EP4370974A1 - Device for generating pulses in the mid-infrared and associated generating method - Google Patents

Device for generating pulses in the mid-infrared and associated generating method

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Publication number
EP4370974A1
EP4370974A1 EP22751049.2A EP22751049A EP4370974A1 EP 4370974 A1 EP4370974 A1 EP 4370974A1 EP 22751049 A EP22751049 A EP 22751049A EP 4370974 A1 EP4370974 A1 EP 4370974A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wavelength
pulse
optical
blade
amir
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22751049.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Yoann Zaouter
Florent Guichard
Michele NATILE
Quentin BOURNET
Marc Hanna
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut d'Optique Theorique et Appliquee
Amplitude SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut d'Optique Theorique et Appliquee
Amplitude SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut d'Optique Theorique et Appliquee, Amplitude SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4370974A1 publication Critical patent/EP4370974A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3507—Arrangements comprising two or more nonlinear optical devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the present invention relates generally to the generation of radiation in the mid-infrared.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the field of molecular detection for medical, environmental or scientific purposes, but also in time-resolved spectroscopy and strong field physics.
  • the middle infrared (MIR, between 2.5 and 50 microns) and the multi-terahertz range (between 50 microns and 300 microns) are ranges of the electromagnetic spectrum with strong scientific and industrial interest. In particular, these ranges of the electromagnetic spectrum are distinguished from that of the near infrared (NIR, between 0.7 and 2.5 microns).
  • NIR near infrared
  • the frequency difference generation process is a nonlinear process by which two input waves at the respective central optical frequencies V2 and vi interact with each other in a nonlinear optical medium, such as a nonlinear optical crystal 30 (hereinafter called nonlinear crystal), and generate a third wave whose optical frequency V3 is equal to the difference in the frequencies of the two input waves.
  • a nonlinear optical medium such as a nonlinear optical crystal 30 (hereinafter called nonlinear crystal)
  • This process is shown schematically in Figure 1.
  • the frequency process is carried out using two distinct source pulses, whether or not coming from the same laser source, emitted at different wavelengths.
  • the wavelengths of the two distinct source pulses are chosen so that the optical frequency difference between their respective optical frequencies is equal to an optical frequency whose wavelength corresponds to the desired MIR radiation.
  • intra-pulse frequency difference method a single short source pulse is used. Such a pulse of chosen duration can have a spectrum allowing access to a desired optical frequency in the Ml R. In this case, it is possible to generate a frequency difference between two distinct wavelengths of the spectrum of the pulse. single, and thus an ultrashort pulse in the MIR at the desired optical frequency.
  • the present invention proposes a device for generating at least one pulse in the mid-infrared, comprising:
  • an optical source configured to emit at least one source pulse, the at least one source pulse having a first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength ⁇ 2 located in a spectral range below mid-infrared ,
  • nonlinear crystal configured to generate said at least one pulse at an AMIR wavelength in the mid-infrared from the at least one source pulse by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of length of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2,
  • the generation device comprises at least one delay plate having an optical delay configured for two useful wavelengths, the two useful wavelengths being the AMIR wavelength in the mid-infrared and one of the first wavelength Ai and the second wavelength l2,
  • the generating device is a device aligned along an optical alignment axis
  • the delay blade is placed between the nonlinear crystal and the first optical parametric amplifier
  • the delay blade is configured to receive said at least one AMIR wavelength pulse in the mid-infrared from the nonlinear crystal and transmit it in the direction of the first optical parametric amplifier,
  • the delay plate is configured to receive pump radiation emerging from the nonlinear crystal at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2, and to transmit the pump radiation towards the first optical parametric amplifier,
  • the optical delay of the delay plate is adapted to synchronize in the first optical parametric amplifier said at least one pulse at the AMIR wavelength in the mid-infrared with said pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2.
  • the invention advantageously makes it possible to increase the efficiency of a device for generating pulses in the mid-infrared via an optical parametric amplification process by the use of at least one blade introducing an optical delay .
  • the “all aligned” configuration of the device according to the invention facilitates its use and alignment.
  • the retarding blade is a birefringent blade
  • the material of the birefringent retarding plate and its cut are chosen to introduce a difference in group velocities between said at least one pulse at the AMIR wavelength and said pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2, said difference in group velocities being equal to the opposite of a difference in group velocities, at the output of the nonlinear crystal, between said pump radiation and said at least one pulse at length d AMIR wave;
  • the generation device further comprises one or more additional optical parametric amplifiers positioned in cascade and downstream of the first optical parametric amplifier and comprising another delay blade upstream of each additional optical parametric amplifier; this further improves the efficiency of the pulse generation process at the AMIR wavelength;
  • the generation device further comprises a dual blade
  • the dual plate has an optical delay configured for two useful wavelengths, the two useful wavelengths being the first wavelength Ai and the second wavelength l2;
  • the dual blade is placed between the optical source and the nonlinear crystal
  • the dual plate is configured to receive said at least one source pulse and transmit it in the direction of the nonlinear crystal
  • the optical delay of the dual plate configured for the first wavelength Ai is equal to (Ni+1/2)x Ai and the optical delay of the dual plate configured for the second wavelength l2 is equal to I hx l2, with Ni and N2 two positive integers;
  • the dual blade has a fixed thickness;
  • the dual blade consists of a pair of straight prisms able to move in translation relative to each other, so that the thickness of the dual blade is variable; this adjusts the AMIR wavelength as well as the spectral width of the pulse at the AMIR wavelength. ;
  • the dual blade is a birefringent blade
  • the invention also relates to a method for generating at least one pulse in the mid-infrared AMIR implemented by a generation device according to the invention, comprising the following steps:
  • the at least one source pulse having a first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength l2 located in the near infrared
  • Figure 1 schematically illustrates the principle of the frequency difference generation process
  • Figure 2 is a schematic view of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the invention
  • Figure 3 is a schematic view of an example of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the present disclosure
  • Figure 4 shows an example of the wavelength dependence of the optical delay introduced by a dual plate according to the present disclosure
  • Figure 5 is a schematic view of an embodiment of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the invention
  • FIG. 6 schematically represents the principle of adjustment of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared in the example of FIG. 3;
  • FIG. 7 represents the projections of the spectral components of the spectral density of the source of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared along the specific axes of the nonlinear crystal of the device for generating at least one mid-infrared pulse;
  • Figure 8 is an example of a spectral density curve of a pulse in the mid-infrared generated by the generation device according to the present disclosure
  • FIG. 9 schematically represents the principle of amplification of a pulse in the mid-infrared in the embodiment of FIG. 5;
  • Figure 10 shows a dual blade variant according to the invention
  • Figure 11 illustrates a second variant comprising one or more optical parametric amplifiers in cascade and a complementary delay plate upstream of each additional optical parametric amplifier;
  • Figure 12 illustrates a third variant comprising one or more optical parametric amplifiers in cascade and a complementary delay blade upstream of each additional optical parametric amplifier;
  • Figure 13 illustrates a fourth variant comprising one or more cascaded optical parametric amplifiers and a complementary delay plate upstream of each additional optical parametric amplifier.
  • Figure 2 schematically illustrates the device for generating at least one pulse in the mid-infrared 1 according to the invention.
  • the device 1 for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the invention comprises an optical source 2, a nonlinear optical crystal 3, and a delay plate 42. Subsequently, the nonlinear optical crystal 3 will be referred to as “nonlinear crystal 3”.
  • the optical source 2, the nonlinear crystal 3 and the blade 42 are aligned along an optical alignment axis D.
  • the optical source 2 is placed upstream of the alignment axis D.
  • the nonlinear crystal 3 is placed downstream of the optical source 2 and the delay plate 42 is placed downstream of the nonlinear crystal 3.
  • the optical source emits at least one source pulse with a wavelength of between 0.4 microns and 2.5 microns, preferably between 0.7 microns and 2.5 microns, comprising a first spectral component of wavelength li and a second spectral component of wavelength ⁇ 2.
  • the source may be a fiber amplifier doped with Ytterbium delivering source pulses at a central wavelength of 1030 nm, with a duration of less than 13 f s , an energy of 160 microjoules and a repetition frequency of 250 kHz, which are the specific characteristics of the Tangerine product coupled with a Compress-50 time compression module from Amplitude.
  • the wavelength li is equal to 900 nm and the wavelength ⁇ 2 is equal to 1120 nm.
  • the spectrum of the optical source 2 can be widened by performing a temporal compression of the source pulses.
  • the previously mentioned Ytterbium-doped fiber amplifier can be coupled to a two-stage nonlinear pulse compression device.
  • the source pulses are sent to a first nonlinear compression stage comprising a capillary tube 1 m long and filled with Xenon at a pressure of 2.5 bar.
  • the pulse beam is for example collimated and sent to a pair of dispersive mirrors introducing a group delay dispersion of ⁇ 1600 fs 2 .
  • the group delay is defined by the derivative of the spectral phase, that is to say the phase of the electric field in the frequency domain, with respect to the angular frequency.
  • the dispersion of the group delay is defined by the derivative of the group delay with respect to the angular frequency.
  • the intermediate pulses emerging from the dispersive mirrors then each have a duration of 30 fs.
  • the intermediate pulses are then sent to a second non-linear compression stage composed for example of a plurality of 1 mm thick silica blades oriented according to the Brewster angle allowing multi-blade compression (MPC).
  • MPC multi-blade compression
  • the beam of pulses from the second stage is collimated and sent to a pair of dispersive mirrors introducing a group delay dispersion of -300fs 2 . Additional items such as calcium fluoride slides can be added to the second stage.
  • the source pulses coming from the Ytterbium-doped fiber amplifier have a duration of 12.9 fs.
  • the nonlinear crystal 3 is configured to generate at least one pulse at a AMIR wavelength in the mid-infrared from the at least one source pulse by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength A ⁇ .
  • the generation of frequency difference is a nonlinear optical process of the three-wave mixing type.
  • Two waves of different central wavelengths (or equivalently, optical frequencies) interact in a nonlinear medium to produce a wave whose central optical frequency is equal to the difference of the optical frequencies of the two initial signals.
  • phase matching condition is a relationship between the wavenumbers of the monochromatic waves involved in the process of nonlinear optics.
  • the phase matching condition is a relation between the wavenumbers of the two waves Ai and A2 interacting in the nonlinear medium and the wavenumber of the wave Az obtained by difference of frequency.
  • the nonlinear crystal 3 is a birefringent crystal in order to satisfy the phase matching condition for the frequency difference generation.
  • birefringent crystal it is understood a crystal whose refractive index depends on the wavelength and the polarization.
  • the nonlinear crystal 3 can be a crystal of langasite (LiGaS2 or LGS).
  • Other examples of birefringent crystals that can be used are, as a guide, crystals of BGS (BaGa4Sy), GaSe (Gallium Selenide), AGGS (AgGeGaS4), LIS (LÎ2Ga2GeSe), LGN (La3Ga5.5Nbo.5O14)
  • the configuration most frequently used for the generation of frequency difference with a birefringent crystal is that where the phase agreement, that is to say where the two interacting waves have linear polarizations orthogonal and transverse to the directions of propagation of the two waves, more precisely, along the proper axes of the non-linear crystal 3.
  • the nonlinear crystal 3 By the frequency difference generation process, the nonlinear crystal 3 generates optical frequency pulses lower than those of the first spectral component and the second spectral component, that is to say of length d AMIR wave higher than the Ai and A2 wavelengths.
  • the AMIR wavelength thus depends on the wavelengths Ai and A2 according to the formula well known to those skilled in the art.
  • the delay blade 42 has an optical delay configured for two useful wavelengths.
  • the two useful wavelengths are the AMIR wavelength in the mid-infrared and one of the first wavelength Ai and the second wavelength A2.
  • the first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength K2 are contained in the same source pulse emitted by the optical source 2 and that this same source pulse has a linear polarization. Thus, an intra-pulse frequency difference process is implemented.
  • the nonlinear crystal is a birefringent crystal, arranged so that its two proper axes, hereinafter called slow axis 31 and fast axis 32 are perpendicular to the optical alignment axis D of the device.
  • birefringent it is understood a material whose index depends on the polarization of a light wave propagating in the material.
  • proper axes of the birefringent crystal it is understood the two axes of polarization for which a wave polarized parallel to one or the other of the two axes retains its polarization when crossing the birefringent crystal.
  • a dual plate 41 can be placed transversely on the optical alignment axis of the generation device 1 between the optical source 2 and the nonlinear crystal 3 as illustrated in Figure 3.
  • the dual blade 41 is here made from one or a set of several birefringent materials, transparent to the wavelengths Ai and ⁇ 2, and has a predetermined thickness, so that it introduces an optical delay D1 configured for the first spectral component equal to (Ni+1/2)c Ai and an optical delay D2 configured for the second spectral component equal to N2X l2, where Ni and N2 are two positive integers.
  • Examples of birefringent materials for the dual blade 41 are calcite, quartz, yttrium vanadate, or even gadolinium.
  • the dual blade 41 is a multi-order blade, that is to say that the integers Ni and N2 are greater than or equal to 1.
  • the dual blade 41 has two proper axes 43, slow axis, and 44, axis fast, in a plane transverse to the optical alignment axis D of the generation 1 device.
  • FIG. 4 illustrates the optical delay profile in units of wavelengths introduced by a dual quartz plate with a thickness of 255 microns, as a function of the wavelength. It can be observed that a delay of 2.5 Ai is obtained for a wavelength Ai equal to 900 nm and that a delay of 2 ⁇ 2 is obtained for a wavelength ⁇ 2 equal to approximately 1110 nm. In this case, the integers Ni and N2 are both equal to 2. It follows that the polarization P A I of the first spectral component of wavelength Ai undergoes a rotation of 90 degrees when crossing the dual plate 41 and that the polarization R l 2 of the second spectral component of wavelength ⁇ 2 remains unchanged when crossing the dual blade 41.
  • the first spectral component and the second spectral component pass through the dual blade 41 and emerge therefrom in the direction of the nonlinear crystal 3 with mutually perpendicular polarizations until they penetrate into the nonlinear crystal 3.
  • the nonlinear crystal 3 generates pulses at an AMIR wavelength in the mid-infrared by a frequency difference generating process between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength ⁇ 2.
  • One of the first wavelength spectral component Ai and the second wavelength spectral component ⁇ 2 constitutes the pump beam of the frequency difference generation process, the other constitutes the signal beam (as named in the terminology of nonlinear optical phenomena).
  • the geometric adjustment of the dual plate 41 makes it possible to increase the yield of the process for generating the at least one pulse at the AMIR wavelength.
  • a delay blade 42 is located on the optical axis of alignment of the generation device 1 downstream of the nonlinear crystal 3, that is to say that the nonlinear crystal 3 is located between the optical source 2 and the delay plate 42.
  • the generation device 1 further comprises a first optical parametric amplifier 5 downstream of the delay plate 42, as illustrated in FIG. 5.
  • the first spectral component and the second spectral component contained in the source pulse emitted by the optical source 2 propagate towards the nonlinear crystal 3.
  • the nonlinear crystal 3 generates, for each pulse source emitted by the optical source, a pulse at an AMIR wavelength in the mid-infrared by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of length d wave l2.
  • the nonlinear crystal 3 is a birefringent crystal, arranged so that its two proper axes, hereinafter called slow axis 31 and fast axis 32 are transverse to the optical alignment axis. D of the device.
  • the delay plate 42 receives each pulse at the AMIR wavelength coming from the nonlinear crystal and transmits it in the direction of the first optical parametric amplifier 5.
  • the delay plate 42 also receives pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2 from an emerging component emanating either from the first spectral component of wavelength Ai, or the second spectral component of wavelength l2.
  • the delay plate 42 transmits this pump radiation towards the first optical parametric amplifier 5.
