Brevet FR2796500A1 — publié le 20010119

MATERIAUX OPTIQUES NON-LINEAIRES MONOLITHIQUEMENT INTEGRES OUASIMENT ADAPTES EN PHASE POUR GENERATION LASER SERIE ET PARALLELE La présente invention concerne la conception de matériaux pour laser et en particulier, la conception de matériaux optiques non linéaires monolithiquement intégrés quasiment adaptés en phase pour génération laser série et parallèle. Elle concerne également les sources laser utilisant une telle conception de matériaux. La majeure partie de la génération laser classique est basée sur des transitions d'énergie quantique et en conséquence, produit un rayonnement à des longueurs d'ondes ou à des fréquences fixes. Un grand nombre d'applications nécessitent des sources laser pouvant être accordées en longueur d'onde. Par exemple, la détection environnementale par laser utilise des sources laser pouvant être accordées pour surveiller des matériaux à l'état de traces en utilisant la technique de la spectroscopie laser. La technologie de l'affichage nécessite également des sources trichromes (rouge, vert, bleu) dans certaines plages de longueurs d'ondes. Bien que des sources laser telles qu'un laser à colorant, un laser à électrons libres et certains lasers à cristaux non linéaires, puissent être accordées en longueur d'onde, elles ne sont pas facilement accessibles en raison des problèmes de coût, de dimensions, de rendement et de complexité. Au cours de ces dernières années, l'optique non linéaire a sensiblement progressé dans la génération de lasers accordables. Le procédé met en oeuvre l'interaction de deux signaux laser d'entrée (dans certains cas, les deux signaux sont divisés à partir d'un signal) se propageant de manière colinéaire à travers un matériau optique non linéaire pour générer un troisième rayonnement laser désiré à une fréquence différente. La conversion de fréquence non linéaire du deuxième ordre comporte la génération de la deuxième harmonique (SHG), la génération de la fréquence différence (DFG), la génération de la fréquence somme (SFG), la génération paramétrique optique (OPG), l'amplification paramétrique optique (OPA) et l'oscillation paramétrique optique (OPO). Parmi toutes celles-ci, la génération paramétriLque optique produit le rayonnement laser désiré en amplifiant le bruit sous vide et nécessite habituellement un seuil de pompage plus élevé. Dans le processus de conversion de fréquence non linéaire, lorsque le signal laser désiré est adapté en phase avec les deux autres signaux laser, l'intensité du signal laser désiré croit à l'intérieur du matériau optique non linéaire dans la direction de propagation du laser. Si les trois signaux laser ne sont pas adaptés en phase, l'intensité du signal laser désiré oscille en amplitude le long du chemin de propagation. Dans les matériaux optiques non linéaires, la distance à l'intérieur de laquelle le signal laser désiré continue à croître est appelée longueur de cohérence. En conséquence, dans l'état non adapté en phase, l'énergie de sortie maximale du signal laser désiré ne peut être accumulée que sur une distance de cohérence. La condition d'adaptation en phase parmi les trois signaux est déterminé principalement par les caractéristiques dispersives du matériau. Puisque la température peut modifier les caractéristiques dispersives du matériau, la variation de la température du matériau optique non linéaire constitue l'une parmi plusieurs manières d'accorder les longueurs d'ondes de sortie. Récemment, des lasers non linéaires quasiment adaptés en phase (QPM) ont été inventés pour améliorer le rendement de la génération des lasers accordables. Fejer et al. ont décrit cette technique dans "Quasi- phase-matched Second Harmonic Génération : Tuning and Tolerances", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 28, 1992, pp- 2631-2654. Des informations supplémentaires peuvent se trouver, par exemple, dans les brevets U.S. No. 5 036 220, No. 5 800 767, No. 5 714 198 et No. 5 838 702. Dans cet aménagement particulier, la fréquence laser d'un laser de pompe est convertie en une autre fréquence dans un matériau optique non linéaire, le coefficient non linéaire du deuxième ordre changeant de signe à chaque longueur de cohérence. Le changement de signe périodique du coefficient non linéaire assure l'adaptation de phase ou la conservation de la quantité