WO2020089559A1 - Optical parametric oscillator with servo-controlled optical cavity and associated method - Google Patents

Optical parametric oscillator with servo-controlled optical cavity and associated method Download PDF

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WO2020089559A1
WO2020089559A1 PCT/FR2019/052570 FR2019052570W WO2020089559A1 WO 2020089559 A1 WO2020089559 A1 WO 2020089559A1 FR 2019052570 W FR2019052570 W FR 2019052570W WO 2020089559 A1 WO2020089559 A1 WO 2020089559A1
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signal
optical
complementary
parametric oscillator
modulation
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PCT/FR2019/052570
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French (fr)
Inventor
Eric Freysz
Original Assignee
Universite de Bordeaux
Centre National De La Recherche Scientifique
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3532—Arrangements of plural nonlinear devices for generating multi-colour light beams, e.g. arrangements of SHG, SFG, OPO devices for generating RGB light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of optical parametric oscillators comprising a non-linear optical crystal disposed in an optical cavity and synchronously pumped by pulses of pump laser to generate femtosecond pulses.
  • It relates more particularly to femtosecond optical parametric oscillators which are simply resonant, generating a signal pulse and a complementary pulse.
  • It relates in particular to a device and a method for active servo-control of the time drift of the average power and / or of the duration of the signal and complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator.
  • An optical parametric oscillator is produced by constructing a laser cavity around a non-linear optical crystal pumped by pump laser pulses (later called pump pulses) at an optical frequency w.
  • the OPO is thus capable of generating two pulses of optical frequency (wi , CJÜ2) lower than the frequency of the pump laser w: a signal pulse of frequency wi and a complementary pulse of frequency 002.
  • an OPO When an OPO operates in femtosecond or picosecond mode (ie for time scales between 30 fs and 100 ps), it must be pumped in synchronized mode, i.e. the signal and / or complementary pulses generated by the OPO must temporally cover the pump pulse during their propagation in the non-linear optical crystal.
  • the optical length of the linear cavity (for example around 1.5 m of long) must be adjusted to the nearest sub-micrometer. Subsequently, the length of the optical cavity is understood to mean the optical length of the optical cavity.
  • F the repetition frequency of the pump laser
  • c the speed of light in vacuum equal to 3x10 8 m / s
  • L the length of the optical cavity.
  • an OPO is mainly used to continuously adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse over a wide spectral range.
  • the present invention provides an optical parametric oscillator comprising an optical cavity, a pump laser delivering periodic pump pulses, an intra-cavity non-linear optical crystal, said parametric oscillator optics periodically generating signal and complementary pulses, the signal and complementary pulses being picosecond or femtosecond pulses generated at a repetition frequency between 10 MHz and 10 GHz, the signal and / or complementary pulses being temporally synchronized in the non-linear optical crystal with the pump pulses at an initial instant.
  • the optical parametric oscillator comprises an active servo system comprising: a modulation device configured to electro-optically modulate the non-linear optical crystal itself, the non-linear optical crystal being provided with the electrodes and the modulation device being configured to apply a modulation signal to the terminals of the electrodes, the periodic modulation signal having a modulation frequency of between 10 Hz and 1 MHz, so as to induce power modulation of the signal pulses and / or complementary, a detection system configured to detect a modulation of a signal representative of an average power or respectively of peak power of a train of signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator, according to the modulation signal, a computer configured to calculate an error signal repr representative of a difference between an optimum value of average power or respectively of peak power of the signal and / or complementary pulse train and the modulation of the signal of average power or respectively of peak power detected as a function of time, and a device for Feedback configured to modify the optical length of the optical cavity
  • the optical parametric oscillator of the present invention advantageously makes it possible to maximize the average power of the signal and / or complementary pulses at the output of the optical cavity or to minimize the duration of signal and / or complementary pulses whatever the power of the pump pulses. or the temperature of the non-linear optical crystal involved.
  • the present invention provides a system which automatically adjusts the optical length of the cavity when the wavelength of the generated pulse is changed and also proposes to compensate for unwanted fluctuations in the optical length of the optical cavity .
  • the detection system is configured to detect an average power signal
  • the servo system is configured to maximize the average power of the signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator.
  • the detection system is configured to detect a peak power signal
  • the servo system is configured to minimize the duration of signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator.
  • the non-linear optical crystal is for example a crystal chosen from barium beta-borate, lithium triborate, or the non-linear optical crystal is for example a ferroelectric crystal chosen from lithium niobate periodically polarized in a discrete network or continuously fan-shaped, potassium titanyl phosphate, potassium titanyl arsenate or lithium tantalate, the ferroelectric optical crystal being periodically polarized in a discrete network or continuously fan-shaped.
  • the modulation device comprises an electric voltage generator configured to modulate the voltage applied to the electrodes of the non-linear optical crystal, the voltage modulation being adapted to modulate the phase tuning condition of the signal pulse and / or complementary in non-linear optical crystal.
  • the feedback device comprises a tilting blade with flat and parallel faces positioned in the optical cavity.
  • the feedback device comprises a plate movable in translation, a mirror of the optical cavity being mounted on the plate movable in translation.
  • the invention also provides means for varying the temperature of the non-linear optical crystal, suitable for adjusting the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
  • the non-linear optical crystal comprises at least two networks of different pitches or a variable pitch network of fans, the non-linear optical crystal being mounted on a plate movable in translation adapted to modify the pitch of the network on the optical axis of the optical cavity so as to adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
  • the non-linear optical crystal is mounted on a mobile plate in rotation adapted to adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
  • the invention also provides a method for generating pulses by optical parametric oscillation comprising the following steps: periodic generation, at a repetition frequency between 10 MHz and 10 GHz, of a signal pulse and of a complementary pulse at the output of an optical parametric oscillator, the signal and / or complementary pulses being picosecond or femtosecond pulses temporally synchronized in a non-linear optical crystal with pump pulses at an initial time,
  • electro-optical modulation at a modulation frequency between 10 Hz and 1 MHz, applied to the non-linear optical crystal itself, so as to induce power modulation of the signal and / or complementary pulses,
  • the optical length is adjusted by minimizing the error signal.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an optical parametric oscillator simply resonant according to an embodiment comprising an active servo system of the optical cavity,
  • FIG. 2 is a sectional view of a non-linear optical crystal periodically polarized
  • FIG. 3 is a sectional view of a tilting blade with flat and parallel faces
  • FIG. 4 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator comprising an active servo system of the optical cavity and a wavelength scanning system according to a first variant
  • FIG. 5 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator comprising an active servo system of the optical cavity and a wavelength scanning system according to a second variant
  • FIG. 6 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator comprising an active servo system of the optical cavity and a wavelength scanning system according to a third variant
  • FIG. 7 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator having a folded linear optical cavity and an active servo system of the optical cavity according to a variant of the embodiment shown in Figure 1.
  • a simply resonant OPO generates a signal pulse and a complementary pulse, the pump pulse being synchronized with the signal pulse or the complementary pulse at an initial time.
  • a simply resonant OPO on the signal pulse means that only the signal pulse is resonant in the OPO cavity and synchronized with the pump pulse.
  • a simply resonant OPO on the complementary pulse means that only the complementary pulse is resonant in the cavity of the OPO and synchronized with the pump pulse.
  • a doubly resonant OPO generates a signal pulse and a complementary pulse, the pump pulse being synchronized with the signal pulse and the complementary pulse at an initial instant.
  • a doubly resonant OPO on the signal and complementary pulses means that the two signal and complementary pulses are resonant in the cavity of the OPO and synchronized.
  • FIG 1 there is shown schematically an optical parametric oscillator simply resonating on the signal wave or the complementary wave illustrating an embodiment of the servo of the length of the optical cavity.
  • the ORO optical cavity therefore oscillates on the signal wave or the complementary wave.
  • the optical parametric oscillator of FIG. 1 comprises a pump laser 1 which generates pump pulses 11 of optical frequency w, in other words of wavelength l comprised between 0.2 pm and 10 pm and at a repetition frequency F comprised between 10 MHz and 10 GHz and between 30 fs and 100 ps.
  • the pump pulses 11 propagate in an optical cavity comprising for example two intra-cavity mirrors 2, 3.
  • the optical cavity can include three, four or more than four mirrors.
  • the optical cavity can for example be linear, folded (butterfly-cavity in English) or ring.
  • the two mirrors 2 and 3 are generally concave mirrors and efficiently transmit the pump pulse, generally 99% transmission of the pump pulse.
  • the pump pulse beam 11 is focused through the mirror 3 in a non-linear optical crystal 5 which periodically generates a signal pulse 12 and a complementary pulse 12a.
  • the signal pulse 12 is temporally synchronized in the non-linear optical crystal with the pump pulses 11.
  • the repetition frequency of the signal and / or complementary pulses is between 10 MHz and 10 GHz.
  • the optical parametric oscillator operates in picosecond or femtosecond regime.
  • the duration of the signal and / or additional pulses is between 30 fs and 100 ps.
  • the non-linear optical crystal 5 provided with electrodes 52a, 52b is a periodically polarized non-linear optical crystal such as periodically polarized lithium niobate (PPLN) with a single discrete network or with several discrete networks or continuously in fan or the discrete or continuously fan-shaped periodically polarized lithium tantalate (PPLT) or potassium titanyl phosphate, or potassium titanyl arsenate or potassium niobate.
  • PPLN periodically polarized lithium niobate
  • PPLT periodically polarized lithium tantalate
  • the periodically polarized optical crystal is adapted to receive an electric field the along the extraordinary axis of the periodically polarized crystal.
  • the nonlinear optical crystal 5 provided with electrodes 52a, 52b can also be a nonlinear optical crystal such as barium beta-borate denoted BBO, or lithium triborate denoted LBO, or lithium niobate denoted LiNbOs or lithium tantalate noted LiTa.
  • BBO barium beta-borate
  • LBO lithium triborate
  • LiNbOs lithium niobate
  • LiTalate lithium tantalate noted LiTa.
  • non-linear optical crystals are non-limiting.
  • One of the mirrors 2 or 3 partially transmits the signal or complementary wave oscillating in the optical cavity.
  • a mirror 4 at the output of the optical cavity receives respectively the signal 12 or complementary 12a waves transmitted by the mirror 2.
  • the OPO further comprises an active servo system capable of detecting either a medium power signal to maximize the intensity of the signal and / or complementary pulses generated at the output of the OPO or a peak power signal to minimize the duration of signal and / or additional pulses generated at the output of the OPO.
  • the OPO includes an active servo system generating a periodic modulation signal 71 to ensure the time synchronization of the pump pulses and signal or complementary pulses.
  • the modulation signal 71 is generated by a modulation device.
  • the modulation signal 71 is for example a periodic signal of sinusoidal or square type.
