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RÉALISATION D'UN OSCILLATEUR
PARAMÉTRIQUE OPTIQUE STABILISÉ EN
FRÉQUENCE ET
ACCORDABLE CONTINÛMENT SUR 500 GHz
POUR LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE
Emeline Andrieux
16/12/2011
Sous la direction de Jean-Jacques Zondy
Laboratoire Commun de Métrologie LCM
Conservatoire National des Arts et Métiers
1
Introduction
Projet européen N°217257
“Breath analysis for early disease detection”
Analyse du souffle humain : identification de biomarqueurs et
mesure de concentration à l’état de trace
détection précoce des maladies
Spectroscopie d’absorption moléculaire
400 nm
UV
760 nm
Visible
30 µm
2 µm
Proche IR
Moyen IR
1 cm
IR lointain
µ-ondes
Longueur
d’onde 
Transitions
rovibrationnelles
Forces d’oscillateur 100 à 1000 fois + élevées que dans le visible ou le proche IR
Peu de laser largement accordable dans le MIR
2
 Lasers Cr:ZnSe
commercialisés par IPG
accordable entre 2 et 3 µm
mono-fréquence
accordable continûment sur 100 GHz
 Diode laser à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL)
3.5 à 24 µm
peu accordable
onéreux
 Différence de fréquence (DFG)
nécessite 2 laser de pompe (dont 1 accordable)
efficacité de conversion faible en simple passage (nW-1mW)
Développement d’un oscillateur paramétrique optique
Laser non linéaire largement accordable dans le MIR
Monofréquence (élargissement homogène du gain paramétrique)
Un seul laser de pompe
Rendement 10 à 100 fois plus élevé qu'une DFG
Accordabilité beaucoup plus étendue.
3
Plan
1- Rappel d’optique non linéaire
2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique
simplement résonnant (SRO)
3- Conception et réalisation du SRO
4- Performances du SRO
5 -Stabilisation en fréquence du SRO
Conclusions
4
1- Rappel d’optique non linéaire
2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique
simplement résonnant (SRO)
3- Conception du SRO
4- Performances du SRO
5 -Stabilisation en fréquence du SRO
Conclusions
5
Polarisation et susceptibilité non linéaire
E(t)
Laser
P(t)
Etude de l’interaction entre la matière et la lumière intense
Polarisation linéaire:
PL(t) =
0(1):E(t)
Polarisation non-linéaire:
PNL(t) =
0 ((2):E2 + (3) :E3+… + (n) :En)
P(t)
P(t)
E(t)
P(2)NL(t) = 0 (2) :E2
E(t)
2d=(2)
6
Equation de propagation d’un champ électrique dans un milieu d’indice n
Propagation suivant z
d’une onde plane
j
Approximation de l’enveloppe
lentement variable
dEj<<Ej
7
Polarisation non linéaire d’ordre 2 dans le cas d’un mélange à 3 ondes
3 = 1 + 2
8
Equations de propagation réduites
Désaccord de phase:
k= k3-k2-k1
(j=1,2,3)
a) Somme de fréquence
k2+k1=k3
b) Génération paramétrique
k3=k2+k1
1
2
3
3
2
1
9
a) Somme de fréquence
2
1
3 = 1 + 2
(2)
L
E1 et E2 non dépeuplés:
Condition d’accord de phase:
Intensité générée
k=0
n()
k≠ 0
Lc
2Lc 3Lc 4Lc
5Lc
Milieu isotrope
L
1
2
3

10
Quasi-accord de phase (QPM)
Inversion périodique du signe du coefficient non linéaire
Interaction de type (eee): Ej // Z
d(z)=d33 f(z)
1
0
f(z)
m=1
k=0
Intensité générée
-1
k≠ 0
Lc
2Lc 3Lc 4Lc
5Lc
L
11
Pompe
3
2
b) Génération paramétrique
Signal 2
(2)
L
3 = 1 + 2
Complémentaire (idler) 1
E1(0)=0 et E2(0)≠0
E3 non dépeuplé:
Gain paramétrique
k=0
12
Principe de l’oscillateur paramétrique optique (OPO)
Simplement résonnant (SRO)
3 = p
1 = i
2 = s
Plus grande stabilité en fréquence
Puissance de sortie plus élevée
Doublement résonnant (DRO)
Triplement résonnant (TRO)
seuil faible
instabilité de mode
faible puissance de sortie
13
Principe de l’oscillateur paramétrique optique
3 = p
1 = i
2 = s
Gain paramétrique:
L =5 cm d =17 pm/V p= 1 µm s=1.5 µm
Pp=1 W → G= 1%
Gain très faible
(gain laser >10%)
Limiter les pertes
Pertes par aller-retour:
Condition d’oscillation
Seuil à qq W
14
Gain paramétrique: gain à élargissement homogène
Gain
k=0
Gain=Pertes
n
s
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1- Rappel d’optique non linéaire
2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique
simplement résonnant (SRO)
3- Conception du SRO
4- Performances du SRO
5 -Stabilisation en fréquence du SRO
Conclusions
16
Equations de propagation réduites et
conditions aux limites
équations de propagation réduites
Z=z/L
conditions aux limites
Relations de Manley-Rowe:
t: temps d’1 aller-retour dans la cavité
Relation de “self-consistence”:
17
Iin
Ip
Ii
Is
Théorie de Kreuzer*
Approximation du champ moyen
Méthode perturbative
*L.B. Kreuzer, Single and multi-mode oscillation of the singly resonant optical parametric oscillator,
Proceedings of the Joint Conference on Lasers and Opto-electronics (Proc. IRE),p 52 (1968)
18
Méthode perturbative
Développement en série de Mac Laurin:
Solutions des équations de propagation à l’ordre 2:
(2):(2) ≡(3)
Solution triviale → As=0
→ nécéssité de développer à un ordre + élevé
19
Solution analytique (méthode perturbative)
Solutions des équations de propagation à l’ordre 4:
+ Self-consistence
(1)
numérique
(N)
(1)
(1)
Numérique
superposé
à Kreuzer
20
Solution analytique (méthode perturbative)
Développement à l’ordre 4 + Manley-Rowe:
(2)
(1)
(2)
(N)
(N)+
Kreuzer
(1)
(2)
Distribution longitudinale de l’intensité pompe à l’état stationnaire
Zth
21
Solution analytique (méthode perturbative)
Approche heuristique
(3)
(2)
(N)
(3)
(3)
(1)
(2)
(N)+
Kreuzer
(2)
22
Conclusion
Puissance idler:
De Natale et al.
CNR INO, Florence
•Oscillation du SRO: s =0
• Déplétion maximum à x=2.5 pour rs→1
• Profils longitudinaux d’intensité dans le cristal : clampage de la pompe au seuil
au centre du cristal
23
1- Rappel d’optique non linéaire
2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement
résonnant (SRO)
3- Conception et réalisation du SRO
4- Performances du SRO
5 -Stabilisation en fréquence du SRO
Conclusions
24
Le cristal de niobate de lithium en QPM (ppMgCLN)
• Courbes de quasi-accord de phase
25
Transmission (en %)
Longueur d’onde (en nm)
Longueurs d’onde signal limitées par le traitement diélectrique HR des miroirs de cavité
26
QPM non critique en λp
A λp≈1064nm → condition de quasi-accord de phase spectralement non critique
27
Dispositif experimental
•→ w0s≈60 µm
 =L/2zr≈ 1.4
→ w0p ≈50 µm
• L1=150 mm, L2=390 mm → Ltot= 540 mm
→ ISL= 500 MHz
28
Miroir
Diode laser (Velocity New focus)
+
Diode laser
Faisceau
de sortie

Lentille
Réseau de diffraction
Point
de
pivot
+

Gain de la diode
Fonction du réseau
+

29
Insertion du cristal
M3
M4
M2
M1
Réfraction dans le cristal
30
Alignement fin de la cavité sur le vert à 532 nm
M3
M4
M2
PZT
Photodiode
M1
31
1- Rappel d’optique non linéaire
2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement
résonnant (SRO)
3- Conception et réalisation du SRO
4- Performances du SRO
5 -Stabilisation en fréquence du SRO
Conclusions
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Accordabilité en longueur d’onde
• 5 réseaux utilisables sur les 13
• 1.45 µm < λs < 1.65µm
• 3 µm < λi < 4 µm
Transmission des miroirs (%)
x100
Longueur d’onde (nm)
33
Seuil d'oscillation et puissance idler
• Pth~2 W à 3.3 µm
• Puissance idler de sortie : 700 mW - 1.8 W à Pp= 9W
34
Puissance signal et déplétion de la pompe
• Puissance signal de sortie : 100 mW – 250 mW à Pp= 9W
• Déplétion maximum vers x=Pin/Pth~3 (en théorie xm=2.5)
35
Emission spectrale IR du SRO
• Puissance idler proportionnelle à i/s= λp/(λi- λp) : dépendance due au
processus paramétrique moins efficace quand on s’éloigne de la
dégenerescence.
