La lumière paramétrique: de l’ultraviolet au TeraHertz, du ...•Principes de la lumière...
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La lumière paramétrique: de l’ultraviolet au TeraHertz,
du continu à la femtoseconde
Emmanuel ROSENCHERONERA et École Polytechnique (Palaiseau)
Ecole Normale Supérieure,Octobre 2003
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématique des matériaux non linéaires • Matériaux non linéaires artificiels
• De l’Ultra-violet au TeraHertz
• Du continu à la femtoseconde
• Perspectives
PLAN
( ) ( )tE)t(P 10 χε=
ω
( ) ( )220 tEχε
Susceptibilité non linéaire
+
2 ω
Non linéarité optique de second ordre
tt
Système quantique symétrique Système quantique asymétrique
O3
O3
O3
Nb
Li
Niobate de Lithium
Molecule A D
Matériau non linéaire offert par la Nature
E3 e i ω3 t → E1 e i ω1 t E2 e i ω2 t
(E2 e i ω2 t )* E3 e i ω3 t → E1 e i ω1 t
E1 e i ω1 t E2 e i ω2 t → E3 e i ω3 t
Somme, différence de fréquences et génération paramétrique
Génération paramétriqueSomme de fréquences
Différence de fréquences
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématique des matériaux non linéaires
• Matériaux non linéaires artificiels
• De l’Ultra-violet au TeraHertz
• Du continu à la femtoseconde
• Perspectives
PLAN
( ) ( )ωω ncc = ( ) ( )ω
λωλ n0= ( ) ( )ωω 22 n
cc = ( ) ( )ωλωλ 2
02 n=
( ) ( )[ ]ωωλ
Λ n2n20
c −=
Le désaccord de phase: aspect ondulatoire
cΛ
Désaccord de phase: aspect corpusculaire
Conservation de l’énergie
1ωh
2ωh
3ωh
Conservation de l’impulsion
Désaccord de phase
1kh
2kh
3kh( )c
nk ωω=
k∆
321 ωωω =+ ( ) ( ) ( ) 332211 nnn ωωωωωω =+
Accord de phase par biréfringence
Axe extraordinaire
Axe ordinairelumière
Indi
ce o
ptiq
ue
fréquenceω 2ω
lumièreIn
dice
opt
ique
fréquenceω’ 2ω’
∆k = 0
∆k = 0
AMPLIFICATION ET FLUORESCENCE PARAMETRIQUE
complémentaire
pompe
signal
entrée sortie
zkicspdz
d eEEiE ∆κ−= hνP { hνs , hνc }
zki*cpsdz
d eEEiE ∆κ −+= { hνP , hνc } hνs
zki*spcdz
d eEEiE ∆κ −+= { hνP , hνs } hνc
GAIN → OSCILLATION
RsRe
seuil:gain = perte
( ) TLI pompe ≈γ
Oscillateur paramétrique optique simplement résonant (SROPO)
gain paramétrique
ωc
0=k∆
Oscillateur paramétrique optique: principe de base
ωp
ωc
ωs
ωp
ωs + ωc = ωp (conservation de l’énergie)
ks + kc = kp (accord de phase)
1.064 µm3 → 5 µm
1.4 → 1.6 µm
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématique des matériaux non linéaires• Matériaux non linéaires artificiels
• De l’Ultra-violet au TeraHertz
• Du continu à la femtoseconde
• Perspectives
PLAN
Résonances, dispersion et non linéarités optiques:La règle de Murphy de l’optique non linéaire
ω
ω2ω
fort χ(2)
Forte dispersion
Indice élevé
Fragilité optique
Accord de phase difficile
3op
2 n/d
Limitation du pompage
nop
χ(2)
α
0 2 4 6 8 10
Fréquence Normalisée
0,1 1 100,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
l5
AgGaSe2
ZnSe
GaSe
ZnGeP2
GaAs
InAs
InSb
PPNL
NLBBO
LBOFig
ure
de m
érite
d2 /n
3 (pm
/V)2
Longueur d'onde de coupure (µm)
Propriétés optiques non linéaires des matériaux
Sources Laser vs OPOs
G
a
b
Laser: Transitions réelles
Longueurs d’onde imposée par l’énergie de la transition quantiquea
b
Transitions virtuelles
Longueurs d’onde libre,ajustable dans la gamme de transparence
•Cavité optique• Shawlow-Townes• Dynamique• Injection
Diodes Laser vs
OPO
10
4 5 6 7 8 91
2 3 4 5 6 7 8 910
Laser wavelength (µm)
AlGaN
AlGaAs
InGaAsP
InGaAsSb
InAsSb
PbSSe
PbSnTe
QCL
CRYOGENY
OPO Diode laserAccordabilité
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématique des matériaux non linéaires
• Matériaux non linéaires artificiel
- ingénierie quantique- ingénierie photonique- le quasi-accord de phase
• De l’Ultra-violet au TeraHertz
• Du continu à la femtoseconde
• Perspectives
PLAN
Diode laser
Transforme lesélectrons en photons
• Transforme les modes de photons• Stocke l’énergie
Cristal Laser Matériau ONL
• Transforme l’énergiedes photons
50 % 50 % 20 % 5 % !!