  • the pulse at the AMIR wavelength coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging from it have polarizations perpendicular to the optical axis of alignment of the generation device 1, one being an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3, the other being an extraordinary polarization with respect to the latter.
  • the retarding blade 42 is a birefringent blade whose material, thickness and cutting orientation are chosen to compensate for the group speed difference mentioned above.
  • the delay plate 42 introduces an optical delay making it possible to synchronize in the first optical parametric amplifier the pulse at the AMIR wavelength in the mid-infrared with the pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2.
  • the optical delay introduced by the delay plate 42 between the pulse at the wavelength AMIR coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging from the latter is equal to the opposite of the optical delay introduced by the crystal. nonlinear 3 between the pulse at the AMIR wavelength coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging therefrom.
  • the delay blade 42 can, for example, be a magnesium fluoride (MgF2) or langasite (LGS) blade, the cut of which does not allow a phase match to be satisfied.
  • the pump radiation at the first wavelength A1 or at the second wavelength l2 is used as the pump beam of the first optical parametric amplifier (in the terminology of optical parametric amplifiers), while the pulse at the AMIR wavelength is used as a signal beam.
  • the pump beam is deflected and the signal beam, i.e. the pulse at the AMIR wavelength, is amplified.
  • the delay plate 42 has a wide spectral transparency window allowing good transmission of the pulse at the AMIR wavelength and of the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 which will interact in the first parametric amplifier. optics 5.
  • the delay plate 42 can be formed from the same material as that of the first optical parametric amplifier 5, but on the condition that in the case of the delay plate 42, the material is cut so that no phase matching that is possible between the pulse at the wavelength AMIR and the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the delay plate 42.
  • a second embodiment can be obtained by combining the first embodiment with the use of a dual blade 41 as previously described.
  • the generation device 1 is aligned along the optical alignment axis D due to the collinearity of the different pulses and radiation emitted, either in the nonlinear crystal 3, or in the retarding plate 42 or in the dual plate 41.
  • colinearity it must be understood a spatial superposition of the different beams.
  • a user positions the optical source 2 on an optical table or any other support.
  • the user then positions the nonlinear crystal 3 so that its two proper axes, slow axis 31 and fast axis 32, are perpendicular to the optical alignment axis D of the device.
  • the user switches on the optical source 2, which then emits a succession of laser source pulses between 0.4 and 2.5 microns, preferably between 0.7 and 2.5 microns.
  • the source pulse beam is polarized, for example linearly, with Ps polarization. It is considered that the frequency difference process takes place between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength of wave l2 in the nonlinear crystal 3.
  • the frequency difference will be generated by interaction between a first light portion polarized according to an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3, and a second portion light polarized according to an extraordinary polarization vis-à-vis the nonlinear crystal 3.
  • all the spectral components of the spectrum of each source pulse are distributed equitably between on the one hand the p ordinary polarization and on the other hand the extraordinary polarization.
  • the dual blade 41 is a birefringent blade.
  • the user positions the dual blade 41 between the optical source 2 and the nonlinear crystal 3.
  • the user adjusts either the optical source 2, or the angular orientation of the dual blade 41 around the optical axis of alignment of the generating device 1, so that the direction of the linear polarization Ps of the source pulse beam forms an angle of 45 degrees with the proper axes 43 and 44 of the dual plate 41.
  • the PKI polarization of the second spectral component of wavelength K2 is not impacted when it passes through the dual blade 41, as explained above.
  • the polarization P A I of the first spectral component of wavelength li being oriented at 45 degrees from one of the proper axes of the dual plate 41, undergoes a rotation of 90 degrees with respect to its position d origin by the effect of the optical delay R1 (ie the half-wave plate effect of the dual plate on the first spectral component).
  • the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength K2 have mutually orthogonal polarizations.
  • the dual plate 41 has the effect of separating in polarization the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength K2.
  • FIG. 7 illustrates the different spectral densities S s , S e , and S 0 corresponding respectively to the source pulse in the near infrared emitted by the source 2, to the part of the spectral density S s polarized according to a polarization extraordinary with respect to the nonlinear crystal 3, and to the part of the spectral density S s polarized according to an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3.
  • the user then adjusts the orientation of the nonlinear crystal 3 in its plane in order to optimize an average power of the pulses at the AMIR wavelength measured downstream of a plate, for example made of germanium, filtering the radiation corresponding to the source pulses and positioned downstream of the nonlinear crystal 3. This is the phase matching adjustment.
  • the phase matching adjustment is selective for a pair of wavelengths (Ai, K2).
  • the first spectral component at wavelength Ai and the second spectral component at wavelength ⁇ 2 are the components which will interact in the nonlinear crystal 3 in the frequency difference generation process.
  • the user In the case where the nonlinear crystal 3 is a birefringent crystal, the user must orient the nonlinear crystal 3 so that its own axes 31 and 32 are aligned with the directions of the polarizations P A I and R l 2.
  • the optimal configuration can be obtained when the PMIR polarization of the pulse at the AMIR wavelength generated in the nonlinear crystal 3 is aligned with the proper axis 31, corresponding to the polarization direction R l 2, thereof.
  • a second optimal configuration could be obtained when the PMIR polarization of the pulse at the AMIR wavelength generated in the nonlinear crystal 3 is aligned with the other proper axis 32, corresponding to the direction of polarization PM , of the latter. this.
  • a fiber amplifier doped with Ytterbium as illustrated above a dual blade 41 in quartz with a thickness of 255 microns and an LGS crystal with a thickness of 1 mm, and an average incident power on the LGS crystal of about 20 W, an average power in the mid-infrared Ml R, with a central AMIR wavelength of 7.7 microns, of 22.5 mW is measured.
  • the estimate of the average power of the pulses at the AMIR wavelength just at the output of the nonlinear crystal 3 is approximately 32 mW .
  • the efficiency of the intra-pulse frequency difference generation process obtained, defined by the ratio of the average power in the mid-infrared and the average power incident on the nonlinear crystal 3 is therefore approximately 0.25%.
  • the MIR power measured after the germanium plate is 9 mW and about 13.6 mW just at the output of the nonlinear crystal 3 taking into account the losses mentioned above.
  • the efficiency of the intra-pulse frequency difference generation process is in this case 0.09%.
  • the use of the dual blade 41 makes it possible to increase by a factor of at least 2.5 the efficiency of an intra-pulse frequency difference generation device of the state of the art.
  • Table 1 presents the results obtained with the previous device 1 and different thickness values of the LGS crystal:
  • Table 2 presents the yields obtained with the previous device 1 for thicknesses of 1 mm and 3 mm:
  • the delay plate 42 is arranged geometrically to make it possible to amplify the at least one pulse to the length of AMIR wave generated by the nonlinear crystal 3.
  • the frequency difference process takes place between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2 in the nonlinear crystal 3
  • the difference of frequency is generated by interaction between a first luminous portion polarized according to an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3, and a second luminous portion polarized according to an extraordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3.
  • the user positions the optical source 2 on an optical table or any other support.
  • the user positions the nonlinear crystal 3 so that its two proper axes, slow axis 31 and fast axis 32, are perpendicular to the optical alignment axis D of the device.
  • the user switches on the optical source 2, which then emits a succession of source pulses in the near infrared.
  • the source pulse beam is polarized, for example linearly, of Ps polarization.
  • the user adjusts either the optical source 2, or the angular orientation around the optical alignment axis D of the generation device 1 of the nonlinear crystal 3, so that the direction of the linear polarization of the beam of source pulses forms an angle of 45 degrees with the proper axes of the nonlinear crystal 3.
  • all the spectral components of the spectrum of each source pulse are distributed equitably between on the one hand the ordinary polarization and on the other hand extraordinary polarization.
  • the first spectral component of wavelength Ai has two portions Pu and P12 respectively polarized according to an ordinary polarization of the nonlinear crystal 3 and according to an extraordinary polarization of the nonlinear crystal 3.
  • the second spectral component of wavelength ⁇ 2 has two portions P21 and P22 respectively polarized according to an ordinary polarization of the nonlinear crystal 3 and according to an extraordinary polarization of the nonlinear crystal 3.
  • the pulse at wavelength AMIR has PMIR polarization orthogonal to the polarization of either the emergent radiation at wavelength Ai or the emergent radiation at wavelength l2.
  • the PMIR polarization is orthogonal to the PAI polarization of the radiation of wavelength Ai.
  • the radiation of wavelength Ai is thus the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 mentioned above.
  • the principle of amplification of the at least one pulse at the AMIR wavelength generated by the nonlinear crystal 3 is illustrated in Figure 9.
  • the nonlinear crystal 3 can introduce a group difference between the pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 (here the radiation of wavelength Ai), which are desynchronized after emerging from the nonlinear crystal 3.
  • the user positions the first optical parametric amplifier 5 downstream of the nonlinear crystal 3 on the optical alignment axis D of the generation device 1.
  • the pulse at the AMIR wavelength constitutes the "signal" beam. » of the optical parametric amplifier and will be amplified by nonlinear interaction with the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the first parametric amplifier optics 5.
  • the user positions the retarding plate 42 so that its plane is perpendicular to the optical alignment axis of the device D.
  • the retarding blade 42 is a birefringent blade whose material, thickness and cutting orientation are chosen to compensate for the group speed difference introduced by the nonlinear crystal 3, the user adjusts the angular orientation of the delay plate 42 in its plane so as to optimize the output power of the first optical parametric amplifier.
  • the pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerge from the nonlinear crystal. 3 are synchronized at the output of the delay plate 42 as shown in Figure 9.
  • the pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 interact optimally in the first optical parametric amplifier 5, so that there emerges from the latter an output pulse at the amplified AMIR wavelength.
  • the first optical parametric amplifier thus makes it possible to increase the power by a factor >1, typically by a factor between 1.5 and 10, of the pulse at the AMIR wavelength initially generated by the nonlinear crystal 3.
  • the generation efficiency of a pulse at the AMIR wavelength generated by the nonlinear crystal 3 can be increased by combining the uses of the embodiments of the generation device 1 with the dual blade 41 and with the blade retarder 42. The user first proceeds to the adjustment previously described with the dual blade 41, then to the adjustment previously described with the retarder blade 42.
  • the invention advantageously makes it possible to increase the efficiency of a device for generating pulses in the mid-infrared via an optical parametric amplification process by the use of at least one blade introducing an optical delay .
  • the “all aligned” configuration of the device according to the invention facilitates its use and alignment.
  • the dual blade 41 may have a variable thickness: it may consist of two prisms at right angles 411 and 412 in contact and formed in the same birefringent material and together constituting a resulting birefringent blade.
  • the dual blade 41 corresponds to this resulting birefringent blade.
  • the thickness e of the dual blade 41 By translating one or the other of the prisms by a length s perpendicular to the optical axis of alignment D of the generation device 1 and perpendicular to the edge of the prisms, it is possible to vary the thickness e of the dual blade 41 and to modify the order of the blade (integers Ni and N2), as illustrated in FIG. 10.
  • the optical delay profile introduced by the dual blade as a function of the wavelength is then modified.
  • the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component ⁇ 2 for which the optical delay D1 is equal to (Ni+1/2)c Ai and the optical delay D2 is equal to N2X ⁇ 2 can be adjusted .
  • the generating device is therefore tunable and the AMIR wavelength can be adjusted.
  • the spectral width of the pulse at the AMIR wavelength can also be adjusted. Indeed, the greater the thickness of the dual blade 41, the more the dual blade is chromatic. This results in an increase in the slope of the curve representing the optical delay introduced by the dual plate 41 as a function of the wavelength illustrated for example in FIG. 4. In other words, the spectral components contained in the source pulse participating in the frequency difference generation process are reduced. The spectral width of the pulse at the AMIR wavelength is changed accordingly.
  • the dual blade 41 has a variable thickness makes it possible to vary, by adjusting the thickness, the pair of wavelengths (Ai, l2) for which the dual blade 41 respectively introduces the delay optical D1 and the optical delay D2. This allows the generated AMIR wavelength to be modified and tuned, possibly readjusting the orientation of the nonlinear crystal 3 to adjust the phase tuning.
  • the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 corresponds to the pump beam of the frequency difference generation process (that is to say one of the first component spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2)
  • several optical parametric amplifiers can be cascaded downstream of the first optical parametric amplifier 5 in order to successively amplify the pulse to the length of AMIR wave until the photons of the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 are exhausted. The conversion efficiency is thus improved.
  • the PMIR polarization is orthogonal to the polarization P A I of the radiation of wavelength Ai.
  • the radiation of wavelength Ai is thus the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3.
  • the frequency difference generation process that takes place in the nonlinear crystal 2 depletes the radiation at the wavelength Ai , amplifies the radiation at the K2 wavelength , and generates the radiation at the AMIR wavelength.
  • the radiation at the wavelength Ai and the radiation at the wavelength AMIR are not synchronized due to the group speed difference introduced by the nonlinear crystal 3.
  • the blade retarder 42 makes it possible to resynchronize the radiation at the wavelength Ai and the radiation at the wavelength AMIR.
  • the pulse at the AMIR wavelength constitutes the "signal" beam of the first optical parametric amplifier 5 and will be amplified by a factor K 5 by nonlinear interaction with the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the first optical parametric amplifier 5, while the pump radiation emerges from the nonlinear crystal 3, i.e., the radiation at the wavelength Ai is again deflected, as shown in Fig. 11.
  • This process of radiation amplification at the AMIR wavelength and radiation depletion at the Ai wavelength can be repeated by adding several optical parametric amplifiers in cascade, until the power of the radiation at the wavelength Ai becomes zero. Upstream of each additional optical parametric amplifier, a resynchronization of the radiation at the wavelength Ai and of the radiation at the AMIR wavelength is carried out by the use of a complementary delay plate such as the delay plate 42.
  • a complementary delay plate such as the delay plate 42.
  • a third variant corresponds to the case where the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 corresponds to the signal beam of the frequency difference generation process, that is to say, the radiation at the wavelength l 2.
  • the principle is identical to the second variant previously described.
  • Figure 12 illustrates this variant.
  • the radiation at the wavelength l 2 and the radiation at the AMIR wavelength are not synchronized due to the group speed difference introduced by the nonlinear crystal 3.
  • the delay plate 42 makes it possible to resynchronize the radiation at the wavelength l 2 and the radiation at the AMIR wavelength.
  • the pulse at the AMIR wavelength constitutes the "signal" beam of the first optical parametric amplifier 5 and will be amplified by a factor K 5 by nonlinear interaction with the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the first optical parametric amplifier 5, while the pump radiation emerges from the nonlinear crystal 3, i.e., the radiation at the wavelength l 2 is again deflected, as shown in Fig. 11 .
  • This process of amplification of the radiation at the AMIR wavelength and of depletion of the radiation at the wavelength l 2 can be repeated by adding several optical parametric amplifiers in cascade, until the power of the radiation at the wavelength l 2 becomes zero. Upstream of each parametric amplifier additional optics, a resynchronization of the radiation at the wavelength K2 and of the radiation at the AMIR wavelength is carried out by the use of an additional delay plate such as the delay plate 42.
  • an additional delay plate such as the delay plate 42.
  • a fourth variant, illustrated in FIG. 13, uses a cascade of optical parametric amplifiers aligned downstream of the first optical parametric amplifier 5.
  • Each nonlinear interaction taking place in an optical parametric amplifier Ai, i being an integer greater than or equal to 1, amplifies the radiation at the AMIR wavelength and generates so-called “idler” radiation at the wavelength Awi erj lower than the AMIR wavelength.
  • the variant consists, downstream of the optical parametric amplifier 5, in resynchronizing the radiation at the AMIR wavelength with the radiation at the Awi erj wavelength with a complementary delay plate 42i such as the delay plate 42, where i is an integer greater than or equal to 1.
