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FR2773227A1 - Parametric oscillator using a nonlinear cascade to produce continuous optical radiation - Google Patents

Parametric oscillator using a nonlinear cascade to produce continuous optical radiation Download PDF

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FR2773227A1
FR2773227A1 FR9716685A FR9716685A FR2773227A1 FR 2773227 A1 FR2773227 A1 FR 2773227A1 FR 9716685 A FR9716685 A FR 9716685A FR 9716685 A FR9716685 A FR 9716685A FR 2773227 A1 FR2773227 A1 FR 2773227A1
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optical parametric
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FR9716685A
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FR2773227B1 (en
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Loic Becouarn
Eric Lallier
Dominique Delacourt
Michel Papuchon
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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Abstract

A radiation source generates light of wavelength lambda p. This is fed through input mirror Me into a resonant cavity. The cavity contains a cascade of materials possessing nonlinear optical properties, one of which is the tendency to reradiate at wavelength lambda s. The result is that the oscillator converts the majority of the input into radiation which is transmitted through the output mirror Ms at wavelength lambda s.

Description

OSCILLATEUR PARAMETRIQUE OPTIQUE A EFFET CASCADEOPTICAL PARAMETRIC OSCILLATOR WITH CASCADE EFFECT

Le domaine de l'invention est celui des sources optiques de puissance, capables de générer une onde optique de longueur d'onde As à partir d'une onde optique de longueur d'onde Xp et ce en exploitant la non  The field of the invention is that of optical power sources, capable of generating an optical wave of wavelength As from an optical wave of wavelength λp and this by exploiting the

linéarité d'ordre 2 de certains matériaux optiquement non linéaires.  2nd order linearity of some optically nonlinear materials.

En effet, les opérations de conversion de fréquence permises par l'optique non linéaire, élargissent de manière très significative l'éventail des gammes spectrales accessibles aux sources laser. Ainsi, à partir de sources laser parfaitement maîtrisées mais dont la gamme spectrale d'émission reste réduite, il est possible par effet non linéaire de convertir le rayonnement émis vers des bandes de longueur d'onde inaccessibles par des moyens conventionnels. Néanmoins, pour être réellement utilisables, ces opérations doivent présenter un rendement énergétique de conversion significatif. Or dans de nombreux cas, ce rendement est limité de manière fondamentale  Indeed, the frequency conversion operations allowed by the nonlinear optics, widen very significantly the range of spectral ranges accessible to laser sources. Thus, from laser sources perfectly controlled but whose emission spectral range remains reduced, it is possible by non-linear effect to convert the emitted radiation to inaccessible wavelength bands by conventional means. However, to be truly usable, these operations must have a significant conversion energy efficiency. But in many cases, this return is fundamentally limited

par l'interaction non linéaire elle-même.  by the nonlinear interaction itself.

Ainsi, à l'aide de la fluorescence paramétrique, il est possible d'engendrer un faisceau de grande longueur Xs appelé signal, à partir d'une pompe à beaucoup plus courte longueur d'onde X.p La génération du signal s'accompagne de la génération d'une onde complémentaire appelée idler et de longueur d'onde Xi. La conservation de l'énergie impose la relation suivante entre les trois longueurs d'onde: h h h 27r p 27 + 27c i soit:  Thus, using parametric fluorescence, it is possible to generate a long beam Xs called signal, from a pump much shorter wavelength Xp The generation of the signal is accompanied by the generating a complementary wave called idler and wavelength Xi. The conservation of energy imposes the following relation between the three wavelengths: h h h 27r p 27 + 27c i:

++

Xp xs Xi Pour que la conversion d'énergie de la pompe vers le signal et l'idler soit efficace, il est impératif qu'il y ait accord de phase entre la polarisation non linéaire engendrée par la pompe et les ondes signal et idler, ceci afin d'éviter les interférences destructrices. Cette condition est résumée par la formule suivante: np = ns ni Xp xs xi o np,ns etni sont les indices de réfraction du matériau non  Xp xs Xi For the energy conversion of the pump to the signal and the idler to be effective, it is imperative that there is a phase agreement between the nonlinear polarization generated by the pump and the signal and idler waves, this is to avoid destructive interference. This condition is summed up by the following formula: np = ns and Xp xs xi o np, ns etni are the refractive indices of the non-material

linéaire respectivement pour la pompe, le signal et l'idler.  linear respectively for the pump, the signal and the idler.

Si l'on exclue le cas particulier de la dégénérescence (Xs = 2Xp) et si l'on considère que seul le signal présente un intérêt, I'efficacité énergétique de conversion ne peut dépasser la limite imposée par le rapport Xp/Xs inférieur à 1. Par conséquent, si l'on cherche, par exemple, à émettre une onde vers 10 pm à partir d'un faisceau situé dans le proche infrarouge (2 pm par exemple), le rendement énergétique sera typiquement limité à 20%, sachant que cette limite supérieure est rarement atteinte expérimentalement. Mieux tirer pari de l'énergie photonique incidente, reste  If we exclude the special case of degeneracy (Xs = 2Xp) and if we consider that only the signal is of interest, the conversion energy efficiency can not exceed the limit imposed by the ratio Xp / Xs less than 1. Therefore, if one seeks, for example, to emit a wave towards 10 pm from a beam located in the near infrared (2 pm for example), the energetic efficiency will be typically limited to 20%, knowing that this upper limit is rarely reached experimentally. Better pull bet of incident photonic energy, remains

donc un problème à résoudre dans ce type de conversion.  therefore a problem to solve in this type of conversion.

Pour pallier ce problème, la demanderesse a proposé la méthode  To alleviate this problem, the applicant has proposed the method

décrite ci-après et qui a fait l'objet d'une demande publiée.  described below and which has been the subject of a published application.

Selon cette méthode, on peut multiplier par deux le rendement quantique de la conversion Xp vers Xks s'il est possible de faire coexister les deux processus P1 et P2 suivants: Pl: Xp donne s et ki1 (1/s + 1/Xi1,= 1/ kp) P2 Xil' donne Xks et Xi2 (1 / ks + 1/ Xi2 =1 / k) Dans la deuxième interaction, on utilise donc les photons idler créés pendant la première interaction pour générer de nouveaux photons signal. Cette deuxième interaction, mettant en jeu des longueurs d'onde différentes, suppose des conditions d'accord de phase différentes de la première. Toujours selon le même schéma, si l'écart entre la longueur d'onde de pompe Xp et la longueur d'onde visée ks le justifie, on peut avoir recours à un plus grand nombre de processus. D'une manière générale, et en utilisant les fréquences angulaires, on peut employer n processus pour convertir des photons Op en photons O s tels que: P1:oep- es +Oei (Oep = Cs +iC) P2:c'i --+Os +ei2 (Oi,1 =COs + i, 2) Pn:ein-1 --> s +0 in ()in-_ l=s +(en)  According to this method, the quantum yield of the conversion Xp to Xks can be multiplied by two if it is possible to make the following two processes P1 and P2 coexist: P1: Xp gives s and ki1 (1 / s + 1 / Xi1, = 1 / kp) P2 Xil 'gives Xks and Xi2 (1 / ks + 1 / Xi2 = 1 / k) In the second interaction, the idler photons created during the first interaction are used to generate new signal photons. This second interaction, involving different wavelengths, assumes phase-matching conditions different from the first one. Still according to the same scheme, if the difference between the pump wavelength λp and the wavelength targeted is justified, a greater number of processes can be used. In general, and using angular frequencies, n processes can be used to convert Op photons into photons O s such that: P1: oep- es + Oei (Oep = Cs + iC) P2: c'i - - + Os + ei2 (Oi, 1 = COs + i, 2) Pn: ein-1 -> s +0 in () in-_ l = s + (in)

avec n = E(0 p /( s), E désignant la partie entière.  with n = E (0 p / (s), where E denotes the integer part.

