Academic literature on the topic 'Amplificateurs et oscillateurs paramétriques optiques'

A l'instar du Ti:saphir, certains amplificateurs paramétriques optiques (OPA) possèdent des bandes de gain suffisamment larges pour générer et amplifier des impulsions optiques parmi les plus courtes (<100fs). A partir de ce constat, une double problématique est développée : dans quelle mesure peut-on utiliser des amplificateurs paramétriques en lieu et place des amplificateurs laser utilisés, que ce soit dans les chaînes d'amplification à dérive de fréquence (CPA) ou dans les oscillateurs à modes bloqués ?
La première partie de ce mémoire est consacrée à un rappel de la physique du mélange à trois ondes dans les cristaux massifs, suivi d'une interprétation géométrique des solutions obtenues en ondes planes.
La seconde partie est consacrée à l'étude expérimentale des performances de l'amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA) à 1054 nm..
Deux préamplificateurs OPCPA présentant des gains supérieurs à 106, l'un à base de cristaux massifs de BBO, l'autre à base de PPLN, sont étudiés et comparés expérimentalement. La question du contraste temporel des impulsions amplifiées par OPCPA – question centrale pour les sources ultra-intenses – fait l'objet d'études théoriques et expérimentales spécifiques. Le contraste de plusieurs sources OPCPA sont comparés et ses diverses composantes (fluorescence paramétrique, bruit d'amplitude sur l'impulsion de pompe) sont identifiées et quantifiées.
La dernière partie du travail de thèse porte sur la possibilité de réaliser un oscillateur paramétrique optique à modes bloqués (ML-OPO) à partir d'une source de pompe continue. Ce travail comporte également un volet théorique et un volet expérimental : une étude théorique systématique des ML-OPO (simplement et doublement résonnants) et la première démonstration expérimentale d'un ML-OPO quasi-continu et doublement résonnant à 1 micron.

D'après la Théorie Quantique des Champs, tout diffuseur en accélération non-uniforme dans le vide subit une force dissipative liée aux fluctuations du vide. Par conservation de l'énergie, il doit émettre des photons. Cette prédiction théorique, appelée Effet Casimir Dynamique, est présentée dans la première partie de ce mémoire. Nous calculons les signatures du rayonnement émis par des miroirs oscillants, dans le vide et dans un bain thermique. La diffusion des champs au sein d'une cavité oscillante est déterminée par itération fréquentielle, de façon à pallier aux divergences des anciennes approches, et étendre les calculs au-delà du seuil d'oscillation paramétrique. Dans la deuxième partie de la thèse, nous montrons qu'il est possible de générer un phénomène analogue à l'Effet Casimir Dynamique par compression des fluctuations du vide au sein de dispositifs du type Amplificateur Paramétrique Optique (APO). De manière à reproduire la transformation des champs diffusés par des miroirs oscillants, nous étudions divers systèmes comportant des miroirs et des cristaux chi(2) pompés par laser. Après une analyse détaillée des contraintes expérimentales, nous proposons une réalisation pratique de l'analogie à l'aide d'un micro-APO monolithique, permettant d'espérer un rayonnement largement supérieur à celui accessible mécaniquement.

Les travaux effectués durant cette thèse apportent une contribution à l'étude de la dynamique spatio-temporelle des solitons optiques, candidats à de futures applications de transmission et de stockage d'informations. Tout d'abord, un modèle analytique d'Amplification Paramétrique Optique en régime nanoseconde, dans lequel la déplétion de la pompe est prise en compte, a permis de retrouver la structuration annulaire des profils transverses des champs en interaction, observée expérimentalement. Ce travail analytique a été complété par une étude numérique tenant compte d'effets transverses secondaires, comme la diffraction des faisceaux et la biréfringence du cristal non linéaire. Celle-ci s'est révélée cruciale quant à la détermination de zones de paramètres assurant une amélioration de la conversion d'énergie de la pompe vers les champs signal et complémentaire. Ensuite, nous avons mis en évidence dans un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) dégénéré pompé en continu et dans une valve à cristal liquide avec contre-réaction, une instabilité marquée par l'apparition d'un nouveau type de solitons spatiaux en réseau. Enfin, dans une configuration d'OPO contrapropagatif, nous avons démontré que l'association de l'amplification paramétriqueet de la contrapropagation des champs générait, à partir d'un pompage continu, des impulsions de type solitons temporels stables d'une durée de l'ordre de la picoseconde. Ce travail théorique ouvre la voie à la génération d'impulsions ultracourtes sans avoir recours à un milieu actif comme c'est actuellement le cas.

