Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi ... · des lasers solides bi-fréquences...

NGOC DIEP LAI

Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences dans les domaines GHz à THz,

en régime continu ou impulsionnel.Applications opto-microondes.

Laboratoire d’Electronique Quantique et Physique des Lasers

30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 2

IntroductionIntroduction→ Lasers solides bi-fréquences continûment accordables :

→ Beaucoup d’applications potentielles...

Courbe de gain


Lidar-radar DopplerLidar-radar Doppler

• Battement cohérent d’impulsion à impulsion

• Propagation dans l’atmosphère : 1,55 µm• Propagation sous-marine : 532 nmBesoins : • Durée contrôlable : centaines de ns


Génération d’ondes sub-millimétriquesGénération d’ondes sub-millimétriques

→ Photo-commutation

• Longueur d’onde visible !

→ Besoin :

→ Avantages :• Compact.• Accordable.• Pureté spectrale.


QuestionsQuestions

• Impulsions à 1,55 µm et dans le visible ?

• Source bi-fréquence THz dans le visible ?

• Battement cohérent d’impulsion à impulsion ?

• Optimisation des caractéristiques des lasers solides impulsionnels ?


I. Lasers solides impulsionnels

II. Conversion de fréquence

2/ Laser impulsionnel bi-fréquence.

3/ Cohérence du battement.

2/ Laser continu THz rouge.

1/ Laser impulsionnel vert.

1/ Contrôle de la durée des impulsions.

Plan d’exposéPlan d’exposé


Contrôle de la durée des impulsionsContrôle de la durée des impulsions

Question:

⇔ Comment ajuster R ?Comment contrôler la durée d’impulsion ?

Laser déclenché passivement Impulsion

dépend de la transmissionde la cavité

dépend de:

Contrôlée par les états fourchus du laser à 2 axes


0 20 40 60 800

1

IeI o

(°)ρ

λ/4

ρLaser à deux axes

Ie

Io

R ∝ Ie/Iodépend de ρ

Théorie : Matrices de Jones 4×4 ⇒ 2 états propres fourchus

E1=

sin ρ00

cos ρ

cos ρ00

-sin ρE2=

Cr:YAG

Pompe

Lasero

e


Temps 200 ns

45°

Résultats expérimentaux

⇒ Puissance moyenne augmente

⇒ Continûment ajustable100 ns → 500 ns

⇒ Bon accordthéorie-expérience

35°

30°

20°

100 ns

10

15

20

25

30

100 200 300 400 500

Puis

s. m

oyen

ne (m

W)

Durée d'impulsion (ns)Durée d’impulsion (ns)

Pui

ss. m

oyen

ne (m

W)


Contrôle de la durée des impulsionsContrôle de la durée des impulsions

Conclusion :Etats fourchus → durée des impulsions ajustable : 100 ns → 500 ns

Bon accord entre théorie-expérience.

⇒ Application au laser impulsionnel bi-fréquence.

Autres méthodes :

• Translation de l’absorbant saturable : 30 ns → 350 ns

• Translation de la lentille de focalisation : 20 ns → 250 ns

Etats fourchus → addition cohérente d’impulsions.


Laser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µmLaser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µm

→ Impulsions bi-fréquences à 1,55 µm ?

Questions :

• Absorbant saturable à 1,55 µm ?

• Fréquence de battement ?

• 1,55 µm → bande de ‘sécurité oculaire’,→ domaine de télécommunication.


→ Bon absorbant saturable → Absorption isotrope

Co:ASL taillé c(CEA/LETI-Grenoble)

Absorbant saturable Résultats

Inte

nsité

(u. a

.)

Temps 1 ms

250 ns

400 ns

Inte

nsité

(u. a

.)

300 350 400 450 500

Puis

sanc

e m

oyen

nedu

lase

r (m

W)

Puissance de la pompe (mW)

0

3

6

25%

• Efficacité ?

• Abs. saturable isotrope ?→ régime bi-fréquence !

Expérience : régime monomode


→ Impulsions bi-fréquences accordables à 1,55 µmRésultats

00,30,60,91,21,5

0 10 20 30 40

(GH

z)∆ν

(°)ρTemps

0

1

100 ns

∆ν=160 MHz

Inte

nsité

(u. a

.)Régime bi-fréquence : Principe

Polariseur

ν1

ν2

Fréquence de battement→ Matrice de Jones

πρν 2

2Lc=∆


Microlaser impulsionnel bi-fréquence : Résultats

→ Grande puissance crête : 470 W

→ Fréquence de battement élevée :c/4L = 19 GHz Longueur d'onde (nm)

0

1

2 19 GHz

15341533 15361535Inte

nsité

(u. a

.)


