FR2743904A1 - Phase conjugated optical resonant cavity with parametric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à l'émission de raies cohérentes dans le domaine spectral optique, en particulier visibleinfrarouge et, plus particulièrement, à l'émission et au balayage de telles raies obtenues par interaction paramétrique à partir d'une onde pompe dans des cavités dites résonantes constituant des sources de rayonnement. The present invention relates to the emission of coherent lines in the optical spectral domain, in particular visible infrared and, more particularly, to the emission and scanning of such lines obtained by parametric interaction from a pump wave in cavities. say resonant constituting sources of radiation.
L'invention s'applique dans de nombreux domaines où l'utilisation d'un faisceau laser de haute qualité (finesse spectrale d'émission, forme d'onde) combinée à un balayage spectral étendu et de grande résolution constituent, séparément ou en association, des critères clés de performance: par exemple en spectroscopie, lidar, détection de gaz, vélocimétrie, biophysique, photochimie, etc.The invention applies in many fields where the use of a high quality laser beam (spectral fineness of emission, waveform) combined with an extended spectral scan and of high resolution constitute, separately or in combination , key performance criteria: for example in spectroscopy, lidar, gas detection, velocimetry, biophysics, photochemistry, etc.
De telles sources, nommées sources Oscillateur Paramétrique
Optique (en abrégé OPO), contiennent, de manière connue, un cristal non-linéaire entre au moins deux miroirs, par exemple un cristal de phosphate de potassium dopé au titane (KTiPO3 dit KTP) ou de niobate de lithium (LiNbO3), permettant de créer des couplages résonants entre les ondes traversant le cristal à partir d'une onde dite de pompe. Une telle source OPO est décrite par exemple dans un article de R.C.Eckardt et al du "Journal of Optical Society" B 8(3), 646, mars 1991, et intitulé "Optical
Parametric Oscillator Frequency tuning and control" En fonctionnement, une interaction dite "à trois ondes " se produit: I'onde de pompe, émise par un laser primaire, est injectée dans la cavité résonante cette onde primaire donne naissance, par interaction élastique et couplage paramétré résonant, à deux ondes polarisées secondaires cohérentes, une onde signal et une onde "complémentaire" (c'est-à-dire "idler" en terminologie anglo-saxonne) présentant des fréquences liées à celle de l'onde primaire de pompe. Les miroirs présentent classiquement un coefficient de réflexion maximal à la longueur d'onde d'au moins l'une des deux ondes secondaires.Such sources, called sources Parametric Oscillator
Optics (abbreviated as OPO), contain, in a known manner, a non-linear crystal between at least two mirrors, for example a potassium phosphate crystal doped with titanium (KTiPO3 called KTP) or lithium niobate (LiNbO3), allowing to create resonant couplings between the waves passing through the crystal from a so-called pump wave. Such an OPO source is described for example in an article by RCEckardt et al of the "Journal of Optical Society" B 8 (3), 646, March 1991, and entitled "Optical
Parametric Oscillator Frequency tuning and control "In operation, a so-called" three-wave "interaction occurs: the pump wave, emitted by a primary laser, is injected into the resonant cavity this primary wave gives rise, by elastic interaction and coupling parametrized resonant, with two coherent secondary polarized waves, a signal wave and a "complementary" wave (that is to say "idler" in English terminology) having frequencies linked to that of the primary pump wave. Mirrors conventionally have a maximum reflection coefficient at the wavelength of at least one of the two secondary waves.
Les ondes secondaires sont en général multimodes (longitudinal), c'est-à-dire que les fréquences de ces ondes se groupent pour constituer des modes d'émission associés, un mode signal étant associé à un mode idler. La détermination des modes d'émission de la source OPO, à partir de modes signal et idler associés, résulte d'un compromis entre les trois conditions suivantes, classées par ordre d'importance:
(1) respect de la conservation de l'énergie, c'est-à-dire que la somme des fréquences du mode signal et du mode idler associé est égale à la fréquence du mode de pompe qui les engendre;
(2) proximité en fréquence, à la fois pour l'onde signal et l'onde idler, d'un mode propre de résonance de la cavité paramétrée; cette condition se traduit par le fait que les fréquences des ondes signal et idler sont comprises dans la largeur spectrale recouverte par un mode de résonance propre de la cavité paramétrée.The secondary waves are generally multimode (longitudinal), that is to say that the frequencies of these waves are grouped to constitute associated emission modes, a signal mode being associated with an idler mode. The determination of the emission modes of the OPO source, from associated signal and idler modes, results from a compromise between the following three conditions, classified in order of importance:
(1) respect for energy conservation, that is to say that the sum of the frequencies of the signal mode and of the associated idler mode is equal to the frequency of the pump mode which generates them;
(2) proximity in frequency, both for the signal wave and the idler wave, of a specific resonance mode of the configured cavity; this condition results in the fact that the frequencies of the signal and idler waves are included in the spectral width covered by a specific resonance mode of the configured cavity.
(3) vérification des conditions d'accord de phase. (3) verification of phase agreement conditions.
La condition (1) est vérifiée par mise en correspondance des fréquences des modes de l'onde idler avec l'image des fréquences des modes de l'onde signal. La correspondance est réalisée par symétrie axiale, d'axe coïncidant avec la moitié de la fréquence de l'onde de pompe, des "peignes" constitués par les fréquences des modes idler et signal. Condition (1) is verified by matching the frequencies of the idler wave modes with the image of the frequencies of the signal wave modes. The correspondence is carried out by axial symmetry, with an axis coinciding with half the frequency of the pump wave, "combs" formed by the frequencies of the idler and signal modes.
Une mise en correspondance exacte n'est pas possible dans une source OPO classique. En effet, chaque mode résonant dans la cavité paramétrée - mode pompe, signal ou idler - présente un pas caractéristique entre fréquences, appelé "intervalle spectral libre", et cet intervalle, qui dépend de la polarisation et de la fréquence du type d'onde considéré (pompe, signal ou idler), est différent pour l'onde idler et l'onde signal. Exact matching is not possible in a conventional OPO source. In fact, each resonant mode in the configured cavity - pump, signal or idler mode - has a characteristic step between frequencies, called "free spectral interval", and this interval, which depends on the polarization and the frequency of the wave type. considered (pump, signal or idler), is different for the idler wave and the signal wave.
Les modes ne peuvent donc, en général, coïncider. Seuls les maxima de recouvrement des deux peignes vont pouvoir osciller lorsqu'ils se trouvent sensiblement au centre de la courbe de gain de la source OPO, dont la largeur définit la tolérance à la condition (3) d'accord de phase. A chacun des maxima correspond alors un groupe de modes adjacents possibles. Le nombre de modes par groupe dépend de la largeur spectrale de chacun des modes. Les groupes sont espacés typiquement d'une centaine de modes, soit de 1 à 10 cm-1 en nombre d'ondes. The modes cannot therefore, in general, coincide. Only the maximum of overlap of the two combs will be able to oscillate when they are substantially at the center of the gain curve of the OPO source, the width of which defines the tolerance on condition (3) of phase agreement. Each of the maxima then corresponds to a group of possible adjacent modes. The number of modes per group depends on the spectral width of each of the modes. The groups are typically spaced from a hundred modes, or from 1 to 10 cm-1 in number of waves.
En pratique, une source OPO peut fonctionner en régime impulsionnel ou continu. In practice, an OPO source can operate in impulse or continuous mode.
