Brevet FR2817630A1 — publié le 20020607

DISPOSITIF D'EMISSION D'ONDE LUMINEUSE DANS LA GAMME DU TERAHERZ L'invention concerne un dispositif d'émission d'onde lumineuse dans la gamme du TéraHerz ou plus généralement dans une gamme de fréquence comprise entre le dixième du TéraHerz et plusieurs dizaines de TéraHerz. L'oscillateur paramétrique optique (OPO) est un dispositif bien connu de l'homme de l'art (voir référence [1] en fin de description). Il s'agit d'un cristal non linéaire pompé par un faisceau de pompe à la fréquence cop et placé à l'intérieur d'une cavité. Dans le cristal, lors du processus appelé "fluorescence paramétrique", les photons appartenant au faisceau de pompe peuvent créer deux photons de plus faible énergie. Globalement, l'onde de pompe créée donc deux ondes, appelées onde signal (cos) et onde oisive (coi). Au cours de cette conversion de l'énergie électromagnétique d'une fréquence de pompe aux deux fréquences signal et oisive (mg et coi), il est nécessaire qu'il y ait conservation de l'énergie au niveau photonique : Mp=ms+Cù) (1) et également conservation du moment, ce qui s'écrit : np (ùp=nsNs+r)) (D) (2) où n représente l'indice de réfraction du matériau pour la fréquence considérée. Cette dernière condition, très classique, s'appelle "accord de phase". Les ondes signal et oisive créées oscillent dans la cavité de l'oscillateur paramétrique optique, à la manière de l'onde oscillant dans la cavité d'un laser. Suite à cette oscillation, de la même manière que dans le cas d'un laser, au-dessus d'un certain seuil de puissance de pompe, un affinement spectral considérable des deux ondes émises est obtenu ainsi qu'une augmentation brutale de la puissance de sortie. L'oscillateur paramétrique optique est donc un dispositif qui est formellement équivalent à un laser, avec la différence qu'il nécessite un faisceau de pompe cohérent comme source d'énergie et qu'il présente deux raies fréquentielles dans son spectre de sortie. Un schéma type d'OPO est présenté sur la figure 1. Différents procédés permettant de réaliser l'accord de phase nécessaire pour la réalisation d'un OPO ont été développés. Le plus courant utilise la biréfringence de certains cristaux et consiste à choisir l'angle d'incidence et la polarisation de l'onde incidente de manière à ce que les indices soient ajustés pour remplir la condition d'accord de phase exprimée par l'équation (2) (voir réf. [1]). Si l'on souhaite utiliser des matériaux non linéaires non biréfringents, une autre possibilité consiste à utiliser la dispersion dans un guide d'onde entre les différents mode de propagation guidés, et à ajuster les paramètres du guide pour remplir la condition d'accord de phase (voir réf. [2]). Dans ces concepts, les différentes ondes interagissantes se propagent toujours sur des modes guidés d'ordres différents. Des considérations théoriques expliquent que ceci est une nécessité conséquente à la dispersion des matériaux, et cela pose des problèmes d'efficacité importants pour ces dispositifs. L'invention concerne donc un dispositif d'émission d'onde lumineuse dans une première gamme de fréquences (me) comprise entre le dixième de TéraHerz et la dizaine de TéraHerz, caractérisé en ce qu'il comporte : - une source optique de pompe émettant un faisceau de pompe comportant au moins une onde lumineuse dans une deuxième gamme de fréquences (oe) située dans le visible, le proche infrarouge ou le moyen infrarouge ; - un barreau de matériau non linéaire recevant ledit faisceau de pompe et dont les dimensions de la section, transverse à la direction de propagation dudit faisceau de pompe sont telles que l'indice du barreau dans ladite première gamme de fréquences est égal à l'indice du barreau dans ladite deuxième gamme spectrale. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent : la figure 1, un oscillateur paramétrique optique connu dans la technique ; la figure 2, un exemple de réalisation d'un dispositif d'émission optique selon l'invention ; la figure 3, une courbe de variation de l'indice du GaAs en fonction de la longueur d'onde en régime TéraHerz ; la figure 4, un exemple de géométrie d'un dispositif selon l'invention dans lequel Epompe et Hpompe désignent les champs électrique et magnétique de la pompe, et Es et Ei, les champs d'ondes signal et oisive ; les figures 5a et 5b, des courbes de variation de l'indice du mode guidé dans un guide plan, dans le domaine THz (TéraHerz) pour une épaisseur d du plan de 30 um (figure 5a) et de 50 um (figure 5b) ; la figure 6, la puissance seuil d'un OPO selon l'invention en fonction de la longueur d'onde pour trois exemples de longueurs d'un barreau de GaAs (L = 2 cm, 5 cm, 10 cm) ; les figures 7a, 7b, un barreau avec les faces miroirs taillées à l'angle de Brewster. Epompe et Hpompe désignent les champs électrique et magnétique de la pompe, respectivement, et Es et Ei les champs des ondes oisive