Cela revient à " découper " les photons pompe en n photons signal. Le rendement photonique ultime vaut alors n fois celui donné pour une seule interaction. La figure 1 montre le schéma énergétique correspondant à cette méthode, la n"' interaction se trouvant à la dégénérescence (xs = Xin = 2 in-1) L'onde à co p sera appelée la pompe primaire et les O i1 à c in-1 les  This amounts to "cutting" the pump photons into n photons signal. The ultimate photon yield is then n times that given for a single interaction. Figure 1 shows the energetic diagram corresponding to this method, the n '' interaction being at the degeneracy (xs = Xin = 2 in-1) The wave with co p will be called the primary pump and the O i1 with c in -1 the

pompes secondaires.secondary pumps.

Quelle que soit la configuration envisagée, chaque processus paramétrique suppose une interaction avec des conditions d'accord de  Whatever the configuration envisaged, each parametric process implies an interaction with conditions of agreement of

phase distinctes.distinct phase.

Pour des matériaux non linéaires biréfringents à accord de phase parfait, cela revient donc à associer plusieurs cristaux en série dont lI'orientation et/ou la température sont ajustées de manière à satisfaire les  For non-linear birefringent materials with perfect phase tuning, this amounts to associating several crystals in series whose orientation and / or temperature are adjusted to satisfy the

conditions d'accord de phase spécifiques à chaque interaction (figure 2).  phase agreement conditions specific to each interaction (Figure 2).

L'application de ces méthodes aux matériaux à quasi accord de phase (QAP) peut par contre conduire à l'utilisation d'un seul cristal et simplifier le système. En effet, I'accord de phase est dans ce cas réalisé par une inversion périodique du signe du coefficient non linéaire, le pas dépendant de la dispersion du matériau et de l'interaction non linéaire envisagée. Ainsi, réaliser plusieurs conversions de fréquences distinctes dans un seul matériau à QAP revient simplement à utiliser une structure  Applying these methods to QAP materials may lead to the use of a single crystal and simplify the system. Indeed, the phase tuning is in this case achieved by a periodic inversion of the sign of the nonlinear coefficient, the pitch depending on the dispersion of the material and the nonlinear interaction envisaged. Thus, to realize several distinct frequency conversions in a single QAP material is simply to use a structure

multi-périodique (figure 3).multi-periodic (Figure 3).

De telles structures périodiques peuvent être obtenues par retournement des domaines ferroélectriques sous l'influence d'un champ électrique pour les matériaux ferroélectriques tels que le niobate de lithium (LiNbO3) ou le tantalate de lithium (LiTaO3). Ces matériaux étant absorbants  Such periodic structures can be obtained by flipping the ferroelectric domains under the influence of an electric field for ferroelectric materials such as lithium niobate (LiNbO3) or lithium tantalate (LiTaO3). These materials being absorbent

pour des longueurs d'onde supérieures à 5 pm, si l'on souhaite émettre au-  for wavelengths longer than 5 pm, if it is desired to transmit

delà, il est possible d'utiliser des matériaux semiconducteurs. Dans le cas du GaAs, par exemple, la structure périodique massive, peut être obtenue par soudure de lames, d'une épaisseur égale à une ou trois longueurs de  Beyond this, it is possible to use semiconductor materials. In the case of GaAs, for example, the solid periodic structure can be obtained by welding strips, of a thickness equal to one or three lengths of

cohérence, et d'orientations alternées (cf. brevet français n 2 704 953).  coherence, and alternate orientations (see French Patent No. 2,704,953).

Considérons par exemple un ensemble pompé à 2,13 pm et émettant une onde signal à 9,6 pm. La séquence d'interactions, les limites quantiques (n) et les périodes nécessaires (A) à chaque étape dans le cas du GaAs à QAP sont: P1:2,131rm donne 9,6grm et 2,74pm (? < 22%) (A1 = 82km) P2: 2,74pm donne 9,61zm et 3,82pm (q < 44%) (A2 = 127p.m) P3: 3,82t.m donne 9,6pm et 6,70pm (R < 66%) (A3 = 197tm) P4: 6,70im donne 9,6.m et 14,4pm (ir < 88%) (A4 = 146pm) Néanmoins, les configurations présentées dans la demande de brevet précitée, ne sont applicables telles quelles que dans le cas o le gain en simple passage est suffisamment élevé pour induire une conversion importante des pompes primaire et secondaires dans chacune des interactions. Bien souvent, les intensités mises en jeu ne permettent pas d'atteindre un tel gain en simple passage. Il est donc nécessaire d'insérer le milieu amplificateur dans une cavité résonante pour constituer un oscillateur paramétrique. Selon la nature des sources optiques de pompage du milieu non linéaire dans lequel ont lieu les interactions paramétriques, il peut exister  Consider, for example, a pumped assembly at 2.13 μm and emitting a signal wave at 9.6 μm. The sequence of interactions, the quantum limits (n) and the necessary periods (A) at each step in the case of GaAs at QAP are: P1: 2.131rm gives 9.6grm and 2.74pm (? <22%) ( A1 = 82km) P2: 2.74pm gives 9.61zm and 3.82pm (q <44%) (A2 = 127p.m) P3: 3.82t.m gives 9.6pm and 6.70pm (R <66% ) (A3 = 197tm) P4: 6.70im gives 9.6m and 14.4pm (ir <88%) (A4 = 146pm) Nevertheless, the configurations presented in the aforementioned patent application, are applicable as they in the case where the gain in single pass is high enough to induce a significant conversion of the primary and secondary pumps in each of the interactions. Often, the intensities involved do not achieve such a gain in single pass. It is therefore necessary to insert the amplifying medium into a resonant cavity to form a parametric oscillator. Depending on the nature of the optical pumping sources of the nonlinear medium in which the parametric interactions take place, there may be

des configurations optimisées d'oscillateur paramétrique.  optimized configurations of parametric oscillator.

L'invention a pour objet une configuration d'oscillateur paramétrique optique, particulièrement adaptée à une source optique de pompage continu ou quasi continu grâce à laquelle l'oscillateur  The subject of the invention is an optical parametric oscillator configuration, particularly adapted to a continuous or quasi-continuous pump optical source by means of which the oscillator

paramétrique optique peut fonctionner en régime stationnaire ou quasi-  optical parametric can operate in stationary or near-steady state

stationnaire. Plus précisément, I'invention a pour objet un oscillateur paramétrique optique comprenant une source de pompe délivrant une onde  stationary. More specifically, the subject of the invention is an optical parametric oscillator comprising a pump source delivering a wave

de pompe à la longueur XPl,n fonctionnant en régime continu ou quasi-  of pump with the length XPl, n operating in continuous or quasi-steady state

continu, une première cavité définie par au moins un miroir d'entrée et un miroir de sortie, et un milieu non linéaire dans la cavité, capable de convertir I'onde de pompe à la longueur d'onde Pln en une onde signal à la longueur d'onde ks, caractérisé en ce que: - le milieu non linéaire comprend une succession de n domaines avec dans le premier domaine des moyens pour convertir l'onde de pompe à XP1,n en des ondes à Xi1,n et;s,..., dans le ièm domaine des moyens pour convertir l'onde à ip i 1n en des ondes à Xiin et Xs,.... dans te n"e domaine des moyens pour convertir l'onde à.Pn,n en des ondes à;inn et,s; - le miroir d'entrée ayant un coefficient de réflexion maximal à la longueur d'onde;s; - le miroir de sortie ayant un coefficient de réflexion adapté à la longueur d'onde ks de manière à optimiser l'énergie de sortie à s. Avantageusement, la souroe de pompe peut être un laser ou un  continuous, a first cavity defined by at least one input mirror and an output mirror, and a non-linear medium in the cavity, capable of converting the pump wave at the wavelength Pln into a signal wave at the wavelength ks, characterized in that: the nonlinear medium comprises a succession of n domains with in the first domain means for converting the pump wave to XP1, n into waves at Xi1, n and; , ..., in the first domain means for converting the wave to ip i 1n into waves at Xiin and Xs, .... in the domain of means for converting the wave to.Pn, n in waves to; inn and, s; - the input mirror having a maximum reflection coefficient at the wavelength; s; - the output mirror having a reflection coefficient adapted to the wavelength ks of to optimize the output energy to S. Advantageously, the pump source may be a laser or a

oscillateur paramétrique primaire délivrant l'onde de pompe à XP1 n.  primary parametric oscillator delivering pump wave at XP1 n.

