Brevet FR3078571A1 — publié le 20190906

OSCI LLATEUR PARAMETRI QUE OPTI QUE L'invention se rapporte à un oscillateur paramétrique optique. Un oscillateur paramétrique optique (OPO) est un convertisseur de fréquences qui, à partir d'un rayonnement laser de pulsation Wp (pompe), produit deux nouveaux rayonnements appelés « signal » et « complémentaire », de pulsations respectives ws et wc telles que Ulp = Ws + Wc. La conversion paramétrique de fréquences s'obtient en faisant propager le rayonnement pompe au travers d'un composant, généralement un cristal, présentant une non linéarité optique d'ordre 2. Si les paramètres physiques du cristal tels que sa température, son incidence par rapport au rayonnement pompe ou encore la périodicité de ses domaines ferroélectriques (comme le retournement périodique dans le cas d'un cristal tel que le niobate de lithium) sont modifiés, les valeurs ws et wc peuvent être ajustées sur une très large gamme. Ainsi, un OPO est une source de lumière cohérente, qui offre une très large gamme d'accord spectral, bien supérieure à celle des lasers. Cette caractéristique essentielle ouvre de nombreux champs d'applications aux OPO, comme par exemple l'analyse spectroscopique des gaz. Un oscillateur paramétrique optique selon l'invention est un oscillateur paramétrique optique de type NesCOPO (de l'anglais Nested Cavity Optical Parametric Oscillator), qui est constitué à partir de deux cavités séparément résonnantes pour chacune des ondes générées par conversion paramétrique d'ordre deux. Un tel OPO est doublement résonnant avec un double passage de la pompe. La demande européenne EP2503387 décrit un oscillateur paramétrique de type NesCOPO, mettant en oeuvre un cristal de niobate de lithium de type « fan-out » à pas continûment variable. Un tel oscillateur possède l'inconvénient de comporter un cristal, dont les domaines ferroélectriques ne sont pas orientés de façon optimisée, induisant des nombres d'onde que la source ne peut pas émettre sans changer de paramètre, comme par exemple la température du cristal. 2 Un oscillateur paramétrique optique selon l'invention, comporte un cristal dont les motifs ferroélectriques ont été optimisés afin d'avoir accès à la totalité de la plage de longueur d'onde souhaitée, sans avoir à modifier certains paramètres liés au cristal, comme par exemple sa température. 5 Les notions de « supérieur », « inférieur », « avant » et « arrière » doivent être interprétées comme si le cristal était placé dans une position fonctionnelle dans la cavité optique de l'oscillateur paramétrique optique. L'invention a pour objet un oscillateur paramétrique optique doublement résonnant comprenant un cristal de type fan-out présentant une non-linéarité 10 optique d'ordre 2 et placé dans une cavité optique apte à réfléchir une pompe, ledit cristal comprenant une face d'entrée et une face de sortie par lesquelles passe l'axe optique, une face supérieure et une face inférieure. La principale caractéristique d'un oscillateur paramétrique optique selon l'invention est que ledit cristal présente un réseau de lignes de changement de 15 polarisation prenant naissance de façon séparée et resserrée au niveau d'une ligne supérieure fictive parallèle à la face supérieure du cristal, et se terminant de façon séparée et élargie soit au niveau d'une ligne inférieure fictive parallèle à la face inférieure du cristal, soit au niveau de la face d'entrée du cristal, deux lignes successives faisant entre elles un angle constant, ledit 20 réseau commençant par une première ligne prenant naissance au niveau de la face de sortie du cristal et s'étendant vers la droite fictive inférieure en divergeant de ladite face de sortie, toutes les autres lignes s'inclinant progressivement et de façon monotone depuis ladite première droite vers la face d'entrée du cristal. 25 Autrement dit, une première ligne du réseau démarre au niveau de la face de sortie du cristal en divergeant de ladite face de sortie, et toutes les autres lignes sont inclinées vers la face d'entrée du cristal, depuis cette première ligne, en divergeant de plus en plus de la face de sortie. La première ligne est la seule ligne prenant naissance au niveau de la face de sortie, toutes 30 les autres lignes du réseau étant éloignées de ladite face de sortie. Autrement dit, le réseau de lignes donne l'impression de tourner depuis la face de sortie du cristal vers la face d'entrée de celui-ci, en démarrant d'une première ligne n'ayant qu'un point de contact avec la face de sortie du cristal. Il est à signaler 3 que toutes les lignes du réseau prennent naissance au niveau de la droite fictive supérieure, y compris la première ligne de changement de polarisation. Avantageusement, les quatre faces du cristal sont planes. De façon préférentielle, la face supérieure et la face inférieure sont 5 parallèles, et la face d'entrée et la face de sortie sont parallèles. De cette manière, le cristal est de forme parallélépipédique avec une faible épaisseur. Préférentiellement, les lignes situées juste après la première ligne et y compris ladite première ligne se terminent au niveau de la droite fictive inférieure, les lignes suivantes se terminant au niveau de la face d'entrée. 