  • the radiation at the wavelength Ai dierj constitutes the pump radiation of the optical parametric amplifier Ai+1 and will interact with the radiation at the wavelength AMIR in it, amplifying the radiation at the AMIR wavelength by a factor KAI and generating “idler” radiation at the wavelength Awi erj+i lower than the AMIR wavelength.
  • the “idler” radiation at the wavelength Awi erj+i serves as pump radiation for the optical parametric amplifier Ai+2.
  • this cascade of optical parametric amplifiers also makes it possible to increase the efficiency of the process for generating radiation at the AMIR wavelength.
  • a focusing element such as a lens positioned between the delay blade 42 and the first optical parametric amplifier 5.
  • the light intensity is then increased in the first optical parametric amplifier 5, and hence the interaction gain between the AMIR wavelength pulse and the pump radiation emerges.
  • the AMIR wavelength pulse emerges from the first optical amplifier 5 with increased power.
  • the focusing element can introduce an additional group speed difference between the pulse at the AMIR wavelength and the emergent pump radiation.
  • the thickness or material of the retarder blade 42 can then be adjusted to compensate for this additional group difference so as to optimize the synchronization of the pulse at the AMIR wavelength and the emerging pump radiation in the first parametric optical amplifier 5.
  • the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2 are contained in two source pulses emitted by the optical source 2 but distinct.
  • This variant is therefore configured to implement an inter-pulse frequency difference process.
  • the optical source 2 can be an optical parametric amplifier generating two emergent pulses at wavelengths Ai and l2 respectively. The two emerging pulses are arranged to propagate collinearly, have identical polarization and be temporally superimposed.

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Abstract

The invention relates to a device (1) for generating at least one pulse in the mid-infrared, comprising an optical source (2) that emits at least one source pulse having a first spectral component of wavelength λ1 and a second spectral component of wavelength λ2, a non-linear crystal (3) configured to generate said at least one pulse at a wavelength λMIR in the mid-infrared via a difference-frequency-generation process, and a first optical parametric amplifier (5). According to the invention, the generating device (1) comprises at least one retarder (42) placed between the non-linear crystal (3) and the first optical parametric amplifier (5), the retarder (42) generating an optical delay suitable for synchronizing in the first optical parametric amplifier (5) said at least one pulse of wavelength λMIR with pump radiation at the first wavelength λ1 or at the second wavelength λ2.

Description

DISPOSITIF DE GÉNÉRATION D’IMPULSIONS DANS LE MOYEN INFRAROUGE ET PROCÉDÉ DE MID-INFRARED PULSE GENERATION DEVICE AND METHOD FOR
GÉNÉRATION ASSOCIEASSOCIATED GENERATION
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0001] La présente invention concerne de manière générale la génération de rayonnement dans le moyen infrarouge. The present invention relates generally to the generation of radiation in the mid-infrared.
[0002] Elle concerne plus particulièrement un dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge et un procédé de génération associé. [0002] It relates more particularly to a device for generating pulses in the mid-infrared and to an associated generation method.
[0003] L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la détection moléculaire à des fins médicales, environnementales, ou scientifiques, mais aussi de la spectroscopie résolue en temps et de la physique des champs forts. The invention finds a particularly advantageous application in the field of molecular detection for medical, environmental or scientific purposes, but also in time-resolved spectroscopy and strong field physics.
ETAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
[0004] Le moyen infrarouge (MIR, entre 2.5 et 50 microns) et la gamme multi-Térahertz (entre 50 microns et 300 microns) sont des gammes du spectre électromagnétique ayant un fort intérêt scientifique et industriel. On distingue notamment ces gammes du spectre électromagnétique de celle du proche infrarouge (NIR, entre 0.7 et 2.5 microns). [0004] The middle infrared (MIR, between 2.5 and 50 microns) and the multi-terahertz range (between 50 microns and 300 microns) are ranges of the electromagnetic spectrum with strong scientific and industrial interest. In particular, these ranges of the electromagnetic spectrum are distinguished from that of the near infrared (NIR, between 0.7 and 2.5 microns).
[0005] Actuellement, à défaut de systèmes lasers émettant des impulsions courtes directement aux longueurs d’onde MIR d’intérêt, la plupart des techniques de génération de rayonnement MIR reposent sur un processus optique non-linéaire dit de génération de différence de fréquence exploité de différentes manières. On distingue essentiellement une méthode dite de différence de fréquence inter-impulsions et une méthode dite de différence de fréquence intra-impulsion (iDFG). Currently, in the absence of laser systems emitting short pulses directly at the MIR wavelengths of interest, most MIR radiation generation techniques are based on a non-linear optical process called frequency difference generation exploited in different ways. A distinction is essentially made between a so-called inter-pulse frequency difference method and a so-called intra-pulse frequency difference (iDFG) method.
[0006] Le processus de génération de différence de fréquence est un processus non linéaire par lequel deux ondes d’entrée aux fréquences optiques centrales respectives V2 et vi interagissent entre elles dans un milieu optique non linéaire, tel qu’un cristal optique non linéaire 30 (par la suite dénommé cristal non linéaire), et génèrent une troisième onde dont la fréquence optique V3 est égale à la différence des fréquences des deux ondes d’entrée. Ce processus est représenté schématiquement sur la figure 1. The frequency difference generation process is a nonlinear process by which two input waves at the respective central optical frequencies V2 and vi interact with each other in a nonlinear optical medium, such as a nonlinear optical crystal 30 (hereinafter called nonlinear crystal), and generate a third wave whose optical frequency V3 is equal to the difference in the frequencies of the two input waves. This process is shown schematically in Figure 1.
[0007] Avec la méthode dite de différence de fréquence inter-impulsions, le processus de fréquence est réalisé à l’aide de deux impulsions sources distinctes, issues ou non de la même source laser, émises à des longueurs d’onde différentes. La longueur d’onde l d’un rayonnement électromagnétique est liée à sa fréquence optique v par la relation suivante : v=c/A, où c représente la vitesse de la lumière dans le vide. Les longueurs d’onde des deux impulsions sources distinctes sont choisies pour que la différence de fréquence optique entre leurs fréquences optiques respectives soit égale à une fréquence optique dont la longueur d’onde correspondant au rayonnement MIR désiré. [0008] Avec la méthode dite de différence de fréquence intra-impulsion, une impulsion source courte unique est utilisée. Une telle impulsion de durée choisie peut présenter un spectre permettant d’accéder à une fréquence optique désirée dans le Ml R. Dans ce cas, il est possible de générer une différence de fréquence entre deux longueurs d’ondes distinctes du spectre de l’impulsion unique, et ainsi une impulsion ultracourte dans le MIR à la fréquence optique désirée. [0007] With the so-called inter-pulse frequency difference method, the frequency process is carried out using two distinct source pulses, whether or not coming from the same laser source, emitted at different wavelengths. The wavelength l of electromagnetic radiation is linked to its optical frequency v by the following relationship: v=c/A, where c represents the speed of light in vacuum. The wavelengths of the two distinct source pulses are chosen so that the optical frequency difference between their respective optical frequencies is equal to an optical frequency whose wavelength corresponds to the desired MIR radiation. [0008] With the so-called intra-pulse frequency difference method, a single short source pulse is used. Such a pulse of chosen duration can have a spectrum allowing access to a desired optical frequency in the Ml R. In this case, it is possible to generate a frequency difference between two distinct wavelengths of the spectrum of the pulse. single, and thus an ultrashort pulse in the MIR at the desired optical frequency.
[0009] Les deux méthodes décrites ci-dessus ont en particulier l’inconvénient soit de présenter un rendement de conversion de la ou des impulsions sources vers l’impulsion MIR faible, soit de requérir des dispositifs de réalisation complexes en structure et en utilisation. [0009] The two methods described above have in particular the drawback either of having a low efficiency of conversion of the source pulse(s) to the MIR pulse, or of requiring production devices that are complex in structure and in use.
PRÉSENTATION DE L'INVENTION PRESENTATION OF THE INVENTION
[0010] Dans ce contexte, la présente invention propose un dispositif de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen, comprenant : In this context, the present invention proposes a device for generating at least one pulse in the mid-infrared, comprising:
- une source optique configurée pour émettre au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde Ai et une seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 situées dans une gamme spectrale inférieure au moyen infrarouge, - an optical source configured to emit at least one source pulse, the at least one source pulse having a first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength Â2 located in a spectral range below mid-infrared ,
- un cristal non linéaire configuré pour générer ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2, - a nonlinear crystal configured to generate said at least one pulse at an AMIR wavelength in the mid-infrared from the at least one source pulse by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of length of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2,
- un premier amplificateur paramétrique optique, où : - a first optical parametric amplifier, where:
- le dispositif de génération comprend au moins une lame retardatrice présentant un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen et l’une parmi la première longueur d’onde Ai et la seconde longueur d’onde l2, - the generation device comprises at least one delay plate having an optical delay configured for two useful wavelengths, the two useful wavelengths being the AMIR wavelength in the mid-infrared and one of the first wavelength Ai and the second wavelength l2,
- le dispositif de génération est un dispositif aligné le long d’un axe optique d’alignement,- the generating device is a device aligned along an optical alignment axis,
- la lame retardatrice est placée entre le cristal non linéaire et le premier amplificateur paramétrique optique, - the delay blade is placed between the nonlinear crystal and the first optical parametric amplifier,
- la lame retardatrice est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion de longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen en provenance du cristal non linéaire et la transmettre en direction du premier amplificateur paramétrique optique, - the delay blade is configured to receive said at least one AMIR wavelength pulse in the mid-infrared from the nonlinear crystal and transmit it in the direction of the first optical parametric amplifier,
- la lame retardatrice est configurée pour recevoir un rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2, et pour transmettre le rayonnement de pompe en direction du premier amplificateur paramétrique optique, - the delay plate is configured to receive pump radiation emerging from the nonlinear crystal at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2, and to transmit the pump radiation towards the first optical parametric amplifier,
- le retard optique de la lame retardatrice est adapté pour synchroniser dans le premier amplificateur paramétrique optique ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen avec ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2. - the optical delay of the delay plate is adapted to synchronize in the first optical parametric amplifier said at least one pulse at the AMIR wavelength in the mid-infrared with said pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2.
[0011] Ainsi, l’invention permet avantageusement d’augmenter le rendement d’un dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge via un processus d’amplification paramétrique optique par l’utilisation d’au moins une lame introduisant un retard optique. Aussi, la configuration « tout aligné » du dispositif selon l’invention en facilite l’utilisation et l’alignement. Thus, the invention advantageously makes it possible to increase the efficiency of a device for generating pulses in the mid-infrared via an optical parametric amplification process by the use of at least one blade introducing an optical delay . Also, the “all aligned” configuration of the device according to the invention facilitates its use and alignment.
[0012] D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif de génération conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : Other advantageous and non-limiting characteristics of the generation device according to the invention, taken individually or in all technically possible combinations, are as follows:
- la lame retardatrice est une lame biréfringente ; - the retarding blade is a birefringent blade;
- le matériau de la lame retardatrice biréfringente et sa coupe sont choisis pour introduire une différence de vitesses de groupe entre ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR et ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2, ladite différence de vitesses de groupe étant égale à l’opposée d’une différence de vitesses de groupe, en sortie du cristal non linéaire, entre ledit rayonnement de pompe et ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR ; - the material of the birefringent retarding plate and its cut are chosen to introduce a difference in group velocities between said at least one pulse at the AMIR wavelength and said pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2, said difference in group velocities being equal to the opposite of a difference in group velocities, at the output of the nonlinear crystal, between said pump radiation and said at least one pulse at length d AMIR wave;
- le dispositif de génération comprend en outre un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques supplémentaires positionnés en cascade et en aval du premier amplificateur paramétrique optique et comprenant une autre lame retardatrice en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire; cela permet d’améliorer davantage le rendement du processus de génération de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR ; - the generation device further comprises one or more additional optical parametric amplifiers positioned in cascade and downstream of the first optical parametric amplifier and comprising another delay blade upstream of each additional optical parametric amplifier; this further improves the efficiency of the pulse generation process at the AMIR wavelength;
- le dispositif de génération comprend en outre une lame duale ; - the generation device further comprises a dual blade;
- la lame duale présente un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la première longueur d’onde Ai et la seconde longueur d’onde l2 ; - the dual plate has an optical delay configured for two useful wavelengths, the two useful wavelengths being the first wavelength Ai and the second wavelength l2;
- la lame duale est placée entre la source optique et le cristal non linéaire ; - the dual blade is placed between the optical source and the nonlinear crystal;
- la lame duale est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion source et la transmettre en direction du cristal non linéaire ; - the dual plate is configured to receive said at least one source pulse and transmit it in the direction of the nonlinear crystal;
- le retard optique de la lame duale configuré pour la première longueur d’onde Ai est égal à (Ni+1/2)x Ai et le retard optique de la lame duale configuré pour la seconde longueur d’onde l2 est égal à I hx l2, avec Ni et N2 deux entiers positifs ; - la lame duale présente une épaisseur fixe ; - the optical delay of the dual plate configured for the first wavelength Ai is equal to (Ni+1/2)x Ai and the optical delay of the dual plate configured for the second wavelength l2 is equal to I hx l2, with Ni and N2 two positive integers; - the dual blade has a fixed thickness;
- la lame duale est constituée d’une paire de prismes droits aptes à se déplacer en translation l’un par rapport à l’autre, de sorte que l’épaisseur de la lame duale soit variable ; cela permet d’ajuster la longueur d’onde AMIR ainsi que la largeur spectrale de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR. ; - the dual blade consists of a pair of straight prisms able to move in translation relative to each other, so that the thickness of the dual blade is variable; this adjusts the AMIR wavelength as well as the spectral width of the pulse at the AMIR wavelength. ;
- la lame duale est une lame biréfringente ; - the dual blade is a birefringent blade;
- la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 sont superposées spatialement ; - the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2 are spatially superimposed;
- la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 sont séparées spatialement et disjointes spectralement. [0013] L’invention concerne également un procédé de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen AMIR mis en œuvre par un dispositif de génération conforme à l’invention, comprenant les étapes suivantes : - the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2 are spatially separated and spectrally disjoint. The invention also relates to a method for generating at least one pulse in the mid-infrared AMIR implemented by a generation device according to the invention, comprising the following steps:
- émission par une source optique d’au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde Ai et une seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 situées dans le proche infrarouge, - emission by an optical source of at least one source pulse, the at least one source pulse having a first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength l2 located in the near infrared,
- réception de la au moins une impulsion source par un cristal non linéaire, - reception of the at least one source pulse by a nonlinear crystal,
- génération par ledit cristal non linéaire de ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde AMIR à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2, - generation by said nonlinear crystal of said at least one pulse at an AMIR wavelength from the at least one source pulse by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2,
- rotation de la lame retardatrice dans son plan, et optionnellement, rotations de la lame retardatrice dans des directions perpendiculaires à l’axe optique d’alignement du dispositif de génération. - rotation of the retarder blade in its plane, and optionally, rotations of the retarder blade in directions perpendicular to the optical axis of alignment of the generating device.
[0014] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Of course, the different characteristics, variants and embodiments of the invention can be associated with each other in various combinations insofar as they are not incompatible or exclusive of each other.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0015] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. The following description with reference to the accompanying drawings, given by way of non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.