  • the modulation signal 71 is configured to generate an electro-optical modulation on a ferroelectric crystal or another non-linear optical crystal provided with electrodes 52a, 52b.
  • the modulation signal 71 is generated at a modulation frequency ranging from 10 Hz up to 100 kHz, or even up to 1 MHz. As detailed below, the modulation signal 71 induces electro-optical modulation of the power of the signal or complementary pulses generated at the output of the OPO, at the modulation frequency.
  • the active servo system includes a modulation device, a detector 6, an electronic module 7 and a feedback device 8 or 9.
  • the active servo system can be automated as a function of time thanks to the implementation of a feedback loop.
  • the detector 6 is configured to detect a signal representative of a power of the signal or complementary pulses generated at the output of the OPO, as a function of the modulation applied to the ferroelectric crystal 5 provided of electrodes 52a, 52b.
  • the detector 6 is configured to measure a modulation of the signal whose frequency is between 10 Hz and 100 kHz, or even up to 1 MHz.
  • the response time of the servo system is adapted to the response time of the modulation device.
  • the detector 6 is configured to measure a signal representative of the average power or of the peak power of a train of signal pulses and / or complementary.
  • the detector 6 detects a signal representative of the average power of a signal or complementary pulse train. More precisely, in this case, the detector 6 detects a signal representative of a modulation (at the modulation frequency between 10 Hz and 100 kHz) of the average power of a signal or complementary pulse train. In this example, a small part of the signal transmitted by the mirror 4 is filtered and then sent through a lens to be focused on the optical detector 6.
  • the lens is for example a concave lens.
  • the detector is for example a photodiode.
  • the detector 6 detects a signal representative of the peak power of the signal or complementary pulses. More precisely, in this case, the detector 6 detects a signal representative of a modulation (at the modulation frequency between 10 Hz and 100 kHz) of the peak power of a signal or complementary pulse train. To this end, a small part of the signal transmitted by the mirror 4 is filtered and then sent through a nonlinear doubling crystal to generate a harmonic wave doubled in frequency. The doubled harmonic wave can be sent through a lens to be focused on the optical detector 6.
  • the lens is for example a concave lens.
  • the detector is for example a photodiode.
  • the signal representative of a modulation of the power of the signal or additional pulses detected by the detector 6 is sent to the electronic module 7.
  • the electronic module 7 further comprises a computer configured to calculate an error signal 73, 74 representative of a difference between an optimal value of the average power or respectively of the peak power of the signal or complementary pulses and the average power signal or respectively of peak power detected as a function of time. We hear by optimal value, the optimal value of the device considered.
  • the error signal 73, 74 is generated by the electronic module 7 to adjust the length of the optical cavity of the OPO.
  • the error signal varies depending on the signal measured by the detector 6.
  • the error signal generated by the electronic module 7 is sent to the feedback device.
  • the feedback device is disposed at the output of the electronic module 7 so as to adjust the length of the optical cavity of the optical parametric oscillator according to the error signal and thus minimize the amplitude of the intensity modulation or power, detected by the detector.
  • FIG. 2 represents an example of a periodically polarized optical crystal 51 in which the pump pulse 11 and the signal pulses 12 and / or complementary 12a are synchronized.
  • the periodically polarized optical crystal 51 can comprise a single fixed pitch network, several discrete variable pitch networks or a continuously variable pitch network, the network having a fan shape.
  • the periodically polarized optical crystal 51 comprises a succession of zones polarized in opposite directions from each other, for example forming a network of fixed steps.
  • the extraordinary axis is defined in the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) in Figure 2 and is oriented along the Z axis.
  • the electrode 52a is arranged on one side of the periodically polarized optical crystal 51.
  • the electrode 52a is for example in the form of a periodic comb as illustrated in FIG. 2.
  • the electrode 52a is arranged on the polarized areas of the crystal periodically polarized optic 51 along the axis -Z.
  • the other side of the periodically polarized optical crystal 51 is provided with a uniform electrode 52b connected to ground.
  • the modulation device applies an electric field between the two electrodes 52a and 52b along the extraordinary axis of the periodically polarized optical crystal 51 so as to control the index of the polarized zones.
  • h (l) h (l) +1/2 h 3 (l) r X 3 E
  • h (l) is the index seen by the wave propagating in the crystal
  • P3 is the electro-optical coefficient of the wave propagating along the ordinary axis
  • G33 is the electro-optical coefficient of the wave propagating along the extraordinary axis
  • E is the electric field applied to the optical crystal.
  • the electro-optical coefficients and the optical index exhibit a dispersion as a function of the wavelength of the pump pulse.
  • the value of the phase mismatch as a function of the electric field Ak (E) depends on the sign of the electric field E.
  • a sinusoidal modulation of the electric field E results in a sinusoidal modulation of the intensity or of the power produced by the OPO.
  • the average value of the modulation of the intensity or of the power at the output of the OPO is zero.
  • the mean value of the modulation of the intensity or of the power at the output of the OPO is not zero.
  • the average value of the modulation of the intensity or power at the output of ORO is positive if the phase mismatch is negative (ie Ak ⁇ 0).
  • the average value of the power modulation is obtained by sampling at N times the modulation frequency and arithmetic mean, by demodulation, in practice multiplication by a sinusoidal function.
  • the average value of the intensity or power modulation at the output of the OPO is negative if the phase mismatch is positive (ie Ak> 0). Consequently, the cavity is tuned (phase detuning Ak (E) zero or close to zero) when the average value of the power modulation at the output of the OPO is zero.
  • the electronic module 7 calculates the average value of the modulation, at the modulation frequency, at the output of the OPO and deduces therefrom an error signal 73 or 74 proportional and of sign opposite to this. average value.
  • the length drift of the optical cavity is compensated by placing for example one of the mirrors of the optical cavity, for example the mirror 3, on a plate 8 for translation.
  • the translation plate 8 is adapted to receive an electrical voltage.
  • the plate 8 is capable of moving in translation in the direction of the length of the optical cavity with a resolution close to 0.01 ⁇ m over a length between 3 mm and 300 mm.
  • H the thickness of the crystal along the direction of the Z axis.
  • the length of the optical cavity to be compensated is equal to 24 ⁇ m.
  • the variation in the length of the optical cavity of the OPO is compensated by inserting for example a passive optical component 9 in the optical cavity.
  • the passive optical component 9 is capable of moving in translation and / or in rotation in the optical cavity.
  • the passive optical component 9 is for example a tilting plate with flat and parallel faces such as a molten silica or calcium fluoride plate (denoted CaF2) inclined around the Brewster angle relative to the optical axis of the pulses propagating in the resonant optical cavity.
  • the blade 9 is mounted on a galvanometric rotation stage. In this case, the error signal 74 is applied to the rotation stage so as to modify the inclination of the blade with flat and parallel faces, and thus modify the length of the optical cavity.
  • the thickness e of the tilting blade is determined so as to compensate for very small variations in the length of the optical cavity of the order of 0.1 pm.
  • the length of the optical cavity is adjusted by turning the tilting blade of optical index n and thickness e around an axis parallel to its surface and transverse to the optical axis of the optical cavity, as illustrated in Figure 3 .
  • the active servo system presented in FIG. 1 makes it possible to generate the maximum power of a simply resonant OPO whatever the power of the pump laser or the temperature of the non-linear optical crystal involved.
  • Fluctuations in the length of the optical cavity over time are thus compensated for at the sub-micrometer scale so as to check the condition of temporal synchronization of the signal or complementary pulses vis-à-vis the pump pulses in the optical crystal.
  • non-linear at a given wavelength of the signal pulse and at a given temperature of the crystal To maximize the average power generated by ORO at the resonant wavelength in the cavity, it is essential to time synchronize in the non-linear optical crystal the pump pulse and the signal or complementary pulses generated by GORO.
  • the phase mismatch between the pump pulse and the signal pulse in the non-linear optical crystal is zero.
  • the average power output from the OPO is then maximum and is equal to / 0 .
  • the average value of the power modulation of the signal or complementary pulses at the output of the OPO, at the modulation frequency of the electro-optical crystal is zero.
  • the variation in the length of the optical cavity can be linked to the variation in the temperature of the non-linear optical crystal in the case where it is desired to modify the wavelength of the signal pulse generated by the OPO, or to unwanted fluctuations in the temperature of the non-linear optical crystal.
  • the central optical frequency of the resonant signal pulse in the optical cavity changes: the phase mismatch between the pump pulse and the signal pulse in the non-linear optical crystal becomes not bad.
  • This phase difference Ak causes a reduction in the average power delivered by the OPO, revealing the low frequency modulation of the electro-optical crystal in the power signal of the signal or complementary pulses.
  • the average value of the power modulation of the signal or complementary pulses at the output of the OPO, at the modulation frequency of the electro-optical crystal is not zero.
  • the average power output from the OPO can then be optimized by readjusting the length of the optical cavity so as to reduce the phase mismatch Ak.
  • Equation Eq2 shows that in the vicinity of its maximum, the average power at the output of the OPO varies parabolically compared to the variations of the phase mismatch Ak. If the length of the optical cavity is modulated around its equilibrium position, this implies the modulation of the phase detuning Ak and consequently the modulation of the average power (or intensity) I ( ⁇ ).
  • Equation Eq3 shows that the variation in intensity dI at the output of the OPO is proportional to the variation in the phase mismatch Ak. Consequently, the variation in intensity dI is proportional to the variation in the length of the optical cavity.
  • the average value of the intensity modulation is not zero.
  • the average value of the OPO intensity modulation is positive if the phase mismatch is negative (ie Ak ⁇ 0).
  • the average value of the OPO intensity modulation is negative if the phase mismatch is positive (ie Ak> 0).
  • the equation Eq2 gives information on the sign of the phase difference Ak, and on the amplitude of the variation of the phase difference Ak.
  • the sign and the amplitude of the phase mismatch Ak allow the computer to generate an error signal to compensate for the length of the optical cavity. More precisely, the error signal is proportional and of opposite sign to the average value of the average power modulation of the signal or complementary pulses at the output of the OPO.
  • the active servo system in connection with FIG. 1 also makes it possible to servo the length of the optical cavity to optimize the duration of the pulses generated by the OPO.
  • the principle of servo-control of the length of the optical cavity to optimize the duration of the pulses generated by the OPO is based here on the detection and servo-control of the peak power of the signal or complementary pulses.
  • the representative error signal is measured the difference between a maximum peak power value of the signal or complementary pulses and the detected peak power signal. More precisely, the error signal is proportional and of opposite sign to the average value of the peak power modulation of the signal or complementary pulses at the output of GORO. The maximum peak power value is obtained when the signal pulses have a minimum duration.
  • the detector 6 measures the average power of the doubled harmonic wave generated by another non-linear optical crystal (not illustrated in Figure 1).
  • the average power of the doubled harmonic wave is maximum at the optimal operating point where the duration of the signal or additional pulse is minimum at the output of the OPO.
