Brevet FR2758894A1 — publié le 19980731

DISPOSITIF DE GENERATION DE LUMIERE PAR EFFET NON LINEAIRE, AVEC UNE CONFIGURATION REPLIEE DE QUAÌ- ACCORD DE PHASE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif permettant de générer de la lumière par effet non-linéaire et avec une configuration de quasiaccord de phase. Cette lumière peut appartenir au domaine infrarouge ou au domaine visible ou au domaine ultraviolet. La présente invention a notamment les applications suivantes - mémoires optiques du genre des disques compacts, lues avec un rayonnement laser de courte longueur d'onde (bleu), - systèmes d'imagerie par projection trichrome, utilisant des rayonnements du domaine visible, - détection de gaz par spectrométrie, nézessitant un rayonnement de grande longueur d'onde, supérieure à 800 nm. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De nombreuse lasers ont déià été développés pour ces applications . lasers à gaz, à colorants, à solides ou à semi-conducteurs. La plupart de ces lasers émettent à des longueurs d'onde imposées par les niveaux d'énergie des transitions atomiques des matériaux utilisés pour obtenir l'effet laser. Le choix des longueurs d'onde est ainsi malheureusement très limité et fixé par la nature. Pour certaines applications, on recherche soit une accordabilité en longueur d'onde soit des raies d'émission à la limite du domaine d'émission des lasers classiques qui émettent dans l'infrarouge ou dans l'ultraviolet. L'accordabilité en longueur d'onde peut être obtenue avec des lasers fonctionnant sur des bandes d'absorption (lasers accordables à colorants ou solides). Ces lasers sont certes accordables mais ils ne sont pas simples à mettre en oeuvre (surtout lorsqu'ils utilisent des liquides) ou sont limités au proche infrarouge (dans le cas des lasers solides). Avec les diodes-lasers à semi-conducteurs, une accordabilité est théoriquement possible (par modification de la composition de l'alliage semiconducteur utilisé), mais le coût des développements technologiques est tel que les constructeurs ne font que des composants pour lesquels le marché est assuré (dans le domaine des lecteurs de disques compacts cu des télécommunications). Par effet non-linéaire optique, on peut étendre le domaine des longueurs d'onde d'émission. Ce domaine peut être étendu vers l'ultraviolet par la technique classique de génération de longueurs d'onde harmoniques. Cette technique met le plus souvent en oeuvre des matériaux cristallins à structures non centro-symétriques (comme par exemple le KTiOPO4 plus simplement appelé KTP), qui ont des coefficients nonlinéaires. Cette technique nécessite toutefois des lasers dont la puissance est importante. Le domaine des longueurs d'onde d'émission peut aussi être étendu vers l'infrarouge par utilisation d'oscillateurs paramétriques optiques ou OPO. Cette technique permet d'avoir à la fois l'accordabilité et l'élargissement du domaine spectral d'émission-laser. L'efficacité des interactions non-linéaires évoquée précédemment peut être augmentée par une méthode dite de Quasi-Accord de Phase ou QAP ( Quasi-Phase Matching ou QPM). Le document (1) suivant introduit clairement les concepts d'OPO et de QAP (1) Oscillateur paramétrique optique en configuration de quasi-accord de phase , M.P. de Micheli, Ann. Phys. Fr.20 (1995) 517-526. Rappelons brièvement le principe d'un oscillateur paramétrique optique. A partir d'un signal dit de pompe produit par un laser, on obtient, par interaction nonlinéaire au sein d'un matériau bien choisi, deux ondes dites signal et idler dont les longueurs d'onde sont définies par les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. L'accordabilité en longueur d'onde de l'émission du laser est possible dès que ces lois de conservation sont vérifiées. Le choix de la longueur d'onde d'émission du laser est (en général) régi par l'orientation du matériau non-linéaire. C'est du choix du matériau non-linéaire que dépendent les performances de la source laser en termes de domaine d'accordabilité et de seuil de l'effet laser. L'un des problèmes rencontrés dans la génération d'un effet non-linéaire est celui du déphasage des ondes générées et de l'onde de pompe. Ce déphasage tend à annuler périodiquement (par interférences destructives) l'efficacité de la conversion, en fonction de l'épaisseur de matériau traversée. L'accord de phase ( phase matching ) des onces est le plus souvent réalisé avec un matériau nonlinéaire biréfringent. On profite ainsi de la biréfringence du matériau pour ajuster les vitesses de phase des ondes par orientation de l'axe optique du milieu non-linéaire traversé. Rappelons aussi le principe du quasi-accord de phase ou QAP. Le QAP consiste à feuilleter le matériau non-linéaire utilisé pour inverser périodiquement le signe du coefficient non-linéaire ou matériau, afin que le déphasage des ondes engendrées reste limité (inférieur à =/2, pour éviter le phénomène des interférences destructives). En réalité, l'avance ou le retard de phase des ondes, qui est accumulé dans l'une des couches du matériau feuilleté, est compensé, dans la couche suivante, respectivement par un retard ou une avance de phase de même amplitude