En régime impulsionnel, une source OPO a en général un fonctionnement multimode longitudinal, c'est-à-dire une émission de plusieurs couples de modes secondaires. Sa largeur spectrale d'émission est typiquement de quelques cm-1 à quelques dizaines de cm-1 dans le cas d'impulsions de durée de l'ordre de la dizaine de nanosecondes. Pour le rendre monomode, il faut que l'un des modes possède un gain nettement supérieur à ceux des autres. Pour ce faire, un mode peut être favorisé par injection de photons dans la cavité, ou bien par atténuation des autres modes par filtrage. In pulse mode, an OPO source generally has a longitudinal multimode operation, that is to say an emission of several pairs of secondary modes. Its emission spectral width is typically from a few cm-1 to a few tens of cm-1 in the case of pulses of duration of the order of ten nanoseconds. To make it single-mode, one of the modes must have a gain significantly higher than that of the others. To do this, a mode can be favored by injecting photons into the cavity, or by attenuation of the other modes by filtering.
L'OPO en régime continu est, lui, naturellement monomode. Mais il peut passer d'un mode à un autre par sauts de mode; son émission monomode est alors limitée par ces sauts de mode. OPO in continuous mode is naturally monomode. But it can pass from one mode to another by mode jumps; its single-mode emission is then limited by these mode jumps.
Que le régime soit impulsionnel ou continu, toute instabilité ou variation de longueur optique de la cavité ou de la fréquence de pompe conduit à un déplacement relatif des deux peignes devant être mis en correspondance. Les maxima de recouvrement des deux peignes sont également déplacés et, dans ces conditions, un autre couple de modes peut très rapidement présenter un gain supérieur. L'oscillation se déplace alors sur ce couple de modes, qui peut être un couple voisin du même groupe, mais aussi un couple d'un autre groupe. Dans le premier cas, le saut de modes représente environ 0,01 à 0,1 cm-1 et, dans le second, le saut de groupes signifie un déplacement supérieur au cm-1. Whether the regime is impulse or continuous, any instability or variation in optical length of the cavity or of the pump frequency leads to a relative displacement of the two combs which must be matched. The maximum overlaps of the two combs are also displaced and, under these conditions, another pair of modes can very quickly have a higher gain. The oscillation then moves on this couple of modes, which can be a neighboring couple of the same group, but also a couple of another group. In the first case, the mode jump represents approximately 0.01 to 0.1 cm-1 and, in the second, the group jump means a displacement greater than cm-1.
Un balayage de modes peut être obtenu en régime impulsionnel comme en régime continu. Un balayage simple est habituellement réalisé par réglage d'au moins l'un des paramètres fondamentaux suivants: la fréquence de pompe, I'orientation du cristal non-linéaire, la température, une pression mécanique ou une tension électrique appliquée, ou la longueur de la cavité. Dans les conditions d'instabilité évoquées, le balayage simple, réalisé par saut de groupes, est difficilement contrôlable en amplitude et en orientation. A mode sweep can be obtained in pulse mode as in continuous mode. A simple sweep is usually carried out by adjusting at least one of the following fundamental parameters: the pump frequency, the orientation of the non-linear crystal, the temperature, a mechanical pressure or an applied electric voltage, or the length of the cavity. Under the conditions of instability mentioned, the simple scanning, performed by group jumping, is difficult to control in amplitude and in orientation.
Or un grand nombre d'applications utilise un balayage en fréquences d'au moins l'une des ondes secondaires. De plus, pour certaines des applications (par exemple en spectroscopie), le balayage doit être particulièrement fin et de grande résolution. However, a large number of applications use a frequency sweep of at least one of the secondary waves. In addition, for some of the applications (for example in spectroscopy), the scanning must be particularly fine and of high resolution.
En asservissant la longueur de la cavité à la variation de l'un des autres paramètres précédents, un balayage quasi-continu par saut de modes peut être obtenu. Un balayage continu ne devient possible qu'au prix d'un asservissement plus contraignant, associant un troisième paramètre. La cavité OPO est séparée en deux ou trois branches de manière à faire osciller l'onde signal et l'onde idler dans deux branches différentes. Les longueurs de cavité dans lesquelles oscillent ces deux ondes sont ainsi découplées. Les longueurs des branches, associées respectivement à l'onde signai et à l'onde idler, sont asservies séparément au troisième paramètre. En fait, un balayage continu n'est alors possible que sur une plage très réduite de fréquences. By slaving the length of the cavity to the variation of one of the other preceding parameters, a quasi-continuous scanning by mode jump can be obtained. Continuous scanning only becomes possible at the cost of a more restrictive control, associating a third parameter. The OPO cavity is separated into two or three branches so as to oscillate the signal wave and the idler wave in two different branches. The cavity lengths in which these two waves oscillate are thus decoupled. The lengths of the branches, associated respectively with the signal wave and the idler wave, are slaved separately to the third parameter. In fact, continuous scanning is only possible over a very small range of frequencies.
Or, la mise en oeuvre d'un balayage continu entre les différents modes avec une qualité optique stable (longueur d'onde, cadence, énergie) et proche de la limite de diffraction, quelle que soient les conditions d'utilisation, constitue une application importante des sources OPO. Une telle mise en oeuvre permettrait d'obtenir une émission laser finement accordable. However, the implementation of a continuous scanning between the different modes with a stable optical quality (wavelength, cadence, energy) and close to the diffraction limit, whatever the conditions of use, constitutes an application. important from OPO sources. Such an implementation would make it possible to obtain a finely tunable laser emission.
Par ailleurs, les applications évoquées demandent en général une bonne qualité transverse du faisceau, quelles que soient les conditions d'utilisation de la source de rayonnement. Or, dans une source de type
OPO, une dégradation de la qualité de l'onde et des pertes par diffraction sur l'onde signal etlou l'onde idler sont provoquées principalement par:
- des distorsions de phase sur les ondes (signal, idler etlou pompe);
- des effets de lentille thermique dus à l'échauffement du cristal non-linéaire par absorption des ondes.Furthermore, the applications mentioned generally require good transverse quality of the beam, whatever the conditions of use of the radiation source. Now, in a type source
OPO, a degradation of the quality of the wave and losses by diffraction on the signal wave and / or the idler wave are mainly caused by:
- phase distortions on the waves (signal, idler and / or pump);
- thermal lens effects due to the heating of the non-linear crystal by absorption of the waves.
De plus ces effets de distorsion conduisent à une baisse du rendement de conversion de l'OPO consécutive à l'introduction d'une dispersion angulaire des vecteurs d'onde. In addition, these distortion effects lead to a reduction in the conversion efficiency of the OPO following the introduction of an angular dispersion of the wave vectors.
L'invention vise à pallier ces inconvénients, en réalisant de manière simple, d'une part, une grande stabilité et, d'autre part, un balayage continu et contrôlé sur une plage spectrale étendue (par exemple 0,4 à 0,7 pm). The invention aims to overcome these drawbacks, by achieving in a simple manner, on the one hand, high stability and, on the other hand, continuous and controlled scanning over a wide spectral range (for example 0.4 to 0.7 pm).
Pour ce faire, I'invention repose sur l'exploitation de l'inversion de phase et de propagation d'une onde provoquées simultanément par un miroir à conjugaison de phase (en abrégé MCP). Tout front d'onde se retrouve avec un profil identique après réflexion sur un MCP, mais avec une propagation de sens opposé. Dans ces conditions, les distorsions induites dans une cavité de type source OPO (en particulier dans le cristal nonlinéaire) avant réflexion, sont appiiquées de nouveau lors du passage retour mais en sens inverse, et sont ainsi neutralisées. En corollaire, tout front d'onde se retrouve identique à lui-même après un nombre pair de tours de cavité, avec le même sens de propagation et la même phase, quelle que soit sa fréquence. To do this, the invention is based on the exploitation of the phase inversion and propagation of a wave caused simultaneously by a phase conjugation mirror (abbreviated as MCP). Any wave front ends up with an identical profile after reflection on a MCP, but with a propagation of opposite direction. Under these conditions, the distortions induced in an OPO source type cavity (in particular in the nonlinear crystal) before reflection, are applied again during the return passage but in the opposite direction, and are thus neutralized. As a corollary, any wavefront is found identical to itself after an even number of cavity turns, with the same direction of propagation and the same phase, whatever its frequency.
