FR3087905A1 - Oscillateur parametrique optique a cavite optique asservie et procede associe - Google Patents
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Abstract
Un oscillateur paramétrique optique comprend une cavité optique, un laser de pompe (1), un cristal optique non-linéaire (5) intra-cavité, un dispositif de modulation adapté pour moduler de manière électro-optique le cristal optique non-linéaire (5) lui-même, et un système d'asservissement actif comprenant :
- un dispositif de modulation générant un signal de modulation adapté pour moduler de manière électro-optique le cristal optique non-linéaire (5) lui-même ,
- un système de détection adapté pour détecter un signal représentatif d'une puissance des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique, en fonction du signal de modulation (71),
- un calculateur adapté pour calculer un signal d'erreur représentatif d'une différence entre une valeur prédéterminée de puissance maximale des impulsions signal et/ou complémentaire et le signal de puissance détecté en fonction du temps, et
- un dispositif de contre-réaction adapté pour modifier la longueur optique de la cavité optique de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d'erreur.
Description
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le domaine des oscillateurs paramétriques optiques comprenant un cristal optique non-linéaire disposé dans une cavité optique et pompé de manière synchrone par des impulsions de laser de pompe pour générer des impulsions femtosecondes.
Elle concerne plus particulièrement les oscillateurs paramétriques optiques femtoseconde simplement résonnant, générant une impulsion signal et une impulsion complémentaire.
Elle concerne en particulier un dispositif et une méthode d'asservissement actif de la dérive temporelle de la puissance moyenne et/ou de la durée des impulsions signal et complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un oscillateur paramétrique optique (OPO) est réalisé en construisant une cavité laser autour d'un cristal optique non-linéaire pompé par des impulsions de laser de pompe (notées impulsions pompe par la suite) à une fréquence optique w.
L'OPO est ainsi capable de générer deux impulsions de fréquence optique (w1, w2) inférieure à la fréquence du laser de pompe w : une impulsion signal de fréquence w1 et une impulsion complémentaire de fréquence w2.
La conservation de l'énergie des impulsions implique que la somme des fréquences de l'impulsion signal et complémentaire est égale à la fréquence de l'impulsion pompe soit w = w1 + w2.
La fréquence optique w dépend de la longueur d'onde X. et la célérité de la lumière c et s'exprime comme suivant : w = 2nc/X.
Lorsqu'un OPO fonctionne en régime femtoseconde ou picoseconde (i.e. pour des échelles de temps comprises entre 30 fs et 100 ps), il doit être pompé en régime synchronisé c'est-à-dire que les impulsions signal et/ou complémentaire générées par l'OPO doivent recouvrir temporellement l'impulsion pompe lors de leur propagation dans le cristal optique non-linéaire.
Par exemple, pour garantir la synchronisation des impulsions au sein du cristal optique non-linéaire dans une cavité linéaire pompée par des impulsions à une fréquence de répétition F de 100 MHz, la longueur optique de la cavité linéaire (par exemple d'environ 1.5 m de long) doit être ajustée au sub-micromètre près.
Par la suite, on entend 2 par longueur de la cavité optique, la longueur optique de la cavité optique.
En effet, la longueur de la cavité linéaire est calculée avec l'expression F -c/2L, où F représente la fréquence de répétition du laser de pompe, c représente la célérité de la lumière dans le vide égale à 3x108 m/s et L représente la longueur de la 5 cavité optique.
Par exemple, pour une durée d'impulsion pompe de 100 fs et un facteur de qualité de cavité optique environ égal à 100, le recouvrement idéal entre l'impulsion pompe et l'impulsion signal et/ou complémentaire doit être de -1 fs.
Cela implique donc que la synchronisation de l'impulsion pompe et de l'impulsion signal et/ou complémentaire requiert un contrôle très précis des 10 variations de la longueur de la cavité optique de l'ordre de 0,1 dam.
Le facteur de qualité correspond au nombre d'aller-retour de l'impulsion signal dans la cavité optique pour lequel l'impulsion signal recouvre l'impulsion pompe.
Par ailleurs, un OPO est principalement utilisé pour ajuster en continu sur une large gamme spectrale la longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou 15 complémentaire.
En pratique, en changeant la température du cristal optique non-linéaire ou en faisant tourner le cristal, il est possible d'ajuster la longueur d'onde des impulsions générées par un OPO.
Or, lorsque le cristal optique non-linéaire chauffe, il se dilate et son indice de réfraction varie en fonction du temps et cela 20 implique une variation de la longueur de la cavité.
Les fluctuations de la longueur de la cavité optique modifient la stabilité de la cavité optique et ont pour conséquence l'apparition d'une dérive temporelle de la puissance moyenne ou de la durée de l'impulsion signal et/ou complémentaire au bout de quelques minutes.
La puissance moyenne ou la durée des impulsions générées par l'OPO ne sont 25 donc plus optimales.
OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un oscillateur paramétrique optique comprenant une cavité optique, un laser de pompe délivrant des impulsions pompe périodiques, un 30 cristal optique non-linéaire intra-cavité, ledit oscillateur paramétrique optique générant périodiquement des impulsions signal et complémentaire, les impulsions signal et/ou complémentaire étant temporellement synchronisées dans le cristal optique non-linéaire avec les impulsions pompe à un instant initial.