  • the modulation of the length of the optical cavity can be carried out in the same way as the embodiment of the present invention by generating an electro-optical modulation of the ferroelectric crystal or of a non-linear optical crystal provided with electrodes 52a , 52b.
  • the length of the optical cavity is adjusted so as to generate frequency-doubled pulses at the output of the OPO, the duration of which is minimum.
  • the average value of the intensity modulation at the optical frequency doubled to 2wi associated with a small modulation around this position is zero.
  • the average value of the intensity modulation at 2wi is not zero. It is positive or negative depending on the value of the variation in the length of the optical cavity 5L. So here again we have all the information to compensate for the length of the cavity.
  • the OPO is used to continuously adjust the wavelength of the signal or complementary pulse over a wide spectral range.
  • the index seen by the generated wave must be changed.
  • the change in the expected refractive index necessarily leads to a variation in the length of the optical cavity.
  • the length of the optical cavity is adjusted by adjusting the optical elements in the optical cavity. This adjustment is generally a manual, long and tedious adjustment.
  • the non-linear optical crystal may undergo thermal variation during the operation of ORO due to the passage of the beams.
  • the non-linear optical crystal expands and induces an unwanted variation in its refractive index as a function of time and also causes a variation in the length of the optical cavity.
  • the present disclosure proposes to control the length of the optical cavity while modifying the wavelength of the signal or complementary pulse.
  • Figure 4 there is schematically shown a simply resonant optical parametric oscillator illustrating a first variant with a system for adjusting the wavelength of the signal or complementary pulse.
  • the identical reference signs in FIG. 1 designate similar elements in FIG. 4.
  • the OPO in FIG. 4 can be similar to the OPO illustrated in FIG. 1 with the exception of the non-linear optical crystal.
  • the non-linear optical crystal 510 is chosen from a non-linear optical crystal of order two non-ferroelectric. More particularly in FIG. 4, the optical cavity of the OPO comprises a non-linear optical crystal 510 and furthermore means for varying the temperature 50 of the non-linear optical crystal 510.
  • the means for varying the temperature of the crystal non-linear optics are for example an oven heated using a heating resistor.
  • the non-linear optical crystal 510 is placed inside the furnace. The non-linear optical crystal 510 is heated so as to adjust the operating wavelength of the signal or complementary pulse.
  • FIG. 5 a diagrammatic representation of an oscillator has been shown. simply resonant optical parametric illustrating a second variant of the system for adjusting the wavelength of the signal or complementary pulse.
  • the identical reference signs in FIG. 1 or 4 designate similar elements in FIG. 5.
  • the OPO in FIG. 5 is similar to that described in FIG. 4 except for the non-linear optical crystal and the means of variation of the temperature of the non-linear optical crystal.
  • the non-linear optical crystal 520 is a ferroelectric non-linear optical crystal with a discrete or continuous variable pitch network mounted on displacement means.
  • the non-linear optical crystal 520 can comprise several networks of variable pitch in a discrete manner arranged parallel to one another or a network of continuously variable pitch, the network having a fan shape.
  • the non-linear optical crystal 520 is, for example, chosen from lithium niobate crystal.
  • the means for moving the non-linear optical crystal 520 are for example a motorized plate moving in translation transversely to the optical axis of the optical cavity with an accuracy of 10 ⁇ m.
  • the non-linear optical crystal 520 is moved so as to modify the pitch of the generation grating aligned with the optical axis of the optical cavity, as the case may be, in a discrete or continuous manner.
  • the modification of the network pitch causes the modification of the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
  • FIG. 6 a simply resonant optical parametric oscillator is shown diagrammatically illustrating a third variant of the system for adjusting the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
  • the identical reference signs in FIG. 1, 4 or 5 designate similar elements in FIG. 6.
  • the OPO in FIG. 6 can be similar to ORO illustrated in FIG. 1 with the exception of the non-linear optical crystal.
  • the optical cavity of ORO comprises a non-linear optical crystal 530 making it possible to vary the wavelength of the signal and / or complementary pulses when the latter is inclined.
  • the non-linear optical crystal 530 is chosen from a barium beta-borate crystal denoted BBO, lithium triborate denoted LBO, lithium niobate denoted LiNbOs or lithium tantalate denoted LiTa.
  • the 510, 520 and 530 non-linear optical crystals are of course provided electrodes 52a, 52b adapted to apply the electro-optical modulation signal 71. These examples of non-linear optical crystals are non-limiting.
  • the angle of incidence defined by the incident beam of the pump laser and the surface of the non-linear optical crystal 530, it is possible to adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse generated by the non-linear optical crystal 530.
  • the variation of the angle of incidence is carried out by tilting the non-linear crystal 530 with respect to the incident beam of the pump laser using a mobile plate in rotation.
  • the angle of incidence can for example vary between 0 and 20 degrees.
  • FIG. 7 represents a variant of a simply resonant optical parametric oscillator having a folded linear optical cavity according to a variant of the embodiment illustrated in FIG. 1, and comprising an active servo system of the optical cavity.
  • the identical reference signs in FIG. 1 designate similar elements in FIG. 7.
  • the optical cavity comprises four mirrors 2, 3, 40 and 41.
  • the non-linear optical crystal 5 is placed between the mirrors 3 and 40.
  • the mirror 40 is for example a concave mirror.
  • the pump pulses 11 of the pump laser 1 are focused through a lens 10 on the non-linear optical crystal 5.
  • the signal 12 and complementary 12a pulses generated by the optical crystal 5 are periodically reflected on the mirrors 3 and 40. Part of the signal 12 and complementary 12a pulses is reflected towards the mirror 2 situated opposite the mirror 40. Part of the signal pulses 12 is reflected on the mirror 3 (mounted on the displacement plate 8) towards the mirror 41 which transmits said part of the signal pulses 12 to the detector 6.

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Abstract

Disclosed is an optical parametric oscillator that comprises an optical cavity, a pump laser (1), an intra-cavity non-linear optical crystal (5), a modulation device configured to electro-optically modulate the non-linear optical crystal (5) itself, and an active servo-control system comprising: - a modulation device generating a modulation signal configured to electro-optically modulate the non-linear optical crystal (5) itself, - a detection system configured to detect a signal representative of a power of the signal and/or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator, as a function of the modulation signal (71), - a computer configured to calculate an error signal representative of a difference between a predetermined maximum power value of the signal and/or complementary pulses and the detected power signal as a function of time, and - a feedback device configured to modify the optical length of the optical cavity of the optical parametric oscillator as a function of the error signal.

Description

OSCILLATEUR PARAMÉTRIQUE OPTIQUE À CAVITÉ OPTIQUE ASSERVIE ET  OPTICAL PARAMETRIC OSCILLATOR WITH CONTROLLED OPTICAL CAVITY AND
PROCÉDÉ ASSOCIÉ  ASSOCIATED PROCESS
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTIONTECHNICAL FIELD TO WHICH THE INVENTION RELATES
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. The present invention relates generally to the field of optical parametric oscillators comprising a non-linear optical crystal disposed in an optical cavity and synchronously pumped by pulses of pump laser to generate femtosecond pulses.
Elle concerne plus particulièrement les oscillateurs paramétriques optiques femtoseconde simplement résonnant, générant une impulsion signal et une impulsion complémentaire.  It relates more particularly to femtosecond optical parametric oscillators which are simply resonant, generating a signal pulse and a complementary pulse.
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.  It relates in particular to a device and a method for active servo-control of the time drift of the average power and / or of the duration of the signal and complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE  TECHNOLOGICAL BACKGROUND
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 (wi, CJÜ2) inférieure à la fréquence du laser de pompe w : une impulsion signal de fréquence wi et une impulsion complémentaire de fréquence 002. 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 = wi + 002. La fréquence optique w dépend de la longueur d’onde l et la célérité de la lumière c et s’exprime comme suivant : w = 2po/l. An optical parametric oscillator (OPO) is produced by constructing a laser cavity around a non-linear optical crystal pumped by pump laser pulses (later called pump pulses) at an optical frequency w. The OPO is thus capable of generating two pulses of optical frequency (wi , CJÜ2) lower than the frequency of the pump laser w: a signal pulse of frequency wi and a complementary pulse of frequency 002. The conservation of the energy of the pulses implies that the sum of the frequencies of the signal and complementary pulse is equal to the frequency of the pump pulse, ie w = wi + 002. The optical frequency w depends on the wavelength l and the speed of light c and is expressed as follows: w = 2in / l.
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 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 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 variations de la longueur de la cavité optique de l’ordre de 0,1 pm. 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. When an OPO operates in femtosecond or picosecond mode (ie for time scales between 30 fs and 100 ps), it must be pumped in synchronized mode, i.e. the signal and / or complementary pulses generated by the OPO must temporally cover the pump pulse during their propagation in the non-linear optical crystal. For example, to guarantee the synchronization of the pulses within the non-linear optical crystal in a linear cavity pumped by pulses at a repetition frequency F of 100 MHz, the optical length of the linear cavity (for example around 1.5 m of long) must be adjusted to the nearest sub-micrometer. Subsequently, the length of the optical cavity is understood to mean the optical length of the optical cavity. Indeed, the length of the linear cavity is calculated with the expression F = c / 2L, where F represents the repetition frequency of the pump laser, c represents the speed of light in vacuum equal to 3x10 8 m / s and L represents the length of the optical cavity. For example, for a pump pulse duration of 100 fs and an optical cavity quality factor of approximately 100, the ideal overlap between the pump pulse and the signal and / or complementary pulse should be ~ 1 fs. This therefore implies that the synchronization of the pump pulse and of the signal and / or complementary pulse requires very precise control of the variations in the length of the optical cavity of the order of 0.1 μm. The quality factor corresponds to the number of round trips of the signal pulse in the optical cavity for which the signal pulse covers the pump pulse.
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 complémentaire.  Furthermore, an OPO is mainly used to continuously adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse over a wide spectral range.
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 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 ORO ne sont donc plus optimales.  In practice, by changing the temperature of the non-linear optical crystal or by rotating the crystal, it is possible to adjust the wavelength of the pulses generated by an OPO. However, when the non-linear optical crystal heats up, it expands and its refractive index varies as a function of time and this implies a variation in the length of the cavity. Fluctuations in the length of the optical cavity modify the stability of the optical cavity and result in the appearance of a temporal drift of the average power or of the duration of the signal and / or complementary pulse after a few minutes. . The average power or the duration of the pulses generated by ORO are therefore no longer optimal.
