Nouveaux dispositifs optiques non linéaires pompés par micro-lasers pour une émission multi-longueurs d'onde dans le visible et le proche infra-rouge

New nonlinear optical devices pumped by microchip lasers for multi-wavelength emission in the visible and near infrared domains

• Auteur / Autrice : Baptiste Bruneteau
• Direction : Benoît Boulanger, Patricia Segonds
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Soutenance le 15/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Pernot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Aka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mehdi Alouini, Azzedine Boudrioua

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Oscillateurs paramétriques optiques

Optique non linéaire

Mots clés libres

Opo

Optique non linéaire

Microlaser

Opo

Nonlinear optics

Microlaser

Résumé

Les sources laser picosecondes émettant dans le visible et le proche infrarouge pourraient permettre des avancées dans des domaines tels que l’imagerie biomédicale photo-acoustique, la microscopie photo-acoustique à résolution optique, la microscopie STED, la spectroscopie ou encore le « détatouage ». L’objectif de la thèse est de proposer une source multi longueurs d’onde avec une durée d’impulsion de quelques centaines de picosecondes qui soit compacte et commercialisable à un prix abordable pour les industriels. Afin d’y parvenir, l’architecture envisagée consiste en un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) permettant de générer un rayonnement cohérent dans le visible et le proche infrarouge, pompé par une source microlaser de la société Teem Photonics. La technologie de microlaser déclenché de manière passive (PQS pour Passively Q-switched) est compacte, peu chère, performante et présente l’avantage de délivrer des impulsions courtes avec une forte puissance crête, ce qui rend possible et efficace la conversion paramétrique. Les matériaux considérés sont des cristaux non linéaires biréfringents ou à domaines ferroélectriques périodiquement alternés. Trois cristaux biréfringents ont été pressentis pour la conversion en utilisant une source de pompe à 355 nm. La première partie de la thèse porte sur l’étude de leurs propriétés non linéaires et d’accord de phase afin d’en sélectionner un, à savoir le BBO, et de concevoir et mettre en œuvre des dispositifs paramétriques dans une seconde partie. Ces dispositifs reposent sur un OPO de longueur d’onde d’émission accordable angulairement en faisant tourner le cristal préalablement usiné en forme de parallélépipède ou de cylindre, ou encore sur un tandem de cristaux parallélépipèdiques permettant de compenser les effets de la double réfraction dans ces cristaux. Enfin le cristal à domaines ferroélectriques périodiquement alternés choisi est le PPLN, connu pour son fonctionnement en OPO pompé à 1064 nm et émettant des longueurs d’ondes signal comprises entre 1410 nm et 2128 nm. Un OPO PPLN utilisant un cristal usiné en forme de cylindre partiel a déjà été démontré en régime nanoseconde, l’enjeu est ici d’obtenir l’oscillation paramétrique avec un microlaser de pompe ayant une durée d’impulsion de quelques centaines de picosecondes.

Picosecond laser sources emitting in the visible and near-infrared range could enable advances in fields such as photoacoustic biomedical imaging, optically resolved photoacoustic microscopy, STED microscopy, spectroscopy and tattoo removal. The objective of the PhD. work is to propose a multi-wavelength source with a pulse duration of a few hundred picoseconds that is compact and marketable at an affordable price for industry. In order to achieve this goal, the proposed architecture consists of an Optical Parametric Oscillator (OPO) allowing to generate wavelengths in the visible and near infrared, pumped by a microlaser source from the company Teem Photonics. The Passively Q-switched (PQS) microlaser technology is compact, inexpensive, efficient and has the advantage of delivering short pulses with high peak power, which makes parametric conversion possible and efficient. The materials that are considered are birefringent or ferroelectric periodically poled nonlinear crystals. Three birefringent crystals have been suggested for conversion using a pump source at 355 nm. The first part of the PhD work focuses on the study of their nonlinear properties and phase tuning in order to select one of them, namely BBO, and to design and implement parametric devices in a second part. These devices could be based on an OPO of angularly tunable emission wavelength by rotating the crystal previously machined in the shape of a parallelepiped or a cylinder, or on a tandem of parallelepiped crystals allowing to compensate the effects of the double refraction in these birefringent crystals. Finally, the ferroelectric periodically poled crystal chosen is the PPLN, known for its operation as an OPO pumped at 1064 nm and emitting signal wavelengths between 1410 nm and 2128 nm. A PPLN OPO using a crystal shaped as partial cylinder has already been demonstrated in the nanosecond regime, the challenge here is to obtain parametric oscillation with a pump microlaser having a pulse duration of a few hundred picoseconds.