II existe différents types de MCP : à Emission Brillouin Stimulée à deux ondes optiques et une onde acoustique, réalisé dans une cellule de gaz ou de liquide (par exemple de CS2), ou à Mélange à quatre Ondes réalisé par exemple dans un matériau photoréfractif (tel qu'un cristal de
BaTiO3), un milieu absorbant saturable (telle que la "Rhodamine") ou dans un milieu amplificateur laser (tel que Nd: YVO4, ou Ti :A1203). Les MCP à quatre ondes nécessitent un pompage, effectué par auto-pompage ou pompage externe. La structure et le mode de fonctionnement de tels miroirs sont décrits par exemple dans l'article de D.M.Pepper du journal Optical
Engineering 21 (2), 156, mars-avril 1982, et intitulé "Nonlinear Optical Phase
Conjugaison", ou dans l'article de A Brignon et J-P Huignard du journal IEEE ne30, 2203, 1994, et intitulé "Transient analysis of degenerate four wave mixing orthogonally polarised pump beams in a saturable Nd: YAG amplifier"
Les miroirs à conjugaison de phase permettent habituellement d'améliorer la forme d'onde ou d'affiner longitudinalement (par dégénérescence des modes transversaux) un faisceau laser, et donc pour une seule longueur d'onde.There are different types of MCP: Stimulated Brillouin Emission with two optical waves and an acoustic wave, produced in a gas or liquid cell (for example CS2), or Four-wave Mixture produced for example in a photorefractive material ( such as a crystal of
BaTiO3), a saturable absorbent medium (such as "Rhodamine") or in a laser amplifying medium (such as Nd: YVO4, or Ti: A1203). Four-wave MCPs require pumping, performed by self-pumping or external pumping. The structure and mode of operation of such mirrors are described for example in the article by DMPepper from the journal Optical
Engineering 21 (2), 156, March-April 1982, and entitled "Nonlinear Optical Phase
Conjugaison ", or in the article by A Brignon and JP Huignard of the journal IEEE ne30, 2203, 1994, and entitled" Transient analysis of degenerate four wave mixing orthogonally polarized pump beams in a saturable Nd: YAG amplifier "
Phase conjugation mirrors usually make it possible to improve the waveform or to refine a laser beam longitudinally (by degeneration of the transverse modes), and therefore for a single wavelength.
En combinant un MCP et une source OPO selon des configurations particulières formant une cavité de résonance selon l'invention, tous les modes potentiels de ou des onde(s) secondaire(s) non réfléchie(s) sur le MCP vont pouvoir être couplés avec l'onde réfléchie par le
MCP. Cet effet résulte du fait qu'un MCP s'adapte à l'onde qu'il réfléchit, et que cette propriété est ici exploitée pour rendre indépendante la fréquence de l'onde réfléchie vis-à-vis de la longueur de cavité.By combining an MCP and an OPO source according to particular configurations forming a resonance cavity according to the invention, all of the potential modes of secondary wave (s) not reflected on the MCP can be coupled with the wave reflected by the
MCP. This effect results from the fact that an MCP adapts to the wave it reflects, and that this property is used here to make the frequency of the reflected wave independent with respect to the length of cavity.
II n'est alors plus nécessaire de se trouver au voisinage d'une coïncidence de deux peignes de fréquences, et l'oscillation est alors possible sur tous les modes de l'onde secondaire non réfléchie par le MCP. It is then no longer necessary to be in the vicinity of a coincidence of two frequency combs, and oscillation is then possible on all the modes of the secondary wave not reflected by the MCP.
De plus, les aberrations de front d'onde de la ou des ondes réfléchies par le MCP sont corrigées. La qualité des fronts d'onde de la ou des ondes non réfléchies par le MCP s'en trouve également améliorée par couplage lors de l'interaction. Dans tous les cas, le front d'onde de l'onde secondaire utile, c'est-à-dire émise, s'en trouve donc sensiblement améliorée. In addition, the wavefront aberrations of the wave or waves reflected by the MCP are corrected. The quality of the wave fronts of the wave or waves not reflected by the MCP is also improved by coupling during the interaction. In all cases, the wave front of the useful secondary wave, that is to say emitted, is therefore significantly improved.
Dans ces conditions, le ou les modes qui oscillent effectivement sont uniquement déterminés par la courbe de gain des éléments de la cavité de résonance. Under these conditions, the mode or modes which actually oscillate are only determined by the gain curve of the elements of the resonance cavity.
Plus précisément, I'invention a pour objet une cavité résonante paramétrique optique intégrant un miroir à conjugaison de phase, comportant un cristal non-linéaire, un laser primaire émettant une onde de pompe générant, par couplage paramétré résonant, deux ondes polarisées secondaires multimodes, une onde signal et une onde idler de fréquences signal et idler liées à celle de l'onde de pompe, des miroirs présentant des coefficients de réflexion maximals à la longueur d'onde d'au moins l'une des deux ondes secondaires, la cavité étant caractérisée en ce qu'une conjugaison de phase est organisée sur au moins une branche de résonance pour l'une au moins des ondes suivantes: I'une des ondes secondaires et l'onde pompe. More specifically, the invention relates to an optical parametric resonant cavity integrating a phase conjugation mirror, comprising a non-linear crystal, a primary laser emitting a pump wave generating, by parametric resonant coupling, two multimode secondary polarized waves, a signal wave and an idler wave of signal and idler frequencies linked to that of the pump wave, mirrors having maximum reflection coefficients at the wavelength of at least one of the two secondary waves, the cavity being characterized in that a phase conjugation is organized on at least one resonance branch for at least one of the following waves: one of the secondary waves and the pump wave.
Selon deux modes particuliers de réalisation, la conjugaison de phase peut être organisée en:
- intégrant un MCP dans une source OPO via un miroir dichroïque, qui réfléchit sélectivement l'une et/ou l'autre des deux ondes signal ou idler, selon plusieurs types de configuration: soit dans des configurations en Y appelées ci-après de base, soit dans des configurations à résonateurs à conjugaison de phase multiple intégrant chacun un MCP, soit dans des configurations en anneau ; ou bien
- intégrant une source OPO dans un résonateur à conjugaison de phase qui réfléchit l'onde pompe, également selon plusieurs types de configuration.According to two particular embodiments, the phase conjugation can be organized by:
- integrating an MCP into an OPO source via a dichroic mirror, which selectively reflects one and / or the other of the two signal or idler waves, according to several types of configuration: either in Y configurations called hereinafter basic , either in configurations with multiple phase conjugation resonators each integrating an MCP, or in ring configurations; or
- integrating an OPO source in a phase conjugation resonator which reflects the pump wave, also according to several types of configuration.
De telles architectures permettent d'obtenir une émission monomode stable, un balayage quasi-continu par sauts de modes (0,01 à 0,1 cm-1) ou un balayage continu, simplifié et étendu, par exemple sur les domaines spectraux 0,4-0,7 pm ou 3-5 pm. Les sauts de groupes sont éliminés. Such architectures make it possible to obtain a stable single-mode emission, a quasi-continuous scanning by mode jumps (0.01 to 0.1 cm-1) or a continuous scanning, simplified and extended, for example over the spectral domains 0, 4-0.7 pm or 3-5 pm. Group jumps are eliminated.
