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

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1 Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences dans les domaines GHz à THz, en régime continu ou impulsionnel. Applications opto-microondes. NGOC DIEPLAI Laboratoire d Electronique Quantique et Physique des Lasers

2 Introduction Lasers solides bi-fréquences continûment accordables : Courbe de gain Beaucoup d applications potentielles Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 2

3 Lidar-radar Doppler Lidar-radar Doppler Besoins : Propagation dans l atmosphère : 1,55 µm Propagation sous-marine : 532 nm Durée contrôlable : centaines de ns 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 3 Battement cohérent d impulsion à impulsion

4 Génération d ondes sub-millimétriques Génération d ondes sub-millimétriques Photo-commutation Avantages : Compact. Accordable. Pureté spectrale. Besoin : Longueur d onde visible! 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 4

5 Questions Optimisation des caractéristiques des lasers solides impulsionnels? Impulsions à 1,55 µm et dans le visible? Battement cohérent d impulsion à impulsion? Source bi-fréquence THz dans le visible? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 5

6 Plan d exposé Plan d exposé I. Lasers solides impulsionnels 1/ Contrôle de la durée des impulsions. 2/ Laser impulsionnel bi-fréquence. 3/ Cohérence du battement. II. Conversion de fréquence 1/ Laser impulsionnel vert. 2/ Laser continu THz rouge. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 6

7 Contrôle de la durée des impulsions Contrôle de la durée des impulsions Laser déclenché passivement Impulsion dépend de la transmission de la cavité Question: dépend de: Comment contrôler la durée d impulsion? Comment ajuster R? Contrôlée par les états fourchus du laser à 2 axes 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 7

8 Laser à deux axes e Cr:YAG I e ρ Théorie : Matrices de Jones états propres fourchus I e I o 1 E 1 = Pompe sin ρ 0 0 cos ρ o E 2 = I o cos ρ 0 0 -sin ρ ρ( ) 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 8 λ/4 Laser R I e /I o dépend de ρ

9 Résultats expérimentaux 100 ns Continûment ajustable 100 ns 500 ns 45 Puiss. moyenne (mw) Temps 200 ns Puissance moyenne augmente Bon accord théorie-expérience Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 9 Durée d'impulsion d impulsion (ns) (ns)

10 Conclusion : Contrôle de la durée des impulsions Contrôle de la durée des impulsions Etats fourchus durée des impulsions ajustable : 100 ns 500 ns Bon accord entre théorie-expérience. Etats fourchus addition cohérente d impulsions. Autres méthodes : Translation de l absorbant saturable : 30 ns 350 ns Translation de la lentille de focalisation : 20 ns 250 ns Application au laser impulsionnel bi-fréquence. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 10

11 Plan d exposé Plan d exposé I. Lasers solides impulsionnels 1/ Contrôle de la durée des impulsions. 2/ Laser impulsionnel bi-fréquence. 3/ Cohérence du battement. II. Conversion de fréquence 1/ Laser impulsionnel vert. 2/ Laser continu THz rouge. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 11

12 Laser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µm Laser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µm 1,55 µm bande de sécurité oculaire, domaine de télécommunication. Questions : Impulsions bi-fréquences à 1,55 µm? Absorbant saturable à 1,55 µm? Fréquence de battement? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 12

13 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 13 Bon absorbant saturable Absorption isotrope Absorbant saturable Co:ASL taillé c (CEA/LETI-Grenoble) Efficacité? Abs. saturable isotrope? régime bi-fréquence! Expérience : régime monomode Résultats Intensité (u. a.) Puissance moyenne du laser (mw) % Intensité (u. a.) Temps 250 ns 1 ms 400 ns Puissance de la pompe (mw)

14 Régime bi-fréquence : Principe Fréquence de battement Matrice de Jones ν 1 ν 2 ν = 2L c 2 ρ π Polariseur Résultats Impulsions bi-fréquences accordables à 1,55 µm Intensité (u. a.) 1 0 ν=160 MHz 100 ns ν (GHz) 1,5 1,2 0,9 0,6 0, Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 14 Temps ρ( )

15 Microlaser impulsionnel bi-fréquence : Résultats Grande puissance crête : 470 W Fréquence de battement élevée : c/4l = 19 GHz Intensité (u. a.) Longueur d'onde (nm) 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep GHz

