RÉALISATION D'UN OSCILLATEUR PARAMÉTRIQUE OPTIQUE STABILISÉ EN FRÉQUENCE ET

1. 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 16/12/2011 Laboratoire Commun de Métrologie LCM Conservatoire National des Arts et Métiers

2. Introduction Projeteuropéen N°217257 “Breath analysis for early disease detection” Analyse du soufflehumain : identification de biomarqueurs et mesure de concentration à l’état de trace détectionprécoce des maladies Spectroscopie d’absorption moléculaire 400 nm 760 nm 30 µm 1 cm 2 µm Longueur d’onde  UV Visible Proche IR Moyen IR IR lointain µ-ondes Forces d’oscillateur 100 à 1000 fois + élevéesque dans le visible ou le proche IR Transitions rovibrationnelles Peu de laser largement accordable dans le MIR

3. 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.

4. 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

5. 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

6. Polarisation et susceptibilité non linéaire E(t) P(t) Laser Etude de l’interaction entre la matière et la lumière intense Polarisation non-linéaire: Polarisation linéaire: PNL(t) = 0 ((2):E2 + (3) :E3+… + (n) :En) PL(t) = 0(1):E(t) P(t) P(t) P(2)NL(t) = 0 (2):E2 E(t) E(t) 2d=(2)

7. Equation de propagation d’un champ électrique dans un milieu d’indice n Propagation suivant z d’une onde plane j dEj<<Ej Approximation de l’enveloppe lentement 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) a) Somme de fréquence b) Génération paramétrique k3=k2+k1 k2+k1=k3 1 2 3 3 2 1

10. a) Somme de fréquence 2 3 =1 +2 (2) 1 L E1 et E2 non dépeuplés: Condition d’accord de phase: Dk=0 n() Intensité générée Milieu isotrope L  Lc 2Lc 3Lc 4Lc 5Lc 1 2 3 Dk≠ 0

11. Quasi-accord de phase (QPM) Inversion périodique du signe du coefficient non linéaire d(z)=d33 f(z) Interaction de type (eee): Ej // Z f(z) m=1 Dk=0 Intensité générée Dk≠ 0 L 1 Lc 2Lc 3Lc 4Lc 5Lc 0 -1

12. b) Génération paramétrique Signal 2 3 =1 +2 Pompe 3 (2) 2 Complémentaire (idler) 1 L E3 non dépeuplé: E1(0)=0 et E2(0)≠0 Gain paramétrique Dk=0

13. 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

14. Principe de l’oscillateur paramétrique optique 3 =p 1 = i 2 = s Gain paramétrique: L =5 cm d =17 pm/V lp= 1 µm ls=1.5 µm Gain très faible (gain laser >10%) Pp=1 W → G= 1% Limiter les pertes Pertes par aller-retour: Seuil à qq W Condition d’oscillation

15. Gain paramétrique: gain à élargissement homogène Gain k=0 Gain=Pertes s n

16. 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 Z=z/L conditions aux limites Relations de Manley-Rowe: t: temps d’1 aller-retour dans la cavité Relation de “self-consistence”:

18. 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)

19. 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

20. Solution analytique (méthode perturbative) Solutions des équations de propagation à l’ordre 4: + Self-consistence (1) (1) numérique (N) Numérique superposé à Kreuzer (1)

21. Solution analytique (méthode perturbative) Développement à l’ordre 4 + Manley-Rowe: (2) (2) (1) (N) (N)+ Kreuzer (1) (2) Distribution longitudinale de l’intensité pompe à l’état stationnaire Zth

22. Solution analytique (méthode perturbative) (3) (1) (2) (2) (N) (2) (N)+ Kreuzer (3) (3) Approche heuristique

23. Conclusion Puissance idler: De Natale et al. CNR INO, Florence • Oscillation du SRO: Ds =0 • Déplétion maximum à x=2.5 pour rs→1 • Profilslongitudinauxd’intensitédans le cristal : clampage de la pompe au seuil • au centre du cristal

24. 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

26. Transmission (en %) Longueurd’onde (en nm) 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

28. Dispositif experimental • → w0s≈60 µm • → w0p ≈50 µm • L1=150 mm, L2=390 mm → Ltot= 540 mm • → ISL= 500 MHz  =L/2zr≈ 1.4

29. Miroir Diode laser (Velocity New focus) Faisceau de sortie +  Diode laser Lentille Réseau de diffraction Point de pivot +  Gain de la diode Fonction du réseau + 

30. Insertion du cristal M3 M4 M2 M1 Réfraction dans le cristal

31. Alignement fin de la cavité sur le vert à 532 nm PZT M3 M4 M2 Photodiode M1

32. 1- Rappel d’optique non linéaire 2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement résonnant (SRO) 3- Conception et réalisationdu 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 (%) x100 Longueurd’onde (nm)

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 wi/ws= 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: Gain Courbe de gain paramétrique s Mode la cavité (ISL=500MHz)

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

40. Principe général de l’asservissement en fréquence e(t)=ns(t)-n0

41. Référence de fréquence: cavité CFP monobloc R= 99.5% F= 250 ROC= -5 cm ISL= 1.5 GHz

42. Elaboration du signal d’erreur: discriminateur de fréquence modulation démodulation

43. Dispositif expérimental de l’asservissement FC: filtre correcteur PZT Etalon en YAG F =250 Ampli. Lock-in FC Ampli. HV F-P Signal (1.4-1.6 µm) fm=55 kHz analyseur FFT

44. Filtres correcteurs 1 intégrateur -20 dB/dec Gain (dB) fr =3.3kHz Fréquence (Hz) 2 intégrateurs: augmentation du gain basse-fréquence fr =3.3kHz

45. 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:

46. Balayage sans saut de mode de l’idler i> 500 GHz (17 cm-1)

47. 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-Perotde 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).

48. 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 Spectroscopie d’absorption saturée du méthane vers 3.3 µm

49. Merci de votre attention

50. 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)