10 L'expression « se terminant au niveau de la face d'entrée » doit être interprétée comme « débouchant dans la face d'entrée ». De façon avantageuse, l'angle d'inclinaison constant entre deux lignes successives est de l'ordre de 0.1mrad. L'expression « de l'ordre de 0.1mrad » signifie égal à 0.1mrad plus ou moins 0.05mrad. 15 De façon préférentielle, le cristal est réalisé en niobate de lithium. Ce matériau est particulièrement mais non exclusivement adapté à un oscillateur optique paramétrique selon l'invention. Préférentiellement, le réseau comprend une ligne originelle placée avant la première ligne, ladite ligne originelle prenant naissance au niveau de la face 20 de sortie en dessous de la droite fictive supérieure et se terminant au niveau de la droite inférieure. De façon avantageuse, la première ligne est inclinée par rapport à la face de sortie d'un angle qui est supérieur ou égal à l'angle constant séparant deux lignes successives. Cet angle d'inclinaison est préférentiellement compris 25 entre 1 fois et 2 fois l'angle d'inclinaison constant entre deux lignes successives du réseau. L'invention a pour autre objet un cristal, pour la réalisation d'un oscillateur selon l'invention, ledit cristal comprenant une face d'entrée et une face de sortie par lesquelles passe l'axe optique, une face supérieure et une 30 face inférieure. La principale caractéristique d'un cristal selon l'invention est que ledit cristal présente un réseau de lignes de changement de polarisation prenant naissance de façon resserrée au niveau d'une ligne supérieure fictive parallèle 4 à la face supérieure du cristal, et se terminant de façon élargie soit au niveau d'une ligne inférieure fictive parallèle à la face inférieure du cristal, soit au niveau de la face d'entrée, deux lignes successives faisant entre elles un angle constant, ledit réseau commençant par une première ligne prenant naissance 5 au niveau de la face de sortie du cristal et s'étendant vers la droite fictive inférieure, toutes les autres lignes s'inclinant progressivement et de façon monotone depuis ladite première droite vers la face d'entrée. Un oscillateur paramétrique optique selon l'invention présente l'avantage de pouvoir atteindre chaque nombre d'onde sur une plage d'ondes 10 données, en supprimant les zones inatteignables qui sont apparentes dans les oscillateurs paramétriques optiques actuels. Cette atteinte est obtenue au moyen d'un design particulier des lignes de changement de polarisation du réseau, permettant ainsi de s'affranchir d'une mise en température du cristal. On donne, ci-après, une description détaillée d'un oscillateur 15 paramétrique optique selon l'invention, en se référant aux figures suivantes : - La figure 1 est une vue schématique d'un oscillateur paramétrique optique de l'état de la technique, - La figure 2 est une vue de face d'un cristal de type « fan-out » utilisé dans un oscillateur optique paramétrique selon l'état de la technique, 20 - La figure 3 est un diagramme illustrant un exemple du nombre d'onde accessible en fonction de la position du cristal de la figure 2 dans la cavité optique d'un OPO de l'état de la technique, - La figure 4 est une vue de face d'un cristal de type « fan-out » selon l'invention, 25 - La figure 5 est un diagramme illustrant un exemple du nombre d'onde accessible en fonction de la position du cristal de la figure 4 dans la cavité optique. Pour la suite de la description les termes « OPO » et « Oscillateur Paramétrique optique » sont équivalents. 