Laser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µmLaser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µm

Nouvel absorbant saturable : Co:ASL

Impulsions bi-fréquences accordables à 1,55 µm.

→ Cavité étendue : c/4L = 1,4 GHz

→ Microcavité : c/4L = 19 GHz

Nombreuses applications : télémétrie, lidar-radar.

→ Battement cohérent ?

Conclusion :


Cohérence du battement en régime impulsionnelCohérence du battement en régime impulsionnel

• Déclenchement passif :cohérence ?

0 10 20 30 40

0

40

80

Sign

al /

Bru

it (d

B)

Visibilité (km)

20 impulsions (1 ms)→ Battement cohérent d’impulsion à impulsion.

Besoin :1 impulsion (100 ns)(17 km)

(27 km)

10 dB

L. Morvan 2002


Calcul théorique de la transformée de FourierCalcul théorique de la transformée de Fourier

"Cohérence ⇔peigne de Dirac"

ϕ(t) : aléatoire

ϕ(t) : constante

Transformée de Fourier

SI (ν) = S0 exp−ν2

νm /2 ln 2( )2

× δ nν0 −ν( )n∑

⊗Sϕ ν −νb( )

Train d’impulsions

I( t) = I0 exp− t2

τ /2 ln2( )2

⊗ δ nT − t( )n∑

×

( ))(2cos ttb ϕπν +×


Cas du laser à déclenchement passifCas du laser à déclenchement passif

→ Quelle méthode pour conserver ϕ(t) d’une impulsion à l’autre ?

→ Intensité nulle entre lesimpulsions

→ ϕ varie aléatoirement

Temps 20 ns

36 ns

Inte

nsité

(u. a

.) Taux de répétition1/T = 13 kHz∆ν = 1GHz


Modulation de la puissance de pompeModulation de la puissance de pompe

fmodulation ≈ frelaxationFaible amplitude : “AM ”

→ Application au régime bi-fréquence ?

bi-fréquence ?

Forte amplitude : “Spiking”

→ “AM ” ⇔ Intensité non nulle → Battement cohérent ?


Laser Nd:YAG bi-fréquence : ExpérienceLaser Nd:YAG bi-fréquence : ExpérienceSchéma expérimental

Régime ‘AM’→ Cohérent ?


Régime “AM” résonant : ExpérienceRégime “AM” résonant : Expérience

→ Résultat général→ Battement cohérent

0


• Laser bi-fréquence à déclenchement passif :→ Battement incohérent d’impulsion à impulsion

Conclusion

Cohérence du battement en régime impulsionnelCohérence du battement en régime impulsionnel

• Laser bi-fréquence modulé en amplitude :

→ “Spiking” : Battement incohérent

→ “AM” : Battement cohérent d’impulsion à impulsion

• Durée des impulsions : ≈ 1 µs• Taux de répétition : ≈ 100 kHz• Puissance crête : ≈ 5 puissance moyenne

• 1,064 µm et 1,55 µm


Peut-on obtenir des sources bi-fréquences dans le visible ?Peut-on obtenir des sources

bi-fréquences dans le visible ?

Mais* Détection sous-marine

* Génération d’ondes sub-millimétriques

2ν

2ν1

2


I. Lasers solides impulsionnels.

II. Conversion de fréquence.








Doublage intracavité d’un laserNd,Cr:YAG bi-fréquence

Doublage intracavité d’un laserNd,Cr:YAG bi-fréquence


Cavité

linéaires linéaireshélicoïdauxQuestions

• δ → Conditions pour obtenir le régime bi-fréquence ?

• Battement continûment accordable ?• Spectre dans le visible ?

1064 nm 532 nm

I II


δ = nπ

Matrices de Jones (ρ, α et δ )

KTP entre deux λ/4

Cas I Cas II

KTP hors de deux λ/4

Régime bi-fréquence ?

Etats propres suivant x et y


Coefficients de ‘D’ et ‘S’

→ Cas I : Doublage uniquement→ Cas II : Doublage et Somme

+

→ Continûment accordable en fonction de ρ et α

Cas I

Fréquence de battementCas II

Orientation du KTP

Orientation de (λ/4)2


→ Impulsions bi-fréquences dans le visible

Les impulsions bi-fréquences Fréquence de battement

Résultats expérimentaux : avec δ = nπ

0 10 20 30 40

Fréq

uenc

e de

ba

ttem

ent (

MH

z)

ρ (°)

Cas I et II

0

150

300

450

600

750

0 10 20 30 40

Fréq

uenc

e de

batte

men

t (M

Hz)

α (°)

Cas I

150

300

0

450

600

750

→ Continûment accordable

Temps

0

1

2

50 ns

1064 nm

Int e

n si té

( u. a

.)