Elles présentent aussi l'avantage de réduire les contraintes d'alignement des éléments optiques par rapport aux cavités à plusieurs branches classiques ou à injection, tout en améliorant la qualité spatiale des faisceaux émis et en compensant, dans le cas d'une cavité annulaire, le "walk-off" (effet provoqué par la double réfraction en terminologie anglo-saxonne). They also have the advantage of reducing the alignment constraints of the optical elements compared to the cavities with several conventional branches or with injection, while improving the spatial quality of the beams emitted and by compensating, in the case of an annular cavity, the "walk-off" (effect caused by double refraction in Anglo-Saxon terminology).
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement:
- la figure 1, un diagramme de la courbe de gain des ondes secondaires en fonction de la fréquence;
- la figure 2, un exemple de réalisation d'une cavité selon l'invention avec un MCP intégré dans une source OPO;
- la figure 3, un autre exemple de réalisation d'une cavité du même type;
- la figure 4, un exemple de réalisation d'une cavité à plusieurs
MCP;
- la figure 5, un exemple de réalisation d'une cavité en anneau;
- la figure 6, un exemple de réalisation d'une cavité de pompe intégrant une source OPO;
- la figure 7, un exemple de cavité en anneau selon l'invention intégrant une source OPO .Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description which follows, with reference to the appended figures which represent, respectively:
- Figure 1, a diagram of the gain curve of secondary waves as a function of frequency;
- Figure 2, an embodiment of a cavity according to the invention with an MCP integrated in an OPO source;
- Figure 3, another embodiment of a cavity of the same type;
- Figure 4, an embodiment of a multiple cavity
MCP;
- Figure 5, an embodiment of a ring cavity;
- Figure 6, an embodiment of a pump cavity incorporating an OPO source;
- Figure 7, an example of a ring cavity according to the invention incorporating an OPO source.
Plusieurs types d'architecture de cavité de résonance sont possibles pour organiser une conjugaison de phase selon l'invention, en particulier par combinaison d'une source OPO et d'un miroir à conjugaison de phase. De façon générale, ces architectures définissent un espace fermé par six miroirs virtuels, deux pour chacune des trois ondes: onde de pompe, onde signal et onde idler. Ces six miroirs virtuels correspondent à une mise en place de deux à six miroirs physiques, les ondes pouvant être séparées en amont et/ou en aval de l'OPO. L'un au moins des six miroirs virtuels est un MCP. On peut distinguer des configurations de base intégrant un seul
MCP, des configurations à résonateurs intégrant plusieurs MCP, ou des configurations en anneau.Les configurations via près décrites ne sont données qu'à titre d'exemple non limitatif, un grand nombre d'autres configurations pouvant être réalisées, combinant par exemple des résonateurs linéaires et annulaires. Several types of resonance cavity architecture are possible for organizing a phase conjugation according to the invention, in particular by combining an OPO source and a phase conjugation mirror. In general, these architectures define a space closed by six virtual mirrors, two for each of the three waves: pump wave, signal wave and idler wave. These six virtual mirrors correspond to an installation of two to six physical mirrors, the waves being able to be separated upstream and / or downstream of the OPO. At least one of the six virtual mirrors is an MCP. We can distinguish basic configurations integrating a single
MCP, configurations with resonators integrating several MCPs, or ring configurations. The near configurations described are only given by way of nonlimiting example, a large number of other configurations can be realized, combining for example resonators linear and annular.
Tel que représenté en figure 1, le gain G des fréquences des ondes secondaires signal et idler émises par une source OPO, respectivement s et Oj, sont distribuées selon des gaussiennes, respectivement Gs et Gi, en fonction de la fréquence f de ces ondes, pour un ensemble donné des valeurs des paramètres fondamentaux liés à la cavité (fréquence de pompe, orientation du cristal non-linéaire, température, longueur de la cavité,...). Les valeurs possibles des fréquences des ondes secondaires se répartissent en couples, f5 et fi, symétriquement par rapport à un axe A'A correspondant à la moitié de la fréquence fp de l'onde de pompe.La courbe de gain est utile pour mieux comprendre la répartition des modes de cavité dans une configuration à résonateurs multiples définie à partir d'une source OPO. As shown in FIG. 1, the gain G of the frequencies of the secondary signal and idler waves emitted by an OPO source, respectively s and Oj, are distributed according to Gaussians, respectively Gs and Gi, as a function of the frequency f of these waves, for a given set of values of the fundamental parameters related to the cavity (pump frequency, orientation of the non-linear crystal, temperature, length of the cavity, ...). The possible values of the frequencies of the secondary waves are distributed in pairs, f5 and fi, symmetrically with respect to an axis A'A corresponding to half of the frequency fp of the pump wave. The gain curve is useful for better understanding the distribution of cavity modes in a multiple resonator configuration defined from an OPO source.
La figure 2 représente schématiquement en coupe l'une des architectures de base d'un premier mode de réalisation d'une cavité paramétrée à conjugaison de phase selon l'invention, obtenue à partir d'une source OPO à cavité linéaire 1. Dans cette cavité, un MCP 2 est intégré à l'OPO linéaire 1 s'étendant entre deux miroirs d'entrée et de sortie 3 et 4 disposés en regard. Un laser de pompe 5, par exemple un laser Nd : YAG, émettant à une longueur d'onde 1,064 pm, est disposé à l'extérieur de l'OPO pour injecter l'onde de pompe par le miroir d'entrée 3. Un miroir dichroïque 6 est placé en un point O de l'axe X'X de la cavité linéaire 1. FIG. 2 schematically shows in section one of the basic architectures of a first embodiment of a parameterized phase conjugation cavity according to the invention, obtained from an OPO source with linear cavity 1. In this cavity, an MCP 2 is integrated into the linear OPO 1 extending between two input and output mirrors 3 and 4 arranged opposite. A pump laser 5, for example an Nd: YAG laser, emitting at a wavelength 1.064 μm, is arranged outside the OPO to inject the pump wave through the input mirror 3. A dichroic mirror 6 is placed at a point O on the axis X'X of the linear cavity 1.
Le miroir dichroïque 6 est incliné à 45" sur l'axe X'X pour réfléchir vers le MCP 2 I'une des ondes signal et idler, s et Oj, produites classiquement par l'OPO par couplage dans un cristal non-linéaire 7. Par exemple, avec un cristal de KTP, les longueurs d'onde signal et idler pouvant être obtenues se situent autour de 1,58 et 3,26 pm. Le choix du miroir dichroïque en fonction de l'intervalle spectral à réfléchir est déterminée par la composition des couches de matériaux diélectriques formant le miroir en fonction des réflexions souhaitées dans les bandes spectrales prédéterminées. Une telle détermination est connue de l'homme de l'art. Le miroir choisi dans cet exemple de réalisation ne réfléchit que l'onde signal.Seule l'onde idler Oj est alors délivrée en sortie de la cavité 1 par le miroir de sortie 4. The dichroic mirror 6 is inclined at 45 "on the X'X axis to reflect towards the MCP 2 one of the signal and idler waves, s and Oj, conventionally produced by the OPO by coupling in a non-linear crystal 7 For example, with a KTP crystal, the signal and idler wavelengths that can be obtained are around 1.58 and 3.26 pm The choice of the dichroic mirror as a function of the spectral range to be reflected is determined by the composition of the layers of dielectric materials forming the mirror as a function of the reflections desired in the predetermined spectral bands. Such a determination is known to those skilled in the art. The mirror chosen in this embodiment only reflects the wave signal. Only the idler wave Oj is then delivered at the output of the cavity 1 by the output mirror 4.