de mouvement dans le processus de conversion de fréquence laser, tout en permettant le choix du coefficient non linéaire le plus grand possible et ainsi, du rendement de conversion le plus élevé possible, dans ce matériau non linéaire particulier. Le changement de signe périodique est effectué typiquement en modifiant périodiquement la direction de polarisation spontanée d'un matériau optique non linéaire ferroélectrique. La période spatiale du domaine ferroélectrique alternatif, ainsi que la longueur d'onde du laser de pompe et la température de fonctionnement, déterminent la longueur d'onde laser désirée. Avec une longueur d'onde du laser de pompe fixe et une période de grille de domaine ferroélectrique, la longueur d'onde laser de sortie peut être accordée sur une certaine plage en faisant varier la température. Un grand nombre de cristaux ferroélectriques non linéaires sont de bon matériaux de quasi-adaptation en phase, tels que LiNbO3, LiTa03, KTiOP04 (KTP), RbTiOAsO4 (RTA), RbT'OP04, etc. Comme représenté sur la figure 1, un premier type de matériau optique QPM non linéaire classique 101 ne possède qu'une seule période de grille, de sorte qu'un seul effet optique non linéaire peut avoir lieu. voir par exemple : "Quasi-Phase-matching 1.064 pm-pumped Optical Parametric Oscillator in Bulk Periodically Poled LiNb03", publié par Myers et al. dans Optics Letters, Vol. 20 No. 1, ler janvier 1995, pp. 52-54. Un autre type de matériau optique non linéaire classique 101 est constitué de deux moitiés avec deux périodes de grille différentes uniques monolithiquement intégrées telles que deux effets optiques non linéaires peuvent avoir lieu successivement. Rosenberg a décrit ce type d'aménagement dans "2.5-W continuous-wave, 629-nm solid- state laser source", Optics Letters, Vol. 23 No. 1, ler février 1998, pp. 207-209. D'autres références peuvent se trouver dans le brevet U.S. No. 5 768 302, publié le 16 juin 1998. Toutefois, deux grilles uniques monolithiquement intégrées se trouvent en même temps à la même température. En faisant varier la température, on peut adapter en phase la première grille mais désadapter la deuxième. Ce problème empêche l'accord de la longueur d'onde laser sur une large plage. En conséquence, le demandeur a tenté de résoudre le problème ci-dessus rencontré dans l'art antérieur. Cette invention décrit un nouvel aménagement de génération laser, permettant des conversions de fréquence non linéaires successives et une large plage d'accord de longueurs d'ondes. Un objet de la présente invention consiste à fournir un matériau optique non linéaire monolithiquement intégré quasiment adapté en phase pour conversion de fréquence laser série et parallèles. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un matériau optique non linéaire pouvant effectuer des conversions de fréquences lasers successives à deux températures différentes ou davantage. Le matériau optique non linéaire de la présente invention comporte une région quasiment adaptée en phase (QPM) ayant une période de grille QPM unique dans une première direction et une région QPM ayant plusieurs grilles QPM agencées en parallèle dans une deuxième direction. De préférence, la première direction et la deuxième direction sont perpendiculaires entre elles. Ces deux régions QPM sont fabriquées monolithiquement sur un matériau optique non linéaire unique. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un système laser à l'état solide utilisant le matériau optique non linéaire QPM présenté ci-dessus. Le système laser à l'état solide de la présente invention comporte un matériau optique non linéaire QPM et une source laser de pompe. Le matériau optique non linéaire QPM est constitué d'une région QPM à grille unique monolithiquement intégrée avec une région QPM à grilles multiples, leurs vecteurs de grille étant alignés dans la direction de propagation du laser. La première région QPM, soit la région à grille unique, soit la région à grilles multiples, convertit d'abord la fréquence laser de pompe en une autre et la deuxième région QPM continue à générer d'autres fréquences laser différentes de celles se trouvant déjà dans la première région QPM. Selon la présente invention, le système laser à l'état solide comporte en outre un four de contrôle de température pour modifier les caractéristiques