Selon l'invention, l'oscillateur paramétrique optique comprend un 3 système d'asservissement actif comprenant: un dispositif de modulation adapté pour moduler de manière électro-optique le cristal optique non-linéaire lui-même, le cristal optique non-linéaire étant muni d'électrodes et le dispositif de modulation étant adapté pour appliquer un signal de modulation aux bornes des électrodes, 5 un système de détection adapté pour détecter un signal représentatif d'une puissance moyenne d'un train d'impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique, en fonction du signal de modulation, un calculateur adapté pour calculer un signal d'erreur représentatif d'une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne du train 10 d'impulsions signal et/ou complémentaire et le signal de puissance moyenne détecté en fonction du temps, et un dispositif de contre-réaction adapté pour modifier la longueur optique de la cavité optique de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d'erreur.
L'oscillateur paramétrique optique de la présente invention permet 15 avantageusement de maximiser la puissance moyenne des impulsions signal et/ou complémentaire en sortie de la cavité optique sans dérive temporelle ou de minimiser la durée d'impulsions signal et/ou complémentaire quelles que soient la puissance des impulsions pompe ou la température du cristal optique non-linéaire mises en jeu.
20 La présente invention propose un système qui permet d'ajuster automatiquement la longueur optique de la cavité lorsque l'on change la longueur d'onde de l'impulsion générée et propose également de compenser les fluctuations non désirées de la longueur optique de la cavité optique.
Dans un mode de réalisation, le système de détection est capable de 25 détecter un signal de puissance moyenne, et le système d'asservissement est adapté pour maximiser la puissance moyenne des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique.
Dans une autre mode de réalisation, le système de détection est capable de détecter un signal de puissance crête, et le système d'asservissement est 30 adapté pour minimiser la durée des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique.
Le cristal optique non-linéaire est par exemple un cristal choisi parmi le bêta-borate de baryum, le triborate de lithium, ou le cristal optique non-linéaire est par exemple un cristal ferroélectrique choisi parmi le niobate de lithium polarisé 4 périodiquement en réseau discret ou continument en éventail, le titanyl phosphate de potassium, le potassium titanyle arsenate ou le tantalate de lithium, le cristal optique ferroélectrique étant polarisé périodiquement en réseau discret ou continument en éventail.
5 Avantageusement, le dispositif de modulation comporte un générateur de tension électrique adapté pour moduler la tension appliquée aux électrodes du cristal optique non-linéaire, la modulation de tension étant adaptée pour moduler la condition d'accord de phase de l'impulsion signal et/ou complémentaire dans le cristal optique non-linéaire.
10 Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de contre-réaction comporte une lame inclinable à faces planes et parallèles positionnée dans la cavité optique.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de contre-réaction comporte une platine mobile en translation, un miroir de la cavité optique étant 15 monté sur la platine mobile en translation.
L'invention propose également des moyens de variation de la température du cristal optique non-linéaire, adaptés pour ajuster la longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou complémentaire.
De façon avantageuse, le cristal optique non-linéaire comprend au moins 20 deux réseaux de pas différents ou un réseau de pas variable en éventail, le cristal optique non-linéaire étant monté sur une platine mobile en translation adaptée pour modifier le pas du réseau sur l'axe optique de la cavité optique de manière à ajuster la longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou complémentaire.
Selon un mode de réalisation particulier, le cristal optique non-linéaire est 25 monté sur une platine mobile en rotation adaptée pour ajuster la longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou complémentaire.
L'invention propose également un procédé de génération d'impulsions par oscillation paramétrique optique comprenant les étapes suivantes : - génération périodique d'une impulsion signal et d'une impulsion 30 complémentaire en sortie d'un oscillateur paramétrique optique, les impulsions signal et/ou complémentaire étant temporellement synchronisées dans un cristal optique non-linéaire avec des impulsions pompe à un instant initial, - modulation électro-optique appliquée au cristal optique non-linéaire lui-même, 5 - détection d'un signal représentatif d'une puissance moyenne d'un train d'impulsions signal ou complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal de modulation appliqué, - génération d'un signal d'erreur représentatif d'une différence entre 5 une valeur optimale de puissance moyenne du train d'impulsions signal ou complémentaire et le signal de puissance moyenne détecté en fonction du temps, et - modification de la longueur optique de la cavité optique de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d'erreur via une boucle de 10 contre-réaction.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION 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.
15 Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une représentation schématique d'un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant selon un mode de réalisation comprenant un système d'asservissement actif de la cavité optique, - la figure 2 est une vue en coupe d'un cristal optique non-linéaire 20 polarisé périodiquement, - la figure 3 est une vue en coupe d'une lame inclinable à faces planes et parallèles, - la figure 4 est une représentation schématique d'un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant comprenant un système 25 d'asservissement actif de la cavité optique et un système de balayage en longueur d'onde selon une première variante, - la figure 5 est une représentation schématique d'un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant comprenant un système d'asservissement actif de la cavité optique et un système de balayage en longueur 30 d'onde selon une deuxième variante, - la figure 6 est une représentation schématique d'un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant comprenant un système d'asservissement actif de la cavité optique et un système de balayage en longueur d'onde selon une troisième variante, 6 - la figure 7 est une représentation schématique d'un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant présentant une cavité optique linéaire repliée et un système d'asservissement actif de la cavité optique selon une variante du mode de réalisation présenté sur la figure 1.
5 Dispositif et procédé Un OPO simplement résonnant génère une impulsion signal et une impulsion complémentaire, l'impulsion pompe étant synchronisée avec l'impulsion signal ou l'impulsion complémentaire à un instant initial.
Un OPO simplement résonnant sur l'impulsion signal signifie que seule l'impulsion signal est 10 synchronisée avec l'impulsion pompe.
Un OPO simplement résonnant sur l'impulsion complémentaire signifie que seule l'impulsion complémentaire est synchronisée avec l'impulsion pompe.
