Brevet FR2831722A1 — publié le 20030502

OSCILLATEUR PARAMETRIQUE OPTIQUE A GRANDE QUALITE DE FAISCEAU Le domaine de l'invention est celui des oscillateurs paramétriques optiques et notamment des oscillateurs paramétriques optiques impulsionnels de puissance, capables de générer deux ondes optiques de longueurs d'onde As et AI à partir d'une onde optique de longueur d'onde Ap, et ce, en exploitant la non linéarité d'ordre 2 de certains matériaux optiquement non linéaires. Classiquement, à partir d'un faisceau pompe à la longueur d'onde Ap, il est possible d'engendrer dans une cavité optique contenant un cristal non linéaire deux faisceaux appelés signal et idler de longueur d'onde As et par fluorescence paramétrique. La conservation de l'énergie impose la relation suivante entre les 3 longueurs d'onde : La longueur d'onde la plus élevée est traditionnellement appelée longueur d'onde idler et la plus courte longueur d'onde signal. La figure 1 illustre le schéma général de ce type d'oscillateur. Il comprend un cristal non linéaire CNL, une cavité C formée de deux miroirs M1 et M2 et un faisceau de pompe à la longueur d'onde Ap qui génère par effet non linéaire deux faisceaux, le premier signal à la longueur d'onde As et le second idler à la longueur d'onde Xi. Les opérations de conversion de fréquence permises par l'optique non linéaire élargissent de manière très significative l'éventail des gammes spectrales accessibles aux sources laser. Ainsi, à partir de sources laser parfaitement maîtrisées mais dont la gamme spectrale d'émission reste réduite, il est possible par effet non linéaire de convertir le rayonnement vers des bandes spectrales de longueur d'onde inaccessibles par des moyens conventionnels. Pour certaines utilisations, notamment pour des applications d'analyse spectrale de la composition de l'atmosphère nécessitant d'avoir de la portée dans certaines bandes spectrales spécifiques, par exemple dans la bande spectrale de 3 um à 5 um, les faisceaux optiques convertis doivent à la fois présenter une longueur d'onde élevée et une grande qualité optique spatiale, proche de la limite théorique de la diffraction. Pour obtenir ce résultat, une solution possible consiste, dans un oscillateur paramétrique optique, à favoriser la génération de l'onde idler qui seule permet d'atteindre les longueurs d'onde élevées. Pour cela, on réalise une cavité optique optimisée à la longueur d'onde voulue. Pour obtenir une bonne qualité optique des faisceaux, on utilise des cavités optiques fonctionnant dans leur mode fondamental. Cependant, cette configuration présente un inconvénient important. Le rendement de l'oscillateur et la possibilité de générer le mode fondamental sont directement liés au pouvoir de réflexion des miroirs de la cavité. Or, aux longueurs d'onde élevées supérieures à 3 um, il est techniquement très difficile d'obtenir des coefficients de réflexion, élevés, ce qui limite considérablement la réalisation de telles cavités. Pour pallier cet inconvénient, l'invention propose une configuration d'oscillateur paramétrique optique où la qualité du faisceau idler est obtenue en optimisant les faisceaux pompe et signal. Il est connu que les propriétés énergétiques et géométriques du faisceau idler sont directement issues de celles de ces faisceaux. Par conséquent, un arrangement particulier des faisceaux pompe et signal permet d'obtenir la qualité souhaitée du faisceau idler, sans présenter l'inconvénient précédent. Plus précisément, l'invention a pour objet un oscillateur paramétrique optique émettant un faisceau optique idler à une longueur d'onde idler comportant une cavité optique définie par au moins deux miroirs, un milieu non linéaire transparent à la longueur d'onde idler, un faisceau de pompe à une longueur d'onde de pompe et un faisceau signal à une longueur d'onde signal issu du faisceau de pompe, ledit faisceau optique idler ayant une qualité optique proche des limites imposées par la diffraction caractérisée en ce que : Le faisceau de pompe est de qualité optique proche des limites imposées par la diffraction ; Les caractéristiques optiques et géométriques des miroirs sont définies de manière à obtenir un faisceau optique signal ayant une qualité optique proche des limites imposées par la diffraction ; Le coefficient de réflexion des miroirs à la longueur d'onde signal est très supérieur au coefficient de réflexion des miroirs à la longueur d'onde idler. Avantageusement, l'oscillateur paramétrique optique comporte une cavité de type instable fonctionnant sur son mode fondamental sans point de focalisation des faisceaux à l'intérieur de la cavité. Avantageusement, l'oscillateur paramétrique optique comporte une cavité instable de type télescope de grandissement Mg formée d'un miroir concave et d'un miroir convexe dont les foyers sont confondus. Le diamètre du miroir concave est au moins Mg fois plus grand que celui du miroir convexe. Avantageusement, l'oscillateur fonctionne en mode impulsionnel et la longueur de la cavité est petite devant la longueur spatiale des impulsions. 