RÉALISATION D'UN OSCILLATEUR PARAMÉTRIQUE OPTIQUE STABILISÉ EN FRÉQUENCE ET
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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
Sous la direction de Jean-Jacques Zondy
Laboratoire Commun de Métrologie LCMConservatoire National des Arts et Métiers
16/12/2011
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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:
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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
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Polarisation non linéaire d’ordre 2 dans le cas d’un mélange à 3 ondes
3 = 1 + 2
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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)
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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)
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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
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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)
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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
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Solution analytique (méthode perturbative)
Approche heuristique(3)
(2)
(N)
(2)
(1)
(N)+Kreuzer
(2)(3)
(3)
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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
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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
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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
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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
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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 (%)
Longueur d’onde (nm)
x100
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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
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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)
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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.
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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
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Balayage continu de l'onde idler sur 175 GHz
Pour obtenir une plus grande plage de balayage continue → stabilisation de la cavité
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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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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
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Fréquence (Hz)
Gain
(dB)
fr =3.3kHz-20 dB/dec
fr =3.3kHz
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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
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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).
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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
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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