Un OPO doublement résonnant génère une impulsion signal et une impulsion complémentaire, l'impulsion pompe étant synchronisée avec l'impulsion 15 signal et l'impulsion complémentaire à un instant initial.
Un OPO doublement résonnant sur les impulsions signal et complémentaire signifie que les deux impulsions signal et complémentaire sont synchronisées avec l'impulsion pompe.
Pour la suite de la description, on choisit d'illustrer l'invention dans un OPO simplement résonant sur l'impulsion signal.
Toutefois, l'invention n'est pas 20 limitée aux modes de mise en oeuvre et de réalisation décrits ci-après.
En effet il est possible d'utiliser les mêmes moyens pour réaliser un asservissement de la longueur de la cavité optique dans un OPO simplement résonant sur l'impulsion complémentaire ou dans un OPO doublement résonant sur les impulsions signal et complémentaire.
25 Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant sur l'onde signal ou l'onde complémentaire illustrant un mode de réalisation de l'asservissement de la longueur de la cavité optique.
La cavité optique de l'OPO oscille donc sur l'onde signal ou l'onde complémentaire.
30 L'oscillateur paramétrique optique de la figure 1 comprend un laser de pompe 1 qui génère des impulsions pompe 11 de fréquence optique w, autrement dit de longueur d'onde X comprise entre 0.2 pm et 10 pm et à une fréquence de répétition F comprise entre 10 MHz et 10 GHz.
Les impulsions pompe 11 se propagent dans une cavité optique comprenant par exemple deux miroirs 2, 3 7 intra-cavité.
La cavité optique peut comprendre trois, quatre ou plus de quatre miroirs.
La cavité optique peut par exemple être linéaire, repliée (butterfly-cavity en anglais) ou en anneau.
Les deux miroirs 2 et 3 sont en général des miroirs concaves et transmettent efficacement l'impulsion pompe, généralement 99 % de 5 transmission de l'impulsion pompe.
Le faisceau d'impulsions pompe 11 est focalisé au travers du miroir 3 dans un cristal optique non-linéaire 5 qui génère périodiquement une impulsion signal 12 et une impulsion complémentaire 12a.
L'impulsion signal 12 est temporellement synchronisée dans le cristal optique non-linéaire avec les 10 impulsions pompe 11.
La fréquence de répétition des impulsions signal et/ou complémentaire est comprise entre 10 MHz et 10 GHz.
Le cristal optique non-linéaire 5 muni d'électrodes 52a, 52b est un cristal optique non-linéaire périodiquement polarisé tel que le niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN) à un seul réseau discret ou à plusieurs réseaux discrets 15 ou continument en éventail ou le tantalate de lithium polarisé périodiquement (PPLT) en réseau discret ou continument en éventail ou le titanyl phosphate de potassium, ou le potassium titanyle arsenate ou le niobate potassium.
Le cristal optique polarisé périodiquement est adapté pour recevoir un champ électrique le long de l'axe extraordinaire du cristal périodiquement polarisé.
20 Le cristal optique non-linéaire 5 muni d'électrodes 52a, 52b peut également être un cristal optique non-linéaire tel que le bêta-borate de baryum noté BBO, ou le triborate de lithium noté LBO, ou le niobate de lithium noté LiNbO3 ou le tantalate de lithium noté LiTa.
Ces exemples de cristaux optiques non-linéaires sont non limitatifs.
25 L'un des miroirs 2 ou 3 transmet partiellement l'onde signal ou complémentaire oscillant dans la cavité optique.
Un miroir 4 en sortie de la cavité optique reçoit respectivement les ondes signal 12 ou complémentaire 12a transmises par le miroir 2.
L'OPO comprend en outre un système d'asservissement actif capable de 30 détecter soit un signal de puissance moyenne pour maximiser l'intensité des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'OPO ou soit un signal de puissance crête pour minimiser la durée des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'OPO.
L'OPO comporte un système d'asservissement actif générant un signal 8 de modulation 71 périodique pour assurer la synchronisation temporelle des impulsions pompe et des impulsions signal ou complémentaire.
Le signal de modulation 71 est généré par un dispositif de modulation.
Le signal de modulation 71 est par exemple un signal périodique de type sinusoïdal ou carré.
Le signal de 5 modulation 71 est adapté pour générer une modulation électro-optique sur un cristal 5 ferroélectrique ou un autre cristal optique non-linéaire muni d'électrodes 52a, 52b.
Le signal de modulation 71 est généré à une fréquence de répétition s'étendant del 0 Hz jusqu'à 100 kHz, ou même jusqu'à 1 MHz.
Le système d'asservissement actif comprend un dispositif de modulation, 10 un détecteur 6, un module électronique 7 et un dispositif de contre-réaction 8 ou 9.
Le système d'asservissement actif peut être automatisé en fonction du temps grâce à la mise en place d'une boucle de contre-réaction.
Le détecteur 6 est adapté pour détecter un signal représentatif d'une puissance des impulsions signal ou complémentaire générées en sortie de l'OPO, 15 en fonction de la modulation appliquée.
Le détecteur 6 est capable de mesurer une modulation du signal dont la fréquence est comprise entre 10 Hz et 100 kHz, ou même jusqu'à 1 MHz.
Le temps de réponse du système d'asservissement est supérieur au temps de réponse du dispositif de modulation.
En pratique, le détecteur 6 est adapté pour mesurer un signal 20 représentatif de la puissance moyenne ou de la puissance crête d'un train d'impulsions signal et/ou complémentaire.
Dans un exemple de réalisation, le détecteur 6 détecte un signal représentatif de la puissance moyenne d'un train d'impulsions signal ou complémentaire.
