Etude des cavités OPO pour la génération de hautes puissances dans l'infrarouge moyen

Investigation of OPO cavities for high average power generation in the mid-infrared

• Auteur / Autrice : Manuel Alessandro Medina
• Direction : Frank Wagner, Anne Dhollande, Antoine Berrou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d’image
• Date : Soutenance le 12/04/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut franco-allemand de recherches (Saint-Louis, Haut-Rhin)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Segonds
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Devaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marwan Abdou Ahmed, Antoine Godard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie infrarouge

Oscillateurs paramétriques optiques

Optique non linéaire

Optique

Mots clés libres

Oscillateurs paramétriques optiques

Opo

Optique non linéaire

Zgp

Cavité non planaire

Puissance moyenne élevée

Qualité du faisceau

Fire

Ristra

Optical parametric oscillators

Opo

Nonlinear optics

Zgp

Non-Planar cavity

High average power

Beam quality

Fire

Ristra

Résumé

Des sources lumineuses cohérentes émettant une forte puissance moyenne dans la région spectrale du moyen infrarouge (IR) (3-5~\mum), sont nécessaires pour de nombreuses applications. La technique plus mature pour générer un tel rayonnement consiste à convertir un faisceau de pompe grâce à des oscillateurs paramétriques optiques (OPO). Malgré de nombreuses études passées, le développement de systèmes délivrant des dizaines de watts avec une bonne qualité de faisceau reste un défi. L’objectif de cette thèse est de démontrer un système compact et robuste délivrant une puissance moyenne élevée dans le moyen IR avec une bonne qualité de faisceau (M^2\leq2). D'abord, nous étudions différentes cavités OPO. L’étude comprend des cavités linéaires et deux cavités non-planaires à rotation d’images, appelées RISTRA et FIRE. Les avantages et les inconvénients de chaque architecture, ainsi qu’une comparaison entre les cavités sont reportés. Une puissance maximale de sortie de 38 W (M^2=2,2) est démontrée à l’aide d’un résonateur linéaire. Grâce à la cavité FIRE, la qualité du faisceau est améliorée: M^2=1,4 (25~W). Deuxièmement, la thèse montre comment les performances de ces cavités peuvent être améliorées. La diminution de la taille du faisceau de pompe nous permet de diminuer le seuil d’oscillation, obtenant jusqu’à 30~W (RISTRA). Par ailleurs, une cavité FIRE miniaturisée est conçu, construite et étudiée, prouvant que des performances similaires peuvent être atteintes avec une conception OPO très compacte (24~W et M^2=1.6). Enfin, des études paramétriques sur la dépendance de la qualité des faisceaux en fonction de différents facteurs qui le détériorent sont réalisées

High repetition rate, high average power, coherent light sources emitting in the mid infrared (mid-IR) spectral region (3-5~\mum) are important for many applications. The most mature technique to deliver such radiation is through frequency down-conversion in optical parametric oscillators (OPOs). Despite many studies of different research groups, developing compact and reliable systems delivering tens of watts with good beam quality is still challenging. The aim of this thesis is to demonstrate a compact and robust system delivering mid-IR high average power with good beam quality (M^2\leq2). Firstly, we dedicate to the investigation of different OPO resonators based on nonlinear crystals of zinc germanium phosphide. The study includes linear resonators, and two different non-planar ring cavities, the so-called RISTRA and FIRE resonators. We explore the advantages and drawbacks of each design and a comparison between them is reported. A maximum output power of 38~W (M^2=2.2) is demonstrated using a linear resonator. The beam quality is improved down to an M^2=1.4 in the FIRE resonator (25~W of output power).Secondly, the thesis shows how the performances of these devices can be further enhanced. At first, reducing the pump spot size allows us to decrease the oscillation threshold, obtaining 30~W in RISTRA. Moreover, a miniaturized FIRE cavity is designed, built and investigated. A total output power of 24~W (M^2=1.6) is obtained, proving that similar performances can be achieved with a very compact OPO design. Then, parametric studies on the beam quality dependence on different factors deteriorating it are carried out