16 Laser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µm Laser impulsionnel bi-fréquence à 1,55 µm Conclusion : 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? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 16

17 Plan d exposé Plan d exposé I. Lasers solides impulsionnels 1/ Contrôle de la durée des impulsions. 2/ Laser impulsionnel bi-fréquence. 3/ Cohérence du battement. II. Conversion de fréquence 1/ Laser impulsionnel vert. 2/ Laser continu THz rouge. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 17

18 Cohérence du battement en régime impulsionnel Cohérence du battement en régime impulsionnel Signal / Bruit (db) L. Morvan impulsion (100 ns) (17 km) 20 impulsions (1 ms) Visibilité (km) (27 km) 10 db Besoin : Battement cohérent d impulsion à impulsion. Déclenchement passif : cohérence? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 18

19 Calcul théorique de la transformée de Fourier Calcul théorique de la transformée de Fourier Train d impulsions ϕ(t) : aléatoire t 2 I(t) = I 0 exp ( τ /2 ln2) 2 ( ) δ nt t Transformée de Fourier n cos ( 2πν t + ϕ( t) ) b ϕ(t) : constante ν 2 S I (ν) = S 0 exp ν m /2 ln 2 ( ) 2 "Cohérence peigne de Dirac" 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 19 δ nν ( 0 ν) n S ϕ ( ν ν b )

20 Cas du laser à déclenchement passif Cas du laser à déclenchement passif Intensité (u. a.) 36 ns Temps Taux de répétition 1/T = 13 khz ν = 1GHz 20 ns Intensité nulle entre les impulsions ϕ varie aléatoirement Quelle méthode pour conserver ϕ(t) d une impulsion à l autre? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 20

21 Modulation de la puissance de pompe Modulation de la puissance de pompe bi-fréquence? f modulation f relaxation Faible amplitude : AM Forte amplitude : Spiking Application au régime bi-fréquence? AM Intensité non nulle Battement cohérent? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 21

22 Laser Nd:YAG bi-fréquence : Expérience Laser Nd:YAG bi-fréquence : Expérience Schéma expérimental Régime AM Cohérent? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 22

23 Régime AM résonant : Expérience Régime AM résonant : Expérience 0 Battement cohérent Résultat général 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 23

24 Cohérence du battement en régime impulsionnel Cohérence du battement en régime impulsionnel Conclusion Laser bi-fréquence à déclenchement passif : Battement incohérent d impulsion à impulsion Laser bi-fréquence modulé en amplitude : AM : Battement cohérent d impulsion à impulsion 1,064 µm et 1,55 µm Durée des impulsions : 1 µs Taux de répétition : 100 khz Puissance crête : 5 puissance moyenne Spiking : Battement incohérent 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 24

25 Mais * Détection sous-marine * Génération d ondes sub-millimétriques Peut-on obtenir des sources bi-fréquences dans le visible? 2ν 2ν Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 25

26 Plan d exposé Plan d exposé I. Lasers solides impulsionnels. 1/ Contrôle de la durée des impulsions. 2/ Laser impulsionnel bi-fréquence. 3/ Cohérence du battement. II. Conversion de fréquence. 1/ Laser impulsionnel vert. 2/ Laser continu THz rouge. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 26

27 Doublage intracavité d un laser Nd,Cr:YAG bi-fréquence 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 27

28 Cavité 1064 nm 532 nm I II Questions linéaires hélicoïdaux linéaires δ Conditions pour obtenir le régime bi-fréquence? Battement continûment accordable? Spectre dans le visible? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 28

29 Matrices de Jones (ρ, α et δ ) Cas I KTP entre deux λ/4 Cas II KTP hors de deux λ/4 Régime bi-fréquence? Etats propres suivant x et y δ = nπ 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 29

30 Coefficients de D et S Fréquence de battement Cas II + Orientation du KTP Cas I Orientation de (λ/4)2 Cas II : Doublage et Somme Cas I : Doublage uniquement Continûment accordable en fonction de ρ et α 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 30

31 Résultats expérimentaux : avec δ = nπ Les impulsions bi-fréquences Fréquence de battement Intensité (u. a.) Intensité (u. a.) Temps Temps 1064 nm 50 ns 532 nm 50 ns Fréquence de battement (MHz) Fréquence de battement (MHz) Impulsions bi-fréquences dans le visible ρ ( ) Cas I et II 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep α ( ) Cas I Continûment accordable