OBJET DE L’INVENTION  OBJECT OF THE 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 cristal optique non-linéaire intra-cavité, ledit oscillateur paramétrique optique générant périodiquement des impulsions signal et complémentaire, les impulsions signal et complémentaire étant des impulsions picoseconde ou femtoseconde générées à une fréquence de répétition comprise entre 10 MHz et 10 GHz, les impulsions signal et/ou complémentaire étant temporellement synchronisées dans le cristal optique non-linéaire avec les impulsions pompe à un instant initial. In order to remedy the abovementioned drawbacks of the prior art, the present invention provides an optical parametric oscillator comprising an optical cavity, a pump laser delivering periodic pump pulses, an intra-cavity non-linear optical crystal, said parametric oscillator optics periodically generating signal and complementary pulses, the signal and complementary pulses being picosecond or femtosecond pulses generated at a repetition frequency between 10 MHz and 10 GHz, the signal and / or complementary pulses being temporally synchronized in the non-linear optical crystal with the pump pulses at an initial instant.
Selon l’invention, l’oscillateur paramétrique optique comprend un système d’asservissement actif comprenant: un dispositif de modulation configuré 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 configuré pour appliquer un signal de modulation aux bornes des électrodes, le signal de modulation périodique ayant une fréquence de modulation comprise entre 10 Hz et 1 MHz, de manière à induire une modulation de puissance des impulsions signal et/ou complémentaire, un système de détection configuré pour détecter une modulation d’un signal représentatif d’une puissance moyenne ou respectivement de puissance crête 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 configuré pour calculer un signal d’erreur représentatif d’une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête du train d’impulsions signal et/ou complémentaire et la modulation du signal de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête détecté en fonction du temps, et un dispositif de contre-réaction configuré pour modifier la longueur optique de la cavité optique de l’oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d’erreur.  According to the invention, the optical parametric oscillator comprises an active servo system comprising: a modulation device configured to electro-optically modulate the non-linear optical crystal itself, the non-linear optical crystal being provided with the electrodes and the modulation device being configured to apply a modulation signal to the terminals of the electrodes, the periodic modulation signal having a modulation frequency of between 10 Hz and 1 MHz, so as to induce power modulation of the signal pulses and / or complementary, a detection system configured to detect a modulation of a signal representative of an average power or respectively of peak power of a train of signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator, according to the modulation signal, a computer configured to calculate an error signal repr representative of a difference between an optimum value of average power or respectively of peak power of the signal and / or complementary pulse train and the modulation of the signal of average power or respectively of peak power detected as a function of time, and a device for Feedback configured to modify the optical length of the optical cavity of the optical parametric oscillator according to the error signal.
L’oscillateur paramétrique optique de la présente invention permet avantageusement de maximiser la puissance moyenne des impulsions signal et/ou complémentaire en sortie de la cavité optique 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.  The optical parametric oscillator of the present invention advantageously makes it possible to maximize the average power of the signal and / or complementary pulses at the output of the optical cavity or to minimize the duration of signal and / or complementary pulses whatever the power of the pump pulses. or the temperature of the non-linear optical crystal involved.
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.  The present invention provides a system which automatically adjusts the optical length of the cavity when the wavelength of the generated pulse is changed and also proposes to compensate for unwanted fluctuations in the optical length of the optical cavity .
Dans un mode de réalisation, le système de détection est configuré pour détecter un signal de puissance moyenne, et le système d’asservissement est configuré pour maximiser la puissance moyenne des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l’oscillateur paramétrique optique.  In one embodiment, the detection system is configured to detect an average power signal, and the servo system is configured to maximize the average power of the signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator.
Dans une autre mode de réalisation, le système de détection est configuré pour détecter un signal de puissance crête, et le système d’asservissement est configuré pour minimiser la durée des impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l’oscillateur paramétrique optique. In another embodiment, the detection system is configured to detect a peak power signal, and the servo system is configured to minimize the duration of signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator.
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 périodiquement en réseau discret ou continûment 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 continûment en éventail.  The non-linear optical crystal is for example a crystal chosen from barium beta-borate, lithium triborate, or the non-linear optical crystal is for example a ferroelectric crystal chosen from lithium niobate periodically polarized in a discrete network or continuously fan-shaped, potassium titanyl phosphate, potassium titanyl arsenate or lithium tantalate, the ferroelectric optical crystal being periodically polarized in a discrete network or continuously fan-shaped.
Avantageusement, le dispositif de modulation comporte un générateur de tension électrique configuré 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.  Advantageously, the modulation device comprises an electric voltage generator configured to modulate the voltage applied to the electrodes of the non-linear optical crystal, the voltage modulation being adapted to modulate the phase tuning condition of the signal pulse and / or complementary in non-linear optical crystal.
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.  According to a particular embodiment, the feedback device comprises a tilting blade with flat and parallel faces positioned in the optical cavity.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de contre-réaction comporte une platine mobile en translation, un miroir de la cavité optique étant monté sur la platine mobile en translation.  According to another embodiment, the feedback device comprises a plate movable in translation, a mirror of the optical cavity being mounted on the plate movable in 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.  The invention also provides means for varying the temperature of the non-linear optical crystal, suitable for adjusting the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
De façon avantageuse, le cristal optique non-linéaire comprend au moins 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.  Advantageously, the non-linear optical crystal comprises at least two networks of different pitches or a variable pitch network of fans, the non-linear optical crystal being mounted on a plate movable in translation adapted to modify the pitch of the network on the optical axis of the optical cavity so as to adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
Selon un mode de réalisation particulier, le cristal optique non-linéaire est monté sur une platine mobile en rotation adaptée pour ajuster la longueur d’onde de l’impulsion signal et/ou complémentaire.  According to a particular embodiment, the non-linear optical crystal is mounted on a mobile plate in rotation adapted to adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
L’invention propose également un procédé de génération d’impulsions par oscillation paramétrique optique comprenant les étapes suivantes : génération périodique, à une fréquence de répétition comprise entre 10 MHz et 10 GHz, d’une impulsion signal et d’une impulsion complémentaire en sortie d’un oscillateur paramétrique optique, les impulsions signal et/ou complémentaire étant des impulsions picoseconde ou femtoseconde temporellement synchronisées dans un cristal optique non-linéaire avec des impulsions pompe à un instant initial, The invention also provides a method for generating pulses by optical parametric oscillation comprising the following steps: periodic generation, at a repetition frequency between 10 MHz and 10 GHz, of a signal pulse and of a complementary pulse at the output of an optical parametric oscillator, the signal and / or complementary pulses being picosecond or femtosecond pulses temporally synchronized in a non-linear optical crystal with pump pulses at an initial time,
modulation électro-optique, à une fréquence de modulation comprise entre 10 Hz et 1 MHz, appliquée au cristal optique non-linéaire lui-même, de manière à induire une modulation de puissance des impulsions signal et/ou complémentaire,  electro-optical modulation, at a modulation frequency between 10 Hz and 1 MHz, applied to the non-linear optical crystal itself, so as to induce power modulation of the signal and / or complementary pulses,
détection d’une modulation d’un signal représentatif d’une puissance moyenne ou respectivement d’une puissance crête d’un train d’impulsions signal ou complémentaire générées en sortie de l’oscillateur paramétrique optique en fonction du signal de modulation appliqué,  detection of a modulation of a signal representative of an average power or respectively of a peak power of a signal or complementary pulse train generated at the output of the optical parametric oscillator as a function of the modulation signal applied,
génération d’un signal d’erreur représentatif d’une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête du train d’impulsions signal ou complémentaire et le signal de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête détecté en fonction du temps, et  generation of an error signal representative of a difference between an optimum value of mean power or respectively of peak power of the signal or complementary pulse train and the signal of mean power or respectively of peak power detected as a function of time, and
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.  modification of the optical length of the optical cavity of the optical parametric oscillator according to the error signal via a feedback loop.
Ainsi, on ajuste la longueur optique par minimisation du signal d’erreur.  Thus, the optical length is adjusted by minimizing the error signal.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN EXEMPLE DE RÉALISATION DETAILED DESCRIPTION OF AN EXAMPLE OF IMPLEMENTATION
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. The description which follows with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be carried out.
Sur les dessins annexés :  In the accompanying drawings:
- 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,  FIG. 1 is a schematic representation of an optical parametric oscillator simply resonant according to an embodiment comprising an active servo system of the optical cavity,
- la figure 2 est une vue en coupe d’un cristal optique non-linéaire polarisé périodiquement,  - Figure 2 is a sectional view of a non-linear optical crystal periodically polarized,
- 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 d’asservissement actif de la cavité optique et un système de balayage en longueur d’onde selon une première variante, FIG. 3 is a sectional view of a tilting blade with flat and parallel faces, FIG. 4 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator comprising an active servo system of the optical cavity and a wavelength scanning system according to a first variant,
- 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 d’onde selon une deuxième variante,  FIG. 5 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator comprising an active servo system of the optical cavity and a wavelength scanning system according to a second variant,
- 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,  FIG. 6 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator comprising an active servo system of the optical cavity and a wavelength scanning system according to a third variant,
- 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.  - Figure 7 is a schematic representation of a simply resonant optical parametric oscillator having a folded linear optical cavity and an active servo system of the optical cavity according to a variant of the embodiment shown in Figure 1.
Dispositif et procédé  Device and method
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 résonante dans la cavité de l’OPO et synchronisée avec l’impulsion pompe. Un OPO simplement résonnant sur l’impulsion complémentaire signifie que seule l’impulsion complémentaire est résonante dans la cavité de l’OPO et synchronisée avec l’impulsion pompe.  A simply resonant OPO generates a signal pulse and a complementary pulse, the pump pulse being synchronized with the signal pulse or the complementary pulse at an initial time. A simply resonant OPO on the signal pulse means that only the signal pulse is resonant in the OPO cavity and synchronized with the pump pulse. A simply resonant OPO on the complementary pulse means that only the complementary pulse is resonant in the cavity of the OPO and synchronized with the pump pulse.
Un OPO doublement résonnant génère une impulsion signal et une impulsion complémentaire, l’impulsion pompe étant synchronisée avec l’impulsion 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 résonantes dans la cavité de l’OPO et synchronisées.  A doubly resonant OPO generates a signal pulse and a complementary pulse, the pump pulse being synchronized with the signal pulse and the complementary pulse at an initial instant. A doubly resonant OPO on the signal and complementary pulses means that the two signal and complementary pulses are resonant in the cavity of the OPO and synchronized.
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 limitée aux modes de mise en œuvre 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. For the rest of the description, we choose to illustrate the invention in an OPO simply resonating on the signal pulse. However, the invention is not limited to the embodiments and embodiments described below. Indeed it it is possible to use the same means to produce a servo of the length of the optical cavity in an OPO simply resonant on the complementary pulse or in an OPO doubly resonant on the signal and complementary pulses.
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 ORO oscille donc sur l’onde signal ou l’onde complémentaire.  In Figure 1, there is shown schematically an optical parametric oscillator simply resonating on the signal wave or the complementary wave illustrating an embodiment of the servo of the length of the optical cavity. The ORO optical cavity therefore oscillates on the signal wave or the complementary wave.