Le developpement actuel des opos (oscillateurs parametriques optiques) ne saurait s'affranchir de la simulation numerique. Les travaux que nous presentons dans ce memoire contribuent a cet essor, d'abord en recensant et en classant les principales methodes numeriques et semi-analytiques applicables a l'opo pulse nanoseconde. Par la suite, nous avons procede a une etude theorique comparative qui nous a conduit a programmer plusieurs techniques numeriques representatives. Les codes sont alors valides en reference a un cas experimental completement caracterise. Les modeles sont de la categorie recente spatio-temporelle, ils prennent en compte la diffraction, la double refraction, et l'absorption des cristaux non lineaires, pour un accord de phase de type i ou ii parfait ou non. Ils permettent d'extraire les rendements energetiques, d'observer les evolutions spatio-temporelles des champs intra-cavite, d'apprecier la qualite spatiale des faisceaux emergeants (coefficient de qualite m2), de tracer les spectres temporels et les champs lointains. Les methodes numeriques - differences finies explicites et implicites, transformees de fourier rapides - sont comparees entre elles dans leurs performances lors de la modelisation d'une propagation lineaire ou non. Puis, le logiciel que nous avons adopte a ete mis a profit pour retrouver la courbe de rendement energetique pour un cas experimental autre que celui de reference. Nous avons ensuite observe le comportement du modele en dehors du cadre des hypotheses d'ondes monomodes longitudinales et a variation transverse lente des champs complexes. En outre, le logiciel a ete exploite pour mieux cerner certains phenomenes concernant un opo pompe par un mode tem01. Enfin, nous nous sommes appuyes sur le logiciel pour effectuer des previsions de performances pour un opo alimente par une pompe a profil transverse super-gaussien.

Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font partie de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apportés par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 ~m en utilisant des fibres à cristal photonique
Over the past few years fibre optical parametric amplifiers (FOPA) have shown potential for many practical applications and permitted significant progress for future ultra high-bit-rate telecommunication systems, as the fundamental mechanism allows for a significant enhancement of the transmission bandwidth with respect to other optical amplifiers. In particular, dual-pump FOPA has proven to be the most efficient way for flat and wide gain bandwidth. The thesis provides a comprehensive review of the different physical mechanisms for parametric amplification and gives a detailed theoretical and experimental study of two-pump FOPAs. In particular, we focus on the signal distortion and spectral broadening induced by the phase modulation of the pumps, needed for suppressing the backward stimulated Brillouin scattering. We theoretically show that both the signal gain distortion and idler spectral broadening can fully suppressed when using counter-phase modulation of the two pump waves. We then report the fabrication of an integrated LiNbO3 y -junction synchronized double phase modulator fully packaged for RF-application up to 40 GHz. This optical modulator allows for delivering simultaneously counter-phase high- speed modulation and coupling for two input channels. It was designed for application to fibre-optical parametric amplifier and wavelength converters for suppressing idler spectral broadening and signal gain distortion caused by phase modulation itself. With this component, Idler spectral broadening suppression is experimentally demonstrated over ail the parametric gain band of a two-pump parametric amplifier operating in the 1. 55 5 [micron] region. We then report the experimental observation of the parametric gain mapping along an optical fibre, using the so-called Brillouin optical rime domain analysis. This method, developed in collaboration with the EPFL in Switzerland, allows us to observe for the first time both the effect of pump depletion and of the dispersion longitudinal fluctuations. Finally, the last part of the manuscript deals with a theoretical study of a parametric amplifier operating at 1 ~m for optical pulse replication in collaboration with the CEA in Bordeaux