Dans cet exemple, une faible partie du signal transmis par le 25 miroir 4 est filtrée puis envoyée au travers d'une lentille pour être focalisée sur le détecteur optique 6.
La lentille est par exemple une lentille concave.
Le détecteur est par exemple une photodiode.
Dans un autre exemple de réalisation, le détecteur 6 détecte un signal représentatif de la puissance crête des impulsions signal ou complémentaire.
A 30 cet effet, une faible partie du signal transmis par le miroir 4 est filtrée puis envoyée au travers un cristal non-linéaire doubleur pour générer une onde harmonique doublée en fréquence.
L'onde harmonique doublée peut être envoyée au travers d'une lentille pour être focalisée sur le détecteur optique 6.
La lentille est par exemple une lentille concave.
Le détecteur est par exemple une photodiode.
9 Dans tous les cas, le signal représentatif de la puissance des impulsions signal ou complémentaire détecté par le détecteur 6 est envoyé au module électronique 7.
Le module électronique 7 comprend en outre un calculateur adapté pour 5 calculer un signal d'erreur 73, 74 représentatif d'une différence entre une valeur optimale de la puissance moyenne des impulsions signal ou complémentaire et le signal de puissance moyenne détecté en fonction du temps.
On entend par valeur optimale, la valeur optimale de l'appareil considéré.
Le signal d'erreur 73, 74 est généré par le module électronique 7 pour 10 ajuster la longueur de la cavité optique de l'OPO.
Le signal d'erreur varie en fonction du signal mesuré par le détecteur 6.
Le signal d'erreur généré par le module électronique 7 est envoyé au dispositif de contre-réaction.
Le dispositif de contre-réaction est disposé à la sortie du module électronique 7 de manière à ajuster la longueur de la cavité optique de 15 l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d'erreur et ainsi minimiser l'amplitude de la modulation d'intensité détectée par le détecteur.
La figure 2 représente un exemple d'un cristal optique périodiquement polarisé 51 dans lequel l'impulsion pompe 11 et les impulsions signal 12 et/ou complémentaire 12a sont synchronisées.
Le cristal optique polarisé 20 périodiquement 51 peut comporter un seul réseau de pas fixe, plusieurs réseaux de pas variable de manière discrète ou un réseau de pas variable continument, le réseau ayant une forme d'éventail.
Le cristal optique périodiquement polarisé 51 comprend une succession de zones polarisées en sens opposés les unes des autres formant par exemple un réseau de pas fixe.
L'axe extraordinaire est défini 25 dans le repère orthogonal (X, Y, Z) de la figure 2 et est orienté suivant l'axe Z.
L'électrode 52a est disposée sur un des côtés du cristal optique périodiquement polarisé 51.
L'électrode 52a est par exemple en forme de peigne périodique comme illustré sur la figure 2.
Ici, l'électrode 52a est disposée sur les zones polarisées du cristal optique périodiquement polarisé 51 suivant l'axe -Z.
30 L'autre côté du cristal optique périodiquement polarisé 51 est muni d'une électrode uniforme 52b reliée à la masse.
Le dispositif de modulation applique un champ électrique entre les deux électrodes 52a et 52b le long de l'axe extraordinaire du cristal optique périodiquement polarisé 51 de manière à contrôler l'indice des zones polarisées.
10 Lorsqu'une tension électrique est appliquée le long de l'axe Z, l'indice des zones polarisées est modifié.
On peut montrer que l'indice des zones polarisées positivement s'écrit n.(X)=n(X)-1/2 n3(X) rte, E et l'indice des zones polarisées négativement s'écrit n_(X)=n(X)+1/2 n3(X) r'(3 E où n(X) est l'indice vu par 5 l'onde se propageant dans le cristal, rx3 est le coefficient électro-optique du cristal optique non-linéaire avec x =1 ou 3, r13 est le coefficient électro-optique de l'onde se propageant suivant l'axe ordinaire, r33 est le coefficient électro-optique de l'onde se propageant suivant l'axe extraordinaire et E est le champ électrique appliqué au cristal optique.
Les coefficients électro-optiques et l'indice optique 10 présentent une dispersion en fonction de la longueur d'onde de l'impulsion de pompe.
Lorsque le champ électrique appliqué E est nul pour une longueur fixée de la cavité optique, la condition d'accord de phase dans l'OPO impose l'égalité suivante : Ak=krki-ks+27c/A=0 où Ak représente le désaccord de phase entre 15 l'impulsion pompe et l'impulsion signal et/ou complémentaire dans le cristal optique non-linéaire, kp, ki, et k5 sont respectivement les vecteurs d'onde des ondes pompe, signal et complémentaire, et A désigne le pas du réseau de polarisation du cristal optique périodiquement polarisé.
Lorsqu'une tension électrique non nulle est appliquée aux bornes du cristal optique périodiquement 20 polarisé, l'indice du matériau est modifié pour les ondes pompe, signal et complémentaire.
Lorsque l'on suppose que ces ondes sont polarisées suivant l'axe extraordinaire, seul le coefficient r33 est pris en compte.
Dans le cas où le champ électrique est uniquement appliqué sur les zones polarisées positivement, le désaccord de phase Ak généré en fonction de la 25 variation du champ électrique E s'écrit : Ak(E)=27cAnp /kp-27cAni /Xi -27cAns /X,, avec An=1/2 n3(X) r33 E, où np, ni et n5 représentent respectivement l'indice optique du cristal optique non-linéaire aux longueurs d'onde Xp, X et X5 qui représentent respectivement les longueurs d'onde des ondes pompe, complémentaire et signal.
En négligeant la dispersion du coefficient électro-optique du cristal optique r33, le n3 tt? 3 30 désaccord de phase s'écrit comme suivant : Ak(E) = 77 r33Ep As - - .