Dans les structures classiques d'oscillateur paramétrique o une seule interaction a lieu au sein de l'oscillateur, sur les deux ondes générées, on fait généralement résonner le rayonnement à plus courte longueur d'onde, c'est-à-dire celui appelé ici idler. La faible différence entre les longueurs d'onde pompe et idler confère à ces deux rayonnements, des propriétés de divergence proches, d'o un meilleur recouvrement des deux faisceaux à l'intérieur de la cavité. De plus, la réalisation de miroirs diélectriques large bande est mieux maîtrisée aux plus courtes longueurs d'onde. Dans le cadre de l'invention, avec n interactions successives mises en jeu, si l'on fait résonner les faibles longueurs d'onde, c'est-à-dire l'ensemble des pompes secondaires (COi1 a o in-1) au début de la deuxième interaction (P2) et pour celles qui suivent, les trois ondes sur lesquelles vont porter l'amplification paramétrique sont présentes initialement. Or, le sens de conversion de l'interaction non linéaire, c'est-à-dire de la pompe vers le  In classical parametric oscillator structures where a single interaction takes place within the oscillator, on the two waves generated, the shorter wavelength radiation is usually resonated, that is to say the one called here idler. The small difference between the wavelengths pump and idler confers on these two radiations, divergence properties close to o better coverage of the two beams inside the cavity. In addition, the realization of broadband dielectric mirrors is better controlled at shorter wavelengths. In the context of the invention, with n successive interactions involved, if we resonate the low wavelengths, that is to say the set of secondary pumps (COi1 ao in-1) to beginning of the second interaction (P2) and for those that follow, the three waves to which parametric amplification will be applied are initially present. However, the direction of conversion of the nonlinear interaction, that is to say from the pump to the

signal et l'idler ou l'inverse, dépend de la phase relative des trois ondes.  signal and the idler or the opposite, depends on the relative phase of the three waves.

Dans ce cas, il est impératif de parfaitement contrôler la phase de chacune des ondes présentes dans l'oscillateur, ce qui parait difficilement réalisable en pratique, ne serait-ce que pour des raisons de déphasage aléatoire introduits au niveau des miroirs. De plus, faire résonner l'ensemble des pompes secondaires XPin avec 2 < i < n impose d'utiliser des miroirs à très large bande ou à bandes multiples difficilement réalisables en pratique, notamment dans l'infrarouge. Enfin, une telle configuration augmente le nombre d'ondes présentes à l'intérieur de la cavité avec une intensité importante, et donc le risque d'interactions parasites pouvant diminuer le  In this case, it is imperative to perfectly control the phase of each wave present in the oscillator, which seems difficult to achieve in practice, if only for reasons of random phase introduced at the mirrors. In addition, resonate the set of secondary pumps XPin with 2 <i <n requires the use of very broadband or multiple band mirrors difficult to achieve in practice, especially in the infrared. Finally, such a configuration increases the number of waves present inside the cavity with a high intensity, and therefore the risk of parasitic interactions can reduce the

rendement (doublage de fréquence, sommation etc...).  performance (doubling of frequency, summation etc ...).

Dans le cadre de l'invention, au début de chaque interaction, n'existent que le signal et la pompe primaire ou la pompe secondaire générée dans l'interaction précédente. Dans ces conditions, la phase de l'idler généré s'adapte automatiquement pour maximiser la conversion. Ainsi puisque seule une onde est réfléchie dans la cavité, la réalisation des miroirs est identique à celle rencontrée pour des oscillateurs paramétriques optiques. Selon une première variante de l'invention le milieu non linéaire comprend une succession de n cristaux dont l'orientation et/ou la température pour chacun des i cristaux, sont ajustées de manière à satisfaire des conditions d'accord de phase entre les ondes aux longueurs  In the context of the invention, at the beginning of each interaction, there exist only the signal and the primary pump or the secondary pump generated in the previous interaction. Under these conditions, the phase of the generated idler automatically adapts to maximize the conversion. Thus since only one wave is reflected in the cavity, the realization of the mirrors is identical to that encountered for optical parametric oscillators. According to a first variant of the invention, the non-linear medium comprises a succession of n crystals whose orientation and / or temperature for each of the crystals, are adjusted so as to satisfy phase-matching conditions between the lengths

d'onde Xpi,n, iin et As.of wave Xpi, n, iin and As.

Selon une seconde variante de l'invention, le milieu non linéaire comprend n modulations périodiques de période Ai d'un paramètre physique du milieu non linéaire par exemple de signe du coefficient non linéaire correspondant au i'm" domaine, de manière à satisfaire les conditions de quasi-accord de phase entre les ondes aux longueurs d'onde  According to a second variant of the invention, the nonlinear medium comprises n periodic modulations of period Ai of a physical parameter of the nonlinear medium, for example a sign of the nonlinear coefficient corresponding to the domain, so as to satisfy the quasi-phase agreement conditions between waves at wavelengths

XPi,,s et Xiin.XPi ,, s and Xiin.

Pour assurer l'accordabilité de l'onde signal le milieu non linéaire peut comprendre k successions mises en parallèle de n modulations périodiques de période Aij d'un paramètre physique du milieu non linéaire,  To ensure the tunability of the signal wave, the nonlinear medium may comprise k sequences of parallel sequences of n periodic modulations of period Aij of a physical parameter of the nonlinear medium,

avec 1<i n et l j<k.with 1 <i n and l j <k.

Avantageusement, la longueur Li de chacun des domaines peut être définie comme suit: Li = Zoin = [soXp.in'Xs-.Mi'n.nPin.ns.niin]1 2z iOn 47deff in (tWn)1/2 avec z n_ = K(yin) [ 1-r 11/2 upl,n (O) i + (n- 1)r UPln(O) = nr wP + - rc s 1-r 1-r -1/2 Yin = i+(n-1)rJ r: le produit des coefficients de réflexion des miroirs x paramètre incluant les  Advantageously, the length Li of each of the domains can be defined as follows: Li = Zoin = [soXp.in'Xs-.Mi'n.nPin.ns.niin] 1 2z iOn 47deff in (tWn) 1/2 with z n_ = K (yin) [1-r 11/2 upl, n (O) i + (n-1) r UPln (O) = nr wP + - rc s 1-r 1-r -1/2 Yin = i + (n-1) rJ r: the product of the reflection coefficients of the mirrors x parameter including the

pertes discrètes de la cavité.discrete losses of the cavity.