Le développement de nouvelles sources optiques est indispensable pour la spectroscopie et ses applications telles que la détection de polluants ou la caractérisation des milieux réactifs. Dans cette problématique, les sources accordables dans l’infrarouge moyen sont très recherchées car la plupart des polluants (COx, NOx, …) y ont des raies d’absorption. Cette étude a pour objet la mise en place d’une source optique : un Oscillateur Paramétrique Optique Doublement Résonnant (DROPO) monofréquence accordable entre 3,5 µm et 4,5 µm ainsi que la réalisation d’un montage pour la spectroscopie non linéaire à haute cadence. Le travail de thèse commence par le développement d’un DROPO à cavités imbriquées pompé par un laser Nd :YAG à haute cadence (10 kHz). Une modélisation du comportement dynamique du DROPO a permis d’optimiser son fonctionnement en introduisant un retour de pompe contrôlé en phase et en amplitude. Ainsi, le rayonnement émis dans l’infrarouge moyen est spectralement fin (< 100 MHz) et continûment accordable en fréquence sur de large domaine (120 GHz). Ensuite, le DROPO est intégré dans un montage compact (60 cm * 60 cm) afin d’accroître l’énergie dans l’infrarouge moyen tout en conservant les qualités spatiale et spectrale du faisceau. Ce montage composé d’un amplificateur laser multipassage, du DROPO et d’un Amplificateur Paramétrique Optique (OPA) permet d’obtenir un faisceau d’une puissance crête de 3 kW dans l’infrarouge moyen. Finalement, la source est utilisée pour enregistrer des raies d’absorption à basse pression sur la molécule de N2O à 3,9 µm
The development of new optical sources is essential for spectroscopy and related applications : pollutant detection or optical diagnostics of reactive media. For such applications, various researches are conducted to provide optical sources that are tunable in the mid infrared domain because most of pollutants (COx, NOx, …) absorb in this spectral region. The aim of the study is twofold: realisation and characterisation of a single longitudinal mode Doubly Resonant Optical Parametric Oscillator (DROPO) tunable over the 3. 5µm-4. 5 µm spectral range and realisation of an optical bench for high repetition rate non linear spectroscopy. The study begins with the development of an entangled cavity DROPO pumped by a high repetition rate (10 kHz) Nd :YAG laser. Modeling the dynamic behavior of the DROPO shows that the performances of the source can be enhanced by adding a pump beam reflection, which is controlled in phase and in amplitude. The mid-infrared emitted radiation is single longitudinal mode (< 100 MHz) and continuously tunable over a large domain (120 GHz). Next, the DROPO is integrated in a compact optical bench (60 cm ´ 60 cm) in order to increase the available energy in the mid infrared domain while maintaining the spatial and spectral qualities of the beam. This bench is composed of a multipass laser amplifier, the DROPO and an Optical Parametric Amplifier (OPA). The optical bench delivers a 3-kW peak-power mid-IR beam. Finally, the source is implemented for low pressure absorption spectroscopy of N2O around 3,9 µm

Ce travail concerne la conception, la réalisation et l'étude d'un générateur et amplificateur optique (OPG/OPA) en régime picoseconde pompé par un laser Nd:YAG. Le projet a été mené à bien dans la perspective d'obtenir une source accordable en longueur d'onde sur un large intervalle dans le proche infrarouge pour la caractérisation de surfaces semi-conductrices. Des cristaux de KTP ont été choisis comme milieu amplificateur en raison de leur forte linéarité dans le proche infrarouge. Nous avons opté pour un système à deux cristaux pompés à 532 nm sans injection. Un régime de pompage à deux passages indépendants a été mis au point. Nous avons montré que cette configuration donne de bonnes performances. Un rendement maximal de 14 % est obtenu sur un intervalle spectral compris entre 760 nm et 910 nm pour le signal et entre 1. 27 micromètres et 1. 77 micromètres pour l'idler. Nous nous sommes intéressés au principal facteur restrictif du rendement causé par les impulsions de pompe : le "gray-track" est un dommage réversible caractéristique de certains cristaux de KTP. Pour la première fois la cinétique de formation de ce dommage a été étudiée en régime picoseconde. Il en ressort que l'absorption résultante est causée principalement par la création de défauts dans les cristaux. Le seuil de dommage du "gray-track" a été également mesuré pour des impulsions picoseconde. Les modèles théoriques décrivant la Génération Paramétrique Optique (GPO) s'appuient sur des conditions initiales arbitraires. C'est pourquoi nous avons développé un modèle basé sur la définition d'un nouveau critère : la longueur critique de génération est la longueur sur laquelle les premiers photons signal et idler sont générés. Ce modèle prend en compte les photons émis spontanément par fluorescence paramétrique optique sur la totalité de la longueur d'interaction. La validité de cette méthode est testée à partir des données expérimentales obtenues sur l'OPG/OPA.