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 l comprise entre 0.2 pm et 10 pm et à une fréquence de répétition F comprise entre 10 MHz et 10 GHz et de durée comprise entre 30 fs et 100 ps. Les impulsions pompe 11 se propagent dans une cavité optique comprenant par exemple deux miroirs 2, 3 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 transmission de l’impulsion pompe.  The optical parametric oscillator of FIG. 1 comprises a pump laser 1 which generates pump pulses 11 of optical frequency w, in other words of wavelength l comprised between 0.2 pm and 10 pm and at a repetition frequency F comprised between 10 MHz and 10 GHz and between 30 fs and 100 ps. The pump pulses 11 propagate in an optical cavity comprising for example two intra-cavity mirrors 2, 3. The optical cavity can include three, four or more than four mirrors. The optical cavity can for example be linear, folded (butterfly-cavity in English) or ring. The two mirrors 2 and 3 are generally concave mirrors and efficiently transmit the pump pulse, generally 99% transmission of the pump pulse.
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 impulsions pompe 11. La fréquence de répétition des impulsions signal et/ou complémentaire est comprise entre 10 MHz et 10 GHz. L’oscillateur paramétrique optique fonctionne en régime picoseconde ou femtoseconde. La durée des impulsions signal et/ou complémentaire est comprise entre 30 fs et 100 ps.  The pump pulse beam 11 is focused through the mirror 3 in a non-linear optical crystal 5 which periodically generates a signal pulse 12 and a complementary pulse 12a. The signal pulse 12 is temporally synchronized in the non-linear optical crystal with the pump pulses 11. The repetition frequency of the signal and / or complementary pulses is between 10 MHz and 10 GHz. The optical parametric oscillator operates in picosecond or femtosecond regime. The duration of the signal and / or additional pulses is between 30 fs and 100 ps.
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 ou continûment en éventail ou le tantalate de lithium polarisé périodiquement (PPLT) en réseau discret ou continûment 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. The non-linear optical crystal 5 provided with electrodes 52a, 52b is a periodically polarized non-linear optical crystal such as periodically polarized lithium niobate (PPLN) with a single discrete network or with several discrete networks or continuously in fan or the discrete or continuously fan-shaped periodically polarized lithium tantalate (PPLT) or potassium titanyl phosphate, or potassium titanyl arsenate or potassium niobate. The periodically polarized optical crystal is adapted to receive an electric field the along the extraordinary axis of the periodically polarized crystal.
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 LiNbOs ou le tantalate de lithium noté LiTa.  The nonlinear optical crystal 5 provided with electrodes 52a, 52b can also be a nonlinear optical crystal such as barium beta-borate denoted BBO, or lithium triborate denoted LBO, or lithium niobate denoted LiNbOs or lithium tantalate noted LiTa.
Ces exemples de cristaux optiques non-linéaires sont non limitatifs.  These examples of non-linear optical crystals are non-limiting.
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.  One of the mirrors 2 or 3 partially transmits the signal or complementary wave oscillating in the optical cavity. A mirror 4 at the output of the optical cavity receives respectively the signal 12 or complementary 12a waves transmitted by the mirror 2.
L’OPO comprend en outre un système d’asservissement actif capable de 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.  The OPO further comprises an active servo system capable of detecting either a medium power signal to maximize the intensity of the signal and / or complementary pulses generated at the output of the OPO or a peak power signal to minimize the duration of signal and / or additional pulses generated at the output of the OPO.
L’OPO comporte un système d’asservissement actif générant un signal 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 modulation 71 est configuré 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 modulation s’étendant de 10 Hz jusqu’à 100 kHz, ou même jusqu’à 1 MHz. Comme détaillé ci- dessous, le signal de modulation 71 induit une modulation électro-optique de la puissance des impulsions signal ou complémentaire générées en sortie de l’OPO, à la fréquence de modulation.  The OPO includes an active servo system generating a periodic modulation signal 71 to ensure the time synchronization of the pump pulses and signal or complementary pulses. The modulation signal 71 is generated by a modulation device. The modulation signal 71 is for example a periodic signal of sinusoidal or square type. The modulation signal 71 is configured to generate an electro-optical modulation on a ferroelectric crystal or another non-linear optical crystal provided with electrodes 52a, 52b. The modulation signal 71 is generated at a modulation frequency ranging from 10 Hz up to 100 kHz, or even up to 1 MHz. As detailed below, the modulation signal 71 induces electro-optical modulation of the power of the signal or complementary pulses generated at the output of the OPO, at the modulation frequency.
Le système d’asservissement actif comprend un dispositif de modulation, un détecteur 6, un module électronique 7 et un dispositif de contre-réaction 8 ou 9.  The active servo system includes a modulation device, a detector 6, an electronic module 7 and a feedback device 8 or 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.  The active servo system can be automated as a function of time thanks to the implementation of a feedback loop.
Le détecteur 6 est configuré pour détecter un signal représentatif d’une puissance des impulsions signal ou complémentaire générées en sortie de l’OPO, en fonction de la modulation appliquée au cristal 5 ferroélectrique muni d’électrodes 52a, 52b. Le détecteur 6 est configuré pour 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 adapté au temps de réponse du dispositif de modulation. The detector 6 is configured to detect a signal representative of a power of the signal or complementary pulses generated at the output of the OPO, as a function of the modulation applied to the ferroelectric crystal 5 provided of electrodes 52a, 52b. The detector 6 is configured to measure a modulation of the signal whose frequency is between 10 Hz and 100 kHz, or even up to 1 MHz. The response time of the servo system is adapted to the response time of the modulation device.
En pratique, le détecteur 6 est configuré pour mesurer un signal représentatif de la puissance moyenne ou de la puissance crête d’un train d’impulsions signal et/ou complémentaire.  In practice, the detector 6 is configured to measure a signal representative of the average power or of the peak power of a train of signal pulses and / or complementary.
Dans un exemple de réalisation, le détecteur 6 détecte un signal représentatif de la puissance moyenne d’un train d’impulsions signal ou complémentaire. Plus précisément, dans ce cas, le détecteur 6 détecte un signal représentatif d’une modulation (à la fréquence de modulation comprise entre 10 Hz et 100 kHz) de la puissance moyenne d’un train d’impulsions signal ou complémentaire. Dans cet exemple, une faible partie du signal transmis par le 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.  In an exemplary embodiment, the detector 6 detects a signal representative of the average power of a signal or complementary pulse train. More precisely, in this case, the detector 6 detects a signal representative of a modulation (at the modulation frequency between 10 Hz and 100 kHz) of the average power of a signal or complementary pulse train. In this example, a small part of the signal transmitted by the mirror 4 is filtered and then sent through a lens to be focused on the optical detector 6. The lens is for example a concave lens. The detector is for example a photodiode.
Dans un autre exemple de réalisation, le détecteur 6 détecte un signal représentatif de la puissance crête des impulsions signal ou complémentaire. Plus précisément, dans ce cas, le détecteur 6 détecte un signal représentatif d’une modulation (à la fréquence de modulation comprise entre 10 Hz et 100 kHz) de la puissance crête d’un train d’impulsions signal ou complémentaire. A 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.  In another exemplary embodiment, the detector 6 detects a signal representative of the peak power of the signal or complementary pulses. More precisely, in this case, the detector 6 detects a signal representative of a modulation (at the modulation frequency between 10 Hz and 100 kHz) of the peak power of a signal or complementary pulse train. To this end, a small part of the signal transmitted by the mirror 4 is filtered and then sent through a nonlinear doubling crystal to generate a harmonic wave doubled in frequency. The doubled harmonic wave can be sent through a lens to be focused on the optical detector 6. The lens is for example a concave lens. The detector is for example a photodiode.
Dans tous les cas, le signal représentatif d’une modulation de la puissance des impulsions signal ou complémentaire détecté par le détecteur 6 est envoyé au module électronique 7.  In all cases, the signal representative of a modulation of the power of the signal or additional pulses detected by the detector 6 is sent to the electronic module 7.
Le module électronique 7 comprend en outre un calculateur configuré pour calculer un signal d’erreur 73, 74 représentatif d’une différence entre une valeur optimale de la puissance moyenne ou respectivement de la puissance crête des impulsions signal ou complémentaire et le signal de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête détecté en fonction du temps. On entend par valeur optimale, la valeur optimale de l’appareil considéré. The electronic module 7 further comprises a computer configured to calculate an error signal 73, 74 representative of a difference between an optimal value of the average power or respectively of the peak power of the signal or complementary pulses and the average power signal or respectively of peak power detected as a function of time. We hear by optimal value, the optimal value of the device considered.
Le signal d’erreur 73, 74 est généré par le module électronique 7 pour ajuster la longueur de la cavité optique de l’OPO. Le signal d’erreur varie en fonction du signal mesuré par le détecteur 6.  The error signal 73, 74 is generated by the electronic module 7 to adjust the length of the optical cavity of the OPO. The error signal varies depending on the signal measured by the detector 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 l’oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d’erreur et ainsi minimiser l’amplitude de la modulation d’intensité ou de puissance, détectée par le détecteur.  The error signal generated by the electronic module 7 is sent to the feedback device. The feedback device is disposed at the output of the electronic module 7 so as to adjust the length of the optical cavity of the optical parametric oscillator according to the error signal and thus minimize the amplitude of the intensity modulation or power, detected by the detector.
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 périodiquement 51 peut comporter un seul réseau de pas fixe, plusieurs réseaux de pas variable de manière discrète ou un réseau de pas variable continûment, 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 dans le repère orthogonal (X, Y, Z) de la figure 2 et est orienté suivant l’axe Z.  FIG. 2 represents an example of a periodically polarized optical crystal 51 in which the pump pulse 11 and the signal pulses 12 and / or complementary 12a are synchronized. The periodically polarized optical crystal 51 can comprise a single fixed pitch network, several discrete variable pitch networks or a continuously variable pitch network, the network having a fan shape. The periodically polarized optical crystal 51 comprises a succession of zones polarized in opposite directions from each other, for example forming a network of fixed steps. The extraordinary axis is defined in the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) in Figure 2 and is oriented along the Z axis.
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. 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.  The electrode 52a is arranged on one side of the periodically polarized optical crystal 51. The electrode 52a is for example in the form of a periodic comb as illustrated in FIG. 2. Here, the electrode 52a is arranged on the polarized areas of the crystal periodically polarized optic 51 along the axis -Z. The other side of the periodically polarized optical crystal 51 is provided with a uniform electrode 52b connected to ground. The modulation device applies an electric field between the two electrodes 52a and 52b along the extraordinary axis of the periodically polarized optical crystal 51 so as to control the index of the polarized zones.