30 En se référant à la figure 1, un oscillateur paramétrique optique 1 est un système permettant de convertir une onde pompe 2 produite par un rayonnement laser, en deux ondes « signal » 3 et « complémentaire » 4, par l'intermédiaire d'un cristal 5 non linéaire, qui peut par exemple être réalisé en 5 niobate de lithium. Ce cristal 5 est placé dans une cavité optique 6 délimitée par un premier miroir M1 et par un deuxième miroir M3. Ces deux miroirs M1 et M3 sont montés sur des éléments piézoélectrique 7 pour accorder la cavité optique 6. Le cristal 5 sur l'exemple illustré à la figure 1, comprend un 5 troisième miroir M2. L'onde pompe 2 se convertit dans le cristal 5 placé dans la cavité optique 6. Dans le cadre d'un OPO 1 selon l'invention, le cristal 5 est de type PPLN (de l'anglais Periodically Poled Lithium Niobate). L'architecture d'un OPO 1 selon l'invention, est aussi appelée NesCOPO (de l'anglais Nested Cavity Optical Parametric Oscillator). L'onde pompe 2 10 possède une composante incidente 8 en provenance du premier miroir Ml, et une composante réfléchie 9 suite à la réflexion de ladite onde incidente 8 sur le deuxième miroir M3 de la cavité optique 6. A titre d'exemple illustratif et non limitatif, la longueur d'onde de la pompe 2 est de 1pm, celle de l'onde signal 3 est dans la plage comprise entre 1.4pm et 1.6 pm et celle de l'onde 15 complémentaire 4 est dans la plage comprise entre 3.2pm et 4.2pm. Un OPO 1 selon l'invention tire parti de la conversion non linéaire de fréquence au sein du cristal 5 placé dans la cavité optique 6. Cet OPO 1 est doublement résonnant avec double passage de la pompe 2 (composante incidente 8 et composante réfléchie 9). 20 En se référant à la figure 2, un cristal 55 existant de type « fan-out » (éventail) possède un réseau de lignes 56 de changement de polarisation permettant d'obtenir une variation continue de la longueur d'onde générée, en déplaçant ledit cristal 55 au sein de la cavité optique 6. Schématiquement, un tel cristal 55 est de forme parallélépipédique et possède, 25 - Une face supérieure plane 57, - Une face inférieure plane 58 et parallèle à la surface supérieure 57, - Une face d'entrée 59 plane par laquelle l'onde pompe 2 issue du premier miroir M1 va pénétrer dans le cristal 55, - Une face de sortie 60 plane et parallèle à la surface d'entrée 59, 30 - Deux faces latérales 61 rectangulaires et parallèles, délimitées chacune par la face supérieure 57, la face inférieure 58, la face d'entrée 59 et la face de sortie 60. Un tel cristal 55 peut, par exemple, présenter une longueur L de 10mm, 6 une largeur I de 5mm et une épaisseur de 1mm. Ces dimensions illustrent un exemple adapté à un OPO selon l'invention, mais qui n'est pas limitatif. Les lignes de changement de polarisation 56 sont organisées au sein du cristal 55 de sorte qu'elles prennent naissance au niveau d'une droite fictive 5 supérieure 61, qui est parallèle à la paroi supérieure 57 et située à proximité de celle-ci. Ces lignes 56 prennent naissance de façon séparée et resserrée sur ladite droite 61 et sur toute la largeur du cristal 55. Une ligne centrale 62 part du milieu de la droite supérieure 61 et s'étend parallèlement à la face d'entrée 59 ou à la face de sortie 60, vers une droite fictive inférieure 63, qui est 10 parallèle à la droite fictive supérieure 61, et qui est située à proximité de la face inférieure 58 du cristal 55. Une partie des lignes 56 qui sont implantées sur la droite supérieure 61 d'un côté de la ligne centrale 62, s'étendent vers la droite fictive inférieure 63 pour celles qui sont les plus proches de ladite ligne centrale 62, et vers la face de sortie 60 pour celles qui sont les plus éloignées 15 de ladite ligne centrale 62. Une partie des lignes 56 qui sont implantées sur la droite supérieure 61 de l'autre côté de la ligne centrale 62, s'étendent vers la droite fictive inférieure 63 pour celles qui sont les plus proches de ladite ligne centrale 62, et vers la face d'entrée 59 pour celles qui sont les plus éloignées de ladite ligne centrale 62. Deux lignes 56 successives du réseau divergent 20 l'une de l'autre, lorsqu'elles s'étendent depuis leur implantation sur la droite supérieure 61 vers la droite inférieure 63 ou vers la face d'entré 59 ou de sortie 60. De cette manière, deux lignes de changement de polarisation successives 56 font entre elles un angle constant, préférentiellement égal à 0.1 m rad. 25 Pour résumer, le réseau de lignes 56 présente un axe de symétrie matérialisé par la ligne centrale 62, une partie des lignes 56 située d'un côté de ladite ligne centrale 62 ayant tendance à s'étendre vers la face d'entrée 59, et une autre partie desdites lignes 56 située de l'autre côté de ladite ligne centrale 56, ayant tendance à s'étendre vers la face de sortie 60. 