Le trajet des ondes dans la cavité est ainsi linéaire pour les ondes de pompe Op et idler Oj, selon la direction de l'axe principal X'X, et coudé pour l'onde signal Os selon un axe coudé X'OY. Une double oscillation peut ainsi être entretenue: une oscillation dans une branche linéaire BL entre les miroirs 3 et 4, pour les ondes non réfléchies par le miroir dichroïque, et une oscillation dans une branche à conjugaison de phase BC, entre les miroirs 2 et 3 via le miroir dichroïque 6, pour l'onde réfléchie. The path of the waves in the cavity is thus linear for the pump waves Op and idler Oj, in the direction of the main axis X'X, and bent for the signal wave Os along a bent axis X'OY. A double oscillation can thus be maintained: an oscillation in a linear branch BL between mirrors 3 and 4, for the waves not reflected by the dichroic mirror, and an oscillation in a branch with phase conjugation BC, between mirrors 2 and 3 via the dichroic mirror 6, for the reflected wave.
L'oscillation dans la branche à conjugaison de phase est spectralement affiné: une oscillation monomode longitudinale est favorisée. The oscillation in the phase conjugation branch is spectrally refined: a longitudinal single-mode oscillation is favored.
Le mode de la branche linéaire, correspondant au plus grand gain global, inscrit au sein du MCP des réseaux adaptés avec précision à sa longueur d'onde, empêchant ainsi tout autre mode d'être réfléchi efficacement. Le
MCP peut être basé, par exemple, sur un "absorbant saturable" ou sur un "mélange à quatre ondes" auto-pompé.The mode of the linear branch, corresponding to the greatest overall gain, inscribes within the MCP networks precisely adapted to its wavelength, thus preventing any other mode from being reflected effectively. The
MCP can be based, for example, on a "saturable absorber" or on a self-pumped "four-wave mixture".
La fréquence d'oscillation dans la branche à conjugaison de phase n'est pas imposée par la longueur de la branche, contrairement à celle d'un résonateur classique, comme la branche linéaire BL formée entre les miroirs 3 et 4. En effet, dans la branche à conjugaison de phase, la fréquence d'oscillation est définie uniquement comme le maximum de la courbe de gain global de l'ensemble de la cavité paramétrée à conjugaison de phase. Ainsi, le mode de l'onde (I'onde idler dans l'exemple) qui oscille dans la branche à conjugaison de phase BC est le mode associé au mode à plus grand gain de l'onde (I'onde signal dans l'exemple) qui oscille dans la branche linéaire BL. The oscillation frequency in the phase conjugation branch is not imposed by the length of the branch, unlike that of a conventional resonator, like the linear branch BL formed between mirrors 3 and 4. Indeed, in the phase conjugate branch, the oscillation frequency is defined only as the maximum of the overall gain curve of the whole of the parametric phase conjugate cavity. Thus, the mode of the wave (the idler wave in the example) which oscillates in the branch with phase conjugation BC is the mode associated with the mode with greatest gain of the wave (the signal wave in the example) which oscillates in the linear branch BL.
Tous les modes transverses associés à un même mode longitudinal ont même fréquence dans le résonateur à conjugaison de phase ,toute combinaison de modes est donc stationnaire, et la distribution spatiale du champ oscillant qui en résulte est celle qui maximalise le gain du résonateur, en optimisant l'interaction à trois ondes par compensation des aberrations (en particulier thermiques). All the transverse modes associated with the same longitudinal mode have the same frequency in the phase conjugation resonator, any combination of modes is therefore stationary, and the spatial distribution of the resulting oscillating field is that which maximizes the gain of the resonator, by optimizing three-wave interaction by compensation for aberrations (in particular thermal).
La contribution du MCP au maximum de la courbe de gain peut être déterminante ou faible suivant le type de MCP. The contribution of the MCP to the maximum of the gain curve can be decisive or low depending on the type of MCP.
- un MCP à quatre ondes à pompage externe contribue au maximum de la courbe de manière très aiguë; dans ce cas, le meilleur compromis entre le spectre du laser pompe et le gain des éléments de la cavité hors MCP (miroirs 3 et 4, miroir dichroïque, cristal non-linéaire) impose finalement la fréquence d'oscillation
- en revanche, dans le cas d'un MCP à cellule de Brillouin ou d'un
MCP à quatre ondes auto-pompé, la contribution du MCP peut être très peu coercitive; c'est le cas par exemple pour un MCP à cellule de CS2, ou d'un
MCP à quatre ondes à absorbant saturable ou à milieu laser accordable tel que Ti: Saphir; dans ce cas, la courbe de gain du reste des éléments de la cavité, et en particulier du résonateur linéaire BL, impose seule la fréquence d'oscillation.- an MCP with four waves with external pumping contributes to the maximum of the curve in a very acute way; in this case, the best compromise between the spectrum of the pump laser and the gain of the elements of the cavity outside MCP (mirrors 3 and 4, dichroic mirror, non-linear crystal) ultimately imposes the frequency of oscillation
- on the other hand, in the case of a Brillouin cell MCP or a
Self-pumped four-wave MCP, the contribution of MCP can be very coercive; this is the case for example for a CS2 cell MCP, or a
Four-wave MCP with saturable absorbent or with tunable laser medium such as Ti: Sapphire; in this case, the gain curve of the rest of the elements of the cavity, and in particular of the linear resonator BL, alone imposes the frequency of oscillation.
Cette propriété permet ainsi une auto-adaptation à un même mode de l'onde non réfléchie par le MCP, ici l'onde idler, indépendamment des fluctuations de longueur des résonateurs ou de la fréquence de l'onde de pompe. Une stabilisation passive des fréquences émises est ainsi obtenue. Un asservissement n'est plus nécessaire pour éviter les sauts de mode et les sauts de groupes intempestifs. This property thus allows self-adaptation to the same mode of the wave not reflected by the MCP, here the idler wave, independently of the fluctuations of the length of the resonators or of the frequency of the pump wave. Passive stabilization of the frequencies emitted is thus obtained. Enslavement is no longer necessary to avoid fashion jumps and untimely group jumps.
Lorsque la courbe de gain est trop plate et donc le mode de plus grand gain mal défini, il est avantageux d'introduire un filtre sélectif 8 dans la cavité, sur l'une ou l'autre des branches associées aux ondes secondaires, centré sur la fréquence désirée pour l'onde oscillant dans cette branche,
I'onde signal dans l'exemple illustré. Ce filtre, qui a pour fonction principale de définir le mode de plus grand gain, présente également l'intérêt de favoriser l'oscillation monomode longitudinale. Lorsque le pompage du MCP est externe, le spectre de la pompe réalise déjà cette fonction sélective.When the gain curve is too flat and therefore the mode of greatest gain poorly defined, it is advantageous to introduce a selective filter 8 in the cavity, on one or other of the branches associated with the secondary waves, centered on the desired frequency for the oscillating wave in this branch,
The signal wave in the example illustrated. This filter, which has the main function of defining the mode of greatest gain, also has the advantage of favoring the single-mode longitudinal oscillation. When the pumping of the MCP is external, the spectrum of the pump already performs this selective function.