Cristal LaserMatériau ONL
Pourquoi intégrer ?
Structures quantiques asymétriques
(A) (B)
(C) (D)
Theory: D. Ahn and S. L. Chuang 87, Khurgin 88 , Rosencher and Bois 91
Rosencher et al, Science 96
BIREFRINGENCE GEANTE DANS LES HETEROSTRUCTURES GaAs/AlOx
ETE
ETMGaAsAlAs
AlAs
AlAs
GaAs
GaAs
n=3.5n=3.0
3.6
3.2
2.8
2.4
2.01400130012001100
fréquence (meV)
TE (nox)
TM (nox)
( ) ( )E ETE TE1 2=
( ) ( )n E n ETM TM12
221 2=
Van der Ziel, 1972
GaAsoxyde
oxyde
oxyde
GaAs
GaAs
n=3.5n=1.6
ETE
ETM
3.6
3.2
2.8
2.4
2.01400130012001100
fréquence (meV)
TE (ox)
TM (ox)
Fiore et al, 1996
SAMPLE AND ELECTROMAGNETIC FIELD DISTRIBUTION
( ) ( ) ( )E z E z E z dz1 2 3∫OPTIMISATION OF
Fiore, Berger, Rosencher, Nagle, Nature 98
Puissance de sortie et accordabilité en longueur d’onde
1.056 1.058 1.060 1.062 1.064 1.066
0
1
2
3
4
Mid
-IR p
ower
(nW
)
Ti:Sa wavelength (µm)
0 50 100 150
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
λ (µ
m)
T (°C)
Fiore, Berger, Rosencher, Nagle, Nature 98
Quasi accord de phase
IDFG
∆k.L
+d +d-d -d
ΛCohérence
k1
k2
k3
cΛπ2
π π π
NbLiO3
5000 V
10 kg/cm2
Retournement dans lesFerroélectriques
M. Fejer et al (Standord)
Collage moléculaire (GaAs, ZnSe)TRT, ONERA, Stanford
GaAsZnSe…..
Techniques de quasi-accord de phase
Biréfringence de FresnelR. Haidar et al (ONERA)
Croissance localiséeE. Lallier et al; M. Fejer et al
Ge
Seuil dans les DROPO: La percée des matériaux retournés périodiquement
2
3
4
5
678
0.1
2
3
Ave
rag
e p
ow
er (
W)
5.04.54.03.53.0
Idler wavelength (µm)
cw
pulsed 20 ns
PPLN
0.01
0.1
1
10
aver
age
po
wer
(W)
5 6 7 8 91
2 3 4 5 6 7 8 910
2 3 4 5
deff (pm/V)
PPLN
BBO
KTP
PPGaAs
2 cm
40 µmf = 10 kHz
20 ns
98% 98%
9 10 11 12 1318
24
30
36
42
Angl
e α (°
)
DFG wavelength (µm)
σππ πσπ πσσ
distance through the crystal
resonant φ F = π
nonresonant φ F ≠ π
no phase matching
t t'
+ φF
ΛC
α
De nouvelles stratégies de quasi-accord de phase:Fresnel Phase Matching
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématique des matériaux non linéaires
• Matériaux non linéaires artificiel
• De l’Ultra-violet au TeraHertzUV
Infrarouge (3-18 µm)
TéraHertz
• Du continu à la femtoseconde
• Perspectives
PLAN
Source paramétrique dans l’UltraViolet lointain
Pression (Torr)
0
1
0 20 40 60 80 100
H2ArKrXe
29th
harm
onic
27 nm
Lumière cohérent EUVImpulsion femtoseconde
Fibre creuse remplie d’un gaz rare
Λ fonction de la pression du gaz
Acccord de phase entre 28 - 90 eV
Rundquist et al, Science 280, 1412 (1998) (Univ. Michigan)
Laser CO2
Λ
DROPO monofréquentiel ultra-compact
28,4 28,6 28,8 29,0 29,2 29,4 29 ,6 29,8 30,03,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0 mesuré calculé
λ id
ler (
µm)
réseaux du PPLN (µm) Performances :f ~ 15 kHz, 20 nsSeuil: 1 µJE = few µJ/pulse, M2 <1.2Linewidth: 80 MHzMode hop free: 3 to 4.6 µm
Parametric gain
ωsω c
Single frequency emission
gain = 0gain = 0
Entangled cavities OPO
ωp
ωiωs
Entangled cavities OPO
PPLN
Coll: LKB, TRT
2556 2557 2558 2559 2560 25610.0
0.5
1.0
Tra
nsm
issi
on
ωi[cm-1]
2556 2557 2558 2559 2560 25610.0
0.5
1.0
P18FP18E
P8 P3
P23FP23E
Tran
smis
sion
2557.6 2557.8 2558.0 2558.2 2558.4 2558.6 2558.80.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 P6
P2
1f
P2
1e
Tra
nsm
issi
on
ωi [cm-1]
2557.6 2557.8 2558.0 2558.2 2558.4 2558.6 2558.80.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Tra
nsm
issi
on
ωi [cm-1]
Application à la spectroscopie
Onde de choc dans une couche d’aéro-capture
Lefebvre, Sésormeaux, Drag , Rosencher (ONERA)
0 1 2 3 4 5 60
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Vite
sse
(m/s
)
Position devant le barreau (mm)
Raie S(6) : Rafale 1935
Raie S(10) : Rafale 1937 Rafale 1941 Rafale 1942
Visulaisation d’une onde de choc en atmosphère marsienne(Doppler et Brillouin sur CO2 et N2O)
Kodo Kawase and Hiromasa Ito (RIKEN)
OPO aux téraHertz
Extraire l’onde THz avant sa réabsorption
Non linéarité résonante (phonon acoustique)
Kodo Kawase and Hiromasa Ito (RIKEN)
OPO aux téraHertz
Accordabilité de 500 % !!!
