Brevet FR2932320A1 — publié le 20091211

" Oscillateur paramétrique optique à fibre par un mélange à quatre ondes." La présente invention concerne un dispositif laser comprenant une pompe laser infrarouge et un oscillateur paramétrique optique à fibre basé sur un principe de mélange à quatre ondes, cet oscillateur comprenant au moins une première fibre optique non linéaire dont la dispersion chromatique est ajustée de manière à obtenir un accord de phase. i0 L'amplification paramétrique par mélange à quatre ondes dans les fibres est connue depuis le début des années 1980 et a pour avantage une grande accordabilité en longueur d'onde. Le principe est basé sur la non linéarité optique de troisième ordre de la susceptibilité x(3' . Il s'agit d'un effet 15 non linéaire qui se produit lorsqu'au moins deux ondes de fréquences différentes se propagent ensemble dans un milieu non linéaire tel qu'une fibre optique. La non linéarité d'ordre trois de la fibre couple quatre ondes de fréquences Va>Vpl>Vp2>Vs (telles que Vpl+Vp2=Vs+Va). Deux ondes sont des pompes (vpl,vp2), l'une est l'onde Stokes ou signal (vs) et la dernière est 20 l'anti-Stokes ou idler (va). Lorsqu'une seule pompe est présente (vpl=vp2), le mélange est dit dégénéré. Lorsque la (ou les) pompe(s) est (sont) puissante(s), deux photons de pompes se transforment en un photon Stokes et un photon anti-Stokes. Cet effet est stimulé par la présence d'autres photons Stokes et anti-Stokes. L'effet n'est efficace qu'à la condition d'accord 25 de phase [3(vs)+ [3(va)= [3(vpl)+ [3(vp2), R étant le nombre d'onde. La condition d'accord de phase peut être explicitée en faisant un développement de Taylor au 4ème degré de la fonction d'onde autour de VZD (défini par [3(vzp)=0), soit [3(x)= [3(1)x+[3(2)x2/2+[3(3)x3/6+[3(4)x4/24 (où x=v-vzp). Si X=vp-vzp et Y=vp-vs, la condition d'accord approximée au 4ème degré s'écrit 30 y2=(-12/R(4))[R(2)+3(3)X+p(4)X2/2] Cette condition n'est possible que si [3(2) et [3(4) sont de signes opposés et si X est suffisamment petit, donc si vp est proche de VZD. La longueur d'onde de dispersion nulle ? zD=c/Vzp de la majorité des matériaux se trouve au-dessus de 1 dam. L'intérêt des fibres est que [3(v) peut être modifié par la géométrie de la fibre. Et notamment la valeur de 2Lzp peut être descendue jusqu'à approximativement 600 nm dans les fibres à cristaux photoniques. Depuis plusieurs années, des oscillateurs paramétriques à fibre ont été présentés afin de réaliser des sources accordables. Une telle source est constituée d'une pompe dont la longueur d'onde est accordable, d'une fibre fortement non linéaire et de miroirs. En général la pompe est impulsionnelle, ce qui permet de réduire le seuil d'oscillation. Récemment, des oscillateurs continus ont été proposés avec une cavité simplement résonante (fermée à la seule longueur d'onde Stokes par des io réseaux de Bragg) et une longueur d'onde de la pompe autour de 1.5 pm. Dans ces oscillateurs, la fibre est conventionnelle ou à cristal photonique. Notamment le document � continuous-wave fiber optical parametric oscillator �, Marhic et al., Optics letters, Vol. 27, No 16, August 15, 2002, p 1439-1441, décrit un oscillateur paramétrique optique à fibre (FOPO : Fiber 15 Optic Parametric Oscillator) par mélange à quatre ondes pompé par une onde continue. La cavité est réalisée en inscrivant des réseaux de Bragg sur une fibre optique hautement non linéaire d'une centaine de mètres. La pompe utilisée est une onde de 240 mW à 1563 nm. On connaît le document � continuous-wave wavelength conversion in a 20 photonic crystal fiber with two zero-dispersion wavelengths �, T. V. Andersen et al., Optics Express, 23 August 2004, Vol. 12, No. 17, p 4113-4122, décrivant une fibre à cristal photonique dans un oscillateur paramétrique optique à fibre par mélange à quatre ondes pompé par une onde continue de faible puissance. On obtient des signaux de sortie entre 500 et 650nm. 25 Cependant l'efficacité de conversion est très faible. Comme en général c'est l'accordabilité qui est recherchée dans les systèmes de l'art antérieur, les pompes sont des sources accordables. Le signal de la source est amplifié par un amplificateur à fibre optique EDFA (Erbium-doped fiber amplifier) généralement autour de 1.55 pm. La source 30 peut être un laser Ti :saphir (accordable entre 800 nm et 1 pm). La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des systèmes de l'art antérieur en proposant un dispositif laser capable d'émettre dans le visible. 