Temps

0

1

2

50 ns

532 nm

Int e

n si té

( u. a

.)

532 nm


Conclusion :

→ En bon accord entre expérience et théorie

→ Impulsions bi-fréquences dans le visible

• 1550 nm → 775 nm

• Boucle d’asservissement: δ = nπ

Doublage intracavité d’un laser Nd,Cr:YAG bi-fréquence

Doublage intracavité d’un laser Nd,Cr:YAG bi-fréquence


Au-delà du GHz …

Source THz dans le visible ?Source THz dans le visible ?


I. Lasers solides impulsionnels.

II. Conversion de fréquence.








Rappel sur les cristaux non linéairesRappel sur les cristaux non linéaires

Quel type de cristal non linéaire ?

→ Cristal massif :

)(412 ww nnk −=∆ λ

lc =π∆k→ Cristal à “QPM”

Bloembergen 1962

"Quasi-PhaseMatching"


M. Alouini 1998

193,5 194 194,5 195 195,5 196 196,5Fréquence (THz)

à 1550 nm

Rappel sur le laser bi-fréquence THzRappel sur le laser bi-fréquence THz

Cristal à double accordde phase accordable !

• Cristal massif : NON

• Cristal à "QPM"spécifique : OUI


Modèle du cristal de PPLN à “QPM”Modèle du cristal de PPLN à “QPM”

Périodes d’inversion

Cristal mixte en éventail de PPLN a.o.

Λ fixe Λ variable

• Double accord de phaseaccordable

• Déplacement de PPLN


νο

νe

Résultats expérimentaux Résultats expérimentaux

νe νo

0

1

1550154615421538Longueur d'onde (nm)

Fondamental νe

νe 2νeνο

νο 2νο2νο

2νe

Inte

nsit é

( u. a

.)

2νe 2νo

0

1

775773771769Longueur d'onde (nm)

Doublages

I nt e

nsit é

( u. a

.)

→ Bi-fréquence THz dans le visible !

Fixer : νο

Varier : νe

→


Fréquence (THz)

Intensité (u. a.)

eo

387 388 389 390 391 392 393

4,2 THz

⇒ Continûment accordable⇒ Puissance totale : 1→ 8 mW

Battement (1,4 THz)

Interférogramme

⇒ Modulation : 100 %

100µm Déplacement

0

Source bi-fréquence THz ajustable dans le ROUGESource bi-fréquence THz ajustable dans le ROUGE


Doublage de fréquence du laser bi-fréquence THzDoublage de fréquence du laser bi-fréquence THz

Conclusion :

→ Bon accord expérience-théorie

→ Cristal spécifique mixte en éventail de PPLN

→ Source bi-fréquence THz dans le visible

→ Battement continûment accordable de 0 à 4,2 THz

→ Grande qualité de battement, 100% de modulation

→ Application : génération d’ondes sub-millimétriques,…

→ Augmenter la puissance du fondamental → 50 mW du rouge


Conclusion généraleConclusion généraleOptimisation des lasers solides impulsionnels

Lasers solides impulsionnels bi-fréquences

→ Stabilisation du taux de répétition : 10-6

→ Contrôle de la durée des impulsions : 0 → 500 ns

→ Augmentation d’énergie des impulsions : × 2,5

• Appl. Phys. Lett. 2001

• Eur. Phys. J. D 2002

→ Lasers impulsionnels bi-fréquences: Nd:YAG-Cr:YAG, Er-Yb:verre-Co:ASL (∆ν : 0 → 20 GHz).

→ Battement cohérent d’impulsion à impulsion → lidar-radar.

• Appl. Opt. 2002• Opt. Lett. 2003

• IEEE J. Lightwave Technol. 2003


Conclusion généraleConclusion générale

Conversion de fréquence → source bi-fréquence visible

→ Cristal spécifique de PPLN → source bi-fréquence (4,2 THz)

dans le visible → génération d’ondes THz.

→ Méthodes : hors cavité ou intracavité

⇒ Impulsions bi-fréquences accordables à 532 nm et à 775 nm.

→ Cristal non linéaire : massif ou quasi-accord de phase

• J. Phys. IV : Proc. 2002• J. Opt. Soc. Am. B 2003


→ Applications :• Lidar-radar Doppler.• Génération d’ondes sub-millimétriques.• Spectroscopie.• Applications médicales, …

PerspectivesPerspectives

→ Développements futurs :• Microchip utilisant le cristal électro-optique.• “Chirp” rapide de la fréquence.• Boucles d’asservissements.• Lasers auto-doublés.

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