[0016] Sur les dessins annexés : [0016] In the accompanying drawings:
[0017] La figure 1 illustre schématiquement le principe du processus de génération de différence de fréquences ; [0018] La figure 2 est une vue schématique du dispositif de génération d’au moins une impulsion dans le moyen infrarouge selon l’invention ; Figure 1 schematically illustrates the principle of the frequency difference generation process; Figure 2 is a schematic view of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the invention;
[0019] La figure 3 est une vue schématique d’un exemple du dispositif de génération d’au moins une impulsion dans le moyen infrarouge selon la présente divulgation ; Figure 3 is a schematic view of an example of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the present disclosure;
[0020] La figure 4 représente un exemple de la dépendance en longueur d’onde du retard optique introduit par une lame duale selon la présente divulgation ; Figure 4 shows an example of the wavelength dependence of the optical delay introduced by a dual plate according to the present disclosure;
[0021] La figure 5 est une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif de génération d’au moins une impulsion dans le moyen infrarouge selon l’invention ; Figure 5 is a schematic view of an embodiment of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the invention;
[0022] La figure 6 représente schématiquement le principe de réglage du dispositif de génération d’au moins une impulsion dans le moyen infrarouge dans l'exemple de la figure 3 ; FIG. 6 schematically represents the principle of adjustment of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared in the example of FIG. 3;
[0023] La figure 7 représente les projections des composantes spectrales de la densité spectrale de la source du dispositif de génération d’au moins une impulsion dans le moyen infrarouge suivant les axes propres du cristal non linéaire du dispositif de génération d’au moins une impulsion dans le moyen infrarouge ; [0023] FIG. 7 represents the projections of the spectral components of the spectral density of the source of the device for generating at least one pulse in the mid-infrared along the specific axes of the nonlinear crystal of the device for generating at least one mid-infrared pulse;
[0024] La figure 8 est un exemple de courbe de densité spectrale d’une impulsion dans le moyen infrarouge générée par le dispositif de génération selon la présente divulgation ; [0025] La figure 9 représente schématiquement le principe d’amplification d’une impulsion dans le moyen infrarouge dans le mode de réalisation de la figure 5 ; Figure 8 is an example of a spectral density curve of a pulse in the mid-infrared generated by the generation device according to the present disclosure; FIG. 9 schematically represents the principle of amplification of a pulse in the mid-infrared in the embodiment of FIG. 5;
[0026] La figure 10 représente une variante de lame duale selon l’invention ; Figure 10 shows a dual blade variant according to the invention;
[0027] La figure 11 illustre une deuxième variante comprenant un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques en cascade et une lame retardatrice complémentaire en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire ; Figure 11 illustrates a second variant comprising one or more optical parametric amplifiers in cascade and a complementary delay plate upstream of each additional optical parametric amplifier;
[0028] La figure 12 illustre une troisième variante comprenant un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques en cascade et une lame retardatrice complémentaire en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire ; Figure 12 illustrates a third variant comprising one or more optical parametric amplifiers in cascade and a complementary delay blade upstream of each additional optical parametric amplifier;
[0029] La figure 13 illustre une quatrième variante comprenant un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques en cascade et une lame retardatrice complémentaire en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire. Figure 13 illustrates a fourth variant comprising one or more cascaded optical parametric amplifiers and a complementary delay plate upstream of each additional optical parametric amplifier.
Dispositif Device
[0030] La figure 2 illustre schématiquement le dispositif de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen 1 selon l’invention. Le dispositif 1 de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen selon l’invention comprend une source optique 2, un cristal optique non linéaire 3, et une lame retardatrice 42. Par la suite, le cristal optique non linéaire 3 sera désigné par « cristal non linéaire 3 ». La source optique 2, le cristal non linéaire 3 et la lame 42 sont alignés selon un axe optique d’alignement D. La source optique 2 est placée en amont de l’axe d’alignement D. Le cristal non linéaire 3 est placé en aval de la source optique 2 et la lame retardatrice 42 est placée en aval du cristal non linéaire 3. Figure 2 schematically illustrates the device for generating at least one pulse in the mid-infrared 1 according to the invention. The device 1 for generating at least one pulse in the mid-infrared according to the invention comprises an optical source 2, a nonlinear optical crystal 3, and a delay plate 42. Subsequently, the nonlinear optical crystal 3 will be referred to as “nonlinear crystal 3”. The optical source 2, the nonlinear crystal 3 and the blade 42 are aligned along an optical alignment axis D. The optical source 2 is placed upstream of the alignment axis D. The nonlinear crystal 3 is placed downstream of the optical source 2 and the delay plate 42 is placed downstream of the nonlinear crystal 3.
[0031] La source optique émet au moins une impulsion source de longueur d’onde comprise entre 0.4 microns et 2.5 microns, de préférence entre 0.7 microns et 2.5 microns, comprenant une première composante spectrale de longueur d’onde li et une seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2. Par exemple, la source peut être un amplificateur à fibre dopée à l’Ytterbium délivrant des impulsions source à une longueur d’onde centrale de 1030 nm, de durée inférieure à 13 f s , d’énergie 160 microjoules et à une fréquence de répétition de 250 kHz, qui sont les caractéristiques spécifiques du produit Tangerine couplé à un module de compression temporelle Compress-50 de la société Amplitude. Dans cet exemple, la longueur d’onde li est égale à 900 nm et la longueur d’onde Â2 est égale à 1120 nm. The optical source emits at least one source pulse with a wavelength of between 0.4 microns and 2.5 microns, preferably between 0.7 microns and 2.5 microns, comprising a first spectral component of wavelength li and a second spectral component of wavelength Â2. For example, the source may be a fiber amplifier doped with Ytterbium delivering source pulses at a central wavelength of 1030 nm, with a duration of less than 13 f s , an energy of 160 microjoules and a repetition frequency of 250 kHz, which are the specific characteristics of the Tangerine product coupled with a Compress-50 time compression module from Amplitude. In this example, the wavelength li is equal to 900 nm and the wavelength Â2 is equal to 1120 nm.
[0032] Pour générer une composante spectrale dans le MIR proche, en éloignant spectralement les composantes spectrales li et Â2, le spectre de la source optique 2 peut être élargi en réalisant une compression temporelle des impulsions source. [0032] To generate a spectral component in the near MIR, by spectrally distancing the spectral components li and λ2, the spectrum of the optical source 2 can be widened by performing a temporal compression of the source pulses.
[0033] Par exemple, l’amplificateur à fibre dopée à l’Ytterbium précédemment évoqué peut être couplé à un dispositif de compression non linéaire d’impulsions à deux étages. Les impulsions source sont envoyées vers un premier étage de compression non linéaire comprenant un tube capillaire de longueur 1 m et rempli avec du Xénon à une pression de 2,5 bar. A la sortie du tube capillaire, le faisceau d’impulsions est par exemple collimaté et envoyé vers une paire de miroirs dispersifs introduisant une dispersion du retard de groupe (« group delay dispersion » en anglais) de -1600 fs2. Le retard de groupe (« group delay» en anglais) est défini par la dérivée de la phase spectrale, c’est-à-dire la phase du champ électrique dans le domaine fréquentiel, par rapport à la fréquence angulaire. La dispersion du retard de groupe est définie par la dérivée du retard de groupe par rapport à la fréquence angulaire. Les impulsions intermédiaires émergeant des miroirs dispersifs présentent alors chacune une durée de 30 fs. For example, the previously mentioned Ytterbium-doped fiber amplifier can be coupled to a two-stage nonlinear pulse compression device. The source pulses are sent to a first nonlinear compression stage comprising a capillary tube 1 m long and filled with Xenon at a pressure of 2.5 bar. At the outlet of the capillary tube, the pulse beam is for example collimated and sent to a pair of dispersive mirrors introducing a group delay dispersion of −1600 fs 2 . The group delay is defined by the derivative of the spectral phase, that is to say the phase of the electric field in the frequency domain, with respect to the angular frequency. The dispersion of the group delay is defined by the derivative of the group delay with respect to the angular frequency. The intermediate pulses emerging from the dispersive mirrors then each have a duration of 30 fs.
[0034] En option, les impulsions intermédiaires sont envoyées par la suite vers un second étage de compression non linéaire composé par exemple d’une pluralité de lames de silice d’épaisseur 1mm orientées selon l’angle de Brewster permettant une compression multi- lames (MPC). Le faisceau des impulsions issues du second étage et collimaté et envoyé vers une paire de miroirs dispersifs introduisant une dispersion de retard de groupe de - 300fs2. Des éléments supplémentaires tels que des lames de fluorure de calcium peuvent être ajoutés au second étage. En sortie d’un tel dispositif de compression non linéaire d’impulsions à deux étages, les impulsions source issues de l’amplificateur à fibre dopée à l’Ytterbium présentent une durée de 12.9 fs. [0034] As an option, the intermediate pulses are then sent to a second non-linear compression stage composed for example of a plurality of 1 mm thick silica blades oriented according to the Brewster angle allowing multi-blade compression (MPC). The beam of pulses from the second stage is collimated and sent to a pair of dispersive mirrors introducing a group delay dispersion of -300fs 2 . Additional items such as calcium fluoride slides can be added to the second stage. At the output of such a two-stage nonlinear pulse compression device, the source pulses coming from the Ytterbium-doped fiber amplifier have a duration of 12.9 fs.
[0035] Le cristal non linéaire 3 est configuré pour générer au moins une impulsion à une longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde Aå. The nonlinear crystal 3 is configured to generate at least one pulse at a AMIR wavelength in the mid-infrared from the at least one source pulse by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength A å .
[0036] La génération de différence de fréquence est un processus d’optique non linéaire du type mélange à trois ondes. Deux ondes de longueurs d’onde centrales (ou de manière équivalente, fréquences optiques) différentes interagissent dans un milieu non linéaire pour produire une onde dont la fréquence optique centrale est égale à la différence des fréquences optiques des deux signaux initiaux. The generation of frequency difference is a nonlinear optical process of the three-wave mixing type. Two waves of different central wavelengths (or equivalently, optical frequencies) interact in a nonlinear medium to produce a wave whose central optical frequency is equal to the difference of the optical frequencies of the two initial signals.
[0037] Comme pour tout processus d’optique non linéaire, une condition d’accord de phase doit être remplie. La condition d’accord de phase est une relation entre les nombres d’onde des ondes monochromatiques en jeu dans le processus d’optique non linéaire. Dans le cas de la différence de fréquence, la condition d’accord de phase est une relation entre les nombres d’onde des deux ondes Ai etA2 interagissant dans le milieu non linéaire et le nombre d’onde de l’onde Az obtenue par différence de fréquence. As with any nonlinear optical process, a phase matching condition must be fulfilled. The phase matching condition is a relationship between the wavenumbers of the monochromatic waves involved in the process of nonlinear optics. In the case of the frequency difference, the phase matching condition is a relation between the wavenumbers of the two waves Ai and A2 interacting in the nonlinear medium and the wavenumber of the wave Az obtained by difference of frequency.
[0038] Dans un mode de réalisation, le cristal non linéaire 3 est un cristal biréfringent afin de satisfaire la condition d’accord de phase pour la génération de différence de fréquence. Par cristal biréfringent, il est entendu un cristal dont l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde et de la polarisation. Avantageusement, le cristal non linéaire 3 peut être un cristal de langasite (LiGaS2 ou LGS). D’autres exemples de cristaux biréfringents pouvant être utilisés sont, à titre indicatif, des cristaux de BGS (BaGa4Sy), GaSe (Séléniure de Gallium), AGGS (AgGeGaS4), LIS (LÎ2Ga2GeSe), LGN (La3Ga5.5Nbo.5O14)· [0038] In one embodiment, the nonlinear crystal 3 is a birefringent crystal in order to satisfy the phase matching condition for the frequency difference generation. By birefringent crystal, it is understood a crystal whose refractive index depends on the wavelength and the polarization. Advantageously, the nonlinear crystal 3 can be a crystal of langasite (LiGaS2 or LGS). Other examples of birefringent crystals that can be used are, as a guide, crystals of BGS (BaGa4Sy), GaSe (Gallium Selenide), AGGS (AgGeGaS4), LIS (LÎ2Ga2GeSe), LGN (La3Ga5.5Nbo.5O14)
[0039] La configuration la plus fréquemment utilisée pour la génération de différence de fréquence avec un cristal biréfringent est celle où l’accord de phase, c’est-à-dire où les deux ondes interagissant présentent des polarisations linéaires orthogonales et transverses aux directions de propagation des deux ondes, plus précisément, suivant les axes propres du cristal non-linéaire 3. The configuration most frequently used for the generation of frequency difference with a birefringent crystal is that where the phase agreement, that is to say where the two interacting waves have linear polarizations orthogonal and transverse to the directions of propagation of the two waves, more precisely, along the proper axes of the non-linear crystal 3.
[0040] Par le processus de génération de différence de fréquence, le cristal non linéaire 3 génère des impulsions de fréquence optique plus faible que celles de la première composante spectrale et de la seconde composante spectrale, c’est-à-dire de longueur d’onde AMIR plus élevée que les longueurs d’onde Ai et A2. La longueur d’onde AMIR dépend ainsi des longueurs d’onde Ai et A2 selon la formule bien connue de l’homme du métier. [0041] La lame retardatrice 42 présente un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles. Les deux longueurs d’onde utiles sont la longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen et l’une parmi la première longueur d’onde Ai et la seconde longueur d’onde A2. By the frequency difference generation process, the nonlinear crystal 3 generates optical frequency pulses lower than those of the first spectral component and the second spectral component, that is to say of length d AMIR wave higher than the Ai and A2 wavelengths. The AMIR wavelength thus depends on the wavelengths Ai and A2 according to the formula well known to those skilled in the art. The delay blade 42 has an optical delay configured for two useful wavelengths. The two useful wavelengths are the AMIR wavelength in the mid-infrared and one of the first wavelength Ai and the second wavelength A2.
[0042] Il est considéré que la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et une seconde composante spectrale de longueur d’onde K2 sont contenues dans une même impulsion source émise par la source optique 2 et que cette même impulsion source présente une polarisation linéaire. Ainsi, un processus de différence de fréquence intra- impulsion est mis en œuvre. It is considered that the first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength K2 are contained in the same source pulse emitted by the optical source 2 and that this same source pulse has a linear polarization. Thus, an intra-pulse frequency difference process is implemented.
[0043] Avantageusement, le cristal non linéaire est un cristal biréfringent, agencé de sorte que ses deux axes propres, nommés ci-après axe lent 31 et axe rapide 32 soient perpendiculaires à l’axe optique d’alignement D du dispositif. Par biréfringent, il est entendu un matériau dont l’indice dépend de la polarisation d’une onde lumineuse se propageant dans le matériau. Par axes propres du cristal biréfringent, il est entendu les deux axes de polarisation pour lesquels une onde polarisée parallèlement à l’un ou l’autre des deux axes conserve sa polarisation lors de la traversée du cristal biréfringent. Advantageously, the nonlinear crystal is a birefringent crystal, arranged so that its two proper axes, hereinafter called slow axis 31 and fast axis 32 are perpendicular to the optical alignment axis D of the device. By birefringent, it is understood a material whose index depends on the polarization of a light wave propagating in the material. By proper axes of the birefringent crystal, it is understood the two axes of polarization for which a wave polarized parallel to one or the other of the two axes retains its polarization when crossing the birefringent crystal.
[0044] Selon la présente divulgation, une lame duale 41 peut être placée transversalement sur l’axe optique d’alignement du dispositif de génération 1 entre la source optique 2 et le cristal non linéaire 3 comme illustré à la figure 3. According to the present disclosure, a dual plate 41 can be placed transversely on the optical alignment axis of the generation device 1 between the optical source 2 and the nonlinear crystal 3 as illustrated in Figure 3.