dispersives du dispositif QPM et ainsi, étendre la plage d'accord de longueurs d'ondes. Selon la présente invention, le système laser à l'état solide comporte en outre une cavité de résonance, qui est formée par deux miroirs résonateurs entourant le matériau QPM ou par deux revêtements optiques sur les extrémités libres du matériau QPM. La présente invention peut être mieux comprise par la description suivante en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un matériau optique QPM non linéaire classique dans un résonateur laser à conversion de fréquence ; la figure 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation préférentiel du matériau optique non linéaire selon la présente invention ; la figure 3 représente schématiquement d'autres modes de réalisation préférés du matériau optique non linéaire selon la présente invention ; la figure 4 représente schématiquement le premier mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide sans aucun miroir résonateur ; la figure 5 représente schématiquement le deuxième mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide avec des miroirs résonateurs ; la figure 6 représente schématiquement le troisième mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide avec des miroirs résonateurs intégrés ; et la figure 7 représente schématiquement le quatrième mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide avec un signal laser d'amorçage. La figure 2 représente schématiquement le matériau optique non linéaire 201 de la présente invention. Le matériau optique non linéaire 201 est fait, de préférence, d'un cristal ferroélectrique monolithique à pôles périodiques, tel que LiNbO3, LiTa03, KTiOP04, RbTiOAsO4 et RbTiOP04 . Les grilles peuvent être regroupées en deux parties, une partie est une région à grille QPM unique 2011 et l'autre est une région à grilles QPM multiples 2012. La région à grille unique 2011 a une période de grille unique dans une première direction, la direction de vecteur de grille ou la direction de propagation du laser. La région à grilles multiples 2012 comporte plusieurs grilles QPM internes 20121, 20122, 20123, agencées en parallèle dans une deuxième direction, la direction perpendiculaire au premier vecteur de grille ou à la direction de propagation du laser. Les périodes de grille des grilles internes de la région QPM à grilles multiples sont différentes. Comme le montre la figure 2, les grilles internes 20121, 20122, 20123, de la région à grilles multiples 2012 sont agencées en parallèle et sont agencées perpendiculairement à la direction de propagation du laser. Entre deux grilles voisines internes, il existe habituellement, bien que ce ne soit pas nécessaire, un espace constant 2013 séparant les deux grilles QPM. Le laser généré dans la première région peut être en outre converti en un autre laser avec des longueurs d'ondes différentes dans la deuxième région ou inversement, comme représenté sur la figure 3(A). La figure 3(B) représente un autre matériau optique non linéaire préféré selon la présente invention. La conception de matériau de la figure 3(B) peut être considéré comme étant faite de deux sections PM de la figure 2 ou de la figure 3(A) ou davantage, monolithiquement intégrées ensemble. Il faut comprendre que la conception de matériau de la présente invention peut présenter diverses modifications et agencements similaires et ne doit pas être limitée aux modes de réalisation décrits. Cette invention peut être le mieux comprise d'après les deux configurations de génération laser suivantes. La première configuration, appelée génération laser parallèle pour la présente invention, utilise un laser de pompe, sa dimension de faisceau laser recouvrant entièrement la région à grille unique et l'ensemble des grilles dans la région à grilles multiples. De cette manière, la région à grille unique génère d'abord un laser (par exemple, à partir de SHG) ou deux lasers (par exemple, à partir de OPG) par l'intermédiaire d'une conversion de fréquence non linéaire et la deuxième région de grille utilise certains ou tous les lasers dans la région à grille unique pour convertir également les lasers en d'autres fréquences. En conséquence, toutes les grilles QPM de la deuxième région fournissent des lasers à des fréquences différentes, fournissant un rayonnement laser à très large bande. La deuxième