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 le schéma général d'un oscillateur paramétrique optique. . La figure 2 illustre un exemple d'un oscillateur paramétrique optique selon l'invention. La figure 3 illustre le schéma général d'une cavité stable. La figure 4 illustre le schéma général d'une cavité à géométrie instable confocale. Le principe général de l'oscillateur paramétrique optique selon l'invention est décrit en figure 2. Il comprend : Un faisceau de pompe émettant un faisceau de grande qualité optique de longueur d'onde d'émission Àp. Ce faisceau doit être une onde plane à répartition gaussienne, ce qui ne pose aucun problème technique particulier d'obtention : Un milieu non linéaire CNL susceptible de réémettre sur deux longueurs d'onde Às et À" X, étant par convention la plus grande longueur d'onde réémise. Ce milieu est transparent pour cette longueur d'onde . Une cavité C pouvant comporter deux miroirs. Le milieu amplificateur est placé à l'intérieur de la cavité. Le coefficient de réflexion des miroirs à la longueur d'onde signal Às est très supérieur au coefficient de réflexion des miroirs à la longueur d'onde idler X,. Un séparateur optique S qui permet d'isoler le faisceau idler des faisceaux de pompe et signal. Le fonctionnement est le suivant : Le faisceau pompe génère dans la cavité un faisceau signal qui oscille dans la cavité. La forme géométrique du faisceau signal est entièrement déterminée par la géométrie de la cavité. Celle-ci est choisie de façon à ne laisser osciller que le mode fondamental. La répartition de l'énergie à l'intérieur de la cavité est alors une gaussienne centrée. A partir du faisceau pompe et du faisceau signal émis, il y a nécessairement génération d'un faisceau idler pour respecter la conservation de l'énergie. Les caractéristiques géométriques de ce faisceau sont imposées par le faisceau pompe et le faisceau signal. Le faisceau idler est obtenu par couplage non-linéaire entre ces deux faisceaux. Il est proportionnel au produit de ces deux champs. Le produit d'un champ pompe par l'onde signal donne ce même champ multiplié par un facteur de phase. Les modes pompe et signal étant de bonne qualité spatiale, le mode idler aura également une bonne qualité spatiale. La répartition gaussienne de l'énergie est conservée. Il suffit ensuite de séparer par un séparateur optique classique le faisceau idler des faisceaux pompe et source. Des configurations particulières de la cavité résonnante décrites ci-dessous présentent des avantages significatifs par rapport à la configuration générale du dispositif de l'invention. Une cavité est constituée généralement de deux miroirs sphériques de rayons R1 et R2 séparés d'une distance L. Les cavités sont classiquement séparées en deux catégories : Les cavités dites stables dans lesquelles le rayonnement se propage indéfiniment sans pertes autres que celles dues à la transmission des miroirs, Les cavités dites instables dans lesquelles après un nombre fini d'aller-retours dans la cavité, le rayonnement finit par sortir. On note gi, g2 les paramètres définis de la façon suivante : Les cavités stables vérifient : La figure 3 illustre le schéma typique d'une cavité stable à deux miroirs concaves. Lorsqu'un rayonnement oscille sur son mode fondamental dans une cavité stable, la répartition gaussienne de l'énergie présente une largeur minimale W à l'intérieur de la cavité dans laquelle se trouve le matériau non linéaire. L'énergie est alors concentrée dans un faible diamètre. Si l'on ne veut pas détériorer le matériau non linéaire, cette concentration de l'énergie limite les puissances disponibles. Pour travailler avec des puissances émises importantes, il est préférable d'utiliser des cavités instables qui permettent pour certaines configurations d'éviter la focalisation des faisceaux intra-cavités. Il existe deux types de cavités instables (Graded reflectivity mirror unstable laser resonators parue dans : Optical and Quantum Electronics 29 (1997)) : Les cavités