Non-linéarité du second ordre
La polarisation non linéaire du second ordre du niobate lithi µm peut s'écrire comme suit :
La matrice 2D décrit le tenseur de non-susceptibilité χ(2). Pour le niobate µm dopé à 5 % de MgO (MgO:LN) à 1064 nm, d31 = 4,4 pm/V et d33 = 25 pm/V[1].
Le coefficient non linéaire le plus élevé est d33 = 25 pm/V, ce qui correspond à des interactions parallèles à l'axe z, c'est-à-dire à un accord de phase de type 0. Autrement dit, toutes les ondes interactives doivent être polarisées électriquement pour obtenir le rendement de conversion maximal. Tous nos cristaux sont conçus pour exploiter ce coefficient d33. Pour le MgO:LN à polarisation périodique, le coefficient non linéaire effectif deff est typiquement de 14 pm/V.
REMARQUE : Covesion peut proposer des cristaux personnalisés pour les interactions de type I ou de type II, par exemple pour les systèmes de photons intriqués pour la génération de paires à polarisation orthogonale.
Indice de réfraction
L'indice de réfraction dépendant de la température est décrit par l'équation de Sellmeier :
Où le paramètre f est défini comme,
Où T représente la température en °C
et les coefficients de Sellmeier sont, un résonateur optique, également connu sous le nom d'oscillateur paramétrique optique (OPO), l'efficacité peut être considérablement améliorée.
| Coefficient de Sellmeier | 5 % MgO:LN [2] | LN non dopé [3] |
|---|---|---|
| a1 | 5.756 | 5.35583 |
| a2 | 0.0983 | 0.100473 |
| a3 | 0.2020 | 0.20692 |
| a4 | 189.32 | 100 |
| a5 | 12.52 | 11.34927 |
| a6 | 1,32E-02 | 1,5334E-02 |
| b1 | 2,860E-06 | 4,629E-07 |
| b2 | 4,700E-08 | 3,862E-08 |
| b3 | 6.113E-08 | -8,9E-09 |
| b4 | 1,516E-04 | 2,657E-05 |
En utilisant ces paramètres dans l'équation de Sellmeier, vous pouvez calculer la variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde et de la température. Le tableau ci-dessous en donne quelques exemples.
| Température | 532 nm | 780 nm | 1064 nm | 1550 nm | 3500 nm |
|---|---|---|---|---|---|
| 30°C | 2.2260 | 2.1715 | 2.1496 | 2.1320 | 2.0732 |
| 100°C | 2.2485 | 2.1929 | 2.1708 | 2.1530 | 2.0938 |
| 150°C | 2.2673 | 2.2108 | 2.1884 | 2.1705 | 2.1110 |
Le PPLN possède un indice de réfraction élevé, ce qui entraîne une perte de Fresnel d'environ 14 % par surface non traitée. Afin d'accroître la transmission à travers nos cristaux, les faces d'entrée et de sortie sont traitées antireflet, réduisant ainsi les réflexions sur chaque surface à moins de 1 %.
Transmission
Le MgO:LN et le LN présentent des courbes de transmission très similaires et une transparence élevée entre 400 et 4000 nm . L'absorption du matériau se produit en dessous de 400 nm et au-dessus de 4000 nm, domaines dans lesquels le PPLN reste utilisable à condition de compenser les pertes. Par exemple, un OPO pulsé infrarouge moyen générant une longueur d'onde de 7,3 µm a été réalisé avec du PPLN [4] , bien que les OPO à base de PPLN fonctionnent généralement jusqu'à 4,5-5 µm . De même, dans l'UV, la génération à 386 nm [5] et 370 nm [6] a été démontrée grâce à un QPM du 3e ordre dans le MgO:PPLN.
Les travaux de Schwesyg et al. ont analysé les pertes par absorption du MgO:LN entre 300 et 2950 nm [7] . Leurs données (présentées ci-dessous) fournissent une mesure précise du coefficient d'absorption entre 400 et 800 nm. Leur expérience n'a par ailleurs révélé aucune bande d'absorption mesurable entre 800 et 2000 nm .