et signal. En figure 7b, une vue de côté du barreau montre la coupe des faces miroirs à l'angle de Brewster, qui vaut 170 dans le cas du GaAs à 10.6 um ; les figures 8a, 8b, un exemple de réalisation d'un OPO THz à contre réaction distribuée, la section du barreau faisant quelques dizaines de microns de côté, la longueur du barreau quelques centimètres, et la période de la corrugation à la surface du barreau quelques micromètres ; la figure 9, un schéma d'un OPO avec une onde pompe et une onde graine à la longueur d'onde du signal d'entrée. L'invention concerne une disposition permettant d'obtenir l'accord de phase dans un milieu non linéaire pompé. Cette disposition permet d'utiliser des cristaux non linéaires non biréfringents. Nous prendrons par la suite l'exemple du GaAs comme matériau, mais d'autres matériaux peuvent convenir, en particulier tous les matériaux semiconducteurs ttl-V ou tt-VL Pour un autre matériau que GaAs, les principes restent les mêmes mais les caractéristiques numériques données par la suite changent (notamment les dimensions du barreau). Ce procédé d'accord de phase permet de réaliser un oscillateur paramétrique optique dont l'une des fréquences de sortie se situe dans le domaine spectral de transparence du matériau en dessous de l'énergie correspondante à l'absorption par les vibrations du réseau (phonons). Dans le cas du GaAs, cela correspond à des longueurs d'onde supérieures à 50um, ou encore des fréquences inférieures à 6 THz. On appellera dans ce qui suit cette onde créée par l'OPO"onde THz". Le dispositif de l'invention tel que représenté en figure 2 comporte : 1) Une source optique de pompe 1, qui dans notre exemple sera un laser CO2 pulsé émettant à une longueur d'onde de 10.6 um. N'importe quel laser de longueur d'onde comprise entre 1 et 15 um peut aussi convenir, par exemple le laser YAG à une longueur d'onde de 1. 06 um. 2) Un barreau de matériau non linéaire 2. Dans notre exemple il s'agira d'un barreau de GaAs. Les dimensions du barreau sont soigneusement calculées pour permettre la condition d'accord de phase de la manière suivante. L'indice du matériau massif GaAs à 10. 6 um est égal à 3. 27 (voir réf. [3]). L'indice du GaAs dans le domaine THz est plus élevé. Ceci provient de l'absorption due aux phonons dans la"restrahlen region" (voir réf. [4]). L'indice dans le domaine THz pour GaAs (d'après la réf. [4 est montré sur la figure 3. Par exemple, pour une longueur d'onde de 100 um, l'indice de GaAs est de 3.63. Pour réaliser l'accord de phase, l'invention prévoit d'ajuster la taille du barreau de GaAs, et notamment ses dimensions latérales, pour que le barreau constitue un guide d'onde pour l'onde THz. Suivant les propriétés des guides d'onde bien connues de l'homme de l'art, l'indice du mode guidé est inférieur à l'indice du matériau massif constituant le corps de ce guide d'onde. On peut donc ainsi, en confinant l'onde THz de grande longueur d'onde dans le barreau, diminuer l'indice de l'onde THz et l'amener au niveau de l'indice à la longueur d'onde de 10. 6 um. On réalise ainsi la condition d'accord de phase. Notons que les dimensions du barreau restent grandes devant les longueurs d'onde AS et Ap du signal et de la pompe, de telle sorte que ces deux ondes ne subissent pas un confinement important comme l'onde THz. L'indice du barreau aux longueurs d'onde AS et Ap est donc identique à l'indice du matériau massif : seul l'indice de l'onde THz est affecté par les dimensions du barreau. On va donner dans ce qui suit une méthode de calcul des dimensions du barreau permettant d'appliquer l'invention et convenant pour une génération d'une onde donnée dans le domaine THz. On considère l'exemple d'un barreau de GaAs de dimensions (dxb), avec une orientation cristalline (100) perpendiculaire à la dimension b la plus grande (c'est-à-dire b > d). De manière compatible avec le tenseur non linéaire du GaAs, la polarisation de la pompe est dite TM, c'est-à-dire avec le champ magnétique dans le plan de largeur b du barreau, et les ondes signal et idler sont dites polarisées TE, c'est-à-dire avec le champ électrique dans le plan de largeur b du barreau (voir figure 4). D'autres types de géométries d'interaction sont possibles (par exemple avec du GaAs et les trois ondes polarisées de manière identique en TM) mais cette géométrie est prise en exemple de calcul. L'indice ss1D dans un guide plan en fonction de la longueur d'onde dans un guide plan est montré en figures 5a et 5b, pour deux exemples de valeurs de l'épaisseur d. Ce calcul correspond à la polarisation TE de l'onde THz dans le cadre de notre exemple. Pour obtenir l'indice du mode guidé dans un barreau de section (dxb), il suffit d'utiliser l'approximation de l'indice effectif bien connue de l'homme de l'art. On montre que le mode guidé dans le barreau a un indice de 3. 