Par ailleurs, un balayage quasi-continu des fréquences délivrées par sauts de modes est obtenu par déplacement de la courbe de gain. Par rapport au peigne des modes de l'onde non réfléchie par le MCP, ici l'onde idler Oj, un tel déplacement résulte de la modification des conditions d'accord de phase de l'interaction à trois ondes Op, Os et O, par l'intermédiaire de la variation d'un paramètre fondamental par exemple: orientation du cristal non-linéaire, température, ou fréquence de pompe. II est indifférent, dans cet exemple de réalisation et dans les suivants relatifs au même mode de réalisation, que l'onde de pompe de l'OPO soit réfléchi ou non par le MCP. Furthermore, a quasi-continuous scanning of the frequencies delivered by mode jumps is obtained by displacement of the gain curve. Compared to the comb of the modes of the wave not reflected by the MCP, here the idler wave Oj, such a displacement results from the modification of the phase tuning conditions of the interaction with three waves Op, Os and O, through the variation of a fundamental parameter for example: orientation of the non-linear crystal, temperature, or pump frequency. It is immaterial, in this exemplary embodiment and in the following ones relating to the same embodiment, whether the pump wave of the OPO is reflected or not by the MCP.
II est ainsi possible d'accorder la cavité de base selon l'invention en faisant osciller successivement toute une série de modes contigus. It is thus possible to tune the basic cavity according to the invention by successively oscillating a whole series of contiguous modes.
L'incrément de fréquence (ou décrément) obtenu est typiquement de 0,01 à 0,1cm-1 Aucune précaution particulière n'est nécessaire, dans la mesure où, comme précédemment, le mode de plus grand gain est défini de façon univoque. Cependant, si la sélection du mode de plus grand gain est opérée au moyen d'un filtre spécifique, ce filtre est également accordé.The frequency increment (or decrement) obtained is typically from 0.01 to 0.1 cm-1. No particular precaution is necessary, since, as before, the mode of greatest gain is unequivocally defined. However, if the selection of the highest gain mode is made by means of a specific filter, this filter is also tuned.
Par ailleurs, un balayage continu est aisé à obtenir sur une plage réduite de fréquences, par exemple sur un intervalle spectral libre s'étalant sur 0,01 à 0,1 cm-1 en nombre d'ondes. II suffit de faire varier la longueur du résonateur linéaire BL dans lequel oscille l'onde non réfléchie par le MCP, pour déplacer la position de ses modes. Cette technique est limitée par les sauts de modes. Furthermore, continuous scanning is easy to obtain over a reduced range of frequencies, for example over a free spectral interval ranging from 0.01 to 0.1 cm −1 in number of waves. It suffices to vary the length of the linear resonator BL in which the wave not reflected by the MCP oscillates, to move the position of its modes. This technique is limited by the mode jumps.
II est également possible d'obtenir un balayage continu de la fréquence d'émission sur un intervalle plus grand en déplaçant la courbe de gain globale de l'ensemble de la cavité pour que son maximum reste en coïncidence avec le mode d'oscillation souhaité. Quelle que soit le paramètre utilisé pour déplacer la courbe de gain, il suffit de synchroniser la variation de longueur du résonateur linéaire au déplacement de la courbe de gain. It is also possible to obtain a continuous sweep of the transmission frequency over a larger interval by moving the overall gain curve of the entire cavity so that its maximum remains in coincidence with the desired oscillation mode. Whatever the parameter used to move the gain curve, it suffices to synchronize the variation in length of the linear resonator with the displacement of the gain curve.
Si le MCP n'est pas accordable en fréquence, seule l'onde non réfléchie par le MCP, ici l'onde idler, est balayée en fréquence. Dans cette configuration, il convient de faire varier simultanément deux des paramètres permettant de modifier les conditions d'accord de phase : la fréquence de pompe et l'un au choix des autres paramètres possibles (orientation du cristal, température,...). De même que précédemment, la longueur du résonateur linéaire est modifiée de façon adéquate. If the MCP is not tunable in frequency, only the wave not reflected by the MCP, here the idler wave, is scanned in frequency. In this configuration, it is advisable to simultaneously vary two of the parameters making it possible to modify the phase tuning conditions: the pump frequency and one as desired of the other possible parameters (orientation of the crystal, temperature, etc.). As previously, the length of the linear resonator is appropriately changed.
Lorsque la cavité selon l'invention est utilisée en tant que source accordable sur un mode particulier, un élément sélectif peut être introduit pour mieux choisir ce mode. II est préférentiellement inséré dans le résonateur à conjugaison de phase, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de l'accorder. When the cavity according to the invention is used as a source that can be tuned to a particular mode, a selective element can be introduced to better choose this mode. It is preferably inserted into the phase conjugation resonator, so that it is not necessary to tune it.
Si le MCP est lui-même accordable à la fréquence imposée par le reste de la cavité, les deux ondes signal et idler peuvent être balayées en fréquence. II se peut que la courbe de gain ne soit pas assez étroite pour choisir le mode de façon univoque. Dans ce cas un élément sélectif peut être ajouté dans l'un des deux résonateurs, et accordé lui aussi sur le mode choisi. If the MCP is itself tunable to the frequency imposed by the rest of the cavity, both signal and idler waves can be scanned in frequency. The gain curve may not be narrow enough to choose the mode unequivocally. In this case a selective element can be added in one of the two resonators, and also tuned on the chosen mode.
Une autre configuration de cavité adaptée au cas où l'onde utile délivrée est l'onde réfléchie par le MCP, est illustrée à la figure 3. Les éléments identiques à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes signes de référence. Dans cette configuration, le miroir dichroïque 6 est disposé entre le miroir de sortie 4 et le cristal non-linéaire 7, incliné à 45" sur l'axe principal X'X pour réfléchir l'onde signal s sur le MCP 2. L'onde signal est alors délivrée du côté du miroir d'entrée 3. Another configuration of cavity adapted to the case where the useful wave delivered is the wave reflected by the MCP, is illustrated in FIG. 3. The elements identical to those of FIG. 2 are designated by the same reference signs. In this configuration, the dichroic mirror 6 is placed between the output mirror 4 and the non-linear crystal 7, inclined at 45 "on the main axis X'X to reflect the signal wave s on the MCP 2. The signal wave is then delivered from the side of the input mirror 3.
Pour obtenir une source accordable, il convient d'utiliser un MCP accordable dans le cas présent où l'onde délivrée est l'onde réfléchie par le
MCP, et les deux ondes signal et idler peuvent être simultanément balayées en fréquence.To obtain a tunable source, a tunable MCP should be used in the present case where the wave delivered is the wave reflected by the
MCP, and both signal and idler waves can be scanned in frequency simultaneously.
Si l'onde pompe est fixe en fréquence, L'accord de phase entre les ondes secondaires est modifié par un paramètre autre que la fréquence de pompe, par exemple par l'un des autres paramètres cités plus haut. La fréquence de l'onde non réfléchie par le MCP, ici l'onde idler, varie et la longueur du résonateur de cette onde est alors ajustée pour que celle-ci conserve le même mode d'oscillation au niveau du maximum de gain, et éviter ainsi le saut de modes. Un filtre sélectif accordable 8 peut être disposé sur l'un ou l'autre des résonateurs de la cavité. If the pump wave is fixed in frequency, the phase agreement between the secondary waves is modified by a parameter other than the pump frequency, for example by one of the other parameters mentioned above. The frequency of the wave not reflected by the MCP, here the idler wave, varies and the length of the resonator of this wave is then adjusted so that it retains the same oscillation mode at the maximum gain level, and thus avoiding the jump of modes. A tunable selective filter 8 can be placed on one or other of the resonators of the cavity.
