RÉALISATION D'UN OSCILLATEUR PARAMÉTRIQUE OPTIQUE STABILISÉ EN FRÉQUENCE ET - PowerPoint Presentation

RÉALISATION D'UN OSCILLATEUR PARAMÉTRIQUE OPTIQUE STABILISÉ EN FRÉQUENCE ET ACCORDABLE CONTINÛMENT SUR 500 GHz POUR LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE Emeline AndrieuxSous la direction de Jean-Jacques Zondy Laboratoire Commun de Métrologie LCMConservatoire National des Arts et Métiers 16/12/2011 1

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

3 Développement d’un oscillateur paramétrique optiqueLaser non linéaire largement accordable dans le MIRMonofréquence (élargissement homogène du gain paramétrique) Un seul laser de pompe Rendement 10 à 100 fois plus élevé qu'une DFG Accordabilité beaucoup plus étendue. Lasers Cr:ZnSe Diode laser à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL) Différence de fréquence (DFG)commercialisés par IPGaccordable entre 2 et 3 µm mono-fréquence accordable continûment sur 100 GHz 3.5 à 24 µm peu accordableonéreux nécessite 2 laser de pompe (dont 1 accordable) efficacité de conversion faible en simple passage (nW-1mW)

4 1- Rappel d’optique non linéaire 2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement résonnant (SRO) 3- Conception et réalisation du SRO4- Performances du SRO 5 -Stabilisation en fréquence du SRO Conclusions Plan

5 1- Rappel d’optique non linéaire 2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement résonnant (SRO) 3- Conception du SRO4- Performances du SRO5 -Stabilisation en fréquence du SRO Conclusions

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

7 Equation de propagation d’un champ électrique dans un milieu d’indice n Propagation suivant z d’une onde plane dE j<<Ej j 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-k 1(j=1,2,3) k 2 + k 1 = k 3 a) Somme de fréquence  3  1  2 k 3 = k 2 + k 1 b) Génération paramétrique  3  2  1

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

11 Quasi-accord de phase (QPM) L Lc 2Lc 3Lc 4Lc 5Lc Intensité générée D k ≠ 0 D k = 0 m=1 Inversion périodique du signe du coefficient non linéaire Interaction de type ( eee ): E j // Z f(z) 0 1 -1 d(z)=d 33 f(z)

12 b) Génération paramétrique L  3 = 1 + 2 Complémentaire ( idler)  1 Signal  2 Pompe  3 E 3 non dépeuplé: Gain paramétrique D k = 0  2 E 1 (0)=0 et E 2 (0)≠0  (2)

13 Principe de l’oscillateur paramétrique optique (OPO) 3 = p1 =  i2 = s Doublement résonnant (DRO) Triplement résonnant (TRO) Simplement résonnant (SRO) Plus grande stabilité en fréquence Puissance de sortie plus élevée seuil faible instabilité de mode faible puissance de sortie

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

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

16 1- Rappel d’optique non linéaire 2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement résonnant (SRO) 3- Conception du SRO 4- Performances du SRO5 -Stabilisation en fréquence du SRO Conclusions

17 Equations de propagation réduites et conditions aux limites équations de propagation réduites conditions aux limites Relation de “self-consistence”: Relations de Manley-Rowe: t : temps d’1 aller -retour dans la cavité Z=z/L

18 I in I p I i I s 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 perturbativeDéveloppement en série de Mac Laurin: Solution triviale → As=0 → nécéssité de développer à un ordre + élevé Solutions des équations de propagation à l’ordre 2:  ( 2 ) :  (2 ) ≡  (3)

20 Solution analytique (méthode perturbative) Solutions des équations de propagation à l’ordre 4: + Self-consistencenumérique Numériquesuperposé à Kreuzer(1) (1) (N) (1)

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

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

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

24 1- Rappel d’optique non linéaire 2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement résonnant (SRO) 3- Conception et réalisation du SRO4- Performances du SRO5 -Stabilisation en fréquence du SRO Conclusions

25 Le cristal de niobate de lithium en QPM ( ppMgCLN) Courbes de quasi-accord de phase

26 Longueur d’onde (en nm)Transmission (en %) 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 L 1=150 mm, L2=390 mm → Ltot= 540 mm → ISL= 500 MHz  =L/2zr≈ 1.4

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

30 M 4M1 M 2 M3 Insertion du cristal Réfraction dans le cristal

31 Alignement fin de la cavité sur le vert à 532 nm M 4M1 M2M 3 Photodiode PZT

32 1- Rappel d’optique non linéaire 2- Théorie de l'oscillateur paramétrique optique simplement résonnant (SRO) 3- Conception et réalisation du SRO4- Performances du SRO5 -Stabilisation en fréquence du SRO Conclusions

33 Accordabilité en longueur d’onde 5 réseaux utilisables sur les 13 1.45 µm < λ s < 1.65µm 3 µm < λi < 4 µm Transmission des miroirs (%) Longueur d’onde (nm) x100

34 Seuil d'oscillation et puissance idler P th~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 P p= 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- λ p) : 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 modeInsertion d’1 étalon intracavité: Courbe de gain paramétrique Mode la cavité (ISL=500MHz) Gain  s

38 Balayage continu de l'onde idler sur 175 GHzPour 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 SRO4- Performances du SRO5 -Stabilisation en fréquence du SRO Conclusions

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

Référence de fréquence: cavité CFP monobloc R= 99.5% F= 250ROC= -5 cmISL= 1.5 GHz41

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

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

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

45 Analyse des performances de la stabilisation en fréquence Densité spectrale de puissance de bruit de fréquence:Ecart type des fluctuations de fréquencerelatif à la référence: BW

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-Perot de 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 Puissance de sortie de la diode laser (mW)Longueur d’onde (nm)Longueur d’onde (nm) Puissance atténuée en sortie de l’ampli(dB)Caractéristiques du système de pompe