Vers une nouvelle spectroscopie
OPO aux téraHertz
Vue téraHertz d’un porteur de couteau (Jepherson Lab)
PLAN
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématiques des matériaux non linéaires
• Matériaux non linéaires artificiel
• De l’Ultra-violet au TeraHertz• Du continu à la femtoseconde
OPO continuOPCPA
• Perspectives
OPO continus pompés par diodes laser
Ebrahimzadeh et al (StAndrews), S. Schiller et al (University dusseldorf)
30 40 50 600
1
2
3
Idle
r po
wer
(m
W)
Pump power (mW)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Sig
nal p
ower
(m
W)
(λs ≈ 1.15 µm)
Pth ≈ 25mW
1.0
ECDL
Seuil de 25 mW en continu !
806 808 810 812 814 8161.0
1.1
1.2
2.5
3.0
3.5
Λ=21.6 µmT=129 O C
Pump wavelength (nm)
Wav
elen
gth
(µm
)
Λ=21.8 µm Λ=22.0 µm
Accordabilité par la diode laser
PPLNDiode laser
Pompe résonante
CH4
Cavity ring down
Largeur de bande de gain, glissement de fréquence et impulsions ultra-courtes
t
E(t)
τ 1≈×∆ τωE(ω )
T.F
Problème: on ne peut pas amplifier car la matière supporte > GW/cm2
E(t)
t
étireur ampli
t
compresseur
Désidérata:• Bande passante la plus large possible• Pas de saturation
3600 cm-1 → 10 fs
(Coll. ONERA, LULI, IOTA)
Signal étiré
Amplificateur paramétrique optique (OPA)
Signal nJ
Signal 100 µJ
Spectre des impulsions signal avant et après amplification
Gain mesuré > 2 000 000
OPCPA:OpticalParametricChirpedPulseAmplification
Forget, Le Blanc et Lefebvre
50 mJ, 8 ns, 10 Hz, 532 nm
2 mJ, 32 nm
350 mJ, 8 ns, 10 Hz, 532 nm
100 mJ, 35 nm
PLAN
• Principes de la lumière paramétrique• Problématique de l’accord de phase• Problématique des matériaux non linéaires • Matériaux non linéaires artificiels
• De l’Ultra-violet au TeraHertz
• Du continu à la femtoseconde
• Perspectives
Puissance:Vers le téraWatt
Impulsion:Vers les attosecondes
IntégrationSeuil: Sous le µJ
Longueur d’onde:Vers l’UV, VUV, X
OPO
Microtechnologie de l‘optique intégrée
LiNbO3
Photolithographical definition of Ti stripes (15 to 30 µm wide, 160 nm thick)
Ti-indiffusion (31 h @ 1060 °C)
Grinding
Complete polarisation reversal
Electric field periodic poling
Z-cutX-propagation
Annealing(2 h @ 120 °C)
Photolithographical definition of photoresist( =30.6..31.6 µm)Λ
Dielectric MirrorsHR@ , ; HT@λ λ λS PI
λP
λPλS
λI
P = 4.2mWth
W. Sohler et al, Université de Paderborn
Remerciements
Thales TRT:Vincent BergerAndrea FioreGiuseppe Leo
ONERA:Michel LefebvreAjmal MohamedPhilippe KupecekCyril DragAntoine GoddardIsabelle RibetNicolas Forget
University of St Andrews:Majid Ebrahimzadeh
University of Düsseldorf:Stephan Schiller
LULI:Alain MigusValérie LeblancChristian Sauteret
University of Kyoto:Kodo KawaseHiromasa Ito
Stanford UniversityMarty FejerBob Byer
Optique linéaire: indice optique, vitesse de la lumière et susceptibilité linéaire
( ) ( ) ( ) ( )tEtrqtP 10 χε==
opn' λλ =λ
opnc'c =
( )1op 1n χ+=
avec
ω ω