32 Doublage intracavité d un laser Nd,Cr:YAG bi-fréquence Conclusion : Impulsions bi-fréquences dans le visible En bon accord entre expérience et théorie 1550 nm 775 nm Boucle d asservissement: δ = nπ 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 32

33 Au-delà du GHz Source THz dans le visible? Source THz dans le visible? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 33

34 Plan d exposé Plan d exposé I. Lasers solides impulsionnels. 1/ Contrôle de la durée des impulsions. 2/ Laser impulsionnel bi-fréquence. 3/ Cohérence du battement. II. Conversion de fréquence. 1/ Laser impulsionnel vert. 2/ Laser continu THz rouge. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 34

35 Rappel sur les cristaux non linéaires Rappel sur les cristaux non linéaires Cristal massif : k = 4 ( λ n n 2w 1w ) "Quasi-Phase Matching" Cristal à QPM l c = π k Bloembergen 1962 Quel type de cristal non linéaire? 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 35

36 Rappel sur le laser bi-fréquence THz Rappel sur le laser bi-fréquence THz M. Alouini 1998 à 1550 nm Cristal à double accord de phase accordable! Cristal massif : NON Cristal à "QPM" spécifique : OUI 193, ,5 Octobre , ,5 Lai Ngoc Diep 36 Fréquence (THz)

37 Modèle du cristal de PPLN à QPM Modèle du cristal de PPLN à QPM Cristal mixte en éventail de PPLN a.o. Périodes d inversion Λ fixe Λ variable Déplacement de PPLN Double accord de phase accordable 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 37

38 Résultats expérimentaux Résultats expérimentaux Intensité (u. a.) ν e ν o Fondamental Longueur d'onde (nm) ν ο ν e ν e ν ν ο 2ν ν 2ν 2ν ο ο e ο e 2ν e Intensité (u. a.) ν e Doublages ν o Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 38 Longueur d'onde (nm) Bi-fréquence THz dans le visible! Fixer : ν ο Varier : ν e

39 Source bi-fréquence THz ajustable dans le ROUGE Source bi-fréquence THz ajustable dans le ROUGE Intensité (u. a.) e Continûment accordable Puissance totale : 1 8 mw o Interférogramme Battement (1,4 THz) 4,2 THz Fréquence (THz) 100µm Déplacement Modulation : 100 % 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 39 0

40 Doublage de fréquence du laser bi-fréquence THz Doublage de fréquence du laser bi-fréquence THz Conclusion : Cristal spécifique mixte en éventail de PPLN Bon accord expérience-théorie Source bi-fréquence THz dans le visible Battement continûment accordable de 0 à 4,2 THz Grande qualité de battement, 100% de modulation Augmenter la puissance du fondamental 50 mw du rouge Application : génération d ondes sub-millimétriques, 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 40

41 Conclusion générale Conclusion générale Optimisation des lasers solides impulsionnels Stabilisation du taux de répétition : 10-6 Appl. Phys. Lett Contrôle de la durée des impulsions : ns Eur. Phys. J. D 2002 Augmentation d énergie des impulsions : 2,5 Lasers solides impulsionnels bi-fréquences Lasers impulsionnels bi-fréquences: Nd:YAG-Cr:YAG, Er-Yb:verre-Co:ASL ( ν : 0 20 GHz). Appl. Opt Opt. Lett Battement cohérent d impulsion à impulsion lidar-radar. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 41 IEEE J. Lightwave Technol. 2003

42 Conclusion générale Conclusion générale Conversion de fréquence source bi-fréquence visible Méthodes : hors cavité ou intracavité Cristal non linéaire : massif ou quasi-accord de phase Impulsions bi-fréquences accordables à 532 nm et à 775 nm. Cristal spécifique de PPLN source bi-fréquence (4,2 THz) dans le visible génération d ondes THz. J. Phys. IV : Proc J. Opt. Soc. Am. B Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 42

43 Perspectives Applications : Lidar-radar Doppler. Génération d ondes sub-millimétriques. Spectroscopie. Applications médicales, Développements futurs : Microchip utilisant le cristal électro-optique. Chirp rapide de la fréquence. Boucles d asservissements. Lasers auto-doublés. 30 Octobre 2002 Lai Ngoc Diep 43