et de signe contraire. Sur la figure 1 des dessins annexés, on voit une partie du matériau feuilleté 2 qui est traversé par des ondes optiques 4 et constitué par un empilement de domaines 6, les signes des coefficients non-linéaires de ces domaines étant alternés. La périodicité de l'alternance des dondaines (à coefficients non-linéaires positifs ou négatifs) est imposée par celle du déphasage des ondes (longueur de cohérence). Typiquement, l'épaisseur des domaines n'excède pas quelques dizaines de micromètres. Cette technique offre de nombreux avantages. Elle permet notamment d'utiliser les matériaux non-linéaires suivant une direction d'orientation du cristal qui n'est plus imposée par la condition d'accord de phase . De ce fait, on peut souvent profiter d'un bien meilleur coefficient non-linéaire (d33 par exemple). L'efficacité de conversion non-linéaire est ainsi bien supérieure et l'on peut même réaliser des OPO à partir de sources de pompage de faible puissance. Toutefois, la réalisation d'un matériau pour QAP, avec plusieurs milliers de domaines à coefficients non-linéaires alternés, n'est pas simple. On s'en apercevra à la lecture du mode de réalisation décrit dans ie document (1), qui utilise la diffusion d'ions à haute température au travers d'un masque. L'un des problèmes techniques rencontrés est d'obtenir une faible dispersion de l'écart d'indice de réfraction de tous les domaines de l'empilement car une dispersion d'indice induit une perte d'efficacité. Une indication de la tolérance sur cet écart (An=10~3) est donnée par le document (2) suivant (2) Efficient type I blue second-harmonic generation in periodically segmented KTiOPO4 waveguides , C.J. Van der Poel et al., Appui. Phys. Lett.57 (20), Nov 90. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif de génération de lumière par effet nonlinéaire, avec une configuration de quasi-accord de phase, dispositif qui est beaucoup plus simple à fabriquer que les dispositifs à QAP connus, mentionnés plus haut. En effet, l'invention utilise une configuration repliée de QAP, susceptible de comporter seulement quelques couches, voire une seule couche, d'un matériau non-linéaire (au lieu de plusieurs milliers de couches). De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de génération de lumière par effet non linéaire, avec une configuration de quasiaccord de phase, ce dispositif comprenant un milieu non-linéaire destiné à interagir avec un signal de pompe pour produire ladite lumière, le dispositif étant caractérisé en ce qu' il comprend en outre deux miroirs placés en vis-à-vis, qui définissent une cavité optique et entre lesquels est placé le milieu non-linéaire, ce dernier étant un empilement de N couches d'un matériau non-linéaire, avec N21. N est fixé, selon l'application, par l'homme du métier. Il peut être aussi grand que 10000 ; c' est l'épaisseur totale de l'empilement qui est une limitation variable selon l'application. De préférence, on utilise un empilement de N couches, avec 1 Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les signes des coefficients non-linéaires des N couches sont alternés, avec N22. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, une seule couche de matériau non-linéaire est comprise entre les miroIrs, ces derniers étant aptes à compenser le déphasage induit par cette couche sur le signal de pompe et la lumière engendrée. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les miroirs sont des empilements de couches multi-diélectriques. De préférence, chaque miroir a un coefficient de réflexion supérieur à 99. En général et sans que cela soit limitatif l'épaisseur de la couche ou des couches comprises entre les miroirs peut être de l'ordre de 100 um. Elle est de préférence inférieure à 50 um. On peut choisir le matériau non-linéaire par exemple dans le groupe comprenant KTiOPO4, LiNbO3, BaB204, LiB30, KNbO3, les semiconducteurs III-V et II-VI, AgGaSe et ZnGeP. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique et partielle d'un dispositif connu ayant une configuration de QAP, la figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, comprenant deux couches d'un matériau non-linéaire, et la figure 3 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier, comprenant une seule couche d'un matériau non-linéaire. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 2, est un dispositif de génération de lumière par effet nonlinéaire, avec une configuration de quasi-accord de phase, et comprend un empilement de seulement quelques couches 8 d'un matériau non-linéaire. Les signes des coefficients non-linéaires de ces couches sont alternés. Le nombre de couches ne dépasse pas 50 et, dans l'exemple de la figure 2, est égal à 2. On voit également sur la figure 2 un laser 10 destiné à envoyer un signal de pompe 11 vers l'empilement des couches 8. On voit aussi un faisceau lumineux 12 qui sort de l'empilement et qui est engendré par interaction du signal de pompe avec les deux couches 8. Dans l'exemple de la figure 2, l'effet cumulatif de la conversion non-linéaire de fréquence est obtenu par repliement du faisceau 12 au sein d'une cavité optique. Cette dernière est formée par deux miroirs parallèles 