dites à branche positive (g1. g2 > 1) Les cavités dites à branche négative (g1. g2 Seules les cavités à branche positive avec gi > 0 et g2 > 0 sont susceptibles de fournir un rayonnement non focalisé. Un rayon lumineux se propageant à l'intérieur d'une cavité instable subit à chaque aller-retour un grandissement Mg. On a la relation : En dehors du mode fondamental d'ordre 0, des modes d'ordre élevé notés n sont susceptibles d'osciller dans la cavité. La quantité de lumière recyclée dans la cavité après un aller-retour est en première approximation proportionnelle à Mg-2 (n+1). Les pertes géométriques sont par conséquent d'autant plus élevées que l'ordre du mode est élevé. Les modes d'ordre élevé sont alors peu susceptibles d'une amplification par la cavité si le facteur Mg est suffisamment grand. Il est ainsi possible d'obtenir une onde émise sur son mode fondamental donc de bonne qualité optique. Pour favoriser l'élimination des modes d'ordre n, il est connu d'adapter la taille des miroirs au grandissement Mg. On a ainsi un miroir Mi de diamètre 01 et un miroir M2 de diamètre O2 avec : Une première variante de l'invention consiste donc, lorsque l'on souhaite travailler avec des énergies lumineuses élevées, à réaliser une cavité instable de grandissement Mg important de façon à obtenir une onde de bonne qualité sans point de focalisation. Pour deux miroirs donnés, pour obtenir une onde de qualité optimale, il est intéressant d'avoir Mg le plus grand possible. Cela est obtenu pour la géométrie confocale. Elle comprend un miroir concave M1 et un miroir convexe M2. Dans ce cas, les foyers des miroirs sont confondus et on a la relation simPle : Ri-Ra = 2 L Les deux rayons de courbure sont comptés positivement dans cette formule. La figure 4 donne le schéma général de ce type de cavité. Les faisceaux émis sont alors collimatés. Les cavités instables à géométrie confocale constituent donc un cas particulièrement intéressant du cas général. Mg est alors lié à Ri, R2 par la relation : Dans ce cas particulier d'une cavité confocale, les modes signal et pompe étant des ondes planes, le mode idler sera également une onde plane de bonne qualité. Dans cette configuration, le faisceau collimaté est émis du coté du petit miroir. Le faisceau signal émis présente un vignettage central dû à la présence du miroir sur le trajet du faisceau. La distribution de l'énergie en champ lointain présente des lobes secondaires qui nuisent à la bonne propagation du faisceau (T : Debuisschert, D. Mathieu, J. Raffy, L. Becouan, E. Lallier et J. P. Pocholle intitulé : High beam quality unstable cavity infrared optical parametric oscillator publié dans SPIE Vol. 3267). Lorsque l'on souhaite utiliser le faisceau signal, on peut atténuer ce défaut en utilisant un miroir de sortie dont le coefficient de réflexion pour la longueur d'onde signal est à profil gaussien. Ces miroirs sont complexes à réaliser. Il est à noter qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un miroir de ce type pour obtenir un faisceau idler à répartition d'énergie gaussienne, les miroirs de la cavité étant transparents pour le faisceau idler, celui-ci ne présente pas cet inconvénient. Dans de nombreuses applications, l'oscillateur paramétrique travaille en mode pulsé. Dans ce cas, il est judicieux de choisir une longueur de cavité petite devant la longueur spatiale de l'impulsion. Ainsi, les dimensions de la cavité étant petites devant la longueur de l'impulsion, le faisceau signal réalise plusieurs aller-retours à l'intérieur de la cavité par réflexions successives sur les miroirs de la cavité pendant la durée de l'impulsion. L'impulsion doit avoir une longueur spatiale au moins égale à deux fois la longueur de la cavité. A chaque passage, une partie de l'énergie du faisceau pompe est convertie en énergie du faisceau signal. On obtient ainsi un signal intense et par conséquent un faisceau idler intense. Lorsque l'on introduit un cristal non linéaire à l'intérieur d'une des cavités définies ci-dessus, on change la longueur optique de la cavité. Les paramètres géométriques de la cavité, en particulier le grandissement doivent alors être calculés en tenant compte des caractéristiques optiques de cet élément, notamment si l'on souhaite obtenir une cavité confocale. A titre d'exemple, si l'on introduit, à l'intérieur de la cavité, un cristal assimilable à une lame à faces planes et parallèles d'épaisseur e et d'indice optique N, il faudra allonger, en première approximation, la longueur L pour conserver le grandissement initial