Pour Ai une longueur d'onde pompe fixée et quelle que soit la longueur d'onde signal, la valeur du désaccord de phase en fonction du champ électrique Ak(E) dépend du signe du champ électrique E.
Ainsi lorsque le désaccord de phase Ak(E) est 11 proche de zéro, une modulation sinusoïdale du champ électrique E, se traduit par une modulation sinusoïdale de l'intensité produite par l'OPO.
Dans ce cas, la valeur moyenne de la modulation de l'intensité de l'OPO est nulle.
Dans le cas contraire, lorsque le désaccord de phase Ak(E) est différent de zéro, alors la 5 valeur moyenne de la modulation de l'intensité de l'OPO est non nulle.
La valeur moyenne de la modulation de l'intensité de l'OPO est positive si le désaccord de phase est négatif (soit Ak<0).
La valeur moyenne de la modulation de l'intensité de l'OPO est négative si le désaccord de phase est positif (soit Ak>0).
Dans un exemple de réalisation illustré sur la figure 1 dans lequel l'élément 10 9 est omis, lorsque le dispositif de contre-réaction reçoit le signal d'erreur 73, la dérive en longueur de la cavité optique est compensée en plaçant par exemple un des miroirs de la cavité optique, par exemple le miroir 3, sur une platine 8 de translation.
La platine 8 de translation est adaptée pour recevoir une tension électrique.
La platine 8 est capable de se déplacer en translation dans le sens de 15 la longueur de la cavité optique avec une résolution proche de 0.01 pm sur une longueur comprise entre 3 mm et 300 mm.
Pour maintenir le recouvrement des impulsions pompe et signal dans le cristal optique non linéaire, il est important d'évaluer la longueur de la cavité optique à compenser.
Pour évaluer cette longueur, il faut connaître la longueur du 20 cristal non-linéaire suivant la direction de l'axe Y utilisée et la différence de vitesse de groupe entre l'onde pompe et l'onde signal sur la plage d'accordabilité en longueur d'onde mise en jeu.
Par exemple, en considérant un cristal optique non-linéaire de niobate de lithium LiNbO3 pompé à une longueur d'onde de 1.03 pm fonctionnant dans la gamme spectrale comprise entre 1.4 pm et 2 pm, la 25 différence d'indice de groupe entre l'onde pompe et l'onde signal est comprise entre Angi=0.028 et Ang2=0.036 où Ange correspond à la différence de vitesse de groupe entre l'onde pompe et l'onde signal pour une longueur d'onde de l'onde pompe égale à 1.4 pm et Ange correspond à la différence de vitesse de groupe entre l'onde pompe et l'onde signal pour une longueur d'onde de l'onde pompe 30 égale à 2 pm.
Ainsi pour assurer le recouvrement des impulsions pompe et des impulsions signal à l'entrée du cristal optique non-linéaire, si l'on considère que la cavité optique est ajustée à une longueur d'onde initiale de 1.4 pm, pour compenser le décalage en longueur d'onde à 2 pm il faut compenser la longueur de la cavité optique d'une distance Al d'environ Al = H(Ang2 - Line) où H est 12 l'épaisseur du cristal suivant la direction de l'axe Z.
Par exemple, pour une épaisseur de cristal H=3 mm, la longueur de cavité optique à compenser est égale à 24 pm.
En variante, dans un autre exemple de réalisation dans lequel le miroir 3 5 est fixe, la variation de la longueur de la cavité optique de l'OPO est compensée en insérant par exemple un composant optique passif 9 dans la cavité optique.
Le composant optique passif 9 est capable de se déplacer en translation et/ou en rotation dans la cavité optique.
Le composant optique passif 9 est par exemple une lame inclinable à faces planes et parallèles telle qu'une lame de silice fondue 10 ou de fluorure de calcium (noté CaF2) inclinée aux environs de l'angle de Brewster par rapport à l'axe optique des impulsions se propageant dans la cavité optique résonante.
La lame 9 est montée sur une platine de rotation galvanométrique.
Dans ce cas, le signal d'erreur 74 est appliqué sur la platine de rotation de manière à modifier l'inclinaison de la lame à faces planes et parallèles, et ainsi 15 modifier la longueur de la cavité optique.
L'épaisseur e de la lame inclinable est déterminée de sorte à compenser de très faibles variations de la longueur de la cavité optique de l'ordre de 0.1 pm.
La longueur de la cavité optique est ajustée en tournant la lame inclinable d'indice optique n et d'épaisseur e autour d'un axe parallèle à sa surface et transverse à 20 l'axe optique de la cavité optique, comme illustré sur la figure 3.
Le système d'asservissement actif présenté sur la figure 1 permet de générer le maximum de puissance d'un OPO simplement résonant quelle que soit la puissance du laser de pompe ou la température du cristal optique non-linéaire mises en jeu.
25 Les fluctuations de la longueur de la cavité optique au cours du temps sont ainsi compensées à l'échelle du sub-micrométre de sorte à vérifier la condition de synchronisation temporelle des impulsions signal ou complémentaire vis-à-vis des impulsions pompe dans le cristal optique non-linaire à une longueur d'onde donnée de l'impulsion signal et à une température donnée du cristal 30 Pour maximiser la puissance moyenne générée par l'OPO à la longueur d'onde résonnante dans la cavité, il est essentiel de synchroniser temporellement dans le cristal optique non-linéaire l'impulsion pompe et les impulsions signal ou complémentaire générées par l'OPO.
