que le matériau GaAs est particulièrement adapté en raison de sa transparence dans toute la gamme spectrale envisagée et son coefficient non linéaire est très élevé. On peut ainsi élaborer une succession de différents domaines chaque domaine présentant une variation périodique d'un paramètre physique intervenant dans l'interaction non linéaire. Ce paramètre peut notamment être le coefficient non linéaire (il peut également s'agir de l'indice de réfraction ..).Plus précisément, chaque domaine peut résulter de l'association monolithique de lames d'orientation alternée de période Ai, il peut s'agir notamment d'une alternance de lames présentant un coefficient non linéaire +d et de lames présentant un coefficient non linéaire -d. Ainsi à partir de l'onde optique incidente à Xp = 1,06 pm, on peut élaborer un milieu (MNL) résultant de l'association des différents domaines de périodes suivantes permettant d'assurer les conditions d'accord de phase pour les différents ondes optiques aux longueurs d'onde suivantes: : #1 = 18,3 m #s = 10,6 m #2 = 1,18 m A2=23,5pm As=10,6pm A3=1,32pm #3 = 30,8 m #s = 10,6 m #4 = 1,51 m #4 = 41,1 m #s = 10,6 m #5 = 1,78 m #5 = 56,5 m #s = 10,6 m #6 = 2,12 m #6 = 80,2 m #s = 10,6 m #7 = 2,65 m #7 = 118 m #s = 10,6 m #8 = 3,53 m #8 = 175 m #s = 10,6 m #9 = 5,30 m #9 = 213 m #s = 10,6 m #10 = 10,6 m La figure 2 donne les courbes d'accord de phase artificiel pour les 9 pas mis en jeu. Il apparaît sur ces courbes que les premières périodes sont très proches les unes des autres, ainsi une longueur d'onde #i peut donner naissance à un autre couple que (As, #i+1) par l'intermédiaire d'un autre pas que Ai.Pour résoudre ce problème, le convertisseur de fréquence peut être inséré dans une cavité résonante avec des miroirs sélectifs en longueur d'onde de manière à faire résonner sélectivement certaines longueurs d'onde. Dans une seconde variante de l'invention, le convertisseur de fréquence peut utiliser M ou M + 1 opérations de conversion de fréquence si M est tel que AS/Ap = 2M (1 + ss) avec M entier, 0 #1' = 14,5 m #1 = 2,64 m #2' = 104 m #2 = 5,28 m #3' = 213 m #3 = 10,56 m La figure 4 illustre à ce titre le réseau de courbes représentant les longueurs d'onde à la dégénérescence en fonction de la longueur d'onde et ce pour différentes périodes de structures réseaux. Cette variante de l'invention est particulièrement intéressante dans la mesure où il apparaît qu'une seule possibilité d'accord de phase est offerte à chaque onde. En effet, compte tenu de l'éloignement spectral entre les différentes ondes mises en jeu, chaque onde qui joue le rôle de pompe pour le type d'interaction paramétrique considéré, ne peut engendrer que la fluorescence correspondant à la dégénérescence et non d'autres couples de fréquences via d'autres périodes. De façon générale, quelle que soit le type de conversion de fréquence envisagée, le milieu non linéaire (MNL) dans lequel sont réalisées les différentes opérations de fréquence peut comprendre une succession de domaines, chaque domaine correspondant à une structure périodique de périodique Ai pour obtenir \ les conditions d'accord de phase. Chaque structure réseau peut résulter de l'association de lames d'orientation altemée et d'épaisseur donnée pour induire la périodicité voulue. Pour passer d'un domaine à l'autre, I'épaisseur des lames utilisées dans un même domaine peut être changée.Notons que lorsque l'on chercher à réaliser des structures réseaux avec des périodes très petites (quelques dizaines de microns, il peut être avantageux de réaliser la condition d'accord de phase dans un ordre suprieur (m > 1) pour pouvoir utiliser des périodes plus grandes. On peut également utiliser des matériaux différents d'un domaine à l'autre. Notamment dans le cadre de l'exemple cité, selon la deuxième variante de l'invention utilisant des opérations de dégénérescence, il peut être très avantageux d'utiliser du LiNb03 pour convertir Xp = 1,32 pm en = 2,64 pm, matériau dans lequel un pas d'environ 35 pm permet la conversion de fréquence souhaitée (pas plus grand que celui utilisé avec GaAs).La figure 5 illustre une telle configuration dans