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 h+(l)=h(l)-1/2 h3(l) rX3 E et l’indice des zones polarisées négativement s’écrit h.(l)=h(l)+1/2 h3(l) rX3 E où h(l) est l’indice vu par l’onde se propageant dans le cristal, rX3 est le coefficient électro-optique du cristal optique non-linéaire avec x =1 ou 3, P3 est le coefficient électro-optique de l’onde se propageant suivant l’axe ordinaire, G33 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 présentent une dispersion en fonction de la longueur d’onde de l’impulsion de pompe. When an electrical voltage is applied along the Z axis, the index of the polarized zones is modified. We can show that the index of positively polarized areas is written h + (l) = h (l) -1/2 h 3 (l) r X3 E and the index of negatively polarized areas is written h. ( l) = h (l) +1/2 h 3 (l) r X 3 E where h (l) is the index seen by the wave propagating in the crystal, r X3 is the electro-optical coefficient of the crystal non-linear optics with x = 1 or 3, P3 is the electro-optical coefficient of the wave propagating along the ordinary axis, G33 is the electro-optical coefficient of the wave propagating along the extraordinary axis and E is the electric field applied to the optical crystal. The electro-optical coefficients and the optical index exhibit a dispersion as a function of the wavelength of the pump pulse.
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=kp-ki-ks+2^A=0 où Ak représente le désaccord de phase entre l’impulsion pompe et l’impulsion signal et/ou complémentaire dans le cristal optique non-linéaire, kp, k,, et ks sont respectivement les vecteurs d’onde des ondes pompe, signal et complémentaire, et L 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 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. When the applied electric field E is zero for a fixed length of the optical cavity, the phase agreement condition in the OPO imposes the following equality: Ak = k p -ki-k s + 2 ^ A = 0 where Ak represents the phase mismatch between the pump pulse and the signal and / or complementary pulse in the non-linear optical crystal, k p , k ,, and k s are respectively the wave vectors of the pump, signal and complementary, and L denotes the pitch of the polarization grating of the periodically polarized optical crystal. When a non-zero electric voltage is applied to the terminals of the periodically polarized optical crystal, the material index is modified for the pump, signal and complementary waves. When it is assumed that these waves are polarized along the extraordinary axis, only the coefficient r 3 3 is taken into account.
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 variation du champ électrique E s’écrit : D^E)=2pDhr/lr-2pDhί /lί ^Ans s, avec Dh=1/2 h3(l) ¾ E, où np, n, et ns représentent respectivement l’indice optique du cristal optique non-linéaire aux longueurs d’onde lr, l, et s qui représentent respectivement les longueurs d’onde des ondes pompe, complémentaire et signal. En négligeant la dispersion du coefficient électro-optique du cristal optique G33, le désaccord de phase s’écrit comme suivant : Ak(E) = nIn the case where the electric field is only applied to positively polarized areas, the phase mismatch Ak generated as a function of the variation of the electric field E is written: D ^ E) = 2pDh r / l r -2pDh ί / l ί ^ An ss , with Dh = 1/2 h 3 (l) ¾ E, where n p, n, and n s represent respectively the optical index of the non-linear optical crystal at wavelengths l r , l, and s which respectively represent the wavelengths of the pump, complementary and signal waves. By neglecting the dispersion of the electro-optical coefficient of the optical crystal G33, the phase mismatch is written as follows: Ak (E) = n
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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 proche de zéro, une modulation sinusoïdale du champ électrique E, se traduit par une modulation sinusoïdale de l’intensité ou de la puissance produite par l’OPO. Dans ce cas, la valeur moyenne de la modulation de l’intensité ou de la puissance en sortie de l’OPO est nulle. Dans le cas contraire, lorsque le désaccord de phase Ak(E) est différent de zéro, alors la valeur moyenne de la modulation de l’intensité ou de la puissance en sortie de l’OPO est non nulle. La valeur moyenne de la modulation de l’intensité ou de la puissance en sortie de ORO est positive si le désaccord de phase est négatif (soit Ak<0). La valeur moyenne de la modulation de puissance est obtenue par échantillonnage à N fois la fréquence de modulation et moyenne arithmétique, par démodulation, en pratique multiplication par une fonction sinusoïdale. La valeur moyenne de la modulation de l’intensité ou de la puissance en sortie de l’OPO est négative si le désaccord de phase est positif (soit Ak>0). Par conséquent, la cavité est accordée (désaccord de phase Ak(E) nul ou proche de zéro) lorsque la valeur moyenne de la modulation de puissance en sortie de l’OPO est nulle. a fixed pump wavelength and whatever the signal wavelength, the value of the phase mismatch as a function of the electric field Ak (E) depends on the sign of the electric field E. Thus when the phase mismatch Ak (E ) is close to zero, a sinusoidal modulation of the electric field E, results in a sinusoidal modulation of the intensity or of the power produced by the OPO. In this case, the average value of the modulation of the intensity or of the power at the output of the OPO is zero. Otherwise, when the phase mismatch Ak (E) is different from zero, then the mean value of the modulation of the intensity or of the power at the output of the OPO is not zero. The average value of the modulation of the intensity or power at the output of ORO is positive if the phase mismatch is negative (ie Ak <0). The average value of the power modulation is obtained by sampling at N times the modulation frequency and arithmetic mean, by demodulation, in practice multiplication by a sinusoidal function. The average value of the intensity or power modulation at the output of the OPO is negative if the phase mismatch is positive (ie Ak> 0). Consequently, the cavity is tuned (phase detuning Ak (E) zero or close to zero) when the average value of the power modulation at the output of the OPO is zero.
A partir du signal de puissance détecté, le module électronique 7 calcule la valeur moyenne de la modulation, à la fréquence de modulation, en sortie de l’OPO et en déduit un signal d’erreur 73 ou 74 proportionnel et de signe opposé à cette valeur moyenne.  From the detected power signal, the electronic module 7 calculates the average value of the modulation, at the modulation frequency, at the output of the OPO and deduces therefrom an error signal 73 or 74 proportional and of sign opposite to this. average value.
Dans un exemple de réalisation illustré sur la figure 1 dans lequel l’élément 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 la longueur de la cavité optique avec une résolution proche de 0.01 pm sur une longueur comprise entre 3 mm et 300 mm.  In an exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 in which the element 9 is omitted, when the feedback device receives the error signal 73, the length drift of the optical cavity is compensated by placing for example one of the mirrors of the optical cavity, for example the mirror 3, on a plate 8 for translation. The translation plate 8 is adapted to receive an electrical voltage. The plate 8 is capable of moving in translation in the direction of the length of the optical cavity with a resolution close to 0.01 μm over a length between 3 mm and 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 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 LiNb03 pompé à une longueur d’onde de 1.03 pm fonctionnant dans la gamme spectrale comprise entre 1.4 pm et 2 pm, la différence d’indice de groupe entre l’onde pompe et l’onde signal est comprise entre Dh9i=0.028 et Dh92=0.036 où Dh9i 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 Dh92 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 2 miti. 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 miti, pour compenser le décalage en longueur d’onde à 2 pm il faut compenser la longueur de la cavité optique d’une distance DI d’environ DI = H
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où H est 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. To maintain the overlap of pump and signal pulses in the non-linear optical crystal, it is important to assess the length of the optical cavity to be compensated. To evaluate this length, it is necessary to know the length of the non-linear crystal along the direction of the Y axis used and the difference in group speed between the pump wave and the signal wave over the range of tunability in length d wave involved. For example, considering a non-linear optical crystal of lithium niobate LiNb03 pumped at a wavelength of 1.03 pm operating in the spectral range between 1.4 pm and 2 pm, the difference in index of group between the pump wave and the signal wave is between Dh 9 i = 0.028 and Dh 92 = 0.036 where Dh 9 i corresponds to the difference in group speed between the pump wave and the signal wave for a length of the pump wave equal to 1.4 pm and Dh 9 2 corresponds to the difference in group speed between the pump wave and the signal wave for a wavelength of the pump wave equal to 2 miti. Thus to ensure the recovery of pump pulses and signal pulses at the input of the non-linear optical crystal, if we consider that the optical cavity is adjusted to an initial wavelength of 1.4 m, to compensate for the offset in wavelength at 2 pm it is necessary to compensate the length of the optical cavity by a distance DI of approximately DI = H
Figure imgf000015_0001
where H is the thickness of the crystal along the direction of the Z axis. For example, for a crystal thickness H = 3 mm, the length of the optical cavity to be compensated is equal to 24 μm.
En variante, dans un autre exemple de réalisation dans lequel le miroir 3 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 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 modifier la longueur de la cavité optique.  Alternatively, in another embodiment in which the mirror 3 is fixed, the variation in the length of the optical cavity of the OPO is compensated by inserting for example a passive optical component 9 in the optical cavity. The passive optical component 9 is capable of moving in translation and / or in rotation in the optical cavity. The passive optical component 9 is for example a tilting plate with flat and parallel faces such as a molten silica or calcium fluoride plate (denoted CaF2) inclined around the Brewster angle relative to the optical axis of the pulses propagating in the resonant optical cavity. The blade 9 is mounted on a galvanometric rotation stage. In this case, the error signal 74 is applied to the rotation stage so as to modify the inclination of the blade with flat and parallel faces, and thus modify the length of the optical cavity.
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 l’axe optique de la cavité optique, comme illustré sur la figure 3.  The thickness e of the tilting blade is determined so as to compensate for very small variations in the length of the optical cavity of the order of 0.1 pm. The length of the optical cavity is adjusted by turning the tilting blade of optical index n and thickness e around an axis parallel to its surface and transverse to the optical axis of the optical cavity, as illustrated in 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.  The active servo system presented in FIG. 1 makes it possible to generate the maximum power of a simply resonant OPO whatever the power of the pump laser or the temperature of the non-linear optical crystal involved.
Les fluctuations de la longueur de la cavité optique au cours du temps sont ainsi compensées à l’échelle du sub-micromètre 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 Pour maximiser la puissance moyenne générée par ORO 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 GORO. Fluctuations in the length of the optical cavity over time are thus compensated for at the sub-micrometer scale so as to check the condition of temporal synchronization of the signal or complementary pulses vis-à-vis the pump pulses in the optical crystal. non-linear at a given wavelength of the signal pulse and at a given temperature of the crystal To maximize the average power generated by ORO at the resonant wavelength in the cavity, it is essential to time synchronize in the non-linear optical crystal the pump pulse and the signal or complementary pulses generated by GORO.
Au voisinage du maximum de puissance moyenne, la puissance moyenne en sortie de GORO s’écrit sous la forme suivante :  In the vicinity of the maximum average power, the average power output from GORO is written in the following form:
/(A)~/„ (A) sine2 (Ak. H/2 ) (Eq1 ), avec IQ (A) la puissance moyenne optimale à la longueur d’onde l, Ak le désaccord de phase entre l’impulsion pompe et de l’impulsion signal dans le cristal optique non-linéaire, et H l’épaisseur du cristal optique non-linéaire (périodiquement polarisé). / (A) ~ / „(A) sine 2 (Ak. H / 2) (Eq1), with I Q (A) the optimal average power at wavelength l, Ak the phase mismatch between the pulse pump and signal pulse in the non-linear optical crystal, and H the thickness of the non-linear optical crystal (periodically polarized).