Wn = IP1,n (0) 1 + 1 - s) I -nr e p' l0 et. K(y) une intégrale elliptique complète So la permittivité diélectrique du vide nPin,ns nin les indices de réfraction du milieu non linéaire aux longueurs d'onde XPin, %s. iin IPln (0) I'intensité de l'onde de pompe à XPn deffin le coefficient non linéaire effectif de la i*m interaction non linéaire c p: la pulsation de l'onde signal oe p = 27r 2 C ( os: la pulsation de l'onde signal co s = C L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages  Wn = IP1, n (0) 1 + 1 - s) I -nr e p '10 and. K (y) a complete elliptic integral So the dielectric permittivity of the vacuum nPin, ns nin the refractive indices of the nonlinear medium at wavelengths XPin,% s. iin IPln (0) the intensity of the pump wave at XPn deffin the effective nonlinear coefficient of the i * m nonlinear interaction cp: the pulsation of the signal wave oe p = 27r 2 C (os: the pulsation of the signal wave co = C The invention will be better understood and other advantages

apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non  will appear on reading the description which will follow, given as a non

limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre le diagramme énergétique relatif au découpage de photons dans un processus à n interactions paramétrique pour convertisseur de fréquence; la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif mettant en oeuvre le processus à n interactions paramétriques; - la figure 3 illustre un second exemple de dispositif mettant en oeuvre le processus à n interactions paramétriques; - la figure 4 illustre un oscillateur paramétrique optiqu& selon l'invention comprenant une cavité résonnante linéaire; - la figure 5 illustre un oscillateur paramétrique optique selon l'invention comprenant une cavité résonnante en anneau; - la figure 6 illustre un exemple d'oscillateur paramétrique  FIG. 1 illustrates the energy diagram relating to the cutting of photons in a process with n parametric interactions for frequency converters; FIG. 2 illustrates a first example of a device implementing the process with n parametric interactions; FIG. 3 illustrates a second example of a device implementing the process with n parametric interactions; FIG. 4 illustrates an optical parametric oscillator according to the invention comprising a linear resonant cavity; FIG. 5 illustrates an optical parametric oscillator according to the invention comprising a ring resonant cavity; FIG. 6 illustrates an example of parametric oscillator

optique comprenant une succession de k structures à quasi-  optical system comprising a succession of k almost

accord de phase de manière à pouvoir faire varier l'onde signal à xs. De manière générale, l'oscillateur paramétrique optique selon l'invention, comprend un milieu non linéaire MNL pompé par une source de  phase tuning so as to be able to vary the signal wave at xs. In general, the optical parametric oscillator according to the invention comprises a non-linear medium MNL pumped by a source of

pompe, le milieu étant inséré dans une cavité résonnante.  pump, the medium being inserted into a resonant cavity.

Selon une variante de l'invention illustrée en figure 4, la cavité résonnante est définie par un miroir d'entrée Me, ayant un coefficient de réflexion maximale à la longueur d'onde Xset par un miroir de sortie Ms ayant un coefficient de réflexion optimisé à Xs de manière à laisser sortir de  According to a variant of the invention illustrated in FIG. 4, the resonant cavity is defined by an input mirror Me having a maximum reflection coefficient at the wavelength Xset by an output mirror Ms having an optimized reflection coefficient to Xs so as to let out of

la cavité, des photons à la longueur d'onde Xs.  the cavity, photons at the wavelength Xs.

Le milieu non linéaire MNL comprend i domaines, Di étant le siège de i interactions paramétriques optiques, à partir des photons de  The non-linear medium MNL comprises i domains, where Di is the seat of i optical parametric interactions, from the photons of

pompe u p, issus de la source de pompe LP.  pump u p, from the pump source LP.

Selon une autre variante de l'invention, illustrée en figure 5, la cavité résonnante est une cavité en anneau définie par quatre miroirs Me2,Me3,Me4 etMs2, les miroirs Me2,Me3,Me4ayant des coefficients de réflexion maximum à X. et le miroir Ms2 ayant un coefficient de réflexion optimisé à As. L'avantage d'une telle configuration réside dans le fait que les ondes ne traversent le milieu non linéaire que dans le sens de l'amplification, ce qui permet de limiter l'influence des pertes dues au milieu  According to another variant of the invention, illustrated in FIG. 5, the resonant cavity is a ring cavity defined by four mirrors Me2, Me3, Me4 andMs2, the mirrors Me2, Me3, Me4 having maximum reflection coefficients at X. mirror Ms2 having an optimized reflection coefficient at As. The advantage of such a configuration lies in the fact that the waves pass through the nonlinear medium only in the sense of amplification, which makes it possible to limit the influence of the losses due to the medium

non linéaire.non-linear.

De manière générale, le milieu non linéaire peut comporter une succession de n cristaux non linéaires ou bien avantageusement un seul matériau non linéaire avec une structure multi-périodique de n périodes A1..., An, dans laquelle sont réalisées toutes les conditions de quasi  In general, the nonlinear medium may comprise a succession of n nonlinear crystals or advantageously a single nonlinear material with a multi-periodic structure of n periods A1 ..., An, in which all the conditions of quasi are realized.

accord de phase (QAP) qui conviennent.  phase agreement (QAP).

Dans ce cas, il est possible de placer côte à côte des k ensembles d'interactions parfaitement adaptées les unes aux autres, chacun des ensembles pouvant générer une plage de longueurs condes particulières de manière à assurer l'accordabilité de l'oscillateur  In this case, it is possible to place side-by-side k sets of interactions perfectly matched to each other, each of the sets being able to generate a particular range of specific lengths in order to ensure the tunability of the oscillator

paramétrique, comme illustré en figure 6.  parametric, as shown in Figure 6.

Nous allons décrire plus en détails le fonctionnement de I'oscillateur paramétrique optique encore dénommé OPO de l'invention et ce  We will describe in more detail the operation of the optical parametric oscillator also called OPO of the invention and this

dans le cadre d'un matériau non linéaire à structure multi-périodique.  in the context of a non-linear material with a multi-periodic structure.

Du point de vue de la dynamique de l'oscillateur, on peut  From the point of view of the dynamics of the oscillator, one can

décomposer son fonctionnement en trois phases temporelles distinctes.  break down its operation into three distinct temporal phases.

Tout d'abord la phase correspondant au temps de montée de I'OPO o le signal et l'idler sont amplifiés depuis la valeur du bruit quantique avec un dépeuplement quasi nul de la pompe primaire. Cette phase  First, the phase corresponding to the rise time of the OPO where the signal and the idler are amplified from the value of the quantum noise with a depopulation almost zero of the primary pump. This phase

correspond à une perte d'énergie puisque très peu de conversion a lieu.  corresponds to a loss of energy since very little conversion takes place.

Plus la longueur de la cavité est réduite, plus le temps d'aller et retour de l'onde qui résonne est faible et plus il y a d'amplifications sur un temps donné. La longueur de la cavité influe donc sur le temps de montée de l'OPO. Ainsi, pour une même longueur de cristal amplificateur, plus la cavité  The smaller the cavity length, the shorter the round-trip time of the resonant wave and the more amplifications over a given time. The length of the cavity thus influences the rise time of the OPO. Thus, for the same length of crystal amplifier, the cavity

est courte, plus de temps de montée est réduit.  is short, more rise time is reduced.

La deuxième phase débute lorsque l'amplification a été suffisamment importante dans la première interaction pour que l'idler généré puisse servir de pompe dans la deuxième. Cette fois-ci, la pompe et le signal sont tous les deux présents à l'entrée de la zone de périodicité A2, la conversion est donc extrêmement rapide: le signal va être amplifié tandis  The second phase begins when the amplification has been large enough in the first interaction so that the generated idler can serve as a pump in the second. This time, the pump and the signal are both present at the input of the periodicity zone A2, the conversion is therefore extremely fast: the signal will be amplified while

que la pompe de la troisième interaction va être générée.  that the pump of the third interaction will be generated.