36
Accord en longueur d'onde par sauts de mode
Insertion d’1 étalon intracavité: • Réduction des sauts de mode
• Balayage en fréquence par sauts de mode
Gain
Courbe de gain
paramétrique
s
Mode la cavité (ISL=500MHz)
37
Balayage continu de l'onde idler sur 175 GHz
Pour obtenir une plus grande plage de balayage continue → stabilisation de la cavité
38
1- Rappel d’optique non linéaire
2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement
résonnant (SRO)
3- Conception du SRO
4- Performances du SRO
5 -Stabilisation en fréquence du SRO
Conclusions
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Principe général de l’asservissement en fréquence
(t)=ns(t)-n0
40
Référence de fréquence: cavité CFP monobloc
R= 99.5%
F= 250
ROC= -5 cm
ISL= 1.5 GHz
41
Elaboration du signal d’erreur: discriminateur de fréquence
modulation
démodulation
42
Dispositif expérimental de l’asservissement
FC: filtre correcteur
PZT
Etalon en YAG
Ampli. HV
FC
Ampli.
Lock-in
F =250
F-P
Signal (1.4-1.6 µm)
fm=55 kHz
analyseur FFT
43
Filtres correcteurs
Gain (dB)
1 intégrateur
-20 dB/dec
fr =3.3kHz
Fréquence (Hz)
2 intégrateurs: augmentation
du gain basse-fréquence
fr =3.3kHz
44
Analyse des performances de la stabilisation en fréquence
Densité spectrale de puissance de bruit de fréquence:
BW
Ecart type des fluctuations de fréquence
relatif à la référence:
45
Balayage sans saut de mode de l’idler
ni > 500 GHz
(17 cm-1)
46
Conclusions et perspectives
•Méthode perturbative: relations d’entrée-sortie analytiques explicites
•Puissance délivrée par le SRO: 700mW – 1.8 W pour l’onde idler (3 – 4µm)
• La stabilisation en fréquence sur une cavité externe (Fabry-Perot de finesse
F250) permet une excursion continue de l’idler sur 500 GHz.
• Extension de l’accordabilité continue par:
 élargissement de la bande passante de l’asservissement
 stabilisation du FP
augmentation de la vitesse de balayage de l’onde pompe
Reference: Andrieux et al, Optics Letters 36, 1212 (2011).
Andrieux et al, Virtual Journal of Biomedical Optics 6(5) (2011)
A. Rihan et al., Perturbative theory for continuous-wave optical
parametric oscillators. Soumis à PRA (2011).
47
Conclusions et perspectives
Application: spectroscopie du méthane ou du formaldéhyde (entre 3 et 4 µm)
Résultats spectroscopiques de De Natale et al. CNR INO, Florence
Transmission (arb. units)
0.4
0.3
0.30
0.2
0.1
0.25
-40
0.0
-300
-200
-100
0
0
100
40
200
300
Relative Frequency (MHz)
Spectroscopie d’absorption saturée du méthane vers 3.3 µm
48
Merci de votre attention
49
Caractéristiques du système de pompe
Puissance de sortie
de la diode laser (mW)
Puissance atténuée en sortie de l’ampli
(dB)
Longueur d’onde (nm)
Longueur d’onde (nm)
50