35 Un autre but de l'invention est la conception d'un oscillateur paramétrique optique à fibre capable d'émettre un signal de sortie puissant. La présente invention a encore pour but un dispositif laser capable d'émettre en deçà de 460nm. On atteint au moins l'un des buts précités avec un dispositif laser comprenant au moins une première pompe laser infrarouge en mode continu et un premier oscillateur paramétrique optique à fibre basé sur un principe de mélange à quatre ondes, ce premier oscillateur comprenant au moins une première fibre optique non linéaire dont la dispersion chromatique du nombre d'onde est ajustée de manière à obtenir un accord de phase. Selon l'invention, ladite au moins première pompe laser infrarouge émet à une io puissance supérieure ou égale à sensiblement 5W. Pour doubler indépendamment les ondes, le dispositif laser peut en outre comprendre un démultiplexeur disposé en aval du premier oscillateur de façon à séparer l'onde Stokes, l'onde anti-Stokes et le reste de l'onde pompe. 15 Le dispositif selon la présente invention peut avantageusement s'appliquer dans de nombreuses applications nécessitant des sources optiques continues de plusieurs longueurs d'onde ou des longueurs d'onde précises qui ne sont pas forcément accessibles par des transitions de terres rares. 20 Selon une implémentation de l'invention, le dispositif comprend en outre un doubleur de fréquence, tel qu'un cristal non linéaire d'ordre deux, pour chaque onde en sortie du démultiplexeur. A titre d'exemple non limitatif, avec une longueur d'onde de pompe autour de 1060 nm et une longueur d'onde anti-Stokes autour de 920 nm, on peut ainsi générer une onde dans 25 le rouge (doublement de l'onde Stokes), une onde dans le vert (doublement de la pompe) et une onde dans le bleu (doublement de l'onde anti-Stokes) pour une application RVB (Rouge-Vert-Bleu). Le dispositif selon l'invention est une solution industrielle simple de puissance élevée et permettant une conversion non linéaire. L'utilisation d'une source de grande puissance 30 permet une bonne efficacité de conversion non linéaire. Toujours avec une pompe puissante autour de 1060 nm et en doublant l'émission anti-Stokes à 884 nm ou à 650 nm, il s'agit d'une solution simple pour émettre un signal puissant à des longueurs d'ondes difficilement accessibles avec des terres rares, telles que par exemple 442nm ou 325 nm. On peut ainsi par exemple 35 remplacer l'une des longueurs d'onde du laser He/Cd. On peut encore par exemple émettre autour de 360nm. En complément notamment de ce qui précède, on peut donc aisément envisager une émission dans le rouge (autour de 620 nm) et dans le bleu (autour de 460 nm) pour une application d'affichage en couleur (RVB). Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend en outre une deuxième pompe laser infrarouge dont la fréquence est différente de la fréquence de la première pompe laser infrarouge. Ceci permet notamment d'abaisser le niveau de seuil pour la résonance dans l'oscillateur. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la largeur de raie de l'onde émise par au moins la première pompe laser est inférieure à 0,5 io nm ou de préférence inférieure à 0,2 nm de façon à augmenter le taux de conversion non linéaire subséquent. De préférence, la fibre optique non linéaire du premier oscillateur peut être une fibre à cristaux photoniques de manière à pouvoir ajuster la longueur d'onde de dispersion nulle 2zo sur une plage importante et 15 d'augmenter la non linéarité, ou une fibre à maintien de polarisation de manière à optimiser l'étape de doublement de fréquence ou les deux à la fois. Selon un mode de réalisation, le premier oscillateur est simplement résonant à l'une des deux ondes Stokes ou anti-Stokes. Mais de préférence, 20 le premier oscillateur est doublement résonant à l'onde Stokes et l'onde anti- Stokes. Selon l'invention, le premier oscillateur est fermé en entrée par des réflecteurs haute réflexion supérieure à 99%, et fermé en sortie par des réflecteurs partiels de réflexion supérieure à 50%. 25 L'oscillateur peut donc être fermé par un jeu de réflecteurs ou miroirs à la fréquence va (ou vs) et optionnellement à la fréquence vs (ou va). Le miroir d'entrée est HR (haute réflexion). Par ailleurs, la réflexion du miroir de sortie est suffisamment grande pour limiter toute émission Raman parasite. En effet, le gain paramétrique et le gain Raman sont proportionnels. Si on 30 réduit le gain paramétrique en réduisant les pertes de la cavité, on réduit l'émission Raman. D'autres miroirs à d'autres fréquences vérifiant une relation d'accord de phase avec des fréquences existantes peuvent être ajoutés. Les réflecteurs ou miroirs sont préférentiellement des réseaux de Bragg inscrits dans la fibre optique. L'oscillation à la fréquence vs permet de 35 réduire le seuil d'oscillation à fréquence va et de réduire la largeur de raie d'émission. Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens pour ajuster la réflectivité de réflecteurs présents dans le premier oscillateur. Cela permet d'ajuster notamment la puissance de sortie des signaux. Lorsque l'oscillateur est doublement résonant, le rapport des puissances entre le signal et l'idler permet également de modifier l'accord de phase donnant le gain maximum et permet également de corriger l'erreur du nombre d'onde. Lorsque le dispositif comprend plusieurs fibres optiques, l'ajustement de la réflectivité des réflecteurs permet de compenser les petites variations du nombre d'onde d'une fibre optique à l'autre. Lorsque les io réflecteurs sont des réseaux de Bragg, l'ajustement de la réflectivité consiste à accorder la longueur d'onde des réseaux de Bragg en température et en traction ou compression. Théoriquement, la plus grande fréquence que l'on peut obtenir à partir d'une pompe avec ce dispositif est va=2vp. Pratiquement, l'efficacité de 15 l'oscillateur chute lorsque l'écart de fréquence Va-Vp augmente. Une limite pratique serait plutôt va=1.5vp. Selon un mode de réalisation, le premier oscillateur est suivi d'un second oscillateur comprenant au moins une seconde fibre optique non linéaire dont la dispersion chromatique est ajustée de manière à vérifier un 20 accord de phase entre l'onde anti-Stokes du premier oscillateur, considérée comme la pompe du deuxième oscillateur, et les ondes Stokes et anti-Stokes du deuxième oscillateur. Plus précisément, cette fibre optique présente une dispersion chromatique du nombre d'onde [3(v) ajustée de manière à vérifier 25 R(Va2)+R(Vs2)= 2R(va), Va2 et vs2 étant les ondes anti-Stokes et Stokes de la seconde fibre. Cette seconde fibre optique non linéaire peut être déterminée de sorte que la fréquence de l'onde Stokes de la seconde fibre optique est identique à la fréquence d'une onde pompe. Préférentiellement le réflecteur total à la fréquence vat est inséré entre les deux fibres non linéaires et le 30 réflecteur de sortie de la fréquence vs est inséré entre les deux fibres optiques. La présente invention autorise la réalisation d'un oscillateur par cascade de fibres. En d'autres termes, le dispositif peut comprendre plusieurs autres fibres optiques dont la dispersion chromatique de chacune est ajustée 35 de manière à vérifier un accord de phase avec l'onde anti-Stokes de la fibre optique précédente. Cela permet d'atteindre des fréquences plus élevées ou de manière équivalente des longueurs d'ondes plus courtes. Avantageusement, dans le cas d'un oscillateur à plusieurs fibres optiques, le dispositif laser comprend en outre des moyens pour ajuster les longueurs d'onde d'au moins deux des ondes présentes dans une des fibres optiques de façon à compenser des variations du nombre d'onde d'une fibre optique à l'autre. Ces moyens pour ajuster peuvent comprendre des moyens pour ajuster les fréquences des ondes pompes lorsque le dispositif laser comporte deux pompes laser infrarouge. Pratiquement, l'utilisation de deux io pompes de fréquences Vp1=(Va+Vs)/2-8vp et Vp2=(Va+Vs)/2+8vp ajustables (paramètre 8vp) permet de compenser les variations du nombre d'onde sans modifier la fréquence des signaux de sortie, c'est bvp qui ajuste l'erreur de [3(v). Ces moyens pour ajuster peuvent également comprendre des moyens de tension ou préférentiellement de compression de réseaux de Bragg 15 inscrits dans une fibre optique. L'accord en longueur d'un réflecteur de Bragg inscrit sur une fibre optique a été démontré industriellement. De préférence, le dispositif selon la présente invention comporte une ou plusieurs pompes laser fixes permettant de générer des ondes de sortie fixes. Ces pompes sont choisies dans la liste suivante : un laser Nd :YAG 20 pompé par diode, un laser Yb :YAG pompé par diode, et un laser à fibre dopée Yb pompé par diode. Ce sont des sources qui peuvent émettre plusieurs Watts à quelques centaines de Watts autour de 1 dam. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à 25 l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique générale d'un dispositif laser selon l'invention. - La figure 2 est une vue schématique d'un oscillateur 30 paramétrique optique à fibre selon l'invention comprenant plusieurs fibres optiques en cascade et émettant à 360nm. Sur la figure 1 on voit un exemple de réalisation d'un émetteur RVB (rouge vert bleu) pour une application d'affichage de signaux vidéo. Cet 35 émetteur RVB comprend deux sources de pompe. Il s'agit de deux lasers à fibre 1 et 2 polarisés linéairement, émettant autour de 1064 nm, de largeur de raie préférentiellement inférieure à 0.2 nm et de longueur d'onde optionnellement accordable. Les deux sources 1 et 2 émettent deux ondes qui sont couplées dans une fibre optique 4 au moyen d'un coupleur 3. La fibre optique 4 est à cristal photonique à maintien de polarisation dont le zéro de dispersion chromatique se trouve préférentiellement entre 1070 et 1090 nm. Ce qui permet l'accord de phase entre la pompe (les ondes vpl et vp2), le signal anti-Stokes va autour de 920 nm et le signal Stokes vs autour de 1230 nm. La fibre optique 4 présente une dispersion chromatique du nombre d'onde [3(v) qui est ajustée de manière à obtenir l'accord de phase ( R(va)+R(vs)= R(vpl)+R(vp2) ) La fibre est préférentiellement fortement non linéaire (petite taille de mode) et à faible perte pour tous les signaux présents. Cette fibre optique 4 constitue en fait le coeur de l'oscillateur paramétrique optique. La longueur de fibre est suffisante pour minimiser le seuil de l'oscillateur et pour minimiser la largeur de raie des signaux. Des réflecteurs 5 et 6 aux longueurs d'onde Stokes et anti-Stokes permettent de réaliser un oscillateur doublement résonant. Ils sont réalisés par inscription de réseaux de Bragg dans la fibre optique 4. En sortie de l'oscillateur constitué par la fibre optique, un dispositif de démultiplexage 7 permet de séparer les différentes longueurs d'onde : Stokes, anti-Stokes et la(es) pompe(s). En sortie du dispositif de démultiplexage 7, un cristal non linéaire d'ordre deux 8 peut être ajouté afin de réaliser un doublage de fréquence sur un ou plusieurs signaux de sortie. Sur la figure 1 ; ce cristal doubleur a été ajouté sur les ondes Stokes et anti-Stokes afin d'obtenir du bleu autour de 460nm et du rouge autour de 615nm. Sur l'onde de la pompe le cristal non linéaire permet de sommer les deux fréquences de pompe (ou de doubler l'unique fréquence de pompe s'il existe une seule source laser) de façon à obtenir du vert autour de 532 nm. On peut également imaginer introduire un cristal non linéaire d'ordre deux 9 (en pointillé sur la figure 1) à la sortie de l'oscillateur (fibre optique 4) si l'on souhaite ne doubler qu'une seule fréquence ou si ce dernier a les moyens de doubler les trois fréquences à la fois. Dans ce cas, on utilise un seul cristal non linéaire pour le doublage de fréquence. Avec le dispositif selon la présente invention on peut également réaliser une source continue et puissante autour de 360 nm. On utilise dans ce cas une unique pompe 10 (vp1) constituée par un laser à fibre émettant autour de 1 dam. L'oscillateur comprend plusieurs fibres optiques 12, 13 de type décrit précédemment et disposées en cascade. La pompe 10 génère un faisceau lumineux qui pénètre l'oscillateur via un coupleur 11. Les fibres optiques 12 et 13 possèdent une coupure monomode à une longueur d'onde inférieure à la longueur d'onde la plus faible se propageant dans ces fibres optiques. La conception de ces fibres optiques 12 et 13 est optimisée de façon à permettre un bon guidage et donc de faibles pertes à la fréquence vs, surtout io lorsque va-vs est grand. La deuxième fibre optique 13 possède une dispersion chromatique du nombre d'onde [3(v) qui est ajustée de manière à vérifier 13(va2)+R(vs2)= 2R(va); vs2 étant l'onde Stokes de la seconde fibre optique 13, Va2 étant l'onde anti-Stokes de la seconde fibre optique 13. 15 En particulier, un réflecteur total 14 à la fréquence vat est inséré entre les deux fibres optiques non linéaires 12 et 13, ainsi qu'un réflecteur partiel 15 de sortie de la fréquence vs. On peut mettre tous les réflecteurs en entrée de la première fibre optique et en sortie de la seconde. En revanche, pour minimiser les pertes, on peut mettre le réflecteur de sortie de vs en sortie de 20 la première fibre optique et le miroir d'entrée de Va2 et de vs2 en entrée de la deuxième fibre optique. Le démultiplexeur 16 disposé à la sortie de l'oscillateur permet de générer uniquement l'onde anti-Stokes autour de 720nm qui est doublée en fréquence au passage dans un cristal non linéaire 17. 