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 maximale et est égale à /0. Dans ce cas, la valeur moyenne de la modulation de puissance des impulsions signal ou complémentaire en sortie de l’OPO, à la fréquence de modulation du cristal électro-optique, est nulle. In practice, when the length L of the optical cavity is optimal, the phase mismatch between the pump pulse and the signal pulse in the non-linear optical crystal is zero. The average power output from the OPO is then maximum and is equal to / 0 . In this case, the average value of the power modulation of the signal or complementary pulses at the output of the OPO, at the modulation frequency of the electro-optical crystal, is zero.
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.  The variation in the length of the optical cavity can be linked to the variation in the temperature of the non-linear optical crystal in the case where it is desired to modify the wavelength of the signal pulse generated by the OPO, or to unwanted fluctuations in the temperature of the non-linear optical crystal.
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 faisant apparaître la modulation basse fréquence du cristal électro-optique dans le signal de puissance des impulsions signal ou complémentaire. Dans ce cas, la valeur moyenne de la modulation de puissance des impulsions signal ou complémentaire en sortie de l’OPO, à la fréquence de modulation du cristal électro-optique, est non nulle. La puissance moyenne 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.  In the case where the length of the optical cavity varies, the central optical frequency of the resonant signal pulse in the optical cavity changes: the phase mismatch between the pump pulse and the signal pulse in the non-linear optical crystal becomes not bad. This phase difference Ak causes a reduction in the average power delivered by the OPO, revealing the low frequency modulation of the electro-optical crystal in the power signal of the signal or complementary pulses. In this case, the average value of the power modulation of the signal or complementary pulses at the output of the OPO, at the modulation frequency of the electro-optical crystal, is not zero. The average power output from the OPO can then be optimized by readjusting the length of the optical cavity so as to reduce the phase mismatch Ak.
Au premier ordre en Ak, la puissance moyenne des impulsions générées par l’OPO à la longueur d’onde l s’écrit
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At first order in Ak, the average power of the pulses generated by the OPO at wavelength l is written
Figure imgf000017_0001
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) I(Â).  The equation Eq2 shows that in the vicinity of its maximum, the average power at the output of the OPO varies parabolically compared to the variations of the phase mismatch Ak. If the length of the optical cavity is modulated around its equilibrium position, this implies the modulation of the phase detuning Ak and consequently the modulation of the average power (or intensity) I (Â).
En dérivant l’équation Eq2, on montre que la variation d’intensité associée à une variation du désaccord de phase Ak s’écrit :
Figure imgf000017_0002
By deriving the equation Eq2, we show that the intensity variation associated with a variation of the phase mismatch Ak is written:
Figure imgf000017_0002
L’équation Eq3 montre que la variation d’intensité dI en sortie de l’OPO est proportionnelle à la variation du désaccord de phase Ak. Par conséquent la variation d’intensité dI est proportionnelle à la variation de la longueur de la cavité optique.  The equation Eq3 shows that the variation in intensity dI at the output of the OPO is proportional to the variation in the phase mismatch Ak. Consequently, the variation in intensity dI is proportional to the variation in the length of the optical cavity.
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 désaccord de phase est positif (soit Ak>0).  If the length of the optical cavity drifts over time or if the temperature of the crystal varies over time, then the average value of the intensity modulation is not zero. The average value of the OPO intensity modulation is positive if the phase mismatch is negative (ie Ak <0). The average value of the OPO intensity modulation is negative if the phase mismatch is positive (ie 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 optique. Plus précisément, le signal d’erreur est proportionnel et de signe opposé à la valeur moyenne de la modulation de puissance moyenne des impulsions signal ou complémentaire en sortie de l’OPO.  The equation Eq2 gives information on the sign of the phase difference Ak, and on the amplitude of the variation of the phase difference Ak. The sign and the amplitude of the phase mismatch Ak allow the computer to generate an error signal to compensate for the length of the optical cavity. More precisely, the error signal is proportional and of opposite sign to the average value of the average power modulation of the signal or complementary pulses at the output of the OPO.
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 impulsions générées par l’OPO repose ici sur la détection et l’asservissement de la puissance crête des impulsions signal ou complémentaire.  In another operating mode, the active servo system in connection with FIG. 1, also makes it possible to servo the length of the optical cavity to optimize the duration of the pulses generated by the OPO. The principle of servo-control of the length of the optical cavity to optimize the duration of the pulses generated by the OPO is based here on the detection and servo-control of the peak power of the signal or complementary pulses.
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. Plus précisément, le signal d’erreur est proportionnel et de signe opposé à la valeur moyenne de la modulation de puissance crête des impulsions signal ou complémentaire en sortie de GORO. La valeur de la puissance crête maximale est obtenue lorsque les impulsions signal ont une durée minimale. In this embodiment, the representative error signal is measured the difference between a maximum peak power value of the signal or complementary pulses and the detected peak power signal. More precisely, the error signal is proportional and of opposite sign to the average value of the peak power modulation of the signal or complementary pulses at the output of GORO. The maximum peak power value is obtained when the signal pulses have a minimum duration.
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 est maximale au point de fonctionnement optimal où la durée de l’impulsion signal ou complémentaire est minimale en sortie de l’OPO.  In this embodiment, the detector 6 measures the average power of the doubled harmonic wave generated by another non-linear optical crystal (not illustrated in Figure 1). The average power of the doubled harmonic wave is maximum at the optimal operating point where the duration of the signal or additional pulse is minimum at the output of the 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 non-linéaire muni d’électrodes 52a, 52b. La longueur de la cavité optique est ajustée 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 2wi associée à une 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 2wi est non nulle. Elle est positive ou négative suivant la valeur de la variation de la longueur de la cavité optique 5L. Nous avons donc là encore toute l’information pour effectuer une compensation de la longueur de la cavité.  The modulation of the length of the optical cavity can be carried out in the same way as the embodiment of the present invention by generating an electro-optical modulation of the ferroelectric crystal or of a non-linear optical crystal provided with electrodes 52a , 52b. The length of the optical cavity is adjusted so as to generate frequency-doubled pulses at the output of the OPO, the duration of which is minimum. The average value of the intensity modulation at the optical frequency doubled to 2wi associated with a small modulation around this position is zero. However if the length of the optical cavity drifts or if the temperature of the crystal varies, then the average value of the intensity modulation at 2wi is not zero. It is positive or negative depending on the value of the variation in the length of the optical cavity 5L. So here again we have all the information to compensate for the length of the cavity.
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 générées par un OPO, il faut changer l’indice vu par l’onde générée. Pour cela, soit la 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 attendu 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 termes de puissance crête 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. Advantageously, the OPO is used to continuously adjust the wavelength of the signal or complementary pulse over a wide spectral range. To adjust the optical frequency or the wavelength of the pulses generated by an OPO, the index seen by the generated wave must be changed. For this, either the temperature of the non-linear optical crystal is modified, or the angle of incidence on the non-linear optical crystal is modified. The change in the expected refractive index necessarily leads to a variation in the length of the optical cavity. To ensure the synchronization of the pulses in the non-linear optical crystal and therefore guarantee optimal operation of the OPO (in terms of peak power and pulse duration), it is therefore necessary to adjust the length of the optical cavity. The length of the optical cavity is adjusted by adjusting the optical elements in the optical cavity. This adjustment is generally a manual, long and tedious adjustment.
Par ailleurs, en plus de cette variation de l’indice de réfraction attendue pour changer la longueur d’onde des impulsions générées par ORO, le cristal optique non-linéaire peut subir pendant le fonctionnement de ORO 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.  In addition, in addition to this variation in the refractive index expected to change the wavelength of the pulses generated by ORO, the non-linear optical crystal may undergo thermal variation during the operation of ORO due to the passage of the beams. The non-linear optical crystal expands and induces an unwanted variation in its refractive index as a function of time and also causes a variation in the length of the optical cavity.
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.  Unwanted fluctuations in the length of the optical cavity modify the stability of the optical cavity and result in the appearance of a temporal drift of the average power or of the duration of the signal and / or complementary pulse after a few minutes. The average power or the duration of the pulses generated by the OPO are therefore no longer optimal.
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.  The present disclosure proposes to control the length of the optical cavity while modifying the wavelength of the signal or complementary pulse.
Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un oscillateur paramétrique optique simplement résonnant illustrant une première variante avec un système d’ajustement de la longueur d’onde de l’impulsion signal ou complémentaire.  In Figure 4, there is schematically shown a simply resonant optical parametric oscillator illustrating a first variant with a system for adjusting the wavelength of the signal or complementary pulse.
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 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 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.  The identical reference signs in FIG. 1 designate similar elements in FIG. 4. The OPO in FIG. 4 can be similar to the OPO illustrated in FIG. 1 with the exception of the non-linear optical crystal. Here, the non-linear optical crystal 510 is chosen from a non-linear optical crystal of order two non-ferroelectric. More particularly in FIG. 4, the optical cavity of the OPO comprises a non-linear optical crystal 510 and furthermore means for varying the temperature 50 of the non-linear optical crystal 510. The means for varying the temperature of the crystal non-linear optics are for example an oven heated using a heating resistor. The non-linear optical crystal 510 is placed inside the furnace. The non-linear optical crystal 510 is heated so as to adjust the operating wavelength of the signal or complementary pulse.
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. In FIG. 5, a diagrammatic representation of an oscillator has been shown. simply resonant optical parametric illustrating a second variant of the system for adjusting the wavelength of the signal or complementary pulse.
Les signes de références identiques sur la figure 1 ou 4 désignent des 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. 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 continûment, 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 par exemple une platine motorisée se déplaçant en translation transversalement à l’axe optique de la cavité optique avec une précision de 10 pm. 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 continue. La modification du pas du réseau entraîne la modification de la longueur d’onde de l’impulsion signal et/ou complémentaire.  The identical reference signs in FIG. 1 or 4 designate similar elements in FIG. 5. The OPO in FIG. 5 is similar to that described in FIG. 4 except for the non-linear optical crystal and the means of variation of the temperature of the non-linear optical crystal. Here, for example, the non-linear optical crystal 520 is a ferroelectric non-linear optical crystal with a discrete or continuous variable pitch network mounted on displacement means. The non-linear optical crystal 520 can comprise several networks of variable pitch in a discrete manner arranged parallel to one another or a network of continuously variable pitch, the network having a fan shape. The non-linear optical crystal 520 is, for example, chosen from lithium niobate crystal. The means for moving the non-linear optical crystal 520 are for example a motorized plate moving in translation transversely to the optical axis of the optical cavity with an accuracy of 10 μm. The non-linear optical crystal 520 is moved so as to modify the pitch of the generation grating aligned with the optical axis of the optical cavity, as the case may be, in a discrete or continuous manner. The modification of the network pitch causes the modification of the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
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 complémentaire.  In FIG. 6, a simply resonant optical parametric oscillator is shown diagrammatically illustrating a third variant of the system for adjusting the wavelength of the signal and / or complementary pulse.