d'une distance d qui vaut : Exemples d'oscillateurs paramétriques optiques émettant à 3, 4 um. Dans une première configuration, le cristal non linéaire est un barreau de cristal de niobate. de lithium de 50 mm de long et d'indice optique 2.2. La cavité est une cavité confocale de grandissement Mg égal à 1.66. Le miroir concave a un diamètre de 25.4 mm et son rayon de courbure vaut 250 mm, le miroir convexe a un diamètre utile de 2 mm et son rayon de courbure vaut 150 mm. Le diamètre du miroir concave est nettement supérieur au diamètre théorique nécessaire de façon à éviter tout vignettage parasite. Les miroirs sont traités de telle sorte que le coefficient de réflexion soit maximal à 1. 55 um. Le faisceau de pompe est un laser Nd-YAG émettant à 1. 064 um. Le faisceau signal est émis à 1. 55 um. Le faisceau idler est émis à 3. 4 um. On obtient, en focalisant au moyen d'une lentille le faisceau émis, une tache de focalisation dont la répartition géométrique de l'énergie est très voisine de celle correspondant à la limite obtenue par la diffraction. Le paramètre M2 ou moment d'ordre 2 du profil d'intensité lumineuse qui permet de mesurer la qualité du faisceau (A. E. Siegman, IEEE J. Quantum Electron. 12 (1976) 35) est déterminé en suivant l'évolution de la taille du faisceau au voisinage du minimum. Un faisceau limité par la diffraction a un M2 égal à 1. Les valeurs mesurées selon deux axes à 900 donnent : Dans une seconde configuration, le cristal non linéaire est un cristal d'arséniure de titane potassium KTA de formule KTiOAs04. La cavité est une cavité confocale de grandissement Mg égal à 1.16. Le miroir concave a un diamètre de 25.4 mm, le miroir convexe a un diamètre utile de 2 mm. Le diamètre du miroir concave est nettement supérieur au diamètre théorique nécessaire de façon à éviter tout vignettage parasite. Les miroirs sont traités de telle sorte que le coefficient de réflexion soit maximal à 1. 55 um. Le faisceau de pompe est un laser Nd-YAG émettant à 1. 064 um. Le faisceau signal est émis à 1. 55 um. Le faisceau idler est émis à 3. 4 um. On obtient, en focalisant au moyen d'une lentille le faisceau émis, une tache de focalisation dont la répartition géométrique de l'énergie est très voisine de celle correspondant à la limite obtenue par la diffraction. Les valeurs mesurées selon deux axes à 900 donnent : Dans les deux cas, on obtient des faisceaux idler dont la qualité est proche de la limite de la diffraction, ce qui est bien le but recherché. REVENDICATIONS 1. Oscillateur paramétrique optique émettant un faisceau optique idler à une longueur d'onde idler (À,) comportant une cavité optique (C) définie par au moins deux miroirs (M1, M2), un milieu non linéaire (CNL) transparent à la longueur d'onde du faisceau idler, un faisceau de pompe à une longueur d'onde de pompe (Àp) et un faisceau signal à une longueur d'onde signal issu du faisceau de pompe, ledit faisceau optique idler ayant une qualité optique proche des limites imposées par la diffraction caractérisée en ce que : Le faisceau de pompe est de qualité optique proche des limites imposées par la diffraction ; . Les caractéristiques optiques et géométriques des miroirs étant définies de manière à obtenir un faisceau optique signal ayant une qualité optique proche des limites imposées par la diffraction ; . Le coefficient de réflexion des miroirs à la longueur d'onde signal étant très supérieur au coefficient de réflexion des miroirs à la longueur d'onde idler. 2. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fonctionne en mode impulsionnel. 3. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur totale de la cavité est au plus la moitié de la longueur spatiale de l'impulsion du faisceau de pompe. 4. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité définie par deux miroirs. 5. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité est à configuration géométrique instable. 6. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les miroirs sont de dimensions différentes. 7. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité de type télescope formée d'un miroir concave et d'un miroir convexe dont les foyers sont confondus. 8. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau non linéaire est de type niobate de lithium LiNbOs ou de type arséniure de titane potassium KTA. 9. Oscillateur paramétrique selon les revendications 1 et 8, caractérisé en ce que la longueur d'onde du faisceau pompe est voisine de 1. 06 um, celle du signal de 1. 5 um et celle du faisceau idler de 3.4 pm.