Theoretical and experimental studies of a nanosecond optical parametric oscillator : spectral narrowing with an intracavity photorefractive crystal
Etude de l'affinement spectral d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) en régime nanoseconde par insertion d'un cristal photoréfractif : Modélisation des OPO monomodes.
Résumé
The first part of the thesis deals with nanosecond Optical Parametric Oscillator (OPO) theory. One introduces non-linear optics and anisotropic optical properties of crystals, leading to the definition of the effective non-linear coupling constant. It is followed by the demonstration of the coupled-wave equations, including or not the refractive index dispersion and the electric field divergence. A state of the art of theoretical models and spectral narrowing techniques concludes this part. The second part presents two numerical methods to integrate the previous equations. The first one is based on the cIassical "split-step" method. It is possible to include parametric fluorescence in order to simulate the starting of the OPO. The second method is based on a transformation of the coupled-wave equations, leading to a direct integration of the non-Iinear Schrödinger set of equations then obtained, using the fix-point method, a finite-difference scheme and a Crank-Nicolson discretization. The third part presents comparisons between experimental and numerical results for experimental setups satisfying or not model hypothesis. Then, it introduces a new spectral-narrowing technique of coherent light sources based on the insertion of a photorefractive crystal in the cavity. This technique is applied to two continuous lasers, two-nanosecond lasers and one nanosecond OPO. In the first two cases, one shows a spectral narrowing of the laser emission becoming longitudinally single-mode and a reduction of the laser Iinewidth. Dealing with the pulsed lasers, one shows a frequency stabilization of the laser emission and a reduction of the laser linewidth. Finally, concerning the nanosecond OPO, one shows a decrease of the number of emitted modes and a good agreement between experimental and numerical results.
La première partie de ce travail concerne la théorie des Oscillateurs Paramétriques Optiques (OPO) en régime nanoseconde. On présente tout d'abord des rappels sur les milieux non-linéaires et anisotropes, permettant de caractériser le couplage non-linéaire. Ensuite, les équations paramétriques obtenues par prise en compte ou non de la dispersion des indices et de la divergence du champ électrique sont démontrées. Un état de l'art sur les modèles et sur les techniques d'affinement spectral clôt cette partie. La deuxième partie présente deux schémas numériques d'intégration des équations paramétriques. Le premier, basé sur le principe du " split-step ", consiste à intégrer successivement les équations liées aux effets non-linéaires et à la propagation. Il est possible de tenir compte de la fluorescence paramétrique afin de simuler le démarrage de l'OPO. Le second est basé sur une transformation des équations, permettant ainsi d'intégrer les équations de Schrödinger non-linéaires dérivées par la méthode du point fixe, pour des schémas aux différences finies, avec une discrétisation de type Crank-Nicolson. La troisième partie présente des comparaisons entre les simulations numériques et les réalisations expérimentales d'OPO vérifiant ou non les hypothèses des modèles. Puis, elle introduit le principe (nouveau) d'affinement spectral de sources cohérentes par insertion d'un cristal photoréfractif. Ce principe est appliqué à deux lasers continus, puis deux lasers et un OPO en régime nanoseconde. En régime continu, on observe un affinement du spectre d'émission qui devient monomode, accompagné d'une réduction de la largeur spectrale de la raie d'émission. Concernant le laser impulsionnel, on montre une stabilisation en fréquence d'émission et un affinement de la raie d'émission. Quant aux OPO en régime nanoseconde, on montre un affinement du spectre et un bon accord entre les simulations et les résultats expérimentaux.