[0045] La lame duale 41 est ici fabriquée à partir d’un ou d’un ensemble de plusieurs matériaux biréfringents, transparents aux longueurs d’onde Ai et Â2, et présente une épaisseur prédéterminée, de sorte qu’elle introduit un retard optique D1 configuré pour la première composante spectrale égal à (Ni+1/2)c Ai et un retard optique D2 configuré pour la seconde composante spectrale égal à N2X l2, où Ni et N2 sont deux entiers positifs. Des exemples de matériaux biréfringents pour la lame duale 41 sont la calcite, le quartz, le vanadate d’yttrium, ou encore le gadolinium. Typiquement, la lame duale 41 est une lame multi-ordre, c’est-à-dire que les entiers Ni et N2 sont supérieurs ou égaux à 1. La lame duale 41 présente deux axes propres 43, axe lent, et 44, axe rapide, dans un plan transverse à l’axe optique d’alignement D du dispositif de génération 1. The dual blade 41 is here made from one or a set of several birefringent materials, transparent to the wavelengths Ai and Â2, and has a predetermined thickness, so that it introduces an optical delay D1 configured for the first spectral component equal to (Ni+1/2)c Ai and an optical delay D2 configured for the second spectral component equal to N2X l2, where Ni and N2 are two positive integers. Examples of birefringent materials for the dual blade 41 are calcite, quartz, yttrium vanadate, or even gadolinium. Typically, the dual blade 41 is a multi-order blade, that is to say that the integers Ni and N2 are greater than or equal to 1. The dual blade 41 has two proper axes 43, slow axis, and 44, axis fast, in a plane transverse to the optical alignment axis D of the generation 1 device.
[0046] La figure 4 illustre le profil de retard optique en unités de longueurs d’onde introduit par une lame duale en quartz d’épaisseur 255 microns, en fonction de la longueur d’onde. Il peut être observé qu’un retard de 2,5 Ai est obtenu pour une longueur d’onde Ai égale à 900 nm et qu’un retard de 2 Â2 est obtenu pour une longueur d’onde Â2 égale à environ 1110 nm. Dans ce cas, les entiers Ni et N2 sont tous deux égaux à 2. Il en résulte que la polarisation PAI de la première composante spectrale de longueur d’onde Ai subit une rotation de 90 degrés lors de la traversée de la lame duale 41 et que la polarisation Rl2 de la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 reste inchangée lors de la traversée de la lame duale 41. FIG. 4 illustrates the optical delay profile in units of wavelengths introduced by a dual quartz plate with a thickness of 255 microns, as a function of the wavelength. It can be observed that a delay of 2.5 Ai is obtained for a wavelength Ai equal to 900 nm and that a delay of 2 Å2 is obtained for a wavelength Å2 equal to approximately 1110 nm. In this case, the integers Ni and N2 are both equal to 2. It follows that the polarization P A I of the first spectral component of wavelength Ai undergoes a rotation of 90 degrees when crossing the dual plate 41 and that the polarization R l 2 of the second spectral component of wavelength Â2 remains unchanged when crossing the dual blade 41.
[0047] La première composante spectrale et la seconde composante spectrale traversent la lame duale 41 et en émergent en direction du cristal non linéaire 3 avec des polarisations perpendiculaires entre elles jusqu’à pénétrer dans le cristal non linéaire 3. Le cristal non linéaire 3 génère des impulsions à une longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2. L’une parmi la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 constitue le faisceau de pompe du processus de génération de différence de fréquence, l’autre constitue le faisceau signal (comme nommé dans la terminologie des phénomènes d’optique non linéaire). The first spectral component and the second spectral component pass through the dual blade 41 and emerge therefrom in the direction of the nonlinear crystal 3 with mutually perpendicular polarizations until they penetrate into the nonlinear crystal 3. The nonlinear crystal 3 generates pulses at an AMIR wavelength in the mid-infrared by a frequency difference generating process between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength λ2. One of the first wavelength spectral component Ai and the second wavelength spectral component λ2 constitutes the pump beam of the frequency difference generation process, the other constitutes the signal beam (as named in the terminology of nonlinear optical phenomena).
[0048] Comme il sera décrit par la suite, l’ajustement géométrique de la lame duale 41 permet d’augmenter le rendement du processus de génération de la au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR. As will be described later, the geometric adjustment of the dual plate 41 makes it possible to increase the yield of the process for generating the at least one pulse at the AMIR wavelength.
[0049] Dans un premier mode de réalisation, une lame retardatrice 42 est située sur l’axe optique d’alignement du dispositif de génération 1 en aval du cristal non linéaire 3, c’est-à- dire que le cristal non linéaire 3 est situé entre la source optique 2 et la lame retardatrice 42. Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif de génération 1 comprend en outre un premier amplificateur paramétrique optique 5 en aval de la lame à retard 42, comme illustré à la figure 5. In a first embodiment, a delay blade 42 is located on the optical axis of alignment of the generation device 1 downstream of the nonlinear crystal 3, that is to say that the nonlinear crystal 3 is located between the optical source 2 and the delay plate 42. In this first embodiment, the generation device 1 further comprises a first optical parametric amplifier 5 downstream of the delay plate 42, as illustrated in FIG. 5.
[0050] Dans ce premier mode de réalisation, la première composante spectrale et la seconde composante spectrale contenues dans l’impulsion source émise par la source optique 2 se propagent vers le cristal non linéaire 3. Le cristal non linéaire 3 génère, pour chaque impulsion source émise par la source optique, une impulsion à une longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2. In this first embodiment, the first spectral component and the second spectral component contained in the source pulse emitted by the optical source 2 propagate towards the nonlinear crystal 3. The nonlinear crystal 3 generates, for each pulse source emitted by the optical source, a pulse at an AMIR wavelength in the mid-infrared by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of length d wave l2.
[0051] Dans ce premier mode de réalisation, le cristal non linéaire 3 est un cristal biréfringent, agencé de sorte que ses deux axes propres, nommés ci-après axe lent 31 et axe rapide 32 soient transverses à l’axe optique d’alignement D du dispositif. In this first embodiment, the nonlinear crystal 3 is a birefringent crystal, arranged so that its two proper axes, hereinafter called slow axis 31 and fast axis 32 are transverse to the optical alignment axis. D of the device.
[0052] La lame retardatrice 42 reçoit chaque impulsion à la longueur d’onde AMIR en provenance du cristal non linéaire et la transmet en direction du premier amplificateur paramétrique optique 5. The delay plate 42 receives each pulse at the AMIR wavelength coming from the nonlinear crystal and transmits it in the direction of the first optical parametric amplifier 5.
[0053] La lame retardatrice 42 reçoit également un rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire 3 à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2 issu d’une composante émergente émanant soit de la première composante spectrale de longueur d’onde Ai, soit de la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2. La lame retardatrice 42 transmet ce rayonnement de pompe en direction du premier amplificateur paramétrique optique 5. The delay plate 42 also receives pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2 from an emerging component emanating either from the first spectral component of wavelength Ai, or the second spectral component of wavelength l2. The delay plate 42 transmits this pump radiation towards the first optical parametric amplifier 5.
[0054] Du fait de la différence d’indice de réfraction pour la première longueur d’onde Ai, la seconde longueur d’onde l2 et la longueur d’onde AMIR dans le cristal non linéaire 3, il est possible que celui-ci introduise une différence de vitesse de groupe entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR en provenance du cristal non linéaire 3 et le rayonnement de pompe émergeant de celui-ci. Par vitesse de groupe, on entend la vitesse avec laquelle l’enveloppe d’une impulsion se propage dans un milieu. Cette différence de vitesse de groupe est due au retard optique introduit par le cristal non linéaire 3 entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR en provenance du cristal non linéaire 3 et le rayonnement de pompe émergeant de celui-ci. [0054] Due to the difference in refractive index for the first wavelength Ai, the second wavelength l2 and the AMIR wavelength in the nonlinear crystal 3, it is possible that the latter introduces a group speed difference between the pulse at the AMIR wavelength from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging therefrom. By group speed, we mean the speed with which the envelope of a pulse propagates in a medium. This difference in group velocity is due to the optical delay introduced by the nonlinear crystal 3 between the pulse at wavelength AMIR coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging from it.
[0055] Comme il sera décrit par la suite, dans ce premier mode de réalisation, l’impulsion à la longueur d’onde AMIR en provenance du cristal non linéaire 3 et le rayonnement de pompe émergeant de celui-ci présentent des polarisations perpendiculaires à l’axe optique d’alignement du dispositif de génération 1, l’une étant une polarisation ordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3, l’autre étant une polarisation extraordinaire vis-à-vis de celui-ci. [0056] Avantageusement, la lame retardatrice 42 est une lame biréfringente dont le matériau, l’épaisseur et l’orientation de coupe sont choisis pour compenser la différence de vitesse de groupe précédemment citée. As will be described later, in this first embodiment, the pulse at the AMIR wavelength coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging from it have polarizations perpendicular to the optical axis of alignment of the generation device 1, one being an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3, the other being an extraordinary polarization with respect to the latter. Advantageously, the retarding blade 42 is a birefringent blade whose material, thickness and cutting orientation are chosen to compensate for the group speed difference mentioned above.
[0057] Autrement dit, la lame retardatrice 42 introduit un retard optique permettant de synchroniser dans le premier amplificateur paramétrique optique l’impulsion à la longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen avec le rayonnement de pompe à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2. Le retard optique introduit par la lame retardatrice 42 entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR en provenance du cristal non linéaire 3 et le rayonnement de pompe émergeant de celui-ci est égal à l’opposé du retard optique introduit par le cristal non linéaire 3 entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR en provenance du cristal non linéaire 3 et le rayonnement de pompe émergeant de celui-ci. La lame retardatrice 42 peut, par exemple, être une lame de fluorure de magnésium (MgF2) ou de langasite (LGS), dont la coupe ne permet pas la satisfaction d’un accord de phase. [0058] Le rayonnement de pompe à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2 est utilisé comme faisceau de pompe du premier amplificateur paramétrique optique (dans la terminologie des amplificateurs paramétriques optiques), tandis que l’impulsion à la longueur d’onde AMIR est utilisé comme faisceau signal. Ainsi, à la sortie de l’amplificateur paramétrique optique, le faisceau de pompe est dépiété et le faisceau signal, c’est-à-dire l’impulsion à la longueur d’onde AMIR, est amplifié. In other words, the delay plate 42 introduces an optical delay making it possible to synchronize in the first optical parametric amplifier the pulse at the AMIR wavelength in the mid-infrared with the pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2. The optical delay introduced by the delay plate 42 between the pulse at the wavelength AMIR coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging from the latter is equal to the opposite of the optical delay introduced by the crystal. nonlinear 3 between the pulse at the AMIR wavelength coming from the nonlinear crystal 3 and the pump radiation emerging therefrom. The delay blade 42 can, for example, be a magnesium fluoride (MgF2) or langasite (LGS) blade, the cut of which does not allow a phase match to be satisfied. The pump radiation at the first wavelength A1 or at the second wavelength l2 is used as the pump beam of the first optical parametric amplifier (in the terminology of optical parametric amplifiers), while the pulse at the AMIR wavelength is used as a signal beam. Thus, at the output of the optical parametric amplifier, the pump beam is deflected and the signal beam, i.e. the pulse at the AMIR wavelength, is amplified.
[0059] Avantageusement, la lame retardatrice 42 présente une fenêtre de transparence spectrale large permettant une bonne transmission de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et du rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire 3 qui vont interagir dans le premier amplificateur paramétrique optique 5. Advantageously, the delay plate 42 has a wide spectral transparency window allowing good transmission of the pulse at the AMIR wavelength and of the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 which will interact in the first parametric amplifier. optics 5.
[0060] La lame retardatrice 42 peut être formée dans le même matériau que celui du premier amplificateur paramétrique optique 5, mais à la condition que dans le cas de la lame retardatrice 42, le matériau soit coupé de sorte qu’aucun accord de phase ne soit possible entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et du rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire 3 dans la lame retardatrice 42. [0060] The delay plate 42 can be formed from the same material as that of the first optical parametric amplifier 5, but on the condition that in the case of the delay plate 42, the material is cut so that no phase matching that is possible between the pulse at the wavelength AMIR and the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the delay plate 42.
[0061] Un deuxième mode de réalisation peut être obtenu par la combinaison du premier mode de réalisation avec l’utilisation d’une lame duale 41 comme précédemment décrit. [0062] Dans les modes de réalisations précédemment décrits, le dispositif de génération 1 est aligné le long de l’axe optique d’alignement D du fait de la colinéarité des différentes impulsions et rayonnement émis, soit dans le cristal non linéaire 3, soit dans la lame retardatrice 42 soit dans la lame duale 41. Par colinéarité, il doit être compris une superposition spatiale des différents faisceaux. A second embodiment can be obtained by combining the first embodiment with the use of a dual blade 41 as previously described. In the previously described embodiments, the generation device 1 is aligned along the optical alignment axis D due to the collinearity of the different pulses and radiation emitted, either in the nonlinear crystal 3, or in the retarding plate 42 or in the dual plate 41. By colinearity, it must be understood a spatial superposition of the different beams.
Procédé Process
[0063] Il va être maintenant décrit comment, dans l'exemple précédemment décrit où une lame duale 41 est placée transversalement sur l’axe optique d’alignement du dispositif de génération 1 entre la source optique 2 et le cristal non linéaire 3, la lame duale 41 est agencée géométriquement pour permettre d’augmenter le rendement du processus de génération de la au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR par le cristal non linéaire 3. Cet agencement est illustré à la figure 6. It will now be described how, in the previously described example where a dual plate 41 is placed transversely on the optical alignment axis of the generation device 1 between the optical source 2 and the nonlinear crystal 3, the dual blade 41 is arranged geometrically to make it possible to increase the efficiency of the process of generating the at least one pulse at the AMIR wavelength by the nonlinear crystal 3. This arrangement is illustrated in FIG. 6.
[0064] Un utilisateur positionne la source optique 2 sur une table optique ou tout autre support. L’utilisateur positionne ensuite le cristal non linéaire 3 de sorte que ses deux axes propres, axe lent 31 et axe rapide 32, soient perpendiculaires à l’axe optique d’alignement D du dispositif. L’utilisateur allume la source optique 2, laquelle émet alors une succession d’impulsions source laser entre 0.4 et 2.5 microns, de préférence entre 0.7 et 2.5 microns. Le faisceau d’impulsions source est polarisé, par exemple linéairement, de polarisation Ps. [0065] Il est considéré que le processus de différence de fréquence a lieu entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 dans le cristal non linéaire 3. En d’autres termes, la différence de fréquence sera générée par interaction entre une première portion lumineuse polarisée selon une polarisation ordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3, et une seconde portion lumineuse polarisée selon une polarisation extraordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3. [0066] Dans une configuration sans la lame duale 41, il est classique d’orienter la polarisation linéaire du faisceau d’impulsions source de sorte que celle-ci forme un angle de 45 degrés avec les axes propres du cristal non linéaire 3. Dans ce cas, toutes les composantes spectrales du spectre de chaque impulsion source sont réparties équitablement entre d’une part la polarisation ordinaire et d’autre part la polarisation extraordinaire. A user positions the optical source 2 on an optical table or any other support. The user then positions the nonlinear crystal 3 so that its two proper axes, slow axis 31 and fast axis 32, are perpendicular to the optical alignment axis D of the device. The user switches on the optical source 2, which then emits a succession of laser source pulses between 0.4 and 2.5 microns, preferably between 0.7 and 2.5 microns. The source pulse beam is polarized, for example linearly, with Ps polarization. It is considered that the frequency difference process takes place between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength of wave l2 in the nonlinear crystal 3. In other words, the frequency difference will be generated by interaction between a first light portion polarized according to an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3, and a second portion light polarized according to an extraordinary polarization vis-à-vis the nonlinear crystal 3. In a configuration without the dual plate 41, it is conventional to orient the linear polarization of the source pulse beam so that it forms an angle of 45 degrees with the proper axes of the nonlinear crystal 3. In this case, all the spectral components of the spectrum of each source pulse are distributed equitably between on the one hand the p ordinary polarization and on the other hand the extraordinary polarization.