Au voisinage du maximum de puissance moyenne, la puissance 13 moyenne en sortie de l'OPO s'écrit sous la forme suivante : /0 (À) sinc2 (Ak.
H/2) (Eq1), avec /0 (À) la puissance moyenne optimale à la longueur d'onde X, Ak le désaccord de phase entre l'impulsion pompe et de l'impulsion signal dans le cristal 5 optique non-linéaire, et H l'épaisseur du cristal optique non-linéaire (périodiquement polarisé).
En pratique, lorsque la longueur L de la cavité optique est optimale, le désaccord de phase entre l'impulsion pompe et l'impulsion signal dans le cristal optique non-linéaire est nul.
La puissance moyenne en sortie de l'OPO est alors 10 maximale et est égale à Io.
La variation de la longueur de la cavité optique peut être liée à la variation de la température du cristal optique non-linéaire dans le cas où l'on souhaite modifier la longueur d'onde de l'impulsion signal générée par l'OPO, ou aux fluctuations non désirées de la température du cristal optique non-linéaire.
15 Dans le cas où la longueur de la cavité optique varie, la fréquence optique centrale de l'impulsion signal résonante dans la cavité optique change : le désaccord de phase entre l'impulsion pompe et l'impulsion signal dans le cristal optique non-linéaire devient non nul.
Ce désaccord de phase Ak entraîne une diminution de la puissance moyenne délivrée par l'OPO.
La puissance moyenne 20 en sortie de l'OPO peut alors être optimisée en réajustant la longueur de la cavité optique de manière à réduire le désaccord de phase Ak.
Au premier ordre en Ak, la puissance moyenne des impulsions générées par l'OPO à la longueur d'onde X s'écrit / (A)-(0 (A) [1 - (Ak.12)2 ±...1 (Eq2).
25 L'équation Eq2 montre qu'au voisinage de son maximum, la puissance moyenne en sortie de l'OPO varie paraboliquement par rapport aux variations du désaccord de phase Ak.
Si la longueur de la cavité optique est modulée autour de sa position d'équilibre, cela implique la modulation du désaccord de phase Ak et par conséquence la modulation de la puissance moyenne (ou intensité) 1(2).
30 En dérivant l'équation Eq2, on montre que la variation d'intensité associée à une variation du désaccord de phase Ak s'écrit : 81(3,k)- 10(A)AkH + --- (Eq3).
14 L'équation Eq3 montre que la variation d'intensité 61 en sortie de l'OPO est proportionnelle à la variation du désaccord de phase Ak.
Par conséquent la variation d'intensité 61 est proportionnelle à la variation de la longueur de la cavité optique.
5 Si la longueur de la cavité optique dérive au cours du temps ou si la température du cristal varie au cours du temps, alors la valeur moyenne de la modulation d'intensité est non nulle.
La valeur moyenne de la modulation d'intensité de l'OPO est positive si le désaccord de phase est négatif (soit Ak<0).
La valeur moyenne de la modulation d'intensité de l'OPO est négative si le 10 désaccord de phase est positif (soit Ak>0).
L'équation Eq2 donne une information sur le signe du désaccord de phase Ak, et sur l'amplitude de la variation du désaccord de phase Ak.
Le signe et l'amplitude du désaccord de phase Ak permettent au calculateur de générer un signal d'erreur pour effectuer une compensation de la longueur de la cavité 15 optique.
Dans un autre mode de fonctionnement, le système d'asservissement actif en lien avec la figure 1, permet aussi d'asservir la longueur de la cavité optique pour optimiser la durée des impulsions générées par l'OPO.
Le principe d'asservissement de la longueur de la cavité optique pour optimiser la durée des 20 impulsions générées par l'OPO repose ici sur la détection et l'asservissement de la puissance crête des impulsions signal ou complémentaire.
Dans ce mode de réalisation, on mesure le signal d'erreur représentatif de la différence entre une valeur de puissance crête maximale des impulsions signal ou complémentaire et le signal de puissance crête détecté.
La valeur de la 25 puissance crête maximale est obtenue lorsque les impulsions signal ont une durée minimale.
Dans ce mode de réalisation, le détecteur 6 mesure la puissance moyenne de l'onde harmonique doublée générée par un autre cristal optique non-linéaire (non illustré sur la figure 1).
La puissance moyenne de l'onde harmonique doublée 30 est maximale au point de fonctionnement optimal où la durée de l'impulsion signal ou complémentaire est minimale en sortie de l'OPO.
La modulation de la longueur de la cavité optique peut être réalisée de la même manière que le mode de réalisation de la présente invention en générant une modulation électro-optique du cristal 5 ferroélectrique ou d'un cristal optique 15 non-linéaire muni d'électrodes 52a, 52b.
La modulation de la longueur de la cavité optique est choisie de manière à générer en sortie de l'OPO des impulsions doublées en fréquence dont la durée est minimale.
La valeur moyenne de la modulation de l'intensité à la fréquence optique doublée à 2w1 associée à une 5 petite modulation autour de cette position est nulle.
Cependant si la longueur de la cavité optique dérive ou si la température du cristal varie, alors la valeur moyenne de la modulation d'intensité à 2w1 est non nulle.
Elle est positive ou négative suivant la valeur de la variation de la longueur de la cavité optique K.
Nous avons donc là encore toute l'information pour effectuer une compensation de la longueur 10 de la cavité.
De façon avantageuse, l'OPO est utilisé pour ajuster en continu la longueur d'onde de l'impulsion signal ou complémentaire sur une large gamme spectrale.
Pour ajuster la fréquence optique ou la longueur d'onde des impulsions générés par un OPO, il faut changer l'indice vue par l'onde générée.