configuration, appelée génération laser série pour la présente invention, consiste à contourner la difficulté de l'accord en température associé à deux ou plusieurs grilles uniques en cascade citées dans le brevet U.S. No. 5 768 302. Si le dispositif QPM monolithique est formé par deux grilles uniques en série, les conditions d'adaptation de phase dans les deux grilles peuvent ne pas être satisfaites simultanément lorsque la température est accordée en S'éloignant d'une certaine valeur conçue à l'avance. Ceci limite la plage d'accord de longueur d'onde. Dans la deuxième configuration de la présente invention, la dimension du faisceau du laser de pompe n'est pas supérieure à la largeur de chaque grille QPM dans la région à grilles multiples. À une certaine température Tl, le laser de pompe échantillonne les grilles 2011 dans la région à grille unique et 20121 dans la région à grilles multiples et génère une longueur d'onde laser désirée à la sortie. À une autre température T2, le laser de pompe peut échantillonner les grilles 2011 et 20122 pour assurer la condition d'adaptation de phase dans les deux régions pour une génération laser efficace à une autre longueur d'onde laser. De même, à une certaine température T3, une troisième longueur d'onde laser peut être générée avec une combinaison appropriée de grilles à partir de la région à grille unique et de la région à grilles multiples. L'alignement peut être réalisé en faisant coulisser mécaniquement l'élément optique monolithique non linéaire latéralement ou en déviant le faisceau du laser de pompe dans le canal comportant la combinaison de grilles droites. La figure 4 illustre le premier mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide selon la présente invention. La source laser de pompage 301 fournit le signal laser d'entrée avec la première longueur d'onde pour pomper le dispositif QPM monolithique 201 et l'élément optique 601 ou un système optique concentre le signal du laser de pompe et aligne la position du faisceau. Le dispositif QPM monolithique de la présente invention 201 effectue la conversion de fréquence laser parallèle ou série susmentionnée et génère un rayonnement laser aux longueurs d'ondes désirées. Le dispositif QPM est, de préférence, enfermé dans un four de contrôle de température 40 pour modifier les caractéristiques QPM du matériau. En conséquence, il est possible d'étendre la plage d'accord de longueurs d'ondes en faisant varier la température. Pour la configuration de génération laser série, un pousseur de précision peut également être installé pour choisir mécaniquement les grilles QPM dans la région à grilles multiples. La figure 5 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide selon la présente invention. Ce mode de réalisation est une extension de la configuration à passage unique de la figure 4. Un résonateur, constitué de deux miroirs résonateurs 501 et 502, fait circuler un ou plusieurs des signaux laser pour diminuer le seuil du laser de pompe et pour améliorer le rendement de conversion laser global. La figure 6 représente schématiquement un troisième mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide selon la présente invention. Pour diminuer la taille du système laser, deux dépôts optiques 503, 504, sur les extrémités libres du matériau 201 remplacent les deux miroirs résonateurs de la figure 5. Le dépôt optique peut avoir des réflectivités spectrales et rayons de courbure arbitraires, en fonction des exigences du système. La figure 7 représente schématiquement un quatrième mode de réalisation préféré du système laser à l'état solide selon la présente invention. Dans cet exemple, le matériau 201 sert d'amplificateur pour fournir une amplification au laser d'amorçage 303, tout en effectuant des conversions de fréquence série et parallèle en utilisant le laser de pompe 302. Le miroir dichroïque 604 combine le laser d'amorçage 303 et le laser de pompe 302 avant qu'ils entrent dans le matériau 201. Les éléments optiques ou les systèmes optiques 602 et 603 concentrent respectivement le laser de pompe 302 et le laser d'amorçage 303. Le laser de pompe 302 et le laser d'amorçage 303 peuvent permuter leurs emplacements, si nécessaire. EXPERIENCE L'invention est vérifiée avec la configuration de la figure 2. Puisque tous les exemples des figures 3 à 7 ont des énergies