L'intérêt d'une onde pompe variable en fréquence est de pouvoir conserver fixe la fréquence de l'onde non réfléchie par le MCP, ici l'onde idler, alors que la fréquence de l'onde réfléchie par le MCP, I'onde signal dans ie cas présent, est balayée en fréquence. Pour ce faire, la fréquence de pompe et l'un des autres paramètres de l'accord de phase sont simultanément accordés de manière à maintenir la fréquence de l'onde non réfléchie. Par ailleurs, le filtre sélectif 8 est préférentiellement disposé dans le résonateur linéaire BL car, dans ce cas, il peut ne pas être accordable. The interest of a pump wave variable in frequency is to be able to keep fixed the frequency of the wave not reflected by the MCP, here the idler wave, while the frequency of the wave reflected by the MCP, the wave signal in this case, is scanned in frequency. To do this, the pump frequency and one of the other parameters of the phase tuning are simultaneously tuned so as to maintain the frequency of the non-reflected wave. Furthermore, the selective filter 8 is preferably placed in the linear resonator BL because, in this case, it may not be tunable.
La longueur du résonateur linéaire BL est ajustée au cours du balayage pour compenser les variations de longueur optique dues à la variation du paramètre d'accord de phase (ce paramètre étant la rotation ou la température du cristal non-linéaire). The length of the linear resonator BL is adjusted during scanning to compensate for the variations in optical length due to the variation of the phase tuning parameter (this parameter being the rotation or the temperature of the non-linear crystal).
D'autres configurations de base sont possibles, en disposant le miroir dichroïque entre le cristal non-linéaire et le miroir de sortie, en utilisant des miroirs dichroïques sous incidence normale de manière à conserver une cavité sensiblement linéaire, ou en créant des branches à partir de séparateurs de polarisation. Dans le cas où une des ondes non réfléchies par le MCP est indifférente à la traversée du MCP, on peut envisager que cette onde traverse celui-ci avant de se réfléchir sur un autre miroir. De même pour les deux ondes non réfléchies par le MCP. Other basic configurations are possible, by placing the dichroic mirror between the non-linear crystal and the output mirror, by using dichroic mirrors under normal incidence so as to maintain a substantially linear cavity, or by creating branches from polarization splitters. In the case where one of the waves not reflected by the MCP is indifferent to the crossing of the MCP, it can be envisaged that this wave crosses it before being reflected on another mirror. Likewise for the two waves not reflected by the MCP.
Un autre type de configuration, une configuration à plusieurs
MCP, permet de s'affranchir totalement de la mise en phase de modes propres à la cavité. Ce type de configurations est illustrée à la figure 4 par un exemple de réalisation schématique où les signes de référence précédents ont été conservés pour désigner les mêmes objets. Cet exemple comporte un MCP sur chacune des branches de la cavité associée à une onde secondaire. Les fréquences d'oscillation couplées sont alors définies par la seule courbe de gain globale de la cavité, incluant les courbes de gain.Another type of configuration, a configuration with several
MCP, makes it possible to completely get rid of the phasing of modes specific to the cavity. This type of configuration is illustrated in FIG. 4 by a schematic embodiment where the preceding reference signs have been kept to designate the same objects. This example includes an MCP on each of the branches of the cavity associated with a secondary wave. The coupled oscillation frequencies are then defined by the only overall gain curve of the cavity, including the gain curves.
des deux MCP et, éventuellement, celle d'un filtre 8.of the two MCPs and, optionally, that of a filter 8.
Dans l'exemple de réalisation, un premier miroir dichroïque 61, incliné sur l'axe principal X'X, réfléchit les ondes secondaires signal et idler,
Os et O, et un second miroir dichroïque 62 ne réfléchit qu'une seule onde secondaire, I'onde signal Os sur l'exemple illustré. Cette onde est alors réfléchie sur un MCP 21, alors que l'onde idler Oj non réfléchie par le miroir 62 se réfléchit sur un deuxième MCP 63. Il est ainsi formé un résonateur linéaire BL pour l'onde pompe, et deux résonateurs à conjugaison de phase,
RC1 et RC2, respectivement pour l'onde signal s et l'onde idler Oj. In the exemplary embodiment, a first dichroic mirror 61, inclined on the main axis X'X, reflects the secondary signal and idler waves,
Os and O, and a second dichroic mirror 62 reflects only a single secondary wave, the signal wave Os in the example illustrated. This wave is then reflected on a MCP 21, while the idler Oj wave not reflected by the mirror 62 is reflected on a second MCP 63. A linear resonator BL for the pump wave is thus formed, and two conjugation resonators live,
RC1 and RC2, respectively for the signal wave and the idler wave Oj.
L'un au moins des MCP est accordable de manière à pouvoir balayer en fréquence l'onde qu'il réfléchit. Si un seul est accordable, il convient de faire varier à la fois la fréquence de l'onde de pompe de l'interaction à trois ondes et l'un des autres paramètres influant sur l'accord de phase. Le filtre sélectif éventuellement utilisé est alors préférentiellement placé dans le résonateur à conjugaison de phase non accordable. At least one of the MCP is tunable so as to be able to scan in frequency the wave it reflects. If only one is tunable, the frequency of the pump wave of the three-wave interaction and one of the other parameters influencing the phase tuning should be varied. The selective filter possibly used is then preferably placed in the non-tunable phase conjugation resonator.
Si les deux MCP sont accordables, alors l'accord en fréquence de l'onde secondaire utile (ou des ondes secondaires utiles) peut être réalisé par variation d'un des paramètres mentionnés ci-dessus: la fréquence de pompe, ou l'un au moins des paramètres influant sur l'accord de phase, ou par combinaison de ces paramètres. If the two MCPs are tunable, then the frequency tuning of the useful secondary wave (or useful secondary waves) can be achieved by variation of one of the parameters mentioned above: the pump frequency, or one at least parameters influencing the phase agreement, or by a combination of these parameters.
Dans une cavité annulaire, telle que celle illustrée à la figure 5, tout front d'onde et donc tout rayon se retrouve identique à lui-même et se propageant dans le même sens après un tour complet dans le résonateur annulaire RA utilisant la réflexion sur un MCP 2 suivant un angle d'incidence déterminé. In an annular cavity, such as that illustrated in FIG. 5, any wave front and therefore any ray is found identical to itself and propagating in the same direction after a complete revolution in the annular resonator RA using the reflection on a MCP 2 according to a determined angle of incidence.
La structure se présente sous forme d'une cavité à double anneau: le résonateur annulaire interne RA , comprenant deux miroirs dichroïques inclinés 51 et 52, deux miroirs 53 et 54, et le MCP 2, et un résonateur annulaire périphérique à quatre miroirs, 55 à 58. L'onde délivrée utile, ici l'onde idler Oj, est l'onde secondaire non réfléchie par le MCP dans cet exemple de réalisation. D'autres architectures de ce type sont possibles, faisant intervenir par exemple plus de deux MCP. The structure is in the form of a double ring cavity: the internal annular resonator RA, comprising two inclined dichroic mirrors 51 and 52, two mirrors 53 and 54, and the MCP 2, and a peripheral annular resonator with four mirrors, 55 to 58. The useful delivered wave, here the idler wave Oj, is the secondary wave not reflected by the MCP in this exemplary embodiment. Other architectures of this type are possible, involving for example more than two MCPs.
