Lorsque la lumière traverse un matériau, elle interagit avec lui au niveau atomique et moléculaire. Vous pouvez considérer ces atomes ou molécules comme des réseaux de dipôles. Le champ électrique de la lumière incidente entraîne ces dipôles, les faisant osciller comme des ressorts lors de leur déplacement à travers le matériau.
Dans la plupart des cas, la lumière ne sera pas affectée et aura exactement la même fréquence lorsqu'elle quittera la média µm . Cependant, il est possible pour la lumière de forcer ces dipôles au point qu'ils oscillent avec une réponse non linéaire de sorte que la lumière rééminée contient des fréquences supplémentaires, comme les harmoniques d'un ressort. Certains matériaux sont plus enclins à présenter des réponses non linéaires ou χ (2) , d'autres peuvent être plus sensibles aux réponses de troisième ordre ou χ (3) . Le type de réponse non linéaire dépend entièrement de la structure du matériau.
Conversion de fréquence non linéaire du deuxième ordre
Les processus non linéaires du second ordre impliquent le mélange de trois ondes électromagnétiques, où l'ampleur de la réponse non linéaire du cristal est caractérisée par le coefficient χ (2) . Cela peut donner lieu aux interactions suivantes :
- Génération de fréquence de différence (DFG)
- Génération de deuxième harmonique (SHG)
- Génération de fréquences S µm (SFG)
La deuxième génération harmonique (SHG), ou doublement de fréquence, est l'application la plus courante qui utilise les propriétés χ (2) d'un cristal non linéaire. Dans SHG, deux photons d'entrée P µm P avec la même longueur d'onde λ P sont combinés par un processus non linéaire pour générer un troisième photon à λ shg, où,
OU, en termes de fréquence,
Semblable à SHG, la génération de fréquences S µm (SFG) combine deux photons d'entrée à λ p et λ s pour générer un photon de sortie à λ SFG , où,
OU, en termes de fréquence,
Alternativement, dans la génération de fréquences de différence (DFG) lorsque deux photons d'entrée à λp et λs sont incidents sur le cristal, la présence du photon de signal de fréquence inférieur, λs, stimule le photon p µm p, λp, pour émettre un photon de signal λ s et un photon idler à λ i , où, où, où
OU, en termes de fréquence,
Dans ce processus, deux photons signaux et un photon libre sortent du cristal, ce qui entraîne un champ de signal amplifié. C'est ce qu'on appelle l'amplification paramétrique optique. De plus, en plaçant le cristal non linéaire dans un résonateur optique, également connu sous le nom d'oscillateur paramétrique optique (OPO), l'efficacité peut être considérablement améliorée.
Correspondance de phase
Dans tous ces processus, l'énergie photonique est conservée; Cependant, pour que l'une d'entre elles, les interactions de conversion de fréquence non linéaire du second ordre ne se produisent, le moment µm doit également être conservé. Ceci est autrement connu sous le nom de correspondance de phase.
L'appariement de phase fait référence à la fixation de la phase relative entre deux ou plusieurs fréquences de lumière lorsqu'ils se propagent à travers le cristal, tels que le doublement de la fréquence, le s µm et la génération de fréquences de différence. L'indice de réfraction dépend de la fréquence de la lumière. Ainsi, la relation de phase entre deux photons de fréquences différentes variera à mesure que les photons se propagent à travers le matériau, à moins que le cristal ne soit apparié en phase pour ces fréquences. Il est nécessaire que la relation de phase entre l'entrée et les photons générées soit maintenue dans tout le cristal pour une conversion efficace de fréquence non linéaire des photons d'entrée. Si ce n'est pas le cas, les photons générés se déplaceront dans la phase de place entre eux de manière sinusoïdale, limitant le n µm de photons générés qui quittent le cristal. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous. L'appariement de phase traditionnel nécessite que la lumière se propage à travers le cristal dans une direction où la biréfringence naturelle du cristal correspond à l'indice de réfraction de la lumière générée. Malgré une correspondance de phase parfaite, cette technique est limitée à une petite gamme de longueurs d'onde dans les matériaux qui peuvent être appariés en phase.
Le PPLN est un matériau d'origine et d'association quasi-phase. Le terme conçu se réfère au fait que l'orientation du cristal de niobate Lithi µm est périodiquement inversée (poted). En inversant l'orientation cristalline à chaque pic de la génération sinusoïdale, on peut éviter que les photons ne glissent en phase. En conséquence, le n µm des photons générés se développera à mesure que la lumière se propage à travers le PPLN, ce qui donne une efficacité de conversion élevée de l'entrée en photons générés (voir la figure ci-dessus).
La période avec laquelle le cristal doit être inversé (la période de polarisation) dépend des longueurs d'onde en interaction et de la température du PPLN. Par exemple, un cristal PPLN avec une période de polarisation de 6,6 μm générera efficacement des photons doublés en fréquence à partir de photons de 1 060 nm lorsque la température du cristal est maintenue à 100 °C. En augmentant la température du cristal à 200°C, le même cristal PPLN générera efficacement des photons à fréquence doublée à partir de photons de longueur d'onde de 1 068,6 nm. Ainsi, la modification de la température du cristal fait varier les conditions d'adaptation de phase, permettant un certain réglage de l'interaction de longueur d'onde.
