Sources paramétriques optiques à base de cristaux apériodiques à agilité spectrale ultra-rapide

Rapidly tunable optical parametrical sources based on aperiodically quasi-phase matched nonlinear crystals

• Auteur / Autrice : Delphine Descloux
• Direction : Cyril Drag
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - The French Aerospace Lab
• Jury : Président / Présidente : Philippe Delaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Drag, Philippe Delaye, Éric Cormier, Fabrice Devaux, Pascal Baldi, Antoine Godard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Cormier, Fabrice Devaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impulsions picosecondes

Spectroscopie infrarouge

Quasi-accord de phase (optique)

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique paramétrique

Quasi accord de phase

Analyse de gaz

Accordabilité rapide

Picoseconde

Infrarouge

Parametric processes

Quasi phase matching

Gas sensing

Fast tuning

Picosecond

Infrared

Résumé

Les applications de spectroscopie, en particulier l’analyse de gaz à effet de serre, de composés organiques volatils ou autres polluants atmosphériques motivent le développement d’instrumentations spécifiques. L’étude présentée ici vise à proposer de nouvelles sources aptes à caractériser la composition d’un milieu gazeux, liquide ou solide. Les raies d’absorption optique de la plupart des gaz à détecter sont particulièrement fortes dans l’infrarouge moyen (en particulier entre 3 et 5 µm). Pour adresser cette plage spectrale, l’optique non linéaire propose de nombreuses solutions. Les sources rapportées ici sont des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) dont la spécificité repose sur l’utilisation de cristaux non linéaires à quasi-accord de phase apériodique. Ces cristaux présentent de larges bandes de gain intrinsèques. Les travaux présentés permettent une étude du comportement de telles sources, absentes de la littérature en régime d’impulsions picosecondes. Des caractéristiques propres à l’utilisation des cristaux apériodiques sont rapportées. Un outil permettant une observation spectrale dynamique en régime picoseconde est proposé puis utilisé pour l’étude du démarrage de nos OPO. Ces sources large bande sont ensuite associées à des filtres spectraux rapides placés dans la cavité. Deux types de filtres sont utilisés. D’abord l’association d’un réseau de diffraction en configuration Littrow avec un déflecteur rapide. Ensuite l’insertion dans la cavité d’un réseau de Bragg en volume chirpé, placé sur une platine de translation, pour tirer profit de la condition de pompage synchrone. Ces deux solutions nous permettent d'obtenir des dispositifs largement et rapidement accordables en longueur d'onde. L’utilisation de telles sources pour des applications de détection de gaz est démontrée.

Spectroscopy applications related to greenhouse gases or other atmospheric pollutants, involve the development of a large range of specific tools. The aim of the work presented here is to develop new devices to characterize the composition of gas, liquid, or solid media. Most of the species to be detected show particularly strong optical absorption lines in the mid-infrared region (in particular around 3 to 5 µm). To address this specific spectral range, nonlinear optics provide a wide range of solutions. The sources reported here are optical parametric oscillators (OPO) based on aperiodically poled nonlinear crystals. Such crystals offer broad gain bandwidths. The work presented here contains a study of those sources, not reported so far in the literature for picosecond regime. Behaviors that are specific to the use of aperiodic crystals are reported. A useful tool allowing dynamical spectral studies is proposed, and implemented to investigate buildup regime of the picosecond OPO. Those sources are then associated with rapid spectral filters inserted in the cavity. Two different approaches are developed. The first is based on the association of a diffraction grating in Littrow configuration with a deflecting device. The second takes advantage of the synchronous pumping scheme, with an intracavity chirped volume Bragg grating mounted on a translation stage. Fast and wide wavelength tuning is demonstrated with those devices. Gas detection applications are also demonstrated.