27 à la longueur d'onde Â. t si il a une largeur b donnée par : OÙ 01D est l'indice d'un guide plan d'épaisseur d. Un exemple simple de procédure de conception d'un barreau pour générer une longueur d'onde Ai est donc le suivant : On choisit une épaisseur d, et on calcule la constante de propagation 10 à ta longueur d'onde li dans un guide plan d'épaisseur d. En fonction de ce résultat, l'expression ci dessus donne la largeur b du barreau pour avoir l'accord de phase. De tels calculs peuvent être réalisés également de manière plus rigoureuse mais plus complexe par des calculs numériques résolvant le mode guidé bidimensionnel. Des exemples de barreau fonctionnant suivant l'invention sont donnés dans la table ci dessous (cas du GaAs, longueur d'onde de pompe de 10. 6um). Pour une longueur d'onde donnée à générer dans le domaine THz, il n'y a pas unicité du couple (largeur-épaisseur) nécessaire. Par exemple, pour générer une longueur d'onde de 100 um, la section du barreau de GaAs (65 um x 30 um) convient mais la section carrée (42 um x 42 um) convient également, ou encore (46 um x 40 pom). Longueur d'onde oisive largeur du barreau épaisseur du barreau générée domaine b d THz 70 um 51 um 20 um 100 m 65 m 30 m 170 um 115um 50 um 250 um 145um 80 um 600 um 330 um 200 um 1 mm 680 um 300 um La puissance seuil de l'OPO est donnée par : où Dans cette expression, so et c sont les constantes fondamentales usuelles, deff est le coefficient non linéaire du matériau (100 pmN pour le GaAs), (dxb) est la section du barreau, ax est le coefficient d'absorption de l'onde x, et Rx le coefficient de réflexion de l'onde x aux extrémités du barreau. Le calcul du seuil de l'OPO est présenté sur la figure 6, pour différentes longueurs de barreau. On peut constater que le seuil de l'OPO diminue quand la longueur du barreau augmente. Il est aujourd'hui difficile de réaliser des barreaux de GaAs d'une longueur supérieure à 15 cm en raison de la taille maximale des substrats disponibles sur le marché. Si on souhaite néanmoins utiliser un barreau plus long, une solution consiste à mettre les uns à la suite des autres plusieurs barreaux identiques de GaAs. On a réalisé ce calcul dans le cas simple où les miroirs au bout du barreau sont simplement les faces clivées du matériau non linéaire, perpendiculairement au grand axe du barreau qui est aussi l'axe de propagation des faisceaux. Pour augmenter le coefficient de réflexion, on peut déposer des miroirs de Bragg ou des miroirs métalliques sur les faces clivées : Tout ce qui permet d'augmenter le coefficient de réflexion des miroirs diminue le seuil d'oscillation de l'OPO. On peut également utiliser des miroirs externes de tout type, ou encore structurer le barreau lui-même en perçant des trous dans le barreau de telle sorte qu'il réalise un miroir à bande interdite photonique en bout de barreau ou un miroir de Bragg. On peut également polir les faces d'entrée et de sortie du barreau avec un angle proche de l'angle de Brewster. Cela présente le double avantage de faire d'une part un meilleur miroir pour les ondes signal et oisives à l'intérieur du barreau, et d'autre part d'annuler le coefficient de réflexion à l'entrée pour la pompe et donc d'assurer le meilleur couplage de la pompe dans le barreau (voir figure 7). Avec ces différents avantages, le seuil de l'OPO est diminué de manière importante. Notons que l'OPO selon l'invention produit une onde oisive à la fréquence THz, mais également une onde signal qui peut également être utile, de fréquence assez proche de celle du laser de pompe. Cela peut être utilisé comme moyen d'obtenir une longueur d'onde proche de celle du laser de pompe. Dans l'exemple d'une longueur de pompe à 10.6 um produite par un laser CO2, et d'une longueur d'onde oisive générée de 100 um (soit une fréquence de 3 THz), la longueur d'onde signal produite est de 11. 9um. Si ce signal est assez intense, il peut lui-même donner lieu à un processus de fluorescence paramétrique et générer à son tour une autre onde oisive dans le domaine spectral des THz, si bien que le spectre de sortie de l'OPO est susceptible de contenir, par une cascade de processus de fluorescence paramétrique, plusieurs fréquences THz. L'émission de l'OPO est a priori non monomode, c'est à dire que le spectre d'émission des deux ondes signal et oisive n'est pas composé d'une seule raie, mais d'un ensemble de raies. Pour les applications spectroscopiques, il est souhaitable d'obtenir une émission monomode. Pour cela, on peut graver à la surface du barreau des bandes périodiques qui vont réaliser une contre réaction distribuée à la manière des lasers à semiconducteur DFB bien connus de l'homme de l'art. Ceci est schématisé sur la figure 8. Dans cette figure, nous avons modifié la section du barreau de manière périodique en gravant des bandes 2.8, 2.9 sur l'une des faces du barreau. D'une manière plus générale, n'importe quelle corrugation périodique ou modification