Il en résulte un processus d'amplifications en cascade jusqu'à ce que toutes les pompes secondaires aient été créées et que l'OPO ait atteint un état stationnaire, ce qui constitue la troisième phase de son fonctionnement. D'un point de vue système, la structure de l'OPO peut être décomposée en deux entités. La première est constituée par la zone de cristal correspondant à la première interaction qui permet d'initier l'oscillation. La deuxième regroupe les domaines de périodicité A2 à An sièges des processus P2 à Pn alimentés par les pompes secondaires dans le but d'amplifier le signal généré par le processus P1. Cette deuxième entité n'a d'intérêt que lorsqu'un régime stationnaire ou quasi stationnaire peut s'établir, c'est-à-dire lorsque la durée d'action de la pompe est grande  This results in a cascaded amplification process until all secondary pumps have been created and the OPO has reached a stationary state, which is the third phase of its operation. From a system point of view, the structure of the OPO can be broken down into two entities. The first is constituted by the crystal zone corresponding to the first interaction which makes it possible to initiate the oscillation. The second groups the areas of periodicity A2 to An seats processes P2 Pn supplied by the secondary pumps in order to amplify the signal generated by the process P1. This second entity is of interest only when a stationary or quasi-stationary regime can be established, that is to say when the duration of action of the pump is large.

devant le temps de montée de l'oscillateur.  before the rise time of the oscillator.

C'est évidemment le cas en pompage continu, mais un certain nombre de configurations avec une pompe à impulsions permettant d'utiliser le système décrit précédemment, comme cela est explicité ci-après: a Pompage quasi-continu Lorsque la durée de l'impulsion de pompe est supérieure typiquement à la microseconde, c'est-à-dire très supérieure au temps de montée de l'OPO qui est de l'ordre de quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes, il s'installe un régime quasi- stationnaire pendant la durée de l'impulsion permettant d'obtenir un accroissement significatif du rendement. a Pompage synchrone  This is obviously the case in continuous pumping, but a number of configurations with a pulse pump to use the system described above, as is explained below: a Quasi-continuous pumping When the duration of the pulse pump is typically greater than the microsecond, that is to say, much greater than the rise time of the OPO which is of the order of a few nanoseconds to a few tens of nanoseconds, it installs a quasi-stationary regime during the duration of the pulse to obtain a significant increase in yield. a Synchronous pumping

Il s'agit là d'un pompage o les impulsions sont très courtes c'est-  This is a pumping where the impulses are very short

à-dire de l'ordre de la picoseconde ou de la femtoseconde, mais avec un taux de répétition très élevé autour de quelques dizaines de megahertz à quelques gigahertz. La longueur de la cavité est ajustée de manière à ce que l'intervalle temporel séparant deux impulsions de pompe soit égal au temps d'aller et retour de l'onde qui résonne dans la cavité. Ainsi, à chaque passage, I'impulsion de l'onde signal est régénérée par une nouvelle  ie of the order of the picosecond or the femtosecond, but with a very high repetition rate around a few tens of megahertz to a few gigahertz. The length of the cavity is adjusted so that the time interval between two pump pulses is equal to the travel time of the wave resonating in the cavity. Thus, at each passage, the impulse of the signal wave is regenerated by a new

impulsion de pompe, d'o établissement d'un régime quasi-stationnaire.  pump impulse, o establishment of a quasi-stationary regime.

o Oscillateur intra-cavité Le matériau laser qui va permettre de générer la pompe à oe pde I'oscillateur paramétrique et le matériau non linéaire sont placés dans une même cavité. Les miroirs de la cavité laser sont à réflexion maximale pour la pompe primaire de pulsation oap, transparents pour les pompes secondaires et à réflexion optimale pour le signal. Dans un premier temps, on pompe le matériau laser et l'énergie de pompe qui est générée à o p dans la cavité décroît très lentement en raison des forts coefficients de réflexion des miroirs. Une fois que la pompe est créée, l'oscillation paramétriqub peut avoir lieu dans la mesure o le temps de vie caractéristique de la pompe dans la cavité, qui est lié au fort coefficient de surtension à Cop, est  o Intracavity Oscillator The laser material that will make it possible to generate the pump with the parametric oscillator and the nonlinear material are placed in the same cavity. The mirrors in the laser cavity are at maximum reflection for the oap primary pulse pump, transparent for the secondary pumps and optimally reflective for the signal. At first, the laser material is pumped and the pump energy that is generated at o p in the cavity decreases very slowly due to the high reflection coefficients of the mirrors. Once the pump is created, the parametric oscillation can take place insofar as the characteristic life of the pump in the cavity, which is related to the high overvoltage coefficient at Cop, is

supérieur au temps de montée de l'OPO.  greater than the rise time of the OPO.

La cavité laser constitue ainsi un réservoir d'énergie jusqu'à ce que le signal et l'idler de la première interaction non linéaire aient atteint une intensité suffisante pour amorcer le dépeuplement de la pompe primaire et  The laser cavity thus constitutes a reservoir of energy until the signal and the idler of the first nonlinear interaction have reached an intensity sufficient to initiate the depopulation of the primary pump and

les conversions en cascade.cascading conversions.

Dans le cadre de l'invention, les longueurs des différents domaines Di ici constitués de structure périodique, de période Ai, peuvent être optimisées comme cela est explicité ci-après: Le signal étant toujours l'onde que l'on cherche à amplifier par effet cascade, si l'on appelle rendement quantique, le rapport du nombre de photons à so. sur le nombre de photons à o p, ce rendement croît lorsque le  In the context of the invention, the lengths of the different domains Di here constituted by periodic structure, of period Ai, can be optimized as is explained below: The signal always being the wave which one seeks to amplify by cascade effect, so-called quantum efficiency, the ratio of the number of photons to so. on the number of photons at o p, this yield increases when the

nombre d'interactions augmente, comme décrit en introduction.  number of interactions increases, as described in the introduction.

Pour évaluer le gain de rendement lorsque le nombre d'interactions augmente et que le milieu amplificateur est placé dans une cavité, il est important de noter que l'amplification paramétrique est un processus cyclique: il y a d'abord conversion de la pompe vers le signal et l'idler puis, une fois que le dépeuplement de la pompe est total, il y a reconversion du signal et de l'idler vers la pompe. Plus l'intensité des ondes mises en jeu est importante, plus la longueur d'interaction nécessaire au cycle dépeuplement-reconversion est courte. Donc à chaque intensité correspond une longueur optimale pour chacun des domaines Di qui induit un dépeuplement total de la pompe correspondante en évitant sa reconversion. Il s'ensuit que plus le nombre de domaines augmente, plus l'intensité intra-cavité du signal augmente en raison des amplifications successives et donc, plus les longueurs de chacune des interactions doivent  To evaluate the gain in efficiency when the number of interactions increases and the amplifying medium is placed in a cavity, it is important to note that the parametric amplification is a cyclic process: there is first conversion of the pump to the signal and the idler then, once the depopulation of the pump is total, there is conversion of the signal and the idler towards the pump. The greater the intensity of the waves involved, the shorter the interaction length required for the depopulation-reconversion cycle. Therefore, at each intensity corresponds an optimum length for each of the domains Di which induces a total depopulation of the corresponding pump while avoiding its reconversion. It follows that the more the number of domains increases, the more the intracavity intensity of the signal increases because of the successive amplifications and therefore, the longer the lengths of each of the interactions must be.

être réduites pour éviter les reconversions.  be reduced to avoid reconversion.