de seuil de pompe inférieures par rapport à celles de la figure 2, l'expérience de la figure 2 est représentative et peut fournir une confirmation directe à celles des figures 3 à 7. En d'autres termes, la configuration de la figure 2 nécessite l'intensité de laser de pompage la plus élevée, car les conversions de fréquence laser multiples sont terminées en un transit unique sans aucun signal d'amorçage ou miroir de réinjection. Dans l'expérience, le matériau QPM monolithique est réalisé par polarisation électrique d'une tranche de niobate de lithium congruent à coupe en z avec une épaisseur de 500 pm. La région à grille unique a une longueur de 1 cm et la région à grilles multiples a une longueur de 4 cm. La grille unique a une période QPM de 20 #1m, qui convient pour la génération du deuxième harmonique du troisième ordre du laser à pompe de 1064 nm à 4 0, 6> C. La région à grilles multiples est constituée de cinq grilles QPM, leurs périodes de grilles étant égales à 11 pm, 11,25 pm, 11,50 pm, 11,75 lim et 12 pm. Lorsqu'elles sont pompées par un laser d'une longueur d'onde de 532 nm à la température de 40,6"C, les grilles de 11 pm, 11,25 pm, 11,50 pm, 11,75 lim et 12 pm conviennent pour la génération de photons appariés par l'intermédiaire d'un processus paramétrique optique, leurs longueurs d'ondes étant respectivement de [621,2 nm, 3704,7 nm], [615,3 nm, 3828,8 m], [609,4 nm, 4186,8 nm], [603,3 nm, 4501,2 nm], [596,2 nm, 5941,0 nm]. Le laser de pompe dans l'expérience est un laser Nd:YAG déclenché de façon passive, produisant 8 pi/impulsion à une vitesse de répétition de 8,3 kHz. La longueur d'onde de pompe est une longueur d'onde de 1064 nm et la largeur d'impulsion de pompe est d'environ 600 ps. Puisque la puissance de crête du laser à pompe est supérieure à 13 kW, presque 100% de l'énergie de pompage est convertie dans l'énergie de deuxième harmonique de 532 nm dans la région à grille unique. Le laser vert de 532 nm continue à traverser la région à grilles multiples et génère des rayonnements laser de longueurs d'ondes différentes à partir de grilles QPM différentes par le processus de génération paramétrique optique. La largeur de l'impulsion laser générée, est raccourcie jusqu'à environ 150 ps, en. raison du mécanisme de conversion non 'linéaire. Pour des longueurs d'ondes différentes à la sortie, les rendements de conversion laser sont différents. En particulier, pour la grille de 12 pm dans la région à grilles multiples, l'un des photons appariés a une longueur d'onde de 5329 nm, qui est déjà située dans la bande d'absorption du niobate de lithium. En conséquence, le seuil de pompe est supérieur et le rendement de conversion est inférieur pour cette période de grille particulière. Toutefois, à la sortie de la grille de 11 lim, le rendement de conversion du laser à 1064 nm en laser à 618 nm est approximativement de 5% avec cette configuration OPG à passage unique. Pour les exemples des figures 3 à 7, le rendement de conversion peut être sensiblement supérieur. La génération laser à large bande pour des réglages à températures multiples est également vérifiée dans l'expérience suivante. Le matériau QPM monolithique est de nouveau réalisé à partir d'une tranche de niobate de lithium monocristallin avec une épaisseur de 500 lim. La région à grille unique a une longueur de 3 cm et a une période de grille de 30 pm. La région à grilles multiples a une longueur de 2 cm, constituée de deux grilles internes avec des périodes de 19 pm et 19,25 pm. Lorsqu'il est pompé par le laser déclenché de façon passive d'une longueur d'onde de 1064 nm, un laser de 1555 nm est généré dans la région à grille unique avec un rendement de conversion de 25%, si la grille QPM est maintenue à 60 'C. À la même température, la grille QPM d'une période de 19 pm dans la région a grilles multiples double encore la fréquence du signal de longueur d'onde de 1555 nm en un signal d'une longueur d'onde de 777,5 nm. à la sortie. Lorsque la température du four augmente jusqu'à 100,2 'C, la région à grille unique génère un laser d'une longueur d'onde de 1570 nm, dont la fréquence peut être doublée afin de produire un laser de 785 nm si la grille QPM de 19,25 nm de la région à grilles multiples est déplacée dans le chemin de laser à pompe. Avec le laser à pompe à 8pi/impulsion, un rendement photonique