Spectral and temporal shaping of light in infrared sources using three-wave mixing
Mise en forme spectrale et temporelle de sources optiques infrarouges par mélange non-linéaire à trois ondes
Résumé
Because they use a resonant process, lasers are often hindered by the small number of available wavelengths and their narrow tunability. Fortunately, nonlinear optics allows to go beyond these limitations by doing frequency conversion in a non resonant way. It is now used in optical parametric oscillators (OPOs) to cover the whole optical spectrum with a wide tunability. However, OPOs display unique properties : three coupled waves with different frequencies and group velocities, a power and phase dependent amplification, and no energy storage. In this work we show that these properties lead to new designs of nonlinear optical sources. We begin with an OPO with increased efficiency, implementing two KTA crystals pumped at 1,064 μm in the nanosecond regime. We then study the possibility of generating short pulses directly in a cw-pumped OPO. We show for the first time that active modelocking in an OPO is possible in the steady-state regime. We then propose to implement passive modelocking by a saturabler absorber in an cw-pumped OPO where there is a strong group velocity mismatch between the signal and the pump. Finally, we adress optical sources including a laser medium and a nonlinear crystal. We build a nonlinear mirror using a PPLN crystal and insert it in a Cr:ZnSe laser to produce picosecond pulses by passive modelocking. We also discuss the possibility of including an OPO inside a cw laser, to produce short tunable pulses in the mid-infrared.
Pour certaines applications, les lasers offrent un choix trop restreint de longueurs d'ondes, et une faible accordabilité. Ces limitations viennent du fait que l'effet laser utilise des résonances atomiques. L'optique non-linéaire permet de s'en affranchir c'est un phénomène non résonnant, donc peu sélectif en longueur d'onde. Néanmoins elle présente des caractéristiques particulières : trois fréquences différentes mises en jeu, l'absence de stockage d'énergie, et le rôle primordial de la phase relative entre les ondes. Dans ce travail nous mettons à profit ces specificités pour mettre en forme spectralement ou temporellement l'émission de lumière dans des sources infrarouges. La première source réalisée est un oscillateur paramétrique optique (OPO) à 3 μm utilisant deux cristaux de KTA. Ses performances sont discutées en régime nanoseconde. Puis nous réalisons un OPO à cristal de PPLN générant des impulsions courtes sous pompage continu par modulation active des pertes. Nous proposons ensuite d'utiliser un absorbant saturable pour verrouiller passivement les modes d'un OPO continu présentant un fort désaccord de vitesse de groupe entre la pompe et le signal. Enfin, nous considérons le cas des sources intégrant à la fois un milieu laser et un dispositif non-linéaire. Nous présentons d'abord un miroir non-linéaire à base de PPLN intégré dans un laser Cr:ZnSe, permettant de produire des impulsions picosecondes accordables autour de 2,5 μm. Nous proposons ensuite de généraliser ce principe en intégrant un OPO dans un laser afin de réaliser une source ultrabrève compacte et accordable.
Domaines
Physique Atomique [physics.atom-ph]
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