Pour cela, soit la 15 température du cristal optique non-linéaire est modifiée, soit l'angle d'incidence sur le cristal optique non-linéaire est modifié.
Le changement de l'indice de réfraction attendue entraîne nécessairement une variation de la longueur de la cavité optique.
Pour assurer la synchronisation des impulsions dans le cristal optique non-linéaire et donc garantir un fonctionnement optimal de l'OPO (en 20 termes de puissance et de durée d'impulsion), il donc est nécessaire d'ajuster la longueur de la cavité optique.
L'ajustement de la longueur de la cavité optique est réalisé en ajustant les éléments optiques dans la cavité optique.
Cet ajustement est généralement un ajustement manuel, long et fastidieux.
Par ailleurs, en plus de cette variation de l'indice de réfraction attendue 25 pour changer la longueur d'onde des impulsions générées par l'OPO, le cristal optique non-linéaire peut subir pendant le fonctionnement de l'OPO une variation thermique due au passage des faisceaux.
Le cristal optique non-linéaire se dilate et induit une variation non désirée de son indice de réfraction en fonction du temps et entraîne également une variation de la longueur de la cavité optique.
30 Les fluctuations non désirées de la longueur de la cavité optique modifient la stabilité de la cavité optique et ont pour conséquence l'apparition d'une dérive temporelle de la puissance moyenne ou de la durée de l'impulsion signal et/ou complémentaire au bout de quelques minutes.
La puissance moyenne ou la durée des impulsions générées par l'OPO ne sont donc plus optimales.
16 La présente divulgation propose d'asservir la longueur de la cavité optique tout en modifiant la longueur d'onde de l'impulsion signal ou complémentaire.
Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un oscillateur 5 paramétrique optique simplement résonnant illustrant une première variante avec un système d'ajustement de la longueur d'onde de l'impulsion signal ou complémentaire.
Les signes de références identiques sur la figure 1 désignent des éléments analogues sur la figure 4.
L'OPO de la figure 4 peut être similaire à 10 l'OPO illustré en figure 1 à l'exception du cristal optique non-linéaire.
Ici, le cristal optique non-linéaire 510 est choisi parmi un cristal optique non-linéaire d'ordre deux non ferroélectrique.
Plus particulièrement sur la figure 4, la cavité optique de l'OPO comprend un cristal optique non-linéaire 510 et en outre des moyens de variation de la température 50 du cristal optique non-linéaire 510.
Les moyens de 15 variation de la température du cristal optique non-linéaire sont par exemple un four chauffé à l'aide de résistance chauffante.
Le cristal optique non-linéaire 510 est disposé à l'intérieur du four.
Le cristal optique non-linéaire 510 est chauffé de manière à ajuster la longueur d'onde de fonctionnement de l'impulsion signal ou complémentaire.
20 Sur la figure 5, on a représenté schématiquement un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant illustrant une deuxième variante du système d'ajustement de la longueur d'onde de l'impulsion signal ou complémentaire.
Les signes de références identiques sur la figure 1 ou 4 désignent des 25 éléments similaires sur la figure 5.
L'OPO de la figure 5 est similaire à celui décrit dans la figure 4 à l'exception du cristal optique non-linéaire et des moyens de variation de la température du cristal optique non-linéaire.
Ici, par exemple, le cristal optique non-linéaire 520 est un cristal optique non-linéaire ferroélectrique à réseau de pas variable discret ou continu monté sur des moyens de déplacement.
30 Le cristal optique non-linéaire 520 peut comporter plusieurs réseaux de pas variable de manière discrète disposés parallèlement les uns des autres ou un réseau de pas variable continument, le réseau ayant une forme d'éventail.
Le cristal optique non-linéaire 520 est par exemple choisi parmi le cristal de niobate de lithium.
Les moyens de déplacement du cristal optique non-linéaire 520 sont 17 par exemple une platine motorisée se déplaçant en translation transversalement à l'axe optique de la cavité optique avec une précision de 10 dam.
Le cristal optique non-linéaire 520 est déplacé de manière à modifier le pas du réseau de génération aligné sur l'axe optique de la cavité optique selon le cas de manière discrète ou 5 continue.
La modification du pas du réseau entraîne la modification de la longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou complémentaire.
Sur la figure 6, on a représenté schématiquement un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant illustrant une troisième variante du système d'ajustement de la longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou 10 complémentaire.
Les signes de références identiques sur la figure 1, 4 ou 5 désignent des éléments analogues sur la figure 6.
L'OPO de la figure 6 peut être similaire à l'OPO illustré en figure 1 à l'exception du cristal optique non-linéaire.
Plus particulièrement sur la figure 6, la cavité optique de l'OPO comprend un cristal 15 optique non-linéaire 530 permettant de faire varier la longueur d'onde des impulsions signal et/ou complémentaire lorsque ce dernier est incliné.
Le cristal optique non-linéaire 530 est choisi parmi un cristal de bêta-borate de baryum noté BBO, triborate de lithium noté LBO, niobate de lithium noté LiNbO3 ou tantalate de lithium noté LiTa.
20 Les cristaux optiques non-linéaires 510, 520 et 530 sont bien sûr munis d'électrodes 52a, 52b adaptées pour appliquer le signal de modulation électrooptique 71.
Ces exemples de cristaux optiques non-linéaires sont non limitatifs.
En variant l'angle d'incidence défini par le faisceau incident du laser de pompe et la surface du cristal optique non-linéaire 530, il est possible d'ajuster la 25 longueur d'onde de l'impulsion signal et/ou complémentaire générée par le cristal optique non-linéaire 530.
La variation de l'angle d'incidence est effectuée en inclinant le cristal non-linéaire 530 par rapport au faisceau incident du laser de pompe à l'aide d'une platine mobile en rotation.