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 ORO illustré en figure 1 à l’exception du cristal optique non-linéaire. Plus particulièrement sur la figure 6, la cavité optique de ORO comprend un cristal 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 LiNbOs ou tantalate de lithium noté LiTa.  The identical reference signs in FIG. 1, 4 or 5 designate similar elements in FIG. 6. The OPO in FIG. 6 can be similar to ORO illustrated in FIG. 1 with the exception of the non-linear optical crystal. More particularly in FIG. 6, the optical cavity of ORO comprises a non-linear optical crystal 530 making it possible to vary the wavelength of the signal and / or complementary pulses when the latter is inclined. The non-linear optical crystal 530 is chosen from a barium beta-borate crystal denoted BBO, lithium triborate denoted LBO, lithium niobate denoted LiNbOs or lithium tantalate denoted LiTa.
Les cristaux optiques non-linéaires 510, 520 et 530 sont bien sûr munis d’électrodes 52a, 52b adaptées pour appliquer le signal de modulation électro- optique 71. Ces exemples de cristaux optiques non-linéaires sont non limitatifs. The 510, 520 and 530 non-linear optical crystals are of course provided electrodes 52a, 52b adapted to apply the electro-optical modulation signal 71. These examples of non-linear optical crystals are non-limiting.
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 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.  By varying the angle of incidence defined by the incident beam of the pump laser and the surface of the non-linear optical crystal 530, it is possible to adjust the wavelength of the signal and / or complementary pulse generated by the non-linear optical crystal 530. The variation of the angle of incidence is carried out by tilting the non-linear crystal 530 with respect to the incident beam of the pump laser using a mobile plate in rotation. The angle of incidence can for example vary between 0 and 20 degrees.
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.  FIG. 7 represents a variant of a simply resonant optical parametric oscillator having a folded linear optical cavity according to a variant of the embodiment illustrated in FIG. 1, and comprising an active servo system of the optical cavity.
Les signes de références identiques sur la figure 1 désignent des éléments 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 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 sur la platine de déplacement 8) vers le miroir 41 qui transmet ladite partie des impulsions signal 12 au détecteur 6.  The identical reference signs in FIG. 1 designate similar elements in FIG. 7. The optical cavity comprises four mirrors 2, 3, 40 and 41. The non-linear optical crystal 5 is placed between the mirrors 3 and 40. The mirror 40 is for example a concave mirror. The pump pulses 11 of the pump laser 1 are focused through a lens 10 on the non-linear optical crystal 5. The signal 12 and complementary 12a pulses generated by the optical crystal 5 are periodically reflected on the mirrors 3 and 40. Part of the signal 12 and complementary 12a pulses is reflected towards the mirror 2 situated opposite the mirror 40. Part of the signal pulses 12 is reflected on the mirror 3 (mounted on the displacement plate 8) towards the mirror 41 which transmits said part of the signal pulses 12 to the detector 6.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 des impulsions picosecondes ou femtosecondes générées à une fréquence de répétition comprise entre 10 MHz et 10 GHz, 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, 1. Optical parametric oscillator comprising an optical cavity, a pump laser (1) delivering periodic pump pulses (11), an intra-cavity non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530), said parametric oscillator optical periodically generating signal (12) and complementary (12a) pulses, the signal (12) and / or complementary (12a) pulses being picosecond or femtosecond pulses generated at a repetition frequency of between 10 MHz and 10 GHz, the pulses signal (12) and / or complementary (12a) being temporally synchronized in the non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530) with the pump pulses (11) at an initial instant,
caractérisé en ce que l’oscillateur paramétrique optique comprend un système d’asservissement actif comprenant: characterized in that the optical parametric oscillator comprises an active servo system comprising:
- un dispositif de modulation configuré 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 configuré pour appliquer un signal de modulation (71 ) périodique aux bornes des électrodes (52a, 52b), le signal de modulation (71 ) ayant une fréquence de modulation comprise entre 10 Hz et 1 MHz,  - a modulation device configured to electro-optically modulate the non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530), the non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530) being provided of electrodes (52a, 52b) and the modulation device being configured to apply a periodic modulation signal (71) across the electrodes (52a, 52b), the modulation signal (71) having a modulation frequency between 10 Hz and 1 MHz,
- un système de détection configuré pour détecter une modulation d’un signal représentatif d’une puissance moyenne ou respectivement d’une puissance crête d’un train d’impulsions signal et/ou complémentaire générées en sortie de l’oscillateur paramétrique optique, en fonction du signal de modulation (71 ), a detection system configured to detect a modulation of a signal representative of an average power or respectively of a peak power of a train of signal and / or complementary pulses generated at the output of the optical parametric oscillator, in function of the modulation signal (71),
- un calculateur configuré pour calculer un signal d’erreur représentatif d’une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête du train d’impulsions signal et/ou complémentaire et le signal de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête détecté en fonction du temps, et a computer configured to calculate an error signal representative of a difference between an optimal value of average power or respectively of peak power of the signal and / or complementary pulse train and the signal of average power or respectively of peak power detected as a function of time, and
- un dispositif de contre-réaction configuré pour modifier la longueur optique de la cavité optique de l’oscillateur paramétrique optique en fonction du signal d’erreur. - a feedback device configured to modify the optical length of the optical cavity of the optical parametric oscillator as a function of the error signal.
2. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1 , dans lequel le système de détection est configuré pour détecter un signal de puissance moyenne, et le système d’asservissement est configuré pour maximiser la puissance moyenne des impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) générées en sortie de l’oscillateur paramétrique optique.  2. Optical parametric oscillator according to claim 1, in which the detection system is configured to detect a signal of average power, and the servo system is configured to maximize the average power of the signal pulses (12) and / or complementary ( 12a) generated at the output of the optical parametric oscillator.
3. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1 , dans lequel le système de détection est configuré pour détecter un signal de puissance crête, et le système d’asservissement est configuré pour minimiser la durée des impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) générées en sortie de l’oscillateur paramétrique optique.  3. Optical parametric oscillator according to claim 1, in which the detection system is configured to detect a peak power signal, and the servo system is configured to minimize the duration of the signal (12) and / or complementary (12a) pulses. ) generated at the output of the optical parametric oscillator.
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 niobate de lithium polarisé périodiquement en réseau discret ou continûment 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 continûment en éventail.  4. Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 3 in which the non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530) is a crystal chosen from barium beta-borate, lithium triborate, or in which the non-linear optical crystal is a ferroelectric crystal (5, 51, 520) chosen from lithium niobate periodically polarized in a discrete or continuously fan-shaped network, potassium titanyl phosphate, potassium titanyl arsenate or tantalate lithium, the ferroelectric optical crystal being periodically polarized in a discrete network or continuously in a fan.
5. Oscillateur paramétrique optique selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif de modulation comporte un générateur de tension électrique configuré 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, 530).  5. Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 4, wherein the modulation device comprises an electric voltage generator configured to modulate the voltage applied to the electrodes (52a, 52b) of the non-linear optical crystal (5, 51 , 510, 520, 530), the voltage modulation being adapted to modulate the phase tuning condition of the signal pulse (12) and / or complementary (12a) in the non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 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.  6. Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 5 wherein the feedback device comprises a blade (9) tiltable with flat and parallel faces positioned in the optical cavity.
7. Oscillateur paramétrique optique selon l’une des revendications 1 à 5 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. 7. optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 5 wherein the feedback device comprises a plate (8) movable in translation, a mirror (3) of the optical cavity being mounted on the plate (8) movable in 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 non-linéaire (510), adaptés pour ajuster la longueur d’onde de l’impulsion signal (12) et/ou complémentaire (12a). 8. Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 7 comprising means for varying the temperature (50) of the non-linear optical crystal (510), adapted to adjust the wavelength of the signal pulse (12 ) and / or complementary (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- 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).  9. An optical parametric oscillator according to claim 1, in which the non-linear optical crystal (520) comprises at least two networks of different steps or a variable step network in fan shape, the non-linear optical crystal ( 520) being mounted on a plate movable in translation adapted to modify the pitch of the network on the optical axis of the optical cavity so as to adjust the wavelength of the signal pulse (12) and / or complementary (12a) .
10. Oscillateur paramétrique optique selon l’une des revendications 1 à 7 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).  10. Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 7 in which the non-linear optical crystal (530) is mounted on a mobile plate in rotation adapted to adjust the wavelength of the signal pulse (12) and / or complementary (12a).
11. Procédé de génération d’impulsions par oscillation paramétrique optique comprenant les étapes suivantes :  11. Method for generating pulses by optical parametric oscillation comprising the following steps:
- génération périodique, à une fréquence de répétition comprise entre 10 MHz et 10 GHz, 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 des impulsions picosecondes ou femtosecondes temporellement synchronisées dans un cristal optique non-linéaire (5, 51 , 510, 520, 530) avec des impulsions pompe (11 ) à un instant initial,  - periodic generation, at a repetition frequency between 10 MHz and 10 GHz, of a signal pulse (12) and of a complementary pulse (12a) at the output of an optical parametric oscillator, the signal and / or complementary pulses being picosecond or femtosecond pulses temporally synchronized in a non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530) with pump pulses (11) at an initial instant,
- modulation électro-optique (71 ) appliquée au cristal optique non-linéaire (5, 51 , 510, 520, 530) lui-même, à une fréquence de modulation comprise entre 10 Hz et 1 MHz,  - electro-optical modulation (71) applied to the non-linear optical crystal (5, 51, 510, 520, 530) itself, at a modulation frequency between 10 Hz and 1 MHz,
- détection d’une modulation d’un signal représentatif d’une puissance moyenne ou respectivement d’une puissance crête 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 (71 ) appliqué,  - detection of a modulation of a signal representative of an average power or respectively of a peak power of a signal pulse train (12) and / or complementary (12a) generated at the output of the optical parametric oscillator as a function of the modulation signal (71) applied,
- génération d’un signal d’erreur représentatif d’une différence entre une valeur optimale de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête du train d’impulsions signal (12) et/ou complémentaire (12a) et le signal de puissance moyenne ou respectivement de puissance crête détecté en fonction du temps, et generation of an error signal representative of a difference between an optimal value of average power or respectively of peak power of the signal pulse train (12) and / or complementary (12a) and the mean power signal or peak power signal detected as a function of time, and
- 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.  - modification of the optical length of the optical cavity of the optical parametric oscillator according to the error signal via a feedback loop.
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