RÉALISATION D'UN OSCILLATEUR PARAMÉTRIQUE OPTIQUE STABILISÉ EN

FRÉQUENCE ET ACCORDABLE CONTINÛMENT SUR 500 GHz

POUR LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

Emeline Andrieux

Sous la direction de Jean-Jacques Zondy

Laboratoire Commun de Métrologie LCMConservatoire National des Arts et Métiers

16/12/2011

1

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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

Longueur d’onde

400 nm 760 nm 1 cm30 µm2 µm

UV Visible Proche IR Moyen IR IR lointain µ-ondes

Spectroscopie d’absorption moléculaire

Transitions rovibrationnelles

Peu de laser largement accordable dans le MIR

Forces d’oscillateur 100 à 1000 fois + élevées que dans le visible ou le proche IR

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Développement d’un oscillateur paramétrique optiqueLaser 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.

Lasers Cr:ZnSe

Diode laser à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL)

Différence de fréquence (DFG)

commercialisés par IPGaccordable entre 2 et 3 µm

mono-fréquence accordable continûment sur 100 GHz

3.5 à 24 µmpeu accordable

onéreux

nécessite 2 laser de pompe (dont 1 accordable)efficacité de conversion faible en simple passage (nW-1mW)

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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

Plan

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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

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Polarisation et susceptibilité non linéaire

Laser E(t) P(t)

P(t)

E(t)

PL(t) = 0(1):E(t)

Polarisation linéaire:

P(2)NL(t) = 0 (2) :E2 2d=(2)

Etude de l’interaction entre la matière et la lumière intense

PNL(t) = 0 ((2):E2 + (3) :E3+… + (n) :En)P(t)

E(t)

Polarisation non-linéaire:

7

Equation de propagation d’un champ électrique dans un milieu d’indice n

Propagation suivant z d’une onde plane

dEj<<Ej

j

Approximation de l’enveloppelentement variable

8

Polarisation non linéaire d’ordre 2 dans le cas d’un mélange à 3 ondes

3 = 1 + 2

9

Equations de propagation réduites

Désaccord de phase:

k= k3-k2-k1

(j=1,2,3)

k2+k1=k3

a) Somme de fréquence

3

1

2

k3=k2+k1

b) Génération paramétrique

3

2

1

10

a) Somme de fréquence

E1 et E2 non dépeuplés:L

3 = 1 + 21

2 (2)

k≠ 0L

Lc 2Lc 3Lc 4Lc 5Lc

Inte

nsité

gén

érée

k=0

n()

3 1 2

Milieu isotrope

Condition d’accord de phase:

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Quasi-accord de phase (QPM)

LLc 2Lc 3Lc 4Lc 5Lc

Inte

nsité

gén

érée

k≠ 0

k=0 m=1

Inversion périodique du signe du coefficient non linéaireInteraction de type (eee): Ej // Z

f(z)

01

-1

d(z)=d33 f(z)

12

b) Génération paramétrique

L

3 = 1 + 2 (Complémentaire idler)

1

Signal 2Pompe 3

E3 non dépeuplé:

Gain paramétrique

k=0

2

E1(0)=0 et E2(0)≠0

(2)

13

Principe de l’oscillateur paramétrique optique (OPO)

3 = p

1 = i

2 = s

Doublement résonnant (DRO) Triplement résonnant (TRO)

Simplement résonnant (SRO)

Plus grande stabilité en fréquencePuissance de sortie plus élevée

seuil faible instabilité de mode

faible puissance de sortie

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Principe de l’oscillateur paramétrique optique

Gain paramétrique:

Pertes par aller-retour:

Pp=1 W → G= 1%

Seuil à qq W

Gain très faible(gain laser >10%)Limiter les pertes

3 = p

1 = i

2 = s

Condition d’oscillation

L =5 cm d =17 pm/V p= 1 µm s=1.5 µm

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Gain paramétrique: gain à élargissement homogène

Gain

Gain=Pertes

s n

k=0

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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

17

Equations de propagation réduites et conditions aux limites

équations de propagation réduites

conditions aux limites

Relation de “self-consistence”:

Relations de Manley-Rowe:

t: temps d’1 aller-retour dans la cavité

Z=z/L

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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)