La figure ci-dessous présente les courbes de transmission de LN et de MgO:LN mesurées par Covesion, illustrant la diminution de la transmission pour les deux matériaux. La mesure inclut les réflexions de Fresnel sur les faces d'entrée et de sortie des échantillons, ce qui représente une perte d'environ 30 % due à ces réflexions.
REMARQUE : Il existe une bande d'absorption OH à 2826 nm avec un coefficient d'absorption mesuré de 0,088 cm-1 [7].
MgO:PPLN vs PPLN non dopé
Le PPLN non dopé est généralement utilisé à des températures comprises entre 100 °C et 200 °C afin de minimiser l'effet photoréfractif susceptible d'endommager le cristal et de déformer le faisceau de sortie. Cet effet étant plus marqué dans le PPLN en présence de photons de haute énergie dans le domaine visible (de l'ordre du µm , il est primordial d'utiliser le cristal uniquement dans la plage de températures recommandée.
L'ajout de 5 % de MgO au niobate de lithium µm augmente significativement la résistance optique et photoréfractive du cristal tout en préservant son coefficient non linéaire élevé. Grâce à un seuil d'endommagement plus élevé, le MgO:PPLN est mieux adapté aux applications haute puissance. Il peut également fonctionner de la température ambiante jusqu'à 200 °C, ce qui accroît considérablement la plage de réglage de la longueur d'onde du dispositif. De plus, dans certains cas particuliers, le MgO:PPLN peut fonctionner à température ambiante sans régulation de température ; par exemple, notre dispositif MSHG1550-0.5-1 (1 mm de long) peut être utilisé pour générer une longueur d'onde de 780 nm à partir d'un laser à fibre femtoseconde de 1560 nm.
Capacité de gestion de la puissance et seuil de dommages
Chez Covesion, nous effectuons des tests de durée de vie sur nos cristaux en continu. À l'aide d'un laser CW de 10 W à 1064 nm, nous avons généré 2,2 W à 532 nm. Avec une intensité µm de plus de 500 kW/cm² et une température de fonctionnement de 35 °C, notre cristal PPLN a maintenu une puissance de sortie SHG de 2,2 W pendant 2000 heures, sans aucun signe de dommage ni de distorsion du faisceau due à la photoréfraction.
Le seuil d'endommagement du MgO:PPLN ou du PPLN dépend de la longueur d'onde et du type de source (continue ou pulsée). En régime continu, le seuil dépend de l'intensité et est plus bas pour les longueurs d'onde visibles. Pour les sources pulsées, le seuil d'endommagement dépend de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la puissance moyenne et de la fréquence de répétition. Ce seuil est généralement plus élevé pour les sources à faible fréquence de répétition.
Si vous pensez travailler à proximité du seuil d'endommagement, il est conseillé de le tester dans une zone non polarisée du cristal. Les cristaux Covesion ont une largeur standard de 10 mm, mais les réseaux polarisés couvrent une largeur maximale µm (environ 7 mm). Vous pouvez utiliser les zones non polarisées pour tester soigneusement l'absence d'endommagement, à condition qu'elles restent dans la zone traitée antireflet.
Remarque : Le seuil d’endommagement dans une zone polarisée sera plus bas si vous générez des longueurs d’onde visibles. Augmentez toujours la puissance p µm p progressivement, tout en surveillant le faisceau afin de détecter toute distorsion ou chute brutale de puissance.
Le tableau ci-dessous présente des données de Covesion et de ses clients concernant la tenue en puissance et les seuils de dommages sous différents régimes. Nous collaborons étroitement avec nos clients afin d'enrichir constamment les informations disponibles sur les seuils de dommages des cristaux.