[0067] Autrement dit, pour chaque impulsion source, une moitié des photons pénétrant dans le cristal est polarisée avec une polarisation ordinaire et l’autre moitié des photons pénétrant dans le cristal non linéaire 3 est polarisée avec une polarisation extraordinaire. Ces deux moitiés interagissent entre elles pour générer le processus de différence de fréquence. Par conséquent, sans lame duale 41, l’énergie de l’impulsion générée est impactée par l’utilisation effective de seulement la moitié de l’énergie incidente pour le processus de génération de différence de fréquence. In other words, for each source pulse, half of the photons entering the crystal is polarized with an ordinary polarization and the other half of the photons entering the nonlinear crystal 3 is polarized with an extraordinary polarization. These two halves interact with each other to generate the frequency difference process. Therefore, without a dual plate 41, the energy of the generated pulse is impacted by effectively using only half of the incident energy for the frequency difference generation process.
[0068] Il est considéré que la lame duale 41 est une lame biréfringente. L’utilisateur positionne la lame duale 41 entre la source optique 2 et le cristal non linéaire 3. L’utilisateur règle soit la source optique 2, soit l’orientation angulaire de la lame duale 41 autour de l’axe optique d’alignement du dispositif de génération 1, de sorte que la direction de la polarisation linéaire Ps du faisceau d’impulsions source forme un angle de 45 degrés avec les axes propres 43 et 44 de la lame duale 41. [0068] It is considered that the dual blade 41 is a birefringent blade. The user positions the dual blade 41 between the optical source 2 and the nonlinear crystal 3. The user adjusts either the optical source 2, or the angular orientation of the dual blade 41 around the optical axis of alignment of the generating device 1, so that the direction of the linear polarization Ps of the source pulse beam forms an angle of 45 degrees with the proper axes 43 and 44 of the dual plate 41.
[0069] De cette manière, la polarisation PKI de la seconde composante spectrale de longueur d’onde K2 n’est pas impactée lors de sa traversée de la lame duale 41, comme expliqué plus haut. La polarisation PAI de la première composante spectrale de longueur d’onde li, étant orientée à 45 degrés de l’un des axes propres de la lame duale 41, subit quant à elle une rotation de 90 degrés par rapport à sa position d’origine par effet du retard optique R1 (c’est-à-dire de l’effet lame demi-onde de la lame duale sur la première composante spectrale). Ainsi, la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde K2 présentent des polarisations orthogonales entre elles. In this way, the PKI polarization of the second spectral component of wavelength K2 is not impacted when it passes through the dual blade 41, as explained above. The polarization P A I of the first spectral component of wavelength li, being oriented at 45 degrees from one of the proper axes of the dual plate 41, undergoes a rotation of 90 degrees with respect to its position d origin by the effect of the optical delay R1 (ie the half-wave plate effect of the dual plate on the first spectral component). Thus, the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength K2 have mutually orthogonal polarizations.
[0070] De cette manière, une portion Pi du spectre contenant la première composante spectrale de longueur d’onde Ai subit une rotation de polarisation d’un angle de 90°, tandis que la portion complémentaire P2 du spectre contenant la seconde composante spectrale de longueur d’onde K2 ne subit pas de changement de polarisation. In this way, a portion Pi of the spectrum containing the first spectral component of wavelength Ai undergoes a polarization rotation through an angle of 90°, while the complementary portion P2 of the spectrum containing the second spectral component of wavelength K2 does not undergo a polarization change.
[0071] Autrement dit, la lame duale 41 a pour effet de séparer en polarisation la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde K2. In other words, the dual plate 41 has the effect of separating in polarization the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength K2.
[0072] La figure 7 illustre les différentes densités spectrales Ss, Se, et S0 correspondant respectivement à l’impulsion source dans le proche infrarouge émise par la source 2, à la partie de la densité spectrale Ss polarisée selon une polarisation extraordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3, et à la partie de la densité spectrale Ss polarisée selon une polarisation ordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3. FIG. 7 illustrates the different spectral densities S s , S e , and S 0 corresponding respectively to the source pulse in the near infrared emitted by the source 2, to the part of the spectral density S s polarized according to a polarization extraordinary with respect to the nonlinear crystal 3, and to the part of the spectral density S s polarized according to an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3.
[0073] L’utilisateur règle ensuite l’orientation du cristal non linéaire 3 dans son plan afin d’optimiser une puissance moyenne des impulsions à la longueur d’onde AMIR mesurée en aval d’une lame, par exemple en Germanium, filtrant le rayonnement correspondant aux impulsions source et positionnée en aval du cristal non linéaire 3. Il s’agit du réglage d’accord de phase. The user then adjusts the orientation of the nonlinear crystal 3 in its plane in order to optimize an average power of the pulses at the AMIR wavelength measured downstream of a plate, for example made of germanium, filtering the radiation corresponding to the source pulses and positioned downstream of the nonlinear crystal 3. This is the phase matching adjustment.
[0074] Le réglage d’accord de phase est sélectif pour un couple de longueurs d’onde (Ai, K2). La première composante spectrale à la longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 sont les composantes qui vont interagir dans le cristal non linéaire 3 dans le processus de génération de différence de fréquence. The phase matching adjustment is selective for a pair of wavelengths (Ai, K2). The first spectral component at wavelength Ai and the second spectral component at wavelength λ2 are the components which will interact in the nonlinear crystal 3 in the frequency difference generation process.
[0075] Dans le cas où le cristal non linéaire 3 est un cristal biréfringent, l’utilisateur doit orienter le cristal non linéaire 3 de sorte que les axes propres 31 et 32 de celui-ci soient alignés avec les directions des polarisations PAI et Rl2. Comme illustré à la figure 6, la configuration optimale peut être obtenue lorsque la polarisation PMIR de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR générée dans le cristal non linéaire 3 est alignée avec l’axe propre 31 , correspondant à la direction de polarisation Rl2, de celui-ci. Une seconde configuration optimale pourrait être obtenue lorsque la polarisation PMIR de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR générée dans le cristal non linéaire 3 est alignée avec l’autre axe propre 32, correspondant à la direction de polarisation PM , de celui-ci. In the case where the nonlinear crystal 3 is a birefringent crystal, the user must orient the nonlinear crystal 3 so that its own axes 31 and 32 are aligned with the directions of the polarizations P A I and R l 2. As illustrated in FIG. 6, the optimal configuration can be obtained when the PMIR polarization of the pulse at the AMIR wavelength generated in the nonlinear crystal 3 is aligned with the proper axis 31, corresponding to the polarization direction R l 2, thereof. A second optimal configuration could be obtained when the PMIR polarization of the pulse at the AMIR wavelength generated in the nonlinear crystal 3 is aligned with the other proper axis 32, corresponding to the direction of polarization PM , of the latter. this.
[0076] En utilisant pour source optique 2 un amplificateur à fibre dopée à l’Ytterbium comme illustré plus haut, une lame duale 41 en quartz d’épaisseur 255 microns et un cristal LGS d’épaisseur 1 mm, et une puissance moyenne incidente sur le cristal LGS d’environ 20 W, une puissance moyenne dans le moyen infrarouge Ml R, de longueur d’onde centrale AMIR de 7.7 microns, de 22.5 mW est mesurée. En tenant compte des réflexions aux interfaces du cristal non linéaire 3 et de la lame en Germanium, l’estimation de la puissance moyenne des impulsions à la longueur d’onde AMIR juste à la sortie du cristal non linéaire 3 est d’environ 32 mW. Le rendement du processus de génération de différence de fréquence intra-impulsion obtenu, défini par le rapport de la puissance moyenne dans le moyen infrarouge et de la puissance moyenne incidente sur le cristal non linéaire 3 est donc d’environ 0.25%. Using for optical source 2 a fiber amplifier doped with Ytterbium as illustrated above, a dual blade 41 in quartz with a thickness of 255 microns and an LGS crystal with a thickness of 1 mm, and an average incident power on the LGS crystal of about 20 W, an average power in the mid-infrared Ml R, with a central AMIR wavelength of 7.7 microns, of 22.5 mW is measured. Taking into account the reflections at the interfaces of the nonlinear crystal 3 and the Germanium plate, the estimate of the average power of the pulses at the AMIR wavelength just at the output of the nonlinear crystal 3 is approximately 32 mW . The efficiency of the intra-pulse frequency difference generation process obtained, defined by the ratio of the average power in the mid-infrared and the average power incident on the nonlinear crystal 3 is therefore approximately 0.25%.
[0077] Pour comparaison, sans la lame duale 41, avec la même source optique 2 et le même cristal non linéaire 3, et la polarisation linéaire du faisceau d’impulsions source formant un angle de 45° avec les axes propres 31 et 32 du cristal non linéaire 3, la puissance MIR mesurée après la lame en Germanium est de 9 mW et d’environ 13,6 mW juste en sortie du cristal non linéaire 3 en tenant compte des pertes précédemment évoquées. Le rendement du processus de génération de différence de fréquence intra- impulsion est dans ce cas de 0.09%. Ainsi, l’utilisation de la lame duale 41 permet d’augmenter d’un facteur d’au moins 2,5 le rendement d’un dispositif de génération de différence de fréquence intra-impulsion de l’état de la technique. For comparison, without the dual plate 41, with the same optical source 2 and the same nonlinear crystal 3, and the linear polarization of the source pulse beam forming an angle of 45° with the proper axes 31 and 32 of the nonlinear crystal 3, the MIR power measured after the germanium plate is 9 mW and about 13.6 mW just at the output of the nonlinear crystal 3 taking into account the losses mentioned above. The efficiency of the intra-pulse frequency difference generation process is in this case 0.09%. Thus, the use of the dual blade 41 makes it possible to increase by a factor of at least 2.5 the efficiency of an intra-pulse frequency difference generation device of the state of the art.
[0078] Le tableau 1 présente les résultats obtenus avec le dispositif 1 précédent et différentes valeurs d’épaisseur du cristal LGS : Table 1 presents the results obtained with the previous device 1 and different thickness values of the LGS crystal:
[0079] [Table 1] [0079] [Table 1]
Ό080] Le tableau 2 présente les rendements obtenus avec le dispositif 1 précédent pour des épaisseurs de 1 mm et 3 mm : Ό080] Table 2 presents the yields obtained with the previous device 1 for thicknesses of 1 mm and 3 mm:
[0081] [Table 2] avec un spectromètre à transformée de Fourier obtenu avec un cristal LGS d’épaisseur 1 mm. La longueur d’onde de puissance maximale AMIR est 7.7 microns et la bande passante à -20 dB s’étend entre 6.5 microns et 11.2 microns, soit sur une largeur de bande d’environ 4.7 microns, correspondant à des impulsions à la longueur d’onde AMIR ayant une durée d’environ 56 fs (approximativement deux cycles optiques). [0081] [Table 2] with a Fourier transform spectrometer obtained with a 1 mm thick LGS crystal. The maximum AMIR power wavelength is 7.7 microns and the bandwidth at -20 dB extends between 6.5 microns and 11.2 microns, i.e. over a bandwidth of about 4.7 microns, corresponding to pulses at the length d AMIR wave having a duration of about 56 fs (approximately two optical cycles).
[0083] Il va être maintenant décrit comment, dans le premier mode de réalisation du dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge, la lame retardatrice 42 est agencée géométriquement pour permettre d’amplifier la au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR générée par le cristal non linéaire 3. [0083] It will now be described how, in the first embodiment of the device for generating pulses in the mid-infrared, the delay plate 42 is arranged geometrically to make it possible to amplify the at least one pulse to the length of AMIR wave generated by the nonlinear crystal 3.
[0084] Comme indiqué précédemment, il est considéré que le processus de différence de fréquence a lieu entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 dans le cristal non linéaire 3 La différence de fréquence est générée par interaction entre une première portion lumineuse polarisée selon une polarisation ordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3, et une seconde portion lumineuse polarisée selon une polarisation extraordinaire vis-à-vis du cristal non linéaire 3. As indicated above, it is considered that the frequency difference process takes place between the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2 in the nonlinear crystal 3 The difference of frequency is generated by interaction between a first luminous portion polarized according to an ordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3, and a second luminous portion polarized according to an extraordinary polarization with respect to the nonlinear crystal 3.
[0085] L’utilisateur positionne la source optique 2 sur une table optique ou tout autre support. L’utilisateur positionne ensuite le cristal non linéaire 3 de sorte que ses deux axes propres, axe lent 31 et axe rapide 32, soient perpendiculaires à l’axe optique d’alignement D du dispositif. L’utilisateur allume la source optique 2, laquelle émet alors une succession d’impulsions source dans le proche infrarouge. Le faisceau d’impulsions source est polarisé, par exemple linéairement, de polarisation Ps. [0086] L’utilisateur règle soit la source optique 2, soit l’orientation angulaire autour de l’axe optique d’alignement D du dispositif de génération 1 du cristal non linéaire 3, de sorte que la direction de la polarisation linéaire du faisceau d’impulsions source forme un angle de 45 degrés avec les axes propres du cristal non linéaire 3. Dans ce cas, toutes les composantes spectrales du spectre de chaque impulsion source sont réparties équitablement entre d’une part la polarisation ordinaire et d’autre part la polarisation extraordinaire. The user positions the optical source 2 on an optical table or any other support. The user then positions the nonlinear crystal 3 so that its two proper axes, slow axis 31 and fast axis 32, are perpendicular to the optical alignment axis D of the device. The user switches on the optical source 2, which then emits a succession of source pulses in the near infrared. The source pulse beam is polarized, for example linearly, of Ps polarization. [0086] The user adjusts either the optical source 2, or the angular orientation around the optical alignment axis D of the generation device 1 of the nonlinear crystal 3, so that the direction of the linear polarization of the beam of source pulses forms an angle of 45 degrees with the proper axes of the nonlinear crystal 3. In this case, all the spectral components of the spectrum of each source pulse are distributed equitably between on the one hand the ordinary polarization and on the other hand extraordinary polarization.
[0087] Ainsi, la première composante spectrale de longueur d’onde Ai présente deux portions Pu et P12 respectivement polarisées selon une polarisation ordinaire du cristal non linéaire 3 et selon une polarisation extraordinaire du cristal non linéaire 3. De même, la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 présente deux portions P21 et P22 respectivement polarisées selon une polarisation ordinaire du cristal non linéaire 3 et selon une polarisation extraordinaire du cristal non linéaire 3. Thus, the first spectral component of wavelength Ai has two portions Pu and P12 respectively polarized according to an ordinary polarization of the nonlinear crystal 3 and according to an extraordinary polarization of the nonlinear crystal 3. Similarly, the second spectral component of wavelength Å2 has two portions P21 and P22 respectively polarized according to an ordinary polarization of the nonlinear crystal 3 and according to an extraordinary polarization of the nonlinear crystal 3.
[0088] De cette manière, selon l’orientation du cristal non linéaire, soit les portions Pu (polarisée selon une polarisation ordinaire) et P22 (polarisée selon une polarisation extraordinaire) interagissent dans le processus de génération de différence de fréquence se déroulant dans le cristal non linéaire 3, soit les portions P12 (polarisée selon une polarisation extraordinaire) et P21 (polarisée selon une polarisation ordinaire) interagissent dans ce processus. In this way, depending on the orientation of the nonlinear crystal, either the portions Pu (polarized according to an ordinary polarization) and P22 (polarized according to an extraordinary polarization) interact in the frequency difference generation process taking place in the nonlinear crystal 3, ie the portions P12 (polarized according to an extraordinary polarization) and P21 (polarized according to an ordinary polarization) interact in this process.