L'angle d'incidence peut par exemple varier entre 0 et 20 degrés.
30 La figure 7 représente une variante d'un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant présentant une cavité optique linéaire repliée selon une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 1, et comprenant un système d'asservissement actif de la cavité optique.
Les signes de références identiques sur la figure 1 désignent des éléments 18 analogues sur la figure 7.
La cavité optique comporte quatre miroirs 2, 3, 40 et 41.
Le cristal optique non-linéaire 5 est disposé entre les miroirs 3 et 40.
Le miroir 40 est par exemple un miroir concave.
Les impulsions pompe 11 du laser de pompe 1 sont focalisées au travers d'une lentille 10 sur le cristal optique non-linéaire 5.
Les 5 impulsions signal 12 et complémentaire 12a générées par le cristal optique 5 sont réfléchies périodiquement sur les miroirs 3 et 40.
Une partie des impulsions signal 12 et complémentaire 12a est réfléchie en direction du miroir 2 situé à l'opposé du miroir 40.
Une partie des impulsions signal 12 est réfléchie sur le miroir 3 (monté
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Oscillateur paramétrique optique comprenant une cavité optique, un laser de pompe (1) délivrant des impulsions pompe (11) périodiques, un cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530) intra-cavité, ledit oscillateur paramétrique optique générant périodiquement des impulsions signal (12) et complémentaire (12a), les impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) étant temporellement synchronisées dans le cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530) avec les impulsions pompe (11) à un instant initial, caractérisé en ce que l'oscillateur paramétrique optique comprend un système d'asservissement actif comprenant: - un dispositif de modulation adapté pour moduler de manière électro-optique le cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530), le cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530) étant muni d'électrodes (52a, 52b) et le dispositif de modulation étant adapté pour appliquer un signal de modulation (71) aux bornes des électrodes (52a, 52b), - un système de détection adapté pour détecter un signal représentatif d'une puissance moyenne d'un train d'impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique, en fonction du signal de modulation (71), - un calculateur adapté pour calculer un signal d'erreur représentatif d'une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne du train d'impulsions signal et/ou complémentaire et le signal de puissance moyenne détecté en fonction du temps, et - un dispositif de contre-réaction adapté pour modifier la longueur optique de la cavité optique de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d'erreur.
- 2. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, dans lequel le système de détection est capable de détecter un signal de puissance moyenne, et le système d'asservissement est adapté pour maximiser la puissance moyenne des impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique. 20
- 3. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, dans lequel le système de détection est capable de détecter un signal de puissance crête, et le système d'asservissement est adapté pour minimiser la durée des impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) générées en sortie de l'oscillateur 5 paramétrique optique.
- 4. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530) est un cristal choisi parmi le bêta-borate de baryum, le triborate de lithium, ou dans lequel le cristal optique non-linéaire est un cristal ferroélectrique (5, 51, 520) choisi parmi le 10 niobate de lithium polarisé périodiquement en réseau discret ou continument en éventail, le titanyl phosphate de potassium, le potassium titanyle arsenate ou le tantalate de lithium, le cristal optique ferroélectrique étant polarisé périodiquement en réseau discret ou continument en éventail.
- 5. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 4, 15 dans lequel le dispositif de modulation comporte un générateur de tension électrique adapté pour moduler la tension appliquée aux électrodes (52a, 52b) du cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530), la modulation de tension étant adaptée pour moduler la condition d'accord de phase de l'impulsion signal (12) et/ou complémentaire (12a) dans le cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 20 530).
- 6. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le dispositif de contre-réaction comporte une lame (9) inclinable à faces planes et parallèles positionnée dans la cavité optique.
- 7. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 5 25 dans lequel le dispositif de contre-réaction comporte une platine (8) mobile en translation, un miroir (3) de la cavité optique étant monté sur la platine (8) mobile en translation.
- 8. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant des moyens de variation de la température (50) du cristal optique 30 non-linéaire (510), adaptés pour ajuster la longueur d'onde de l'impulsion signal (12) et/ou complémentaire (12a).
- 9. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel, le cristal optique non-linéaire (520) comprend au moins deux réseaux de pas différents ou un réseau de pas variable en éventail, le cristal optique non- 21 linéaire (520) étant monté sur une platine mobile en translation adaptée pour modifier le pas du réseau sur l'axe optique de la cavité optique de manière à ajuster la longueur d'onde de l'impulsion signal (12) et/ou complémentaire (12a).
- 10. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à 7 5 dans lequel le cristal optique non-linéaire (530) est monté sur une platine mobile en rotation adaptée pour ajuster la longueur d'onde de l'impulsion signal (12) et/ou complémentaire (12a).
- 11. Procédé de génération d'impulsions par oscillation paramétrique optique comprenant les étapes suivantes : 10 - génération périodique d'une impulsion signal (12) et d'une impulsion complémentaire (12a) en sortie d'un oscillateur paramétrique optique, les impulsions signal et/ou complémentaire étant temporellement synchronisées dans un cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530) avec des impulsions pompe (11) à un instant initial, 15 - modulation électro-optique (71) appliquée au cristal optique non-linéaire (5, 51, 510, 520, 530) lui-même, - détection d'un signal représentatif d'une puissance moyenne d'un train d'impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) générées en sortie de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal de modulation 20 (71) appliqué, - génération d'un signal d'erreur représentatif d'une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne du train d'impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) et le signal de puissance moyenne détecté en fonction du temps, et 25 - modification de la longueur optique de la cavité optique de l'oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d'erreur via une boucle de contre-réaction. 30
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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