Régime | Intensité maximale / Densité | Dommage? | Notes |
|---|---|---|---|
| CW | 500 kW/cm² | N | 1064 nm, 10 W, SHG (Coversion) |
| CW | 500 kW/cm² | N | 1560 nm, 30 W, (Université nationale australienne)[8]) |
| CW | 200 kW/cm² | N | 532 nm, 2,2 W (à partir de la génération de second harmonique à 1064 nm) (Coversion) |
| ns | 100 MW/cm² ou 2 J/cm² | Y | 1064 nm, période d'environ 30 µm , passage unique, 10-20 ns, 21 Hz, (Covesion) |
| ps | 100 MW/cm² | N | OPO 1060 nm, 20 ps, 115 MHz, 24 W (ORC Southampton,[9]) |
| ps | 1,5 GW/cm² | N | OPG 1064 nm pour MIR : 7 ps, 400 Hz |
| ps | 1,8 MW/cm² | Y | OPO 530 nm, 20 ps, 230 MHz, 500 mW, (ORC Southampton,[10]) |
| ps | 7,5 MW/cm² | Y | OPO 530 nm, 20 ps, 230 MHz, 1 W → 100 mW haché, (ORC Southampton,[10]) |
| ps | 468 MW/cm² | N | 1064 nm, 7 ps, 17 W, 80 MHz (Université nationale de Singapour)[11]) |
| fs | 4GW/cm2 | Y | 1550 nm, 200 fs, 200 mW, 80 MHz, SHG |
Mécanismes de dommages
L'effet photoréfractif
Dans des conditions de forte intensité, LiNbO3 et MgO:LiNbO3 sont sujets à l'effet photoréfractif, qui est une modification de l'indice de réfraction induite optiquement. (NB : Le seuil est plus élevé pour MgO:LiNbO3).
Dans une région de forte intensité optique, les électrons sont libérés sous forme de porteurs libres, puis se redistribuent dans une zone de plus faible intensité optique. Ceci induit une variation spatiale de l'indice de réfraction au sein du matériau, observable sous forme de distorsions du faisceau. Ce phénomène peut entraîner des dommages permanents au cristal. Toutefois, dans certaines conditions µm , si les effets sont faibles, les dommages peuvent être réparés en chauffant le cristal à 200 °C pendant quelques heures afin de permettre la redistribution de tous les porteurs de charge.
Si vous travaillez à proximité du seuil de dommage, il est recommandé d'opérer à des températures élevées comprises entre 150 et 200 °C.
Absorption infrarouge induite par le vert
L'absorption infrarouge induite par la lumière verte (GRIIRA) est un phénomène où la présence de lumière verte permet l'absorption du rayonnement infrarouge. Ceci provoque un échauffement local susceptible de perturber la température d'accord de phase de l'interaction, mais peut également, à terme, endommager le cristal.
Le mécanisme de l'effet GRIIRA repose sur la création de polarons à partir de défauts cristallins tels que les ions Nb occupant des sites d'ions Li (défauts antisites) et les impuretés d'ions Fe. Le dopage du niobate de lithium µm avec du MgO réduit l'apparition de l'effet GRIIRA, car il permet aux ions Mg de remplacer les défauts antisites Nb.
L'absorption infrarouge due à la lumière bleue se produit également par les mêmes mécanismes et est connue sous le nom de BLIIRA (absorption infrarouge induite par le bleu).
Références
1. « Lasers bleu-vert compacts », WP Risk, TR Gosnell et AV Nurmikko, Cambridge University Press, 2003.
2. Gayer et al., Applied Physics B 91, 343-348 (2008).
3. DH Jundt, Optics Letters, vol. 22, n° 20, p. 1553-1555 (1997).
4. MA Watson et al., Optics Letters, vol. 27, n° 23, p. 2106-2108 (2002).
5. RT White et al., Applied Physics B: Lasers and Optics, 77(6-7), 547-550 (2003).
6. J. Kim et al., 2013 IEEE Photonics Society S µm mer Topical Meeting Series (p. 183-184) (2013)
7. JR Schwesyg et al., Advances in Optical Materials, AIThE3, (2011)
8. SS Sané et al., Optics Express, vol. 20, n° 8, p. 8915–9, (2012)
9. F. Kienle et al., Optics Express, vol. 18, n° 8, p. 7602–10, (2010)
10. F. Kienle et al., Journal of the Optical Society of America B, vol. 29, n° 1, p. 144, (2011)
11. PK Upputuri et H. Wang, Applied Physics B, vol. 112, n° 4, p. 521–527, (2013)