30 La pompe 2, dont la dimension du faisceau peut par exemple être de l'ordre de 100 pm, arrive sur la face d'entrée 59 et traverse le cristal 55 pour ressortir de celui-ci au niveau de la face de sortie 60. Le cristal 55 peut être translaté au sein de la cavité optique 6, le long d'un axe longitudinal dudit 7 cristal 55 pour changer les paramètres de la conversion et atteindre un nombre d'onde donné. Or, en se référant à la figure 3, avec un tel cristal 55 de type « fan-out », les conditions de conversion au sein d'un NesCOPO, ne permettent 5 généralement d'accéder qu'a seulement certaines plages 64 de longueur d'onde séparées par des plages inaccessibles 65, comme l'indiquent les trous sur le diagramme, et ce, pour différentes positions du cristal 55 dans la cavité optique 6. En effet, le cristal 55 est amené à être translaté dans la cavité optique 6 le long d'un axe parallèle à un axe longitudinal dudit cristal 55, de 10 façon à obtenir toutes les longueurs d'onde possibles sur une plage donnée. Or, les zones exploitables ne se chevauchent pas, et laissent apparaitre des nombres d'onde inatteignables. Cela est causé par des conditions sur la phase relative entre les trois ondes (pompe, signal, complémentaire) qui est importante à prendre en compte dans les NesCOPO. 15 Actuellement, des techniques existent pour éviter ces trous 65, mais sont, soit très chères, soit industriellement inapplicables, soit lentes. Un OPO selon l'invention, présente un cristal 105 dont les lignes de polarisations 106 sont organisées sur ledit cristal 105, de telle manière qu'elles permettent d'accéder à toutes les longueurs d'onde, lorsque le cristal 20 105 est translaté dans la cavité optique 6 le long d'un axe longitudinal de celui-ci. En se référant à la figure 4, le cristal 105 d'un OPO selon l'invention, se distingue de celui décrit ci-avant, uniquement sur l'ordonnancement des lignes de changement de polarisation 106 au sein du cristal 105. En effet, les lignes 25 de changement de polarisation 106 sont organisées au sein du cristal 105 de sorte qu'elles prennent naissance au niveau de la droite fictive supérieure 61 précédemment décrite, qui est parallèle à la paroi supérieure 57 et située à proximité de celle-ci. Ces lignes 106 prennent naissance de façon séparée et resserrée sur ladite droite 61 et sur toute la largeur du cristal 105. Chaque 30 ligne de changement de polarisation 106 du réseau d'un cristal 105 d'un OPO selon l'invention, se déduit de chaque ligne de changement de polarisation 56 du réseau du cristal 55 précédemment décrit, par une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, autour de son point d'intersection avec la droite 8 fictive supérieure 61, d'un angle constant compris entre 10 et 100. De cette manière, chaque ligne de changement de polarisation 106 d'un cristal 105 selon l'invention, a pivoté vers la face d'entrée 59, d'un angle compris entre 10 et 100 depuis sa position sur le cristal existant 55 illustré à la figure 2. Pour un 5 cristal ayant une longueur de 10mm, une largeur de 5mm et une épaisseur de 1mm, cet angle est avantageusement égal à 2.8°. Autrement dit, le réseau de lignes de changement de polarisation 106 commence par une première ligne 108 prenant naissance sur la face de sortie 60 du cristal 105 au niveau de la droite fictive supérieure 61, et s'étendant 10 vers la droite fictive inférieure 63 précédemment décrite, toutes les autres lignes s'inclinant progressivement et de façon monotone depuis ladite première ligne 108 vers la face d'entrée 59. Deux lignes 106 successives du réseau divergent l'une de l'autre, lorsqu'elles s'étendent depuis leur implantation sur la droite supérieure 61 vers la droite inférieure 63 ou vers la 15 face d'entré 59. De cette manière, deux lignes de changement de polarisation successives 106 font entre elles un angle constant, préférentiellement égal à 0.1mrad, tout comme c'est le cas dans le cristal existant 55 précédemment décrit. Les lignes 106 situées juste après la première ligne 108 s'étendent jusqu'à la droite fictive inférieure 63, les autres lignes débouchant sur la face 20 d'entrée 59 du cristal 105. Le réseau comprend également une ligne originelle 109 placée entre la première ligne 108 et la face de sortie 60, cette ligne originelle 109 prenant naissance au niveau de la face de sortie 60, en dessous du point au niveau duquel prend naissance la première ligne 108 sur ladite face de sortie 60, et 25 se terminant au niveau de la droite fictive inférieure 63. Cette ligne originelle 109 est plus courte que la première ligne 108. Pour résumer, par rapport à un axe s'étendant le long de la face de sortie 60, toutes les lignes de changement de polarisation 106 sont inclinées dans le même sens et du même côté (vers la face d'entrée 59) dans un cristal 30 105 selon l'invention. Dans un cristal 55 déjà existant, par rapport à un axe central, parallèle à la face d'entrée 59 ou à la face de sortie 60, elles sont inclinées de façon symétrique et de part et d'autre dudit axe, dans deux sens opposés (vers la face d'entrée 59 et vers la face de sortie 60). 