périodique de la section du barreau convient. La période de cette modification périodique de la section du barreau doit être égale à A/ (2ni), où Xi et ni désignent la longueur d'onde de l'onde oisive THz et l'indice du barreau à l'onde THz. Par exemple, dans le cas d'une longueur d'onde oisive générée de 100 um, cela mène à une période de 15 um. Une telle corrugation est donc facilement réalisée par l'homme de l'art. Le système peut comprendre en plus une source supplémentaire à la longueur d'onde du signal. Dans ce cas, le barreau est pompé par deux sources lasers : la source de pompe et la source à la longueur d'onde signal, que l'on appelle source"graine". Le schéma du système est représenté sur la figure 9. Cette source graine permet de diminuer le seuil de l'OPO, et également d'affiner la raie spectrale de l'onde oisive THz obtenue à la sortie. Un autre avantage est la présence significative d'une onde THz générée même en dessous le seuil de l'OPO, dans ce cas cette onde THz est simplement obtenue par différence de fréquence entre l'onde de pompe et l'onde graine. REFERENCES : [1] Quantum Electronics, de A. Yariv, John Wiley & Sons. [2] V. Berger, "Laser à générations paramétriques", Brevet Thomson CSF, NO enregistrement national 99 12303. [3] J. S. Blakemore,"Mid-infrared dispersion of the refractive index and reflectivity for GaAs", J. Appl. Phys. vol. 62, p. 4528,1987. [4] J. S. Blakemore,"Semiconducting and other major properties of GaAs", J. Appl. Phys. vol. 53, R123-R181, 1982. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'émission d'onde lumineuse dans une première gamme de fréquences (roi) comprise entre le dixième de TéraHerz et la dizaine de TéraHerz, caractérisé en ce qu'il comporte : - une source optique de pompe (1) émettant un faisceau de pompe comportant au moins une onde lumineuse dans une deuxième gamme de fréquences (cop) située dans le domaine du visible ou de l'infrarouge ; - un barreau de matériau non linéaire (2) recevant ledit faisceau de pompe et dont les dimensions de la section, transverse à la direction de propagation dudit faisceau de pompe sont telles que l'indice du barreau dans ladite première gamme de fréquences est égal à l'indice du barreau dans ladite deuxième gamme spectrale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première gamme de fréquences (oe) et la deuxième gamme de fréquences (cop) répondent à la relation : copnp = cosys + coini dans laquelle : - cop, os et coi sont respectivement les fréquences de l'onde de pompe, de l'onde signal et de l'onde oisive et-np, ns et ni sont respectivement les indices du barreau à ces différentes fréquences. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barreau est un matériau non linéaire et non biréfringent. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le barreau est en matériau semiconducteur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le barreau est en GaAs. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur du barreau est de l'ordre de quelques centimètres et que la section transverse est de l'ordre de quelques dizaines de micromètres de côté. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau pompe contient une onde de longueur d'onde ? L+e et en ce que le barreau émet par fluorescence optique paramétrique une onde à la longueur d'onde Â. et une onde à la longueur d'onde e. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source optique comporte une première source élémentaire émettant à une première longueur d'onde X, une deuxième source élémentaire émettant à une deuxième onde X+s, le barreau recevant ces deux ondes et fournissant une onde à la longueur d'onde s. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que le barreau (2) est placé dans une cavité optique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités (20,21) du barreau sont réalisées sous forme de surfaces réfléchissantes réalisant ladite cavité optique. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le barreau comporte sur au moins un de ses faces (22) latérales et à ses deux extrémités longitudinales (20,21) des gravures (2.8, 2.9) réalisant des miroirs de Bragg. 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités (20,21) du barreau sont taillées à l'angle de Brewster par rapport à l'axe longitudinal du barreau. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs barreaux disposés en série selon leur axe longitudinal. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que la section du barreau est modulée périodiquement selon la longueur du barreau pour obtenir un filtrage de modes et une émission monomode. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1,4 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte également un laser graine émettant dans le barreau un faisceau à la longueur d'onde signal. 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il constitue un oscillateur paramétrique.