14 et 16, placés en vis-à-vis, et contient l'empilement des deux couches 8. Chacun de ces deux miroirs est constitué d'un empilement de couches multi-diélectriques. La surtension de la cavité optique et donc le nombre moyen d'allers et retours de la lumière dans le milieu non-linéaire formé par les deux couches dépendent de la qualité des miroirs 14 et 16. Pour obtenir par exemple un nombre d'allers et retours égal à 1000 et donc avoir une surtension égale à 1000, on peut utiliser des miroirs dont le coefficient de réflexion est de l'ordre de 99,8%. Une telle valeur est assez facile à obtenir en utilisant une cinquantaine de couches multidiélectriques par miroir. L'avantage de la structure de la figure 2 pour le quasi-accord de phase est manifeste du point de vue technologique mais également du point de vue de la mise en oeuvre et des performances. En effet, comme on l'a mentionné précédemment, dans une configuration classique de quasi-accord de phase, il faut parvenir à fabriquer de nombreuses couches dont l'écart d'indice sur tout l'empilement a une faible dispersion. Dans le cas de la figure 2, étant donné que le faisceau lumineux passe plusieurs fois dans l'empilement des couches 8, il suffit de parfaire la compensation de phase sur les quelques couches de cet empilement. De plus, la structure d'une cavité optique résonante est propice au confinement énergétique des ondes électromagnétiques. Ceci est toujours favorable à l'augmentation des effets non-linéaires. En fait, le calcul de la surtension de la cavité optique traduit ce confinement. Toute amélioration de cette surtension (par augmentation du coefficient de réflexion des miroirs 14 et 16) va dans le sens d'une amélioration de l'effet de conversion de fréquence. A titre purement indicatif et nullement limitatif, - le laser 10 est un laser YAG:Nd dont la longueur d'onde d'émission vaut 1,06 um, - les couches 8 sont en KTiOP04 et ont une épaisseur égale à 30 um, - le coefficient non-linéaire utilisé pour la configuration est le coefficient d33. Considérons maintenant le déphasage des ondes introduit lors ae la réflexion, sur les miroirs à couches multi-diélectriques, du signal de pompe et des signaux engendrés dans les couches de matériau nonlinéaire. Il faut en effet soit en tenir compte dans la valeur de l'épaisseur de ces couches soit faire en sorte que ce déphasage soit adapté à la structure nonlinéaire réalisée. Cette dernière remarque permet d'introduire un autre dispositif conforme à l'invention qui est schématiquement représenté sur la figure 3. Ce dispositif de la figure 3 ne comprend qu'une seule couche 18 d'un matériau non-linéaire, comprise dans une cavité optique qui est définie par deux miroirs à couches multi-diélectriques 20 et 22. Dans le cas de la figure 3, ce sont les miroirs 20 et 22 qui introduisent le déphasage recherché pour compenser le déphasage induit par le matériau non-linéaire de l'unique couche 18. Dans ce cas, on conçoit l'empilement de couches multi-diélectriques de chacun des deux miroirs 20 et 22 de manière à obtenir un déphasage défini à 1' avance. On connaît des techniques de synthèse d'empilements de couches multi-diélectriques permettant de résoudre ce problème. La configuration de quasi-acccrd de phase, repliée conformément à la présente invention, est susceptible d'être appliquée dans toutes les configurations standard de quasi-accord de phase, comme par exemple dans un guide d'onde, en conservant tous les avantages de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération de lumière (12) par effet non linéaire, avec une configuration de quasi-accord de phase, ce dispositif comprenant un milieu non-linéaire destiné à interagir avec un signal de pompe (11) pour produire ladite lumière, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux miroirs (14-16, 20-22) placés en vis-à-vis, qui définissent une cavité optique et entre lesquels est placé le milieu non-linéaire, ce dernier étant un empilement de N couches (8, 18) d'un matériau nonlinéaire, avec N2i. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'empilement comprend N couches, avec isN 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, ans lequel les signes des coefficients non-linéaires des N couches (8) sont alternés, avec N22. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel une seule couche (18) de matériau nonlinéaire est comprise entre les miroirs (20-22) , ces derniers étant aptes à compenser le déphasage induit par cette couche sur le signal de pompe et la lumière engendrée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les miroirs (14-16, 20-22) sont des empilements de couches multidiélectriques. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque miroir (14-15, 20-22) a un coefficient de réflexion supérieur à 99%. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les N couches (8, 18) ont une épaisseur de l'ordre de 100 um. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel cette épaisseur est inférieure à 50 um. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau nonlinéaire est choisi dans le groupe comprenant KTiOPO4, LiNbO3, BaB204, LiB305, KNbO3, les semiconducteurs III-V et II-VI, AgGaSe2 et ZnGeP2.