De plus, au démarrage de l'oscillateur, seule la pompe incidente est présente, le signal et l'idler de la première interaction ont une intensité égale à celle du bruit quantique, c'est-à-dire extrêmement faible. La pompe de la deuxième interaction n'ayant pas encore été générée dans la première, la conversion est nulle pour les processus d'indices supérieurs ou égaux à 2. C'est donc uniquement la première interaction qui permettre d'inrfitier le processus de conversion et c'est elle qui va conditionner le seuil de l'oscillateur paramétrique optique. Si la longueur de la première interaction est trop faible, le gain en simple passage sera inférieur aux pertes et I'oscillateur ne pourra jamais se mettre en route. Ainsi, lorsque le nombre total d'interactions augmente, on peut être amené à réduire la longueur du premier ensemble de période A1, de manière telle que le seuil ne soit plus atteint. Il faut alors augmenter la longueur de cette interaction pour dépasser le seuil, ceci au prix d'une légère reconversion de la pompe lorsque I'oscillateur paramétrique optique aura atteint son régime stationnaire. Cette reconversion partielle de la pompe incidente est donc responsable d'une  In addition, at the start of the oscillator, only the incident pump is present, the signal and the idler of the first interaction have an intensity equal to that of the quantum noise, that is to say extremely low. Since the pump of the second interaction has not yet been generated in the first one, the conversion is zero for processes with indexes greater than or equal to 2. It is therefore only the first interaction that makes it possible to perform the conversion process. and it is she who will condition the threshold of the optical parametric oscillator. If the length of the first interaction is too small, the gain in single pass will be less than the losses and the oscillator will never be able to start. Thus, when the total number of interactions increases, it may be necessary to reduce the length of the first set of period A1, so that the threshold is no longer reached. It is then necessary to increase the length of this interaction to exceed the threshold, this at the cost of a slight reconversion of the pump when the parametric optical oscillator will have reached its steady state. This partial reconversion of the incident pump is therefore responsible for a

légère réduction du rendement espéré.  slight reduction in the expected yield.

Dans la configuration étudiée ici, un modèle analytique du fonctionnement de l'OPO a été développé afin de prévoir les longueurs requises pour chaque interaction. Ce modèle est basé sur la résolution des équations de couplage non linéaire reprise dans l'article de Baumgartner et Byer intitulé " Optical Parametric Amplification " (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, n 6, June 1979). Dans les formules qui vont suivre, la valeur d'une grandeur physique quelconque A correspondant à la ime interaction sur un nombre total de n interactions est notée Ain. Les 0in représentent les longueurs normalisées permettant d'obtenir un eme  In the configuration studied here, an analytical model of OPO operation was developed to predict the lengths required for each interaction. This model is based on the resolution of the nonlinear coupling equations discussed in the article by Baumgartner and Byer entitled "Optical Parametric Amplification" (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.EQ-15, No. 6, June 1979). In the formulas that follow, the value of any physical quantity A corresponding to the interaction on a total number of n interactions is noted Ain. The 0in represent the normalized lengths allowing to obtain an eme

dépeuplement complet de la i interaction.  complete depopulation of the interaction.

O K(Yin) | 1-r (1) uPi% (0) i + (n - 1)r o K(y) est une intégrale elliptique complète référencée dans le " Handbook of elliptic integrals for engineers and physicists " by P.F. Byrd and M.D. Friedman, Ed. Springer, Verlag/Berlin - Gottinger - Heidelberg et o uPin (0) et Yin ont la forme suivante: up2n (0) = n(2) p+lO r Osnr 1Ip - r 2 _ 1-r in i+ (ni)r 3) n est le nombre total d'interactions non linéaires, et r est égal au produit des coefficients de réflexion des miroirs de la cavité pour le signal et peut éventuellement tenir compte des pertes par absorption et par réflexion sur les faces du matériau non linéaire. up2n(O) représente l'intensité de la pompe primaire au début de la première interaction, intensité qui est proportionnelle à un nombre de photons par unité de temps et de surface. Le coefficient y, quant à lui, rend compte de la proportion de photons de pompe par rapport au nombre de photons signal au début de la ime  O K (Yin) | 1-r (1) uPi% (0) i + (n-1) ro K (y) is a complete elliptic integral referenced in the "Handbook of Elliptic Integrals for Engineers and Physicists" by PF Byrd and MD Friedman, Ed. Springer, Verlag / Berlin - Gottinger - Heidelberg, and o uPin (0) and Yin have the following form: up2n (0) = n (2) p + lO r Osnr 1Ip - r 2 _ 1-r in i + (ni) r 3) n is the total number of nonlinear interactions, and r is equal to the product of the mirror reflection coefficients of the cavity for the signal and can possibly account for absorption and reflection losses on the faces of the non-linear material . up2n (O) represents the intensity of the primary pump at the beginning of the first interaction, which is proportional to a number of photons per unit of time and area. The coefficient y, meanwhile, accounts for the proportion of pump photons relative to the number of signal photons at the beginning of the image.

lo interaction.lo interaction.

Enfin, les longueurs réelles Zoin des domaines Di qui maximisent la conversion, sont liées aux longueurs normalisées 01,n par la relation suivante 4 ZOi n = Eso Pn l Xii,n npin ns nii,n (4) 47:deMn lcWn Eo est la permittivité diélectrique du vide, Xp, Xs, Xi, les longueurs d'onde de pompe, signal, idler et np, ns, ni les indices de réfraction du matériau aux longueurs d'ondes considérées. deff est le coefficient non linéaire effectif de l'interaction non linéaire. Enfin, Wn est une constante liée à la conservation d'énergie, égale à la somme des intensités des trois ondes impliquées dans chacune des interactions. Dans le cas du dépeuplement complet de chacune des pompes et en l'absence d'absorption, I'énergie se conserve d'interaction en interaction, Wn prend alors la forme suivante: Wn = iP1,n(0)(1+)1rr cos (5) 1-r 0pJ o IPl,n(O) est l'intensité de la pompe primaire à l'entrée de la  Finally, the real Zoin lengths of the Di domains which maximize the conversion, are related to the normalized lengths 01, n by the following relation 4 ZOi n = Eso Pn l Xii, n nyn ns nii, n (4) 47: deMn lcWn Eo is the dielectric permittivity of the vacuum, Xp, Xs, Xi, the wavelengths of pump, signal, idler and np, ns, nor the refractive indices of the material at the wavelengths considered. deff is the effective nonlinear coefficient of the nonlinear interaction. Finally, Wn is a constant related to energy conservation, equal to the sum of the intensities of the three waves involved in each of the interactions. In the case of the complete depopulation of each of the pumps and in the absence of absorption, the energy is kept interacting interaction, Wn then takes the following form: Wn = iP1, n (0) (1+) 1rr cos (5) 1-r 0pJ o IPl, n (O) is the intensity of the primary pump at the input of the

première interaction.first interaction.

D'après ces calculs, il est alors possible d'optimiser  According to these calculations, it is then possible to optimize

numériquement les longueurs Li au voisinage des longueurs ZOin.  numerically the Li lengths in the vicinity of the ZOin lengths.

Comme il a été explicité précédemment, si la première lonrTgueur d'interaction L1 ainsi calculée est inférieure à la longueur de seuil, il devient nécessaire de l'augmenter pour franchir le seuil et ainsi mettre en route l'oscillateur. La longueur de seuil est définie plus précisément, comme la longueur pour laquelle le gain est égal aux pertes sur un aller et retour. Soit  As explained above, if the first interaction length L1 thus calculated is less than the threshold length, it becomes necessary to increase it to cross the threshold and thus start the oscillator. The threshold length is defined more precisely, as the length for which the gain is equal to the losses on a round trip. Is

la longueur définie en équation 6.  the length defined in equation 6.

1 'E OC;Ls Xil'n nPl'n' ris' i'.1 E OC; Ls Xil'n nPl'n 'ris' i'.