[0089] Il émerge du cristal non linéaire 3 une impulsion à la longueur d’onde AMIR et deux rayonnements émergents aux longueurs d’onde Ai et l2 et de polarisations orthogonales entre elles. L’impulsion à la longueur d’onde AMIR présente une polarisation PMIR orthogonale à la polarisation soit du rayonnement émergent à la longueur d’onde Ai, soit du rayonnement émergent à la longueur d’onde l2. Par souci de simplification de l’énoncé qui va suivre, il est considéré que la polarisation PMIR est orthogonale à la polarisation PAI du rayonnement de longueur d’onde Ai. Le rayonnement de longueur d’onde Ai est ainsi le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 précédemment évoqué. Le principe d’amplification de la au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR générée par le cristal non linéaire 3 est illustré à la figure 9. It emerges from the nonlinear crystal 3 a pulse at the AMIR wavelength and two emerging rays at the wavelengths Ai and l2 and with orthogonal polarizations between them. The pulse at wavelength AMIR has PMIR polarization orthogonal to the polarization of either the emergent radiation at wavelength Ai or the emergent radiation at wavelength l2. For the sake of simplification of the following statement, it is considered that the PMIR polarization is orthogonal to the PAI polarization of the radiation of wavelength Ai. The radiation of wavelength Ai is thus the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 mentioned above. The principle of amplification of the at least one pulse at the AMIR wavelength generated by the nonlinear crystal 3 is illustrated in Figure 9.
[0090] Comme il peut être observé à la figure 9, le cristal non linéaire 3 peut introduire une différence de groupe entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 (ici le rayonnement de longueur d’onde Ai), lesquels sont désynchronisés après avoir émergé du cristal non linéaire 3. As can be observed in FIG. 9, the nonlinear crystal 3 can introduce a group difference between the pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 (here the radiation of wavelength Ai), which are desynchronized after emerging from the nonlinear crystal 3.
[0091] L’utilisateur positionne le premier amplificateur paramétrique optique 5 en aval du cristal non linéaire 3 sur l’axe optique d’alignement D du dispositif de génération 1. L’impulsion à la longueur d’onde AMIR constitue le faisceau « signal » de l’amplificateur paramétrique optique et va être amplifié par interaction non linéaire avec le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 dans le premier amplificateur paramétrique optique 5. The user positions the first optical parametric amplifier 5 downstream of the nonlinear crystal 3 on the optical alignment axis D of the generation device 1. The pulse at the AMIR wavelength constitutes the "signal" beam. » of the optical parametric amplifier and will be amplified by nonlinear interaction with the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the first parametric amplifier optics 5.
[0092] Puis, l’utilisateur positionne la lame retardatrice 42 de sorte que son plan soit perpendiculaire à l’axe optique d’alignement du dispositif D. Then, the user positions the retarding plate 42 so that its plane is perpendicular to the optical alignment axis of the device D.
[0093] Dans le cas où la lame retardatrice 42 est une lame biréfringente dont le matériau, l’épaisseur et l’orientation de coupe sont choisis pour compenser la différence de vitesse de groupe introduite par le cristal non linéaire 3, l’utilisateur règle l’orientation angulaire de la lame retardatrice 42 dans son plan de sorte à optimiser la puissance en sortie du premier amplificateur paramétrique optique. [0093] In the case where the retarding blade 42 is a birefringent blade whose material, thickness and cutting orientation are chosen to compensate for the group speed difference introduced by the nonlinear crystal 3, the user adjusts the angular orientation of the delay plate 42 in its plane so as to optimize the output power of the first optical parametric amplifier.
[0094] Lorsque la puissance en sortie du premier amplificateur paramétrique optique 5 est optimale du fait de réglage de l’orientation de la lame retardatrice 42, l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 sont synchronisés en sortie de la lame retardatrice 42 comme illustré à la figure 9. L’impulsion à la longueur d’onde AMIR et le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 interagissent de manière optimale dans le premier amplificateur paramétrique optique 5, de sorte qu’il émerge de ce dernier une impulsion de sortie à la longueur d’onde AMIR amplifiée. Le premier amplificateur paramétrique optique permet ainsi d’augmenter la puissance d’un facteur >1, typiquement d’un facteur compris entre 1.5 et 10, de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR initialement générée par le cristal non linéaire 3. When the output power of the first optical parametric amplifier 5 is optimal due to adjustment of the orientation of the delay plate 42, the pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerge from the nonlinear crystal. 3 are synchronized at the output of the delay plate 42 as shown in Figure 9. The pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 interact optimally in the first optical parametric amplifier 5, so that there emerges from the latter an output pulse at the amplified AMIR wavelength. The first optical parametric amplifier thus makes it possible to increase the power by a factor >1, typically by a factor between 1.5 and 10, of the pulse at the AMIR wavelength initially generated by the nonlinear crystal 3.
[0095] Le rendement de génération d’une impulsion à la longueur d’onde AMIR générée par le cristal non linéaire 3 peut être augmenté en combinant les utilisations des modes de réalisation du dispositif de génération 1 avec la lame duale 41 et avec la lame retardatrice 42. L’utilisateur procède d’abord au réglage précédemment décrit avec la lame duale 41 , puis au réglage précédemment décrit avec la lame retardatrice 42. The generation efficiency of a pulse at the AMIR wavelength generated by the nonlinear crystal 3 can be increased by combining the uses of the embodiments of the generation device 1 with the dual blade 41 and with the blade retarder 42. The user first proceeds to the adjustment previously described with the dual blade 41, then to the adjustment previously described with the retarder blade 42.
[0096] Ainsi, l’invention permet avantageusement d’augmenter le rendement d’un dispositif de génération d’impulsions dans le moyen infrarouge via un processus d’ amplification paramétrique optique par l’utilisation d’au moins une lame introduisant un retard optique. Aussi, la configuration « tout aligné » du dispositif selon l’invention en facilite l’utilisation et l’alignement. Thus, the invention advantageously makes it possible to increase the efficiency of a device for generating pulses in the mid-infrared via an optical parametric amplification process by the use of at least one blade introducing an optical delay . Also, the “all aligned” configuration of the device according to the invention facilitates its use and alignment.
Variantes Variants
[0097] La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention. [0098] Selon la présente divulgation, la lame duale 41 peut présenter une épaisseur variable : elle peut être constituée de deux prismes à angle droit 411 et 412 en contact et formés dans le même matériau biréfringent et constituant ensemble une lame biréfringente résultante. La lame duale 41 correspond à cette lame biréfringente résultante. En translatant d’une longueur s l’un ou l’autre des prismes perpendiculairement à l’axe optique d’alignement D du dispositif de génération 1 et perpendiculairement à l’arête des prismes, il est possible de faire varier l’épaisseur e de la lame duale 41 et de modifier l’ordre de la lame (entiers Ni et N2), comme illustré à la figure 10. Le profil de retard optique introduit par la lame duale en fonction de la longueur d’onde est alors modifié. Ainsi, la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale Â2 pour lesquelles le retard optique D1 est égal à (Ni+1/2)c Ai et le retard optique D2 est égal à N2X Â2, peuvent être ajustées. Le dispositif de génération est donc accordable et la longueur d’onde AMIR peut être ajustée. The present invention is in no way limited to the embodiments described and represented, but those skilled in the art will know how to make any variant in accordance with the invention. According to the present disclosure, the dual blade 41 may have a variable thickness: it may consist of two prisms at right angles 411 and 412 in contact and formed in the same birefringent material and together constituting a resulting birefringent blade. The dual blade 41 corresponds to this resulting birefringent blade. By translating one or the other of the prisms by a length s perpendicular to the optical axis of alignment D of the generation device 1 and perpendicular to the edge of the prisms, it is possible to vary the thickness e of the dual blade 41 and to modify the order of the blade (integers Ni and N2), as illustrated in FIG. 10. The optical delay profile introduced by the dual blade as a function of the wavelength is then modified. Thus, the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component Â2 for which the optical delay D1 is equal to (Ni+1/2)c Ai and the optical delay D2 is equal to N2X Â2, can be adjusted . The generating device is therefore tunable and the AMIR wavelength can be adjusted.
[0099] Par ailleurs, en variant l’épaisseur de la lame duale 41, la largeur spectrale de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR peut également être ajustée. En effet plus l’épaisseur de la lame duale 41 est grande, plus la lame duale est chromatique. Cela se traduit par une augmentation de la pente de la courbe représentant le retard optique introduit par la lame duale 41 en fonction de la longueur d’onde illustrée par exemple à la figure 4. En d’autres termes, les composantes spectrales contenues dans l’impulsion source participant au processus de génération de différence de fréquence sont réduites. La largeur spectrale de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR est modifiée en conséquence. Furthermore, by varying the thickness of the dual plate 41, the spectral width of the pulse at the AMIR wavelength can also be adjusted. Indeed, the greater the thickness of the dual blade 41, the more the dual blade is chromatic. This results in an increase in the slope of the curve representing the optical delay introduced by the dual plate 41 as a function of the wavelength illustrated for example in FIG. 4. In other words, the spectral components contained in the source pulse participating in the frequency difference generation process are reduced. The spectral width of the pulse at the AMIR wavelength is changed accordingly.
[0100] Par ailleurs, le fait que la lame duale 41 présente une épaisseur variable permet de faire varier, en ajustant l’épaisseur, le couple de longueurs d’onde (Ai, l2) pour lequel la lame duale 41 introduit respectivement le retard optique D1 et le retard optique D2. Cela permet de modifier et d’accorder la longueur d’onde AMIR générée, en réajustant éventuellement l’orientation du cristal non linéaire 3 pour régler l’accord de phase. Furthermore, the fact that the dual blade 41 has a variable thickness makes it possible to vary, by adjusting the thickness, the pair of wavelengths (Ai, l2) for which the dual blade 41 respectively introduces the delay optical D1 and the optical delay D2. This allows the generated AMIR wavelength to be modified and tuned, possibly readjusting the orientation of the nonlinear crystal 3 to adjust the phase tuning.
[0101] Dans une deuxième variante, dans le cas où le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 correspond au faisceau de pompe du processus de génération de différence de fréquence (c’est-à-dire l’une parmi la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2), plusieurs amplificateurs paramétriques optiques peuvent être mis en cascade en aval du premier amplificateur paramétrique optique 5 afin d’amplifier successivement l’impulsion à la longueur d’onde AMIR jusqu’à épuiser les photons du rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3. Le rendement de conversion est ainsi amélioré. In a second variant, in the case where the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 corresponds to the pump beam of the frequency difference generation process (that is to say one of the first component spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2), several optical parametric amplifiers can be cascaded downstream of the first optical parametric amplifier 5 in order to successively amplify the pulse to the length of AMIR wave until the photons of the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 are exhausted. The conversion efficiency is thus improved.
[0102] Plus précisément, dans cette autre variante, on considère que la polarisation PMIR est orthogonale à la polarisation PAI du rayonnement de longueur d’onde Ai. Le rayonnement de longueur d’onde Ai est ainsi le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3. Le processus de génération de différence de fréquence qui a lieu dans le cristal non linéaire 2 déplète le rayonnement à la longueur d’onde Ai, amplifie le rayonnement à la longueur d’onde K2, et génère le rayonnement à la longueur d’onde AMIR. En sortie du cristal non linéaire 3, le rayonnement à la longueur d’onde Ai et le rayonnement à la longueur d’onde AMIR ne sont pas synchronisés du fait de la différence de vitesse de groupe introduite par le cristal non linéaire 3. Comme expliqué plus haut, la lame retardatrice 42 permet de resynchroniser le rayonnement à la longueur d’onde Ai et le rayonnement à la longueur d’onde AMIR. More precisely, in this other variant, it is considered that the PMIR polarization is orthogonal to the polarization P A I of the radiation of wavelength Ai. The radiation of wavelength Ai is thus the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3. The frequency difference generation process that takes place in the nonlinear crystal 2 depletes the radiation at the wavelength Ai , amplifies the radiation at the K2 wavelength , and generates the radiation at the AMIR wavelength. At the output of the nonlinear crystal 3, the radiation at the wavelength Ai and the radiation at the wavelength AMIR are not synchronized due to the group speed difference introduced by the nonlinear crystal 3. As explained higher, the blade retarder 42 makes it possible to resynchronize the radiation at the wavelength Ai and the radiation at the wavelength AMIR.
[0103] L’impulsion à la longueur d’onde AMIR constitue le faisceau « signal » du premier amplificateur paramétrique optique 5 et va être amplifié d’un facteur K5 par interaction non linéaire avec le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 dans le premier amplificateur paramétrique optique 5, tandis que le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3, c’est-à-dire, le rayonnement à la longueur d’onde Ai est à nouveau dépiété, comme illustré à la figure 11. The pulse at the AMIR wavelength constitutes the "signal" beam of the first optical parametric amplifier 5 and will be amplified by a factor K 5 by nonlinear interaction with the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the first optical parametric amplifier 5, while the pump radiation emerges from the nonlinear crystal 3, i.e., the radiation at the wavelength Ai is again deflected, as shown in Fig. 11.
[0104] Ce processus d’amplification du rayonnement à la longueur d’onde AMIR et de déplétion du rayonnement à la longueur d’onde Ai peut être répété en ajoutant en cascade plusieurs amplificateurs paramétriques optiques, jusqu’à ce que la puissance du rayonnement à la longueur d’onde Ai devienne nulle. En amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire, une resynchronisation du rayonnement à la longueur d’onde Ai et du rayonnement à la longueur d’onde AMIR est effectuée par l’utilisation d’une lame retardatrice complémentaire telle que la lame retardatrice 42. Ainsi, la mise en cascade d’amplificateurs paramétriques optiques après le premier amplificateur paramétrique optique permet d’augmenter le rendement du processus de génération du rayonnement à la longueur d’onde AMIR. This process of radiation amplification at the AMIR wavelength and radiation depletion at the Ai wavelength can be repeated by adding several optical parametric amplifiers in cascade, until the power of the radiation at the wavelength Ai becomes zero. Upstream of each additional optical parametric amplifier, a resynchronization of the radiation at the wavelength Ai and of the radiation at the AMIR wavelength is carried out by the use of a complementary delay plate such as the delay plate 42. Thus , the cascading of optical parametric amplifiers after the first optical parametric amplifier makes it possible to increase the efficiency of the process for generating radiation at the AMIR wavelength .
[0105] Une troisième variante correspond au cas où le rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire 3 correspond au faisceau signal du processus de génération de différence de fréquence, c’est-à-dire, le rayonnement à la longueur d’onde l2. Le principe est identique à la deuxième variante précédemment décrite. La figure 12 illustre cette variante. En sortie du cristal non linéaire 3, le rayonnement à la longueur d’onde l2 et le rayonnement à la longueur d’onde AMIR ne sont pas synchronisés du fait de la différence de vitesse de groupe introduite par le cristal non linéaire 3. Comme expliqué plus haut, la lame retardatrice 42 permet de resynchroniser le rayonnement à la longueur d’onde l2 et le rayonnement à la longueur d’onde AMIR. A third variant corresponds to the case where the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 corresponds to the signal beam of the frequency difference generation process, that is to say, the radiation at the wavelength l 2. The principle is identical to the second variant previously described. Figure 12 illustrates this variant. At the output of the nonlinear crystal 3, the radiation at the wavelength l 2 and the radiation at the AMIR wavelength are not synchronized due to the group speed difference introduced by the nonlinear crystal 3. As explained above, the delay plate 42 makes it possible to resynchronize the radiation at the wavelength l 2 and the radiation at the AMIR wavelength.
[0106] L’impulsion à la longueur d’onde AMIR constitue le faisceau « signal » du premier amplificateur paramétrique optique 5 et va être amplifiée d’un facteur K5 par interaction non linéaire avec le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 dans le premier amplificateur paramétrique optique 5, tandis que le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3, c’est-à-dire, le rayonnement à la longueur d’onde l2 est à nouveau dépiété, comme illustré à la figure 11. The pulse at the AMIR wavelength constitutes the "signal" beam of the first optical parametric amplifier 5 and will be amplified by a factor K 5 by nonlinear interaction with the pump radiation emerging from the nonlinear crystal 3 in the first optical parametric amplifier 5, while the pump radiation emerges from the nonlinear crystal 3, i.e., the radiation at the wavelength l 2 is again deflected, as shown in Fig. 11 .