Ce travail est consacre a l'observation de la dynamique des opo continus et a sa modelisation. Deux effets aux repercussions importantes ont ete etudies : les effets thermiques d'une part et la double refraction au sein d'une cavite triplement resonnante d'autre part. L'absorption residuelle des faisceaux par le cristal non lineaire peut provoquer des oscillations spontanees des instensites. Ces instabilites temporelles se manifestent par divers regimes mais sont generalement caracterisees par une periode longue devant le temps optiques et par des discontinuites des instensites. Nous avons propose un modele phenomenologique simple (base sur l'approximation de champ moyen) incluant la temperature. Ce modele reproduit parfaitement la dynamique experimentale de l'opo et est compare a un modele plus complet contenant l'equation de diffusion de la chaleur. Les instabilites d'origine thermique sont regies par un meme mecanisme general : l'evolution de la temperature, lente devant le temps optiques, est equivalente au balayage dynamique d'un parametre de controle de l'opo. Ce balayage peut entrainer l'opo autour du cycle de bistabilite parametrique ou peut provoquer des sauts periodiques entre differents modes. Nous avons montre que la presence du walk-off dans une cavite triplement resonnante pouvait modifier de facon tres importante le comportement stationnaire de l'opo. En effet, la coexistence des contraintes de resonance et de la double refraction impose des directions de propagation differentes pour les faisceaux et un desaccord transverse des vecteurs d'onde. Les structures transverses stationnaires observees quand la cavite s'approche de la geometrie concentrique sont alors des modes d'hermite-gauss tem m 0 d'ordre eleve, et le seuil de l'opo peut devenir tres important. Nous avons developpe une extension de la theorie de boyd et kleinman qui permet de predire quantitativement les comportements experimentaux.

Les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) continus sont des sources de lumière cohérente largement accordables reposant sur l'interaction paramétrique de trois champs dans un cristal non-linéaire. Leur utilité est aussi bien liée à cette accordabilité (spectroscopie) qu'aux propriétés quantiques propres au système (génération d'états comprimés, photons jumeaux). D'autre part, en tant que systèmes non-linéaires, les OPO sont susceptibles de présenter une grande richesse de phénomènes dynamiques temporels et spatio-temporels. Nous présentons une étude expérimentale, théorique et numérique de différentes instabilités temporelles présentées par les intensités des champs à la sortie de la cavité de notre OPO. Nous caractérisons des oscillations de fréquence de 1 à 300MHz dont nous montrons expérimentalement qu'elles ont pour origine l'interaction entre plusieurs modes transverses. Ces oscillations rapides peuvent être couplées à des oscillations plus lentes d'origine thermique, menant à l'apparition d'instabilités du type oscillations en rafales. Un développement perturbatif multi-échelle permet d'obtenir des solutions analytiques pour les champs une fois les oscillations rapides moyennées. Nous avons d'autre part observé ce qui est à notre connaissance la première observation expérimentale de chaos déterministe dans ce système. Enfin nos travaux expérimentaux et théoriques ont permis d'améliorer notre compréhension de la sélection de modes dans les OPO.

Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font parti de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apporté par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 μm en utilisant des fibres à cristal photonique.