laquelle un premier domaine est constitué de LiNb03 dans lequel on a réalisé une structure réseau de période 35 pm, puis deux domaines constitués par des empilements de lames de GaAs présentant des orientations alternées avec respectivement des pas de 104 pm et 213 pm. Des miroirs semiréfléchissant M1 et M2 sont avantageusement placés d'une part à l'entrée du convertisseur de fréquence, d'autre part entre le premier et le second domaines pour assurer la résonance des différentes ondes en tenant compte de la non transparence de LiNb03 à 5,28 pm et 10,56 pm. Le convertisseur de fréquence placé dans une cavité résonante permet ainsi d'obtenir un oscillateur paramétrique optique. Notons que le cristal LiNb03 étant biréfringent la condition d'accord de phase au sein de ce matériau peut également être obtenue grâce à la biréfringence du matériau pour une orientation précise dudit cristal liquide par rapport aux vecteurs propagations des ondes optiques. Le convertisseur de fréquence placé dans une cavité résonante conduit à un oscillateur paramétrique optique que l'on peut rendre accordable en fréquence, c'est-à-dire pouvant modifier la longueur d'onde As enAs Dans la première cariante de l'invention, c'est-à-dire lorsque les photons à AS sont obtenus par l'enchaînement d'opérations non linéaires mettant en jeu des photons à XS et des photons à Aj on doit pouvoir modifier l'ensemble des conditions d'accord de phase pour en sortie récupérer des photons à . Plusieurs solutions sont possibles pour obtenir ces modifications au sein du milieu (MNL). Dans le cas de structures périodiques il peut être envisagé de changer l'orientation des structures par rapport aux vecteurs de propagation des ondes optiques de manière à changer fictivement la période de modulation. Dans le cas de l'utilisation de matériaux biréfringents, une variation de l'orientation du cristal peut également entraîner une variation au niveau des couples d'ondes optiques pour lesquelles les conditions d'accord de phase sont satisfaites. II peut être particulièrement intéressant d'utiliser une convertisseur de fréquence selon l'invention fonctionnant avec des opérations de conversion de fréquence à la dégénérescence, pour obtenir une source optique de fréquence accordable, dans la mesure où il peut suffir de jouer sur la dernière opération de conversion de fréquence pour obtenir l'accordabilité souhaitée comme illustré en figure 6. Dans ce cas, seule la dernière conversion de fréquence ne fonctionne plus à la dégénérescence et même si le rendement de conversion ultime diminue légèrement on peut encore bénéficier des M-1 opérations précédentes pour utiliser au mieux toute l'énergie photonique dont on dispose. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion de fréquence d'une onde optique incidente de longueur d'onde #p, en onde optique de longueur d'onde #s et comprenant un milieu optiquement non linéaire (MNL), caractérisé en ce que: - le dispositif comprend la conversion de l'onde optique à #p, en deux ondes optiques de longueur d'onde #i et 'j et la conversion d'au moins une des deux ondes optiques #i etlou #i' en au moins un couple de deux ondes optiques à des longueurs d'ondes #i+1 et #i+2 et/ou #i+1' et #i+2';; - les conditions d'accord de phase entre d'une part les ondes optiques aux longueurs d'onde #p, #i, 'j et entre d'autre part les ondes optiques aux longueurs d'onde #i, #i+1, #i+2 et/ou #i', #i+1', #i+2' sont satisfaites simultanément dans le milieu (MNL). 2. Dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que si #s/#p = N (1 + a) avec N entier et O 1/#p = 1/#s + 1/#1 1/#1 = 1/#s + 1/#2 1/#i = 1/#s + 1/#i+1 1/#N-1 = 1/#s + 1/#N ou 1/#N = 1/#s + 1/#N+1 les (N-1) ou N conditions d'accord de phase entre les triplets d'onde optiques à (#p, #s, #1), (#1, #s, #2), ..., (#i, #s, #i+1) ..., (#N-1, #s, # N) ou (#N, hs, #N+1) étant satisfaites simultanément dans le milieu (MNL). 3. Dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que si #s/#p = 2M (1 + ss) avec M entier et O 1/#p = 2/#1 1/#1 = 2/#2 1/#k = 2/#k+1 si ss = 0 1/#M = 2/#s ou 1/#M = 1/#s + 1/#M' si ss # 0 les M ou M + 1 conditions d'accord de phase entre les ondes optiques à (#p, #1), (#1, #2), .. (#k, #k+1), .. (#M, #s) ou (#M, #s, #M') étant satisfaites simultanément dans le milieu (MNL). 