Spectral shaping of a doubly resonant OPO by control of the relative phase, applications for spectroscopy
Façonnage du contenu spectral d'un OPO doublement résonant par maîtrise de la phase relative, applications pour la spectroscopie
Résumé
There has currently been a growing interest for gas sensing and quantification, in terms of atmospheric pollutants characterization, as well as indoor air quality control or even security concerns in the industrial domain. To meet this challenge, we have developed and characterized a compact nanosecond optical source, which relies on an innovative doubly resonant optical parametric oscillator (DROPO) set-up. The understanding of the role of the relative phase between the three interacting waves has been essential to master the spectral emission of this kind of parametric sources. Accomplishing this work has led us to the control of this phase and to the development of a new architecture, called nested-cavity OPO (NesCOPO). With this new concept, an achromatic control of the relative phase is achieved all over the parametric gain bandwidth, allowing the first demonstration of parametric-gain-shaping. We can thereby highlight two different kinds of functioning depending on whether the parametric gain bandwidth has a unique lobe or two lobes separated by a distance of about one terahertz. In the first configuration, a controlled single mode emission has been obtained whereas a two-frequency emission has been demonstrated in the second mode of operation. This new NesCOPO architecture paves the way to new frequency tuning methods, highly promising for spectroscopic experiments. Taking advantage of the nested-cavities arrangement, we have been able to tune the frequency all over the parametric gain bandwidth with an adjustable resolution. Another tuning technique, opening the perspective for a terahertz frequency scan range, has led to an evolution of the NesCOPO architecture and has been patented. Taking advantage the low oscillation threshold (1 µJ), we have pumped the Nescopo with a microlaser. Then, in order to validate its potential for spectroscopic applications we have implemented the optical source into compact remote and local (photoacoustique technique) gas sensing devices.
Actuellement, un besoin croissant de techniques de détection et de quantification des gaz se manifeste, que ce soit pour la caractérisation de polluants atmosphériques, pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur ou encore pour des aspects de sécurité en milieu industriel. Pour répondre à cette problématique, nous avons développé et caractérisé une source optique compacte, nanoseconde, constituée d'une architecture innovante d'oscillateur paramétrique optique doublement résonant (Dropo). La compréhension du rôle de la phase relative des ondes en interaction a été primordiale pour maîtriser le contenu spectral émis par ce type de sources paramétriques. Au cours de ce travail nous avons abouti à la maîtrise de cette phase, et réalisé une nouvelle architecture, dite nested-cavity OPO (NesCOPO). Avec cette cavité originale, un contrôle achromatique de la phase relative est réalisé pour toute la bande de gain paramétrique, permettant de démontrer le façonnage de cette dernière. Nous avons ainsi mis en évidence deux modes de fonctionnement suivant que la bande de gain présente un lobe unique ou deux lobes séparés d'environ un térahertz. Dans la dernière configuration, une émission bifréquence de l'OPO a été démontrée. Dans la première configuration, une émission monofréquence a été obtenue de manière contrôlée. Cette nouvelle architecture d'OPO - NesCOPO - a ouvert la voie à de nouveaux types d'accord en fréquence, particulièrement intéressants pour des expériences de spectroscopie. En tirant parti de l'imbrication de deux cavités optiques, nous avons ainsi été en mesure de réaliser des balayages fréquentiels automatisés sur toute la bande de gain avec une résolution ajustable. Une autre technique de balayage, promettant des balayages sur plusieurs dizaines de cm-1, a conduit à une évolution de l'architecture du NesCOPO et a été brevetée. Afin de valider son potentiel pour des applications de spectroscopie, et tirant parti du seuil d'oscillation très bas (1 µJ), nous avons pu implanter le NesCOPO, pompé par microlaser, dans des instruments compacts de mesure de gaz locale (technique photoacoustique) et à distance.
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