Laboratoire 2 : doublage de fréquence et application à l

Optique non linéaire – PHYS-H-510 – année académique 2013-2014
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Laboratoire 2 : doublage de fréquence et application à
l’autocorrélation d’impulsions optiques ultra courtes
Le but de ce laboratoire est d’étudier la génération de seconde harmonique et de réaliser une mesure d’autocorrélation d’impulsions optiques sub-picosecondes basée sur la génération de somme de
fréquences dans un cristal non linéaire.
I. Remarques préliminaires :
1. La puissance moyenne délivrée par le laser utilisé lors de ce laboratoire est de plusieurs centaines de mW et peut aisément brûler du papier noirci. Le port de lunettes de protection est
donc obligatoire !
2. Pour des raisons de sécurité il est demandé de retirer montre, bracelets et bagues.
3. Le photomultiplicateur utilisé dans l’autocorrélateur est extrêmement sensible à la lumière :
toujours éteindre le contrôleur de l’autocorrélateur avant de retirez le capot de protection.
II. Matériel
Pour réaliser ce laboratoire, vous disposez du matériel suivant :
1. Un laser Titane:saphir à blocage de modes, accordable entre 800 nm et 900 nm
2. Une lame demi-onde suivie d’un isolateur optique permettant d’éviter tout retour du faisceau
dans la cavité laser et de modifier continûment la puissance du faisceau
3. Un spectromètre
4. Un set de densités optiques + porte densités
5. Deux miroirs permettant d’aligner le faisceau sur l’entrée de l’autocorrélateur
6. Une lame demi-onde
7. Un cube séparateur de polarisation
8. Un cristal de BBO de 250 µm monté dans une monture tournante fixée sur une table de
rotation graduée (graduation au 1/100° avec le vernier)
9. Une lentille convergente
10. Un filtre coloré (passe bande autour de 400 nm)
11. Un autocorrélateur
12. Un oscilloscope
III. Expériences
Génération de seconde harmonique
1) Quelle doit être l’orientation de la polarisation du faisceau incident et celle du cristal non
linéaire (BBO) pour qu’il y ait doublage de fréquence par interaction de type I ?
2) Quelle démarche expérimentale allez-vous suivre pour générer un faisceau à la seconde harmonique ?
Note : le repère sur la monture du cristal indique l’orientation du plan contenant l’axe optique.
Dans la zone située entre les deux miroirs servant à aligner le faisceau avant l’autocorrélateur,
générez un faisceau à la seconde harmonique en suivant la démarche que vous venez d’établir.
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3) Filtrez le faisceau pour couper l’infrarouge et, à l’aide de la lentille, focalisez le faisceau à la
seconde harmonique sur l’entrée du spectromètre. Expliquez pourquoi le spectromètre peut
être utilisé pour mesurer la densité spectrale à la seconde harmonique.
Relevez la courbe d’évolution de l’intensité à la seconde harmonique en fonction de l’angle d’incidence du faisceau sur le cristal et discutez l’allure de la courbe obtenue. Pourquoi observezvous un signal à la seconde harmonique lorsque la condition d’accord de phase n’est réalisée ?
Note : lecture au vernier à 1/100°.
Que vaut l’acceptance angulaire du cristal non linéaire ?
Autocorrélation
L’interaction non linéaire conduisant à la génération de somme de fréquences dans un cristal peut
être utilisée pour obtenir un signal d’autocorrélation d’une impulsion optique d’une durée bien inférieure au temps de réponse des détecteurs utilisés.
1) Montrer que lors de l’interaction non colinéaire de deux impulsions dans un cristal non
linéaire, une partie du signal à la seconde harmonique correspond à la corrélation en intensité
de ces deux impulsions.
2) Expliquez le principe de fonctionnement de l’autocorrélateur et identifiez les différents éléments qui constituent l’autocorrélateur que vous allez utiliser (voir Fig.1).
Alignement de l’autocorrélateur :
1. Bloquer le faisceau qui passe par le bras fixe de l’autocorrélateur.
2. Utiliser les deux miroirs pour aligner le faisceau dans l’autocorrélateur : le faisceau laser
doit passer par les deux trous d’alignement D1 et D2 (voir Fig.1).
3. Ajuster l’orientation du cristal et de la polarisation pour obtenir un signal à la seconde
harmonique (cristal de KDP, interaction de type I, le repère indique l’orientation de l’axe
optique).
4. Déplacer latéralement le coin de cube CC2 pour que le faisceau passe par le trou D3
(l’autocorrélateur est alors dans le mode dit intensimetric ou background free).
5. Ajuster la position de la lentille L et le délai dans le bras fixe pour que les deux impulsions
interagissent dans le cristal.
6. Ajuster l’orientation du cristal pour optimiser le faisceau d’autocorrélation.
7. Tourner le cache du détecteur et replacer le capot de protection.
8. Allumer le boîtier de contrôle et observer sur l’oscilloscope la trace 1 (position du coin
de cube mobile CC1) et la trace 2 (signal du photomultiplicateur). Un moyennage de la
trace 2 est nécessaire pour observer le signal d’autocorrélation.
Le faisceau laser étant trop intense pour le photomultiplicateur, il faut atténuer l’intensité du
faisceau avant d’entrer dans l’autocorélateur. La trace d’autocorrélation s’obtient en mode xy
sur l’oscilloscope.
3) Comment pouvez-vous calibrer l’axe temporel ?
4) Mesurer la durée des impulsions ainsi que leur largeur spectrale. Les impulsions sont-elles à
la limite de la transformée de Fourier ?
Note : Dans le cas d’une impulsion sécante hyperbolique sans distorsions de phase, le produit des largeurs à mi-hauteur est ∆W.∆T = 1.98 et dans le cas d’impulsions gaussiennes :
∆W.∆T = 2.77.
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Figure 1 – Schéma du fonctionnement de l’autocorrélateur (BS : lame séparatrice, NLC : cristal
non linéaire, F : filtre, PM : photomultiplicateur) [Extrait du manuel du Femtoscope MC2].