4. Dispositif de conversion de fréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conditions d'accord de phase entre d'une part les ondes optiques aux longueurs d'onde #p, #i, #i' et entre d'autre part les ondes optiques aux longueurs d'onde #i, #i+1, #i+2 etlou A'j, #i+1', A'i+2 sont assurées simultanément dans le milieu (MNL) par la modulation périodique de période respectivement Ap, Ai etlou A'i d'un paramètre physique intervenant dans les interactions non linéaires intervenant respectivement entre les ondes aux longueurs d'onde Ap, #i, entre les ondes aux longueurs d'onde #i, #i+1, #i+2 eVou entre les ondes aux longueurs d'onde A'j, #i+1', X'i+2. 5. Dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le milieu (MNL) comprend une succession de modulation périodique de période Ak d'un paramètre physique du milieu (MNL) intervenant dans une kième conversion de fréquence entre des ondes optiques aux longueurs d'onde Ak, hsl Ak+1 ou entre des ondes optiques aux longueurs d'onde #k, #2k 6.Dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde Ap = 1,06 pm, une longueur d'onde #s = 10,6 pm, le milieu (MNL) est en GaAs et comprend une succession de 9 domaines de période Ak intervenant dans la kième conversion de fréquence entre les ondes optiques aux longueurs d'onde #k, #p, #k+1 7.Dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde #p = 1,32 pm, une longueur d'onde AS = 10,6 pm, le milieu (MNL) est en GaAs et comprend une succession de 3 domaines de période Ak, intervenant dans la kième conversion de fréquence entre les ondes optiques aux longueurs d'onde #k et #k+1 avec #k+1 = 2#k 8. Dispositif de conversion de fréquence selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque domaine résulte de l'association monolithique de lames d'orientation alternée. 9. Dispositif de conversion de fréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conditions d'accord de phase sont satisfaites simultanément dans le milieu (MNL) par la modulation périodique d'un paramètre physique du milieu (MNL) intervenant dans les opérations de conversion, cette modulation périodique étant une somme de fonctions périodiques dans lesquelles sont au moins présentes toutes les périodes A1, A2,..., AN. 10. Dispositif de conversion de fréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conditions d'accord de phase entre d'une part les ondes optiques aux longueurs d'onde Ap, hi, A'j, et entre d'autre part les ondes optiques aux longueurs d'onde #i, #i+1, Ai+2 eVou A'j, #i+1', A'i+2 sont assurées simultanément par la présence de cristaux biréfringents d'orientation adaptée, constituant le milieu (MNL). 11. Dispositif de conversion de fréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conditions d'accord de phase sont assurées simultanément dans le milieu (MNL) par la présence de matériaux biréfringents et par la présence de structures périodiques. 12. Source optique de fréquence accordable, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de conversion de fréquence selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Source optique de fréquence accordable, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 2, et que les N-l ou N conditions d'accord de phase sont modifiées pour changer hs en 14. Source optique de fréquence accordable . selon la revendication 13, caractérisée en ce que le milieu (MNL) comprend une succession de domaines de période Ak, chaque domaine résultant de l'association monolithique de lames d'orientation alternée, le domaine de période AM pouvant être incliné de manière variable par rapport à la normale au plan dans lequel se trouve les autres domaines de manière à changer fictivement la période AM en période A'M et la longueur d'onde de sortie As en 15. Source optique de fréquence accordable, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de conversion de fréquence selon la revendication 3 et que seules les Mième ou (M + I )ième conditions d'accord de phase sont modifiées de manière à changer As ou