Lseuil = Arg Ch[ 1 i. 11,fl npl,n ns. (6) r deffln 8x 2Pn ( ) Ainsi si Z01,n <Lseuil  Lseuil = Arg Ch [1 i. 11, fl npl, n ns. (6) r deffln 8x 2Pn () So if Z01, n <Lseuil

on impose Z01,n = (1 + x) Lseuil, avec typiquement x de l'ordre de 0,1.  we impose Z01, n = (1 + x) Lseuil, with typically x of the order of 0.1.

Exemple d'oscillateur paramétrique optique comprenant un cristal de niobate de lithium émettant à 4,1 pm En utilisant une source de pompe émettant à XPln = 1,0641m, on cherche à réaliser un oscillateur paramétrique optique émettant autour d'une  Example of an optical parametric oscillator comprising a lithium niobate crystal emitting at 4.1 .mu.m Using a pump source emitting at XPln = 1.0641m, it is desired to produce an optical parametric oscillator emitting around a

longueur d'onde ks de 4,1 pm.wavelength ks of 4.1 μm.

L'intensité crête IP1,n(0) de la pompe peut typiquement être égale  The peak intensity IP1, n (0) of the pump can typically be equal

à 0,2 MW/cmn2.at 0.2 MW / cmn2.

La cavité résonnante est réalisée avec un miroir Me de coefficient de réflexion Re = 1 et avec un miroir Ms de coefficient de réflexion Rs = 0, 95. Le coefficient non linéaire du matériau utilisé est deff = 20pm / V. Les 3 interactions suivantes sont nécessaires: 1) 1/Xp1,3 =1/Xi1,3 +1/Xks avec X;Pl3 = 1,064g.m kil,3 = 1,441m 2) 1/Xpz3 =1/Xi2,3 +11/s avec Xp2,3 = 1,441gm i2,3 = 2,21gm 3) 11Xp3, 3=1I/i3,3 +1/Xs avec Xp3,3 = 2,21gm i3,3 = 4,8pm Les longueurs Li des domaines sont les suivantes: L1 = 13,2 mm L2 = 14,1mm L3 = 23,4 mm Le rendement quantique global est égal à 2,65. Ce rendement est défini par analyse numérique en reprenant les paramètres de l'oscillateur paramétrique optique et en les associant aux équations d'évolution des  The resonant cavity is made with a mirror Me of reflection coefficient Re = 1 and with a mirror Ms of reflection coefficient Rs = 0, 95. The nonlinear coefficient of the material used is deff = 20pm / V. The 3 following interactions are necessary: 1) 1 / Xp1,3 = 1 / Xi1,3 + 1 / Xks with X; Pl3 = 1,064gm kil, 3 = 1,441m 2) 1 / Xpz3 = 1 / Xi2,3 + 11 / s with Xp2, 3 = 1.441gm i2.3 = 2.21gm 3) 11Xp3, 3 = 1I / i3.3 + 1 / Xs with Xp3,3 = 2.21gm i3.3 = 4.8pm The Li lengths of the domains are as follows: L1 = 13.2 mm L2 = 14.1 mm L3 = 23.4 mm The overall quantum yield is 2.65. This efficiency is defined by numerical analysis by taking the parameters of the optical parametric oscillator and associating them with the evolution equations of the

champs, décrites par Baumgartner (référence citée précédemment).  fields, described by Baumgartner (reference cited above).

La longueur de l'ensemble du milieu non linéaire est de l'ordre de cm ce qui est couramment réalisé sur des substrats en niobate de lithium. L'exemple du niobate de lithium n'est pas limitatif puisque des interactions en série peuvent être obtenues avec d'autres matériaux à quasi accord de phase ou biréfringents tels que LiTaO3, le KTP, KTA ou leKNbO3.  The length of the whole of the nonlinear medium is of the order of cm which is commonly carried out on substrates of lithium niobate. The example of lithium niobate is not limiting since serial interactions can be obtained with other quasi-phase-coherent or birefringent materials such as LiTaO3, KTP, KTA orKNbO3.

Pour atteindre des longueurs d'onde plus élevées, on peut utiliser le GaAs mais aussi d'autres matériaux III-V et Il-VI et les cristaux  To reach higher wavelengths one can use GaAs but also other materials III-V and II-VI and crystals

biréfringents tels que AgGaSe, ZnGeP2, CdSe, etc...  birefringents such as AgGaSe, ZnGeP2, CdSe, etc ...

Exemple d'oscillateur paramétrique optique comprenant du GaAs émettant à 9,6 pm En utilisant une source de pompe émettant à 2,13 pm, on cherche à atteindre des longueurs d'onde autour de 9,6 pm, avec une intensité de  Example of an Optical Parametric Oscillator Comprising GaAs Emitting at 9.6 μm Using a pump source emitting at 2.13 μm, it is desired to reach wavelengths around 9.6 μm, with an intensity of

pompe Ipl, n (0)= 1 MW / cm2.pump Ipl, n (0) = 1 MW / cm 2.

De même que dans l'exemple précédent, la cavité est formée de  As in the previous example, the cavity is formed of

miroirs Me et Ms avec Me = 1 et Ms = 0,95 pour la longueur d'onde Xs.  Me and Ms mirrors with Me = 1 and Ms = 0.95 for the Xs wavelength.

Le coefficient non linéaire effectif deff = 108pm / V. Les 4 interactions suivantes sont nécessaires: 1) 1 / XP1,4 = 1 / kil,4 + 1/ Xs avec XPl,4 = 2,1 3gm il,4 = 2,74tm 2) 1/XPZ4 = 1 / Xi2,4+1I/ s avec XP24 = 2,74p.m i2,4 = 3,82gm 3) 1/LXP3,4 = 1/i3,4+1/;Is avec Xp3,4 = 3,82.m li3,4 = 6,701m 4) 1 / lXP4,4 = 1 / li4,4+1 / s 1 5 avec;p4,4 = 6,70m ki4,4 = 14,4gm Les longueurs Li des domaines sont les suivantes: L1 = 3,9 mm L2 = 3,95 mm L3 = 5,96 mm 4 = 12, 95 mm  The effective nonlinear coefficient deff = 108pm / V. The following 4 interactions are necessary: 1) 1 / XP1,4 = 1 / kil, 4 + 1 / Xs with XPl, 4 = 2,1 3gm it, 4 = 2, 74tm 2) 1 / XPZ4 = 1 / Xi2,4 + 1I / s with XP24 = 2,74p.m i2,4 = 3,82gm 3) 1 / LXP3,4 = 1 / i3,4 + 1 /; Is with Xp3,4 = 3,82.m L3,4 = 6,701m 4) 1 / lXP4,4 = 1 / L4,4 + 1 / s 1 with P4,4 = 6,70m Ki4,4 = 14.4gm The lengths Li of the domains are as follows: L1 = 3.9 mm L2 = 3.95 mm L3 = 5.96 mm 4 = 12.95 mm

Le rendement quantique global est égal à 3,47.  The overall quantum yield is 3.47.