9 La période typique d'un motif dans un cristal 105 de type PPLN est de 30 pm. En se référant à la figure 5, en translatant le cristal 105 le long d'un axe parallèle à la face de sortie 60 ou à la face d'entrée 59, un OPO selon 5 l'invention permet d'atteindre toutes les longueurs d'onde sur une plage donnée. En effet, différents essais ont montré que, grâce à l'utilisation d'un cristal 105 de type PPLN avec le nouveau réseau de lignes de changement polarisation 106 décrit ci-avant, chaque nombre d'onde peut être atteint. En se focalisant sur une position 120 du cristal 105 où les conditions d'accord de 10 phase sont exactement non-constructives, il est toujours possible d'atteindre la longueur d'onde souhaitée, REVENDICATIONS1. Oscillateur paramétrique optique (1) doublement résonnant comprenant un cristal (5, 55, 105) de type fan-out présentant une non-linéarité optique d'ordre 2 et placé dans une cavité optique (6) apte à réfléchir une pompe (2), ledit cristal (5, 55, 105) comprenant une face d'entrée (59) et une face de sortie (60) par lesquelles passe l'axe optique, une face supérieure (57) et une face inférieure (58), caractérisé en ce que ledit cristal (105) présente un réseau de lignes (106) de changement de polarisation prenant naissance de façon séparée et resserrée au niveau d'une ligne supérieure fictive (61) parallèle à la face supérieure (57) du cristal (105), et se terminant de façon séparée et élargie soit au niveau d'une ligne inférieure fictive (63) parallèle à la face inférieure (58) du cristal (105), soit au niveau de la face d'entrée (59) du cristal (105), et en ce que deux lignes (106) successives font entre elles un angle constant, ledit réseau commençant par une première ligne (108) prenant naissance au niveau de la face de sortie (60) du cristal (105) et s'étendant vers la droite fictive inférieure (63) en divergeant de ladite face de sortie (60), toutes les autres lignes s'inclinant progressivement et de façon monotone depuis ladite première droite (108) vers la face d'entrée (59) du cristal (105). 2. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les quatre faces (57, 58, 59, 60) du cristal (105) sont planes. 3. Oscillateur paramétrique optique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face supérieure (57) et la face inférieure (58) sont parallèles, et en ce que la face d'entrée (59) et la face de sortie (60) sont parallèles. 4. Oscillateur paramétrique optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les lignes (106) situées juste après la première ligne (108) et y compris ladite première ligne (108) se terminent au niveau de la droite fictive inférieure (63), et en ce que les lignes suivantes (106) se terminent au niveau de la face d'entrée (59). 5. Oscillateur paramétrique optique selon l'une quelconque des 11 revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison constant entre deux lignes (106) successives est de l'ordre de 0.1mrad. 6. Oscillateur paramétrique optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cristal (105) est réalisé en 5 niobate de lithium. 7. Oscillateur paramétrique optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réseau comprend une ligne originelle (109) placée avant la première ligne (108), et en ce que ladite ligne originelle (109) prend naissance au niveau de la face de sortie (60) en 10 dessous de la droite fictive supérieure (61) et se termine au niveau de la droite inférieure (63). 8. Oscillateur paramétrique optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première ligne (108) est inclinée par rapport à la face de sortie (60) d'un angle qui est supérieur ou égal à 15 l'angle constant séparant deux lignes successives (106). 9. Cristal pour la réalisation d'un oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit cristal (5, 55, 105) comprenant une face d'entrée (59) et une face de sortie (60) par lesquelles passe l'axe optique, une face supérieure (57) et une face inférieure (58), caractérisé en ce que ledit cristal 20 (105) présente un réseau de lignes (106) de changement de polarisation prenant naissance de façon séparée et resserrée au niveau d'une ligne supérieure fictive (61) parallèle à la face supérieure (57) du cristal (105), et se terminant de façon séparée et élargie soit au niveau d'une ligne inférieure fictive (63) parallèle à la face inférieure (58) du cristal (105), soit au niveau de 25 la face d'entrée (59), et en ce que deux lignes (106) successives font entre elles un angle constant, ledit réseau commençant par une première ligne (108) prenant naissance au niveau de la face de sortie (60) du cristal (105) et s'étendant vers la droite fictive inférieure (63) en divergeant de ladite face de sortie (60), toutes les autres lignes s'inclinant progressivement et de façon 30 monotone depuis ladite première droite (108) vers la face d'entrée (59) du cristal (105).