global de 10% est obtenu pour ce processus de conversion laser montante. Cette expérience prouve l'utilité de la présente invention pour générer un rayonnement laser accordable. REVENDICATIONS 1. Matériau optique non linéaire quasiment adapté en phase (QPM) (201), ayant un corps de matériau comprenant : une région QPM à grille unique (2011) avec une première période de grille QPM dans une première direction ; et une région QPM à grilles multiples (2012) comportant une pluralité de grilles QPM internes (20121, 20122, 20123) agencées en parallèle dans une deuxième direction perpendiculaire à la première direction, caractérisée en ce que chacune des grilles internes (20121, 20122, 20123) a une période de grille QPM correspondante différente des autres dans la première direction ; caractérisé en ce que les deux régions QPM sont monolithiquement intégrées dans la première direction et une première région QPM du corps peut être, soit la région à grille unique (2011), soit la région à grilles multiples (2012). 2. Matériau optique non linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau monolithique (201) est un matériau ferroélectrique. 3. Matériau optique non linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau ferroélectrique est un matériau choisi parmi LiNbO3, LiTa03, LiIO3, KNbO3, KTP, RbTiOAsO4 et RbT'OP04. 4. Système laser à l'état solide comprenant un matériau optique non linéaire monolithique quasi adapté en phase (QPM) (201) ayant un corps de matériau comportant une région QPM à grille unique (2011) avec une première période de grille dans une première direction et une région QPM à grilles multiples (2012) comportant une pluralité de grilles internes (20121, 20122, 20123) agencées en parallèle dans une deuxième direction perpendiculaire à la première direction, caractérisé en ce que chacune des grilles internes a une période de grille correspondante dans la première direction ; et une source de laser de pompe (301) pour fournir un premier signal laser avec une première longueur d'onde au matériau (201) dans la première direction ; dans lequel une première région QPM du corps peut être, soit la région à grille unique (2011), soit la région à grilles multiples (2012), et dans lequel la première région QPM convertit la longueur d'onde du laser de pompe en d'autres longueurs d'ondes et la deuxième région QPM convertit également les longueurs d'ondes générées dans la première région QPM en d'autres longueurs d'ondes supplémentaires. 5. Système laser a l'état solide selon la revendication 4, comprenant en outre un four de contrôle de température (40) pour contrôler la température du matériau (201) de façon qu'un plus grand nombre de longueurs d'ondes laser puissent être générées. 6. Système laser à l'état solide selon la revendication 4, comprenant en outre une cavité de résonance entourant le matériau optique QPM non linéaire (201) pour abaisser le seuil du laser de pompe pendant la conversion de longueurs d'onde. 7. Système laser à l'état solide selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité de résonance est formée par un premier miroir (501) et un deuxième miroir (502) entourant le matériau, les deux miroirs étant revêtus de manière à résonner à l'une quelconque des longueurs d'ondes impliquées dans la conversion de fréquence. 8. Système laser à l'état solide selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité de résonance est formée par deux revêtements optiques (503, 504) sur deux extrémités libres du matériau, les deux revêtements étant conçus pour résonner à l'une quelconque des longueurs d'ondes impliquées dans la conversion de fréquence. 9. Système laser à l'état solide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conversion de fréquence non linéaire comporte la génération de la deuxième harmonique (SHG), la génération de la troisième harmonique (THG), la génération de la fréquence différence (DFG), la génération de la fréquence somme (SFG), la génération paramétrique optique (OPG), l'amplification paramétrique optique (OPA) et l'oscillation paramétrique optique (OPO). 10. Système laser à l'état solide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source du laser de pompe (301) est un laser déclenché de façon passive. 11. Dispositif sensiblement comme décrit ci-dessus en référence aux dessins annexés tels que présentés.