Claims (14)

REVENDICATIONS 1. Oscillateur paramétrique optique comprenant une source de pompe délivrant une onde de pompe à la longueur k.lP1n fonctionnant en régime continu ou quasi-continu, une première cavité laser définie par au moins un miroir d'entrée et un miroir de sortie, et un milieu non linéaire dans la cavité, capable de convertir l'onde de pompe à la longueur d'onde XPl n en une onde signal à la longueur d'onde;s, caractérisé en ce que: - le milieu non linéaire comprend une succession de n domaines avec dans le premier domaine des moyens pour convertir l'onde de pompe à XP1,n en des ondes à.il,n et Xs, dans le ièm domaine des moyens pour convertir l'onde à Pi, n = ii -1, n en des ondes à Xiin et Xs, dans le no' domaine des moyens pour convertir l'onde à XPnn en des ondes à kinrn Xs; - le miroir d'entrée ayant un coefficient de réflexion maximal à la longueur d'onde Xs; - le miroir de sortie ayant un coefficient de réflexion adapté à la longueur d'onde Xs de manière à optimiser l'extraction  An optical parametric oscillator comprising a pump source delivering a pump wave at length k.lP1n operating in a continuous or near-continuous mode, a first laser cavity defined by at least one input mirror and an output mirror, and a nonlinear medium in the cavity, capable of converting the pump wave at the wavelength XP1 n into a signal wave at the wavelength; s, characterized in that: - the nonlinear medium comprises a succession of n domains with, in the first domain, means for converting the pump wave to XP1, n into waves at, n and Xs, in the second domain of means for converting the wave to Pi, n = ii - 1, n in waves at Xiin and Xs, in the field of means for converting the wave at XPnn into waves at kinrn Xs; the input mirror having a maximum reflection coefficient at the wavelength λs; the output mirror having a reflection coefficient adapted to the wavelength λs so as to optimize the extraction d'énergie à;s.energy at; s. 2. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comprend une succession de n cristaux dont l'orientation et/ou la température des n cristaux sont ajustées de manière à satisfaire des conditions d'accord de phase entre les ondes  2. Optical parametric oscillator according to claim 1, characterized in that the nonlinear medium comprises a succession of n crystals whose orientation and / or the temperature of the crystals are adjusted so as to satisfy phase agreement conditions between waves aux longueurs d'onde XPi,, s, Xin.at wavelengths XPi ,, s, Xin. 3. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu non linéaire comprend n modulations périodiques de période Ai d'un paramètre physique du milieu non linéaire, dans le i6'e domaine de manière à satisfaire des conditions de quasi- accord  3. Optical parametric oscillator according to claim 1, characterized in that the nonlinear medium comprises n periodic modulations of period Ai of a physical parameter of the nonlinear medium, in the i6th field so as to satisfy quasi-linear conditions. agreement de phase entre les ondes aux longueurs d'onde X1Pi,,s et Xii, n.  phase between the waves at wavelengths X1Pi ,, s and Xii, n. 4. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend k successions mises en parallèle de n modulations périodiques de période Aij d'un paramètre physique du milieu  4. Optical parametric oscillator according to claim 3, characterized in that it comprises k successions put in parallel of n periodic modulations of period Aij of a physical parameter of the medium. non linéaire avec 1 < i < n et 1 < j < k.  nonlinear with 1 <i <n and 1 <j <k. 5. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications  Optical parametric oscillator according to one of the claims 1 à 4, caractérisé en ce que la longueur Li de chacun des i domaines est définie par la relation: Li= ZOn [s Pin.Xs. kiin.npin.ns.niin]1/2 Zin 47:deff in(7Wn)1/2 K( Ln)F 1- 1/2  1 to 4, characterized in that the length Li of each of the i domains is defined by the relation: Li = ZOn [s Pin.Xs. kiin.npin.ns.niin] 1/2 Zin 47: deff in (7Wn) 1/2 K (Ln) F 1- 1/2 avec ZOi,n -with ZOi, n - u Pn (O) i+ (n - 1)rJ UP1,n (0) = nr nr (op+ os 1-r 1 -r}/2 Yi'n= i+(n-1)r] Wn = Ipln (0) 1 n)r et. K(y) une intégrale elliptique complète 15. so la permittivité diélectrique du vide * nPin,ns niin les indices de réfraction du milieu non linéaire aux longueurs d'onde XPi,n s, Xiin IPln(O) l'intensité de l'onde de pompe à XPin deffin le coefficient non linéaire effectif de la iè' interaction non linéaire o p: pulsation de l'onde de pompe À O s: pulsation de l'onde de pompe  u Pn (O) i + (n-1) rJ UP1, n (0) = nr nr (op + os 1 -r 1 -r) / 2 Yi'n = i + (n-1) r] Wn = Ipln (0 ) 1 n) r and. K (y) a complete elliptic integral 15. so the dielectric permittivity of the void * nPin, ns niin the refractive indices of the nonlinear medium at the wavelengths XPi, ns, Xiin IPln (O) the intensity of the wave of XPin pump deffin the effective nonlinear coefficient of the i th 'non linear interaction op: pulsation of the pump wave At o s: pulsation of the pump wave 6. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que: 25. si Zo1,n > Lseuii i1/21 C.OGXs. 1rn nPwn fls ni1i avec Lseuil = Arg Ch 1 deffl1n.{ 8c c slnnPlnns'nil) i rl/2 8n21p (o) 1i,ni L1 = Zo1,n si Z01,n < Lseuii L1 = (l+ x)Lseuil avec x > 06. The optical parametric oscillator according to claim 5, characterized in that: 25. if Zo1, n> Lseuii i1 / 21 C.OGXs. 1rn nPwn fls ni1i with Lseuil = Arg Ch 1 deffl1n. {8c c slnnPlnns'nil) i rl / 2 8n21p (o) 1i, and L1 = Zo1, n if Z01, n <Lseuii L1 = (l + x) Lseuil with x > 0 7. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à  Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 6, caractérisé en ce qu'il comprend une cavité à ondes stationnaires, définie  6, characterized in that it comprises a stationary wave cavity, defined par au moins deux miroirs.by at least two mirrors. 1 0  1 0 8. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 àOptical parametric oscillator according to one of claims 1 to 6, caractérisé en ce qu'il comprend une cavité en anneau, définie par au moins trois miroirs qui possèdent un coefficient de réflexion maximal à la  6, characterized in that it comprises a ring cavity, defined by at least three mirrors which have a maximum reflection coefficient at the longueur d'onde AXs.AXs wavelength. 9. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1 à  Optical parametric oscillator according to one of claims 1 to 8, caractérisé en ce que la source de pompe est un laser.  8, characterized in that the pump source is a laser. 10. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1  Optical parametric oscillator according to one of claims 1 à 8, caractérisé en ce que la source de pompe est un oscillateur  at 8, characterized in that the pump source is an oscillator paramétrique primaire.parametric primary. 11. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1  11. Optical parametric oscillator according to one of claims 1 à 10, caractérisé en ce que la source de pompe émet en continu l'onde de pompe.  at 10, characterized in that the pump source continuously transmits the pump wave. 12. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1  Optical parametric oscillator according to one of claims 1 à 10, caractérisé en ce que la source de pompe émet des impulsions de  10, characterized in that the pump source outputs pulses of durée supérieure ou égale à la microseconde.  duration greater than or equal to the microsecond. 13. Oscillateur paramétrique optique selon l'une des revendications 1  Optical parametric oscillator according to one of claims 1 à 10, caractérisé en ce que le laser de pompe émet des impulsions de très courte durée inférieure à la picoseconde, avec un taux de répétition élevé supérieur à quelques MégaHertz permettant le pompage synchrone de  at 10, characterized in that the pump laser emits pulses of very short duration less than one picosecond, with a high repetition rate higher than a few megahertz allowing synchronous pumping of l'oscillateur paramétrique.the parametric oscillator. 14. Oscillateur paramétrique optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le laser de pompe comprend une seconde cavité, la  Optical parametric oscillator according to claim 9, characterized in that the pump laser comprises a second cavity, the première cavité étant située à l'intérieur de la seconde cavité.  first cavity being located inside the second cavity.
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US5117126A (en) * 1990-06-27 1992-05-26 La Sen, Inc. Stacked optical parametric oscillator
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