Le MCP s'adapte de telle sorte que l'oscillation reste la plus efficace possible. Dans une cavité annulaire, le MCP est du type à mélange à quatre ondes. Dans une telle configuration, le MCP permet de corriger le décalage des ondes: dans une source OPO à cavité annulaire, les ondes peuvent en effet se décaler les unes par rapport aux autres au cours de la propagation dans le cristal non-linéaire, sous l'effet du "walk-off' (dû à la non-colinéarité entre le vecteur de Poynting et le vecteur d'onde provoquée par la biréfringence). Dans une cavité annulaire, L'effet s'amplifie à chaque tour et une des ondes peut être virtuellement perdue pour l'interaction au bout de quelques tours dans la cavité si l'angle de walk-off est important (il est typiquement de quelques dizaines de mrad).Ce décalage entre les ondes conduit à une modification de la distribution transverse du gain, et ainsi à une déformation des faisceaux émis. The MCP adapts so that the oscillation remains as efficient as possible. In an annular cavity, the MCP is of the four-wave mixing type. In such a configuration, the MCP makes it possible to correct the offset of the waves: in an OPO source with an annular cavity, the waves can indeed shift relative to one another during propagation in the non-linear crystal, under the 'walk-off effect' (due to the non-collinearity between the Poynting vector and the wave vector caused by birefringence). In an annular cavity, the effect is amplified at each turn and one of the waves can be virtually lost for interaction after a few turns in the cavity if the walk-off angle is large (it is typically a few tens of mrad). This shift between the waves leads to a modification of the transverse distribution gain, and thus to a deformation of the emitted beams.
Si l'onde qui se décale le plus par rapport aux deux autres est réfléchie par le MCP, elle se superpose alors parfaitement à elle-même tous les tours de cavité au lieu de s'éloigner de plus en plus. II s'ensuit une meilleure efficacité de l'interaction à trois ondes et une réduction de l'anamorphose de l'onde utile. If the wave which shifts the most with respect to the other two is reflected by the MCP, it then superimposes itself perfectly on all the cavity turns instead of moving away more and more. This results in better efficiency of the three-wave interaction and a reduction in the anamorphosis of the useful wave.
Un MCP permet de rectifier l'onde qu'il réfléchit, mais contribue également à corriger le front d'onde de l'autre onde non réfléchie par l'intermédiaire du couplage paramétrique, dont le gain dépend des amplitudes et de la phase relative des ondes (ce qui impose une relation de phase entre ces mêmes ondes). Cet effet peut être utilisé en réalisant une correction de front d'onde de l'onde primaire en la réfléchissant sur le MCP pour contribuer à améliorer les fronts d'onde des ondes secondaires. A MCP makes it possible to rectify the wave it reflects, but also helps to correct the wavefront of the other non-reflected wave through parametric coupling, the gain of which depends on the amplitudes and the relative phase of the waves (which imposes a phase relationship between these same waves). This effect can be used by performing a primary wavefront correction by reflecting it on the MCP to help improve the secondary wavefronts.
Dans ces conditions, il est également prévu, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, de faire réfléchir l'onde de pompe sur un
MCP dans une cavité laser pour former une cavité à conjugaison de phase et corriger le front d'onde de l'onde laser primaire; une source OPO est introduite dans la cavité laser à conjugaison de phase pour délivrer, par couplage paramétré avec l'onde de pompe corrigée, une ou deux ondes secondaires à front d'onde amélioré.Under these conditions, it is also planned, according to a second embodiment of the invention, to cause the pump wave to reflect on a
MCP in a laser cavity to form a phase conjugation cavity and correct the wavefront of the primary laser wave; an OPO source is introduced into the phase conjugation laser cavity to deliver, by parametric coupling with the corrected pump wave, one or two secondary waves with improved wave front.
Une telle configuration est illustrée par l'exemple de réalisation schématique de la figure 6. Sur cette figure, la cavité laser 60 comporte une cavité amplificatrice CA et est délimitée par des miroirs 61 et 2, le miroir 61 présentant un coefficient de réflexion maximal pour l'onde pompe Op, et le miroir 2 étant un MCP. La cavité laser à conjugaison de phase constitue une cavité pompe pour l'OPO. Such a configuration is illustrated by the schematic exemplary embodiment of FIG. 6. In this figure, the laser cavity 60 comprises an amplifying cavity CA and is delimited by mirrors 61 and 2, the mirror 61 having a maximum reflection coefficient for the pump wave Op, and the mirror 2 being an MCP. The phase conjugation laser cavity constitutes a pump cavity for the OPO.
L'OPO 64 comporte classiquement le cristal non-linéaire 7 disposé entre deux miroirs 3 et 4, le miroir de sortie 4 présentant un coefficient de réflectivité adapté pour délivrer i'une des ondes secondaires,
I'onde signal Os dans l'exemple de réalisation. Un miroir dichroïque 6 est disposé incliné sur l'axe principal X'X pour renvoyer l'onde pompe vers le
MCP via une lentille de concentration L1, et délivrer l'onde signal. Une autre lentille de conjugaison L2 peut également être disposée sur l'axe principal, entre l'OPO et la cavité laser amplificatrice CA, pour favoriser la focalisation de l'onde pompe dans le cristal non-linéaire.The OPO 64 conventionally comprises the non-linear crystal 7 disposed between two mirrors 3 and 4, the output mirror 4 having a coefficient of reflectivity suitable for delivering one of the secondary waves,
The signal wave Os in the exemplary embodiment. A dichroic mirror 6 is disposed inclined on the main axis X'X to return the pump wave to the
MCP via an L1 concentration lens, and deliver the signal wave. Another conjugation lens L2 can also be placed on the main axis, between the OPO and the amplifying laser cavity CA, to promote the focusing of the pump wave in the non-linear crystal.
Une configuration en anneau est également possible sur la base de la cavité de pompe. Pour illustrer un exemple de réalisation d'une telle configuration, la figure 7 met en oeuvre, outre les cavités OPO et amplificatrice CA précédentes ainsi que le miroir dichroïque, des miroirs de bouclage, 71 à 74, pour introduire le miroir MCP dans l'anneau. Des éléments filtrants sélectifs peuvent être disposés sur le trajet optique, comme dans les exemples précédents. A ring configuration is also possible on the basis of the pump cavity. To illustrate an exemplary embodiment of such a configuration, FIG. 7 implements, in addition to the preceding OPO and amplifier CA cavities as well as the dichroic mirror, looping mirrors, 71 to 74, for introducing the MCP mirror into the ring. Selective filter elements can be arranged on the optical path, as in the previous examples.
Dans cette forme de réalisation, la cavité stimulante peut être réalisée par un cristal de YVO4 dopé Nd; le miroir MCP peut être un miroir à mélange quatre ondes sur un cristal, de même matériau laser, et pompé par diodes Di. In this embodiment, the stimulating cavity can be produced by an Nd doped YVO4 crystal; the MCP mirror can be a four-wave mixing mirror on a crystal, of the same laser material, and pumped by Di diodes.
Cette architecture d'OPO intracavité dans une structure laser de pompe conjuguée en phase explose par mélange à quatre ondes peut être étendu à tous les matériaux lasers. This intracavity OPO architecture in a laser structure of a pump combined in phase explodes by mixing with four waves can be extended to all laser materials.
Dans ce cas, la conjugaison de phase est obtenue par une distribution de la saturation du gain dans le milieu actif. In this case, the phase conjugation is obtained by a distribution of the gain saturation in the active medium.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE19742362A1 (en) * | 1997-09-25 | 1999-04-15 | Richard Prof Dr Wallenstein | Optical parametric oscillator |
| WO2005053119A1 (en) * | 2003-11-25 | 2005-06-09 | Yabai He | An injection-seeded self-adaptive optical resonant cavity and a method of generating coherent light |
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1996
- 1996-01-23 FR FR9600727A patent/FR2743904B1/en not_active Expired - Fee Related
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