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Méthode perturbative

Développement en série de Mac Laurin:

Solution triviale → As=0

→ nécéssité de développer à un ordre + élevé

Solutions des équations de propagation à l’ordre 2:

(2):(2) ≡(3)

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Solution analytique (méthode perturbative)

Solutions des équations de propagation à l’ordre 4:

+ Self-consistence

numérique

Numériquesuperposé à Kreuzer

(1)

(1)

(N)(1)

21

Solution analytique (méthode perturbative)Développement à l’ordre 4 + Manley-Rowe:

(2)

(1)

(N)

(2) (1)

(N)+Kreuzer

(2)

Zth

Distribution longitudinale de l’intensité pompe à l’état stationnaire

22

Solution analytique (méthode perturbative)

Approche heuristique(3)

(2)

(N)

(2)

(1)

(N)+Kreuzer

(2)(3)

(3)

23

Conclusion

•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

Puissance idler:

De Natale et al.CNR INO, Florence

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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

25

Le cristal de niobate de lithium en QPM (ppMgCLN)

• Courbes de quasi-accord de phase

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Longueur d’onde (en nm)

Tran

smis

sion

(en

%)

Longueurs d’onde signal limitées par le traitement diélectrique HR des miroirs de cavité

27

QPM non critique en λp

A λp≈1064nm → condition de quasi-accord de phase spectralement non critique

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Dispositif experimental

•→ w0s≈60 µm → w0p ≈50 µm• L1=150 mm, L2=390 mm → Ltot= 540 mm → ISL= 500 MHz

=L/2zr≈ 1.4

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Diode laser

Miroir

Faisceau de sortie

Lentille

+

Pointde

pivot

+

Réseau de diffraction

+

Fonction du réseauGain de la diode

Diode laser (Velocity New focus)

30

M4

M1M2

M3

Insertion du cristal

Réfraction dans le cristal

31

Alignement fin de la cavité sur le vert à 532 nmM4

M1

M2

M3

Photodiode

PZT

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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

33

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 (%)

Longueur d’onde (nm)

x100

34

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

35

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)

36

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.

37

Accord en longueur d'onde par sauts de mode

• Réduction des sauts de mode• Balayage en fréquence par sauts de mode

Insertion d’1 étalon intracavité:

Courbe de gainparamétrique

Mode la cavité (ISL=500MHz)

Gain

s

38

Balayage continu de l'onde idler sur 175 GHz

Pour obtenir une plus grande plage de balayage continue → stabilisation de la cavité

39

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

Référence de fréquence: cavité CFP monobloc

R= 99.5%F= 250ROC= -5 cmISL= 1.5 GHz

41

Elaboration du signal d’erreur: discriminateur de fréquence

modulation

démodulation

42

43

Dispositif expérimental de l’asservissement

F =250Ampli. Lock-in

analyseur FFT

Signal (1.4-1.6 µm)

fm=55 kHz

PZT

Ampli. HV F-P

Etalon en YAG

FC

FC: filtre correcteur

Filtres correcteurs

1 intégrateur

2 intégrateurs: augmentation du gain basse-fréquence

44

Fréquence (Hz)

Gain

(dB)

fr =3.3kHz-20 dB/dec

fr =3.3kHz

45

Analyse des performances de la stabilisation en fréquence

Densité spectrale de puissance de bruit de fréquence:

Ecart type des fluctuations de fréquencerelatif à la référence:

BW

46

Balayage sans saut de mode de l’idler

ni > 500 GHz (17 cm-1)

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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 F250) 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 FPaugmentation 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).

48

Conclusions et perspectives

Application: spectroscopie du méthane ou du formaldéhyde (entre 3 et 4 µm)

-300 -200 -100 0 100 200 3000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

-40 0 400.25

0.30

Tran

smis

sion

(arb

. uni

ts)

Relative Frequency (MHz)

Résultats spectroscopiques de De Natale et al. CNR INO, Florence

Spectroscopie d’absorption saturée du méthane vers 3.3 µm

49

Merci de votre attention

50

Puissance de sortie de la diode laser (mW)

Longueur d’onde (nm)

Longueur d’onde (nm)

Puissance atténuée en sortie de l’ampli(dB)

Caractéristiques du système de pompe