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Les oscillateurs paramétriques optiques impulsionnels :
applications à la détection de gaz polluants
Myriam Raybaut (ONERA)
La détection, l’identification et la quantification, locale ou à distance de polluants et de substances
nocives d’origines naturelle ou anthropique sont primordiales pour le contrôle de la qualité de l'air. La
mesure de ces gaz, présents à l'état de traces, par méthodes optiques, nécessite de disposer de
sources laser de propriétés spécifiques, aptes à être couplées à un système de détection performant,
et intégrées dans un instrument métrologique.
De manière générale, le contenu spectral des sources laser permettant de réaliser ces mesures est
maîtrisé (émission mono-fréquence) et souvent conjugué à une grande accordabilité ou au moins à la
capacité à émettre des longueurs d'ondes très spécifiques. Les niveaux de puissance requis
dépendent de la méthode de mesure et des besoins en portée, de résolution spatiale et de sensibilité.
La gamme spectrale infrarouge (1,5 -12 µm) est, en particulier, très pertinente, car la plupart des
molécules d’intérêt présentent des raies d’absorption les plus intenses et bien distinctes dans cette
région dite « molecular fingerprint region » (cf figure 1).
Les oscillateurs paramétriques optiques sont sources de choix pour répondre à ces besoins. Ces
sources cohérentes sont basées sur la conversion d’une onde pompe vers deux ondes filles, par
mélange non linéaire, dans un cristal non linéaire placé en cavité (figure 2 a).
Néanmoins, en régime impulsionnel, le contrôle du contenu spectral émis par un oscillateur
paramétrique optique, afin d’obtenir une émission mono-fréquence sur une large plage spectrale, est
difficile, en particulier si l’on s’inspire des architectures de cavités optiques laser.
Une solution originale, développée à l’Onera/DMPH, est d’utiliser une des spécificités de ces sources
OPO par rapport aux sources laser, qui est la génération de deux longueurs d’ondes (signal et
complémentaire) à partir d’une longueur d’onde de pompe unique. En mettant en oeuvre des cavités
résonantes imbriquées (Nested Cavities OPO – NesCOPO) pour chacun de ces ondes, il est possible
de réaliser des oscillateurs paramétriques optiques mono-fréquence, sur des gammes de longueurs
d’onde de plusieurs centaines de micromètres (figures 2 b et 2 c) [P1].
(a)
(b)
(c)
Figure 2. Principe de la génération d’une onde signal et d’une onde complémentaire à partir d’une onde de
pompe par mélange non linéaire d’ordre 2 (a) ; Principe du NesCOPO : les ondes signal et
complémentaires oscillent dans des cavités optiques dissociées (b), les peignes de mode signal et
complémentaire ne coïncident qu’en un point dans la bande de gain : l’émission est monofréquence (c). Le
miroir M3 est achromatique : la phase relative entre les trois ondes en interaction est maîtrisée et
l’émission est accordable dans toute la bande de gain [P1].
Ces sources NesCOPO peuvent alors être couplées à un système de détection pour réaliser des
instruments de détection d’espèces gazeuses, de manière locale ou à distance. L’approche à cavités
duales permet alors de mettre en œuvre des méthodes d’accord en longueur d’onde spécifiques et
adaptées à l’application : balayage continu pour spectroscopie haute résolution, ou balayage rapide
par sauts fréquentiels sur une plage et avec un pas déterminé.
Pour la détection d’espèces locales, ces sources peuvent être couplées, par exemple, à une
détection photo-acoustique. L’absorption de l’onde lumineuse par le gaz, modulée par modulation de
la source optique, génère une onde acoustique. Cette onde acoustique peut être détectée par un
microphone placé dans un résonateur. Le faible seuil d’oscillation du NesCOPO (quelques µJ)
permet un pompage par micro-chip laser, et donc ouvre la voie à des instruments compacts.
Pour des applications de détection à distance, le NesCOPO peut être intégré comme émetteur dans
un système LIDAR DIAL (Differential Absorption Lidar) [P2]. Des architectures de sources basées
sur le NesCOPO et émettant plus de 10 mJ ont été réalisées pour ces applications [P3]. Elles vont
permettre la détection des gaz à effets de serres, ou polluants et gaz dangereux avec des portées
kilométriques.
Références :
[P1]
B. Hardy, A. Berrou, S. Guilbaud, M. Raybaut, A. Godard, M. Lefebvre,
Compact, single-frequency, doubly resonant optical parametric oscillator pumped in an achromatic
phase-adapted double-pass geometry
Optics Letters, Vol. 36 Issue 5, pp.678-680 (2011)
[P2]
B. Hardy, M. Raybaut, J. B. Dherbecourt, J. M. Melkonian, A. Godard, A. K. Mohamed and M.
Lefebvre,
Vernier frequency sampling: a new tuning approach in spectroscopy—application to multi-wavelength
integrated path DIAL
Applied Physics B: Lasers and Optics, Volume 107, Number 3 643-647, (2012)
[P3]
Myriam Raybaut, Thomas Schmid, Antoine Godard, Ajmal K. Mohamed, Michel Lefebvre, Fabien
Marnas, Pierre Flamant, Axel Bohman, Peter Geiser, and Peter Kaspersen, High-energy singlelongitudinal mode nearly diffraction-limited optical parametric source with 3 MHz frequency stability
for CO2 DIAL, Opt. Lett. 34 (2009), p. 2069-2071.
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