[0107] Ce processus d’amplification du rayonnement à la longueur d’onde AMIR et de déplétion du rayonnement à la longueur d’onde l2 peut être répété en ajoutant en cascade plusieurs amplificateurs paramétriques optiques, jusqu’à que la puissance du rayonnement à la longueur d’onde l2 devienne nulle. En amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire, une resynchronisation du rayonnement à la longueur d’onde K2 et du rayonnement à la longueur d’onde AMIR est effectuée par l’utilisation d’une lame retardatrice complémentaire telle que la lame retardatrice 42. Ainsi, tout comme dans la deuxième variante, la mise en cascade d’amplificateurs paramétriques optiques après le premier amplificateur paramétrique optique 5 permet d’augmenter le rendement du processus de génération du rayonnement à la longueur d’onde AMIR. This process of amplification of the radiation at the AMIR wavelength and of depletion of the radiation at the wavelength l 2 can be repeated by adding several optical parametric amplifiers in cascade, until the power of the radiation at the wavelength l 2 becomes zero. Upstream of each parametric amplifier additional optics, a resynchronization of the radiation at the wavelength K2 and of the radiation at the AMIR wavelength is carried out by the use of an additional delay plate such as the delay plate 42. Thus, just as in the second As a variant, the cascading of optical parametric amplifiers after the first optical parametric amplifier 5 makes it possible to increase the efficiency of the process for generating radiation at the AMIR wavelength.
[0108] Une quatrième variante, illustrée à la figure 13, utilise une cascade d’amplificateurs paramétriques optiques alignés en aval du premier amplificateur paramétrique optique 5. Chaque interaction non linéaire se déroulant dans un amplificateur paramétrique optique Ai, i étant un entier supérieur ou égal à 1 , amplifie le rayonnement à la longueur d’onde AMIR et génère un rayonnement dit « idler » à la longueur d’onde Awierj inférieure à la longueur d’onde AMIR. A fourth variant, illustrated in FIG. 13, uses a cascade of optical parametric amplifiers aligned downstream of the first optical parametric amplifier 5. Each nonlinear interaction taking place in an optical parametric amplifier Ai, i being an integer greater than or equal to 1, amplifies the radiation at the AMIR wavelength and generates so-called “idler” radiation at the wavelength Awi erj lower than the AMIR wavelength.
[0109] La variante consiste, en aval de l’amplificateur paramétrique optique 5, à resynchroniser le rayonnement à la longueur d’onde AMIR avec le rayonnement à la longueur d’onde Awierj avec une lame retardatrice complémentaire 42i telle que la lame retardatrice 42, où i est un nombre entier supérieur ou égal à 1. Le rayonnement à la longueur d’onde Aidierj constitue le rayonnement de pompe de l’amplificateur paramétrique optique Ai+1 et va interagir avec le rayonnement à la longueur d’onde AMIR dans celui-ci, amplifiant le rayonnement à la longueur d’onde AMIR d’un facteur KAI et générant un rayonnement « idler » à la longueur d’onde Awierj+i inférieure à la longueur d’onde AMIR. Le rayonnement « idler » à la longueur d’onde Awierj+i sert de rayonnement de pompe à l’amplificateur paramétrique optique Ai+2. Ainsi, cette cascade d’amplificateurs paramétriques optiques permet également d’augmenter le rendement du processus de génération du rayonnement à la longueur d’onde AMIR. The variant consists, downstream of the optical parametric amplifier 5, in resynchronizing the radiation at the AMIR wavelength with the radiation at the Awi erj wavelength with a complementary delay plate 42i such as the delay plate 42, where i is an integer greater than or equal to 1. The radiation at the wavelength Ai dierj constitutes the pump radiation of the optical parametric amplifier Ai+1 and will interact with the radiation at the wavelength AMIR in it, amplifying the radiation at the AMIR wavelength by a factor KAI and generating “idler” radiation at the wavelength Awi erj+i lower than the AMIR wavelength. The “idler” radiation at the wavelength Awi erj+i serves as pump radiation for the optical parametric amplifier Ai+2. Thus, this cascade of optical parametric amplifiers also makes it possible to increase the efficiency of the process for generating radiation at the AMIR wavelength.
[0110] Dans une cinquième variante, dans le cas de l’utilisation de la lame retardatrice 42, il est possible de focaliser l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et le rayonnement de pompe émergent du cristal non linéaire 3 dans le premier amplificateur paramétrique optique 5, par exemple à l’aide d’un élément focalisant tel qu’une lentille positionnée entre la lame retardatrice 42 et le premier amplificateur paramétrique optique 5. L’intensité lumineuse est alors augmentée dans le premier amplificateur paramétrique optique 5, et par conséquent, le gain d’interaction entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et le rayonnement de pompe émergent. L’impulsion à la longueur d’onde AMIR émerge du premier amplificateur optique 5 avec une puissance augmentée. In a fifth variant, in the case of the use of the delay blade 42, it is possible to focus the pulse at the AMIR wavelength and the pump radiation emerges from the nonlinear crystal 3 in the first optical parametric amplifier 5, for example using a focusing element such as a lens positioned between the delay blade 42 and the first optical parametric amplifier 5. The light intensity is then increased in the first optical parametric amplifier 5, and hence the interaction gain between the AMIR wavelength pulse and the pump radiation emerges. The AMIR wavelength pulse emerges from the first optical amplifier 5 with increased power.
[0111] Dans cette variante, l’élément focalisant peut introduire une différence de vitesse groupe additionnelle entre l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et le rayonnement de pompe émergent. L’épaisseur ou le matériau de la lame retardatrice 42 peuvent être alors ajustés pour compenser cette différence de groupe additionnelle de sorte à optimiser la synchronisation de l’impulsion à la longueur d’onde AMIR et du rayonnement de pompe émergent dans le premier amplificateur optique paramétrique 5. In this variant, the focusing element can introduce an additional group speed difference between the pulse at the AMIR wavelength and the emergent pump radiation. The thickness or material of the retarder blade 42 can then be adjusted to compensate for this additional group difference so as to optimize the synchronization of the pulse at the AMIR wavelength and the emerging pump radiation in the first parametric optical amplifier 5.
[0112] Dans une sixième variante, la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 sont contenues dans deux impulsions source émises par la source optique 2 mais distinctes. Cette variante est donc configurée pour mettre en œuvre un processus de différence de fréquence inter-impulsions. Par exemple, la source optique 2 peut être un amplificateur paramétrique optique générant deux impulsions émergentes aux longueurs d’onde Ai et l2 respectivement. Les deux impulsions émergentes sont agencées pour se propager colinéairement, présenter une polarisation identique et être superposées temporellement. In a sixth variant, the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2 are contained in two source pulses emitted by the optical source 2 but distinct. This variant is therefore configured to implement an inter-pulse frequency difference process. For example, the optical source 2 can be an optical parametric amplifier generating two emergent pulses at wavelengths Ai and l2 respectively. The two emerging pulses are arranged to propagate collinearly, have identical polarization and be temporally superimposed.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de génération (1) d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen, comprenant : 1. Device for generating (1) at least one pulse in the mid-infrared, comprising:
- une source optique (2) configurée pour émettre au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde Ai et une seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 situées dans une gamme spectrale inférieure au moyen infrarouge, - an optical source (2) configured to emit at least one source pulse, the at least one source pulse having a first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength Â2 located in a lower spectral range medium infrared,
- un cristal non linéaire (3) configuré pour générer ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde l2, - a nonlinear crystal (3) configured to generate said at least one pulse at an AMIR wavelength in the mid-infrared from the at least one source pulse by a frequency difference generation process between the first component spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength l2,
- un premier amplificateur paramétrique optique (5), caractérisé en ce que : - a first optical parametric amplifier (5), characterized in that:
- le dispositif de génération (1) comprend au moins une lame retardatrice (42) présentant un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen et l’une parmi la première longueur d’onde Ai et la seconde longueur d’onde l2,- the generation device (1) comprises at least one delay blade (42) having an optical delay configured for two useful wavelengths, the two useful wavelengths being the AMIR wavelength in the mid-infrared and one of the first wavelength Ai and the second wavelength l2,
- le dispositif de génération est un dispositif aligné le long d’un axe optique d’alignement (D), - the generating device is a device aligned along an optical alignment axis (D),
- la lame retardatrice (42) est placée entre le cristal non linéaire (3) et le premier amplificateur paramétrique optique (5), - the delay blade (42) is placed between the nonlinear crystal (3) and the first optical parametric amplifier (5),
- la lame retardatrice (42) est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion de longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen en provenance du cristal non linéaire (3) et la transmettre en direction du premier amplificateur paramétrique optique (5), - the delay plate (42) is configured to receive said at least one AMIR wavelength pulse in the mid-infrared from the nonlinear crystal (3) and transmit it in the direction of the first optical parametric amplifier (5),
- la lame retardatrice (42) est configurée pour recevoir un rayonnement de pompe émergeant du cristal non linéaire à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2, et pour transmettre le rayonnement de pompe en direction du premier amplificateur paramétrique optique (5), - the delay plate (42) is configured to receive pump radiation emerging from the nonlinear crystal at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2, and to transmit the pump radiation towards the first amplifier optical parametric (5),
- le retard optique de la lame retardatrice (42) est adapté pour synchroniser dans le premier amplificateur paramétrique optique (5) ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR dans l’infrarouge moyen avec ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde K2. - the optical delay of the delay plate (42) is adapted to synchronize in the first optical parametric amplifier (5) said at least one pulse at the AMIR wavelength in the mid-infrared with said pump radiation at the first wavelength Ai wavelength or the second wavelength K2.
2. Dispositif de génération (1) selon la revendication 1, dans lequel la lame retardatrice (42) est une lame biréfringente. 2. Generation device (1) according to claim 1, in which the delay blade (42) is a birefringent blade.
3. Dispositif de génération (1) selon la revendication 2, dans lequel le matériau de la lame retardatrice (42) biréfringente et sa coupe sont choisis pour introduire une différence de vitesses de groupe entre ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR et ledit rayonnement de pompe à la première longueur d’onde Ai ou à la seconde longueur d’onde l2, ladite différence de vitesses de groupe étant égale à l’opposée d’une différence de vitesses de groupe, en sortie du cristal non linéaire (3), entre ledit rayonnement de pompe et ladite au moins une impulsion à la longueur d’onde AMIR. 3. Generation device (1) according to claim 2, in which the material of the birefringent retarding plate (42) and its cut are chosen to introduce a difference in group velocities between said at least one pulse at the wavelength AMIR and said pump radiation at the first wavelength Ai or at the second wavelength l2, said difference in group velocities being equal to the opposite of a difference in group velocities, at the output of the crystal not linear (3), between said pump radiation and said at least one pulse at the AMIR wavelength.
4. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un ou plusieurs amplificateurs paramétriques optiques supplémentaires positionnés en cascade et en aval du premier amplificateur paramétrique optique (5) et comprenant une autre lame retardatrice (42, 421) en amont de chaque amplificateur paramétrique optique supplémentaire. 4. Generation device (1) according to one of claims 1 to 3, further comprising one or more additional optical parametric amplifiers positioned in cascade and downstream of the first optical parametric amplifier (5) and comprising another delay blade (42 , 421) upstream of each additional optical parametric amplifier.
5. Dispositif de génération (1) selon la revendication 1 , comprenant en outre une lame duale (41) et dans lequel : 5. Generation device (1) according to claim 1, further comprising a dual blade (41) and wherein:
- la lame duale (41) présente un retard optique configuré pour deux longueurs d’onde utiles, les deux longueurs d’onde utiles étant la première longueur d’onde Ai et la seconde longueur d’onde l2, - the dual plate (41) has an optical delay configured for two useful wavelengths, the two useful wavelengths being the first wavelength Ai and the second wavelength l2,
- la lame duale (41) est placée entre la source optique (2) et le cristal non linéaire- the dual blade (41) is placed between the optical source (2) and the nonlinear crystal
(3), (3),
- la lame duale (41) est configurée pour recevoir ladite au moins une impulsion source et la transmettre en direction du cristal non linéaire (3), - the dual blade (41) is configured to receive said at least one source pulse and transmit it in the direction of the nonlinear crystal (3),
- le retard optique de la lame duale (41) configuré pour la première longueur d’onde Ai est égal à (Ni+1/2)x Ai et le retard optique de la lame duale (41) configuré pour la seconde longueur d’onde l2 est égal à N2X l2, avec Ni et N2 deux entiers positifs. - the optical delay of the dual plate (41) configured for the first wavelength Ai is equal to (Ni+1/2)x Ai and the optical delay of the dual plate (41) configured for the second wavelength of wave l2 is equal to N2X l2, with Ni and N2 two positive integers.
6. Dispositif de génération (1) selon la revendication 5, dans lequel la lame duale (41) présente une épaisseur fixe. 6. Generation device (1) according to claim 5, wherein the dual blade (41) has a fixed thickness.
7. Dispositif de génération (1) selon la revendication 5, dans lequel la lame duale (41) est constituée d’une paire de prismes droits (411,412) aptes à se déplacer en translation l’un par rapport à l’autre, de sorte que l’épaisseur de la lame duale soit variable. 7. Generation device (1) according to claim 5, wherein the dual blade (41) consists of a pair of straight prisms (411,412) able to move in translation relative to each other, so that the thickness of the dual blade is variable.
8. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel la lame duale (41) est une lame biréfringente. 8. Generation device (1) according to one of claims 5 to 7, wherein the dual blade (41) is a birefringent blade.
9. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 sont superposées spatialement. 9. Generation device (1) according to one of claims 1 to 8, in which the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength Â2 are spatially superimposed.
10. Dispositif de génération (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde Â2 sont séparées spatialement et disjointes spectralement. 10. Generation device (1) according to one of claims 1 to 8, in which the first spectral component of wavelength Ai and the second spectral component of wavelength Â2 are spatially separated and spectrally disjoint.
11. Procédé de génération d’au moins une impulsion dans l’infrarouge moyen AMIR mis en œuvre par un dispositif de génération (1) selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes : 11. Method for generating at least one pulse in the mid-infrared AMIR implemented by a generation device (1) according to claim 1, comprising the following steps:
- émission par une source optique (2) d’au moins une impulsion source, la au moins une impulsion source présentant une première composante spectrale de longueur d’onde Ai et une seconde composante spectrale de longueur d’onde l2 situées dans le proche infrarouge, - emission by an optical source (2) of at least one source pulse, the at least one source pulse having a first spectral component of wavelength Ai and a second spectral component of wavelength l2 located in the near infrared ,
- réception de la au moins une impulsion source par un cristal non linéaire (3),- reception of the at least one source pulse by a nonlinear crystal (3),
- génération par ledit cristal non linéaire (3) de ladite au moins une impulsion à une longueur d’onde AMIR à partir de la au moins une impulsion source par un processus de génération de différence de fréquence entre la première composante spectrale de longueur d’onde Ai et la seconde composante spectrale de longueur d’onde K, - generation by said nonlinear crystal (3) of said at least one pulse at an AMIR wavelength from the at least one source pulse by a process of generating a frequency difference between the first spectral component of wavelength wave Ai and the second spectral component of wavelength K,
- rotation de la lame retardatrice (42) dans son plan, et optionnellement, rotations de la lame retardatrice (42) dans des directions perpendiculaires à l’axe optique d’alignement D du dispositif de génération. - rotation of the retarder blade (42) in its plane, and optionally, rotations of the retarder blade (42) in directions perpendicular to the optical axis of alignment D of the generation device.
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