Conception, modélisation et réalisation d'une source cohérente de forte énergie accordable dans le moyen infrarouge
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis deals with high-energy narrow-linewidth optical frequency conversion in the 2-22 μm spectral range in the nanosecond regime. We have designed and implemented a frequency-conversion system involving a 10 Hz 1. 06 μm-pumped optical parametric oscillator (OPO) from which the signal and idler output waves are down converted in a second nonlinear optical stage. The OPO consists of a lithium niobate (LiNbO3) or a KTP (KTiOPO4) nonlinear crystal located within a singly-resonant cavity with additional frequency selective components. This OPO produces two waves in the 1. 8-2. 6 μm range with pulse energies up to 500 mJ near 2 μm in a broad bandwidth configuration and energies between 100 and 350 mJ with the line narrowing elements (linewidth from 5 to 30 GHz). The signal and idler waves from the OPO have been converted by difference-frequency mixing in various semiconductor crystals including cadmium selenide (CdSe), gallium selenide (GaSe), TAS (TL3AsSe3) and silver selenogallate (AgGaSe2). Output energies from 2 up to 10 mJ at wavelengths between 22 and 10 μm were obtained in the nonlinear crystal CdSe. We achieved a continuous tunability from 6 to 19. 2 μm in GaSe with energies up to 1. 5 mJ. We also demonstrated the first down-conversion device using the infrared crystal TAS emitting a difference-frequency wave in the μm range. We have developed an inclusive numerical model for broad-bandwidth nanosecond OPO’s taking into account the most relevant physics including diffraction, walkoff, absorption and second-order polarization effects. The model was validated by comprehensive comparison with the energy, spectral, temporal and spatial performances of the two nonlinear optical stages. It was subsequently used as an optimization tool and it demonstrated efficiency limitations due to nonlinear absorption processes in the frequency mixing crystals.
Abstract FR:
Cette thèse expérimentale et théorique est consacrée à la conversion de fréquences optiques à forte énergie en régime impulsionnel nanoseconde pour l’émission d’un faisceau spectralement fin dans la bande 2-22 μm. Une étude bibliographique approfondie et une analyse globale ont abouti à la réalisation d’un système comportant un oscillateur paramétrique optique (OPO) suivi d’un étage à différence de fréquences. Pompé à 1,06 μm par un laser à YAG :Nd déclenché à la cadence de 10Hz, cet OPO, basé sur un cristal non-linéaire de niobate de lithium (LiNbO3) ou de KTP (KTiOPO4) et muni d’éléments d’affinement spectral intracavité, émet deux ondes accordables entre 1,8 et 2,6 μm. Les énergies maximales produites vers 2 μm en sortie d’OPO sont d’environ 500 mJ sans affinement spectral (soit un rendement proche de 50%) et comprises entre 100 et 350 mJ selon la finesse spectrale désirée (5 à 30GHz). Ces deux ondes sont à leur tour converties dans un étage mélangeur soustractif de fréquences à cristaux semiconducteurs de séléniure de cadmium (CdSe), de séléniure de gallium (GaSe), de TAS (TL3AsSe3) et de sélénogallate d’argent (AgGaSe2). Des impulsions d’énergie comprises entre 10 et 2 mJ ont été obtenues dans la bande 10-22 μm dans le CdSe. Les cristaux de GaSe nous ont permis de produire jusqu’à 1,5 mJ entre 6 et 19,2 μm. Nous avons aussi effectué la première démonstration de conversion paramétrique de fréquences dans le TAS en émettant une onde continûment accordable de 6,5 à 12 μm. Un code de simulation numérique d’OPO nanosecondes à spectre large a été réalisé en tenant compte des phénomènes physiques de diffraction anisotrope, de double réfraction, d’absorption et de polarisation non-linéaire quadratique. Confronté aux caractérisations énergétiques, spectrales, temporelles et spatiales des trois ondes générées, ce code nous a permis de mettre en évidence des effets d’absorption non-linéaire dans les cristaux mélangeurs.