25 Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif laser comprenant au moins une première pompe laser infrarouge en mode continu pour émettre une onde pompe, et un premier oscillateur paramétrique optique à fibre basé sur un principe de mélange à quatre ondes, ce premier oscillateur comprenant au moins une première fibre optique non linéaire dont la dispersion chromatique est ajustée de manière à obtenir un accord de phase, caractérisé en ce que ladite au moins une première pompe laser infrarouge io émet à une puissance supérieure ou égale à sensiblement 5W. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un démultiplexeur disposé en aval du premier oscillateur de façon à séparer une onde Stokes, une onde anti-Stokes et une partie de l'onde 15 pompe. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un doubleur de fréquence pour chaque onde en sortie du démultiplexeur de façon à générer une onde dans le rouge, une onde dans le 20 vert et une onde dans le bleu. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un doubleur de fréquence en sortie du premier oscillateur. 25 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième pompe laser infrarouge dont la fréquence est différente de la fréquence de la première pompe laser infrarouge. 30 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur de raie de l'onde émise par au moins la première pompe laser est inférieure à 0,5 nm. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 35 caractérisé en ce que la largeur de raie de l'onde émise par au moins la première pompe laser est inférieure à 0,2 nm. 5 2932320 - 10 - 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique non linéaire du premier oscillateur est une fibre à cristaux photoniques. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique non linéaire du premier oscillateur est une fibre à maintien de polarisation. io 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2-9, caractérisé en ce que le premier oscillateur est simplement résonant à l'une des deux ondes Stokes ou anti-Stokes. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en 15 ce que le premier oscillateur est doublement résonant à l'onde Stokes et l'onde anti-Stokes. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier oscillateur est fermé en entrée par des 20 réflecteurs haute réflexion supérieure à 99%, et fermé en sortie par des réflecteurs partiels de réflexion supérieure à 50%. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour ajuster la 25 réflectivité de réflecteurs présents dans le premier oscillateur. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que les réflecteurs sont des réseaux de Bragg inscrits dans la fibre optique. 30 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier oscillateur est suivi d'un second oscillateur comprenant au moins une seconde fibre optique non linéaire dont la dispersion chromatique est ajustée de manière à vérifier un accord de phase 35 entre l'onde anti-Stokes du premier oscillateur et les ondes Stokes et anti-Stokes du deuxième oscillateur. 5 25 2932320 - 11 - 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'un réflecteur total à l'onde anti-Stokes de la seconde fibre optique est disposé entre la première et la seconde fibres optiques. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un réflecteur de sortie de l'onde Stokes de la première fibre optique est disposé entre la première fibre optique et la seconde fibre optique. i0 18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que dans le cas d'un systèmes à plusieurs oscillateurs à fibres optiques, le dispositif laser comprend en outre des moyens pour ajuster les longueurs d'onde d'au moins deux des ondes présentes dans une des fibres optiques de 15 façon à compenser des variations du nombre d'onde d'une fibre optique à l'autre. 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que ces moyens pour ajuster comprennent des moyens pour ajuster les fréquences des ondes 20 pompe lorsque le dispositif laser comporte deux pompes laser infrarouge. 20. Dispositif selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que ces moyens pour ajuster comprennent des moyens de compression ou de tension de réseaux de Bragg inscrits dans une fibre optique. 21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que les fréquences des ondes de sortie sont fixes. 22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que ladite au moins une première pompe laser infrarouge comprend un Nd :YAG pompé par diode, un Yb :YAG pompé par diode ou un laser à fibre dopée Yb pompé par diode.